125

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет «Геолого-географический»

Рассмотрено и рекомендовано на заседании кафедры геоэкологии и прикладной геохимии ЮФУ Протокол № «____» ___________ 2009 г. Зав. кафедрой________________

УТВЕРЖДАЮ Декан факультета (зам. декана по учебной работе) _________________________________ «____»_______________200 г.

КУРС ЛЕКЦИЙ

учебной дисциплины «ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН»

по специальности 130304 (080500) «Геология нефти и газа»

Составитель: проф. Н.Е.Фоменко

Ростов-на-Дону

2009

АННОТАЦИЯ

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

Стр.

Введение………………………………………………………………..…………….4

Модуль 1 Основные понятия дисциплины ГИС, методы каротажа сопро-

тивлений...................................................................................................

Основные понятия и определения предмета ГИС. Содержательная часть

модулей…………………………………………………………………………

Физико-геологические предпосылки каротажа на основе естественных

и искусственных геофизических полей.………………….…………..............5

Методы каротажа сопротивлений, регистрация диаграмм КС, их качест-

венная и количественная интерпретация. Технология БКЗ. Микромоди-

фикации метода КС. Токовый, дивергентный и боковой каротаж, качест-

венная и количественная интерпретация диаграмм этих методов…………

Модуль 2 Методы ГИС на основе переменных электромагнитных полей

и полей естественной и вызванной поляризации…………………

Индукционный и волновой методы каротажа, качественная и количес-

твенная интерпретация каротажных диаграмм этих методов.....................

Технология высокочастотного индукционного каротажа изопараметри-

ческих зондирований (ВИКИЗ), качественная и количественная интер-

претация каротажных диаграмм……………………………………………..

Каротаж естественной (метод ПС) и вызванной поляризации (метод ВП),

качественная и количественная интерпретация каротажных диаграмм

этих методов………………………………………………………………….

Модуль 3 Радиоактивные и акустические методы ГИС

Взаимодействие ионизирующих излучений (гамма-квантов и нейтронов)

с веществом. Радиометрические методы естественной (ГК, СГК) и искус-

ственной (ГГК, ГГК-С) гамма активности. Нейтронные методы каротажа…

Акустический каротаж, основные элементы аппаратуры, виды запися,

качественная и количественная интерпретация каротажных диаграмм........

Модуль 4 Методы каротажа в процессе бурения и контроля технического

состояния скважин

Методы ГИС, основанные на использовании буровой техники. Газовый

каротаж…………………………………………………………………………..

Прострелочно-взрывные работы в скважинах. Опробователи пластов на

кабеле……………………………………………………………………………

Изучение технического состояния скважин. Методы инклинометрии,

кавернометрии и профилеметрии. Контроль качества цементирования

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.

Модуль 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.

• Содержание модуля.

ТЕМА: Основные понятия и определения дисциплины ГИС. Содержательная часть модулей. Физико-геологические предпосылки каротажа на основе естественных и искусственных геофизических полей.

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.

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

d_с – диаметр скважины, d_к – диаметр каверны, d_зп – диаметр зоны проникновения, d_пп – диаметр промытой зоны, d_гк – 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.

ТЕМА: Методы каротажа сопротивлений, регистрация диаграмм КС, их качественная и количественная интерпретация. Технология БКЗ.

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:

ρ – удельное электрическое сопротивление;

σ = 1/ρ - удельная электропроводность;

ε – диэлектрическая проницаемость;

μ – магнитная проницаемость;

Е_д, Е_ф, Е_а - 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 (ρ_к), которое, как и в электроразведке, определяется по формуле:

ρ_к = ΔU/I*k (1), где

ΔU – разность потенциалов, I – сила тока, k – коэффициент установки, рассчитываемый по формуле:

k = 2π*AM*AN/MN (2)

Если зонд КС находится в однородной и изотропной среде, то ρ_к соответствует истинному ρ_ист. Как и в электроразведке, для зондов КС справедлив принцип взаимности, согласно которому величина ρ_к 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 ρ-кажущегося к ρ-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» ρ_к, либо средние (ρ_к ^сред), либо максимальные (ρ_к ^мах), либо оптимальные (ρ_к ^опт) (рис.8).

Рис. 8. Определение существенных значений ρ_к

для градиент-зонда:

1 –исследуемый пласт, 2- вмещающие породы

Геофизическая интерпретация проводится с целью определения ρ_п 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.

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

ρ_{п –} УЭС пласта

ρ_с – УЭС промывающей жидкости (бурового раствора)

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

а для потенциал-зондов – расстояние АМ)

d_c – диаметр скважины

ρ _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 ρ_к /ρ_с . 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

ρ_к/ρ_с от L/d с шифром ρ_п/ρ_с (рис. 10), притом, что кривые каждой трёхслойной палетки отличаются по параметрам D/d_c и ρ_зп/ρ_с (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 ρ_ист, то есть ρ_п. БКЗ заключается в измерении ρ_к 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 d_c. 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 ρ_с и d_c. Кроме того, выполняют измерения микрозондами.

Обработка диаграмм заключается в выделении границ пластов, отсчете существенных значений ρ_к 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 ρ_к. Для пластов средней мощности и являющихся высокоомными используют ρ_к ^сред и

ρ_к ^мах. Для пластов малой мощности с высокими значениями ρ_к снимают экстремальные значения. Кривые БКЗ, зарегистрированные в пластах средней и малой мощности, которые, как правило, преобладают в разрезах, приводят к кривым ρ_к 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 ρ_к 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 ρ_п), 2) очень высокое или очень низкое ρ_п 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 ρ_к, ρ_с, d_c, L и вычислялись параметры ρ_к/ρ_с и L/d_c (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