§2. Структура гдс

Сучасну науку про Землю – геофізику – умовно можна розділити на так звану загальну (планетарну) геофізику, що вивчає Землю як планету (космічне тіло), та прикладну геофізику, задачами якої є вирішення проблем, пов’язаних із життєдіяльністю людини. На рис. 1 схематично представлені взаємозв’язки між окремими напрямками геофізики. В прикладному напрямку, що іноді називають в літературі «розвідувальна геофізика», необхідно окремо виділити дві самостійні гілки, перша з яких об’єднує методи наземної геофізики (гравірозвідка, магніторозвідка, електророзвідка, сейсморозвідка, методи радіометричної зйомки), а друга – методи геофізичних досліджень свердловин (геофізичні дослідження нафтогазових свердловин – промислова геофізика, геофізичні дослідження вугільних свердловин, геофізичні дослідження рудних свердловин, геофізичні дослідження інженерних та гідрогеологічних свердловин). Останнім часом стрімкого розвитку набуває напрямок, що об’єднує методи вивчення геологічного розрізу, розкритого свердловиною, із наземними методами досліджень – свердловинна геофізика.

Рис. 1. Основні напрямки розвитку геофізичної галузі

На відміну від методів ГДС, що вивчають лише навколосвердловинний простір (перші метри у радіальному напрямку від вісі свердловини), свердловинна геофізика дозволяє дослідити міжсвердловинне середовище (вертикальне сейсмічне профілювання, міжсвердловинне прозвучування та ін.). Сучасні досягнення в галузі космічної техніки зробили можливим використання дистанційних зондувань Землі з борту космічних апаратів для вирішення задач як фізики Землі в цілому, так і для вирішення задач прикладної геофізики.

В залежності від кола задач, що розв’язуються, в геофізичних дослідженнях у свердловинах можна виділити наступні напрямки:

• вивчення геологічного розрізу;

• вивчення технічного стану свердловин;

• відбір зразків порід та пластових флюїдів, прострілочно-вибухові роботи у свердловинах;

• моніторинг за розробкою родовищ корисних копалин.

§3. Об’єкт досліджень та умови вимірів у свердловинах

Як зазначалося вище, об’єктом досліджень виступає складна багатокомпонентна дифузна система «свердловина – гірські породи».

Свердловина являє собою циліндричну гірську виробку, довжина якої є значно більшою за її діаметр. Вона складається з трьох основних частин: гирла (верх свердловини), вибою (дно свердловини) та стовбура (уся циліндрична частина від гирла до вибою). Просторове положення стовбура свердловини у гірських породах в загальному випадку може бути довільним. Найбільш розповсюджені вертикальні та нахилені свердловини; останнім часом все більшого об’єму набуває буріння горизонтальних свердловин.

Рис. 2. Схематичне зображення бурової установки. Стрілками позначений напрям руху промивальної рідини під час буріння.

Процес буріння полягає у розкритті (розбурюванні) гірських порід буровим інструментом (буровими долотами різних типів). При цьому частинки розбуреної гірської породи (шлам) з вибою на поверхню виносяться за допомогою бурового розчину (промивальної рідини), що безперервно циркулює в свердловині під час буріння. Буровий розчин подається за допомогою насосів з поверхні в колону бурильних труб, потрапляє на вибій крізь отвори у долоті (промиваючи його при цьому), підхоплює уламки гірських порід та повертається на поверхню із зовнішньої сторони колони бурильних труб. Напрямки руху бурового розчину позначені на рис. 2 стрілками.

В якості промивальної рідини при бурінні використовують воду, глинисті та глинисто-вапнякові розчини, розчини на нафтовій основі, емульсійні та інші розчини. Найбільш широкого застосування набули глинисті розчини. Необхідно підкреслити, що від фізико-хімічних властивостей промивальної рідини (зокрема, питомого електричного опору ρ_р) залежить ефективність методів геофізичних досліджень свердловин (ГДС).

Після закінчення буріння та проведення ГДС у відкритому стовбурі свердловину укріплюють обсадними металевими колонами. Простір між обсадною колоною та стінками свердловини заповнюється цементним розчином для закріплення свердловини та усунення штучного гідродинамічного зв’язку між окремими пластами.

Гірські породи мають різні механічні властивості. Щільні зцементовані породи при розбурюванні в околі стінок свердловини не руйнуються (щільні різновиди пісковиків, вапняків, доломітів, магматичні породи), і діаметр свердловини напроти таких порід дорівнює номінальному діаметру долота ( ); глинисті породи, солі, навпаки, розмиваються промивальною рідиною, внаслідок чого утворюються каверни, тобто збільшення діаметру свердловини ( ).

В розрізах нафтогазових свердловин найбільший інтерес викликають пористі проникні пласти (пласти-колектори), що здатні пропускати крізь себе рідину (воду, нафту, газ, конденсат) при певних перепадах тиску. Розкриття порід під час буріння відбувається, зазвичай, при переважанні тиску в свердловині над тиском у пласті-колекторі, тому в пористі породи проникає промивальна рідина. При цьому, оскільки пори порід-колекторів зазвичай мають невеликі радіуси (від одиниць до сотень мікрометрів), то в такі породи потрапляє тільки фільтрат промивальної рідини, а глинисті частинки осаджуються на стінках свердловини, утворюючи навпроти проникних пластів глинисту кірку, товщина якої може сягати 3 см, що обумовлює зменшення діаметру свердловини ( ).

Частина проникного пласта, в яку потрапив фільтрат промивальної рідини, називається зоною проникнення. Тут фільтрат змішується з пластовою рідиною, і питомий електричний опір ρ_зп цієї зони змінюється в радіальному напрямку (перпендикулярно до вісі свердловини). Із збільшенням відстані від стінки свердловини об’єм фільтрату в одиниці об’єму породи поступово зменшується і опір зони проникнення ρ_зп досягає значення опору незміненої частини пласта ρ_п. Умовно зоною проникнення вважають концентричний шар з ефективним діаметром D_зп та постійним опором ρ_зп. Поняття ефективного діаметру зони проникнення з постійним опором вводиться для апроксимації реального неоднорідного середовища і приймається з таким розрахунком, що його вплив на результати вимірів опору в неоднорідному середовищі (зоні проникнення) є еквівалентним фактичному діаметру зони проникнення. Найбільш змінена частина пласта поблизу стінки свердловини називається промитою зоною пласта (D_пп). В цій частині пласта фільтрат промивальної рідини практично повністю витісняє природні флюїди, що насичують пласт.

Рис. 3. Модель свердловини, якою розкритий осадовий розріз. В межах пласта колектора виділяють: І – промита частина пласта; ІІ – зона проникнення; ІІІ – незмінена частина пласта.

Крім того, зі зміною глибини свердловини постійно змінюються термобаричні умови досліджень (Р, Т). Необхідно також зазначити, що геологічні розрізи відрізняються один від одного не тільки за літологією (теригенні, карбонатні, хемогенні та інші розрізи), але і за потужністю пластів (від перших десятків сантиметрів до десятків та сотень метрів).

Таким чином до умов вимірювань слід віднести:

• цільове призначення (нафтогазова, вугільна, рудна, гідрогеологічна), конструкцію (обсаджена чи необсаджена) та геометрію свердловини (глибина, діаметр, вертикальна чи похилоспрямована);

• тип промивальної рідини (водна чи нафтова основа, наявність чи відсутність різного роду хімреагентів) та її фізико-хімічні властивості;

• тип досліджуваного розрізу (за літологією та потужністю пластів);

• термобаричні умови.

Перераховані вище чинники визначають конструктивні особливості геофізичної апаратури вцілому та її окремих частин.

Умови вимірювань впливають на вибір раціонального комплексу методів ГДС, на результати досліджень, тому обов’язково мають бути враховані при обробці та інтерпретації отриманих даних. Так, в умовах обсаджених свердловин і свердловин, заповнених непровідною промивальною рідиною, електричні методи є неефективними, натомість, підвищується роль ядерних і акустичних. В умовах не обсаджених свердловин, коли високоомні породи розкриті на низькоомному буровому розчині, електрохімічні методи та методи позірного опору будуть малоінформативними, і тоді необхідно використовувати методи ефективного опору (див. глави 1, 2).