Фізичні основи методів електричного каротажу

Здатність гірських порід проводити електричний струм є однією із їх властивостей, яка широко використовується для вивчення геологічного розрізу свердловин.

Величиною, яка характеризує здатність гірської породи пропускати електричний струм, є питомий опір r. Він може бути визначений за допомогою відомої формули для опору R провідника із однорідної речовини з сталою площиною січення S і довжиною l:

.                                                                     (4.1)

На практиці електричного каротажу питомий опір r виражають в Ом·метрах (Ом·м).

Таким чином, питомий опір гірської породи – це опір між двома протилежними гранями куба породи з ребром в один метр.

Питомий опір може бути виражений і в інших одиницях, наприклад Ом·сантиметр (Ом·см).

Здатність породи проводити електричний струм можна охарактеризувати і питомою електропровідністю s, яка є величиною оберненою питомому опору

.                                                                        (4.2)

Провідність вимірюється в сіменсах (См). У відповідності з цим питома електропровідність виражається в См/м. Переважно, щоб уникнути дробових чисел користуються тисячними частинами цієї одиниці – мСм/м. Таким чином маємо:

Питомий опір, Ом·м                  1     10   10

Питома провідність, См/м 1     0,1  0,01           

Питома провідність, мСм/м 1000 100 10      

Гірські породи за величиною електропровідності займають проміжне місце між провідниками та ізоляторами. Їх питомий опір змінюється від долей Ом·м до десятків тисяч Ом·м. За його величиною, яка визначається за допомогою каротажу, можна судити, які породи насичені нафтою або газом або не насичені.

Мінерали, які складають гірські породи, в основному, погано проводять електричний струм; мінеральний скелет породи можна вважати не провідником. Електропровідність гірської породи обумовлена електропровідністю пластової води, яка заповнює пори.

3.2 Класифікація зондів

Уявний опір гірських порід переважно вимірюється за допомогою звичайних зондових пристроїв, у яких три електроди знаходяться в свердловині. Домовимось називати електроди парними, якщо вони включенні в одну ланку – живлячу (А і В) або вимірювальну (М і N), і непарними – електроди різних ланок. Електроди А і В, які служать для створення електричного поля в свердловині, називають струменевими або живлячими, електроди М і N, які використовуються для вимірювання величини електричного поля, – вимірювальними або приймальними.

За величиною електричного поля, що вимірюється, та розміщенням електродів зондові пристрої діляться на потенціал-зонди і градієнт-зонди (Рис. 5.1).

Потенціал-зондами називаються такі зонди, в яких відстань між непарними електродами АМ мала у порівнянні з відстанню між парними електродами (МN або АВ), тобто АМ < MN або АМ < AB. Якщо один із парних електродів (N або В) потенціал-зонда віддалений у нескінченність (N ®¥ або B ®¥), то такий зонд називається ідеальним потенціал-зондом (Рис. 5.1, а, I). В даному випадку величина УО, яка виміряна ідеальним потенціал-зондом, пропорційна потенціалу електричного поля в точці М, тобто:

.                                                    (5.3)

Пристрій називається потенціал-зондом тому, що в точці М вимірюється значення потенціалу електричного поля.

Переважно використовуються трьохелектродні потенціал-зонди (Рис. 5.1, а, II – IV). Величина r _к в даних зондах визначається за формулою:

.                      (5.4)

Використання для вимірювання r _к ідеальних двохелектродних потенціал-зондів на трьохжильному кабелі недоцільне, у зв’язку з виникненням значних електрорушійних сил індукції у вимірювальній жилі кабелю. Ці електрорушійні сили суттєво спотворюють величину потенціалу, а відповідно, і значення уявного опору.

Відстань між зближеними непарними електродами L _пз= АМ є розміром або довжиною потенціал-зонда. Точка до якої відноситься вимір, називається точкою запису та позначається буквою “ O ”. Точка запису в потенціал-зонда умовно розміщена посередині між електродами А і М. Розмір потенціал зонда L _пз= АМ визначає його глибинність дослідження та загальний вид кривої уявного опору.

Якщо допустити вимірювання величини УО з відносною похибкою 5 %, то в потенціал-зондах відстань АВ (або МN) необхідно брати рівною або більшою 10· АМ.

Градієнт-зонди – це зонди, в яких відстань між парними електродами (АВ або МN) мала в порівнянні з відстанню між непарними електродами (АМ), тобто MN < AM або АВ < AM (Рис. 5.1, б). Якщо відстань між зближеними електродами МN або АВ прямує до нуля, то такий зонд називається ідеальним градієнт-зондом (Рис. 5.1, б, I). Величина уявного опору, яка заміряна ідеальним градієнт-зондом, пропорційна градієнту потенціалу Е електричного поля в точці О, яка є серединою відстані між електродами М і N:

.                                  (5.5)

На практиці використовують трьохелектродні неідеальні градієнт-зонди, величина r _к яких пропорційна зміні різниці потенціалів на ділянці МN.

Переважно використовуються градіент-зонди з відстанями між електродами МN або АВ від 0.05 до 2 м. Використання ідеальних градієнт-зондів неможливе, так як, по-перше, не можна виготовити зонд з нескінченно близьким розміщенням електродів, а по-друге при нескінченно близьких один від одного електродів різниця потенціалів настільки мала, що її практично не можна виміряти.

Відстань L _гз= АО між непарним електродом і серединою парних електродів є розміром градієнт-зонда. Точка запису О кривої УО в градієнт-зонда розміщена посередині між парними електродами.

Якщо допустити вимірювання величини УО градієнт-зондом з відносною похибкою до 5 %, то відстань АО (або МО) необхідно брати рівною або більшою 10· МN (10· AB).

За призначенням електродів, які розміщені в свердловині, зонди можуть бути однополюсні або прямого живлення та двополюсні або взаємного живлення.

В однорідних середовищах величина УО залежить не тільки від типу зонда, але і від взаємного розміщення його електродів. У зв’язку з цим розрізняють послідовні та оберненні трьохелектродні потенціал- і градієнт-зонди. Послідовними називають зонди, в яких парні електроди (А i В або М i N) знаходяться внизу, оберненими – зонди, в яких парні електроди розміщені вище непарного.

Зонди позначаються наступним чином:

А2.0М0.25N – однополюсний послідовний градієнт-зонд: верхній електрод А – живлячий, нижче нього на відстані 2м розміщений електрод М і на відстані 0,25м від М – інший вимірювальний електрод N. Інший живлячий електрод В розміщений на значній віддалі від свердловинних електродів. Розмір зонда L _гз=2.125 м.

3.3 Форми кривих для різних умов

Розглянемо криві УО для одинарних однорідних пластів при різних співвідношеннях розміру зонда L і потужності пласта h, питомого опору пласта r _п і вміщуючих порід r _вм, дійсні питомі опори яких в підошві і покрівлі рівні.

Форму кривих УО потенціал-зонда розглянемо для потужного і тонкого пластів.

1. Пласт потужний (h>L_пз), високого питомого опору (r _п > r _вм), виділяється максимум r _к, який симетричний відносно середини пласта (Рис. 5.2, а). При значному віддаленні зонда від підошви пласта в нижньому півпросторі значення r _к близьке до r _вм.

Границі високоомного пласта великої потужності на кривій потенціал-зонда відмічається наступним чином: покрівля – на половину довжини зонда L _пз/2= АМ /2 вища, а підошва – на L _пз/2 нижче точок переходу від повільної до різкої зміни кривої r _к.

2. Пласт тонкий (h<L_пз), високого питомого опору (r _п > r _вм). З наближенням зонда до підошви пласта r _к збільшується, досягаючи максимуму на відстані АМ /2 від нижньої границі пласта (Рис. 5.2,а). Після перетину електродом А підошви пласта і входу його в середовище з опором r _п величина r _к знижується, досягаючи мінімуму в середині пласта. З наближенням електрода до покрівлі пласта r _к збільшується і максимум спостерігається на відстані АМ /2 вверх від верхньої границі пласта.

3. Потужний пласт (h>L_пз) низького питомого опору (r _п < r _вм) виділяється мінімумом r _к, симетричним відносно середини пласта (Рис. 5.2, б). Границі визначаються за аналогією для високоомного пласта.

4. Тонкий пласт (h<L_пз) низького питомого опору (r _п < r _вм) відмічається симетричним мінімумом (Рис. 5.2, б).

Форму кривих УО для градієнт-зондів розглянемо на прикладі послідовного зонда.

1. Пласт потужний (h>L_гз), високого опору (r _п > r _вм). Крива УО є асиметрична відносно середини пласта. При наближенні зонда до пласта r _к зростає (Рис. 5.2, в).

Границі високоомного пласта на кривій УО послідовного градієнт-зонда відмічаються наступним чином: покрівля – мінімум кривої r _к, підошва – максимум, причому сама крива зміщена за глибиною вниз на половину відстані між парними електродами (MN /2).

2. Пласт тонкий (h<L_гз), високого опору (r _п > r _вм). Крива УО асиметрична відносно середини пласта. Підошва пласта відмічається основним максимумом r _к, покрівля пониженим значенням r _к. При збільшенні відношення L _гз/ h криві УО стають більш симетричними.

Криві УО, які отримані оберненим градієнт-зондом, мають дзеркальне відображення кривих УО, які отримані градієнт-зондом.

3.4 Стандартний каротаж

Для порівняння між собою діаграм УО, які отримані в окремих свердловинах регіонів з специфічними умовами залягання порід, дослідження розрізів свердловин здійснюється зондом одних і тих же розмірів і типу, який називається стандартним. Вибір стандартного зонда здійснюється за наступними основними вимогами:

1. Крива УО повинна бути достатньо диференційована за вертикаллю і, відповідно, повинна виділяти як можна більше пластів в розрізі свердловини;

2. На кривій r _к повинні достатньо чітко відмічатись границі пластів різних питомих опорів;

3. Значення УО навпроти окремих пластів не повинні значно відрізнятись від їх дійсного питомого електричного опору.

При виборі стандартного зонда має значення не тільки його розмір, але і тип. Наприклад, в тонкошаруватому розрізі не слід застосовувати потенціал-зонд, так як за його кривими УО не можна виділити тонкі пласти високого опору.

На практиці в якості стандартного зонда переважно використовують зонд середньої довжини, який дозволяє отримати найбільш оптимальні дані про геологічний розріз, що вивчається.

Тип і розмір стандартного зонда може підбиратись в залежності від степені геолого-геофізичної вивченості району, особливо на стадії пошуково-розвідувальних робіт.

Області застосування стандартного каротажу

Дані методу УО стандартного каротажу разом з кривою СП представляють собою основу всіх геологічних побудов, які пов’язані з вивченням глибинної будови території, уточнення стратиграфічних границь, побудови різних стратиграфічних карт та інше.

За кривою УО стандартного каротажу відмічають границі пластів, визначають їх потужності та глибини залягання, виділяють колектори і оцінюють характер їх насичення, виявляють пласти нафти, газу, вугілля, руд та інших корисних копалин.

Мікрокаротажне зондування