§ 4. Метод экранированного заземления (боковой каротаж)

Изучение разрезов скважины методом экранированного зазем­ления также основано на различии удельных электрических со­противлений горных пород. В научной литературе известно не­сколько модификаций метода. В производстве получили распро­странение измерения по методу экранированного заземления с автоматической фокусировкой тока или, как часто называют, по методу бокового каротажа. Наиболее широко используют две модификации метода экранированного, заземления: измерения по схеме с семиэлектроным зондом и измерения по схеме с трехэлектродным зондом.

В семиэлектродном зонде (рис. 19) электроды смонтированы на гибком кабеле или на изолированной трубе. Зонд имеет три однополярных токовых электрода (А₀, А₁, А₂) и две пары измерительных электродов (MN₁, MN₂). Через центральный электрод А₀ и через фокусирующие электроды А₁ и А₂ пропускают ток одной полярности. Сила тока, протекающего через фокуси­рующие электроды, регулируется так, чтобы независимо от со­противления горных пород и сопротивления бурового раствора обеспечить равенство потенциалов электродов ­А₀, А₁ и А₂ при неизменном токе I₀, текущем через центральный электрод. Условие сохранения равенства потенциалов между токовыми элек­тродами будет выполняться, если разность потенциалов между двумя парами измерительных электродов MN₁, MN₂ поддерживать равной нулю путем изменения силы экранного тока. Поскольку при этом потенциалы электродов ­А₀, А₁ и А₂ окажутся равны, ток не сможет течь вдоль скважины и направится фоку­сированным пучком в горную породу (рис. 19, а).

В методе экранированного заземления измеряют кажущееся или эквивалентное удельное сопротивление горных пород, кото­рое имеет такой же физический смысл, как и кажущееся сопро­тивление, измеренное с обычным зондом. Кажущееся сопротив­ление вычисляют по формуле

, (1.21)

где К - коэффициент зонда, определяемый по специальным фор­мулам; ΔU - разность потенциалов между одним из измери­тельных электродов (M₁ или N₁) и удаленным электродом N; I₀ — сила тока, текущего через центральный электрод А₀.

Трехэлектродный зонд (рис. 19,6) в методе экрани­рованного заземления пред­ставляет собой длинный цилиндрический электрод, разде­ленный двумя изолирующими промежутками на три части: небольшой пошлине центральный_электррд_А₀ и два длинных симметричных экранных электрода А₁ и А₂. Так же, как и в семиэлектродном зонде, че­рез электроды А₀, А₁ и А₂ пропускают электрический ток одной полярности. Силу тока, те­кущего через экранные элек­троды, регулируют так, чтобы разность потенциалов между тремя электродами была равна нулю¹.

Рис. 19. Схема токовых силовых линий, выходящих из централь­ного электрода А₀ при измерениях методом экранированного зазем­ления в пластах высокого удель­ного сопротивления.

а — с семиэлектродным зондом; б — с трехэлектродным зондом

¹ Имеется и другая возможность для достижения этого условия — замкнуть между собой центральный и экранный электроды через малое сопротивление, служащее для измерения силы тока.

Определение кажущегося сопротивления также производится с помощью уравнения (1.21), где ΔU будет разность потенциа­лов между одним из токовых электродов и удалённым электро­дом N.

Характерными размерами семиэлектродного зонда являются его длина L = О₁O₂ — расстояние между серединами интервалов M₁N₁ и M₂N₂ и общий размер L_об = A₁A₂. Для трехэлектродного зонда характерными размерами являются его длина L, равная расстоянию между серединами изолирующих промежутков, и его общая длина L_об.

Точкой записи кривых в зондах экранированного заземления является середина центрального электрода. Соотношение дли­ны L и общего размера L_об семиэлектродного зонда определяет параметр фокусировки зонда q = (L_об - L) / L. С увеличением па­раметра фокусировки q уменьшается влияние ближней зоны (скважины и зоны проникновения фильтрата бурового раствора), но возрастает влияние мощности пласта на кажущееся со­противление. Можно привести два примера для семиэлектродных зондов, применяемых на практике: зонд с большим радиу­сом исследования A₁l,lN₁0,2M₁0,2A₀О, 2M₂0,2N₂1,1A₂, имеющий q = 4, и зонд с меньшим радиусом исследования A₁0,5N₁0,2M₁0,ЗА₀О, 3M₂0,2N₂0,5A₂, имеющий q = 1,5.

Рис. 20. Кривые кажущегося сопротивления против пластов высокого сопротивления ограниченной мощности, полученные на моделях пластов.

При измерениях: а - с семиэлектродным зондом; б - с трехэлектрод­ным зондом: 1 - пласт; кривые: 2 — ρ_к/ρ_р, 3 — ρ_п/ρ_р.

На рис. 20 показаны типичные кривые ρ_к, полученные по ме­тоду экранированного заземления на модели одиночных пластов высокого удельного сопротивления.

Для определения границ пластов по кривым семиэлектродно­го зонда находят точки максимального градиента ρ_к (точки пе­региба кривой), которые приурочены примерно к половине вы­соты аномалий. От этих точек в масштабе глубин откладывают вниз и вверх расстояние, равное половине длины зонда. Параллельные прямые-линии,

проведенные на этих глубинах, укажут положение кровли и подошвы пласта (рис. 20, а).

Границы пласта по кривым трехэлектродного зонда опреде­ляют по началу наиболее крутого подъема и окончанию спада кривой ρ_к, т. е. на уровне основания аномалии (рис. 20, б).

Кривые на рис. 20 показывают влияние мощности пластов на величину аномалии ρ_к. При измерениях с семиэлектродными зон­дами влияние мощности необходимо учитывать в пластах с h < 2L_o6 (h<1,2÷6 м при L_o6 = 0,6÷3 м). При измерениях с трехэлектродным зондом влияние мощности существенно мень­ше и начинает ощущаться в пластах с h < 4d_c (h < 0,8÷1,2 м при d_c = 0,2÷0,3 м).

Рис. 21. Кривые зависимости ρ_к/ρ_р от ρ_п/ρ_р для семиэлектродного зонда (по С.Г. Комарову).

L_об = 2,5 м; L = l,67 м; q = 2,5; d_c = 0,25 м; ρ_зп/ρ_р = 20. Шифр кривых — D/d_c

На рис. 21 изображены кривые зависимости между кажущимся и истинным сопро­тивлениями пласта для семиэлектродного зонда. Из рас­смотрения этих кривых следует, что при отсутствии проник­новения фильтрата бурового раствора в пласт (D/d_c = l) кажущееся сопротивление про­порционально истинному со­противлению пласта в широ­ком диапазоне изменения по­следних. Сравнительно мало влияет на кажущееся сопро­тивление наличие небольшой (D/dc<4) зоны понижающего проникновения раствора (ρ_зп<ρ_п). Это также благо­приятные условия для определения истинного сопротивления пласта. Повышающее проникновение раствора (ρ_зn>ρ_п) оказы­вает большое влияние на кажущееся сопротивление, а при глу­боких проникновениях ρ_к практически не зависит от удельного сопротивления пласта. Таким образом, в общем случае при на­личии зоны проникновения раствора по одной кривой экраниро­ванного заземления нельзя точно определить удельное сопро­тивление пласта. В этом случае необходимо для интерпретации привлекать данные измерений с другими зондами, отличающи­мися меньшим и большим радиусами исследований. Таким об­разом, метод экранированного заземления наиболее целесооб­разно применять при исследовании скважин, заполненных соле­ным раствором (ρ_р<0,1 Ом·м), а также для изучения разрезов, сложенных плотными горными породами с высоким удельным сопротивлением. В этих условиях метод позволяет более деталь­но, чем обычный метод КС, произвести расчленение разреза, точнее определить удельное сопротивление пластов.