ЗОНД КОМБИНИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАРОТАЖА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ ГОРНЫХ ПОРОД, ПРОЙДЕННЫХ СКВАЖИНОЙ

Полезная модель относится к области геофизических исследований скважин, в частности электромагнитного каротажа.
Известен метод электромагнитного индукционного каротажа (ИК) скважин, авторское свидетельство СССР №1809407. Для измерения электрических свойств горных пород, пройденных скважиной (удельная электропроводность/удельное электрическое сопротивление) существуют специальные скважинные устройства - зонды ИК. Эти зонды состоят из двух узлов: генераторной цепи и измерительной цепи. Обе цепи оснащены антеннами, которые представляют собой катушки индуктивности (расположены, как правило, соосно оси конструкции зонда). В процессе измерения через генераторную цепь пропускается переменный ток, который вызывает в окружающих породах возникновение вихревых токов. Вихревые токи, возникшие в горных породах, индуцируют переменный ток в измерительной цепи зонда, который связан с электрическими свойствами окружающих зонд горных пород. На основе этого электрические свойства горных пород, упомянутые выше, могут быть определены, как правило, в продольном оси скважины направлении.
Наиболее близким аналогом устройства является зонд ИК оборудованный антеннами (индукционными катушками), расположенными наклонно или поперечно оси конструкции зонда. Частным случаем такого зонда можно считать зонд с взаимно перпендикулярными антеннами. Преимуществом такого зонда над зондом с соосными антеннами в том, что он позволяет оценить трехмерное распределение электрических свойств горных пород, в том числе в продольном и поперечном направлении, а значит и электрическую анизотропию. Каротажные зонды, оборудованные антеннами, расположенными наклонно или поперечно оси конструкции зонда, описаны в патентах США №6147496, 4319191, 5757191 и 5508616. Примером такого зонда может служить Rt Scanner (Shlumberger), описанный в статье Андерсон Б., Барбер Т., Леверидж Р., и др. Трехмерный индукционный каротаж: старые измерения под новым углом. Нефтегазовое обозрение, том 19, номер 2, Schlumberger, 2008.
Недостатком подобной конструкции является тот факт, что при описанной выше геометрии зонда в измеряемом сигнале увеличивается доля помех, а именно влияния скважины на измерения. Это подтверждается, например, патентами соответствующих способов корректировки (уменьшения влияния) на измерения наличия ствола скважины (патент РФ 2279697). Также к недостатку можно отнести тот факт, что определение электрической анизотропии происходит не напрямую, а косвенно. Сначала определяют продольную и поперечную удельные проводимости (сопротивления), затем как корень квадратный отношения этих величин определяют коэффициент электрической анизотропии.
Автором-заявителем ранее (А.А. Красносельских, Физические предпосылки измерения компоненты IMEY в электромагнитном каротаже для изучения анизотропии пластов, XI Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле», М., 2013, с. 401-402) были раскрыты сведения о зонде электромагнитного каротажа, который содержит катушку индуктивности и датчики электрического поля в виде двух взаимно перпендикулярных измерительных линий MN. А также представлены результаты лабораторного моделирования (А.А. Красносельских, А.Д. Каринский «Опыт лабораторного и математического моделирования нового зонда электромагнитного каротажа для определения коэффициента электрической анизотропии горных пород» №3 2015 «Руды и металлы»), которые показали, что сигнал измерительных линий электродов MN сильно подвержен влиянию помех. Причина возникновения помех главным образом связана с описанной конструкцией зонда. Генераторная катушка вносит вклад в измеряемый электрическими линиями сигнал. Для целей лабораторного моделирования авторами была разработана специальная методика учета этого явления в условиях лабораторных измерении. Очевидно, что для промышленного использования подобное решение малоприменимо.
Таким образом, можно заключить, что имеет место необходимость изучения электрических свойств горных пород, пройденных скважиной, конкретно электрической анизотропии. В то же время, существует ряд недостатков (в том числе конструктивных) у применяемых в настоящее время для решения подобных задач зондов.
В основу полезной модели положена задача разработать устройство, обеспечивающее получение следующего результата - определение одного из электрических параметров горных пород, пройденных скважиной, а именно коэффициента электрической анизотропии напрямую. Для решения поставленной задачи в известном зонде узел генерации электромагнитного поля был оставлен без изменений, а измерительный узел, содержащим 4 электрода, был дополнен измерительной катушкой индуктивности.
На фиг. изображена принципиальная схема устройства.
Устройство зонд комбинированного электромагнитного каротажа для определения коэффициента электрической анизотропии горных пород, пройденных скважиной, состоит из следующих частей: узел генерации сигнала (1), узел измерения сигнала (2) и корпус, способный пропускать электромагнитное поле (3). Назначение корпуса - обеспечивать неподвижность относительно друг друга элементов конструкции и жесткость к внешним воздействиям. Узел генерации сигнала включает генератор переменного тока (4) и, по меньшей мере, одну катушку индуктивности (5). Узел измерения сигнала состоит из как минимум одной измерительной катушки (6), измерительного прибора (7), показывающего уровень сигнала в измерительной катушке и разность потенциалов между парами взаимно перпендикулярных электродов (8-9 и 10-11). Соединение электрических цепей в приборе обеспечивают соединительные провода (12). На фиг. показан случай когда регистрация сигналов происходит непосредственно в корпусе зонда, также может быть реализована генерация и регистрация сигналов внешними источником и измерителем, при этом потребуется соединение их с устройством посредством отдельного кабеля (на фиг. не показан).
Процесс измерения происходит следующим образом. От генератора переменного тока подается синусоидальный сигнал частоты n-n*10 кГц на генераторную цепь, последняя может быть аппроксимирована переменным магнитным диполем. При протекании переменного тока возникает переменное магнитное поле, которое распространяется в окружающих скважину породах, его еще называют первичным. В породах под действием первичного магнитного поля возникает вихревое электрическое поле, которое индуцирует свободные электрические заряды. Электрическое поле Еу этих зарядов будет зависеть от ориентации момента магнитного диполя М относительно оси анизотропии и от коэффициента анизотропии λ. Сигнал в измерительных линиях, образованных парами электродов, при прочих известных величинах, будет пропорционален коэффициенту электрической анизотропии пород. При этом для промышленной реализации устройства необходимо осуществлять контроль первичного поля генераторной катушки для измерения величины М и уровня помехи от генераторной катушки в измерительных линиях электродов.