2018-02-14
4930
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН
Методические указания к лабораторным работам
(для бакалавров специальности 5В070600 «Геология и разведка МПИ»
Алматы 2013
УДК 550.83
СОСТАВИТЕЛИ: Борисенко Г.Т, Байгазиева Г.Т. Геофизические исследования нефтегазовых скважин. Методические указания к лабораторным работам.- Алматы: КазНТУ имени К.И.Сатпаева,2013.,с-74
Методические указания к лабораторным работам по геофизическим исследованиям нефтегазовых скважин предназначены бакалаврам Института геологии и нефтегазового дела. При проведении лабораторных работ по данным методическим указаниям обучающиеся изучают геофизические методы и решают геологические задачи по диаграммам комплекса геофизических методов исследования скважин ГИС. Методические указания написаны в соответствии с требованиями методического совета.
|
|
|
Ил. 37. Табл.4. Список лит. - 8 назв.
Рецензент Нурмагамбетов А., д-р геол-минерал. наук, проф.
© КазНТУ имени К.И. Сатпаева,2013г.
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания предназначены для бакалавров специальности 5В070600-«Геология и разведка МПИ».
Лабораторные работы являются одной из важнейших составных частей курсов «Геофизические изучения нефтегазовых скважин». Тематика лабораторных охватывает основные разделы дисциплины: физические основы геофизических методов исследования нефтегазовых скважин, геологические задачи, решаемые геофизическими методами, методики изучения технического состояния стенок скважины, методики изучения разрезов скважин.
Методические указания составлены таким образом, чтобы задания выполнялись обучающимся самостоятельно. Для получения достаточных знаний каждая лабораторная работа сопровождается теоретической частью, что облегчает подготовку обучающихся к решению практических задач. При выполнении лабораторных работ обучающиеся приобретают навыки самостоятельно обрабатывать полученные диаграммы комплекса геофизических исследований по нефтегазовым скважинам. Фрагмент диаграмм по скважине показан на фотографии.
|
|
|
мент
Лабораторная работа №1
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В СКВАЖИНАХ
Цель работы: ознакомление с промысловой геофизической аппаратурой и оборудованием, технологией проведения геофизических исследований в скважине, способами измерения и регистрации геофизических параметров.
1.1 Задание
1.1.1.Под руководством преподавателя ознакомьтесь с образцами наземной и глубинной скважинной аппаратуры, кабеля и элементами спуско - подъемного оборудования.
1.1.2.Изучите конструкцию и функциональную схему подъемника.
1.1.3.Изучите электрические схемы и конструкции датчика глубин, блок - баланса.
1.1.4.По рекомендации преподавателя зарисуйте отдельные образцы наземной и глубинной аппаратуры и оборудования.
1.2 Методические рекомендации.
Общая характеристика промысловой геофизической аппаратуры и оборудования
Геофизические исследования в скважинах служат для изучения геологических разрезов скважин, выявления и промышленной оценки полезных ископаемых, изучения технического состояния скважин и контроля процесса разработки нефтяных и газовых месторождений. 
Рисунок 1. Конструкция глубоких скважин
С помощью геофизического оборудования в скважинах проводят сложные работы, связанные с испытанием, вскрытием продуктивного пласта, отбором грунтов и проб пластовых флюидов, ликвидацией аварий бурильного инструмента. Для решения перечисленных выше задач промысловая геофизика располагает значительным арсеналом геофизических методов, основанных по изучении электрических, магнитных, ядерных, упругих и других свойств горных пород. Комплекс ГИС определяется целевым назначением скважин, особенностями геологического разреза, условиями бурения, характером ожидаемой геологической информации.
Геофизические исследования в скважинах проводятся с помощью специальных установок, которые включают наземную и глубинную аппаратуру, соединенную между собой каналом связи - геофизическим кабелем, а также спускоподъемный механизм, обеспечивающий перемещение глубинных приборов по стволу скважины. Эти установки называются автоматическими каротажными станциями (рисунок 2).
Наземная аппаратура, включающая совокупность измерительной аппаратуры, источников питания, контрольных приборов и скомпонованная в виде отдельных стендов, смонтированных в специальном кузове, установленном на шасси автомобиля,носит название лаборатории, каротажной станции.
Рисунок 2.Скважины и каротажные станции.
Под скважинной геофизической аппаратурой понимают совокупность измерительных устройств, предназначенных для определения различных физических параметров в скважине. В большинстве случаев комплект скважинной аппаратуры включает в себя датчик (зонд), располагающийся вне скважинного прибора или входящий в его состав, передающую часть телеизмерительной системы, находящуюся внутри гильзы скважинного прибора, кабель и приемную часть телеизмерительной системы на поверхности. Информация со скважинного прибора преобразуется на поверхности в геофизические диаграммы, отнесенные к глубине интервала регистрации. Схема выполнения исследований приведена на рисунке 3.
|
|
|
Рисунок 3.Схема выполнения ГИС
Приемная часть телеизмерительной системы функционирует совместно с основными узлами каротажных станций, включая регистрирующий прибор и
источники питания. Конструктивные особенности того или иного прибора определяются физическими основами метода, скважинными условиями и технологией проведения работ.
Комплексные и комбинированные скважинные приборы с использованием многоканальных телеизмерительных систем позволяют за один спуск-подъем регистрировать одновременно несколько физических параметров. Наибольшее распространение получили комплексные четырехканальные приборы на одножильном кабеле с частотной модуляцией сигнала и частотным разделением каналов. Разработаны и используются 24- канальные телеизмерительные системы с кодовой и временной импульсными модуляциями. Скважинные приборы работают в условиях высоких давлений (до 120 МПа), температуры (до 250°С) и химически агрессивной внешней среды (растворы солей, нефть, газ и т.п.). При перемещении по стволу скважины они испытывают механические воздействия.
Спуск и подъем скважинных приборов осуществляются с помощью подъемника, кабеля, подвесного и направляющего роликов, установленных на устье скважины. В зависимости от типа и длины кабеля применяют подъемники с лебедками разных размеров и конструкций (ПК-2, ПК-4, ПК-С) (рисунок 4).
Подъемник представляет собой самоходную установку, смонтированную в специальном металлическом кузове на шасси автомобиля повышенной проходимости. Спуск и подъем кабеля происходит при помощи лебедки типа ЛКПМ. Барабан лебедки снабжен тормозом, состоящим из двух стальных лент с наклеенным на них слоями феррадо, охватывающими щеки барабана. Передача от двигателя к барабану обеспечивает возможность изменения скорости подъема кабеля в диапазоне 40-10 000 м/ч и имеет устройство передачи на плавный спуск кабеля. Для подсоединения измерительной цепи лаборатории к жилам кабеля на лебедке устанавливается коллектор.
|
|
|
Подъемник имеет органы управления лебедкой и трансмиссией ее привода, прибора для измерения скорости движения кабеля, глубины его спуска и натяжения, световую сигнализацию и двухстороннюю связь с буровой и лабораторией, приборы для освещения кузова и устья скважины, различное оборудование для проведения монтажных работ при геофизических исследованиях, а также для крепления при перевозке скважинных приборов и грузов. В процессе геофизических исследований должны быть известны данные о глубине нахождения, скорости перемещения прибора по скважине и натяжение кабеля.
Кроме того, необходимо четко согласовывать перемещение прибора по скважине с движением диаграммной бумаги, на которой регистрируются кривые измеряемых геофизических параметров. Это достигается применением блок-баланса или направляющего и подвесного роликов с датчиками глубины натяжения и сельсинной передачей.
Рисунок 4.Отсек подъемника и пульт управления.
Блок-баланс состоит из ролика для направления кабеля в скважину и подставки, устанавливаемой над устьем скважины и прижимаемой к столу ротора бурильным инструментом. В последнее время в связи со значительным увеличением длины глубинных установок для направления кабеля в скважину используют направляющий и подвесные ролики. Направляющий ролик обычно крепится к подроторной раме основания буровой, а подвесной после установки датчиков глубины и натяжения и подсоединения к ним кабелей от смоточного устройства подъемника с помощью подвески закрепляют на талевой системе бурильной установки.
Во всех каротажных станциях приборы, служащие для контроля за движением кабеля, смонтированы на специальных контрольных панелях, основными элементами которых являются:
1) счетчик глубин - десятичный нумератор;
2) указатель скорости движения кабеля - фотодиодный датчик, установленный на валу сельсин-приемника;
3) указатель натяжения - датчик натяжения.
Геофизические кабели предназначены для спуска и подъема приборов при проведении геофизических исследований, прострелочно-взрывных работах, а также для отбора проб и образцов горных пород в скважинах, заполненных жидкостью или газом различной плотности, состава, температуры и давления.
Жилы и броню кабеля используют в качестве линий связи. По кабелю подают питание к скважинным приборам и передаются измеряемые сигналы в наземную измерительную аппаратуру, где они регистрируются. Кабель применяют в качестве измерительного инструмента для определения глубины нахождения приборов в скважине.
В соответствии с назначением и условиями эксплуатации геофизические кабели должны обладать определенными свойствами:
а) высокой механической прочностью, гибкостью и минимальным удлинением,
б) малым электрическим сопротивлением токопроводящих жил и их электрической симметрией.
в) высоким сопротивлением изоляции жил, не нарушающимся в условиях агрессивной проводящей среды, большого давления пластовой жидкости и высоких температур.
При промыслово-геофизических работах применяют одножильные и многожильные кабели в защитной оплетке, резиновых шлангах и бронированные. Последние имеют существенные преимущества перед кабелями в оплетке и шланге. Они отличаются высокой прочностью, хорошей проходимостью в скважинах, заполненных промывочной жидкостью большой плотности, и име-
ют сравнительно небольшие диаметры. Схема проведения геофизических исследований приведена на рисунке 5.
1.2.2 Технология проведения геофизических исследований скважин. В технологию проведения промыслово-геофизических исследований скважин входят подготовительные работы на базе и буровой, спуск - подъем приборов и кабеля, регистрация диаграмм, их предварительная обработка и оформление перед передачей в бюро обработки и интерпретации.
Подготовительные работы на базе включают: получение наряда на проведение геофизических исследований, проверку работоспособности наземной и глубинной аппаратуры, профилактический осмотр и проверку подъемника и лаборатории.
Работы на буровой начинаются в том случае, если к приезду каротажной партии или отряда буровая подготовлена к работе в соответствии с технологическими условиями на подготовку скважин для проведения геофизических работ. Геофизические измерения в скважине проводятся согласно требованиям технологической инструкции по проведению геофизических исследований в скважинах.
Рисунок 5.Проведение ГИС в скважине.
По прибытии на буровую проводятся следующие подготовительные работы:
1)устанавливают подъемник на 25-40 м от устья скважины так, чтобы ось лебедки была горизонтальна и перпендикулярна к направлению на устье скважины, после чего подъемник надежно закрепляют;
2)на расстоянии 5-10 м от подъемника устанавливают лабораторию;
З)разматывают кабель с лебедки подъемника, протягивают его на устье скважины и подсоединяют к кабельной головке глубинный прибор или зонд;
4)устанавливают и закрепляют направляющий и подвесной ролики или блок-баланс;
5)заземляют лабораторию и подъемник при помощи отдельных заземлений;
6)проводят внешние соединения лаборатории и подъемника, станцию подключают к питающей сети (при ее отсутствии к генераторной группе подъемнике), лабораторию к датчику глубин и подъемнику, а измерительную и питающую схемы лаборатории к кабелю через коллектор подъемника;
7)устанавливают на подвесном ролике или блок - балансе датчики глубин и натяжения, магнитный меткоуловитель;
8)с помощью бурового оборудования на высоту 25-30 м над устьем скважины поднимают подвесной ролик с пропущенным через него кабелем;
9) устанавливают после спуска зонда или глубинного прибора в устье скважины показания на счетчиках, равные расстоянию от точки отсчета глубин скважин до глубинного прибора или зонда.
1.2.3 Способы регистрации геофизических параметров. Регистрация - запись в символической форме на материальном носителе значений измеряемых величин для их документирования, накопления и хранения. Возможны аналоговая и цифровая регистрации. В настоящее время аналоговая регистрация полностью вытеснена цифровой. Стоечный модуль регистратора КарСар-500 для работы с внешним плоттером показан на рисунке 6.
Рисунок 6.Стоечный модуль регистратора
Регистратор каротажный КарСар-500 предназначен для выполнения следующих задач:
• приём информации от датчиков глубины, скорости движения, магнитных меток и натяжения геофизического кабеля, измерение напряжения источников питания и потребляемого скважинными приборами тока;
• регистрацию цифровых данных ГИС, полученных от скважинных приборов, привязанных ко времени или глубине получения, и запись этих данных на устройства хранения цифровой информации;
• сохранение результатов регистрации в случае аварийного выключения питания или аварийного прекращения работы программы;
• оперативную обработку и визуализацию цифровых данных ГИС в процессе регистрации с документированием результатов обработки на бумажном и цифровом носителях;
• представление цифровых данных ГИС в соответствии с принятыми стандартами для межмашинного обмена;
• проведение самотестирования собственных функциональных блоков
для проверки работоспособности.
Аналоговая регистрация отображает численное изменение значения регистрируемой величины в графическом виде (в виде кривой, геометрического положения точки или отрезка и т.д.). Аналоговая регистрация геофизических параметров обладает целым рядом недостатков, связанных с обеспечением необходимой точности измерений, помехоустойчивостью и быстродействием телеизмерительных систем, а также с интерпретацией данных геофизических исследований при помощи компьютеров из-за трудности ввода результатов в виде диаграмм для последующей обработки.
Цифровая регистрация отображает численное изменение значения регистрируемой величины физическими символами в виде цифрового или буквенного кода (возможна и их комбинация в зависимости от типа используемого носителя (бумага, магнитная лента или проволока) цифровой код наносится на него в виде перфорации или изменения магнитной индукции участков носителя. Наиболее важное преимущество цифровой регистрации - удобство ввода в компьютер, что обеспечивает автоматизацию и большую производительность обработки и интерпретации данных геофизических исследований скважин, исключение ошибок, связанные с квалификацией интерпретатора.
Функциональная схема измерительной аппаратуры каротажной станции приведена на рисунке 7.
Вся линия блоков станции от СП до регистратора как раз и представляет собой телеметрическую систему.
Блок питания скважинного прибора содержит устройства для регулировки, контроля и стабилизации питания СП.Эти блоки бывают сменными, т.к. одни СП питаются переменным током промышленной частоты (приборы радиоактивного каротажа), другие-переменным током пониженной частоты от 5 до 25 Гц (зонды КС), третьи постоянным (каверномеры, термометры, инклинометры
Рисунок 7. Функциональная схема измерительной аппаратуры
каротажной станции
Панель контроля каротажа содержит приборы контроля за самим процессом каротажа: счетчик глубин, измеритель скорости подъема и силы натяжения кабеля, усилитель магнитного меткоуловителя и др.
Силовой блок содержит устройство регулировки, контроля и стабилизации напряжения и силы тока, необходимые для питания всех остальных блоков питания станции.
Спуско - подъемное и вспомогательное оборудование включает в себя лебедку с каротажным кабелем, бензоэлектрический агрегат, комплект соединительных проводов.
Функциональная схема компьютеризированной каротажной станции приведена на рисунке 8.
С датчиков, размещенных в комплексном скважинном приборе СП, информация поступает на блок управления скважинным прибором БУПС. Назначение БУПС-определение точки записи и совмещение по глубинам диаграмм различных регистрируемых параметров; проверка, настройка и градуировка измерительных каналов.
С БУПС, предварительно обработанная информация о регистрируемых параметрах в аналоговой форме и преобразованная в цифровую форму на АЦП, подается на бортовую ЭВМ, которая обеспечивает: управление работой станции, интерпретацию получаемых результатов, выдачу информации на аналоговый регистратор АР, запись ее в цифровом коде на магнитную ленту цифрового магнитного регистратора ЦМР и передачу информации на экран дисплея.
Рисунок 8. Функциональная схема компьютеризированной каротаж-
ной станции
В понятие «управление работой» включаются: автоматизированная настройка измерительных и регистрирующих каналов, калибровка приборов, градуировка измерительных каналов, выбор и установка масштабов регистрации, диагностика неполадок. НМЛ-блок накопления (библиотека программ, управление процессом измерения и интерпретации).
Автоматизированная обработка получаемой информации обеспечивает контроль качества материалов. Кроме того, в процессе каротажа непосредственно на скважине получают сведения о литологии, о наличии коллекторов; проводят предварительную оценку пористости и характера насыщения.
Рисунок 9. Идет запись
Геофизические модули (скважинные приборы) показаны на рисунке 10.
Примером компьютеризированных станций могут служить станции «Гектор», «Мега», «Карат-П», «Гранит-Оникс», «Кедр», ПКС-5Г и др. Схема передачи геофизической информации показана на рисунке 11.
Рисунок 10. Модульные приборы
1.3 Порядок выполнения лабораторной работы
1.3.1.Ознакомиться со схемой размещения лаборатории и подъемника.
1.3.2.Изучить функциональную схему измерительной аппаратуры каро-
тажной станции
1.3.3.Изучить функциональную схему компьютеризированной каротаж-
ной станции
1.3.4.Ознакомиться с конструкцией глубоких скважин.
1.4 Составление отчета
Отчет о проделанной работе должен содержать:
1.Задание
2.Цель работы.
3.Описание промыслово-геофизической аппаратуры
4.Описание технологии проведения геофизических исследований в скважи-
нах.
Рисунок 11. Схема системы LOGNET коммуникаций.
Контрольные вопросы
1.Дайте общую характеристику геофизической аппаратуры и оборудова-
ния.
2.Наземная аппаратура, скважинная геофизическая аппаратура.
3.Как производится спуск и подъем скважинных приборов?
4.Для чего нужен геофизический кабель?
5.Схема размещения лаборатории.
6.Что такое аналоговая регистрация диаграмм ГИС?
7. Что такое цифровая регистрация диаграмм ГИС?
8.Нарисуйте функциональную схему измерительной аппаратуры каротаж-
ной станции.
9.Нарисуйте функциональную схему компьютеризированной каротажной
станции.
10. Для решения каких задач предназначен регистратор каротажный Кар-
Сар-500?
Лабораторная работа № 2
КАВЕРНОМЕТРИЯ СКВАЖИН. МЕТОДЫ КАЖУЩЕГОСЯ СОПРО-
ТИВЛЕНИЯ. БКЗ, МКЗ.
Цель работы: изучение зондов КС, их устройства, обозначения, классификации, расчет коэффициентов зондов, определение размеров зондов, изучение кавернометрии.
2.1Задание
2.1.1.Изучите физические основы метода кажущегося сопротивления.
2.1.2.Изучите классификацию зондов метода КС.
2.1.3.По заданию, выданному преподавателем, определите типы зондов,
размеры, рассчитайте коэффициенты зондов КС
2.1.4.Изучите кавернограмму по предложенной скважине, найдите размы-
тые интервалы, интервалы с уменьшенным диаметром скважины и равным
номинальному.
2.1.5.По диаграммам, выданным преподавателем, сделайте вывод о техниче-
ском состоянии ствола скважины, выделите пласты-коллекторы.
2.2 Методические рекомендации.
2.2.1. Кавернометрия. В процессе бурения скважины из-за воздействия бурового инструмента и промывочной жидкости средний диаметр и форма сечения ствола скважины не сохраняются постоянными, а изменяются с глубиной. Стенки скважины на участках разреза, представленного глинами, глинистыми сланцами, песками, обычно обрушиваются, образуя каверны. Каверны наблюдаются также и против пластов каменной соли, которая растворяется под действием промывочной жидкости на водной основе. На участках скважины, сложенных проницаемыми разностями горных пород, из-за проникновения фильтрата промывочной жидкости в пласт и осаждения глинистых частиц на стенке скважины образуется глинистая корка. В плотных горных породах диаметр скважины обычно остается постоянным и равным номинальному диаметру. Пример записи диаграмм кавернометрии показан на рисунках 1,2.
Средний фактический диаметр скважины измеряется каверномерами. Сведения о фактических диаметрах скважин используются при интерпретации результатов большинства методов ГИС (нейтронных методов, гамма-метода, бокового электрического зондирования, термометрии скважин и т.д.). Знать диаметр скважины необходимо для уточнения геологического разреза, выделения проницаемых пластов, контроля технического состояния скважины, точного определения мест установки башмаков обсадных колонн, скважинных фильтров, подсчета объема затрубного пространства скважины, расчета количества тампонажной смеси и т.д.
При бурении наклонно-направленных скважин на стенке скважины образуются желоба, которые могут вызвать аварии при бурении и ГИС. В таких скважинах измеряют не только средний диаметр, но и форму сечения ее ствола. Профиль сечения ствола скважины измеряют профилемерами.
Рисунок 1.Пример записи диаграмм кавернометрии
Рисунок 2.Кавернометрия скважин
Исследованию кавернометрией-профилеметрией подлежат все скважины без исключения. Диапазон измерения диаметров скважины каверномером – от 100 до 800 мм. Диапазон измерения радиусов профилемером – от 25 до 400 мм.
Первичная обработка включает придание кавернограммам и профилеграммам физических масштабов, построение поперечных сечений скважины по результатам горизонтальной профилеметрии.
Требования к каверномерам:
-диапазон измерения диаметров скважины 100-800 мм;
-предел допускаемой основной погрешности ± 3-5 мм;
-дополнительные погрешности, вызванные изменением напряжения питания, изменением температуры окружающей среды на каждые 10°С и отклонением скважины от вертикали не должны превышать 0,5 значения основной погрешности.
Приборы комплексируют с другими приборами (модулями) без ограничений. Основным средством периодических калибровок является набор из пяти образцовых колец, которые воспроизводят значения диаметров в диапазоне от 100 до 800 мм с погрешностью не более ± 1 мм.
Интервал контрольной записи должен включать участок протяженностью не менее 50 м перед входом в обсадную колонну и не менее 20 м в колонне.
Расхождения кривых основной и контрольной записей не должны превышать 5 мм. Первичная обработка включает придание кавернограммам физических масштабов, построение поперечных сечений скважины.
КП-М. Прибор скважинный КП-М входит в состав скважинного аппаратурного комплекса МЕГА-Э и предназначен для проведения исследований диаметра скважины в открытом стволе нефтяных и газовых скважин диаметром от 150 до 400 мм, заполненных водной промывочной жидкостью, при максимальных значениях температуры окружающей среды 120˚С и гидростатического давления 80 МПа.Прибор может работать как в одиночном режиме, так и в составе сборки из нескольких приборов комплекса МЕГА- Э. Прибор измеряет одновременно 4 радиуса (шифр параметров RAD1, RAD2, RAD3, RAD4). Диапазон измерений радиусов от 50 до 300 мм.
Формула расчета среднего диаметра:
CALI = (RAD1+ RAD2+ RAD3+ RAD4) / 2.
Прибор состоит из электромеханического блока и электронного блока. Электромеханический блок обеспечивает открытие и закрытие четырех измерительных штанг, каждая из которых механически связана с реохордом переменного резистора, напряжение питания которого поступает с электронного блока. Снимаемое с каждого реохорда напряжение поступает в электронный блок, где преобразуется в цифровой код и передается по геофизическому кабелю на каротажную станцию.
Величина напряжения питания на головке прибора 30±0.5 В, сила тока, потребляемого прибором не более 160 мА. При работе в составе сборки с прибором (модулем) ЭК-М питание на ГК-М подается от стабилизатора ЭК-М, при работе в отдельном режиме или в составе сборки с модулями ИК-М, КП-М или МК-МН - от наземного источника питания «ИСТОК-1».
Диапазон температур окружающей среды от –10 до +120ºС.
Время установления рабочего режима прибора не более 15 мин с момента включения.
Прибор связан с наземным комплексом трехжильным грузонесущим кабелем, по первой жиле относительно оплетки которого осуществляется электрическое питание прибора постоянным электрическим напряжением. По второй и третьей жилам кабеля осуществляется прием команд и передача измерительной информации. Во время раскрытия или закрытия рычагов электромеханического блока постоянное электрическое напряжение с прибора снимается. Питание электродвигателя электромеханического блока осуществляется по 2 или 3 жиле кабеля переменным напряжением 220В 50 Гц от источника питания «ИСТОК-2», а контроль полного закрытия или открытия штанг осуществляется по 1 жиле кабеля.
Каверномер СКПД-3. Каверномер-профилемер скважинный СКПД-3 предназначен для одновременного измерения значений двух взаимно перпендикулярных поперечных размеров (диаметров) ствола скважины и их полусуммы (среднего диаметра) для нефтяных и газовых скважин.
Скважинный прибор СКПД-3 рассчитан на работу в скважинах при наибольшем значении температуры окружающей среды 180°С и наибольшем гидростатическом давлении 120 MПa.
Аппаратура работает в комплексе с трехжильным грузонесущим геофизическим кабелем типа КГ 3-60-180-1 длиной до 8000 м.
Диапазон измеряемых диаметров от 100 до 760 мм.
Управление измерительными рычагами многократное по команде с поверхности. Время раскрытия (закрытия) рычагов не более 2 мин.
2.2.2 Физические основы метода 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. Содержание воды в породе в общем случае зависит от значения коэффициента пористости горной породы (Кп), 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. Поэтому пласты – коллекторы (т.е. пласты, содержащие в своих порах какой-либо флюид или газ и способные этот флюид через себя пропускать) отмечаются в разрезе скважины повышенными значениями удельного электрического сопротивления.
В основу метода кажущегося сопротивления положена возможность изучения и расчленения пород по их удельному электрическому сопротивлению.
Удельное электрическое сопротивление горных пород характеризует их способность пропускать электрический ток. Если горная порода представлена в виде куба, то ее способность пропускать электрический ток пропорциональна сопротивлению R (Ом), измеренному в направлении, перпендикулярном к сечению S, площади S(м2) и обратно пропорциональна длине L(м) ρ=RS/L(Ом*м).
Удельное электрическое сопротивление горных пород зависит от их минерального (химического) состава, структуры, пористости, проницаемости, нефте-, газо-, водонасыщенности, физических факторов (таких, как температура, давление и др.), воздействующих на горные породы, и изменяется от тысячных долей до многих десятков, сотен тысяч омметров.
Для измерения удельного сопротивления горных пород вскрытых скважиной применяют несколько электрических зондовых устройств. Пример простейшего зондового устройства для измерения удельного сопротивления в скважине показан на рисунке 3. При рассмотрении данной схемы видно, что устройства подобного вида включают в себя как минимум три вида каротажных зондов.
Поскольку электроды А и B являются токовыми, а электроды М и N измерительными данная схема позволяет проводить измерения не только непосредственно величины удельного электрического сопротивления за счет измерения величины падения силы тока между электродами A и B, но и измерять величину падения потенциалов между электродами M и N. Понятно, что в обоих случаях изменение регистрируемой величины всегда зависит напрямую от изменения удельного электрического сопротивления горных пород вскрытых скважиной. На практике для более детального изучения геологического строения горных пород применяются несколько типов каротажных зондов. Это в первую очередь связано с тем, что применяемые зонды имеют не только различную конфигурацию, но и различную длину, следовательно, различную глубинность исследования.
Рисунок 3.Схема измерения удельного сопротивления в скважине.
Регистрация удельного электрического сопротивления несколькими измерительными зондами называется боковым каротажным зондированием (БКЗ).
Удельное электрическое сопротивление горных пород определяется с помощью четырехэлектродной установки AMNB. Электрический ток вводится в породы через электроды (заземления), называемые токовыми и обозначаемые A и B. Разность потенциалов измеряется на некотором удалении от A и B между электродами M и N, называемыми измерительными. Электроды, имеющие одинаковое назначение (A и B или M и N), называют парными, а электроды разного назначения, например A и M, – непарными.
Для измерения удельного электрического сопротивления горных пород в нефтяных и газовых скважинах обычно помещают три электрода. Четвертый электрод B (при зонде AMN) или N (при зонде BAM) располагают около устья. Совокупность электродов A, M и N или B, A, M, закрепленных на заранее заданных расстояниях, называется обычным зондом кажущегося сопротивления.
Зонды описывают в виде последовательного (сверху вниз) сочетания буквенных обозначений электродов с указанием расстояний между ними в метрах. Например, зонд с расстояниями между электродами А и М 0,25 м, а между М и N 2,5 м записывается А0,25М2,5N, а зонд с расстояниями между электродами А и В 0,25 м и между А и М 2,5 м – В0,25А2,5М. Результаты измерений относятся к точке записи.
Удельное электрическое сопротивление горных пород обычно определяется по результатам измерения характеристик электрического поля, созданного в скважине источником тока силой I.
В однородном изотропном пространстве потенциалы электрического поля в точках M и N, расположенных соответственно на расстояниях АМ и АN от электрода А, рассчитываются по следующим выражениям:
UM=ρI/4πAM
UN=ρI/4πAN, (2.1)
а разность потенциалов ∆U между этими точками:
∆U=UM - UN = 
или
∆U= 
(2.2)
Следовательно, по результатам измерений I и ∆U можно рассчитать:
(2.3)
где К – коэффициент зонда, зависящий только от расстояний между электродами. Коэффициент К имеет размерность длины и измеряется в метрах.
В соответствии с выражением (2.2) и в зависимости от вида используемого зонда коэффициент определяется по одной из следующих формул:
1) для обычного зонда КС:
K = 4π AM•AN/MN
K = 4π AM•BM/AB (2.4)
2) для четырехэлектродной установки ВАМN, когда четвертый электрод находится на расстоянии, соизмеримом с расстояниями между другими электродами:
K = KAKB/ (KA+KB),
где KA, KB – коэффициенты обычных зондов КС соответственно АМ и ВМ.
Удельное электрическое сопротивление, вычисленное по формуле (2.3), в случае однородной изотропной среды соответствует ее истинному удельному сопротивлению, а в неоднородных средах кажущемуся сопротивлению
ρК = К ∆U/I (2.5)
Кажущееся сопротивление неоднородной среды равно удельному электрическому сопротивлению эффективной однородной среды, создающей при заданных расстояниях между питающими и приемными электродами A, M, N и токе питания I такую же разность потенциалов ∆U, как и в однородной среде.
Кажущееся сопротивление зависит от расстояний между электродами зонда, формы и размеров неоднородностей окружающего зонд пространства: мощности пласта hпл, диаметра скважины dс, толщины глинистой корки hгк, диаметра Dзп зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости, удельных электрических сопротивлений промывочной жидкости ρс, глинистой корки ρгк, зоны проникновения ρзп, исследуемых ρп и вмещающих ρвм пород, может быть больше, меньше или равно удельному электрическому сопротивлению пласта. На рисунке 4 показано сечение вертикальной плоскостью интервала скважины, вскрывшей пласт коллектор, показаны факторы, влияющие на измерения в скважине.
Рисунок 4.Факторы, влияющие на измерения в скважине.
2.2.3 Классификация зондов. В зависимости от измеряемых характеристик электрического поля зонды метода кажущегося сопротивления подразделяются на потенциал - и градиент – зонды. Для обычных трехэлектродных зондов КС результат измерения связан с электрическими характеристиками (потенциалом и градиентом потенциала) в зависимости от соотношения расстояний АМ и MN (AB). На практике для более детального изучения геологического строения горных пород применяются несколько типов каротажных зондов. На рисунке 5 показаны основные типы применяемых в геофизике зондов.
Потенциал – зондом называется зонд, измеряемое кажущееся сопротивление которым определяется, в основном, потенциалом UM электрода М. Полностью это условие может быть выполнено в том случае, если потенциал UN удаленного электрода N стремится к нулю, т.е. если электрод N удален в бесконечность (в практике геофизических исследований он расположен около устья скважины). Такой зонд носит название предельного (идеального) потенциал-зонда. Разность потенциалов, измеряемая между электродами M и N предельного потенциал-зонда:
(2.6)
Отсюда кажущееся сопротивление, измеренное предельным потенциал-зондом:
, (2.7) где LП =АМ – размер потенциал-зонда,
КП =4π LП – коэффициент предельного потенциал-зонда.
Приведенная формула подтверждает пропорциональность измеряемого кажущегося сопротивления ρК потенциалу UM электрода М.
Рисунок 5.Типы зондов метода кажущегося сопротивления.
Предельный потенциал-зонд должен быть двухэлектродным (А и М), но результаты измерения таким зондом искажены взаимной индукцией между жилами кабеля, на которых опущены электроды А и М. В связи с этим в измерительную схему вводится еще одна жила кабеля с электродом N. Трех электродный потенциал-зонд должен удовлетворять условию АМ << MN.
Практическим целям удовлетворяют потенциал - зонды, при измерении которыми потенциал UN точки N не превышает 5% потенциала UM точки М, т.е. зонды с MN > 20 AM = 20 LП.
Кажущееся сопротивление, измеряемое потенциал-зондом, относится к условной точке записи 0 – середине расстояния между электродами А и М.
При таком положении точки записи кривые ρК симметричны относительно середины пластов. Радиус исследования потенциал - зонда соответствует его удвоенному размеру, т.е. 2АМ.
Градиент - зондом называется зонд, измеряемое кажущееся сопротивление которым пропорционально градиенту потенциала grad U в точке, расположенной между измерительными электродами М и N, находящимися на некотором удалении от питающего электрода А.
В предельном (идеальном) градиент – зонде расстояние MN (т.е. ∆r) между измерительными электродами M и N стремится к нулю, поэтому:
(2.8)
Согласно выражению для напряженности электрического поля в однородном безграничном пространстве можно записать:
, (2.9)
где A0 – расстояние от электрода А до точки 0, расположенной посредине
между электродами М и N.
Из последней формулы следует, что кажущееся сопротивление, измеряемое предельным градиент - зондом:
, (2.10)
что подтверждает пропорциональность измеряемого кажущегося сопротивления градиенту потенциала. Из последнего выражения следует, что коэффициент предельного градиент - зонда Kr=4πA02.
В скважинах кажущееся сопротивление измеряется не идеальными градиент - зондами, так как нельзя установить электроды М и N (А и В) бесконечно близко друг к другу, и, кроме того, при значительном сближении электродов измеряемая разность потенциалов ∆U настолько уменьшается, что ее точное измерение становится невозможным.
Практически предельным считается градиент-зонд, у которого отношение ∆U/MN отличается более чем на 5% от значения напряженности Е электрического поля в точке 0. В однородной среде это условие соблюдается при расстоянии между сближенными электродами зонда l ≥ 0,436 Lr, где размер градиент – зонда:
(2.11)
Согласно принципу взаимности, значения кажущегося сопротивления не изменяются, если, сохранив расстояния между питающими и измерительными электродами, взаимно заменить их назначение, т.е. пропустить ток через электроды М и N и измерить разность потенциалов между электродами А и В. Зонды, состоящие из одного питающего и двух измерительных электродов, называются однополюсными или зондами прямого питания.
Зонды, состоящие из одного питающего и двух измерительных электродов, называются однополюсными или зондами прямого питания. Зонды, состоящие из двух питающих и одного измерительного электрода, называется двухполюсными или зондами взаимного питания.
