3 Геофизические методы исследований в открытом стволе скважин

Исследование разрезов скважин в околоскважинном пространстве с целью уточнения геологической модели осуществляется с помощью геофизических исследований (ГИС–КАРОТАЖА). Различают несколько видов каротажа, основанные на измерении различных физических полей и характеристик в скважине и околоскважинном пространстве: электрические методы каротажа – ПС, КС, БКЗ, БК, БМК, микрозондирование и др.; электромагнитные методы каротажа – ИК, ДК, ВИКИЗ и др.; радиоактивные методы – ГК, НК, ГГК, ИНК, ИНК–С/О и др., а также термокаротаж, акустический каротаж, наклонометрия и т.д.

Важнейшей составной частью геологической информации является отбор кернов в процессе бурения и их детальные лабораторные исследования. Петрофизические зависимости представляют информацию о литологии, пористости и характере насыщенности пласта.

Методы ГИС–каротажа являются косвенными. Одним из элементов их методических основ служат предварительно установленные аналитические петрофизические зависимости и обоснование возможности перехода от геофизических характеристик к коллекторским свойствам пласта с последующей оценкой точности прогноза параметров. Параметры пласта по ГИС в основном характеризуют прискважинную зону.

Геофизические исследования обеспечивают информационную основу для контроля за выработкой пластов (определение профилей притока и приемистости, состава притока, насыщенности пласта флюидами в различные моменты, оценка параметров вытеснения и др.), контроля работы скважин, диагностики их технического состояния и контроля за проведением методов интенсификации притока флюидов.

3.1 Электрические методы исследования скважин

При проведении ГИС электрическими методами изучаются удельное электрическое сопротивление, естественная (собственная) и искусственно вызванная электрохимические активности пород. На изучении удельного электрического сопротивления основываются метод кажущихся сопротивлений и индукционный метод исследования скважин. Различие в естественной (собственной) электрохимической активности пород используется при исследованиях методом собственных потенциалов (ПС), а вызванная электрохимическая активность пород изучается методом вызванных потенциалов (ВП).

3.1.1 Электрические и электромагнитные свойства горных пород.

Электрические свойства горных пород и минералов  рассмотрим в части их способности:

– изменять характеристики электрических полей;

– проводить электрический ток.

К основным электрическим свойствам относятся: электрическое сопротивление (или обратная ему величина – электропроводность), диэлектрическая постоянная и поляризуемость горных пород.

Наибольшее значение в практике геологогеофизических исследований имеет изучение удельного электрического сопротивления пород и минералов, определяемого как сопротивление куба вещества (со сторонами 1 м) электрическому току, направленному перпендикулярно одной из его граней. Удельное электрическое сопротивление зависит от:

– сопротивления минералов, слагающих горные породы;

–  характера и состава флюидов, заполняющих поры;

–  влажности, пористости, структуры и анизотропии породы;

– температуры и давления в горном массиве.

К хорошо проводящим (10^–6 – 10^–4 Ом∙м) относятся самородные металлы; к полупроводникам (10^–5–10³ Ом∙м) — большая часть рудных минералов (пирит, пирротин, галенит, ковеллин, сфалерит и др.) а к диэлектрикам – большая часть породообразующих минералов, в том числе все минералы класса силикатов, сульфатов, карбонатов, некоторые оксиды (кварц, корунд). Минеральный скелет горных пород проводит ток значительно хуже, чем природные растворы, заполняющие поры и трещины, поэтому с увеличением увлажнённости горных пород и их пористости электрическое сопротивление уменьшается в 10–30 раз. (Особо отметим, что при замерзании  воды  в порах и других пустотах сопротивление возрастает на 2–3 порядка).

Удельное электрическое сопротивление горных пород растёт также с увеличением их газо и нефтенасыщенности.

Поскольку структура, пористость и влажность различны для осадочных, изверженных и магматических горных пород, то соответственно различно и их электрическое сопротивление (таблица 3.1).

Таблица 3.1 – Удельное электрическое сопротивление породообразующих и рудных минералов

Минерал	Удельное сопротивление, ом∙м	Минерал	Удельное сопротивление, ом ∙ м
Ангидрит	107–1010	Нефть	109–1016
Кальцит	107–1012	Каменный уголь	102–106
Кварц	1012–1014	Антрацит	10–4–10–2
Полевые шпаты	1011–1012	Пирит	10–4–10–1
Слюды	1014–1015	Графит	10–6–10–4
		Магнетит	10–4–10–2

Наименьшие значения сопротивления характерны для осадочных горных пород (за исключением каменной соли, гипса и ангидрита), что объясняется их повышенной пористостью и увлажнённостью, а наибольшие сопротивления наблюдаются у изверженных горных пород (тысячи — десятки тысяч Ом∙м).

Удельное сопротивление большей части руд зависит от процентного содержания в них хорошо проводящих минералов и их соотношения с непроводящими минералами. Наибольшей проводимостью (10^–2 – 10¹ Ом∙м) обладают массивные колчеданные и  полиметаллические руды.  Диэлектрическая постоянная определяется отношением напряжённости электрического поля в минералах и горных породах к напряжённости поля в вакууме. Для большинства породообразующих минералов (в том числе всех силикатов) диэлектрическая постоянная изменяется от 3 до 10 (редко до 25), а у влажных пород её значение достигает 40.

Поляризуемость характеризует способность минералов и горных пород поляризоваться в электрическом поле вследствие физико–химических процессов, происходящих на границе твёрдой и жидкой фаз. Она определяется отношением (%) напряжённостей первичного электромагнитного поля, пропускаемого в землю, и вторичного поля, созданного поляризованной геологической средой. Поляризуемость уменьшается с повышением влажности и минерализации поровой влаги.

Значение поляризуемости большинства минералов и горных пород не превышает 1–2%, для графитовых сланцев и прожилково–вкрапленных руд, содержащих минералы с электронной проводимостью, поляризуемость возрастает до нескольких десятков %.

Электрические свойства минералов горных пород в силу их значительной зависимости от влажности, температуры и других условий в массиве в основном определяют в естественных залеганиях методами электрического каротажа. На различии электрических свойств минералов горных пород основано применение электрических методов для изучения:

– геологического строения  земной коры;

– поисков и разведки месторождений полезных ископаемых;

– определения  напряжённого состояния горного массива и решения других задач.

Интенсивное внедрение в практику полевых наблюдений позволило накопить большой материал по распределению электрического сопротивления в недрах Земли, а также обнаружить слои в земной коре и мантии с сопротивлением на 2–3 порядка меньше, чем сопротивление вышележащих и подстилающих толщ.

Высокая чувствительность электропроводности минерального вещества к температуре, вещественному составу, фазовым и физико–химическим процессам и широкое применение электрических методов при геофизических исследованиях открывает новые возможности для повышения однозначности решений ряда важных вопросов физики Земли, а именно, уточнения вещественного состава и структуры темной коры и верхней мантии, распределения температуры с глубиной, установления природы образования волноводов в средней части земной коры, выяснения физической природы электрических предвестников землетрясения.

Знание электрических характеристик горных пород необходимо для увеличения эффективности электрических методов разведки полезных ископаемых.