OSNOVI GEOFIZIČKOG KAROTAŽA

1. OSNOVI GEOFIZIČKOGKAROTAŽA Četvrto predavanje Osnovni principi merenja specifične električne otpornosti Konvencionalnielektrični karotaž (SEO)

2. OSNOVNI PRINCIPI MERENJA SPECIFIČNE ELEKTRIČNE OTPORNOSTI Prve sonde za merenje u bušotinama, koje su se pojavile u upotrebi, bile su namenjene za merenje specifične električne otpornosti (SEO). Predstavljale su modifikaciju geofizičkih uređaja, koji su se koristili za geolektrična merenja na površi terena.

3. Geoelektrična merenja na površi terena Izvor emituje struju u Zemlju preko dve udaljene strujne elektrode A i B. Pad potencijala se meri preko dve potencijalne elektrode M i N, na manjem međusobnom rastojanju. Na osnovu rezultata merenja se određuje SEO ispod površi Zemlje (u poluprostoru). Elektrode se pomeraju duž odgovarajućih profila, a način premeštanja elektroda zavisi od tipa dispozitiva (rasporeda elektroda) i postupka geoelektričnih merenja, koji se primenjuje.

4. Prva sonda za merenje SEO u bušotinama nastala je rotacijom sistema za merenje na povši terena, za 900u vertikalnoj ravni. Do danas je razvijeno 5 familija sondi za merenje SEO: 1. sonde električnog karotaža, 2. sonde induktivnogkarotaža, 3. sonde lateralnogkarotaža, 4. sonde mikro - električnogkarotaža, 5. sonde dielektričnogkarotaža.

5. Parametri, koji nas interesuju, su specifična električna otpornost (SEO) i specifična električna provodnost. Ne koristimo električni otpor, jer on ne predstavlja svojstvo stene. Električni otpor je funkcija SEO i geometrije formacije (njegova vrednost je promenljiva za isti materijal različitog oblika i dimenzija). Specifična električna otpornost (SEO) je svojstvo provodnika da se suprotstavlja proticanju električne struje, a brojno je jednaka otporu koji struji pruža provodnik dužine 1m, čiji je poprečni presek 1 mm2.Jedinica za SEO je om-metar (Wm). Specifična električna provodnost je recipročna vrednost SEO, a jedinica je Simens po metru (S/m).

6. Da bi se odredila specifična električna otpornost (SEO) formacije, potrebno je da postoji provodnik kroz koji može da teče struja. Sa aspekta geofizičkih karotažnih merenja u bušotinama, postoje tri tipa provodnika: Elektronski provodnici– karakteriše ih kretanje slabo vezanih elektrona kroz materiju tokom procesa prenosa električne struje. Ovo je najefikasniji način prenosa električne struje i karakterističan je za metale. SEO provodnika je reda veličine 10-4Wm. Kod geofizičkih karotažnih merenja, ovaj tip provodnika se javlja samo u instrumentima (sondama, kablovima i uređajima na površi terena), te nema nikakav značaj sa stanovišta procene formacije, izuzev u slučaju ispitivanja metaličnih ruda.

7. Elektrolitički provodnici – njihova provodnost zavisi od koncentracije soli u rastvoru, koja je disosovana na pozitivne jone (katjone) i negativne jone (anjone). Ovaj tip provodnika je veoma bitan u geofizičkim karotažnim merenjima, jer sve porozne sedimentne stene sadrže mineralizovanu vodu, u određenom procentu (najviše zastupljena so u slojnim vodama je NaCl). Otpornost elektrolitičkih provodnika se kreće u širokom opsegu. Sa porastom temperature povećava se stepen disocijacije (procenat molekula koji su u rastvoru razloženi na jone), ali se smanjuje pokretljivost jona. Generalno, sa porastom temperature povećava se specifična električna provodnost rastvora elektrolita, odnosno SEO opada. Izolatori – ne provode ili veoma slabo provode električnu struju.

8. Sredina SEO rastresite formacije 0.5-50 Wm kompaktne formacije (karbonati) 100-1000 Wm evaporiti (soli, anhidriti) par hiljada Wm slojna voda od nekoliko hiljaditih delova Wm do nekoliko Wm morska voda 0.35 Wm na T= 180C Vrednosti SEO formacije mogu da variraju u širokom opsegu, najčešće od 0.5 - 1000 Wm, u zavisnosti od svojstava matriksa stene i fluida, koji se nalaze u pornom prostoru. Obzirom da ugljovodonici i matriks stene (čvrsta faza), osim stena koje sadrže metalične minerale, predstavljaju izolatore (imaju visoku vrednost SEO), niske vrednosti SEO formacija se pripisuju uticaju mineralizovane slojne vode u njima (SEO je elektrolitičke prirode).

9. Pod uticajem električnog polja, joni u slojnoj vodi se kreću, prenoseći struju kroz rastvor. Specifična električna otpornost formacije zavisi, pre svega, od - mineralizacije slojne vode, - poroznosti, - sadržaja glina (šejla) i - količine ugljovodonika u pornom prostoru.

10. Što je veća koncentracija soli, manja je SEOslojne vode, a time i SEO formacije. Sa povećanjem poroznosti formacije, povećava se količina slojne vode, a SEO formacije se smanjuje. Prisustvo glina (šejla) u formaciji dovodi di povećanja provodnosti formacije, odnosno smanjenja SEO. Uticaj glina ili šejla na provodnost formacije je kompleksan i često ne može da se otkloni iz rezultata geofizičkih karotažnih merenja. Povećanje zasićenosti pornog prostora ugljovodinicima dovodi do povećanja vrednosti SEO formacije. Proces invazije u bušotini značajno utiče na rezultate merenja specifične električne otpornosti (SEO).

11. Prikazan je princip merenja SEO u bušotini. Iz tačkaste strujne elektrodeA emituje se struja u homogenu izotropnu sredinu, do udaljene elektrode B (može da se smatra da je beskonačno udaljena). Struja se iz tačke Aširi radijalno u svim pravcima. Ekvipotencijalne površi su upravne na strujne linije i predstavljene su konfokalnim sferama sa centrom u tački A. Osnovni princip merenja specifične električne otpornosti (SEO)

12. Ako je V(r) potencijal na rastojanju r od tačke A, razlika potencijala dV, između dve ekvipotencijalne površi na međusobnom rastojanju dr, biće gde je: I - jačina struje, r - specifična električna otpornost (SEO) sredine. Osnovni princip merenja specifične električne otpornosti (SEO)

13. Ako je potencijalna elektrodaM na rastojanju r od strujne elektrode A, a potencijalna elektroda N udaljena dovoljno da može da se smatra da je u beskonačnosti (potencijal u N je jednak nuli), izmerena razlika potencijala izmeđuelektroda biće jednaka pontencijalu u tački M. Ako izraz za dV integralimo u opsegu od r do beskonačno, dobijamo: . Specifična električna otpornost homogene sredine je.

14. Specifična električna otpornost direktno je proporcionalna potencijalu (V), pošto su jačina struje (I) i rastojanje r (rastojanje između strujne elektrode A i potencijalne elektrode M) konstantni. Par elektroda A i M se pomera duž ose bušotine, meri se vrednost potencijala i određuje vrednost SEO. Merenja se vrše kontinualno, a kao rezultat merenja dobija se promena SEO sa dubinom.

15. Procena zasićenja formacije slojnom vodom i ugljivodonicima Rezultati merenja SEO koriste se za određivanje zasićenja pornog prostora u steni vodom (Sw) i ugljovodonicima (So). Najpogodnije je da se, pri razmatranju, usvoji pretpostavka da matriks stene ima beskonačnu SEO. Ako je porni prostor 100% zasićen mineralizovanom vodom (od koje potiče ukupna provodnost formacije), specifične električna otpornost formacije (r0) biće: gderw predstavlja SEO slojne vode, a F je faktor formacije.

16. Empirijski je utvrđeno da je faktor formacije: , gde su a i m konstante (m – faktor cementacije), a f je poroznost. Konstante a (od oko 0.6 za pešćare do oko 1 za karbonate) i m (od oko 1.5 za pešćare do oko 2.5 za karbonate) se određuju iz analize jezgara, a rw se određuje iz rezultata merenja Karotažom sopstvenog potencijala ili iz analize uzoraka slojne vode. Kada u izraz ubacimo izraz za F, dobijamo: .

17. Najinteresantniji slučaj je kada su pore delimično zasićene slojnom vodom, a delimično ugljovodonicima. Ispitujući veliki broj uzoraka, Arči je utvrdio da važi: gde je rt- stvarna SEO stene (koja sadrži i slojnu vodu i ugljovodonike), a n je eksponent zasićenja (ima vrednosti 1.7-2.2) . Ako u izraz uvedemo izraz za faktor formacije, dobijamo: .

18. Na osnovu merenja SEO formacije (rt), procenjuje se zasićenje vodom (Sw) , a zasićenje ugljovodonicima (So) dobija se korišćenjem jednostavnog izraza: . Bitan zahtev pri proceni zasićenja vodom je da se izvrši jedno nezavisno merenje za procenu stvarne specifične električne otpornosti stene (rt) i drugo merenje za procenu poroznosti (f).

19. KONVENCIONALNI ELEKTRIČNI KAROTAŽ Konvencionalni električni karotaž se danas, uglavnom, primenjuje u istraživanju ležišta vode i rudnih ležišta. Ovaj postupak se retko koristi kod savremenih istraživanja ležište nafte i gasa, ali je značajan, zato što postoji veliki broj podataka, dobijenih tokom ranije izvedenih istraživanja. Uslov za primenu konvencionalnog električnog karotaža je da je bušotina ispunjena provodnom isplakom i da nije zacevljena. Konvencionalni karotažni uređaj ima dve strujne (predajne) elektrode (A i B) i dve potencijalne (merne) elektrode (M i N). Strujni tok se zatvara preko elektroda A i B, a meri se razlika potencijala (napon) između elektroda M i N.

20. Pod pretpostavkom da se radi o tačkastim elektrodama, potencijali VM i VN u tačkama M i N, respektivno, iznose: i , gde su rAM i rAN rastojanja elektroda M i N od elektrode A. Napon (U) između elektroda M i N predstavlja razliku potencijala u ovim tačkama i dat je izrazom: gde K predstavlja koeficijent, koji zavisi od geometrijskog rasporeda elektroda (za određeni raspored elektroda, koeficijent K ima konstantnu vrednost). Specifična električna otpornost sredine, data je izrazom .

21. Kada su otpočela geofizička merenja u bušotinama, korišćen je samo jedan raspored elektroda. Kasnije su konstruisane sonde, koje objedinjuju različite rasporede elektroda, čime je značajno povećan broj informacija o formaciji i poboljšan kvalitet rezultata merenja. Konvencionalni električni karotaž predstavlja uređaj za merenje SEO pomoću tri dispozitiva (rasporeda elektroda), sa različitim radijusima istraživanja. Dispozitivi su (1’=30.48cm, 1”=2.54cm): - kratka normalna sonda, dužina sonde je oko 0.4m (16”), - duga normalna sonda, dužina sonde je oko 1.6m (64”), - inverzna sonda, dužina sonde je oko 5.7m (18’8”).

22. Kratka normalna sonda (“kratka normala”) ima najmanji radijus istraživanja i najvišu rezoluciju, a rezultati merenja SEO koriste se za detekciju granica slojeva. Na rezultate merenja SEO veliki uticaj ima invazija filtrata isplake i ne mogu da se koriste za pouzdano određivanje specifične električne otpotnosti formacija (rt). Duga normalna sonda (“duga normala”) ima srednji radijus istraživanja. Rezultati merenja SEO ne mogu da se koriste za precizno određivanje granica slojeva, ali se koriste za određivanje specifične električne otpotnosti formacija (rt), u slučaju kada su slojevi dovoljno “debeli”, a invazija filtrata isplake nije duboka.

23. Inverzna sonda (“laterala”) ima naveći radijus istraživanja i najnižu rezoluciju, a rezultati merenja SEO koriste se za pouzdano određivanje specifične električne otpotnosti formacija (rt), naročito kada se javljaju tanki slojevi, a invazija filtrata isplake je duboka. Dubina invazije filtrata isplake može da se proceni na osnovu razlike u rezultatima merenja SEO na sve tri sonde. Kada je vrednost SEO, dobijena merenjima pomoću sve tri sonde, slična ili ista, invazija je plitka ili je gotovo i nema. Ukoliko postoji značajna razlika u rezultatima merenja SEO pomoću duge normalne sonde i inverzne sonde, invazija filtrata isplake je duboka.

24. Normalni raspored elektroda Prikazan je normalni raspored elektroda. Elektrode A i M nalaze se na sondi, koja je izrađena od izolacionog materijala. Elektrode B i N su udaljene od sonde, a njihovo međusobno rastojanje je znatno veće od rastojanja između elektroda A i M (AM). Rastojanja AM naziva se dužina (razmera) sonde. Referentna tačkamerenja je sredina rastojanja AM (tačka O). Normalni raspored elektroda

25. Najčešće se kombinuju dve normalne sonde, kratka (16” ili oko 0.4m) i duga (64” ili oko 1.6m). Radijus istraživanja normalne sonde zavisi od raspodele SEO oko elektroda A i M . U sredinama, u kojima električni karotažpokazuje visoku efikasnost (nevezani sedimenti, na primer), radijus istraživanja je jednak dvostrukoj dužini sonde (oko 0.8m za “kratku normalu” i oko 3.2m za “dugu normalu”). Normalni raspored elektroda

26. Inverzni raspored elektroda Merenja normalnim rasporedom elektroda daju dobre rezultate u nevezanim formacijama, ali ne i u slučaju kada se javljaju slojevi male debljine, a visoke SEO (SEO sloja je znatno veća od SEO susednih slojeva). Ovo ograničenje dovelo je do konstrukcije sonde sa inverznim rasporedom elektroda. Inverzni raspored elektroda

27. Prikazan je inverzni raspored elektroda. Potencilajne elektrode M i N nalaze se na sondi, strujna elektroda A se nalazi se na kablu iznad potencijalnih elektroda, a strujna elektroda B je udaljena. Referentna tačka merenja je sredina rastojanja MN (tačka O). RastojanjeAO predstavlja dužinu (razmeru) sonde. Inverzni raspored elektroda

28. Dužina sonde (AO) je nekoliko puta veće od rastojanja MN (AO  5.7m, MN  0.8m). Pri merenju inverznom sondom, radijus istraživanja i oblik istraživane zone zavise od raspodele SEO oko sonde. U nevezanim formacijama, istraživana zona može da se aproksimira cilindrom visine MN (oko 0.8m), a radijus istraživanja je oko 8m. Inverzni raspored elektroda U praksi se inverzna kriva i dve normalne krive registruju istovremeno. Za merenje je potrebno ukupno 6 elektroda. Pojednostavljenje je omogućeno preraspodelom emitovane struje u vremenu.

29. Interpretacija krivih specifične električne otpornosti (SEO) Prikazane su krive SEO, izmerene konvencionalnim karotažom. Krive SEO izmerene normalnim rasporedom elektroda Krive SEO izmerene inverznim rasporedom elektroda

30. Interpretacija rezultata merenja konvencionalnim električnim karotažom zahteva dobro poznavanje oblika krivih specifične električne otpornosti (SEO). U cilju pojednostavljenja interpretacije, kao sloj visoke SEO definiše se sloj, čija je SEO viša od SEO susednih slojeva, a kao sloj niske SEO definiše se sloj, čija je SEO niža od SEO susednih slojeva. Oblik i amplituda krive zavisi od: - SEO ispitivanog sloja (rt), - SEO susednih slojeva (rs), - SEO isplake (rm), - debljine sloja (h) i - prečnika bušotine (dh).

31. Izmerena vrednost SEO predstavlja prosečnu vrednost za formaciju određene debljine. Vrednosti SEO na granicima slojeva se postepeno menjaju. Vrednost gradijenta (nagiba) krive na granicama sloja zavisi od dužine sonde. Sa povećanjem dužine sonde, smanjuje se gradijent (nagib krive je blaži). Debljina slojeva se procenjuje na osnovu položaja prevojnih tačaka na nagibima krivih SEO. Za slojeve visoke SEO, procenjena debljina je manja od stvarne debljine sloja, dok je za slojeve niske SEO, procenjena debljina veća od stvarne debljine sloja.

32. Krive SEO izmerene normalnim rasporedom elektroda Za bilo koji sloj, kriva SEO je simetrična u odnosu na sredinu sloja, a ekstremne vrednosti se javljaju naspram sredine sloja. Ukoliko je dužina sonde manja od debljine sloja, oblik krive je zadovoljavajući (merena vrednost SEO sloja niske otpornosti je manja od SEO okolnih slojeva, a merena vrednost SEO sloja visoke otpornosti je veća od SEO okolnih slojeva).

33. Kada je dužina sonde veća od debljine sloja, odziv normalne sonde je zadovoljavajući samo ako je sloj niske otpornosti. Kod tankih slojeva visoke otpornosti, kriva snimljena normalnom sondom pokazuje smanjenu vrednost SEO u sredini sloja, a na granicama slojeva se javljaju pikovi. Odstupanje izmerene vrednosti SEO od stvarne vrednosti SEO sloja smanjuje sa sa povećanjem debljine sloja.

34. Krive SEO izmerene inverznim rasporedom elektroda Odziv inverzne sonde (oblik krive SEO) je zadovoljavajući, bez obzira na debljinu i SEO sloja. Kriva SEO nije simetrična u odnosu na sredinu sloja.

35. Kriva pokazuje abnormalno nisku vrednost SEO neposredno ispod provodnog sloja. Dužina intervala približno je jednaka dužini sonde AO.

36. Kada je sloj visoke SEO veće debljine od dužine sonde, kriva pokazuje abnormalno nisku vrednost SEO u gornjem delu sloja. Dužina intervala približno je jednaka dužini sonde AO.  

37. Kada je sloj visoke SEO manje debljine od dužine sonde, kriva pokazuje abnormalno nisku vrednost SEO odmah ispod sloja, ali je ovaj interval kraći od dužine sonde i naziva se “pik u senci”.

38. Ako je došlo do prodiranja filtrata isplake u sloj, izgled i amplituda krivih SEO (za sva tri dispozitiva) zavisi od SEO invazione zone i radijusa invazione zone. Kada je SEO susednih slojeva mnogo veći od SEO isplake, granica između slojeva ne može precizno da se odredi pomoću konvencionalnog električnog karotaža, a izmerena vrednost SEO je veća od stvarne vrednosti SEO slojeva (ne može da se odredi sa zadovoljavajućom tačnošću).

39. Vrednost SEO, izmerena konvencionalnim električnim karotažnim uređajima, generalno se razlikuje od stvarne SEO formacija. To ne predstavlja problem pri određivanju debljine slojeva i korelaciji slojeva između bušotina, ali predstavlja problem pri proceni zasićenja slojnom vodom i ugljovodonicima. Za procenu stvarne vrednosti SEO se koriste rezultati merenja induktivnim i lateralnim karotažom. Ako postoje samo rezultati merenja konvencionalnim električnim karotažnim uređajima, usvaja se da se najpribližnija vrednost SEO očitava naspram sredine sloja za krive normalnog zahvata, a blizu donje granice sloja, za krive merene inverznim rasporedom elektroda.

40. Hvala na pažnji!

41. Da li ima pitanja?