9 Вивчення технічного стану свердловин.

9.1 Інклінометрія свердловин (ІК).

9.2 Кавернометрія (КМ) і профілеметрія (ПМ) свердловин.

3. Притокометрия в свердловинах.

10 Спеціальні операції в свердловинах

10.1 Перфорація і торпедування свердловин.

10.2 Опробування пластів і відбір ґрунтів.

Визначення елементів залягання гірських порід.

Практичні заняття

1. Обладнання каротажних станцій.

2. Каротажна станція АКС/Л-7. Пристрій і принцип дії.

3. Двоканальний свердловинний радіометр ДРСТ-2. Пристрій і принцип дії.

4. Вивчення устрою, принципу дії і градуювання каверномерів.

Рекомендована література.

1. Дьяконов Д.И., Леонтьев Е.И., Кузнецов Г.С. Общий курс геофизических исследований скважин. - М.: Недра, 1984.- 432 с.

2. Мейер В.А. Геофизические исследования скважин. Учебн. пособие - Л.: Изд-во Ленинград. ун-та, 1981.- 464 с.

I. Электрохимические методы каротажа

I.I. Каротаж потенциалов самопроизвольной поляризации (каротаж ПС)

Физическая основа

Потенциалы U_пc самопроизвольной (естественной) поляризации горных пород возникают в результате следующих физико-химических процессов:

1) диффузии солей из пластовых вод в буровой раствор или из раствора в пласт и адсорбции их ионов поверхностью частиц, составляющих породу;

2) фильтрации пластовых вод или фильтрата бурового раствора;

3) реакций, протекающих преимущественно на поверхностях соприкосновения горных пород с окружающей их средой (другими породами или глинистым раствором).

В зависимости от того, каков из перечисленных процессов вызывает поляризацию породы, потенциалы собственной поляризации подразделяются на диффузионно-адсорбционные, фильтрации (или течения) и окислительно-восстановительные.

Диффузионная ЭДС.

При непосредственном контакте растворов электролита различных концентраций на границе растворов в результате диффузии ионов из раствора с повышенной концентрацией в раствор с пониженной концентрацией, возникает двойной электрический слой (вследствие различных подвижностей анионов и катионов) с разностью потенциалов Е_д:

, где

Е_д - диффузионная электродвижущая сила (е.д.с.),

R - универсальная газовая постоянная (8.3 эрг/(град. моль));

Т - абсолютная температура растворов (в °К);

n - валентность электролита;

F - число Фарадея (96500 кулон/моль);

U и V - подвижности катионов и ионов электролита;

C₁ и С₂ - концентрации контактирующих растворов.

Если подставить в формулу значения констант R и F, величину Т = 293К (20°С) и перейти от натурального логарифма к десятичному, то для растворов одновалентного электролита (n = 1) получим:

[mB]

В пластовых водах нефтяных и газовых месторождений и в буровом растворе наиболее распространенной является поваренная соль NaСI. которая диссоциирует на ионы Nа⁺ и CI^-. Подставив в последнюю формулу средние значения подвижностей ионов U=40 и V=60 для Na и CI получим:

Величину -11,6 называют коэффициентом диффузионного потенциала:

К_д = -11,6 мВ.

О достаточной степенью точности можно считать, что концентрации растворов C₁ и С₂ обратно пропорциональны их удельным сопротивлениям ₁ и ₂, тогда

или ,

где _ф и _в - удельное сопротивление соответственно фильтра бурового раствора и пластовой воды.

Из последнего выражения следует, что свободная диффузионная е.д.с. возникает при различия концентраций C₁ и С₂ и подвижностей U и V.

Очевидно, что менее концентрированный раствор будет заряжаться "-" вследствие диффузии в него анионов CI^- (т.к. они более подвижны чем катионы Nа⁺ ) и наоборот - более концентрированный раствор будет заряжаться "+" вследствие более медленной диффузии катионов натрия по сравнению с анионами хлора.

В терминах электрического сопротивления последнее положение можно сформулировать следующим образом: раствор с меньшим удельным электрическим сопротивлением будет заряжаться "+" и наоборот раствор с высоким удельным электрическим сопротивлением будет заряжаться при диффузионных процессах "-".

Диффузионно-адсорбционная ЭДС.

В реальных скважинных условиях растворы солей разделены пористой перегородкой (горной породой). Поэтому величина и зона диффузионной е.д.с., кроме перечисленных выше причин, зависит от размеров пор "перегородки".

Это происходит потому, что в диффузию катионов и анионов из раствора с высокой концентрацией в раствор с низкой концентрацией при прохождении их через коровые каналы перегородки вовлекаются подвижные катионы внешней обкладки двойного слоя, расположенного за поверхности твердей фаза скелета перегородки.

Ионы CI "прилипают" т.е. адсорбируются поверхностью скелета перегородки. За счет избытка в ней катионов основных "глинистых" элементов (Al, Mg, Fе и др.) и становятся не подвижными (их подвижность V=0). Если в горных породах отсутствуют глинистые частицы (чистый песчаник), "то ионы Cl^- свободно диффундируют через них. Поэтому границу буровой раствор - стенка скважины можно считать свободным контактом двух растворов.

И оны Na⁺ двойного слоя перестают быть связанными и продолжают участвовать в диффузии. Если диаметр пор перегородки значительно больше по сравнению с толщиной тонких двойных электрических слоев, то доля свободного раствора в капилляре велика и в этом случае ионы Cl^- будут иметь большую подвижность, чем ионы Na⁺ в целом для раствора. Т.е. диффузионно-адсорбционная е.д.с. в этом случае не будет отличаться от диффузионной.

С уменьшением диаметра пор перегородки в пределе толщина двойного слоя будет приближаться к величине радиуса пор. В этом случае свободного раствора не будет. Поэтому не будет и диффузии анионов Cl^-, так как они все будут связаны на поверхности скелета перегородки, и будет наблюдаться только диффузия катионов Na⁺.

с учетом сказанного формула:

преобразуется к виду

Из нее следует, что Е_да отличается от Е_д по знаку и величине. Т.е. менее концентрированный раствор имеет "+" заряд и наоборот. В терминах удельных электрических сопротивлений: раствор с большим электрическим сопротивлением заряжается "+" и наоборот.

Величину 58 называют предельным значением коэффициента диффузионно-адсорбционной е.д.с. К_да. К_да лежит в пределах (при t = 20 С): -11,6 мВ< K_дa < 58 мB.

Эти предельные значения K_дa соответствуют чистому неглинистому песчанику (-11,6 мB) и плотной тонкодисперсной глине (+58 мВ). Промежуточные значения соответствует песчано-глинистым породам. Таким образом, чем выше глинистость порох, тем выше аномалия ПС.

Электрохимические поля дуффзионно-адсорбционного происхождения в скважине

Рассмотрим их образование на примере пласта песчаника, залегающего среди глин. На границах скважина-глина, скважина-песчаник и песчаник-глина возникает двойные электрические слои, обусловленные распространением диффузией солей, растворенных в пластовых водах и буровом растворе.

С истемы двойных слоев создают вблизи кровли и подошвы пласта замкнутые электрические контуры, по которым циркулирует ток силой i.

Элементами этой цепи является последовательно включенные эквивалентные сопротивления глин R_гл, песчаника R_п и части скважины R_e.

Для такого контура справедливо соотношение:

(суммарная е.д.с. равна падению потенциала на всех сопротивлениях цепи) или

Е_р-п диффузионная е.д.с., так как поры в песчанике велики;

Е_р-гл и Е_гл-п - диффузионно-адсорбционные, так как глины адсорбируют анионы С1^-.

Алгебраическая сумма E_s = Е_р-гл + Е_р-п + Е_п-гл - статическая ПС, под действием которой в цепи протекает ток i, направление которого зависит от величин, указанных потенциалов.

Если Е_р-гл > Е_гл-л то ток i в скважине потечет от глинистого к песчаному слою, т.е. на нижнем контакте он будет направлен вверх, а на верхнем - вниз. Если песчаный пласт имеет бесконечную мощность, то ток i распространяется в проводниках бесконечно большого сечения и величинами R_n и R_гл можно пренебречь. Основное падение потенциала в этом случае происходит в проводнике малого сечения - в скважине, поэтому U_пс = Е_s.

Е_s - статическая амплитуда аномалии ПС, которая была бы зарегистрирована в скважине, как скачок разности потенциалов Uпc против подошвы или кровли пласта песчаника при отсутствии тока в цепи (отсюда и название статистическая).

Э та величина отражает различие в литологии пластов песчаника и глин, а также соотношение С_в/С_ф пластовых вод и фильтрата бурового раствора. При каротаже в скважине против пласта регистрируют скачек потенциала , который определяется падение напряжения, созданным при прохождении тока i на участке цепи, представленной скважиной, или разностью статистической амплитуда Е_s и паданием напряжения при прохождении тока i по породам. Таким образом, рассматриваемая аномалия U_пс обычно меньше Е_s или равна ей в пластах большой мощности небольшого сопротивления (т.е. при R_гл + R_п << R_с).

Диаграммы Uпс диффузионной природы

а) минерализация пластовой воды ниже, чем раствора

б) минерализация пластовой воды выше, чем раствора

Если через капилляр продавливать водный раствор соли, то на концах капилляра возникает разность потенциалов, называемая фильтрационной е.д.с. Ее величина прямо пропорциональная приложенному давлению и удельному сопротивлению раствора. Сторона капилляра, к которому приложено давление, принимает отрицательный заряд.

Фильтрация вод в скважине возникает под давлением столба бурового раствора, которое часто оказывается выше, чем пластовое давление.

Обнаружение фильтрационных потенциалов

1 - U_пc при полном заполнении скважины раствором;

2 - U_пc при не полном заполнении (т.е. уменьшенное давление столба промывочной жидкости)

Фильтрация, как и уже рассмотренные ранее процессы, относятся к электрокинетическим процессам, и сопровождается переносом ионов двойных электрических сдоев. Эти ионы обычно положительные. Поэтому, при избыточном давлении в скважине в буровом растворе возникает недостаток катионов и его часть, прилегавшая к поглощающему пласту, заряжается отрицательно. Сам пласт заряжается положительно по отношению к раствору. При этом анионы Cl^- "прилипают" к глинистым частицам и фильтратом пластовой жидкости переносятся только катионы Na⁺. Величина фильтрационной е.д.с. определяется соотношением:

, где

р - разность давлений в скважине и в пласте;

_ф и _ф- соответственно удельные электрические сопротивление в вязкость фильтрата бурового раствора;

К_ф - коэффициент фильтрационной е.д.с. Его величина зависит от общей пористости пород, среднего диаметра пор и их форм, и лежит в пределах 0,25 - 0,77 мВ. Причем в зависимости от соотношения фильтрационных потенциалов проницаемого пласта и глинистой корки он может менять свой знак. Это приводит к тому, что связь потенциалов фильтрации с пористостью и проницаемостью пород становится неоднозначной.

Потенциалы фильтрации возникают в жидкости в порах горных породах. Стенки капилляров адсорбирует анионы солей пластовых вод, а внутри капилляра образуется избыток катионов. При движении жидкости на выходе капилляра возникает избыток положительных зарядов, на входе - избыток отрицательных. Образуется как бы гальванический элемент, посылающий ток в направлении, противоположном направлении движения жидкости. Величина потенциала фильтрации повышается с повышением перепада давления и сопротивления жидкости в капилляре.

Интенсивность фильтрационной ПС, в конечном счете, определяется разностью потенциалов фильтрации на границах глин, коллектора и скважины, которые часто взаимно компенсируются. Поэтому потенциалы фильтрации малы и имеют второстепенное значение по сравнению с диффузионно-адсорбционными потенциалом.

Окислительно-восстановительная е.д.с.

Поля ПО окислительно-восстановительного происхождения возникают в геологических образованиях с примесями минералов с электронной проводимостью, которые по электрохимическим свойствам подобны металлам и характеризуется определенной величиной электродного потенциала. К ним относится большинство сульфидов (магнетит, пирит, халькопирит, пирротин, галенит и др.), некоторые окислы (магнетит, пиролюзит), а также графит и антрацит.

При окислении вещества происходит потеря электронов, и оно заряжается положительно - так образуются окислительно-восстановительные потенциалы. Примером окислительной реакции является взаимодействие пирита с пластовыми водами или промывочной жидкостью и растворенном в них кислородом:

2FeS₂+7O₂+2H₂O=2FeSO₄+2H₂SO₄

При этом пирит заряжается положительно благодаря адсорбции ионов железа Fе²⁺, а окисляющие его воды - отрицательно ионами SO₄^2-. На кривой потенциалов СП рудное тело выделяется среди вмещающих пород четкой положительной аномалией U_пc.

Практическая реализация каротажа ПС

Естественное электрическое поле изучают в скважине путем измерения его потенциала или градиента потенциала.

П ри измерении потенциала ПС (рис.*,а) электрод М перемещается вдоль ствола скважины, а электрод n неподвижен и заземлен в "бесконечности" у устья скважины.

Регистрируется разность потенциалов

U_пс = U_псм - U_псn,

где U_псм и U_псn - потенциалы естественного электрического поля (поля ПС) в точках установки электродов M я N. Точкой записи диаграмм ПС при движении электрода M считают подвижный электрод и к нему относят результата измерений, U_псn - остается неизменным в процессе каротажа, т.е.

U_пс = U_псм -U_const,

Величина U_const (не зависит от геологических причин, а связана с так называемой электродной разностью потенциалов и всегда неизвестна. Поэтому диаграмма ПС позволяет судить только об изменении потенциала ПС по скважине, но не об его абсолютной величине. Вследствие этого диаграмма ПС, в отличии от других методов ГИС, не имеет "нулевой линии". В качестве условной нулевой линии использует "линию глин", проводя ее по значениям U_пc в глинистых породах, а вместо масштабной шкалы на диаграмме вверху помещают отрезок длиной 2 см, указывая сколько милливольт содержится в этом отрезке,

Перед началом измерений с помощью компенсатора поляризации (КП) в измерительную цепь вводят такую разность потенциалов, при которой пишущее устройство (перо самописца, луч гальванометра и т.д.) устанавливается примерно посередине ленты для записи диаграммы, чтобы была возможность регистрировать отклонения кри­вой ПС в обе стороны. При цифровой записи добиваются равенства начальной разности потенциалов U_пс нулю.

Компенсатор поляризации (рис.*,в) представляет собой источник тока, замкнутый на сопротивлении R_o, с которого снимается напряжение, противоположное по знаку величине U_const. Величина компенсирующей разности потенциалов задается переменным резистором R,а ее знак - переключателем полярности (П).

Если в процессе записи пишущее устройство подходит к левому или правому краю носителя информации (диаграммная бумага, фотобумага), то кривую "переносят" на середину, для чего компенсатором поляризации вводят дополнительную разность потенциалов. При копировании полевой кривой места переносов ликвидируются, смещением одной части кривой относительно другой на необходимую величину.

Для исключения подобных ситуаций кривую U_пс записывают на носителе в двух различных масштабах (например, 1:1 и 1:5).

Другой способ измерения потенциалов ПС состоит в измерении градиента потенциала ПС, т.е. в регистрации разности потенциалов между двумя подвижными электродами М и N при постоянстве расстояния между ними (1м) (рис.*,б).

Таким образом, регистрируется напряженность естественного поля в скважине:

Е_пс = , где

l - расстояние между электродами М и N.

Запись кривой градиента ПС производят при детальном изучении разреза скважины, а также в случае сильных блуждающих промышленных или теллурических токов, которые не позволяют зарегистрировать эту кривую обычным способом. Точка записи - середина отрезка между М и N

Пример диаграмм потенциала и градиента потенциала ПС против пласта песчаника, залегающего среда глин.

И скажения диаграмм потенциалов СП

Диаграмм ПС могут быть искажены постоянными электрическими полями, не связанными с геологическими причинами. Эти помехи затрудняют не только количественную, но в качественную интерпретацию диаграмм потенциалов ПС.

К наиболее часто встречающимся помехам относятся:

1) поляризация электродов;

2) потенциалы движения;

3) блуждающие и теллурические токи постоянного направления;

4) гальванокоррозия металлов электродов и каротажных грузов;

5) потенциалы оседания глинистых частиц в буровом растворе;

6) намагниченность лебедки;

7) влияние металлов и др.