Низкочастотный индукционный метод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Факультет - ИПР

Кафедра - геофизики

Курсовая работа

Низкочастотный индукционный метод

Ислямов И.Ш.

Томск

2011

Оглавление

• Введение
• 1. Простейший двухкатушечный зонд
• 1.1 Формирование сигнала в измерительной катушке
• 1.2 Геометрический фактор
• 2. Кривые низкочастотного индукционного метода
• Заключение
• Приложение
• Литература
• 
• Введение
• Индукционные методы, основанные на изучении в скважинах переменного электромагнитного поля низкой и высокой частоты, разработаны достаточно детально. Низкочастотными индукционными методами изучают электромагнитное переменное поле ультразвуковой частоты 20-60 кГц, высокочастотными - переменные поля частотой 1-10 МГц. скважина электромагнитный двухкатушечный низкочастотный
• В группу низкочастотных индукционных методов входят обычный индукционный метод с продольным датчиком, индукционный метод с поперечным датчиком, индукционный метод переходных процессов, частотный индукционный метод. К высокочастотным индукционным методам относятся обычный высокочастотный метод, волновой метод проводимости, высокочастотное индукционное изопараметрическое зондирование.
• Обычный низкочастотный индукционный метод основан на изучении электромагнитного поля продольного (вертикального) датчика, ось которого совпадает с осью скважины. В этом случае вихревые токи, индуцированные первичным полем, расположены в плоскостях, перпендикулярных к оси скважины, и не пересекают поверхностей раздела горизонтальных слоев. На результаты измерений простейшим двухкатушечным зондом с целью определения истинного удельного сопротивления пласта значительное искажающее влияние оказывают скважина, зона проникновения и вмещающие породы, а также прямой сигнал от генераторной катушки. Для уменьшения влияния указанных факторов и исключения прямого сигнала X. Г. Долль предложил многокатушечные фокусирующие зонды.

• 1. Простейший двухкатушечный зонд
• Сущность метода заключается в следующем. При проведении индукционного каротажа (ИК) изучается удельная электрическая проводимость горных пород посредством индуцированных (наведенных) токов. Для этого в скважину опускается прибор (зонд) имеющий в своем составе генераторную (Г) и измерительную (И) катушки. Расстояние между генераторной и измерительной называется длиной зонда.
• При пропускании через излучающую катушку переменного тока частотой, вырабатываемого генератором, вокруг катушки и в окружающей среде создается переменное магнитное поле. Это поле создает в свою очередь в окружающей среде переменные токи.
• При проведение измерений в генераторной катушке с помощью переменного тока устанавливается переменное магнитное поле. Согласно закону Фарадея, в это время в горной породе возникает электромагнитные вихревые токи, которые фиксируются измерительной катушкой зонда. Величина вихревых токов возникающих в горной породе зависит от величины её удельной электропроводности.
• Чем выше электропроводность среды, тем больше величина ЭДС вихревых токов. В свою очередь, магнитное поле вихревых токов индуцирует в приемной катушке скважинного прибора ЭДС, представляющую собой векторную сумму активной составляющей, совпадающей по фазе с током питания генераторной катушки, и реактивной составляющей, сдвинутой на 90 градусов относительно питающего тока. С ростом электропроводности среды ЭДС активного сигнала увеличивается медленнее и по более сложному закону. Нарушение пропорциональности между активным сигналом и электропроводностью среды связано со взаимодействием вихревых токов. Это явление называется скин-эффектом. Чем выше частота тока и электропроводность среды, тем значительнее взаимодействие вихревых токов и, следовательно, существеннее влияние скин-эффекта на показания индукционного метода.
• Для снижения влияния скважины, зоны проникновения и вмещающих пород на результаты индукционного метода используют фокусировку электромагнитного поля. Для этого применяют многокатушечные фокусирующие зонды, которые рассматриваются как совокупность двухкатушечных зондов, образованных всеми парами генераторных и измерительных катушек зонда. Основное преимущество метода состоит в том, что при его выполнении нет необходимости прямом электрическом контакте между измерительным зондом и горной породой, следовательно, метод эффективен при изучении скважин заполненных непроводящими буровыми растворами на нефтяной основе.
• 1.1 Формирование сигнала в измерительной катушке
• Решение прямой задачи индукционных методов состоит в получении зависимости измеряемой эдс электромагнитного поля от электропроводности среды, ее геометрии и параметров зонда. Приближенная теория низкочастотного индукционного метода впервые была разработана Х-Г. Доллем в 1949 г.. затем получила развитие в работах С. М. Аксельрода, Ю. Н. Антонова и других исследователей. В основе приближенной теории Долля лежат два допущения: 1) все индуцированные в окружающей среде вихревые токи имеют одну и ту же фазу, сдвинутую относительно фазы тока в генераторной катушке на 90°; это означает, что взаимодействие вихревых токов отсутствует, т. е. при решении прямой задачи явление скин - эффекта не принимается во внимание; 2) амплитуда плотности тока в любой точке среды рассчитывается но упрощенной формуле и определяется только пространственным фактором и удельной электропроводностью участка среды. Эти допущения справедливы лишь тогда, когда частота тока питания и электропроводность среды сравнительно невелики. При высокой частоте тока или большой электропроводности пород явление скин-эффекта существенно изменяет характер распространения электромагнитного поля, н в этом случае при решении прямой задачи необходимо использовать строгую теорию.
• Приближенная теория низкочастотных индукционных методов позволяет сравнительно просто установить зависимость эффективной удельной электропроводности изучаемого пространства от электропроводности отдельных сред, их размеров и положения относительно индукционного зонда, а также наглядно представить физическую сущность этого метода. С помощью приближенной теории можно путем элементарных расчетов решить прямую задачу описываемых методов для плоских и цилиндрических поверхностей раздела между средами. Формулы, полученные на основании этой теории, следует рассматривать как асимптотические, справедливые при электромагнитных волнах, очень длинных по сравнению с радиусом скважины, мощностью пласта и диаметром зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости.
• Итак, имеем однородную изотропную среду удельной электропроводности а, абсолютной диэлектрической проницаемости у и магнитной проницаемости . На оси скважины расположен двухкатушечный индукционный зонд. Диаметр скважины . Центры генераторной и измерительной катушек расположены на обшей оси на расстоянии одна от другой. Ось генераторной катушки совпадает с осью скважины. Генераторная и измерительная катушки имеют соответственно высоты и, число витков и, радиусы которых и; плошали каждого витка
• ,
• ;
• общие плошали витков
• и.
• Условимся считать, что размеры катушек значительно меньше расстояния . Это допущение позволяет рассматривать катушки как точечные. Генераторную катушку можно заменить для упрощения расчетов магнитным диполем с переменным моментом. Генераторная катушка питается переменным током с амплитудой мгновенное значение которого
• (1)
• где ф -- время;
• -- угловая частота; -- циклическая частота.
• Упомянутый выше магнитный диполь, ось которого совпадает с осью генераторной катушки, создаст в окружающем пространстве электромагнитное поле. Необходимо определить величину эдс, которая наводится вихревыми токами в изучаемой среде, и установить связь между наведенной эдс и удельной электропроводностью однородной среды, частотой поля и параметрами зонда. Для решения задачи введем цилиндрическую систему координат, начало которой расположим в точке О, являющейся серединой расстояния между центрами генераторной и измерительной катушек. Разобьем все изучаемое пространство на элементарные тороиды. представляющие собой участки породы с горизонтальными поверхностями. Единичный тороид -- это горизонтальное кольцо радиуса с центром на оси скважины. Он назван X. Г. Доллем элементарным кольцом.
• С учетом (1) магнитный момент магнитного диполя
• (2)
• Магнитный диполь создаст в окружающем пространстве магнитное поле напряженностью
• (3)
• Где
• -- расстояние от центра генераторной катушки до рассматриваемой точки среды.
• Как известно, величина магнитного потока, пронизывающего замкнутую поверхность
• (4)
• Где
• -- вектор магнитной индукции;
• ц -- угол между нормалью к элементарной площадке и силовыми линиями магнитного ноля;
• ds -- площадь сечения элементарной площадки.
• Для элементарного кольца с радиусом, площадь которого магнитные силовые линии пересекают под углом 90(ц = 0), формула (4) имеет вид
• (5)
• Подставив (3) в (5) и проведя интегрирование, получим
• (6)
• Изменение магнитного потока Ф во времени создает эдс. электромагнитной индукции е в элементарном кольце.
• Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея величина
• (7)
• Знак минус в формуле (7) соответствует закону Ленца, согласно которому индукционный ток, взаимодействуя с магнитным полем, вызывает силу,
• направленную противоположно действию магнитного диполя.
• Взяв производную в соответствии с (6) от (7), имеем
• (8)
• Под действием этой эдс в единичном элементарном кольце возникает вихревой ток силой
• (9)
• Ток создает в окружающем пространстве магнитное поле. Напряженность этого поля равна
• (10)
• Величина вторичного магнитного потока, пронизывающего витки измерительной катушки, равна
• (11)
• Подставив в (11) выражение (10), получим
• (12)
• Окончательная формула для э.д.с. в измерительной катушке с учетом (12) равна
• (13)
• Одновременно с эдс изучаемой среды в измерительной катушке генерируется эдс прямого поля генераторной катушки. Поскольку величина эдс прямого поля не связана с параметрами среды, то она исключается с помощью специального устройства.
• Представим выражение для е' в следующем виде:
• -- коэффициент индукционного зонда;
• -- пространственный (геометрический) фактор элементарного кольца.
• 1.2 Геометрический фактор
• В теории Долля введение понятия пространственного фактора элементарного кольца занимает одно из центральных мест. Рассмотрим его физический н геометрический смысл.
• Выразим расстояния от центров генераторной и измерительной катушек до оси элементарного кольца через цилиндрические координаты r и z
• Получаем
• (14)
• Из (14) следует, что значение пространственного фактора элементарного кольца определяется его вертикальным расположением относительно катушек и горизонтальным расстоянием от оси зонда при фиксированной длине зонда.
• Выясним геометрический смысл пространственного фактора.
• Для треугольника ABC на основании теоремы синусов запишем
• (15)
• Из прямоугольного треугольника ADC следует
• (16)
• Подставив (16) в (15) найдем
• Получим
• (17)
• Из (17) следует,
• что пространственный фактор полностью определяется величиной угла г между сторонами и под которыми виден зонд из точек элементарного кольца. В этом состоит геометрический смысл пространственного фактора. Следовательно, все элементарные кольца, из точек которых виден зонд под одним и тем же углом, имеют одинаковые пространственные факторы. Геометрическим местом сечений элементарных колец с равным пространственными факторами являются окружности, проходящие через центры генераторной и измерительной катушек. Значения пространственного фактора изменяются от 0 до 1. Максимальную величину он имеет в случаях, когда sin г = 1, т. е. угол г = 90°. Сечения этих колец лежат на окружности с диаметром, равным длине зонда. Представление пространственного фактора элементарным кольцом позволяет получить сигнал от различных участков среды. В случае однородной среды величины эдс, создаваемые ее участками, зависят только от их пространственных факторов. Физический смысл пространственного фактора элементарного кольца заключается в том, что он определяет ту долю сигнала на выходе измерительной катушки зонда, которую вносят различные участки изучаемой среды.
• 
• 2. Кривые низкочастотного индукционного метода
• Кривые для всех зондов обычного индукционного метода против одиночных пластов в случае равенства электропроводностей вмещающих пород симметричны относительно середины пласта (Приложение 1). Границы пластов при их средней и большой мощности определяются по середине аномалии, где ее ширина соответствует истинной мощности пласта h. Для пластов малой мощности ширина аномалии на ее середине представляет собой фиктивную мощность .
• Характерными показаниями кривой против однородного пласта конечной мощности являются экстремальные значения эффективной электропроводности, против середины пласта -- максимальные или минимальные.
• На показания индукционных зондов искажающее влияние оказывают: 1) скважина; 2) явление скин-эффекта; 3) ограниченная мощность пласта и вмещающие породы; 4) зона проникновения фильтрата промывочной жидкости. В значение эффективной электропроводности необходимо вносить соответствующие поправки за влияние указанных факторов. Влияние скважины может быть учтено по показаниям против высокого удельного сопротивления ( ), встречающихся в разрезе. Линия нулевой электропроводности должна проходить по кривой этих высокоомных пластов.
• Влияние скин-эффекта на показания учитывается с помощью графиков
• ,
• построенных по теоретическим формулам для однородной среды.
• Эти графики позволяют перевести значения электропроводности в величины удельного сопротивления пород.
• Влияние конечной мощности пласта и вмещающих пород на показания учитывается с помощью палеток поправочных коэффициентов. Наличие зоны проникновения при D_3a/d_c<4, повышающей сопротивление пласта, мало сказывается на показаниях импульсных методов.

• Заключение
• Этот метод получил широкое распространение при исследовании разрезов нефтяных и газовых скважин с промывочными жидкостями сравнительно низкой минерализации (>10Омм). Хроме того, он может использоваться при изучении скважин с непроводящей промывочной жидкостью (известково-битумные растворы и др.), заполненных нефтью и закрепленных трубами из диэлектриков (асбоцементные и полимерные обсадные колонны).
• Применение обычного низкочастотного индукционного метода ограничено в случае использования соленых промывочных жидкостей, наличия зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости, понижающей сопротивление пласта, и при исследовании пород удельного сопротивления свыше 50 Ом * м.
• Обычный низкочастотный индукционный метод позволяет более детально расчленять разрезы скважин, сложенные породами низкого удельного сопротивления, выделять водоносные и нефтегазоносные пласты, изучать строение переходной зоны и уточнять положение контактов вода--нефть, вода--газ, определять истинное удельное сопротивление пород до 50 Ом * м.

• Литература

1. Дьяконов Д.И., Леонтьев Е.И., Кузнецов Г.С. Общий курс геофизических исследований скважин.- Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб.- М.: Недра, 1984.-432 с.

2. Итенберг С.С. Нефтепромысловая геофизика для геологов.- Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб.- М.: Гостоптехиздат, 1957.-392 с.

Приложение

Теоритические кривые индукционного метода.

• Размещено на Allbest.ru