Дослідження свердловин

Геофізичні дослідження свердловин застосовуються для рішення задач, пов`язаних з пошуком, розвідкою та розробкою корисних копалин і проводяться в чотирьох основних напрямках: 1) вивчення геологічних розрізів свердловин; 2) вивчення технічного стану свердловин; 3) контроль за розробкою родовищ; 4) проведення прострілювання свердловин та інші види робіт. Найбільш важливим напрямком є вивчення геологічного розрізу свердловин, коли вирішуються наступні завдання: літологічне розчленування розрізу; виявлення колекторів та вивчення їх властивостей; виявлення та визначення місцеположення різних корисних копалин (нафта, газ, вугілля, солі, руди, води); підрахунок запасів корисних копалин.

Основними методами геофізичних досліджень у свердловинах є електричні та радіометричні.

Електричні методи дослідження розрізів свердловин засновані на вимірюванні електричного поля, що створюється джерелами природного або штучного (на постійних або змінних струмах) походження. До них відносяться: 1) метод потенціалів власної поляризації, які виникають в свердловині як результат різних фізико-хімічних процесів; 2) метод позірного опору, що заснований на вимірі потенціалів, різниці потенціалів або індукційних струмів, які утворюються розміщеним у свердловині джерелом струму або електромагнітного поля.

Існує декілька модифікацій електричних методів в залежності від форми, розміру та конструкції зондів (комбінація електродів живлення та прийому): метод звичайних зондів (ПО), метод мікрозондування (звичайне, бокове), боковий метод. До методів позірного опору можна умовно віднести і індукційний метод.

6.1.1 Метод природної електричної поляризації (самочинна поляризація) - пс

Джерелом потенціалів U є: потенціали фільтрації, дифузійно-абсорбційні потенціали і окислювально-відновні потенціали. Зонд для реєстрації потенціалів U складається з двох електродів, один з яких знаходиться на поверхні, другий - на кабелі, що опускається в свердловину.

Для пористих і проникних шарів, які насичені мінералізованою пластовою водою ( < ), характерні від`ємні потенціали. Лінія, яка відповідає потенціалу в глинах, має назву «нульова лінія глин». Крива U не має нуля і розміщується довільно у відведеній для неї смузі діаграми.

1 - проникний шар; 2 - непроникний шар.

Рисунок 6.1 - Форма кривої U для шарів питомого опору.

«Нульова лінія глин» проводиться як дотична до максимальних значень потенціалу U проти потужних однорідних глинистих товщ. Ця умовна лінія зазвичай знаходиться на діаграмі праворуч.

Величина і знаки потенціалів визначаються співвідношенням мінералізації пластових вод і промивної рідини, мінеральним складом і структурою гірських порід, товщиною пластів та інших факторів. Форми кривих U для різних геологічних умов приведені на рис. 6.1.

Границі пластів, товщина яких більше 2-4 діаметрів свердловини, на діаграмі потенціалу U визначаються по точках аномалії U , які рівні половині максимальної аномалії, що відповідає центру пласта.

6.1.2 Метод позірного опору (метод звичайних зондів)

Метод позірного опору заснований на вивченні і розчленуванні порід за їх електричним опором і пов`язаним з ним параметром - позірним опором, що вимірюється у свердловині. Для визначення позірного опору гірських порід застосовують чотирьохелектродну установку AMNB (зонд). Між електродами M і N вимірюють різницю потенціалів ( ) або градієнт потенціалів (Е).

Зонди методу ПО (позірного опору) призначенні для вимірювання електричного опору гірських порід, завдяки створення електричного поля в них, за допомогою електродів струму (А, В) і виміру значення потенціалів, різниці потенціалів, градієнту потенціалів (U , U , E) за допомогою електродів М, N.

Зонд методу ПО - набір електродів А, В, М, N, які розташовані на різних віддалях між собою по одній лінії на ізольованому каркасі.

На практиці в момент вимірювання електричного опору в свердловині знаходяться три електроди А, М, N або М, А, В. Четвертий електрод В або N знаходиться на поверхні біля гирла свердловини.

В залежності від комбінації розташування електродів між собою можемо мати: потенціал-зонди, градієнт-зонди, послідовні (підошвенні), обернені (кровельні), двополюсні (взаємного живлення), однополюсні (прямого живлення), ідеальні, неідеальні (реальні).

Крім цього зонди характеризуються: коефіцієнтом, розміром, точкою запису.

В (табл. 6.1) приведена класифікація зондів методу ПО.

З таблиці (6.1) видно, що потенціал-зонди - такі, в яких

віддаль між одноіменними (парними) електродами А, В або М, N набагато більша (в 5 - 10 разів), ніж між різноіменними (непарними) А і М (L), тобто l>>L.

Градієнт-зонди - такі, для яких l<<L.

Послідовні зонди - такі, у яких одноіменні електроди знаходяться нижче від різноіменного.

Обернені (покрівельні) зонди - такі, у яких одноіменні електроди заходяться вище від різноіменного.

Однополюсні - такі, у яких в свердловині знаходиться один електрод струму (А).

Двополюсні - такі, у яких в свердловині знаходяться два електроди струму А і В.

Ідеальний потенціал-зонд - такий, у якого l .

Ідеальний градієнт-зонд - такий, у якого l 0.

Точка запису у потенціал-зонді знаходиться на середині між різноіменними електродами:

. (6.1)

Точка запису у градієнт-зонді знаходиться на середині між одноіменними електродами:

або (6.2)

Розмір потенціал-зонда L₃ - віддаль в метрах між різноіменними електродами (L), тобто:

L =L . (6.3)

Таблиця 6.1 – Класифікація зондів методу електричного опору.

Потенціал - зонди	Градієнт - зонди
Послідовні	Обернені	Послідовні	Обернені
Одно- полюсні	Дво- полюсні	Одно- полюсні	Дво- полюсні	Одно- полюсні	Дво- полюсні	Одно- полюсні	Дво- полюсні
А * М l N	M * L A l B	N l M * A	B l A * L N	A l M * l N	N l A * l B	N * l M A	B * l A L M

де:

- електроди (А, В, M, N);

* - точка запису;

l – віддаль між однойменними електродами А і В або M і N, в м;

Розмір градієнт-зонда L₃ - віддаль між точкою запису і різноіменним електродом (А або М), тобто:

. (6.4)

Коефіцієнт зонда вираховується за формулами:

Для однополюсного зонда:

. (6.5)

Для двополюсного зонда:

. (6.6)

Розмірність коефіцієнта в метрах.

Електричний опір гірських порід визначається за формулою:

(6.7)

Форми кривих методу опору. Форма кривої методу електричного опору може мати різне зображення проти пласта в залежності від багатьох факторів (типу зонда, співвідношення між розміром зонда і товщиною пласта) і т. п. Форма кривої потенціал-зонда має симетричний характер, тобто екстремальні значення (максимальні або мінімальні) - в центрі пласта і різка зміна при підході до границь пласта (рис. 6.2).

Для градієнт-зондів форма кривої має несиметричний характер, тобто екстремальні значення в підошві (максимальне) і в покрівлі (мінімальне) для послідовних зондів (рис.6.2) для випадку коли вивчаємо високоомний пласт; і дзеркальне відображення форми кривої має місце для оберненого (покрівельного) градієнт-зонда.

Визначення границь пластів і їх товщини за даними форми кривої ПО. Виходячи з аналізу поведінки форми кривої ПО для різних зондів (рис.6.2), щоб визначити границі пластів, доцільно використовувати градієнт-зонд, для якого розмір менший товщини пласта L < h.

Рисунок 6.2

Підошва і покрівля високоомного пласта можуть бути визначені за формулами:

; або

(6.8)

; ;

тоді: h = H_під.- H_покр.

h= - +l= —

— = , (6.9)

де: - глибина для максимального значення позірного опору послідовного градієнт-зонда,

- глибина для мінімального значення позірного опору оберненого градієнт-зонда.

Визначення значень геофізичних параметрів пласта. Значення геофізичних параметрів пласта можна вирахувати, знаючи величину відхилення кривої («l» в см) від лінії відліку з врахуванням горизонтального масштабу реєстрації:

Г =l · M (6.10)

де: Г - значення геофізичного параметру пласта; l - відхилення кривої від лінії відліку в см; М - горизонтальний масштаб реєстрації геофізичного параметру ( Омм/см).

Для кривих геофізичних параметрів, які мають симетричний характер, відхилення кривої (l) береться напроти середини пласта (рис. 6.3).

Для градієнт-зондів, враховуючи несиметричний характер кривої, проти пласта можемо мати різне значення геофізичного параметру (позірного опору): - максимальне, - мінімальне, - середнє, - оптимальне.

В залежності від співвідношення товщини пласта (h) до розміру зонда (L ) - слід визначити таким чином:

1. якщо >3, то

2. якщо 1.2 < < 3, то

3. якщо < 1.2 , то .

Рисунок 6.3 - Приклад зняття оптимального, середнього та екстремальних значень позірного опору.

Оптимальне значення ПО (по) береться в точці на кривій, яка знаходиться на відстані від середини пласта - вниз для послідовного, або вверх - для оберненого зонда (покрівельного).

Середнє значення визначається за формулою:

= ; ·h=S, (6.11)

де: S - площа проти пласта охопленої кривою ПО - без інтервалу екранування (L ).

Максимальне значення знаходиться в підошві, або в покрівлі пласта.

6.1.3 Метод мікрозондування

Метод мікрозондування досягається застосуванням спеціального зонда малої довжини, електроди якого розміщені на зовнішній стороні башмака з ізоляційного матеріалу. Зонди поділяються на звичайні (мікрозондування) і бокові (мікробокове зондування). В звичайному зонді три електроди А, М, N на відстані один від одного на 2.5 см розташовані в середній частині башмака, за допомогою яких утворюють мікрозонди: градієнт - А0.025М0.025N розміром 3.75 см і потенціал - А0.05N розміром 5 см (рис.6.4). Радіус дослідження градієнт-мікрозонда рівний його довжині - 3.75 см, а потенціал-мікрозонда у 2-2.5 рази більше його довжини - 10-12 см.

Як правило, проти колектора - пісковика спостерігається додатній приріст , тобто < (рис.6.5), в загальному випадку проти глин такого приросту не спостерігається.

Рисунок 6.4 - Схема мікрозонда

r_гз

r_пз

1 – глинистий не кавернозний пласт, 2 – нафтоносний пісковик;

3 – водоносний пісковик; 4 – щільне непроникна порода; 5 – глинистий кавернозний пласт.

Рисунок 6.5 Схематичні криві мікрозонда в свердловині .

6.1.4 боковий метод дослідження свердловин

Боковий метод (метод з фокусуванням струму, метод з екранними електродами) є різновидністю електричного методу позірного опору. У боковому методі використовуються трьохелектродні і семиелектродні зонди. В боковому методі, завдяки наявності екранних електродів А і А , лінії струму від центрального електрода А розповсюджуються горизонтально в межах шару товщиною, яка рівна приблизно 0 0 . Принципова схема трьохелектродного фокусованого зонда показана на рис.6.6, на рис. 6.7 - схема фокусованого мікрозонда.

Г - генератор; РУ - регуляційний пристрій; РП – регістраційний прилад; І - струм живлення електродів А і А ; І - струм живлення електроду А .

Рисунок 6.6 - Схема трьохелектродного фокусованого зонда.

Стабілізований струм подається від генератора на центральний електрод А . На екранні електроди А і А подається регульований струм, що дозволяє досягати рівності потенціалів електродів А , А і А .Замірюючи потенціал центрального електрода А і знаючи струм, який віддається цим електродом, розраховується питомий опір частини породи, яка виділена на рис. 6.6.

Екранні електроди мають довжину 1.5 м, довжина центрального електрода - 0.6, 0.3 або 0.15 м.

Криві опору проти окремих шарів великого опору наведені на рис.6.8. Як видно, криві опору симетричні відносно середини шару і записані в системі глибина - позірний опір.

Рисунок 6.7 - Схема фокусованого мікрозонда фірми Шлюмберже.

Рисунок 6.8 – а) криві питомого опору у високоомному пласті малої потужності без зони проникнення; 1 - потенціал-зонд з АМ=1,75d ; 2 - потенціал-зонд з АМ=7d ;3 - градієнт-зонд з АО=25d ; 4 - дійсний питомий опір; 5 - семиелектродний фокусований зонд з 0 0 =1,5d і А А =9d .

б) криві ефективного опору навпроти пластів обмеженої потужності, що одержані на моделях з семиелектродними (І) і трьохелектродними (ІІ) зондами: 1 - пласт; 2 - криві 3 - .

6.1.5 індукційний метод

Для дослідження розрізу свердловини, яка заповнена непровідним буровим розчином або повітрям, застосовується індукційний метод, зонд якого складається з генераторної котушки, яка створює синусоїдальне електромагнітне поле частотою 20 кГц, і приймальної котушки рознесені на відстань 65-100 см (рис. 6.9). Електромагнітне поле збуджує вихрові струми, які розповсюджуються у кооксіальних з зондом тороідальних "кільцях" породи. Ці струми індукують в приймальній котушці сигнал, пропорційний електричній питомій провідності порід. Електричний перетворювач, який розміщений у наземній апаратурі, дозволяє одночасно з кривою питомої провідності (сім/м) реєструвати криву оберненої величини - питомий опір.

1 - приймальна котушка; 2 - генераторна котушка; 3 - кільцевий елемент породи з перерізом, що дорівнює одиниці площі; 4 - підсилювач; 5- генератор; 6- електронний блок зонда; L - розмір зонда.

Рисунок 6.9 - Схема індукційного зонда.

На рис. 6.10. наведені теоретичні криві, які отримані при буровому розчині високого опору. З наведених діаграм видно, що криві індукційного методу симетричні відносно середини шару. Встановлення границь шарів, товщиною більше половини довжини зонда, проводиться по середині спаду кривої провідності (опору).

Рисунок 6.10 - Розчленування розрізу по діаграмі індукційного зонда: Пласти питомого опору: 1 - високого, 2 - середнього, 3 - низького. Точки кривої 5Ф1,2 відповідають границям пластів.

6.1.6 радіоактивні методи

До радіоактивних методів вивчення геологічного розрізу свердловини, які засновані на використанні природної радіоактивності гірських порід та процесів взаємодії радіоактвного випромінювання з породою відносяться: гама-метод, гама-гама-метод, нейтрон-нейтрон- і нейтрон-гама-методи.

Розглянемо деякі з них.

Гама - метод зводиться до вимірювання інтенсивності природного гама-випромінювання порід вздовж стовбура свердловини за допомогою індикатора (датчика) гама-випромінювання, який знаходиться у глибинному приладі.

За величиною природної радіоактивності осадові гірські породи можна поділити на три групи:

1. Породи високої радіоактивності - глобігеринові і радіолярієві мули, чорні бітумінозні глини, аргиліти та глинисті сланці, калійні солі.

2. Породи середньої радіоактивності - неглибоководні та континентальні глини, глинисті пісковики, мергелі, глинисті вапняки та доломіти.

3. Породи низької радіоактивності - ангідрити, гіпси, піски, пісковики, вапняки, доломіти. Зауважимо, що із збільшенням у породі глинистих частинок підвищується радіоактивність. За одиницю інтенсивності гама-випромінювання прийнята потужність експозиційної дози в А/кг.

Нейтронні методи засновані на дослідженні ефекту взаємодії потоку нейтронів з гірською породою. З цією метою у свердловину спускають глибинний прилад, в якому розміщені джерело швидких нейтронів і на певній відстані від нього - індикатор гама-квантів або нейтронів. Результати виміру нейтронних методів подаються в умовних одиницях. За умовну одиницю приймають покази, які відповідають прісній воді.

Однією з модифікацій нейтронних методів є нейтронний гама-метод, який заснований на реєстрації гама-випромінювання, що виникає в результаті радіаційного захоплення нейтронів ядрами породи. В гірських породах найбільш розповсюдженим елементом, який уповільнює і поглинає нейтрони, є водень. Отже у середовищі з великим вмістом водню нейтрони сповільнюються і захоплюються ближче до джерела нейтронів і лише незначна їх доля досягає зони розміщення індикатора, при умові великих зондів (відстань між джерелом і індикатором - L). А тому породи з великим вмістом водню відображаються на діаграмах НГМ низькими показами, і навпаки у малопористих породах з малим вмістом водню густина нейтронів у зоні індикатора збільшується, що приводить до збільшення показів НГМ.

Стосовно нейтронних властивостей осадові гірські породи поділяють на дві групи: з великим і малим вмістом водню. До першої групи відносяться: глини, гіпси, високопористі і насичені рідиною пісковики і карбонати, які на діаграмах НГМ (L>= 40см) відбиваються мінімумами. До другої групи відносяться малопористі породи - щільні вапняки і доломіти, сцементовані пісковики і алевроліти, а також гідрохімічні породи - ангідрити і кам'яна сіль, які на великих зондах (L >= 40 см) відбиваються максимумами.

6.1.7 Контрольні запитання

1. Призначення зондів методу опору і їх будова.

2. Класифікація зондів методу позірного опору і їх характеристика.

3. Точка запису для різних типів зондів.

4. Розмір різних типів зондів.

5. За якою формулою розраховується коефіцієнт зонда (однополюсного, двополюсного)?

6. За якою формулою визначається позірний опір гірських порід?

7. Яка природа потенціалу природної електричної поляризації?

8. Дайте визначення терміну «Нульова лінія глин»?

9. Чим визначається величина і знак потенціалі природної електричної поляризації?

10. Як визначаються границі пластів за даними потенціалу природної електричної поляризації?

11. Яка форма кривої для потенціал-зонда?

12. Форма кривої для градієнт-зонда (послідовного і покрівельного) проти пласта високого опору?

13. За якою формулою визначається підошва і покрівля високоомного пласта для градієнт-зондів?

14. Які значення геофізичного параметру (позірний опір) знімаються з кривих градієнт-зонда проти пласта?

15. В чому полягає принцип мікрозондування?

16. Які Ви знаєте зонди мікрозондування?

17. Радіус дослідження мікрозондами?

18. В яких випадках спостерігається приріст r у мікрозондуванні?

19. Які зонди використовуються у боковому зондуванні?

20. Який характер кривих позірного опору бокового зондування?

21. В яких умовах застосовується індукційний метод?

22. В чому полягає принцип індукційного методу?

23. Які криві реєструються і в яких одиницях у індукційному методі?

24. Які Ви знаєте радіоактивні методи дослідження свердловин?

25. На які групи поділяються гірські породи за природною радіоактивністю?

26. На чому заснований метод нейтронно-гамаметрії?

27. На які групи поділяються гірські породи за штучною радіоактивністю?

Література

Основы геофизических методов разведки \ Толстой М.И. и др. – К.: Вища школа. Головное издательство, 1985. – 327 с.

лабораторна робота № 6.2