БЕСКАБЕЛЬНЫЙ КАРОТАЖ ПС

Электрические потенциалы, самопроизвольно возникающие в скважинах, хорошо исследованы и широко используются в практике ГИС.

Сигнал ПС при его измерении зондом на кабеле есть ЭДС между парой заземленных электродов, один из которых размещается на поверхности, а другой в скважине. Первый – электрод сравнения, относительно которого второй играет роль измерителя. Условия заземления первого электрода считаются неизменными. Электрохимический потенциал второго электрода может изменяться при его передвижении по скважине, заполненной электропроводящей промывочной жидкостью. Эти изменения тесно связаны с электрическими полями, которые возникают в породах различного минералогического, гранулометрического, флюидного составов вследствие вскрытия их скважиной.

Адсорбционная активность пород зависит от потенциалопределяющих свойств минералов породы и солевого состава растворов. Процессы сорбции оказывают решающее влияние на ионный состав пластовой воды, определяя равновесный уровень подвижных зарядов в поровом объеме.

Повышение концентрации отрицательно заряженных частиц у поверхности твердой фазы означает, что количество свободных отрицательных ионов в растворе будет сокращаться по мере увеличения удельной поверхности породы и уменьшения проницаемости порового пространства. Так, в породах глинистого состава происходит максимальное «выталкивание» ионов хлора из жидкой фазы, а сильно гидратированные ионы натрия «втягиваются» в раствор, располагаясь в диффузном слое. По этой причине интервалы глин интервалы глин в скважине отмечаются максимальным положительным потенциалом, обусловленным диффузией катионов в буровой раствор. Песчанистые породы имеют более высокую проницаемость и содержат пластовую воду с равновесным соотношением отрицательных и положительных ионов, поэтому за счет более высокой подвижности ионов хлора поверхность песчаника заряжается отрицательно (если минерализация промывочной жидкости меньше, чем пластовой воды).

Одним из главных источников электрических полей являются заряды на поверхности пород, контактирующих со скважиной. Трактовать источники ионного тока в скважине, используя двойные электрические слои на поверхностях вскрытых пород, предложил Г. Долль. При этом слои ионов с положительными зарядами граничат с буровым раствором для пород пелитового состава (глины), а ионы с отрицательными зарядами образуют соответствующие слои в песчаниках. Токи, протекающие по раствору, замыкаются через породу.

Электрохимические явления у границы «металл-электролит», объединенные в электрическую цепь, элементами которой становятся металлические электроды (проводники первого рода) и растворы электролитов (проводники второго рода), образуют гальванический элемент. Электродная поверхность имеет собственный диффузный слой зарядов. Это слой, обращенный в раствор, подвержен воздействию поля зарядов, распределенных в породах.

В зависимости от знака зарядов в породе диффузный слой электрода либо отдает в раствор свои заряды, либо принимает их в свой слой. Изменения электрохимического потенциала скважинного электрода сопровождаются электрическим током в цепи между заземленными электродами. Несмотря на замедленные скорости движения ионов по сравнению с электронами (из-за малой напряженности электрических полей), эти процессы не припятствуют качественному измерению сигналов.

Минимальную поляризацию имеют электроды, контактирующие со средой через раствор солей тех минералов, из которых изготовлены электроды. Пары неполяризующихся электродов обладают стабильностью и малой величиной окислительно-восстановительного потенциала.

В практике измерения ПС поляризационная разность потенциалов между электродами может либо компенсироваться дополнительным регулируемым источником постоянного тока, включенным в измерительную цепь, либо оставаться некоторым фоном, иногда превышающим полезные сигналы в несколько раз. Опыт показывает, что не всегда удается сохранить компенсацию электродных потенциалов при каротаже, поскольку измерительный электрод находится в иных термодинамических условиях, нежели электрод сравнения. При практических измерениях это обстоятельство не является решающим, поскольку увеличение с глубиной, например, температуры может частично компенсироваться ростом электропроводности буровой жидкости. Важно, чтобы электродная разность потенциалов оставалась неизменной в процессе каротажа.

В настоящее время ведется интенсивная разработка геофизической аппаратуры для исследования горизонтальных скважин без использования кабеля, а также устройств для каротажа в процессе бурения. Реализация метода ПС в этих видах аппаратуры весьма желательна. Данные ПС привлекательны в силу простоты их применения для литологического расчленения разреза. Кроме того, в ряде районов этот метод является одним из ведущих при оценке геофизических параметров пластов-коллекторов.

Достоверная регистрация диаграммы ПС в бескабельном варианте становится проблематичной, поскольку результаты оказываются в значительной степени искаженными. В частности, возникают гальванические источники между корпусами скважинной аппаратуры, изготовленными из разнородных металлов. Применение корпусов из титановых сплавов приводит к появлению интенсивных гальванических пар с другими металлическими частями скважинного комплекса.

Гальванические пары могут также образовывать комбинации бурильных труб (ЛБТ с СБТ), используемых для доставки геофизического комплекса на забой. Нестабильность потенциала также связана с явлениями трения. Это затрудняет использование труб в качестве электрода сравнения.

Рис. 1. Диаграммы ВИКИЗ, ПС и ДПС в песчано-глинистом разрезе вертикальной скважины

Стандартная кривая ПС, зарегистрированная с помощью комплексной бескабельной системы, в которую входила автономная аппаратура ВИКИЗ+ПС, характеризуется нестабильностью сигнала и искажена шумами. В качестве альтернативы было предложен измерять ЭДС между двумя сближенными электродами (ДПС – «дифференциальный» способ измерения ПС). Приставка с двумя электродами была установлена на диэлектрическом корпусе зонда ВИКИЗ.

Для примера приведем результат каротажа в вертикальном стволе скважины методами ВИКИЗ, ПС и ДПС (рис. 1). Граница между разными породами отмечается экстремумами. Пласт песчаника, заключенный между глинами, отмечается на границах максимумом (подошва) и минимумом (кровля). Например, в интервале 1712-1727 м (песчаник между глинами) величины аномалий на нижней и верхней границах различаются незначительно, как и градиенты ПС.

Рассмотрим более детально кривые ДПС в пачке «песчаник-глина-песчаник». Экстремум кривой ПС глинистого пласта расположен на глубине 1728 м.

Разность ПС между песчаниками и глинами (рис. 2, а) равна 55 мВ, в то время как электродная разность составляет 200 мВ. Приведенный фрагмент кривой ПС хорошо коррелируется с данными ВИКИЗ.

Диаграмма ДПС (рис. 2, б) представлена в том же интервале глинистого пласта. Соседние экстремумы кривой соответствуют его границам. Создается предпосылка распознавания литологии разреза по кривой ДПС. Если кровля отбивается максимумом, а подошва – минимумом, то пласт – глинистый. Если же порядок следования экстремумом обратный, то в интервале расположен песчаник. На этой же диаграмме показано выделение седиментационных неоднородностей в песчанике выше кровли глин, характеризуемых повышенной адсорбционной активностью за счет глинистого цемента. Выделенные прослои хорошо коррелируются по диаграммам ВИКИЗ и характеризуются пониженными значениями удельного сопротивления.

Известно, что на границах литологических разностей существую значительные градиенты потенциалов. Наибольший скачек потенциала наблюдается на границе глины с чистым песчаником, когда контраст удельных сопротивлений пласта, вмещающих пород и промывочной жидкости невелик. Такие условия характерны для терригенных разрезов Западной Сибири.

Значительная чувствительность зондов ДПС к границам пород позволяет с высокой детальностью выделять глинистые прослои внутри коллекторов. Таким образом, зонды ДПС обладают высокой расчленяющей способностью в тонкопереслаивающемся песчано-глинистом разрезе.

Измеряемые значения экстремумов ДПС определяются скоростью изменения потенциалов ПС в окрестности границ и прямо связаны с гранулометрической дисперсностью контактирующих пород.

В интервалах однородных песчаников и глин значения ДПС близки к нулю. По показаниям ДПС эти интервалы не различаются. Вместе с тем расчленение разреза на литологические разности возможно из-за особенностей аномалий на границах пород с различными адсорбционными свойствами.

Восстановление кривых ПС из диаграмм ДПС, полученных в вертикальных скважинах, может бать реализовано математической обработкой. Значительные трудности появляются при пересчете диаграмм ДПС, зарегистрированных без применения кабеля в горизонтальных скважинах.

Опыт восстановления значений ПС показал, что результаты обработки зависят от ряда причин.

1. Существуют технические проблемы хорошей привязки измерений, связанные с технологией подъема аппаратуры на трубах.

2. Влияют помехи от гальванических источников, возникающих на контактах разнородных металлов. В этом случае электроды ДПС могут измерять электрические поля, которые определяются электропроводностью пород (электроды ДПС становятся измерительными электродами зонда каротажа сопротивления). Помехи такого рода незначительны в низкоомных разрезах.

3. В горизонтальных интервалах возможны помехи, связанные с трением металлических конструкций о породы в местах наибольшего искривления ствола. Тончайшие слои металла, оставленные на абразивной поверхности горных пород, становятся потенциальными источниками электрических помех. В наибольшей мере на регистрируемые сигналы может повлиять трение электродов о породу.

4. Определенную долю помех можно отнести на счет неполного контакта электродов с буровым раствором, когда зонд размещается в диэлектрическом контейнере («хвостовике») с малым количеством сквозных отверстий.

Отметим, что измерения ПС и ДПС в контейнере с ограниченными возможностями циркуляции ПЖ через полость контейнера из-за низких скоростей подъема и частых стоянок, связанных с условиями каротажа в горизонтальных скважинах, обуславливает недостоверность результатов этих измерений.

Еще одна трудность обработки весьма существенна и обусловлена редким шагом регистрации сигналов ДПС (например, 0, 2 м).

Характерный интервал быстрого изменения потенциала, как правило, составляет примерно два диаметра скважины, что подтверждается практическими диаграммами ПС на контрастных литологических границах. При пересечении такой границы двухэлектродным зондом фиксируется короткий участок с резким возрастанием и последующим убыванием сигнала. Легко оценить, что при скорости движения зонда 800 м/ч на характерном интервале будет выполнено 6-7 измерений. Недостаточно малый шаг дискретизации может привести к большим ошибкам при восстановлении значений ПС из диаграммы ДПС.

Рис. 3. Диаграммы ВИКИЗ (а), ПС₁ (б, 1) и ПС₂ (б, 2), ДПС (в). длины зондов ВИКИЗ: 0,5 (1), 0,7 (2), 1,0 (3), 1,4 (4) и 2,0 (5) м.

Фрагменты диаграмм ДПС, ПС₁, ПС₂ и ВИКИЗ, полученные в одной из наклонных скважин Сургутского свода (трест «Сургутнефтегеофизика»), приведены на рис. 3, а–в­­. Диаграмма ДПС записана с помощью двухэлектрод­ной приставки к корпусу прибора ВИКИЗ. Спуск и подъем осуществлялись на буровых трубах. Диаграмма ПС₁ восстановлена из значений ДПС. Кривая ПС₂ записана при повторном каротаже по принятой кабельно-трубной технологии.

Диаграммы ПС₁ и ПС₂ приведены на рис. 3, б. Аномалии диаграмм соответствуют песчаникам с низкой адсорбционной активностью. Границы плотных аргиллитов, выделяемых на диаграммах ВИКИЗ повышенными значениями кажущихся сопротивлений (малые значения разности фаз), ясно выделяются соответствующими экстремумами на диаграмме ДПС (2556,0, 2573,5 и 2587,5 м). Некоторые различия между вычисленными и измеренными значениями ПС₁ и ПС₂ наблюдаются против коллекторов, что, вероятно, с разновременностью измерений, однако относительное расхождение этих в значениях этих аномалий находятся в пределах допустимых погрешностей.

Анализ результатов исследований вертикально-наклонных и горизонтальных скважин, проведенных методами ВИКИЗ, ПС и ДПС, позволяет сделать следующие выводы относительно диаграмм ДПС:

q экстремумы диаграмм соответствуют границам пластов различной литологии;

q пласты различной литологии можно выделять по совокупности экстремумов, песчаникам соответствует переход от минимума к максимуму, а глинам – наоборот;

q зонд ДПС имеет более высокую расчленяющую способность в условиях изменений адсорбционных свойств пород при малых контрастах УЭС, характерных для песчано-глинистых разрезов Западной Сибири;

q обработка данных ДПС позволяет получить традиционную диаграмму ПС при выполнении метрологических требований к регистрации.

В скважинах с горизонтальным завершением ствола диаграммы ДПС усложняются, поскольку границы между пластами зачастую отстоят от скважины на значительном расстоянии, и возникают сложно распределенные поля зарядов. Вместе с тем при положении электродов на нижней стенке скважины значение ДПС будет в большей мере связано с диффузно-адсорбционными свойствами подстилающей среды.

Учитывая уникальные способности дифференциальной ПС при выделении границ пластов, можно рассчитывать на более точную оценку эффективных толщин коллекторов. Это особенно важно, поскольку к высокоразрешающим данным ВИКИЗ добавляется иной физический метод с сопоставимым разрешением и высокой взаимной корреляцией. При усовершенствовании автоматической компьютерной интерпретации этих возможностей даст новый импульс развитию комплекса ВИКИЗ+ДПС.