Способ диэлектрического каротажа Советский патент 1981 года по МПК G01V3/18 

(54) СПОСОБ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАРОТАЖА

Изобретение относится к геофизическим исследованиям метоаами индукционного каротажа и может быть использовано для опрецепения диэлектрической пронииаемости пластов, пересеченных скважиной. Известны способы и устройства индук- ционного диэлектрического каротажа, основанные на измерении характеристик маг нитного поля вертикального магнитного диполя Щ. Однако все эти способы отличаются друг от друга по виду регистрируемых характеристик магнитного поля.(амплитуды, фазы и различные функции этих величин), по количеству регистрируемых характеристик поля и числу генераторных и измерительных элементов, входящих в состав устройства, и по применяемому методу фокусировки. В известном устройстве для диэлектрического каротажа, с целью одновременного измерения диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления пластов регистрируются амплитуды поля двумя зондами различной длины (базы наблюдений), генераторные катушки которых питаются токами различных частот, . Известен способ диэлектрического индуктивного каротажа, в котором с целью исключения влияния удельного сопротивления на результаты измерения производят определение диэлектрической проницаемоо ти пород путем регистрации разности фаз и косинуса разности фаз между значениями высокочастотного, порядка десятков мегагерц, магнитного поля, измеряемого разнесеша 1ми на определенное растояк ние приемными катушками 2. Известен также способ диэлектрического электромагнитного каротажа, заключающийся в возбуждении в скважине электромагнитного поля на частоте порядка десятков мегагерц и измеренин разности фаз поля в двух его точках, с целью по- вышення точности определения электрических свойств горных пород, дополнительно измеряют отношение амплитуд поля в тех

же точках и по результатам измерений вычиспяют значения диэлектрической про-, нийаемости и сопротивления горных пород Гз1.

Язвестен также способ ВОПНОБОГО аи- электрического каротажа, заключающийся в том, что в скважине возбуждают высокочастотное электромагнитное поле частотой порядка десятков мегагерц и измеряют разность фаз поля в двух его точках. Для повышения точности определения электрических свойств горных пород дополнительно измеряют отношение разностной амплитуды к амплитуде поля в единой точке и по результатам измерений вычиспяют значения диэлектрической проницаемости и сопротивления горных пород L4J.

Известен способ диэлектрического каротажа, заключающийся в измерении разности фаз и определенных функций амппитуды поля который отличается использованием сверхвысоких частот (1500 МГц) и небольшой длиной зонда. Регистрация магнитного поля осуществляется датчиками неиндукционного типа - щелевыми вопново дами. Способ предназначается, главным образом, для микрокаротажа промытой зоны вокруг скважины TslВ методах индукционного каротажа, в частности диэлектрического индукционного каротажа, широко распространены различные приемы фокусировки,преследующие своей целью исключить или ослабить впияние на измеряемые величины помех гео-электрического характера. В совокупноети условий, обеспечивающих фокусировку, ваяснейшим фактором, общим практически для всех фокусирующих систем является одинаковая зависимость величин, регистрируемых отдельными элементами установк от параметров исключаемой помехи. При этом если вклад помехи в сигнал аддитивен, то измеряют разностные величины, если исключающее влияние имеет мультипликативный характер, то измеряют относительные величины. Например, в известных способах диэлектрического каротажа, использованы оба приема фокусировки. Известно, что при определенных условиях (высокая частота, большая длине зонда) вертикальная компонента попя Н вертикального Магнитного диполя в скважине, пересекаклцей ппаст неограниченной мощности, может быть представлена в виде

H.Hj(i(U)/jJ(V),/-f где : l4 -u/% M-ijj-/tou;J

Сс - «-с,/

k -t« % -ij /«j;

Н - вертикальная компонента поля

вертикального магнитного диполя в oднqэoднoй среде с параметрами пласта; U - круговая частота поля; Д - магнитная проницаемость среды f(- - диэлектрическая проницаемость

скважины; - диэлектрическая проницаемость

пласта;

j - проводимость скважины; - проводимость пласта; q - радиус скважины; Ь - длина зонда (расстояние от генераторного диполя до точки измерения поля);

с; - модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка.

Очевидно, величину определяемую соотношением (1), можно, представить в виде

,,К(.,ь)/ ,--(,)

(

где Лгс(Н°(1с„Ь);

)Фаза не зависит от электрических и геометрических параметров скважины и совпадает с фазой ноля двухкатушечного зонда в однородной среде и параметрами пласта € и , Функция Ч опредетш- ется параметрами скважины и не зависит от длины зонда. Как следует из (2), величина fq при измерении фазы поля является аддитивной помехой. Поэтому в известном Г2 способе определяется разность фаз 4.4 измеренных двумя зондам различной дпины

),Ч ,

Очевидно, величина д Ч зависит только от параметров пласта и легко может быть проинтерпретирована.

При измерении модуля поля помеха, связанная с искажающим влиянием скважины, является мультипликативной, поэтому в известном способе диэлектрического каротажа Гз определяется отношение амплитуд полей, измеренных зондами различной длины. Очевидно, эта величина не зависит от параметров скважины

М.Ц)(пЦ}| .

l«z(4)J ()l Наряду с геологическими помехами в виде скважины и зоны проникновения, ко- рые различными приемами фокусировки удается в той или иной мере исключить, во всех известных способах диэлектричес кого каротажа присутствует помеха физического характера, которая известными приемами фокусировки не устраняется и единственным известным в настоящее вре мя способом преодоления которой явпяет- ся повышение частот. Такой помехой яв ляются токи проводимости. Возможность повышения частоты ограничивается двумя обстоятельствами. Во-первых, использова ние чрезмерно высоких частот приводит в силу скин-эффекта к сильному затухани полей. Во-вторых, на частотах порядка 100 МГц возникают трудности в техничес кой реализации способов диэлектрическог каротажа, в частности становятся практически неприемлемыми индукционные датчи ки магнитного поля, выполненные в виде катушек. Рассмотрим выражение для поля магнитного диполя Н° в однородной среде с проводимостью Т магнитной проницаемостью /с и диэлектрической постоянной 6 , (.) z-lFL Цсоз n(itm)+П91 п n -ti -ncos п-Ки-rn)si п п 6- где |Л - момент диполя; ff -/yp44f -, (5j -у-/рЛТ +1) г (6) P I (7; .. (.8). Чувствительность или разрешающая способность поля по отношению к диэлектрической проницаемости среды определяется очевидно, относительными приращениями величины tl -2 при изменении е V CDg, Л-.«., (9) то из (4)-(6)-следует (p)) (10) TI(p}-e oo5ti+f hf sinfJ+ Ч- 1 -рС05р+(1-1-р)51Пр.(11) При условии (9) величину h 2. можно лонимать как часть магнитного поля, порож даемую токами проводимости, а второе слагаемое в правой части (1О) - как часть магнитного поля, обусловленную токами смещения. Относительный вкпаа токов смещения по сравнению с токами проводимости в суммарное магнитное поле определяется, согласно (10)-(11), соотношением-p(i-i) Vf)4F 1.°CP) Из (12) следует, что при малых значениях безразмерного параметра (низкие частоты небольшие значения диэлектрической проншхаемости, невысокие удельные сопротивления пород) чувствительность известных способов диэлектрического каротажа к иоследуемой характеристике среды становится слабой. Известен способ диэлектрического индукционного каротажа, заключающийся в измерении двух характеристик высокочастотного поля, в котором с целью раздельного определения диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления пород измеряют с помощью фокусирующего трех- катушечного зонда амплитуду второго поля на двух частотах. Частота поля влияет на соотношение между токами смещения и токами проводимости, поэтому характеристика поля, измеренная на низкой частоте, более чувствительная к изменению удельного сопротивления, а высокочастотная характеристика позволяет более уверенно определять диэлектрическую проницаемость среды Гб. Однако вместе с тем во многих геодо- го-геофизических ситуациях (низкоомные породы, невысокие значения диэлектрической проницаемости) известный способ не позволяет устранить определякяиее влияние токов проводимости на результаты измерений и поэтому обладает низкой раз- решакщей способностью по отношению к диэлектрической проницаемости. Отмеченный недостаток характерен и для других известных способов диэлектрического каротажа. Цель изобретения - уменьшение влияния токов проводимости на измеряем те арактеристики поля и, как следствие, повышение точности измерения диэлектрического индукционного каротажа по отношению к диэлектрической проницаемости горных пород. Поставленная цель достигается тем, то в способе, основанном на возбуждении измерении на двух базах электромагнитого поля двух частот в скважине, дение и измерение поля производят на час тотах, отношение которых обратно пропорционально кваарату баз, с отношением маг нитны)с моментов, возбуждающих магнитно поле, равное кубу отношения баз, и опре- деляют разность между измеренными пара метрами попя, по которым судят о параметрах исследуемых горных пород. Этот прием фокусировки позволяет ис-. ключить большую часть магнитного поля, обусловленного токами проводимости. Рассмотрим два двухэлементных зонда разной дпины LJ и (j в КОТОРЫХ генераторные диполи с моментами М, и М питаются токами различной частоты се; и ии , Подчиним моменты, частоты и длины условиям , (.Ъ} л Uil . ,) Если при условиях (13), (14) определить разность характеристик поля, измеренных каждым зондом (например, разность амплитуд, фаз или любых других одинаковых функций поля), то эта разность пропорииональна величине(1)- V) следовательнц и электрической проницаемости среды . Действительно, при соблюдении условий (13), (14) выполняются соотношения Р, HI Ma .... - Ч означающие, что в точках расположения измерительных элементов каждого зонда вклады токов проводимости в суммарное магнитное поле одинаковы, а вклады токов смещения различаются между собой. Поэтому при образовании разности любых одинаковых функций попей Н°(ш,, Ь) и (..) слагаемые, связанные с магнитным полем токов проводимости, взаимно уничтожаются, что легко доказывается в каждом конкретном случае соответствую щим разложением рассматриваемых функций в ряды Тейлора по параметрам -V и ij , Например, рассмотрим случай, когда измеряется разность амплитуд ,.дНн°(с«,,,4)|.()1 очевидно. ,H°zC«S,bj) Мл л/О. ... rrJin z( 1 V.(.8; 1 3 aJiL O.); (19) (j(Vj)., Uo) Из условий (13)-(14) следует, что lu.hlu.,) 0,-% Пoлaгaя|aj| fO,Ч,., и опуская индекс в обозначениях U.,-,lfnj , Vyj , Pj получим (2О) с точностью до членов первого порядка малости m(c(j,)Hol((4;j-tf)|uKfVjico9ffj-, Отсюда Д Ч1V.,)COS() М Р --.(./jJ jcOSfM ). 2JI Ь Из соотношения (21) следует, что разностъ моду/юй пропорциональна величине (V --V/j). Аналогичное утверждение мож но доказать при измерении любых других функций поля ° Рассмотрим, как осуществляется фокусировка магнитного поля токов проводимости в cfiy4ae использования многоэлементных зондов. Будем рассматривать линейные зонды, т.е. такие зонды в состав которых при наличии нескольких измерительных элементов входит Только один генераторный диполь, либо при наличии нескольких генераторов входит только один измерительный датчик. Лпя определенности положим, что зонд содержит один измерительный элемент и m генераторов с моментами М, ..., Mj. Будем обозначать такой зонд через Z. Очевидно, что в составе зонда Z имеется гп двухэлементных зондов, длины (базы) которых обозначим через Ц ,..,ь5 . Частота возбуждающего тока во всех генераторах - uj, В обозначениях измеряемых величин условимся указывать в качестве аргумента наименование зонда (Z), отмечая тем самым зависимость этих величин от параметров /.1-. -г, ..г . .0)(ГО м( ) -1 j -.., LY , марное магнитное поле в точке измерения можно представить спедукшим образом ,,, гтт «(:) ( J .(221 где м «л, о, я- p((«, (,j ) Г ГИ,. Рассмотрим (m+ 1) - элементный зонам 2,2, у которого все линейные размеры изменены по сравнению с линейными разм ерами зонда 7. в Л/ раз -j-jiy d, ,..,,m. :J Зонды 2 и 7-2 будем называть геомет рически подобными, а величину в соответ ствии с общепринятой терминологией, будем называть коэффициентом подобия вто .рого зонда относительно первого. Частоту возбуждающих токов в зонде z. обоз начаем через иу-2-В точке расположения измерительного датчика зонда z магнит ное поле определяется равенством MiL pz( ( 4- f(- Величины Pj (2), Dj (2) имеют вид, аналогичный (23), (24), Если положить 1 cL(j,...,) ) i ТО нетрудно показать, что также, как и в случае двухэлементных зондов, разность ЛЮ&1Х двух одинаковых характерис тик магнитного поля, измеренных каждым из геометрически подобных зондов с параметрами, удовлетворяющими условиям (26)-(27), пропорциональные диэлектрической проницаемости среды. Во всем практически реальном диапазоне параметров, включая, низкоомные 8110 измеряемая в предлагаемом спооо бе характеристика поля, в отлвчие от характеристик измеряемых в известных способах диэлектрического каротажа, пропорциональная диэлектрической прошшаемоств пласта Б -и обладает повышенной разрешагацей способностью по отясмаению к € в широком диапазоне удельных сопротивлений пласта. Формула изобретенва Способ диэлектрического каротажа в котором возбуждают и измеряют в электромагнитное попе двух частот, отличаюшнйся тем, что, с целью повышения точности вэмерений, возбуждение и измерение поля производят на частотах, обратно пропорциональных квадратам баз, с отношенвем моментов, возбуждающих магнитное поле, равное кубу отношения, баз и определяют разность между измеренными параметрамв поля, по котсфой судят о параметрах во- ледуекллх горных пород. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 199284, кл. Q 01V 3/18, 1967. 2.Авторское свидетельство. СССР М 2О6735, кл. G O1V 3/18, 1967. 3.Авторское свидетельство СССР N 27245О, кл. Q O1V 3/18, 1970. 4.Авторское свидетельство СССР М ЗЗО245, кл. G O1V 3/18, 1972. 5.Патент США № 4063151, кл. 324-10, 1976. 6. Лаев Д. С. К определению дналектрической проницаемости горных пород в скважине. Известия ВУЗов, - Теопогвя в разведка , 1967, № 5, с. 73-76 (прототип) .