Геофизические методы исследования скважин служат для получения геологической документации разрезов скважин, выявления и промышленной оценки полезных ископаемых, осуществления контроля за разработкой месторождений, изучения технического состояния скважин и т. д. С этой целью по данным ГИС изучают в скважинных условиях физические свойства горных пород.
Методы ГИС подразделяются на электрические, радиоактивные, акустические, магнитные, термические и т. п. Геофизические методы позволяют представить разрезы скважин комплексом физических характеристик, таких как удельное электрическое сопротивление, радиоактивность, теплопроводность изучаемых сред, скорость распространения упругих волн в них и т. п. Основным документом для геологической службы является литолого-стратиграфическая колонка, полученная по результатам интерпретации материалов ГИС и содержащая сведения о положении границ пластов и их толщинах, литологической характеристике каждого пласта, о наличии коллекторов, о характере флюида, заполняющего поровое пространство продуктивных пластов и др. Окончательный результат геофизических исследований представляется не теми физическими свойствами, которые изучаются методами ГИС, а такими параметрами, как пористость, плотность, проницаемость, глинистость пород, коэффициент насыщения порового пространства. Оценка этих свойств и составляет один из важнейших этапов процесса интерпретации геофизических данных.
Методы ГИС используются также при контроле технического состояния скважин и при исследовании действующих скважин в процессе разработки месторождений.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ и ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН
Электрические и магнитные методы исследования разрезов скважин включают модификации, основанные на изучении электромагнитных полей различной природы в горных породах. Электромагнитные поля делятся на естественные и искусственные. Естественные поля в земной коре обусловлены электрохимическими процессами, магнитотеллурическими токами и другими природными явлениями. Искусственные электромагнитные поля создаются в горных породах генераторами постоянного или переменного тока различной мощности и представляют собой непосредственный результат деятельности человека, направленный на изучение строения земной коры, поиски, разведку и разработку месторождений.
Классификация электрометодов исследования скважин основана на характере происхождения изучаемого электромагнитного поля и его изменении во времени – на частоте. По происхождению методы электрометрии делятся на две большие группы – естественного и искусственного электромагнитного поля, а по частоте – на методы постоянного, квазипостоянного и переменного поля. Среди методов переменного поля различают низко- и высокочастотные.
Для изучения стационарных естественных электрических полей применяются методы потенциалов собственной поляризации горных пород (ПС). Искусственные стационарные и квазистационарные электрические поля исследуются методами кажущегося сопротивления (КС), микрозондирования (МЗ), сопротивления заземления (БК и МБК), методами регистрации тока (ТМ) и потенциалов вызванной поляризации (ВП). Искусственные переменные электромагнитные поля изучаются индукционными (ИК), диэлектрическими (ДМ) и радиоволновыми методами.
Метод потенциалов собственной поляризации горных пород
QL40-ELOG, 40LGR-1000, 40GRP-1000, КП-52Э, КП-71ЭГРТ, КП-82БКР, КП-91ЭГ
В скважине, заполненной глинистым раствором или водой, и вокруг нее самопроизвольно возникают электрические поля, названные самопроизвольной или собственной поляризацией (естественные потенциалы). Происхождение таких потенциалов в скважине обусловлено главным образом диффузионно-адсорбционными, фильтрационными и окислительно-восстановительными процессами, возникающими на границах пластов, различающихся по своим литологическим свойствам (в основном глинистости пород), и на контакте промывочной жидкости в скважине и пластов, поры которых заполнены водой той или иной степени минерализации.
Метод кажущегося сопротивления
QL40-ELOG, 40LGR-1000, 40GRP-1000, QL40-DLL3, КП-52Э, КП-71ЭГРТ, КП-82БКР, КП-91ЭГ
Как отмечалось выше, при исследованиях методом КС может регистрироваться либо сила тока (токовый каротаж), либо разность потенциалов. В результате токового каротажа получают токовые диаграммы, характеризующие изменение силы тока по стволу скважины. Основным видом скважинных электрических наблюдений является измерение КС по стволу скважины с помощью стандартного зонда с постоянным в данных геологических условиях размером. Стандартный, или оптимальный для изучаемого района зонд обеспечивает наилучшее выделение по кривым КС слоев с разным удельным электрическим сопротивлением. Его вид и размеры зависят от поставленных задач и выбираются опытным путем. Чтобы получить кривую изменения КС по скважине измеряется непрерывная кривая разностей потенциалов на приемных электродах, при этом сила тока на питающих электродах обычно поддерживается постоянной. При постоянной длине зонда кривая разностей потенциалов на приемных электродах является фактически графиком изменения КС. Для перевода кривой ΔU в кривую ρк изменяется лишь масштаб записи с учетом величины коэффициента установки и силы тока. По диаграммам КС (по вертикали откладываются точки записи, по горизонтали - ρк ) можно получить лишь общее представление о сопротивлениях пород и об их изменении по стволу скважины. Для расшифровки диаграмм и интерпретации результатов электроразведки большое значение имеет определение истинного значения сопротивления пород. Его получают с помощью метода бокового каротажного зондирования (БКЗ) или бокового каротажа (БК).
Метод потенциалов вызванной поляризации
Метод вызванных потенциалов (ВП) предназначен для оценки свойств горных пород и основан на способности пород поляризоваться при прохождении через них электрического тока. Чаще всего метод ВП находит применение для выделения угольных и рудных пластов.
Каротаж магнитной восприимчивости
Основан на измерении величины магнитной восприммчивости и может осуществляться двумя разными способами: по изменению индуктивности соленоида и величине реактивной составляющей напряженности вторичного магнитного поля. Этот каротаж применяется для литологического расчленения разрезов скважин, их корреляции, выделения зон оруденения, определения содержания железа в магнетитовых рудах, получения данных при интерпретации аномалий магнитного поля, отмеченных при магниторазведке.
Индукционный каротаж
Индукционный каротаж (ИК) является электромагнитным методом, основанным на измерении кажущейся удельной электрической проводимости горных пород. ИК выгодно отличается от каротажа обычными зондами и от БК тем, что применим не только в скважинах, заполненных промывочной жидкостью (проводящей ток), но и в скважинах с непроводящей промывочной жидкостью, воздухом или газом.
Измерения при индукционном каротаже производятся с помощью спускаемого в скважину глубинного прибора, состоящего в наиболее простом виде из двух катушек: возбуждающей, питаемой переменным током, и приемной (измерительной), снабженной усилителем и выпрямителем.
Совместное исполнение каротажа магнитной восприимчивости и индукционного QL40-HMI
РАДИОАКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН
Под радиоактивностью понимают самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов химических элементов в другие, более устойчивые, которое сопровождается выделением энергии с испусканием α-, β- и γ-лучей. Различают естественную и искусственно вызванную радиоактивность горных пород, результаты измерений которых широко используются для изучения геологических разрезов скважин. Самопроизвольное превращение одного изотопа в другой называется радиоактивным распадом.
Естественная радиоактивность. В естественных радиоактивных превращениях основными видам распада являются: α- и β-распады, захват ядром электрона одной из оболочек атома, самопроизвольное деление некоторых тяжелых ядер и др. При распадах радиоактивных ядер и их переходах из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или основное возникает γ-излучение.
Все виды радиоактивных излучений, попадая в материальную среду, испытывают в той или иной мере поглощение. Наибольшему поглощению подвержены α-лучи. Поток α-лучей почти полностью поглощается даже листом бумаги или слоем пород толщиной в несколько микронов. Поток β-лучей обладает большей проникающей способностью и полностью поглощается слоем алюминия толщиной 8 мм или слоем породы в несколько миллиметров. γ-излучение представляет собой высокочастотное коротковолновое электромагнитное излучение, граничащее с жестким рентгеновским. Оно возникает в результате ядерных процессов и рассматривается как поток дискретных частиц γ-квантов; γ-лучи не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном поле. Благодаря своей высокой проникающей способности γ-излучение имеет практическое значение при исследовании разрезов скважин.
Для количественной оценки радиоактивности пользуются соответствующими единицами измерений. Чаще всего на практике за такую единицу принимают весовую или объемную единицу эквивалентной концентрации радия по γ-излучению – г-эквивалент радия на 1 г породы (г-экв Ra/г). Такая единица соответствует концентрации радиоактивных элементов в горной породе, при которой возникает γ-излучение такой же интенсивности, как при распаде 1 г радия.
Радиоактивность пород в основном связана с содержанием в них таких радиоактивных элементов, как уран, торий, актиноуран, продуктов распада и изотопа калия. Кроме этих элементов, источниками радиоактивных излучений, составляющих меньшую долю, чем вышеназванные, являются изотопы рубидия, циркония, индия, лантана, самария, лютеция, рения, висмута и др.
В литосфере известно более 200 минералов, в состав которых входит уран, торий, радий и калий. Радиоактивность горных пород зависит от радиоактивностей их твердой, жидкой и газообразной фаз. В большинстве случаев пластовые воды характеризуются незначительной радиоактивностью. Радиоактивность твердой фазы обусловлена наличием в ее составе собственно радиоактивных минералов и минералов, содержащих адсорбированные радиоактивные элементы. Обычно глинистая составляющая твердой фазы, особенно в кварцевых песчаниках и карбонатных породах, обладает значительно большей удельной радиоактивностью, чем ее собственно твердая фаза (скелетная часть). Поэтому для конкретных типов пород характерно наличие однозначной связи между их радиоактивностью и глинистостью, что широко используется при интерпретации результатов гамма-каротажа.
Геофизические методы изучения геологического разреза скважин, основанные на измерении характеристик полей ионизирующих излучений (естественных и искусственно вызванных), происходящих в ядрах атомов элементов, называют радиоактивным каротажем (РК). Наиболее широкое распространение получили следующие виды радиоактивного каротажа: гамма-каротаж, предназначенный для изучения естественного γ-излучения горных пород; гамма-гамма-каротаж и нейтронный каротаж, основанный на эффекте взаимодействия с горной породой источников γ-излучения и нейтронов.
Гамма-каротаж
QL40-GR, 19GR, 32 GR, 40LGR-1000, 40GRP-1000, КП-71ЭГРТ, КП-82БКР, КП-91ЭГ, КП-140ГТР
Измерение интенсивности естественного γ-излучения пород вдоль ствола скважины называется гамма-каротажем (ГК). Интенсивность радиоактивного излучения пород в скважине измеряют при помощи индикатора γ-излучения, расположенного в глубинном приборе. В качестве индикатора используют счетчики Гейгера–Мюллера или более эффективные, лучше расчленяющие разрез сцинтилляционные счетчики. Полученная в результате замера кривая, характеризующая интенсивность γ-излучения пластов вдоль ствола скважины, называется гамма-каротажной кривой ГК.
Спектрометрический гамма-каротаж
Спектрометрический гамма – каротаж основан на регистрации гамма-излучения естественно-радиоактивных элементов в скважине, анализе его энергетического спектра и определении массового содержания радиоактивных элементов в пересеченных этой скважиной горных породах. Основными естественно-радиоактивными элементами, участвующими в формировании полей гамма-излучения в условиях измерения в скважинах, являются изотопы уранового 238U, ториевого 232Th, а также изотоп калия 40К.
АКУСТИЧЕСКИЙ КАРОТАЖ
Акустический каротаж (АК) основан на изучении характеристик упругих волн ультразвукового и звукового диапазона в горных породах. При АК в скважине возбуждаются упругие колебания, которые распространяются в ней и в окружающих породах и воспринимаются приемниками, расположенными в той же скважине. В естественном залегании горные породы практически являются упругими телами. Если в элементарном объеме некоторой упругой среды в течение короткого времени действует внешняя возбуждающаяся сила, в среде возникают напряжения, вызывающие относительное перемещение частиц. Это ведет к возникновению двух типов деформации: деформации объема (растяжения, сжатия) и деформации формы (сдвига). Процесс последовательного распространения деформации называется упругой сейсмической волной, которая, распространяясь во все стороны, захватывает все более удаленные области. Поверхность, отделяющая в данный момент времени область среды, в которой уже возникло колебание частиц, от той, где колебания еще не наблюдаются, называется фронтом волны. Линии, нормальные к волновым поверхностям, носят название лучей. В однородной среде лучи прямолинейны, а в неоднородной они имеют криволинейную форму. Распространение фронта волны изучается при помощи известного в геометрической сейсмике принципа Гюйгенса–Френеля, согласно которому каждая точка фронта рассматривается как источник элементарных волн, а понятие луча связывают с направлением переноса энергии волны. Различают два типа волн – продольные Р и поперечные S.
Продольная волна несет с собой только деформации объема. Распространение продольной волны представляет собой перемещение зон растяжения и сжатия; частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения в направлении, совпадающем с направлением распространения волны. Поперечная волна связана с деформацией формы; распространение ее сводится к скольжению слоев среды относительно друг друга; частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Поперечные волны могут существовать только в твердых телах.
Если упругая волна достигает границы раздела двух сред с различными упругими свойствами, часть энергии волны отражается – образуется отраженная волна, а часть проходит через границу – проходящая волна. Отраженная волна возникает в том случае, если волновое сопротивление (произведение плотности на скорость) у одной среды больше, чем у другой. Волна, проходящая через границу раздела, изменяет свое направление – луч преломляется.
Акустический каротаж в основном варианте сводится к определению скорости распространения упругих колебаний в пересеченных скважиной породах (АК по скорости); могут также определяться поглощающие свойства горных пород (АК по затуханию). Скорость распространения упругих волн в горных породах зависит от их минералогического состава, пористости и формы порового пространства и, следовательно, тесно связана с их литологическими и петрографическими свойствами. Поглощающие свойства горных пород различаются еще больше, чем скорости распространения в них упругих волн, и зависят от геологического характера пород. Среди горных пород выделяются по большому ослаблению ими упругих колебаний газоносные, трещинные и кавернозные породы. Сильное влияние на затухание оказывает глинистость пород.
Акустический каротаж по скорости основан на изучении скорости распространения упругих волн в горных породах, вскрываемых скважинами путем измерения интервального времени ∆t = (t2 – t1)/S (мкс/м).
Акустический каротаж по затуханию основан на изучении характеристик затухания упругих волн в породах, вскрываемых скважиной. Энергия упругой волны и амплитуда колебаний, наблюдаемых в той или иной точке, зависят от многих факторов – мощности излучателя, расстояния от него до данной точки и характера горных пород. В однородной среде при распространении волны со сферическим фронтом количество энергии, приходящейся на единицу объема, уменьшается пропорционально квадрату расстояния от рассматриваемой точки до излучателя; амплитуда колебаний уменьшается обратно пропорционально этому расстоянию.
При акустическом каротаже измеряется скорость распространения упругих волн в породе в интервале базы зонда. Породы, залегающие за пределами базы, не влияют на измеряемые величины. Рассмотрим форму кривых АК для одиночных пластов различной мощности, размещенных в однородной вмещающей среде. Кривые получены для трехэлементного зонда, точка записи отнесена к середине его базы S.
Скважинный акустический телевизор
Производит запись развернутого 3D-изображения стенки скважины по всей окружности. Прибор излучает в направлении горной породы ультразвуковой луч, и регистрирует амплитуду и время пробега отраженного сигнала. Величина амплитуды дает представление о свойствах горных пород и флюида. Время пробега дает точную информацию о диаметре скважины, что делает этот прибор идеальным для описания деформации скважины, анализа полей механических напряжений и проверки обсадных труб. Встроенный высокоточный модуль ориентации, состоящий из 3-координатного феррозондового магнитометра и трех акселерометров, делает возможным ориентирование изображений по глобальной системе координат, а также определение азимута и наклона ствола скважины. При изучении технического состояния обсадных колонн АВК необходим: для выявления различных типов дефектов обсадной колонны, определения местоположения перфорационных отверстий и коррозионных зон, определения степени раскрытости муфтовых соединений и т.д. Изображение стенки скважины открытого ствола дает возможность выявить зоны трещиноватости и кавернозности, оценить их размеры, выделить интервалы желобообразования, а также других структурных неоднородностей внутренней поверхности.
РАСХОДОМЕТРИЯ
Расходометрия скважин является одним из основных методов исследования динамики отбора и поглощения жидкости в эксплуатационных и нагнетательных скважинах. Расходометрия заключается в измерении скорости перемещения жидкости по скважине приборами, которые называются расходомерами. С помощью расходометрии решаются следующие задачи: в действующих скважинах выделяют интервал притока или поглощения жидкости, в остановленных выделяют наличие перетока жидкости по стволу скважины между перфорированными пластами, изучают суммарный дебит, или расход жидкости отдельных пластов, разделенных неперфорированными интервалами; строят профили притока или приемистости по отдельным участкам пласта или для пласта в целом.
Расходомеры бывают механические и термоиндуктивные, которые по условиям измерения делятся на пакерные и беспакерные, а по способу регистрации – на автономные (регистрация сигналов осуществляется внутри приборов) и дистанционные (сигналы передаются по линии связи на поверхность, где регистрируются).Расходомер механического типа при работе в скважине обычно опускают до кровли верхнего перфорированного интервала. Полученная кривая показывает количество жидкости, проходящей через сечение скважины на различных глубинах, и называется интегральной расходограммой. Она характеризует суммарный дебит всех пластов, расположенных ниже данной глубины. В интервалах притока на кривой наблюдается возрастание показаний, а в интервалах поглощения – их уменьшение. Интегральная расходограмма используется для построения дифференциальной зависимости, характеризующей интенсивность притока (поглощения) на единицу мощности пласта.Термоэлектрические расходомеры, работа основана на зависимости степени охлаждения нагреваемого сопротивления, помещенного в поток, от средней линейной скорости потока.
КАВЕРНОМЕТРИЯ
Фактический диаметр скважины dс в ряде случаев отклоняется от его номинального dн, равного диаметру долота, которым бурилась скважина. Увеличение dс (образование каверн в стволе скважины) наблюдается против глин и сильноглинистых разностей (мергелей и др.) из-за гидратации тонкодисперсных глинистых частиц и в результате их размыва гидромониторным воздействием струи, вытекающей из долотных отверстий. При использовании соленого бурового раствора гидратация глинистых частиц уменьшается, что приводит к замедлению образования каверн. Против соляных и гипсовых пластов из-за растворения этих пород водой промывочной жидкости наблюдается увеличение диаметра скважины.
Иногда увеличение dс наблюдается и против трещиноватых пород, которые могут быть ослаблены по механической прочности в процессе бурения. Номинальный диаметр отвечает крепким породам – известнякам, доломитам, плотным песчаникам. Оседание глинистых частиц против проницаемых пластов в результате фильтрации бурового раствора в пласт приводит к образованию глинистой корки на стенке скважины и, следовательно, к уменьшению диаметра dс. Толщина глинистой корки изменяется от нескольких миллиметров до 5 см и более. Знать фактический диаметр скважины необходимо для расчета затрубного пространства при цементировании обсадных колонн, выбора места установки башмака колонны, фильтров, пакеров и испытателей пластов, а также для контроля технического состояния скважины в процессе бурения.
Результаты кавернометрии используют при обработке данных ГИС, для выделения пластов горных пород и определения их литологического состава. Диаметр скважины измеряется с помощью каверномеров, которые различаются по своим конструктивным особенностям. Движение измерительных рычагов под влиянием изменения диаметра скважины преобразуется с помощью датчиков в электрические сигналы, передаваемые на каротажную станцию и регистрируемые в виде кавернограммы. Каверномер представляет сведения о среднем диаметре скважины. Для более детального изучения формы сечения диаметра скважины применяют каверномеры-профилемеры, которые позволяют измерять диаметры скважины в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с выдачей значений их полусумм.
ИНКЛИНОМЕТРИЯ
Скважины в зависимости от геологических, геоморфологических и других условий проектируют или вертикальными или наклонно направленными. В процессе бурения ствол скважины обычно отклоняется от заданного направления из-за влияния ряда геологических и технических факторов, т.е. искривляется. На определенном интервале глубин положение ствола скважины характеризуется углом отклонения скважины от вертикали δ и азимутом φ. Плоскость, проходящую через вертикаль и ось скважины на данном ее участке, называют плоскостью искривления. Сведения об искривлении скважины необходимы для установления положения ее забоя в пространстве, при построении профильных геологических разрезов, структурных и других геологических карт. Замеры искривления скважин осуществляются инклинометрами.
ОТБОР ПРОБ
Предназначен для отбора из ствола скважины глубинных проб жидкости в герметичные транспортируемые контейнеры для последующего их анализа в лабораторных условиях, а также для отбора проб воды из гидрогеологических скважин. За один спуск отбирается одна глубинная проба.
Методы отбора: в герметичный контейнер в статическом положении пробоотборника в скважине способом поршневания, предотвращающим дегазацию пробы (всасывающий тип пробоотборника); в герметичный контейнер, внутренняя полость которого при спуске пробоотборника сообщается с содержанием ствола скважины, а при остановке прибора на заданной глубине производится закрытие верхнего и нижнего впускных клапанов контейнера (проточный тип пробоотборника).
Доставка пробоотборника на заданную глубину и управление им: на каротажном кабеле и управлением при помощи подачи напряжения на пробоотборник с поверхности с помощью стандартного каротажного источника питания (управляемый тип пробоотборника), на скребковой проволоке, колтюбинге или на НКТ, с автономным питанием и программируемым временем отбора пробы (автономный тип пробоотборника).
ВИДЕОКАРОТАЖ
QL40-OBI-2G, цифровая скважинная камера MSI-360, КП-511ВК, КП-512ВК
Видеокаротаж – это неотъемлемая часть геофизических исследований, которая осуществляется вместе с произведением буровых и ремонтных работ в разведочно-эксплуатационных скважинах. Применение видеокаротажа наиболее актуально для решения задач связанных с контролем и диагностикой технического состояния скважины, в том числе и во время проведения аварийных и ловильных работ. Благодаря съемке осевой и радиальной камерами удается определить и детально изучить механические нарушения конструкции скважины, такие как порывы, свищи, смещения и замятия эксплуатационной и обсадной колонн, посторонние предметы в скважине, обрушения и завалы в открытом стволе. Видеозапись позволяет определить глубину расположения, форму и размеры изучаемого объекта.Также благодаря видеосъемке удается определить движение воды в скважине, а также направление, характер и скорость этого движения. Полученные результаты позволяют установить герметичность башмака обсадной колонны, определить зоны активного водопритока и поглощения, а также места перетока между вскрытыми водоносными горизонтами.
Инструмент создает чрезвычайно четкое цифровое изображение стенки скважины с непрерывной разверткой на 360°, будь то в воздухе или в чистой воде. Может быть достигнуто разрешение до 1800 пикселей по окружности скважины, что делает камеру идеальной для литологического, минералогического и структурного анализа. Встроенный модуль высокоточного ориентирования, состоящий из 3-компонентного феррозондового магнитометра и трех акселерометров, делает возможным ориентирование изображений по глобальной системе координат, а также определение азимута и наклона ствола скважины.
Решаемые задачи: подробная и ориентированная структурная информация разреза вскрытого скважиной, обнаружение и оценка трещин, обнаружение тонких слоев, определение падения напластования, литология и минералогическая характеристика, обследование обсадной колонны.
РЕЗИСТИВИМЕТРИЯ
QL40-FTC, КП-71ЭГРТ, КП-140ГТР
Под резистивиметрией понимают измерение удельного электрического сопротивления жидкости ρс, заполняющей скважину, с помощью скважинного резистивиметра. Значения сопротивления промывочной жидкости необходимы при вычислении истинных удельных сопротивлений пород на основании кажущихся. Сопротивление жидкости замеряют и при определении места притока воды в скважину. Т. к. удельное сопротивление ρс сильно зависит от температуры, измерение удельного сопротивления сопровождается измерением ее температуры. Скважинный резистивиметр представляет собой обычный каротажный зонд малых размеров (расстояние между электродами 2–3 см). Электродная установка резистивиметра в наиболее простом случае помещается в трубу из изолирующего материала с открытыми торцами, по внутренней поверхности которой расположены три кольцевых электрода А, М и N, образующих однополюсный градиент-зонд. При перемещении резистивиметра по скважине жидкость свободно циркулирует через трубу, которая служит изолирующим экраном, исключающим влияние среды за пределами определенного объема жидкости (стенки скважины, обсадной колонны). Измерения резистивиметром выполняют по схеме, аналогичной замеру при обычном электрическом каротаже методом сопротивления.
