ББК 26.2 К 56 УДК 550.832

Рецензенты: JI. П. Бабиков, В. М. Михайлов

Коваленко В. Е.

К 56 Теофизические работы в скважинах:

Р

ISBN 5-247-01834-6

ассмотрено применение геофизических методов исследования сква­жин для поисков, разведки и разработки месторождений нефти и газа, углей, руд и нерудного минерального сырья. Описаны скважинная ап­паратура и оборудование, геофизические станции (лаборатории и подъем­ники), кабели для производства работ, технология их проведения, обуст­ройство скважин. Большое внимание уделено экономике работ, организа­ции труда, технике безопасности, охране окружающей среды.

© В. Е. Коваленко, 1992

ВВЕДЕНИЕ

Бурение скважин широко применяется во многих областях народного хозяйства. В нефтяной и газовой отрасли—это поиск, разведка и раз­работка месторождений нефти и газа, создание подземных хранилищ газа. В угольной и горнорудной—поиск и разведка залежей углей и руд. В .химической—добыча растворов, содержащих соль, бром, иод и дру­гие вещества. В медицине—разведка и разработка месторождений ми­неральных вод. В промышленном и гражданском строительстве—ис­следование грунтов на месте возведения различных объектов. И, нако­нец, бурение широко используется для целей водоснабжения.

Практически для каждой скважины необходимо иметь информацию о геологическом строении вскрытых пород: последовательности их за­легания, наличии в них полезных ископаемых, содержании последних и их характеристиках. Длительное время основным источником таков информации было изучение образцов горных пород (керна), которые отбирались в процессе бурения. Однако получаемые при этом резуль- ! таты исследований не могут дать полного представления о вскрытом

| скважиной геологическом разрезе, так как значительная часть образцов

j горных пород во время отбора разрушается, а свойства керна, под-

I нятого на поверхность, отличны от свойств горных пород, находящихся

| в своем естественном состоянии. Кроме того, при бурении скважин

i с отбором керна резко снижается скорость проходки, а это увеличивает

стоимость строительства скважины. Последнее обстоятельство привело к тому, что керн стали отбирать только из тех участков разреза, где вероятность обнаружения полезного ископаемого наиболее высока. В этом случае сведения о геологическом строении вскрытых скважиной пород становятся еще менее достоверными; при этом некоторые ме­сторождения остаются необнаруженными, а те, что были выявлены— часто малоизученными. Неполнота получаемых сведений в свою очередь требует бурения новых скважин и, следовательно, дополнительных за­трат. Поэтому, несмотря на то, что объемы бурения из года в год росли, эффективность поисков разведки полезных ископаемых оста­валась низкой.

Трудности, возникающие при изучении вскрываемых скважинами горных пород по результатам исследования керна, привели к созданию методов исследования горных пород по их физическим свойствам, полу­чивших название геофизических методов исследования скважин (ГИС).

В основу геофизических методов положен тот факт, что горные породы и полезные ископаемые различаются по своим физическим свойствам: электропроводности, плотности, скорости распространения упругих волн, радиоактивным свойствам и многим другим. По резуль­татам их исследования в скважинах восстанавливают полную картину геологического разреза и выявляют в нем полезные ископаемые. Другое

название ГИС—каротаж. При каротаже с помощью специального гео­физического кабеля в скважину опускают измерительную установку, которая фиксирует изменения вдоль ствола скважины какой-либо физи­ческой величины, характеризующей свойства горных пород. В зависимо­сти от изучаемых свойств пород различают следующие виды каротажа: электрический, радиоактивный, акустический, магнитный и др. Преоб­разованная в электрический сигнал измеряемая величина фиксируется регистрирующим устройством на поверхности земли и расшифровыва­ется. Переход от измеренных величин к геологической характеристике вскрытых скважиной пород называется интерпретацией.

Первым физическим параметром, измеренным в скважине, была температура. В 1908 г. русский ученый—геолог Д. В. Голубятников указал на возможность использования измерений температуры для из­учения горных пород. Это были первые исследования, показавшие целе­сообразность измерения физических параметров в скважинах с целью познания геологического разреза. Так было положено начало новой отрасли науки—промысловой геофизике.

Широкое применение геофизических методов исследования скважин началось с внедрения электрического каротажа, основанного на измере­нии удельного электрического сопротивления горных пород. Метод был опробован во Франции, а в 1929—1930 гг. в СССР—на нефтепромыслах Грозного и Баку. С этого момента геофизические методы исследования скважин получили всеобщее признание и к середине 30-х годов элект­рический каротаж стал применяться практически во всех скважинах, бурящихся на нефть и газ. Спустя некоторое время геофизические рабо­ты стали проводить при разведке месторождений углей и руд, а затем и других полезных ископаемых. Одновременно рос и арсенал методов промысловой геофизики, прежде всего за счет создания новых модифи­каций электрического каротажа, а также разработки и постоянного совершенствования методов радиоактивного, акустического, магнитно­го и других видов каротажа. В сложных геологических условиях, при поисках и разведке месторождений на новых площадях геофизические методы дополняются такими операциями как испытание и опробование пластов трубными пластоиспытателями и опробователями пластов на кабеле, отбор образцов пород сверлящими и стреляющими керноотбор- никами.

Промысловая геофизика не ограничивается лишь изучением геологи­ческого разреза, вскрытого при бурении. В скважинах, используемых для добычи полезных ископаемых, геофизические исследования проводят с целью контроля за процессами отбора полезных ископаемых; это помогает правильно организовать разработку залежей.

При помощи геофизики решается целый ряд технических и тех­нологических задач, возникающих как в процессе бурения, так и при разработке месторождений, таких как измерение диаметра скважин, контроль положения в пространстве траектории и геометрии ствола скважины, оценка качества цементирования обсадных колонн, степени их износа в процессе эксплуатации и многие другие.

Одной из функций геофизической службы является производство в скважинах прострелочных и взрывных работ, применяемых для про­стрела (перфорации) эксплуатационных колонн, при ликвидации аварий и решении целого ряда других задач.

Новым видом исследований, стоящим на вооружении геофизиков, стали геолого-геохимические и технологические исследования (ГТИ). Геолого-геохимическне исследования применяются для изучения геоло­гического разреза скважин на основании исследования шлама, промы­вочной жидкости, образцов горных пород и пластовых флюидов. С по­мощью технологических исследований контролируют процесс бурения скважин, обеспечивая их качественную проводку. Особенностью ГТИ является то, что исследования проводятся непосредственно в процессе бурения и не в скважине, а на поверхности земли.

Одновременно с расширением области применения ГИС, появлением новых методов исследований и их модификаций совершенствовались и развивались геофизические аппаратура и оборудование. На первых порах выполнялись точечные измерения (через каждые 0,5— 1 м глуби­ны скважины) при помощи потенциометров, включаемых в специальную геофизическую установку. На исследование 1000 м интервала горных пород электрическим каротажем уходило 15—16 ч. Много времени отнимало и пересоединение зондов, поскольку каждый раз приходилось снимать изоляцию с места соединения зонда с кабелем, отсоединять один зонд, подсоединять другой и снова изолировать место соединения. Развитие техники промысловой геофизики шло по пути автоматизации процесса измерений. Создание автоматических станций, разработка ком­плексной измерительной аппаратуры позволили значительно сократить время проведения работ. В настоящее время на исследование такого же интервала семью зондами электрического каротажа затраты времени составят не более 1 ч; пересоединение скважинных приборов, благодаря изобретению специальных устройств—кабельных наконечников и элек­тровводов отнимает не более 5—10 мин. За те же 15—16 ч во многих районах страны в скважине может быть полностью выполнен весь комплекс геофизических исследований, а в некоторых, где состав комп-, лекса не велик, на выполнение работ тратится не более 3 ч.

Создание комплексных скважинных приборов, внедрение новых ме­тодов исследования становится возможным, благодаря разработке со­временной геофизической техники, построенной с учетом последних достижений физики, электроники и приборостроения. При этом аппара­тура и оборудование, применяющиеся при проведении геофизических работ, становится сложнее.

В настоящее время в разведку и разработку вовлекаются все более глубокозалегающие и сложнопостроенные месторождения полезных ис­копаемых; глубины скважин растут, их конструкции становятся сложнее, увеличивается и число наклонно направленных скважин, бурящихся с большими углами наклона, в том числе горизонтальных и вос­стающих. При этом значение ГИС как информационного обеспечения процессов поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых повышается и возрастают требования к их качеству. Про­водить же исследования в таких условиях становится труднее.

Все это повышает требования к уровню профессиональной подготов­ки специалистов-геофизиков и обуславливает необходимость организа­ции специального обучения рабочих кадров.

В настоящее время перспективы развития ГИС связываются с реше­нием следующих задач.

1. Совершенствование теоретических основ и создание новых мето­дов исследования скважин.

2. Разработка и внедрение комплексной скважинной геофизической аппаратуры, которая позволит выполнять весь предусмотренный в сква­жине комплекс исследований одним-двумя скважинными приборами.

3. Широкое внедрение в практику геофизических работ цифровых и компьютеризированных станций, обеспечивающих автоматизацию процесса получения и обработки геофизической информации.

4. Подготовка высококвалифицированных специалистов-геофизи­ков, владеющими современными знаниями в области промысловой гео­физики.

Часть первая

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН

1Лава I

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ РАЗРЕЗОВ СКВАЖИН § 1. Общие сведения об объекте исследования

Полезным ископаемым называется минеральное вещество, которое мо­жет быть использовано в практических целях. Месторождением (зале­жью) полезного ископаемого называется природное скопление полез­ного ископаемого, разработка которого в количественном, качественном и экономическом отношениях удовлетворяет требованиям промышлен­ности. Промышленные скопления полезных ископаемых образуются в специфических геологических условиях.

Нефть и газ представляют собой в основном смесь углеводородов, т. е. соединений углерода и водорода (отсюда другое название нефти и газа—углеводороды). Кроме того, нефть содержит серу, азот, кисло­род, смолы. Для образования залежей нефти, газа и других жидких и газообразных полезных ископаемых необходимо наличие коллекто­ров—пород, способных вмещать нефть, газ и воду и отдавать их при эксплуатации скважин в промышленных масштабах. Качество коллек­тора определяется его свойствами, называемыми фильтрационно-ем­костными (ФЕС), основными из которых являются: пористость, прони­цаемость, нефтегазонасыщенность. Пористость горных пород (наличие в породе пустот) характеризуется коэффициентом пористости, определя­емым в общем случае отношением суммарного объема пор к объему породы. Проницаемость коллектора характеризует его способность про­пускать через себя жидкость или газ при наличии перепада (градиента) давления. Насыщенность коллектора определяется степенью заполнения его пор нефтью, газом или водой.

В зависимости от количества нефти или газа различают газовые, нефтяные и нефтегазовые месторождения. Кроме того, в залежах этих полезных ископаемых всегда находится некоторое количество воды.. В пластовых условиях весь газ, либо часть его, растворяется в нефти. Нерастворившийся (свободный) газ, нефть и вода размещаются в залежи согласно их плотностям. 1аз, как наиболее легкий, располагается в верх­ней (кровельной) части залежи, образуя газовую шапку, в средней части поровое пространство заполняется нефтью, в нижней (подошвенной) части размещена вода. Границу раздела между газом и нефтью на­зывают газонефтяным контактом (ГНК), между газом и водой в га­зовых месторождениях—газоводяным контактом (ГВК), между нефтью и водой—водонефтяным контактом (ВНК). Границы раздела между флюидами никогда не бывают четкими, их толщина составляет от единиц до нескольких десятков метров. Месторождения нефти, газа и воды могут содержать как один, так и несколько продуктивных пластов.

Ископаемые угли состоят из органической массы, минеральных при­месей и влаги. Важным показателем качества углей является их золь­ность—остаток от сгорания органической части угля и разложения- минерального вещества. Содержание золы колеблется в широких пред­елах. Чем лучше уголь, тем меньше в нем должно быть золы. В хороших сортах угля зольность составляет несколько процентов. Если золы боль­ше 60%, то уголь вообще не горит и не может быть применен как топливо.

Толщины угольных пластов варьируют от десятых долей метра до нескольких десятков метров. Угольные пласты редко на всю свою тол­щину состоят из чистого угля, чаще всего они чередуются с глинистыми или песчаными прослоями. Нередко в 1 м.угольного пласта содержится 10—15 таких прослоев толщиной по несколько сантиметров каждый, а на долю чистого угля приходится всего 60—70 см, при этом уголь может быть очень хорошего качества. Угольные месторождения обычно состоят из нескольких пластов угля, которые располагаются один над другим, образуя многопластовые залежи.

Большое число рудных месторождений образовалось в результате концентрации рудных минералов в процессе застывания магм. Многие залежи возникли вследствие выпадания рудных минералов из растворов, восходящих по трещинам из глубины недр. Месторождение руд может быть представлено одним или несколькими обособленными рудными телами, сосредоточенными на ограниченном участке горных пород. Большинство редких и рассеянных минералов содержится на месторож­дении в очень малых количествах. Руды таких металлов обычно имеют сложный состав, они часто содержат несколько весьма ценных металлов. Разнообразие процессов и условий образования месторождений руд обуславливает различие форм рудных тел, изучение которых имеет первостепенное значение как для поисков и разведки, так и для подсчета запасов этих полезных ископаемых.

Неотъемлемой частью процесса поисков и разведки (а для ряда отраслей и разработки) месторождений полезных ископаемых является бурение скважин. Разрушение горных пород в процессе бурения проис­ходит за счет их сверления (или истирания) и осуществляется специаль­ным инструментом—долотом. Обычно долото представляет собой не­сколько зубчатых шестеренок, вращающихся во время бурения,—шаро­шек с режущими закаленными зубьями. Шарошки закрепляют под уг­лом на торце толстостенной полой трубы (основании долота). Для бурения мягких пород могут применяться лопастные долота, по виду напоминающие перку коловорота. Для бурения твердых пород исполь­зуют алмазные долота.

При роторном способе бурение осуществляется при помощи рото­ра—специального вращательного механизма, устанавливаемого на 8

устье скважины. Ротор вращает колонну бурильных труб с закреплен­ным на ее нижнем конце долотом, по мере углубления скважины колон­на бурильных труб наращивается.

При турбинном способе бурения колонна бурильных труб остается неподвижной. Долото закрепляют на конце вала ротора гидравлической турбины (турбобура), установленной в нижней части колонны буриль­ных труб. При электробурении долото вращается электродвигателем, также размещенным в нижней части колонны.

Удаление выбуренной породы с забоя (так называется место раз­рушения породы долотом) осуществляется струей бурового раствора (промывочной жидкости) или, что бывает значительно реже, потоком газа или воздуха. Раствор при помощи бурового насоса под давлением подается на забой через колонну бурильных труб и, поднимаясь по кольцевому пространству между последней и стенками скважины, выно­сит частицы разбуренной породы (шлам) на поверхность. Кроме того, промывочная жидкость (ПЖ) создает противодавление на стенки сква­жины, что предотвращает их разрушение, а так же предупреждает про­рыв в скважину из разбуриваемых пород нефти, газа и воды, находящих­ся в пластах под большим давлением. При турбинном бурении буровой раствор одновременно вращает турбобур. В качестве промывочной жид­кости при бурении используют воду, глинистые растворы, глинисто­известковые растворы, растворы на нефтяной основе, безводные жид­кости и т. д.

Над скважиной устанавливают буровую вышку с оборудованием, предназначенным для проведения спуска и подъема бурового инст­румента и других операций, необходимых для осуществления процесса бурения.

После окончания бурения стенки скважин крепят колонной стальных обсадных труб. При глубоком бурении для предотвращения разрушения в процессе бурения стенок скважин может быть установлено несколько промежуточных обсадных колонн, при этом после каждой такой колон­ны приходится продолжать бурение долотом меньшего диаметра. Про­странство между колонной и стенками скважины заполняется цемент­ным раствором с целью изоляции участков, содержащих разные по своему составу полезные ископаемые. Для сообщения внутренней поло­сти скважины с пластом, содержащим полезное ископаемое, в нужном месте производится перфорация колонны или спуск фильтра—трубы с просверленными в ней отверстиями.

После вызова притока флюида из пласта с целью уточнения харак­теристик полезного ископаемого, и установки специального оборудова­ния, предназначенного для его подъема на йЪверхность, скважину перед­ают в эксплуатацию.

Вскрывая толщи горных пород, скважина нарушает их естественное состояние, в результате чего меняются физические характеристики по­род, прилегающих к стенке скважины.

Подавляющее большинство скважин бурят с применением глинисто­го раствора, который представляет собой воду со взвешенными в ней

частичками глины часто с добавлением других веществ. Обычно да­вление столба глинистого раствора превышает пластовое давление, в результате чего промывочная жидкость, отфильтровываясь, проникает в пласт, образуя зону проникновения (рис. 1). Вшнистые частицы рас­твора, задерживаясь в порах породы, накапливаются на стенках сква­жины и образуют глинистую корку 1, которая приостанавливает даль­нейшее проникновение фильтрата (поэтому диаметр скважины против проницаемых пластов меньше номинального—d_c). Часть зоны про­никновения глубиной 10—12 см, непосредственно примыкающая к стен­ке скважины, называется промытой зоной 2, в ней промывочная жи­дкость и ее фильтрат составляют 80—90% общего содержания флюида в пласте. За промытой зоной следует зона проникновения 3 диаметром D, в которой содержится 50% фильтрата, и, наконец, за ней следует незатронутая часть пласта 4. Таким образом, имеется несколько со­ставляющих, оказывающих влияние на результаты ГИС: буровой рас­твор, глинистая корка, промытая зона, зона проникновения и неза­тронутая часть пласта. В результате проникновения ПЖ в пласт его физические свойства в прискважинной зоне изменяются. Но все же в ней остается от 10 до 30% пластовых флюидов, которые обна­руживаются методами ГИС.

П

Рис. 1. Схема зоны проникновения

ромывочная жидкость на нефтяной основе препятствует обвалу стенок скважины и растворению солей и гипса. Образуемая зона проник­новения меньше, чем при бурении на глинистом растворе, в интервалах проницаемых пластов образуется тонкая битумная корочка.

При бурении с продувом воздухом или газом глинистая корка на стенках скважины не образуется. Это, с одной стороны, повышает качество и информативность получаемых геофизических данных, а с дру­гой—снижает устойчивость стенок скважины, особенно при бурении рыхлых, неустойчивых пород.

После обсадки скважины эксплуатационной колонной, в проница­емых пластах за счет диффузии и перераспределения давлений начинает­ся расформирование зоны проникновения. Однако полностью условия естественного залегания горных пород не восстанавливаются.