WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |

На правах рукописи

УДК 550.8.013:550.832.7

Каринский Александр Дмитриевич

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ ГОРНЫХ ПОРОД НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ В СКВАЖИНЕ

25.00.10 геофизика, геофизические методы поисков

полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва 2008

Работа выполнена в Российском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе (РГГРУ).

Официальные оппоненты:

академик РАН, доктор технических наук, профессор Эпов Михаил Иванович.

член кор. РАЕН, доктор физико-математических наук, профессор Юдин Михаил Николаевич.

доктор технических наук, профессор Безрук Игорь Андреевич.

Ведущая организация

Геологический факультет Московского Государственного Университета имени М. В. Ломоносова.

Защита состоится “18” декабря 2008 г. в 1500 часов на заседании Диссертационного Совета Д.212.121.07 при Российском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе.

Адрес: 117485, ул. Миклухо-Маклая, д. 23, РГГРУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного геологоразведочного университета.

Автореферат разослан «____» _______________ 2008 г.

И. о. ученого секретаря Диссертационного

совета Д.212.121.07 при РГГРУ

доктор технических наук, профессор Бондаренко В. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Состояние проблемы. Актуальность темы.

В последние годы проявляется все больший интерес к изучению анизотропии физических параметров горных пород и ее влияния на результаты геофизических исследований. Анизотропия, то - есть различие в значениях того или иного физического параметра вещества по разным направлениям, свойственна в первую очередь многим осадочным горным породам. Это связано с особенностями формирования осадочных пород, обычно сопровождающегося многократными изменениями режима осадконакопления с соответствующими изменениями состава и дисперсности материала осадков. Этот процесс часто приводит к формированию слоистой или тонкослоистой структуры осадочных толщ и анизотропии их физических параметров.

Анизотропия проявляется, в частности, в электрических параметрах горных пород, характеризующих их способность проводить электрический ток или поляризоваться в электрическом поле. Наиболее часто применяемой для характеристики электрических параметров анизотропных пород моделью среды является среда с осевой анизотропией (одноосно – анизотропная или трансверсально- изотропная среда). Каждый электрический параметр такой среды характеризуют два значения: по оси анизотропии n (ориентированной по нормали к напластованию пород) и по любому, ортогональному этой оси направлению t. В частности, удельное электрическое такой среды характеризуют два значения: поперечное удельное электрическое сопротивление n по направлению n и продольное удельное электрическое сопротивление t по направлению t. Параметры электрической анизотропии содержат важную геолого-геофизическую информацию о строении и свойствах пород слагающих анизотропную толщу, так как продольное и поперечное удельные электрические сопротивления по разному зависят от характера насыщения пород, их фильтрационных свойств и других факторов.

По сравнению с наземными геофизическими измерениями условия при геофизических исследованиях скважин (ГИС) являются более благоприятными для изучения электрических параметров анизотропных горных пород, так как в этом случае возбудители и измерители поля находятся непосредственно в исследуемой толще. Однако, применяемые ныне методы ГИС, не способны обеспечить получение достаточно полной информации об электрических параметрах анизотропных пород, в первую очередь - о значении n. В обычных условиях результаты измерений в таких широко применяемых методах, как индукционный каротаж (ИК), каротаж кажущихся сопротивлений (КС) и некоторых других, зависят, в основном, от влияния одного параметра анизотропных пород - t. В то же время, параметр n является более информативным для определения, например, такой важнейшей характеристики анизотропной толщи, как тип насыщения.

Следует заметить, что определение параметров анизотропии горных пород с помощью наблюдений в скважинах является сложной задачей. Для ее решения необходимо определить оптимальные типы возбудителей поля и измеряемые компоненты поля, наиболее тесно связанные с каждым из параметров анизотропных пород, установить характер этой связи. Необходимо также исследовать влияние реальных условий измерений в скважинах (присутствие скважины, зоны проникновения, границ анизотропных и изотропных пластов, в некоторых случаях – буровой колонны или обсадной трубы) на характер связи измеряемых величин с параметрами анизотропной среды.

Несмотря на научную и прикладную важность определения параметров электрически анизотропных горных пород с помощью измерений в скважинах этой проблеме до последнего времени не уделялось должного внимания. В настоящей работе делается попытка частично восполнить этот пробел путем теоретического анализа проблемы.

Отметим также, что выполненные ранее исследования по теории электромагнитных методов ГИС в анизотропных средах касались, как правило, связей характеристик электрического или электромагнитного поля с удельными электрическими сопротивлениями анизотропных сред. Но на характеристики высокочастотного электромагнитного поля в проводящей среде оказывает влияние не только, но и диэлектрическая проницаемость. Теоретическое изучение связи характеристик высокочастотного электромагнитного поля (и определяемых по этим характеристикам значений кажущейся диэлектрической проницаемости) с диэлектрическими проницаемостями моделей анизотропных сред также нашло отражение в этой работе.

В работе приведены также результаты исследований по проблеме, связанной с правомерностью замены (при моделировании и интерпретации результатов измерений) макроанизотропных горных пород микроанизотропными средами с теми же, что у пород, значениями n и t.

Объектом исследований является электромагнитное поле различных его сторонних возбудителей в моделях анизотропной среды и связь характеристик поля с параметрами такой среды.

Цель работы – развитие теоретических основ электромагнитного каротажа анизотропных сред; теоретический анализ различных методов возбуждения и измерения электромагнитного поля в скважине, пройденной в анизотропных горных породах и выявление способов определения параметров электрически анизотропных пород по этим данным.

Основные задачи исследований. Для достижения цели исследований потребовалось решение следующих задач.

1. Получение аналитических выражений для компонент электромагнитного поля различных его сторонних возбудителей для модели однородной анизотропной среды. Вывод асимптотических выражений для компонент электромагнитного поля в ряде практически значимых случаев и их анализ.

2. Аналитическое решение прямых задач электродинамики о поле различных его сторонних возбудителей для кусочно-однородных моделей среды с коаксиальными цилиндрическими границами. Однородные части таких моделей могут отвечать анизотропным горным породам и зоне проникновения в проницаемых породах, изотропным скважине, буровой колонне, обсадной трубе. Составление программ для численных расчетов на основе полученных решений.

3. Аналитическое решение прямых задач электродинамики о поле наклонного переменного магнитного диполя и линии AB переменного тока в присутствии модели анизотропного пласта конечной мощности. Составление программ для численных расчетов на основе полученных решений.

4. Проведение численных расчетов на основе аналитических решений прямых задач для модели однородной анизотропной среды и 1D- моделей анизотропной среды. Анализ полученных результатов расчетов.

5. Разработка алгоритмов численных расчетов электромагнитного поля различных его сторонних возбудителей в осесимметричных кусочно-однородных моделях анизотропной среды с коаксиально- цилиндрическими и плоско- параллельными границами. Примененные алгоритмы расчетов основаны на методе конечных разностей. Составление программ для расчетов на ЭВМ, оценка погрешности численных расчетов.

6. Математическое моделирование для соответствующих условиям геофизических исследований скважин 2D- моделей анизотропной и изотропной среды при различных способах возбуждения электромагнитного поля. Сравнительный анализ результатов моделирования для микроанизотропных и макроанизотропных моделей среды.

7. Обобщение полученных результатов моделирования с целью обоснования методических рекомендаций по определению электрических параметров анизотропных горных пород при измерениях в скважинах и применении различных возбудителей электромагнитного поля и приемников (датчиков), позволяющих измерить различные характеристики поля.

Метод исследования. На разных этапах работы применялись различные методы исследований. Сначала были получены аналитические решения прямых задач электродинамики для модели однородной анизотропной среды и 1D- моделей анизотропной среды для различных сторонних возбудителей поля, проанализированы полученные решения и результаты численных расчетов. Затем с целью численного решения прямых задач (для приближающихся к реальным условиям измерений в скважине) осесимметричных 2D- моделей анизотропной среды разработаны алгоритмы и программы для ЭВМ, основанные на методах конечных разностей. Проведены математическое моделирование для 2D- моделей среды при различных возбудителях поля и анализ результатов моделирования.

Научная новизна работы. Личный вклад. Основная часть исследований, результаты которых приведены в настоящей работе, является оригинальной и выполнена лично автором данной работы. Среди новых результатов, полученных при исследованиях, можно отметить следующие.

1. Впервые получены аналитические решения прямых задач электродинамики для некоторых сторонних возбудителей поля в модели однородной анизотропной среды. Для такой модели среды получены выражения для поля тороидальной антенны бесконечно – малых и конечных размеров, бесконечно-длинного кабеля (БДК), для электрической составляющей поля переменного магнитного диполя и плотности источников кулоновой составляющей этого поля.

2. Получены аналитические решения прямых задач электродинамики для моделей анизотропной среды с цилиндрическими границами. Эти модели соответствуют условиям измерений в скважинах при неограниченной мощности пластов. Решения получены для случаев, когда сторонними возбудителями поля являются элементарная тороидальная антенна, линия AB переменного тока, кабель с точечным электродом, БДК, тороидальная антенна конечных размеров.

3. На основе метода конечных разностей разработаны алгоритмы численного решения осесимметричных 2D- прямых задач электродинамики для соответствующих условиям ГИС моделей анизотропной среды с коаксиальными цилиндрическими и плоско-параллельными границами для различных сторонних возбудителей поля.

4. Анализ полученных выражений и результатов математического моделирования позволил выявить ряд неизвестных ранее особенностей влияния параметров анизотропной среды на характеристики электромагнитного поля при различных способах его возбуждения, дать физическое истолкование полученным данным моделирования и обоснование новым методикам ГИС, применение которых может быть перспективным при изучении анизотропных пород. В частности, в рамках решения проблемы определения значений n и коэффициента анизотропии =(n/t)1/2 установлено следующее:

а) плотность электрических зарядов (и их поле), индуцируемых полем переменного магнитного диполя, в ближней зоне зависит лишь от одного электрического параметра среды – коэффициента анизотропии ;

б) в однородной анизотропной среде поле тороидальной антенны испытывает сильное влияние n и, но при расположении стороннего возбудителя в изотропной скважине поля элементарной тороидальной антенны и переменного электрического диполя испытывают одинаковое влияние окружающей скважину среды, в частности ее анизотропии;

в) при применении в условиях каротажа в процессе бурения тороидальных антенн и при соответствующем выборе измеряемых характеристик и длин зондов результаты измерений существенно зависят от величины n;

г) в присутствии границ анизотропных пластов индукционная составляющая ImEz низкочастотного электрического поля кабеля с токовым электродом (а при применении БДК – обе составляющие- ReEz и ImEz) вблизи этих границ испытывают значительное влияние n, а кривые для этих компонент поля против пластов имеют простую форму.

Основные защищаемые положения.

1. В однородной анизотропной среде (без учета влияния скважины) для большинства применяемых зондов электрического и электромагнитного каротажа при их ориентации по оси анизотропии результаты измерений зависят от продольного удельного электрического сопротивления t. Для получения информации о других параметрах анизотропной среды (n, ) предложены специальные зонды, отличающиеся способами возбуждения и измерения поля.

2. Наличие скважины, как правило, не ведет к существенному изменению характера влияния параметров окружающей ее анизотропной среды на характеристики поля различных возбудителей по сравнению с однородной средой. Однако при возбуждении поля тороидальной антенной условия измерений в скважине кардинальным образом изменяют это влияние.

3. При применении зондов с тороидальными антеннами в условиях каротажа в процессе бурения и при определенном выборе длин зондов и измеряемых характеристик поперечное удельное электрическое сопротивление n оказывает существенное влияние на получаемые результаты.

4. В приближающихся к реальным условиям при геофизических исследованиях скважин 2D- моделях анизотропной среды с цилиндрическими и плоскими границами при определенных способах возбуждения поля влияние n может быть существенно выше, чем в однородной анизотропной среде или в модели анизотропного пласта неограниченной мощности в присутствии скважины.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»