Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Геофизические исследования скважин

..pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
15.23 Mб
Скачать

В.М. ДОБРЫНИН Б.Ю. ВЕНДЕЛЫНТЕИН

Р.А. РЕЗВАНОВ А.Н. АФРИКЯН

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ

СКВАЖИН

Под р е д а к ц и е й доктора геолого-минералогических наук В.М. Добрынина,

кандидата технических наук Н.Е. Лазуткиной

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов

Российской Федерации по нефтегазовому образованию в качестве учебника для подготовки бакалавров и магистров по направлению 553600 «Нефтегазовое дело», а также для подготовки дипломированных специалистов по направлению 650700 «Нефтегазовое дело»

специальности 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин»

Издательство Ч Ш «НЕФТЬ И ГАЗ*

РТУнафт игам мм.КМ.ГУБКИНА

МОСКВА 2004

УДК 550.83 Д 57

Книга выпущена при содействии ДОАО «Газпромгеофизика»

Р е ц е н з е н т ы :

Президиум Совета Учебно-методического объединения вузов Российской Федерации по нефтегазовому образованию (УМО НГО); Генеральный директор ОАО «ЦГЭ» доктор технических наук А.С.Кашик

Добрынин BJVL, Вендельштейн Б.Ю, Резванов РА, Африкян АЛ.

Д57 Геофизические исследования скважин: Учеб, для вузов. Под ред.

д.г.-м. н. В.М. Добрынина, к.т.н. Н.Е. Лазуткиной — М.: ФГУП Издатель­ ство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. —400 с.илл.

ISBN 5-7246-0277-6

Описаны физическая сущность и область применения электрических, ра­ диометрических, акустических и других геофизических методов исследования нефтяных и газовых скважин. Приведены основы комплексной интерпретации получаемых данных для литологического расчленения разрезов скважин, вы­ деления коллекторов нефти и газа, определения их свойств. Рассмотрены ме­ тоды изучения технического состояния скважин, их перфорации и торпедиро­ вания, контроля разработки нефтяных и газовых месторождений.

Для бакалавров и магистров направления «Нефтегазовое дело», а также для студентов обучающихся по специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин».

Книга издана в авторской редакции

УДК 550.83

 

© Добрынин В.М, Вендельштейн Б.Ю,

 

Резванов Р.А, Африкян А.Н, 2004

 

© Федеральное государственное унитар­

ISBN 5-7246-0277-6

ное предприятие Издательство «Нефть

и газ», 2004

ВВЕДЕНИЕ

Геофизические исследования скважин (ГИС) являются областью прикладной геофизики, в которой современные физические методы исследования вещества используются для геологического изучения разрезов, пройденных скважинами, выявления и оценки запасов по­ лезных ископаемых, получения информации о ходе разработки мес­ торождений и о техническом состоянии скважин.

Применительно к изучению разрезов нефтяных и газовых сква­ жин эти исследования иногда называют промысловой геофизикой. Кроме того, в практике используется термин «каротаж» (франц. carottage от carotte — буровой крен или буквально —морковь). Тер­ мин «каротаж» не соответствует сущности описываемых процессов, и при последующем изложении мы будем отдавать предпочтение более обоснованным научно терминам.

Геофизические методы, используемые для изучения геологи­ ческих разрезов скважин, в зависимости от физических свойств по­ род, на которых они основываются, делятся на электрические, ра­ диоактивные, термические, акустические, геохимические, меха­ нические, магнитные и др.

Сущность любого геофизического метода состоит в измерении вдоль ствола скважины некоторой величины, характеризующейся одним или совокупностью физических свойств горных пород, пере­ сеченных скважиной. Физические свойства пород связаны с их гео­ логической характеристикой, и это позволяет по результатам гео­ физических исследований судить о пройденных скважиной породах. Геофизические исследования в скважинах выполняют с помощью специальных установок, называемых п р о м ы с л о в о - г е о ф и з и ­ ч е с к и м и ( к а р о т а ж н ы м и ) станциями.

Первое изучение физического поля в нефтяных скважинах с при­ кладной целью было проведено в Баку известным геологом Д.В. Го­ лубятниковым, в 1906 г. Д. В. Голубятников, измеряя максимальным термометром температуру вдоль оси скважины, пытался выявить обводняющиеся пласты. Однако должного распространения его ра­ боты не получили.

Толчком к бурному применению геофизических методов для ис­ следования скважин послужили работы профессора Парижской выс­ шей горной школы К. Шлюмберже, который в 1927 г. предложил ис­ пользовать для этой цели разработанный им метод полевой элект­ рической разведки.

И.М. Губкин обладал изумительным чувством нового. Электричес­ кий метод исследования скважин (электрический каротаж) уже в 1929 г. по инициативе И.М. Губкина и Д.В. Голубятникова был с боль­ шим успехом опробован на нефтяных промыслах объединения Грознефть, а позднее — в скважинах объединений Азнефть, Эмбанефть, Майкопнефть. В результате выполненных работ выявились большие

3

возможности нового метода, позволяющего без отбора керна полу­ чать ценную геологическую информацию о разрезе и содержании в нем нефти, что дает возможность значительно увеличивать скорость бурения и экономить средства. Первый положительный результат исследования был получен в скв. 1—35 Новогрозненского района в ноябре 1929 г. Здесь из XIX пласта, рекомендованного геофизиками к испытанию, при отсутствии достаточных признаков нефти в кер­ нах из скважины ударил фонтан с дебитом свыше 100 т/сут.

К работам по быстрейшему внедрению и развитию новой техно­ логии изучения разрезов скважин были привлечены молодые совет­ ские инженеры: К. А. Верпатов, В. Н. Дахнов, И. Г. Дидура, С. Г. Кома­ ров, С. Я. Литвинов, Г. С. Морозов, Г. Н. Строцкий и др. В эти годы на основании наблюдений, выполненных в Азербайджане, создается новый электрический метод — метод потенциалов собственной по­ ляризации (СП), который существенно дополнил метод сопротивле­ ний, увеличив надежность выделения продуктивных пластов.

Развитие новых бескерновых способов изучения разрезов сква­ жин способствовало резкому повышению эффективности буровых работ. В результате уже к 1933 г. электрические исследования сква­ жин получили повсеместное распространение на промыслах Совет­ ского Союза.

Всвою очередь, высокая эффективность электрических методов исследования стимулировала развитие других геофизических иссле­ дований скважин. В 1933 г. в Баку акад. М. В. Абрамович предложил анализировать буровой раствор на содержание в нем углеводород­ ных газов — возникла основа для создания газометрии скважин.

Вэти же годы в Советском Союзе создаются методы скользящих кон­ тактов (А. С. Семенов и О. К. Владимиров), магнитный (В.А. Шпак) и др., за рубежом — метод потенциалов вызванной поляризации (К. Шлюмберже).

В1934 г. ленинградские геофизики Г.В. Горшков, А.Н. Граммаков, В.А. Шпак и Л.М. Курбатов предложили метод естественной радио­ активности, или гамма-метод, а в 1940 г. акад. Б. Понтекорво — нейт­ ронный гамма-метод. Это привело, начиная с 50-х годов, к развитию комплекса современных радиоактивных методов исследования сква­ жин и аппаратуры (Б Б. Лапук, Л.С. Поллак, Г.Н. Флеров, Д.Ф. Беспа­ лов и др.).

В1948— 1953 гг. под руководством Г. Долля были разработаны бо­ ковой и индукционный методы, метод микрозондов, которые в на­ стоящее время широко применяются в промышленности. В 1953— 1958 гг. в Советском Союзе были предложены модификации плотно­ стного и селективного гамма-гамма-методов для поисков рудных месторождений и угля (А. П. Очкур, Ю. П. Булашевич, Г. М. Воско­ бойников и др.).

Успешному развитию геофизических исследований скважин во многом способствовали теоретические разработки в области распро­ странения физических полей. Основоположником теории электри­ ческого метода сопротивлений явился советский ученый, акад.

4

В.А. Фок. Его решение задачи о распространении электрического поля в скважинах было использовано Л.М. Альпиным и С.Г. Кома­ ровым для создания количественной интерпретации результатов метода сопротивлений. Начало работ по теории радиоактивных ме­ тодов исследования было положено в 1948 г. трудами А.И. Заборовского, Г.В. Горшкова и позднее Ю.П. Булашевича и др.

Интенсивное развитие промысловой геофизики способствовало созданию нового научного направления в геологической науке — на­ уки о физических свойствах горных пород, их взаимных связях и закономерностях изменения — петрофизики. Большой вклад в раз­ витие петрофизики внесли В.Н. Дахнов, В.Н. Кобранова, М. ЛОзерская и др. Петрофизика явилась научной базой для количественной геологической интерпретации геофизических данных.

За рубежом значительный вклад в развитие теории геофизичес­ ких методов внесли Г. Долль, Г. Арчи, М. Мартен, Д.Деван, Г. Гюйо, В. Рассел, М. Уайли и другие исследователи; ими же дано петрофи­ зическое обоснование методов.

В последние годы значительно увеличились глубины скважин, значительно усложнились условия их проходки. Это потребовало создания новых высокопроизводительных приборов и аппаратуры на основе достижений электронной техники и широкого внедрения обработки геофизических данных на ЭВМ.

Разработаны комплексные скважинные приборы — агрегатированные системы геофизических скважинных приборов, рассчи­ танные на высокие давления и температуры. Разработаны цифровая и компьютеризированная станции, автономные скважинные прибо­ ры для исследования в процессе бурения, ряд новых приборов (аку­ стический телевизор, пластовый наклономер, мощные генераторы нейтронов и др.). Все эти меры способствовали достижению высоких скоростей в бурении, повышению эффективности разведки.

Одним из новых направлений в промысловой геофизике в после­ дние годы явилось создание аппаратуры и системы геолого-геофизи­ ческого и технологического контроля за бурением и эксплуатацией скважин. Это позволило значительно расширить сферу промысло­ во-геофизических услуг, распространить ее не только на изучение геологического разреза скважин, но и на контроль за процессом стро­ ительства и эксплуатации скважин. Геофизические методы иссле­ дования эксплуатационных скважин стали в настоящее время основ­ ным источником информации о процессе разработки нефтяных и га­ зовых месторождении, при подсчете запасов нефти и газа.

Введение, гл. I (кроме § 7) и § 6 и 7 в гл. VI написаны В. М. Добры­ ниным; гл. II, III, X — Р. А. Резвановым; гл. V, VI (кроме § 6 и 7 ) и § 7 в гл. I — Б. Ю. Венделынтейном; гл. IV, VII—IX и XI — А. Н. Африкяном.

5

Г л а в а I.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН

При проведении исследований скважин электрическими метода­ ми изучают удельное электрическое сопротивление, естественную (собственную) и искусственно-вызванную электрохимические актив­ ности горных пород. На определении удельного электрического со­ противления основываются метод кажущихся сопротивлений (в том числе в модификации микрозондов и экранированного заземления) и индукционный метод исследования скважин.

Различие в естественной (собственной) электрохимической актив­ ности используют при исследованиях скважин методом потенциалов собственной поляризации (метод СП), а вызванную электрохимичес­ кую активность горных пород изучают методом потенциалов выз­ ванной поляризации (метод ВП).

§ 1. УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Известно, что электрическое сопротивление R проводника дли­ ной I, состоящего из однородного материала и имеющего постоянное поперечное сечение s, можно определить по формуле

R = p l/s

(1.1)

Коэффициент р в уравнении (1.1) назы вается у д е л ь н ы м

э л е к т р и ч е с к и м с о п р о т и в л е н и е м

и измеряется в при­

кладной геофизике в ом-метрах (Ом • м). Удельное электрическое сопротивление1*обратно пропорционально удельной электрической проводимости (электропроводности) горных пород.

Осадочные горные породы, слагающие разрезы нефтяных, газо­ вых, угольных и многих рудных месторождений, состоят из породо­ образующих минералов и пустот (пор), заполненных водой, нефтью, газом или смесью этих флюидов. Большинство породообразующих минералов имеют очень большое сопротивление и практически не проводят электрического тока.

Удельное электрическое сопротивление (в Ом ■м) породооб­

разующих и рудных минералов:

 

 

Пирит.......................

НГ4—10"'

Кальцит........... .......

107—1012

Графит.....................

10-6—10-4

Кварц......................

1012—1014

Магнетит..................

10-4—10-2

Полевые шпаты......

10й—1012

Антрацит.................

10-3—1,0

Слюда.....................

10й—1015

Каменный уголь.....

10—1016

Нефть.....................

109—1016

Ангидрит.................

107—Ю10

 

 

1В дальнейшем для краткости будем называть удельным сопротивлением, опуская слово «электрическое».

6

Примесь в осадочной породе высокопроводящих рудных ми­ нералов (пирита, магнетита и др.) при содержании, меньшем 5%, ока­ зывает небольшое влияние на удельное сопротивление породы. Оса­ дочные породы, слагающие разрезы нефтяных и газовых месторож­ дений, как правило, содержат менее 5% рассеянных зерен рудных минералов. Однако, несмотря на весьма высокое сопротивление ос­ новных породообразующих минералов, удельное сопротивление раз­ личных осадочных пород в естественном залегании изменяется в широком диапазоне — от десятых долей ом-метра до сотен тысяч ом-метров (рис. 1).

Горная порода

Удельное электрическое сопротивление, Ом-м

Йнгидрит

йргиллит

йлебоолит

базальт

ГаЬдра

Глина Глинакарбонатная

Гнейс

гранит

Диаоаз

доломит

Известняк плотный Конгломерат мергель

Песок песчаник рыхлый

Песчанокплотный Ласокипр/чоник нефтеносный

сланецглинистый саль каменная

угольантрацит *<>ЬиРт чВр-7

Уголь mouwS каменный Уголь жирный каменный Уголь бчрый

■««»н» ■1

..L.unm

1I IUUI

»11 «■««'

1*■“»■ ■«■

 

.....

Ю'3

Юг

10

Ю

10

10г

103

10*

10s

10

Рис. 1. Удельное электрическое сопротивление горных пород (по В. Н. Дахнову)

Роль проводника при прохождении электрического тока через осадочные породы играет пластовая вода, содержащая растворен­ ные соли. Величина удельного сопротивления породы в каждом от­ дельно взятом случае зависит от удельного сопротивления насы­ щающих поры породы пластовых вод; процентного содержания вод­ ных растворов и углеводородов в порах породы; текстурны х особенностей породы.

Удельное сопротивление пластовых вод, в свою очередь, зависит от концентрации, состава растворенных солей и температуры. При равных концентрациях (минерализациях) значения удельного сопро­ тивления водных растворов солей сильных кислот близки. Наиболее высокую концентрацию в пластовых водах имеют ионы C l-, S 042, Na+, Са2+и Mg2+.В меньшем количестве содержатся ионы I-, Вг~ и др. Соль

7

NaCl преобладает. Поэтому обычно при определении удельного со­ противления пластовых вод нефтяных и газовых месторождений по известной минерализации влиянием состава растворенных в плас­ товой воде солей пренебрегают и условно считают, что в растворе имеется только одна соль NaCl.

Общую минерализацию пластовых вод приравнивают к мине­ рализации раствора NaCl и удельное сопротивление с учетом тем­ пературы определяют по графику, изображенному на рис.2.

Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления рв раствора хло­ ристого натрия от его концентрации С, температуры t и плот­ ности Be или 8р2о

Шифр кривых — г,'С

8

Как видно, с увеличением температуры на 1 °С удельное сопро­ тивление растворов снижается в среднем на 2%. В небольшом диапа­ зоне температур (например, от нуля до 50 °С) для приведения удель­ ного сопротивления раствора к заданной температуре можно исполь­ зовать также формулу

Pt= РгоС1 - «-(t - 20)].

(1-2)

где р2о — удельное сопротивление раствора при t=20 °С, Ом • м; t — температура, °С; а — температурный коэффициент, равный прибли­ женно 0,023 С-1.

Поскольку проводником электрического тока в большинстве оса­ дочных пород является пластовая вода, а породообразующие мине­ ралы не проводят электрического тока, удельное сопротивление за­ висит не только от минерализации пластовых вод, но и от их объема, или при 100% -ном насыщении пластовой водой — от величины ко­ эффициента пористости пород. Чем выше коэффициент пористости породы, тем больше в ней содержится проводящего ток флюида и тем ниже ее удельное сопротивление. При изучении зависимости удельного сопротивления от коэффициента пористости пород для исключения влияния минерализации пластовых вод обычно пользу­ ются относительным сопротивлением, которое при 100% -ном насы­

щении пор породы пластовой водой называется п а р а м е т р о м

п о ­

р и с т о с т и ,

 

^п=Рвп/Рв

(1-3)

где Рп — параметр пористости; рвп — удельное сопротивление по­ роды при 100% -ном насыщении ее пластовой водой, Ом • м; рв — удельное сопротивление пластовой воды, Ом ■м.

Исследования показывают, что для большинства осадочных гор­ ных пород связь сопротивления с величиной пористости выражается эмпирической формулой

Рп=Рвп/Рв = ат //спт >

(!-4)

где кп— коэффициент пористости породы; атитп — постоянные для определенной группы пород коэффициенты, зависящие от конфигу­ рации токопроводящих путей в породе (степени цементации поро­ ды). По В. Н. Дахнову, коэффициенты am n m для осадочных пород могут иметь следующие значения: ат =1 + 0,8; ш =1,3+ 2,3.

На рис. 3 приведены обобщенные кривые зависимости параметра Рп от коэффициента пористости породы. Эти кривые рекомендуется использовать для оценки коэффициента пористости по данным со­ противления в том случае, когда отсутствуют экспериментальные зависимости, полученные при изучении образцов из исследуемых отложений.

Зависимости Рп= f(k„) чащ е всего строят на основании экс­ периментального изучения образцов кернов породы в атмосферных условиях. Горные породы в естественном залегании испытывают дей­ ствие высоких давлений и температуры, в результате чего коэффи­

9

циент пористости уменьшается, а удельное сопротивление возрас­ тает. Эти обстоятельства способствуют увеличению наклона кривых. На рис. 126 изображены экспериментальные кривые, иллюстриру­ ющие влияние всестороннего сжатия на вид Рп= /(кп). Увеличение температуры ведет к возрастанию параметра пористости для чис­ тых или малоглинистых пород и его снижению для глинистых пород. Способ введения поправок за влияние пластовых условий изложен в работах [3].

Рис. 3. Зависимость параметра пористости Р„ от коэффициента пористости пород кпдля терригенных и карбонатных пород в атмосферных условиях (по В.Н. Дахнову).

1—пески; 2—слабосцементированныепесчаники;3—сред- несцементированныепесчаники; 4 —ракушечныеиглинис­ тыеизвестняки; 5—известнякиидоломитыкрупнокристал­ лические среднейуплотненности; б—известнякиидоломи­ ты плотные итонкокристаллические

На удельное сопротивление глинистых песчаников, помимо ми­ нерализации пластовой воды, температуры и давлений, оказывает влияние поверхностная проводимость, обусловленная адсорбционной способностью тонкодисперсной глинистой фракции. Эта дополни­ тельная проводимость снижает удельное сопротивление глинистых пород. Особенно заметным становится влияние поверхностной про­ водимости при насыщении глинистой породы пресной или опреснен­ ной водой. В этих условиях величина параметра пористости одной и той же породы изменяется в зависимости от минерализации насы­ щающего электролита. Для оценки роли поверхностной проводимо­

сти породы вводят в рассмотрение к о э ф ф и ц и е н т

п о в е р х н о ­

с т н о й п р о в о д и м о с т и П:

 

Я = Р п/Рпнас,

(1-5)

где Рп — параметр пористости породы, содержащей низкоминера­ лизованную воду; Рп нас— параметр пористости породы, содержа­ щей насыщенный раствор электролита («истинный» параметр пори­ стости). Коэффициент поверхностной проводимости П зависит от удельного сопротивления поровых вод и глинистости породы (рис. 4). Таким образом, согласно формулам (1.3) и (1.5) удельное сопротив­ ление водонасыщенной породы рвп можно выразить через параметр пористости Рп, коэффициент поверхностной проводимости П и удель­ ное сопротивление поровой воды рв:

Рва= П Р прв

(1.6)

10