Особенность геологоразведочных скважин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Материал, изложенный в курсе лекций, состоит из четырех модулей и включает разделы разведочной геофизики, относящиеся к геофизическим исследованиям геологоразведочных скважин (ГИРС). В лекциях рассмотрены физические поля, создаваемые в разрезах геологоразведочных и эксплуатационных скважин. Деформация этих полей, определяемая физическими свойствами пересекаемых пород в земной коре, обусловливает геофизические аномалии над геологическими объектами. Последние, таким образом, могут быть выделены и детально изучены методами ГИРС. Это служит инструментом проведения научно-исследовательских и производственных геологических работ.

Курс лекций по дисциплине «ГИРС»:

· читается студентам-специалитетам 3 курса в вариативной (профильной) части циклов по специальности «130304 Геология нефти и газа,

· имеет федеральный элективный статус в основной образовательной программе (ООП),

· требует остаточных знаний дисциплин базовой части (физики, общей геологии, полевой геофизики, математики, химии, информатики, иностранного языка) и вариативной части (экономики, правовых основ и менежмента в сфере недропользования),

· дает слушателям профессиональную компетенцию о: 1) естественных и искусственно созданных в разрезах геологоразведочных скважин и околоскважинном пространстве геофизических полях (электромагнитном, сейсмоволновом, тепловом, радиационном), 2) способах и методах наблюдений геофизических полей в скважинах и околоскважинном прстранстве, 3) современных прогрессивных технологиях решения научных и прикладных задач, связанных с поисками, разведкой и эксплуатацией месторождений полезных ископаемых, охраной окружающей среды.

Содержание

Введение

Лекция 1. Основные понятия дисциплины ГИС, методы каротажа сопротивлений

1.1 Основные понятия и определения дисциплины ГИС. Содержательная часть модулей

Лекция 2. Физико-геологические предпосылки каротажа на основе естественных и искусственных геофизических полей

Лекция 3. Методы каротажа сопротивлений, регистрация диаграмм КС, их качественная и количественная интерпретация

Лекция 4. Технология БКЗ

Лекция 5. Микромодификации метода КС

Лекция 6. Токовый, дивергентный и боковой каротаж. Качественная и количественная интерпретация каротажных диаграмм этих методов

Лекция 7. Методы ГИС на основе переменных электромагнитных полей и полей естественной и вызванной поляризации

Лекция 8. Технология высокочастотного индукционного каротажа изопараметрических зондирований (ВИКИЗ), качественная и количественная интерпретация каротажных диаграмм

Лекция 9. Каротаж естественной (метод ПС) и вызванной (метод ВП) поляризации, качественная и количественная интерпретация каротажных диаграмм этих методов

Лекция 10. Каротаж на основе полей естественной и наведенной (искусственной) радиоактивностей

10.1 Краткая характеристика естественной и наведенной радиоактивности

Лекция 11. Краткая характеристика нейтронных свойств горных пород

Лекция 12. Каротаж на основе сейсмоакустических полей

Лекция 13. Исследования скважин в процессе бурения

13.1 Каротаж приборами, транспортируемые буровым инструментом (ТБИ)

Лекция 14. Прострелочно-взрывные работы и опробование скважин в открытом стволе

14.1 Контроль технического состояния скважин

Лекция 15. Радиоактивные методы контроля технического состояния скважин

Введение

Курс «Геофизические методы исследований и работы в скважинах», как самостоятельная дисциплина, преподаётся для специалистов геофизического профиля, а также для геологических специальностей «Бурение геологоразведочных и эксплуатационных скважин» и «Геология нефти и газа». ГИРС - один из разделов прикладной геофизики, получивший самостоятельный статус в конце 30-х годов 20-го века. Наиболее широкое применение методы ГИРС получили при изучении нефтяных и газовых скважин в процессе их бурения, опробования и эксплуатации. Исследования ГИРС осуществляются в следующих основных направлениях: 1) изучение геологических разрезов скважин; 2) изучение технического состояния скважин; 3) контроль за разработкой месторождений нефти и газа; 4) проведение прострелочных, взрывных и других работ в скважинах. По курсу ГИРС составлено несколько десятков учебников, учебных пособий и методических руководств. Периодичность переиздания составляет от 5-ти до 10 лет. Это связано с быстрой сменой геофизической аппаратуры, появлением новых прогрессивных технологий геофизических исследований, созданием компьютерных программ обработки геофизической информации, новых теоретических разработок.

При составлении настоящего курса лекций автор руководствовался программой учебно-методического комплекса, рекомендуемой УМО для классических университетов для учебной дисциплины «Геофизика» по специальности «130304 Геология нефти и газа». В основу положены собственные конспекты-рукописи, составленные на материале многочисленной учебной и специальной литературы по геофизическим методам разведки и авторские научные и учебно-методические наработки.

Отличительная особенность данного курса лекций - в типовом структурировании всех разделов, включая понятия того или иного геофизического метода, формулировку решения геологических задач, описание области применения и экономической результативности ГИРС.

Лекция 1. Основные понятия дисциплины ГИС, методы каротажа сопротивлений

· Комплексная цель.

Получение слушателями системы знаний о геофизических методах изучения разрезов геологоразведочных скважин для возможной дальнейшей работы в специализированных экспедициях, научных лабораториях, вычислительных центрах при проведении научно-исследовательских и производственных геологических работ, включая основные приемы качественной и количественной интерпретации результатов исследований и их геологическое истолкование.

1.1 Основные понятия и определения дисциплины ГИС. Содержательная часть модулей

Геофизические методы исследования скважин (ГИС) - один из разделов разведочной (прикладной) геофизики, совокупность физических методов, предназначенных для изучения горных пород в околоскваженном и межскваженном пространстве. К ГИС (ГИРС) также относят изучение технического состояния скважин и работы в скважинах (отбор проб из стенок скважин, перфорацию и торпедирование)

ГИС, согласно принятой терминологии, еще называют каротажем, а в нефтегазовых скважинах - промысловой геофизикой. Методы ГИС, служащие для изучения межскважнного пространства называются скважинной геофизикой.

Методы ГИС основаны на использовании тех же физических полей, что и методы полевой геофизики, т.е. это поля (гравитационное, магнитное, электроволновое (элетромагнитное), сейсмоволновое (сейсмо-акустическое), тепловые, радиационные и др. По отношению к полевым (наземным) методам, специфика ГИС в изучении геологических разрезов геологоразведочных скважин, где скважина выступает в качестве геофизического профиля, преимущественно вертикального по отношению к дневной поверхности, реже круто- и пологонаклонного и еще реже горизонтального. В таких условиях технология геофизических работ приобретает самостоятельное значение. Необходимо знание системы бурения скважин, их устройства и способов перемещения в них геофизических приборов (скважинных приборов). Следует учитывать, что скважина заполнена буровым раствором и с глубиной происходит рост давления и температуры. При спуске и подъеме приборов возникают механические столкновения их со стенкой скважин. Все это требует чтобы приборы были помещены в герметизированные механически прочные корпуса и не могли бы подвергаться обрыву. С этих приборов измеряемые параметры должны передаваться и регистрироваться на поверхности. Следовательно, должны быть специальные геофизические (каротажные) кабели и спускоподъемные механизмы. Для регистрации параметров на дневной поверхности должны существовать измерительные приборы. Схема выполнения ГИС приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема работ методами ГИС

1 - Скважинныйприбор, 2 - каротажный кабель, 3,4 -подвесной и наземный блок-балансы, 5 - каротажная лебедка, 6 - операторская подъемника, 7 - измерительный блок (модуль), 8 - операторская каротажной станции, 9 - соединительные провода.

Лекция 2. Физико-геологические предпосылки каротажа на основе естественных и искусственных геофизических полей

Для исследования скважин глубиной менее 1 км, каротажную лебедку и измерительную аппаратуру комплектуют на одном транспортном средстве. Мелкие (гидрогеологические, инженерно-геологические и геоэкологические) скважины исследуют с помощью переносной аппаратуры, включающую лебедку, блок-баланс, скважинные приборы и наземную регистрирующую аппаратуру.

В скважине геофизические датчики поля, помещенные в скважинные приборы как нигде (за исключением случаев наземных геофизических съемок на участках коренных невыветрелых пород) приближены к геологическим объектам, т.е. к пластам горных пород. И казалось бы регистрируемые параметры должны быть близкими к истинным. Однако это в большинстве случаев не так. Во-первых, влияет буровой раствор, заполняющий скважину. Во-вторых, под воздействием бурового инструмента частично изменяются физико-химические условия естественного залегания пород в прилегающем к стенке скважины пространстве. Изменяются также геостатическое давление и температура. В-третьих, в рыхлых, хрупких и трещиноватых породах под действием бурового инструмента и промывочной жидкости образуется каверны (увеличивается диаметр скважины). В-четвертых, под действием давления, превышающее пластовое, в пористые, проницаемые породы проникает промывочная жидкость притом, что в силу пор малого размера (от сотен до единиц микрометров) проникает не вся жидкость, а ее фильтрат Глинистые же частицы. оседают на стенке скважины, и образуется глинистая корка, которая препятствует разрушению породы и снижает дальнейшее поступление фильтрата жидкости в пласт. В зоне фильтрата физические свойства изменены, так как фильтрат вытесняет в значительной мере первоначальный флюид (воду, нефть, газ). Образуется так называемая промытая зона (рис. 2). В-пятых, размер измерительных датчиков не во всех случаях соответствует толщинам пластов и в этом случае наблюдается их взаимное воздействие на деформацию используемого при каротаже поля. Наконец на принятие параметров поля в скважине влияет наклон слоев и тем сильнее, чем больше углы падения. Таким образом, в скважине при каротажных исследованиях, как и в наземной геофизике регистрируют преимущественно кажущиеся параметры. Следовательно, процесс интерпретации, особенно количественный требует постановки и решения прямых и обратных задач.

Рис. 2. Разрез околоскважинного пространства в месте пересечения продуктивного пласта

1 - известняк плотный, 2 - глина, 3 - песчаник проницаемый, 4 - зона проникновения фильтрата промывочной жидкости, 5 - промытая зона, 6 - глинистая корка

dс - диаметр скважины, dк - диаметр каверны, dзп - диаметр зоны проникновения, dпп - диаметр промытой зоны, dгк - толщина глинистой корки

Следует в заключении вводного раздела подчеркнуть, что при производстве ГИС требуется применение телеизмерительных систем, причем более сложных и громоздких, чем в полевой (наземной) геофизике. Эти системы соответственно включают: 1) датчик поля (скважинный прибор); 2) канал передачи информации (каротажный кабель); 3) электронные блоки (кодоимпульсные или частотно-модулированные, способные к одновременной регистрации нескольких параметров.

В практике геологоразведочных работ наибольшее применение, и соответственно разработку, получили электромагнитные и радиоактивные методы ГИС, несколько в меньшей степени акустические и еще в меньшей степени собственно магнитные и гравиметрические. Особое место занимают методы контроля технического состояния скважин и сопровождающие работы в скважинах.

Лекция 3. Методы каротажа сопротивлений, регистрация диаграмм КС, их качественная и количественная интерпретация

Как и в электроразведке, предпосылками методов электрического каротажа является возможность существования в геологической среде, окружающей скважину, электромагнитного поля, состоящего из суммы электрического и магнитного и приводящего к существованию в земной коре электромагнитных волн. Поле описывается уравнениями Максвелла и условно разделяется в зависимости от частоты поля на три модели: стационарную (постоянное электрическое поле, где частота стремиться к нулю), полустационарную (электромагнитное поле средних частот, или индукционное поле) и волновую (электромагнитное поле высоких и сверхвысоких частот).

Параметры поля:

Е - напряженность электрического поля.

Н - напряженность магнитного поля.

D - электрическая индукция.

В - магнитная индукция.

J - плотность тока в среде.

Электромагнитное поле возникает и взаимодействует с геологической средой в зависимости от ее электрических свойств, к которым относятся:

с - удельное электрическое сопротивление;

у = 1/с - удельная электропроводность;

е - диэлектрическая проницаемость;

м - магнитная проницаемость;

Ед, Еф, Еа - ЭДС (электродвижущая сила) поляризации вследствие диффузионно-адсорбиционных, фильтрационных и окислительно-восстановитель-ных (электро-химических и электро-кинетических) процессов.

Исследование и изучение степени деформации (усиления или ослабления) электромагнитного поля в зависимости от дифференциации горных пород, включая целевые объекты (нефтегазовые, продуктивные горизонты, угольные пласты, рудные тела и пр.) и является основной целью электромагнитных методов ГИС.

Электрических методов ГИС очень много. Это преимущественно методы электрического профилирования по стволу скважины. Методы электрического зондирования (вторая модификация электроразведки) выполняются только в интервалах залегания целевых объектов, в частности в нефтегазовых пластах.

Классическим методом, появившимся на заре каротажных работ, является электрический каротаж методом КС (кажущихся сопротивлений). Исследования выполняются с использованием искусственно созданного поля, т.е. должен быть источник поля (генератор). Одновременно с методом КС производится регистрация потенциалов постоянного естественного электрического поля, т.е. потенциалов собственной поляризации (ПС). Последние в наземной электроразведке носят название потенциалов естественного электрического поля (ЕП). Схема электрического каротажа КС и ПС приведена на рис. 3.

Рис. 3 Схема электрического каротажа КС и ПС

1 - генератор, 2 - измеритель, 3, 4 - фильтры,

А,В - питающие электроды,

М, N - измерительные электроды

Согласно приведенной схеме, метод КС по своей сущности аналогичен электрическому профилированию 3-х электродными осевыми установками, когда один из питающих или измерительных электродов отнесен в бесконечность. В таких установках, как известно, электроды А и В являются питающими (через них вводится электрический ток), а электроды М и N носят название измерительных (между ними измеряется разность потенциалов). «Бесконечностью» на скважине служит «зумф» (резервуар бурового раствора возле скважины). Электроды, помещённые в скважину, составляют зонд КС. Зонды выполняются из отрезков каротажного кабеля в шланговой оплетке, в котором электроды монтируются из пластин свинца, наименее подверженного процессам поляризации в жидкой среде (буровой раствор). Схема типового зонда КС приведены на рис. 4.

Рис. 4 Схема типового зонда КС

Результаты скважинных исследований регистрируются в аналоговой или цифровой форме в процессе подъёма или спуска зонда в форме кривой кажущегося удельного электрического сопротивления (ск), которое, как и в электроразведке, определяется по формуле:

ск = ДU/I*k (1), где

ДU - разность потенциалов, I - сила тока, k - коэффициент установки, рассчитываемый по формуле:

k = 2р*AM*AN/MN (2)

Если зонд КС находится в однородной и изотропной среде, то ск соответствует истинному сист. Как и в электроразведке, для зондов КС справедлив принцип взаимности, согласно которому величина ск не изменяется, если питающие и измерительные электроды меняются местами. Зонд с одним питающим электродом носит название однополюсного, а с двумя - двухполюсного (рис. 5).

Рис. 5 Однополюсный (а) и двухполюсный (б) зонды КС

И те и другие зонды, в зависимости от расстояния между парными (или питающими, или измерительными) электродами разделяются на потенциал- и градиент-зонды, притом, что в зависимости от положения этих электродов (вверху или внизу) они еще и разделяются на прямые (подошвенные) и обращённые (кровельные) (рис. 6.). Точка О является точкой записи, а расстояние L - размером зонда.

Рис. 6 Типы зондов метода КС

Электроды: 1 - измерительный, 2 - питающий, 3 - точка записи

Физический смысл разделения зондов на потенциал- и градиент- в том, что для первых MN > ?, а для вторых MN > 0. Такие зонды называются идеальными, к которым должны приближаться применяемые на практике реальные зонды. Глубинность зондов КС зависит от их размеров. Для потенциал-зонда она примерно равна утроенной длине AM, а для градиент-зонда расстоянию АО, т.е. при равных длинах глубинность больше у потенциал-зондов. В то же время размеры зондов ограничиваются их разрешающей способностью, которая зависит от соотношения этих размеров с мощностью пересекаемых скважиной пластов. В силу этого пласты горных пород по отношению к размерам зондов разделяются на большой, средней и малой мощности, притом, что от указанного соотношения зависит степень приближения с-кажущегося к с-истиному (рис.7).

Рис. 7 Теоретические кривые кажущегося удельного электрического сопротивления, полученные потенциал- и градиент-зондами в пластах высокого сопротивления большой (а) и ограниченной (б) мощности

На каждом конкретном месторождении при записи кривых КС выбираются оптимальные условия их регистрации, то есть те, которые в наилучшей степени позволяют выделить границы пластов и охарактеризовать их литологическую принадлежность.

Интерпретация каротажных кривых КС, как и для других методов ГИС, состоит в: 1) обработке диаграмм; 2) геофизической интерпретации; 3) геологической интерпретации.

Обработка диаграмм сводится к приведению результатов к определенным глубинам и системе отсчетов, к учету и устранению аппаратурных и других помех, нахождению границ пластов и снятию показаний. Однозначно определяются толщины мощных пластов (длина зонда меньше мощности пластов). Для пластов малой мощности определение границ затруднено. С целью проведения последующей количественной интерпретации, снимают (определяют) «существенные значения» ск, либо средние (ск сред), либо максимальные (ск мах), либо оптимальные (ск опт) (рис.8).

Рис. 8 Определение существенных значений ск для градиент-зонда

1 -исследуемый пласт, 2- вмещающие породы

Геофизическая интерпретация проводится с целью определения сп на основе решения обратной задачи, то есть методом подбора наблюденной кривой с теоретической с привлечением априорных данных. Условия, обеспечивающие единственность решения, зависят от модели среды.

Лекция 4. Технология БКЗ

Теоретические кривые метода КС являются результатом решения прямой задачи и выражают зависимость ск от следующих параметров:

сп - УЭС пласта

сс - УЭС промывающей жидкости (бурового раствора)

Lз - длина зонда (для градиент-зондов расстояние АО или ВО,

а для потенциал-зондов - расстояние АМ)

dc - диаметр скважины

с зп - УЭС зоны проникновения

D - диаметр зоны проникновения

Если пласты не проницаемые, то последние два параметра не используются. Теоретические кривые для таких пластов являются двухслойными, а совокупное их группирование называется палеткой бокового каротажного зондирования (БКЗ). Палетки строятся в билогарифмическом масштабе. По оси абсцисс откладываются значения L/d, а по оси ординат ск /сс . Вид двухслойной палетки БКЗ приведен на рис. 9.

Рис. 9 Вид двухслойной палетки БКЗ

А - кривая правых асимптотических кривых, В - кривая max и min кривых

Для проницаемых пластов, в которые происходит проникновение промывной жидкости, составлены (рассчитаны) трехслойные палетки БКЗ. Они представляют собой, как и двухслойные, последовательный набор графиков зависимости

ск/сс от L/d с шифром сп/сс (рис. 10), притом, что кривые каждой трёхслойной палетки отличаются по параметрам D/dc и сзп/сс (D - диаметр зоны проникновения). Поэтому 2-х-слойная палетка одна, а 3-х-слойных палеток целый набор.

Рис. 10 Вид трёхслойной палетки БКЗ

А - кривая правых асимптотических кривых, В - кривая max и min кривых

Цель БКЗ в определении истинного сист, то есть сп. БКЗ заключается в измерении ск в заданном интервале скважины несколькими однотипными зондами (градиент- или потенциал-), отличающимися по параметру L. Практика показывает, что наиболее эффективно проводить БКЗ градиент-зондами, в которых длины увеличиваются по геометрической шкале с показателем 2 или 2,5 в диапазоне L = 1 - 30 dc. Примерная таблица зондов БКЗ, где один (A 2.0M 0.5N) является стандартным, следующая:

А 0,4М 0,1N

A 1.0M 0.1N

A 2.0M 0.5N

A 4.0M 0.5N

A 8.0M 1.0N

В интервале проведения БКЗ необходимо определять сс и dc. Кроме того, выполняют измерения микрозондами.

Обработка диаграмм заключается в выделении границ пластов, отсчете существенных значений ск и построении кривых БКЗ. Пластами большой мощности считаются пласты с h > 15 - 20 м, а малой мощности - пласты с h < 6м. Если пласты большой мощности, то снимают средние или оптимальные значения ск. Для пластов средней мощности и являющихся высокоомными используют ск сред и

ск мах. Для пластов малой мощности с высокими значениями ск снимают экстремальные значения. Кривые БКЗ, зарегистрированные в пластах средней и малой мощности, которые, как правило, преобладают в разрезах, приводят к кривым ск для пластов неограниченной мощности.

Фактические кривые БКЗ строятся в том же масштабе что и теоретические. Процесс ручной количественной интерпретации аналогичен таковому в электроразведке методом ВЭЗ. То есть кривую ск вначале накладывают и перемещают по 2-х-слойной палетке БКЗ, соблюдая параллельность осей координат. Если фактическая кривая совпадает с 2-х-слойной теоретической, или укладывается между двумя соседними расчетными кривыми БКЗ, повторяя их форму, то делается заключение, что анализируемый пласт непроницаемый. В случае наличия повышающего или понижающего проникновения, фактические кривые не совпадают с теоретическими 2-х-слойной палетки. В первом случае отмечается крутой спад фактической кривой, а во втором нарастающий подъём (рис. 11).

Рис. 11 Пример сопоставления наблюдённой и теоретической кривых БКЗ на 2-х-слойной палетке

А), Б) - случаи повышающего и понижающего проникновения фильтрата бурового раствора в пласт

Как и для стандартных зондов КС, неблагоприятными условиями для использования БКЗ являются: 1) неоднородность разреза (тонкое чередование прослоев с различным сп), 2) очень высокое или очень низкое сп пластов.

На рис. 12 приведено сопоставление кривых БКЗ с диаграммами кавернометрии и резистивиметрии в нефтегазовой скважине. Пример количественной интерпретации приводится для интервалов продуктивных пластов (2510-2575 м), которыми являются песчаники. Им присвоены индексы 1 и 2. Интерпретация выполнялась в следующей последовательности:

1) Снимались оптимальные значения ск, сс, dc, L и вычислялись параметры ск/сс и L/dc (табл.1).

2) Строились в билогарифмическом масштабе фактические кривые БКЗ (рис. 13).

3) Сопоставлялись фактические кривые с теоретическими 2-х слойной палетки БКЗ и выполнялась оценка пластов на предмет проницаемости (рис.14).

Рис. 12. Сопоставление каротажных диаграмм БКЗ в разрезе нефтегазовой скважины (Западная Сибирь)

Таблица 1. Данные для построения фактических кривых зондирования

№п/п	L	d	сk	сc	L/d	сk /сc
1	0,45	0,22	12	37	2,05	0,32
	1,05	0,22	14	37	4,77	0,38
	2,25	0,22	5,2	37	10,23	0,14
	4,25	0,22	2,7	37	19,32	0,07
	8,5	0,22	4	37	38,64	0,11
2	0,45	0,21	13	35	2,14	0,37
	1,05	0,21	19	35	5,00	0,54
	2,25	0,21	8,5	35	10,71	0,24
	4,25	0,21	4,8	35	20,24	0,14
	8,5	0,21	4	35	40,48	0,11

Рис. 13 Фактические кривые БКЗ

Рис. 14 Сопоставление фактических кривых БКЗ для пластов 1 и 2 с теоретическими двухслойной палетки 1А

В результате сопоставления установлено:

Пласт 1. Имеет место расхождение фактической кривой с двухслойной палеточной. Правая ветвь сечёт теоретические кривые и уходит вниз, что указывает на повышающее проникновение. Следовательно, пласт проницаемый. По сопоставлению левой ветви с теоретическими оценена зона проникновения, которая имеет параметры сп/сс = 5, что является основой для дальнейшей интерпретации кривой по трёхслойной палетке.

Пласт 2. Наблюдается также несоответствие фактической кривой с теоретической 2-х слойной палетки. Правая ветвь сечёт теоретические кривые и уходит вниз, что указывает на повышающее проникновение. Левая ветвь совпадает с теоретической двухслойной. Зона проникновения имеет параметры сп/сс = 10.

4) Производилось сопоставление фактических кривых с теоретическими трёхслойных палеток, для чего из набора существующих выбраны трёхслойные палетки с параметрами:

· пласт 1 - D/dc = 2; с?/сс = 5

· пласт 2 - D/dc = 2; с?/сс = 10

Результаты сопоставления представлены на рис. 15.

Рис. 15 Сопоставление фактических кривых БКЗ для пластов 1 и 2 с теоретическими трехслойных палеток 4А и 5А

Получены следующие количественные показатели:

· пласт 1 - сп/сс = 0,5; с?/сс = 5; D/dc = 2; сп = 18,5 Ом*м,

с? = 185 Ом*м, D = 0,43 м и h = 7 м

· пласт 2 - сп/сс = 1; с?/сс = 10; D/dc = 2; сп = 35,0 Ом*м,

с? = 350 Ом*м, D = 0,42 м и h = 9 м

Искомые значения сп и h сведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты количественной интерпретации данных БКЗ

№ пласта	сп	h
1	18,5	7
2	35,0	9

Рассмотрение данных таблицы 2 показывает, что для пласта 1 сп = 18,5 Ом*м соответствует УЭС водо-нефтенасыщенных пластов, а для пласта 2 сп = 35,0 Ом*м - УЭС нефтенасыщенных пластов.

Геологическая интерпретация заключается в определении геологических характеристик разреза. Используются обе модификации КС: электропрофилирование одиночными зондами и электрозондирование, то есть БКЗ. Электропрофилирование применяют для нахождения границ пластов, а также в благоприятных условиях для литологического расчленения разрезов, выявления целевых объектов (нефте-, газо-, водоколлекторов, пластов угля, руд и т. д.). БКЗ используют для оценки проницаемости (наличие или отсутствие зоны проникновения) и определения количественных характеристик (коэффициентов пористости, нефтегазонасыщенности, зольности и т. д.). Ограничения метода КС:

· большое шунтирующее влияние скважины при сп/сс> 200 (столб бурового раствора служит шунтом)

· высокая погрешность в определении сп пластов малой мощности при сп/свм > 20 (ток ответвляется во вмещающие породы).

Методы сопротивлений ГИРС помимо КС и БКЗ включают боковой (БК), микро- (МК), токовый (ТК) и дивергентный (ДК) каротажи.

Лекция 5. Микромодификации метода КС

Микрокаротаж (МК) - это исследования в скважинах градиент- или потенциал-зондами КС малого размера, которые расположены на прижимном изоляционном башмаке. Общий вид зонда МК и его принципиальная схема приведены на рис.16.

Рис. 16 Принципиальная схема измерений микрозондами

а - общий вид микрозонда: 1 - электроды, 2 - башмак, 3 - кабель; б - схема записи

Расстояние между электродами А и М1 и М1 и М2 в зонде МК, как правило, составляет 25 мм. Поэтому для микроградиент-зонда А 0,025М10,025М2 его длина составляет 4 см, а для микропотенциал-зонда А 0,05М2?N, соответственно 5 см. Таким образом глубинность исследования у микроградиент-зонда равна его длине и составляет 4 см и является меньшей чем у потенциал-зонда, у которого глубинность примерно в три раза больше длины и, следовательно примерно равна 15 см. Этот факт используется для изучения прискважинного пространства. В частности, по соотношению кривых скмк оценивается влияние образуемой в интервалах проницаемых пластов глинистой корки и слоя промывной жидкости (рис.17). Положительным расхождением между значениями скпз-мк и скгз-мк называются случаи, когда над проницаемыми пластами сзп > сс, а над непроницаемыми сп > 25сс. Отрицательное расхождение между скпз-мк и скгз-мк происходит когда сзп < сс и сс > сп.



Рис. 17 Пример поведения кривых МК и кавернометрии (КВ) в интервале образования глинистой корки над продуктивным пластом

1 - песчаник, 2- глина песчаная, 3 - песчаник глинистый, 4 - песчаник газонасыщенный

МК относится к детализационным методам каротажа. Основная задача - расчленение продуктивных пластов на проницаемые и непроницаемые. Другие задачи - определение границ пластов и их эффективной толщины (мощности), определение сзп и сгк (толщины глинистой корки). Благоприятные условия для МК - слабоминерализированная промывная жидкость.

Резистивиметрия - метод ГИРС, предназначенный для измерениея УЭС промывных жидкостей. Для этих целей разработаны скважинные и поверхностные резистивиметры. Значения УЭС буровых растворов (сс) необходимы при вычислении сп методами БКЗ, ИК (индукционный каротаж), ВИКИЗ (высокочастотный индукционный каротаж изопараметрических зондирований) и др. Измерения сс как правило сопровождаются и измерениями температуры (t), поскольку сильно зависит от её изменения.

Скважинный резистивиметр представляет собой зонд КС малого размера с кольцевыми электродами, который укреплён изоляторами в перфорированном корпусе с целью возможности свободной циркуляции бурового раствора через этот корпус при перемещении зонда по стволу скважины. Схема конструкции скважинного резистивиметра приведена на рис. 18.

Рис. 18. Электрическая схема измерения скважинным резистивиметром

ЦИ - цилиндрический изолятор, П - переключатель полярности тока, Б -батарея, КП - компенсатор поляризации

Блок-схема поверхностного резистивиметра приведена на рис. 19. Этим прибором измерения сс выполняют как в полевых, так и в лабораторных условиях. Для этого в емкость отбирают пробы промывной жидкости. Далее жидкость наливают в измерительный стакан, оборудованный питающими и измерительными электродами. Значения Электронные схемы скважинного и поверхностного резистивиметров сконструированы таким образом, что позволяют получать значения УЭС непосредственно в процессе измерений.

Рис 19 Блок-схема поверхностного резистивиметра ПР-1

1 - переключатель диапазонов; 2 - измерительный сосуд;3 - переключатель вида измерений;4 - измеритель (микровольтметр); 5 - регистрирующий прибор; 6 - источник питания; 7 - генератор «П» образного напряжения; 8 - регулировочное напряжение.

Токовый каротаж (ТК) заключается в измерении силы тока (I) в цепи питающих электродов А и В. Блок-схема приведена на рис. 20. Сущность метода в том, что один из электродов, например В, неподвижен и его сопротивление заземления неизменно (RB = const). Сопротивление заземления RA подвижного электрода А изменяется когда он пересекает в стволе скважины разные по УЭС пласты пород. Следовательно, с изменением RA изменяется и ток IA в питающей цепи.

Рис. 20 Схема измерения кривых ТК и МСК

I, II, III - питающий, измерительный и компенсационный модули, А,В - питающие электроды, RT, R0, Rн, Rк регулировочное, эталонное, нагрузочное и компенсационное сопротивления, Б1,Б2 - токовые батареи, мА - микроамперметр, РП - регистрирующий прибор

ТК условно относят к методам КС. Существует два варианта. В первом используется обычный зонд КС, а во втором подвижный электрод устанавливается на прижимной рессоре, как и в микрозонде или же выполняется в форме проволочного ерша (щётки) для касания со стенками скважины, что при регистрации кривой IA снижает влияние бурового раствора. Второй вариант ТК носит название метода скользящих контактов (МСК).

Методы ТК и МСК эффективны при расчленении разрезов скважин в которых присутствуют и чередуются пласты высокого и низкого УЭС, в том числе толщиной в первые сантиметры, так как очень четко отбиваются их границы. Такие соотношения часто встречаются на рудных (при выделении тонких сульфидных прожилков) и угольных (при выделении в электропроводящих пластах антрацита прослоев углистых и глинистых сланцев) месторождениях. Недостаток методов ТК-МСК в том, что зависимость между УЭС и IA нелинейная. Пример изучения строения угольного антрацитового пласта по кривым методов МСК и ТК приведен на рис. 21.

Рис. 21 Пример изучения строения пласта антрацита методами МСК и ТК

1 - антрацит, 2 - углистый сланец, 3 - аргиллит, 4 - песчаник

Электрический каротаж с фокусированными зондами - это методы в которых осуществляется концентрация тока или же силовых линий электрического поля в заданной точке или в геологическом объекте. Различают две разновидности конструкций зондов: 1) с фокусированной системой измерительных электродов - основа дивергентного каротажа (ДВК); 2) с фокусируемой системой питающих электродов - основа бокового каротажа (БК).

Лекция 6. Токовый, дивергентный и боковой каротаж. Качественная и количественная интерпретация каротажных диаграмм этих методов

Дивергентный каротаж основан на определенно-направленном распределении интенсивности геофизического (физического) поля в стволе скважины. Имеется в виду явление дивергенции, связанное со стеканием тока из скважины в породу при сп >>сc на расстоянии S>dc, когда при этом изменяется потенциал U вдоль оси Z. Картина близка к той, которая имела бы место при дисковом питающем электроде (рис.22).

Рис. 22 Схема распределения тока точечного источника А в «дивергентной» среде

Согласно рисунку, на удалении от источника существуют осевой Iz и радиальный Ir токи, а также осевые Rz и радиальные Rr сопротивления участка скважины.

Схема зонда дивергентного каротажа включает два совмещённых в 4-х электродный градиент-зонда, в котором электроды А и М являются общими (рис. 23). При такой системе показания зависят от радиальной составляющей плотности тока и система считается фокусированной в радиальном направлении.



Рис. 23 Схема зонда ДВК

L-а=АО1 - длина 1-го зонда

L+а=АО2 - лина 2-го зонда

То есть показания в точках О1 и О2 равны напряжённостям Е1 и Е2 (первые производные U1 и U2), а их разность (E1 - E2 = Jа) - 2-ой производной U (U"), называемой дивергенцией. Условия существования последней в том, что если уп = 0 (сп = ?), скважина является проводником помещенным в изолятор и поэтому радиальная составляющая отсутствует (E1 - E2=0). Следовательно и U" = 0. Но если уп > 0, то дивергенция появляется и U" тем больше, чем больше уп.

Дивергентный каротаж в принципе позволяет осуществлять исследования сквозь обсадную колонку (электроды прижимают к трубе), так как обсадная колонка не идеальный проводник, а порода не идеальный изолятор. Недостаток ДВК - сильная зависимость от dс.

Боковой каротаж (БК) - метод с управляемой системой питающих электродов с целью фокусировки тока в пласт, один из основных методов исследований нефтяных, угольных и др. скважин. Различают 3-х, 7-ми и 9-ти электродные модификации. В специальной литературе и некоторых учебниках БК еще называют методом сопротивления экранированного заземления (СЭЗ). Сущность БК в том, что посредством равного потенциала экранирующих электродов, ток центрального электрода течет перпендикулярно к оси скважины. В этом случае на измерения меньше влияют мощность пласта, сопротивление вмещающих пород и бурового раствора, что и является преимуществом БК перед методом КС. Преимущество БК еще и в том, что одновременно с кривой ск можно регистрировать кривую удельной электропроводности ук (ед. изм. - сим/м). Размер центрального электрода в зондах БК, как правило, первые сантиметры, следовательно можно выявлять очень тонкие пласты и пропластки, при том что метод глубинный и составляет три длины экранных электродов. Схема трёхэлектродного зонда БК приведена на рис. 24.

Рис. 24 Схема трехэлектродного зонда БК

Удельное электрическое сопротивление, измеряемое при каротаже методом БК, соответствует в непроницаемых пластах истинному, носит название эффективного (сэф) и оценивается по типовой формуле:

сэф = k ДU/I

k подбирается опытным путем из условия: сэф = сист.

Глубина 3-х электродного зонда равна примерно трёхкратной длине экранизирующего электрода и достигает 3 - 4,5 м. Для 7-ми электродного зонда глубинность несколько меньше. Кривые БК по форме напоминают кривые КС-ПЗ, что собственно они и представляют, но только более отчетливо за счет фокусировки. Границы устанавливаются по точкам максимального градиента возрастания-убывания аномальных кривых сэф. Пример определения границ и экстремальных значений сэф приведен на рис. 25.

Рис. 25 Пример определения границ одиночного высокоомного пласта по точкам максимального возрастания-убывания кривых БК

На рисунке 26 сопоставлены кривые ск и ук, зарегистрированные в угольной скважине на месторождении антрацитов в Восточном Донбассе. Показана возможность уверенного выделения и определения мощности тонких пластов углей и известняков.

Рис. 26 Сопоставление каротажных диаграмм, зарегистрированных зондом БК по скважине №7. Участок Садкинский-Северный (Восточный Донбасс)

1 - уголь; 2 - углистый сланец; 3 - аргиллит; 4 - алевролит; 5 - песчаник; 6 - известняк

БК применяют также в варианте микрокаротажа, носящего название МБК. Электроды размещают на прижимном резиновом башмаке. Показания зондов МБК при исследовании интервалов образования глинистой корки менее искажены по сравнению с МКС за счёт более широкого диапазона измерений УЭС.

На основе МБК созданы пластовые наклономеры. Особенность их устройства в том, что по окружности прибора имеется несколько прижимных устройств, на каждом из которых размещен зонд МБК. По вертикальному сдвигу кривых МБК оценивается наклон пластов.

Лекция 7. Методы ГИС на основе переменных электромагнитных полей и полей естественной и вызванной поляризации

· Комплексная цель.

Получение слушателями системы знаний об электромагнитных полях, создаваемых в разрезах скважин и околоскважинном пространстве, и средствах их изучения методами ГИРС для возможной дальнейшей работы в промыслово-геоофизических конторах, специализированных экспедициях, научных лабораториях, вычислительных центрах.

Индукционный и волновой методы каротажа, качественная и количественная интерпретация каротажных диаграмм этих методов.

В электромагнитных методах ГИРС выделяют две разновидности: 1) индукционный каротаж (ИК) и 2) диэлектрический каротаж (ДК). Кроме этих видов сюда относят методы около- и межскважинной индуктивной радиоволновой электроразведки.

Различие ИК и ДК определяется использованием в этих методах разного диапазона частот. Обоснованием является, во-первых, то, что в силу скин-эффекта с увеличением частоты f уменьшается длина волны л, а во-вторых распределение электромагнитного поля на одних и тех же частотах зависит от электромагнитных свойств среды и расстояния между источником и приёмником. Поэтому выделяют ближнюю (поле соответствует квазистационарной модели) и дальнюю (поле соответствует волновой модели) зоны. В ближней зоне (БЗ) л>>L, а в дальней зоне (ДЗ) л < L, где L - длина зонда. В ИК используются частоты f = 20-60 кГц и л> 100м, следовательно, применимы законы квазистационарной (индукционной модели), а в ДК f = 10- 20 МГц и л< 1м, то есть применимы законы волновой модели.

Индукционный каротаж (ИК) - электромагнитный метод, основанный на измерении кажущейся удельной электрической проводимости ук, то есть параметра уэ = 1/с, который измеряется в единицах См/м (сименс - проводимость проводника с сопротивлением R= 1 Ом). Сущность метода в электромагнитном профилировании (ЭМП) по стволу скважины. Осевая установка ЭМП, состоящая из генераторной (Гк) и приемной (Ик) катушек представляет собой специальный конструкции зонд. Расстояние между катушками составляет длину зонда L. Зонд является составной частью скважинного прибора, содержащего электронную схему (рис.27).

Рис. 27 Схема скважинного прибора индукционного каротажа

Ик, Гк - измерительная и генераторная катушки

К генераторной катушке подключается генератор, который подает в катушку переменный ток в частотном диапазоне 20-60 кГц. В скважине создается электромагнитное поле. Силовые линии тока представляют собой в однородной изотропной среде окружности с центром по оси скважины. В анизотропной слоистой среде электромагнитное поле деформируется. Вихревые токи в породах создают вторичное магнитное поле, которое вместе с первичным (более сильным) полем индуцируют электродвижущую силу (ЭДС). При этом, в приемной катушке ЭДС первичного поля (Е1) является помехой и компенсируется электронной схемой (вводится ЭДС противоположная по фазе), ЭДС же вторичного поля (Е2) усиливается электронной схемой прибора и подается по кабелю на поверхность для регистрации.

Е2 пропорциональна ук, которая и регистрируется в соответствии с формулой:

ук = 1/ск = Ес/Кс, где

Ес - ЭДС принимаемого сигнала, т.е. напряженность электрической составляющей электромагнитного поля.

Кс - коэффициент перехода от Ес к ук, зависящей от длины зонда L.

L выбирается с таким расчетом, чтобы в однофазной среде ук = уп .

Следует отметить, что в зонды ИК кроме двух главных катушек включают и несколько дополнительных генераторных и измерительных катушек. Они выполняют фокусирующую роль, предназначены для получения более точных данных об ук и обозначаются шифрами по конструктивным типам. Например, в зондах с шифрами 6Ф1, 6И1, 6Э1 цифра шесть обозначает число катушек, буквы Ф, И, Э - тип зонда, а цифра один - расстояние L между центрами катушек.

Сигналы ИК зависят от ук, ус, узп, D, dс, h, а также длины зонда L, cилы тока I и частоты поля f.

По оценочным расчётам на показания ИК основное влияние оказывает концентрический слой околоскважинного пространства, заключенный между радиусами 0,4L и 1,5L (рис. 28).

При сс<1 Ом*м и сп/сс>20 в результатs ИК вносятся поправки по специальным палеткам. Если сс<0,3 Ом*м и D>3dс погрешности значительны. Влияние вмещающих пород существенно при h <1,5 L. Не эффективен ИК на частотах 20-60 кГц при сп>50 Ом*м. Этот предел поднимают до 200 Ом*м на частоте f=1МГц, но нижняя граница смещается до 20 Ом*м. Поэтому используют 2-х частотную аппаратуру. Ее диапазон 0,3-200 Ом*м.



Рис. 28 График оценки влияния околоскважинного пространства на показания ИК

Ggr - интегральный радиальный геометрический фактор.

Интерпретация диаграмм, в частности определение границ пластов, сводится к нахождению точек, соответствующих серединам амплитуд (точкам градиентов максимального возрастания-убывания кривых) (рис. 29).

Рис. 29 Пример выделения границ пластов на диаграммах ИК

В целом ИК эффективен для изучения глин и глинистых пластов, песчаников и карбонатов, насыщенных сильно минерализованной пластовой водой. Разрешающая способность повышается в скважинах, заполненных слабоминерализованными растворами. ИК можно также применять в сухих и обсаженных непроводящими трубами скважинах.

Задачи, решаемые ИК те же, что КС и БК. Предопределяется комплексирование этих методов. Сравнительная характеристика следующая:

1. БКЗ «работает» в пластах большой мощности при средних значениях отношений сп/сс и сп/свм.

2. БК более эффективен для изучения тонких пластов при больших значениях сп/сс и не эффективен при повышающем проникновении (водоносные пласты).

3. ИК «работает» при малых значениях сп/сс и повышающей зоне

проникновения и при сс >?.

Диэлектрический каротаж (ДК) - метод ГИРС, основанный на измерении параметра диэлектрической проницаемости ек. Для производства работ применяется глубинный скважинный прибор, включающий трёхкатушечный зонд, который по конструкции аналогичен зондам ИК (рис 30). Маркировка зондов типовая. Например, зонд Г0,8И10,2И2 состоит из двух измерительных катушек И1 и И2, расстояние между которыми 0,2 м, и одной генераторной катушки, находящейся на расстояниях от И1 0,8 м и от И2 1 м.

Рис. 30 Схема зонда ДК

Г - генераторная катушка, И1, И2 - измерительные катушки, L1, L2 - длины зондов

Отличие ДК от ИК в том, что метод работает на более высоких частотах. Должно соблюдаться условие 1/щес>1, при котором токи смещения преобладают над токами проводимости. На практике достаточным условием считается 1,1? щес? 0,2. Диаграмма соотношения токов проводимости и смещения для частот f =10-100 МГц приведена на рис. 31.



Рис. 31 Диаграмма соотношения токов проводимости и смещения в проводящей поляризующейся среде при частоте электромагнитного поля f = 10-100 МГц

1 - область параметра щес = 1;

3,4 - зоны преобладания токов проводимости (2) и смещения (3);

щ = 2рf в Гц, е = е*?1/36?10-9 в ф/м

В отечественных приборах используется диапазон частот 30-60 МГц при длинах зондов в несколько раз превышающих диаметр скважины dc. Параметры поля в точке измерений определяются преломленной волной АВСD (рис. 32).

Рис. 32. Схема распространения электромагнитных волн в скважине и околоскважинном пространстве в процессе диэлектрического каротажа

На участках АВ и СD происходит затухание колебаний и их фазовый сдвиг за счет влияния скважины, а на участке ВС те же процессы происходят за счет влияния пересекаемых скважиной пород. Последние априори имеют скорость распространения электромагнитных волн бо'льшую, чем в промывочной жидкости, что предопределяет эффект полного внутреннего отражения этих волн при определённом (критическом) угле и. Образовавшаяся боковая (головная) волна распространяется вдоль стенки скважины со скоростью и затуханием, обусловленными параметрами пересекаемых пород. Влияние скважины исключается за счет двух катушек. Регистрируемый параметр - разность фаз Дц:

Дц = аф (Z1-Z2) = аф?ДZ, где

аф - фазовая постоянная (аф=щvем), ДZ - база зонда.

Диэлектрическую проницаемость ек определяют по фазовым сдвигам и отношению амплитуд. Используются различные частоты и измерения несколькими зондами.

Кривые ДК имеют слабосимметричную форму со смещением максимума в область ДZ, что повторяет в менее явном виде эффект прямого или обращенного зондов КС. Пласты пород как с низкой, так и с высокой ек выделяются достаточно четко. Типовой пример - разделение нефтяных и водоносных пластов при внутриконтурном заводнении продуктивных горизонтов пресной водой. В таких случаях нефть и вода различаются по показателю е, при практически одинаковых значениях ск (рис. 33).