§ 73. Комплексные геофизические исследования скважин в процессе бурения

В последние годы получили развитие комплексные геофизи­ческие исследования скважин в процессе бурения, основанные как на модификациях известных геофизических методов, так и на геолого-геофизической информативности технологических параметров процесса бурения скважин. В комплекс входят ме­тоды исследования скважин в процессе бурения, реализация ко­торых возможна одновременно с углубкой скважины (табл. 6).

О

Комплекс методов геофизических исследований скважин, применяющихся в процессе бурения

становимся на методах геофизического исследования сква­жин в процессе бурения, которые наиболее полно разработаны, представляют наибольший практический интерес для изучения геологического разреза и не были рассмотрены выше.

Способ получения информации	Определяемые пзраметры (метод)	Основная геологическая информация
Исследование физико­химических свойств промывочной жид­кости	Газосодержание промывоч­ной жидкости и газовые ха­рактеристики (газометрия в процессе бурения) * Нефтегазонасыщен не промы­вочной жидкости (люминес- центно-бнтуминологический метод) * Электрические характери­стики промывочной жидко­сти (сопротивление, элек­тропроводность, диэлектри­ческая проницаемость) Плотность промывочной жидкости Вязкость промывочной жидкости Гамма-активность промы­вочной жидкости Температура промывочной жидкости	Характер насыщения коллекторов (состав пла­стового флюида), коэффи­циент нефтегазонасы- щения Характер насыщения коллекторов То же Г азонасыщенность, гид­родинамические харак­теристики То же Радиоактивность раз­реза Газонасыщенность, изу­чение многолетнемерз­лых пород, температур­ный режим скважин

Таблица 6

• Методы, применяющиеся в промышленном масштабе или находящиеся в стадии промышленного опробования.

¹ Параграф написан Э. Е. Лукьяновым при участии Г. С. Кузнецова.

Способ получения информации	Определяемые параметры (метод)	Основная геологическая информация
Изучение физико-хи­мических свойств шлама	Газоводородосодержание и нефтебнтумосодержание шлама Плотность, пористость, про­ницаемость, глинистость и карбонатность шлама	Литологнческая харак­теристика разреза, кол­лекторские свойства, характер насыщения кол­лекторов То же
Изучение характери­стик гидравлической системы в процессе бурения	Давления на входе (метод давления) 1 Расход промывочной жидко­сти на выходе (фильтра­ционный метод)	Литологическое расчле­нение разреза, определе­ние зон поглощения, на­чального пластового дав­ления, зон с аномально высоким пластовым дав­лением и т. д. Литологическое расчле­нение разреза, выделе­ние коллекторов, опреде­ление их фильтрационно- емкостных свойств
Научение характери- < гик гидравлической системы в процессе бурения	Расход промывочной жид­кости на входе* Разница расходов промы­вочной жидкости Уровень в приемной ем­кости *	Литологическое расчле­нение разреза, выделение коллекторов, определе­ние их фильтрационно- емкостных свойств То же »
Изучение характери­стик бурового обору- донання в процессе бурения	Глубина скважины во вре­мени * Продолжительность и ско­рость бурения (ДММ) Масса инструмента, нагруз­ка на долото (метод энерго­емкости) * Частота вращения долота * Частота и амплитуда вибра­ции долота	Глубина залегания пла­стов, пропластков, зон по­глощения и т. д. Литологическое расчле­нение разреза, выделение коллекторов Литологическое расчле­нение разреза То же »

Электрические методы исследования скважин в процессе бурения

Исследование разрезов скважин в процессе бурения мето­дами электрометрии позволяет получать оперативные сведения для выделения нефтегазоносных пластов, определения их харак­теристик н планирования дальнейших геофизических работ по детальным работам. Поскольку подобные измерения ведутся вскоре после бурения, показания электрических методов мало искажены влиянием фильтрата промывочной жидкости.

Э

Рис. 137. Кривые КС и СП, заре­гистрированные при электрических исследованиях скважин в процессе бурения при использовании в каче­стве линии связи бурильных труб (а) и после окончания бурения при­бором на кабеле (б)

лектрические сигналы с зондовых устройств для за­мера кажущегося сопротивле­ния можно передать тремя пу­тями: 1) непосредственно по колонне бурильных труб — беспроводная линия связи;

2. по встроенной в колонну бурильных труб проводной ли­нии связи; 3) по промывочной жидкости.

Наиболее удобна в эксплу­атации и проста по конструк­ции электрическая линия свя­зи по колонне бурильных труб. В разрезах скважин, сложенных породами низкого удельного электрического со­противления, дальность дей­ствия электрической линии связи по колонне бурильных труб составляет 1000 м, а в ус­ловиях высокоомных разре­зов— 3000 м.

Беспроводная линия связи имеет ограничения дальности действия. Дальность ее дей­ствия может быть увеличена путем снижения частоты пе­редающего сигнала, примене­ния труб из сплавов легких металлов с лучшими электри­ческими характеристиками, со­гласования забойного передат­чика с нагрузкой и увеличе­ния мощности передатчика. Установлено, что наиболее оп­тимальная частота передавае­мого сигнала 5—15 Гц.

Аппаратура для электрометрии скважин в процессе бурения состоит из двух частей: глубинного прибора и наземного ре­гистрирующего устройства. Б глубинный прибор, устанавливае­мый выше турбобура, входят зонд с кольцевыми электродами, укрепленными на электрически изолированной поверхности утя­желенной бурильной трубы, и забойный генератор-передатчик. В качестве забойного передатчика используется электромашин- ный генератор, который приводится во вращение автономной турбиной. Генератор-передатчик создает в горных породах ква- зистационарное электрическое поле. Характеристики искус­ственного электрического поля измеряются путем последова­тельного включения измерительных датчиков. Для привязки значений КС по глубине используются показания регистратора перемещения бурильного инструмента по скважине во времени.

Ыа рис. 137 сопоставлены кривые КС и СП, полученные в процессе бурения и обычным способом с помощью кабельной связи. На диаграмме КС, записанной в процессе бурения, по­роды разделяются четче и имеют более высокие значения р_к, чем на кривой КС, зарегистрированной после бурения.

Детальный механический метод

Механическим методом определяются продолжительность и скорость бурения. Продолжительность бурения — это время, за­трачиваемое на бурение 1 м породы. Скорость бурения характе­ризуется углублением скважины в единицу времени.

Степень трудности разрушения тех или иных горных пород определяется параметром их буримости. Буримость горных по­род является функцией многих переменных, зависящих от гео­логических, технических и технологических факторов. Основной из этих факторов — критическое сопротивление горных пород разрушению долотом в процессе бурения, т. е. напряжение, ко­торое зависит от типа породы, временных сопротивлений ее на сжатие и срез, а также от приложенной нагрузки.

Различают критические напряжения зерен скелета горных пород, цементирующего вещества и связи между зернами и це­ментом. Продолжительность бурения пластических пород зави­сит в основном от прочности цементирующего вещества и его связи с частицами породы.

Наибольшими критическими напряжениями отличаются мо­нолитные кварциты и полиминеральные магматические породы. Из осадочных пород самой высокой сопротивляемостью разру­шению долотом в процессе бурения характеризуются извест­няки с повышенной степенью кристаллизации и окрсмнелостн. Песчано-алевритовые породы имеют несколько меньшую сопро­тивляемость. Из песчаников наиболее прочны кварцевые разно­сти с кремнистым цементом, наименее прочны песчаники с гли­нистым цементом. Глины, глинистые сланцы и аргиллиты, а также пески и другие рыхлые породы отличаются низким кри­тическим напряжением, а наименьшее оно у лёссов, плывунов, болотистых грунтов, торфяников.

Показателями бури мости горных пород служат скорость бу­рения (м/ч, м/мин) и продолжительность бурения (ч/м, мин/м), определяемые через время бурения интервала разреза — углуб­ления скважины (1,0; 0,5; 0,4; 0,2 м).

Скорость и продолжительность бурения связаны обратной зависимостью, и точность их определения при высоких скоро­стях бурения и высокой дифференцированности разреза по бу- римости зависит в основном от точности установления времени бурения отдельных интервалов. Учитывая это, а также тот факт, что время бурения интервала линейно связано с твер­достью пород по штампу (в лабораторных условиях), предпоч­тительнее регистрировать время в линейном или логарифмиче­ском масштабе. Для детального расчленения разреза по бури- мости желательно использовать оба показателя, так как скорость бурения хорошо дифференцирует легко буримые ин­тервалы разреза скважины, а продолжительность бурения — трудно буримые интервалы.

Регистрация кривой продолжительности бурения Тб1 с ма­лым шагом квантования по глубинам (0,4; 0,2 м) —детальный механический метод (ДММ).

Интерпретация диаграмм продолжительности бурения осно­вана на обратной связи времени, затрачиваемого на бурение

1. м породы, с ее критическим напряжением. Эта связь описы­вается разными формулами для лопастных и шарошечных долот. При интерпретации данных продолжительности бурения следует учитывать изменение давления на забой, частоту вра­щения долота, диаметра и типа долота, а также степень срабо­танности долота и его замену. Недоучет этих факторов может привести к существенным погрешностям интерпретации резуль­татов определения продолжительности бурения, а следова­тельно, и коэффициента разбавления промывочной жидкости при газомстрии скважин в процессе бурения (см. § 70).

По данным продолжительности бурения можно проводить литологическое расчленение разрезов скважин. Наибольшая продолжительность бурения 1 м породы характерна для магма­тических и метаморфических пород, а также сильно сцементи­рованных осадочных пород, например доломитов, кристалличе­ских известняков, сливных песчаников.

С повышением пористости и нарушения связи между зер­нами породы продолжительность бурения уменьшается. Так, по­ристые песчаники, известняки и доломиты отмечаются средней продолжительностью бурения, а высокопористые пески и мел — низкой. Особенно четко выделяются каверны и карстовые пу­стоты в толще карбонатных отложений. Следует отметить, что для глин наблюдается ярко выраженная тенденция увеличения продолжительности бурения с глубиной.

Рис. 138. Пример расчленения разреза по данным разных методов.

/ — кривая продолжительности бурения; 2 —кривая скорости бурения: 3—кривая про­должительности бурения, записанная в логарифмическом масштабе

Точность литологического расчленения разреза скважин возрастает при комплексной интерпретации диаграмм продол­жительности бурения с другими геофизическими методами ис­следования скважин (рис. 138).

Фильтрационный метод

При вскрытии коллекторов обычно происходит фильтрация промывочной жидкости в пласт, зависящая от поглощающей способности пород. Для изучения поглощающей способности пород применяется фильтрационный метод (ФМ), основанный на непрерывном контроле за уровнем промывочной жидкости в приемной емкости буровой установки или на непрерывной ре­гистрации расхода этой жидкости при выходе ее из скважины.

В случае использования специальных очистных сооружении (вибросит, гидроциклопов и т. п.). т. е. когда предусматрива­ется удаление выбуренной породы из циркуляционной системы, уровень промывочной жидкости понижается пропорционально объему породы, выбуренной по мере углубления скважины, и степень этого снижения зависит от фильтрационных свойств разбуриваемой породы.

Таким образом, фильтроемкостные свойства вскрываемых пород отражает также расход промывочной жидкости на вы­ходе ее из скважины. Метод контроля расхода промывочной жидкости при выходе ее из скважины нашел наиболее широкое применение благодаря простоте его реализации и помехоустой­чивости.

Таким образом, имеется реальная возможность фиксировать в масштабе глубин количество фильтрующейся в пласт жидко­сти, которое по формуле Ламба — Форхгеймера пропорцио­нально относительной проницаемости пласта:

О, = 4г_сДр/г_пр/|А,

где ($ — дебит гидродинамически несовершенной скважины; г_с—-радиус скважины; Ар — давление на пласт; к_пр — относи­тельная проницаемость пласта по воде; ц — вязкость фильт­рующейся смеси.

Приведенное соотношение позволяет перейти от кривой фильтрационного метода к профилю фильтрации в исследуемом интервале, что дает представление об относительной проницае­мости коллектора.

Отрицательным фактором при использовании фильтрацион­ного метода является поглощение промывочной жидкости ра­нее вскрытыми коллекторами, продолжающееся довольно дли­тельное время. На кривой фильтрационного метода (рис. 139) отражено начало поглощения жидкости с глубины 1648 м. Про­филь фильтрации показывает, что по данным СП, пласт од­нороден, а по относительной проницаемости он довольно хо­рошо дифференцирован в интервале 1648—1658 м. Это может быть объяснено разной относительной проницаемостью пласта в отдельных его интервалах, что обусловлено как различием коллекторских свойств прослоев, так и избирательной фильтра­цией, зависящей от типа флюида, насыщающего пласт. Заме­чено, например, что относительная проницаемость газо- и водо­носных пластов лучше, чем нефтеносных. Этот факт может быть использован для выделения в однородных пластах нефте-, газо- и водоносных участков.

Д

*3 г	—KCA2.0M0.5N — СП 0 f фкм	ФМ 3300 , ¡600 я	Профиль фильтрации 0 200 ицо Vм
'652_ ;в5б №0т	**/ У / 1 \ N •> / * / \ 1 1 ( | ч 1	>

Рис. 139. Пример выделения прони­цаемых интервалов по данным фильтрационного метода

анные фильтрационного метода позволяют проводить ли­тологическое расчленение раз­реза, выделять пласты-кол­лекторы и определять их филь­трационные свойства.

Метод энергоемкости

Энергоемкость горных по­род характеризуется количе­ством энергии, затрачиваемой на бурение единицы длины скважины. Она зависит от прочностных свойств пород, контролируемых их петрофи- знческими особенностями, ко­личества и качества промы­вочной жидкости, типа забой­ного двигателя и типа долота

Рис. 140. Пример расчленения разреза по данным метода энерго­емкости

и при прочих равных условиях отражает лнтологнческие осо­бенности разреза скважины.

Удельная энергоемкость горных пород

⁼ N

где —мощность, реализуемая на забое; 5_;, — площадь забоя скважины.

Полная энергоемкость процесса бурения с учетом всех по­терь

Л б= А^б/^б5₃.

где Ыа— мощность, затрачиваемая на весь процесс бурения.

Таким образом, определение энергоемкости процесса буре­ния и удельной энергоемкости горных пород позволяет полу­чить дополнительные данные о прочностных свойствах пород, вскрываемых скважиной, и тем самым повышает достоверность интерпретации геофизических материалов. Так, установлено, что наименьшими удельной энергоемкостью пород и энерго­емкостью процесса бурения характеризуются наиболее прони­цаемые, высокопористые коллекторы (рис. 140). Кроме того, данные метода энергоемкости (МЭ) позволяют контролировать и корректировать технологический процесс бурения скважин.

Метод давления

При постоянном расходе и неизменных показателях про­мывочной жидкости давление, замеренное на стояке манн- фольда (на устье скважины), должно, казалось бы, плавно

повышаться по мере уг­лубления скважины. Од­нако при регистрации этого давления в процессе бурения скважины выяс­нилось, что оно изменя­ется в значительных пре­делах как в сторону уменьшения, так и в сто­рону увеличения.

П

<3 2-	КС СП A2.0M0.5N	гм мд
Г	о /о го ом м у 50 100 ом м	71.66 №,65-Ю* А/кг 'л Н , Н
		£г1Ч 126 28 мпа
/856	| 25 мВ у*	$ }
-
/872	5
	| )	% ^
/ш_	X ч
-	% V
1Э0и_	■»- <" ^ ^
то	> >

Рис. 141. Пример расчленения разреза по данным метода давления

ри бурении плотных непроницаемых пород давление на стояке мани- фольда закономерно рас­тет с глубиной, а при вскрытии коллекторов, в которых пластовое дав­ление меньше давления жидкости в стволе сква­жины, регистрируемое давление снижается за счет фильтрации промы­вочной жидкости в про­ницаемый пласт. Импульс давления, обусловленный перепадом давления на пласт, передается на поверхность по столбу скважинной жид­кости практически мгновенно и может быть зарегистрирован. Время выравнивания давления между пластом-коллектором и скважиной зависит от коллекторских свойств пластов и перво­начального давления.

Кривая метода давления хорошо сопоставима с кривыми стандартных методов (КС, СП, ГМ) (рис. 141).

Таким образом, данные метода давления отражают геоло­гическое строение разреза. По перепаду давления на пласт и гидродинамическому давлению в стволе скважины можно опре­делять первоначальные пластовые давления для отдельных пластов и прослоев.

Большое будущее принадлежит методу давления при выде­лении зон с аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД), зон трещиноватых коллекторов, а также интервалов поглощения промывочной жидкости и участков гидравличес­кого разрыва пластов.

Области применения комплекса методов геофизических исследований скважин в процессе бурения и решаемые им задачи

Сведения, получаемые при исследовании скважин в про­цессе бурения, позволяют решать следующие геологические, технологические и экономические задачи: 1) лнтологическое

расчленение разреза и выделение пород-коллекторов; 2) опре­деление характера насыщения пластов; 3) оперативная оценка ряда физических параметров пород-коллекторов и предвари­тельная оценка их коллекторских свойств; 4) определение ин­тервалов установки башмака технической и эксплуатационной колонн; 5) оптимизация процесса бурения для скоростного бу­рения скважин с контролем режима обработки долот; 6) выбор условий безаварийного бурения скважин (прогнозирование зон АВПД, выбор оптимальной плотности промывочной жидкости, контроль дифференциального давления, контроль поглощения промывочной жидкости и притоков пластовой воды и т. п.); 7) бурение наклонно-направленных скважин по заданным углу и азимуту; 8) определение прочностных и абразивных свойств горных пород; 9) контроль процесса цементирования скважин и др.

Применение комплекса геофизических методов исследования скважин в процессе бурения экономически оправдано, так как наряду с получением новой геолого-геофизнческой информации появляется возможность сократить сроки строительства сква­жин на 15—20%, поднять общую технологическую культуру бурения скважин на новую ступень, довести показатели вновь сформированных бригад до уровня передовых практически с первых скважин. Комплексные геофизические исследования скважин в процессе бурения позволяют оперативно принимать решения по отбору керна, опробованию пластов и т. д.

Часть вторая

ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СКВАЖИН И КОНТРОЛЬ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ. ПРОСТРЕЛОЧНО-ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ