Электрическое поле и установка для измерения удельных сопротивлений горных пород

Министерство образования И НАУКИ российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ государственное БЮДЖЕТНОЕ образовательное учреждение

Высшего образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Филиал ТюмГНГУ в г. Сургуте

Кафедра «Нефтегазовое дело»

 

 

 

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине: «Промысловая геофизика»

для студентов направления 21.03.01 «Нефтегазовое дело»

всех форм обучения

 

                      

                                             

 

 

                              

 

 

Сургут, 2015

Лекционный курс по дисциплине «Промысловая геофизика» для студентов всех форм обучения по направлению 21.03.01 «Нефтегазовое дело» /сост. Янукян А.П.; Тюменский индустриальный университет филиал ТюмГНГУ в г.Сургуте. – 91С.

 

 

Составитель: Бахарев Михаил Самойлович, д.т.н., профессор

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КАРОТАЖИ
	1.1 Электрическое поле и установка для измерения удельных сопротивлений г/п………………………………………………………	5
	1.2 Теоретические основы каротажа самопроизвольной поляризации (ПС)……………………………………………………..	9
	1.3 Электрический каротаж обычными зондами…………………..	11
	1.4 Боковое каротажное зондирование……………………………..	13
	1.5 Микрокаротаж……………………………………………………..	14
	1.6 Электрический каротаж установками с фокусировкой поля…..	16
	1.7 Индукционный каротаж………………………………………….	18
	1.8 Диэлектрический каротаж……………………………………….	20
	1.9 Ядерно-магнитный каротаж………………………………………	21
2	РАДИОАКТИВНЫЕ КАРОТАЖИ…………………………………..	23
	2.1 Элементы естественного и искусственного полей радиоактивности в горных породах………………………………….	23
	2.2 Взаимодействие гамма излучения с веществом………………….	25
	2.3 Взаимодействие нейтронов с веществом…………………………	27
	2.4 Источники ионизационного излучения…………………………...	30
	2.5 Физические основы методов радиоактивного каротажа……….	32
3.	АКУСТИЧЕСКИЕ КАРОТАЖИ……………………………………..	40
	3.1 Физические основы методов акустического каротажа………….	40
	3.2 Акустические волны……………………………………………….	42
4.	МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СКВАЖИН……………………………………………………………..	47
	4.1 Определение искривления ствола скважины ……………………	47
	4.2 Измерение диаметра и профиля сечения ствола скважины…….	47
	4.3 Определение удельного сопротивления жидкости, температуры и мест прихвата бурильных труб в скважине………..	48
5.	ВЫДЕЛЕНИЕ В РАЗРЕЗЕ КОЛЛЕКТОРОВ…………………………	57
	5.1 Метод временных замеров кажущихся сопротивлений и метод двух растворов………………………………………………………….	57
	5.2 Метод «каротаж – воздействие – каротаж»…………………….	57
6.	ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В СКВАЖИНАХ СО СПУЩЕННОЙ ОБСАДНОЙ КОЛОННОЙ………………………….	60
	6.1 Изучение технического состояния скважин обсаженных колоннами………………………………………………………………	60
7.	КОНТРОЛЬ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА…………………………………………………………………….	63
	7.1Механическая расходометрия……………………………………..	63
	7.2 Термокондуктивная расходометрия………………………………	64
	7.3 Индукционная резистивиметрия………………………………….	65
	7.4 Диэлькометрическая влагометрия………………………………..	68
	7.5 Барометрия…………………………………………………………	69
	7.6 Скважинные термометры………………………………………….	70
	7.7 Гамма-гамма-плотнометрия………………………………………	72
	7.8 Акустическая шумометрия…………………………………………	73
	7.9 Магнитные локаторы муфт прихватоопределитель …………..	73

 

 

ЛЕКЦИЯ№1 – ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КАРОТАЖИ

Электрическое поле и установка для измерения удельных сопротивлений горных пород

 

Электрический каротаж (ЭК) - методы исследования скважин, основанные на изучении электрических свойств горных пород и насыщающих их флюидов. При электрическом каротаже производятся измерения электрических полей генерируемых токовыми электродами или электромагнитными катушками. По характеру изучаемого поля методы электрометрии делятся на две больших группы – естественного и искусственного электромагнитного поля, а по частоте поля – на методы постоянного, квазипостоянного и переменного поля.

Рассмотрим электрическое поле для точечного заряда в однородной среде. Из электростатики известно, что два точечных электрических заряда q₁ и q₂. будут взаимодействовать по прямой линии с силой F, прямо пропорциональной величине этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними r. Эта зависимость носит название закона Кулона и имеет вид:

F = q₁q₂ / r²,                                                                   (1)

где q₁ – первый точечный заряд;

q₂ – второй точечный заряд;

r – расстояние, между точечными зарядами.

Электрическое поле характеризуется напряженностью, имеющей в каждой его точке различные значения. Напряжен­ность поля является величиной векторной (рис. 1).

По закону Кулона напряженность электрического поля в точке, находящейся на расстоянии r от заряда q:

Е = q/r²                                                                        (2)

Если электрическое поле образовано несколькими зарядами, то общая напряженность поля равна геометрической сумме напряженностей полей всех зарядов. Линии, указывающие на­правление напряженности поля, называются силовыми ли­ниями. Элементарный положительный заряд в электрическом поле движется вдоль силовых линий.

Для перемещения электрического заряда из одной точки поля в другую с разными значениями напряженности надо вы­полнить определенную работу, затрачивая энергию для преодо­ления силы взаимодействия этих зарядов. Работа, которую не­обходимо совершать для перемещения единичного положитель­ного заряда из бесконечности в данную точку электрического поля, носит название потенциала (1) этой точки. Потенциал U каждой точки электрического поля имеет вполне определенное значение. Потенциал некоторой точки А электрического поля прямо пропорционален величине заряда и обратно пропорцио­нален расстоянию до заряда:

U_A = q/r,                                                                    (3)

или, используя (2), U_A = Er.

Геометрическое место точек с одинаковыми потенциалами электрического одиночного заряда образует эквипотенциальную поверхность (2), которая в однородной среде имеет форму шара, если поле вызвано несколькими зарядами, то потенциал точки равен алгебраической сумме потенциалов полей, образованных отдельными зарядами. Как видно из формулы 3, потенциал и напряженность электрического поля взаимозависимы. В очень малом интервале напряженность, взятая с противоположным знаком, характеризует изменение потенциала и носит название гра­диента потенциала DU.

Рисунок 1 – Электрическое поле одиноч­ного заряда (а) и точечного источ­ника тока

в проводящей однород­ной среде (б)

 

Установка (зонд) для измерения удельного сопротивления пород состоит из двух токовых (А и В) и двух измерительных (М и N) электродов.

Если электрическое поле, созданное током I, вытекающим из точки А (точка В удалена в бесконечность), находится в ус­ловиях однородной проводящей среды (рис. 1), то токовые линии будут иметь вид силовых линий. Точки М и N (называе­мые измерительными электродами), находящиеся на разных расстояниях от точки А, будут лежать на различных эквипотен­циальных поверхностях электрического поля. Таким образом, проходя через шаровые экви­потенциальные поверхности точек М и N, ток I создает между ними разность потен­циалов DU:

DU = U_M – U_N,                                                             (4)

где U_M – потенциал измерительного электрода М;

 U_N – потенциал измерительного электрода N.

но

DU = I R, а                                                            (5)

тогда

                                                  (6)

где I – сила тока, вытекаю­щего из точки A;

R – электри­ческое сопротивление между шаровыми поверхностями точек М и N;

l = r – расстояние между поверхностями точек М и N (l = AN — AM);

r_п – удельное электрическое сопротивление среды;

S – сечение проводника, площадь эквипотенциальной поверхности (S = 4pr²).

 

Учитывая, что рассматриваемые эквипотенциальные поверх­ности точек М и N расположены близко друг к другу и рас­стояние MN значительно меньше AM или AN, для упрощения можно считать:

S = 4pAМ ^. AN, (S = 4pr²),                                                (7)

 

Подставив это уравнение в (6), получим:

                                (8)

 

В случае удаления точки N в бесконечность, пренебрегая значением 1/AN, получим выражение, определяющее потенциал точки М:

                                                            (9)

Подставив выражение (9) в (3), получим величину заряда в точке М:

q = Ir_п/4p                                                                      (10)

В электрическом каротаже при измерении DU расстояния между электродами сохраняются постоянными и характеризуют коэффициент зонда К:

                                                     (11)

или

                                          (12)

Для оценки удельного электрического сопротивления одно­родной среды необходимо знать коэффициент зонда, величину протекающего в цепи АВ тока и величину разности потенциа­лов между электродами М и N.

При постоянных значениях I и К регистрируется измене­ние значения DU, которое и будет пропорционально удельному сопротивлению среды:

,                                                               (13)

где, К – коэффициент зонда;

I – ток протекающий в цепи токовых электродов АВ;

DU – разность потенциа­лов между измерительными электродами М и N.

 

В действительности при каротаже методом сопротивлений встречаются с неоднородной по удельному сопротивлению сре­дой. В результате искажающего влияния таких факторов, как промывочная жидкость, зона проникновения фильтрата глини­стого раствора в пласт, незатронутая проникновением часть пласта, переслаивание пластов с различными электрическими характеристиками и другие, определяется не истинное удель­ное сопротивление, а приближенное, которое носит название кажущегося удельного сопротивления р_к.

Для измерения р_к пользуются формулой (13), справедливой для однородной среды. Результаты измерений кажущегося удельного сопротивления представляют в виде кривой измене­ния р_к по стволу скважины с глубиной – кривая кажущегося сопротивления (КС).

Горные породы состоят из породообразующих минералов, которые имеют очень высокие значения электрического сопротивления. Однако присутствие в породах минерализованной воды в значительной степени снижает их сопротивление, так как насыщенные минерализованной водой горные породы обладают ионной проводимостью (3). Содержание воды в породе в общем случае зависит от значения коэффициента пористости горной породы (К_п), который выражается в %, т.е. показывает объем пустот в породе. Нефть и газ, которыми могут быть насыщенны пласты коллектора, также имеют очень высокое электрическое сопротивление, но при регистрации электрокаротажа пласты, насыщенные нефтью или газом не имеют бесконечно высокого сопротивления, поскольку нефть заполняет только центральную часть пор, а сами зерна минералов, которыми сложен пласт, всегда содержат на своей поверхности физически связанную воду.

Основными факторами, определяющими УЭС водных растворов – концентрация солей в растворе, химический состав и температура.

В пластовых водах нефтяных и газовых месторождений 70 – 95 % NaCl. Температура понижает сопротивление растворов т. к. увеличивается подвижность ионов и уменьшается вязкость.

Для измерения удельного сопротивления горных пород вскрытых скважиной применяют несколько электрических зондовых устройств. Пример простейшего зондового устройства для измерения удельного сопротивления горных пород в скважине показан на рис. 2.

Удельное сопротивление горных пород наиболее тесно свя­зано с их литологической характеристикой, характером насы­щения (вода, газ, нефть), пористостью и проницаемостью, т. е. с параметрами, оценивающими коллекторские свойства пласта. В связи с этим метод удельного сопротивления в настоящее время является основным методом исследования геологического разреза скважин.

В зависимости от минерализации пластовой воды, заполняю­щей поры и трещины горных пород, их удельное сопротивление изменяется в широких пределах – от долей Ом-метра до не­скольких тысяч Ом-метров. Повышение минерализации водных растворов ведет к уменьшению их удельного сопротивления за счет увеличения общего числа ионов.

 

 

Рисунок 2 – Зондовое устройство для измерения удельного сопротивления горных пород

в скважине

 

С повышением температуры удельное сопротивление растворов и горных пород понижается. Значения удельных сопротив­лений наиболее распространенных осадочных горных пород приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Значения удельных сопротивлений горных пород                                 

Горная порода	Удельное электрическое сопротивление, Ом м	Горная порода	Удельное электрическое сопротивление, Ом м
Глина, содержащая минерализованную воду	0,5 – 15	Песок, песчаник, насыщенный минерализованной водой	0,5 – 5
Известняк	40 – 100 000	Песок, песчаник, насыщенный минерализованной водой	10 – 10 000

 

Поскольку удельное сопротивление большинства породообразующих минералов осадочных пород на 5–10 порядков выше удельного сопротивления пластовой воды, то удельное сопротивление породы зависит в основном от удельного сопротивления пластовой воды, насыщающей породу, объемной влажности и геометрии пространства, занимаемого в породе водой.