- •ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ ГИС
- •Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
- •ОСНОВЫ ПЕТРОФИЗИКИ ГОРНЫХ ПОРОД
- •КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
- •1.1. Пористость
- •1.3. Глинистость горных пород
- •1.4. Плотность горных пород
- •ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, РАДИОАКТИВНЫЕ, АКУСТИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
- •2.1. Удельное электрическое сопротивление
- •2.5. Другие физические свойства горных пород
- •ЧАСТЬ ВТОРАЯ
- •ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ РАЗРЕЗОВ СКВАЖИН
- •ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН
- •3.1. Основы теории потенциала электрического поля
- •3.2. Электропроводность и удельное электрическое сопротивление
- •3.3. Характеристика объекта исследования
- •3.10. Индукционный каротаж
- •4.2. Плотностной гамма-каротаж (ГГК)
- •6.3. Газовый и механический каротаж
- •6.4. Пластовая наклонометрия
- •ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
- •ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ИСТОЛКОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ ГИС
- •ГЛАВА 7. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ ГИС
- •ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
- •РЕШЕНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ МЕТОДАМИ ГИС
- •9.1. Сущность и практическая значимость геологических наук при изучении месторождений полезных ископаемых
- •Литолого-стратиграфический разрез пермского соленосного комплекса по скв. 478 Уньвинского месторождения
- •10.1. Развитие, цели и задачи использования ЭВМ при интерпретации данных ГИС
- •10.3. Литолого-стратиграфическая интерпретация данных ГИС на ЭВМ и на персональных компьютерах
- •ЧАСТЬ ПЯТАЯ
- •11.1. Определение искривления скважин
- •12.1. Термометрия для контроля цементирования
- •ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
- •КУРСОВАЯ РАБОТА
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
- •Учебное издание
- •ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ ГИС
- •Учебное пособие
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, РАДИОАКТИВНЫЕ, АКУСТИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
2.1. Удельное электрическое сопротивление
Свойство горных пород проводить электрический ток харак теризуется их удельной электропроводностью о или величиной ей обратной - удельным электрическим сопротивлением р
р = 1 / с = RS / L ,
где R - полное электрическое сопротивление образца породы (Ом); S и L - площадь поперечного сечения (м2) и длина (м) образца.
Из формулы следует, что величина р измеряется в оммометрах. Удельное электрическое сопротивление в 1 Ом м равно полному со противлению 1 м3 породы с основанием 1 м2 и высотой 1 м, измерен ному перпендикулярно к плоскости куба. Удельное сопротивление горной породы определяется удельным сопротивлением твердой фазы, жидкостей и газов, насыщающих поровое пространство, их объемным соотношением, характером распределения в породе и температурой.
Удельное сопротивление твердой фазы пород зависит от ее минералогического состава и температуры. Минералы весьма разно образны по своему удельному сопротивлению, которое изменяется в широких пределах (10'6-1015 Ом м). Однако основные минералы, образующие скелетную часть твердой фазы осадочных пород (кварц, полевые шпаты, кальцит, слюды и др.), характеризуются удельным электрическим сопротивлением от Ю10 до Ю130 м м и практически не проводят электрического тока [40, 88].
Присутствие в скелетной части твердой фазы полупроводящих минералов (графит, пирит, магнетит и др.) снижает ее удельное со противление в зависимости от их количественного содержания и ха рактера распределения. В природных условиях содержание в осадоч ных породах минералов повышенной электропроводности невелико и, как правило, не приводит к существенному изменению удельного сопротивления скелетной части. В связи с этим ее р принято считать практически бесконечным.
Пластовые поровые воды представляют собой растворы солей (электролиты) и относятся к классу ионных проводников. Их удельное сопротивление зависит от химического состава растворенных солей, концентрации и температуры. С увеличением общей концентрации солей удельное сопротивление растворов уменьшается. При этом электропроводность раствора приблизительно равна сумме электро проводностей, обусловленных каждой из солей в отдельности. В пла стовых водах обычно преобладает содержание хлористого натрия, которое достигает 70-95 %. Если содержание других солей не превы шает 10 %, то для практических целей удельное сопротивление пласто вой воды оценивается по общей концентрации, приравненной к кон центрации NaCl. Следует отметить, что удельное сопротивление вод ных растворов с увеличением температуры закономерно уменьшается.
Для определения рв обычно используется номограмма зависимо сти удельного сопротивления растворов NaCl от концентрации
итемпературы (рис. 3). Удельное сопротивление природных нефтей
игазов во много раз превосходит удельное сопротивление пластовых вод и соизмеримо с р скелетной части твердой фазы пород. Практи чески электропроводность нефтей и газов принимается равной нулю.
Удельное сопротивление неглинистых пород. Горные породы проводят электрический ток в основном за счет наличия в их поровом пространстве водных растворов солей. В связи с этим удельное со противление неглинистой породы рвп гранулярного строения, поры которой полностью насыщены водой, зависит от рв этой породы, ее количества и характера распределения в породе, определяемых соот ветственно коэффициентом пористости Кп и структурой порового
пространства.
Для исключения влияния удельного сопротивления пластовой воды вместо рвп для водонасыщенных пород принято рассматри вать величину
Р ц = Рвп / Рв >
называемую относительным сопротивлением. Для чистых (неглини стых) пород Рп не зависит от удельного сопротивления насыщающих вод, а связано с величиной пористости и структурой порового простран ства. В связи с этим его называют также параметром пористости.
с;
о
°с
10
20
50
80
100
130
150
175
200
Рис. 3. Удельное сопротивление растворе NaC! при различной температуре
Внефтегазонасьпценной породе нефть или газ, частично замещая
впоровом пространстве воду, повышают ее удельное сопротивление. В этих условиях ршзависит от содержания в ее порах нефти, газа и во ды, характера их распространения в поровом пространстве, минерали зации пластовой воды, пористости и структуры порового пространства и т. п. Для полного или частичного исключения этих факторов, влияющих на величину рш-, вместо него рассматривают отношение
Р* = Рнг I рвп > 1»
где рш- - удельное сопротивление породы, поры которой заполнены нефтью (газом) и остаточной водой; рвп - удельное сопротивление той же породы при условии 100%-ного заполнения ее пор водой.
Величина Р„ показывает, во сколько раз увеличивается удель ное сопротивление породы, насыщенной нефтью или газом, при частичном заполнении ее пор водой, и называется коэффициентом увеличения сопротивления.
Для неглинистых пород Рн зависит не только от степени их насыщения водой, но и от характера распределения в поровом пространстве воды, нефти и газа. В связи с этим величина Ри часто называется параметром насыщения. Между Рп и Кв существует обратная степенная зависимость.
Так как Кв = 1-К„г (где Киг- коэффициент нефтегазонасыщенности), то
Кт = 1 / ( 1 - К т )п
Удельное сопротивление глинистых пород. Для глинистой водонасыщенной породы пропорциональность между ее удельным сопротивлением pBn.ra и удельным сопротивлением насыщающей во ды рв нарушается. Это связано с тем, что электропроводность такой породы определяется не только проводимостью воды, но и поверхно стной проводимостью глинистых частиц, точнее, гидратационной пленки, покрывающей их поверхность. Поверхностная проводимость проявляется тем значительнее, чем выше глинистость породы и мень ше минерализация насыщающей воды. Вследствие этого относитель ное сопротивление глинистых пород, в отличие от неглинистых, за висит не только от их пористости и структуры пор, но и от их глини
стости и минерализации насыщающих вод. Относительное сопротив ление глинистой породы, соответствующее насыщению высокомине рализованной водой, при которой поверхностная проводимость ми нимальна, называют предельным /V
Удельное сопротивление пород с трещинной и каверновой пористостью. Породы с трещинной и каверновой пористостью весь ма разнообразны по составу и строению. Наряду с межзерновой (пер вичной) пористостью Кп ызначительную роль играют поры вторично го происхождения Кп т- трещины, каверны и другие пустоты выще лачивания. Каверны (изолированные и полуизолированные пустоты) заметного влияния на удельное сопротивление пород не оказывают. Наличие трещин, заполненных электролитом, вызывает существен ное снижение сопротивления по сравнению со снижением сопротив ления, обусловленным межзерновой пористостью такого же объема.
2.2. Электрохимическая активность
Электрохимические процессы, протекающие в горных породах, вызывают их поляризацию. К ним относятся диффузионно-адсорбци онные, фильтрационные, окислительно-восстановительные процессы
ипроцессы, связанные с действием внешнего электрического поля.
Взависимости от фактора, вызывающего поляризацию, различают диффузионно-адсорбционную, фильтрационную, окислительно-вос становительную и вызванную электрохимически активность пород.
2.3. Радиоактивность горных пород
Под радиоактивностью понимают самопроизвольное превраще ние неустойчивых изотопов химических элементов в другие, более устойчивые, которое сопровождается выделением энергии с испуска нием а-, Р- и у-лучей. Различают естественную и искусственно вы званную радиоактивность горных пород, результаты измерений ко торых широко используются для изучения геологических разрезов скважин. Самопроизвольное превращение одного изотопа в другой называется радиоактивным распадом [40,53, 88].
Естественная радиоактивность. В естественных радиоактив ных превращениях основными видам распада являются: а- и p-pacna- ды, захват ядром электрона одной из оболочек атома, самопроиз вольное деление некоторых тяжелых ядер и др. При распадах радиоактивных ядер и их переходах из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или основное возникает у-излучение.
Все виды радиоактивных излучений, попадая в материальную среду, испытывают в той или иной мере поглощение. Наибольшему поглощению подвержены а-лучи. Поток а-лучей почти полностью поглощается даже листом бумаги или слоем пород толщиной в не сколько микронов. Поток р-лучей обладает большей проникающей способностью и полностью поглощается слоем алюминия толщиной 8 мм или слоем породы в несколько миллиметров, у-излучение пред ставляет собой высокочастотное коротковолновое электромагнитное излучение, граничащее с жестким рентгеновским. Оно возникает в результате ядерных процессов и рассматривается как поток дис кретных частиц у-квантов; у-лучи не отклоняются ни в электриче ском, ни в магнитном поле. Благодаря своей высокой проникающей способности у-излучение имеет практическое значение при исследо вании разрезов скважин.
Для количественной оценки радиоактивности пользуются соот ветствующими единицами измерений. Чаще всего на практике за та кую единицу принимают весовую или объемную единицу эквива лентной концентрации радия по у-излучению - г-эквивалент радия на 1 г породы (г-экв Ra/r). Такая единица соответствует концентрации радиоактивных элементов в горной породе, при которой возникает у-излучение такой же интенсивности, как при распаде 1 г радия.
Радиоактивность пород в основном связана с содержанием в них таких радиоактивных элементов, как уран, торий, актиноуран, продуктов распада и изотопа калия I^K . Кроме этих элемен тов, источниками радиоактивных излучений, составляющих мень шую долю, чем вышеназванные, являются изотопы рубидия, цир кония, индия, лантана, самария, лютеция, рения, висмута и др.
В литосфере известно более 200 минералов, в состав которых входит уран, торий, радий и калий. Радиоактивность горных пород зависит от радиоактивностей их твердой, жидкой и газообразной фаз. В большинстве случаев пластовые воды и нефти характери зуются незначительной радиоактивностью, а у природных углево дородных газов она практически равна нулю. Радиоактивность твердой фазы обусловлена наличием в ее составе собственно ра диоактивных минералов и минералов, содержащих адсорбирован ные радиоактивные элементы. Обычно глинистая составляющая твердой фазы, особенно в кварцевых песчаниках и карбонатных породах, обладает значительно большей удельной радиоактивно стью, чем ее собственно твердая фаза (скелетная часть). Поэтому для конкретных типов пород характерно наличие однозначной свя зи между их радиоактивностью и глинистостью, что широко ис пользуется при интерпретации результатов гамма-каротажа.
Искусственная радиоактивность. Нейтронные свойства гор ных пород (искусственная радиоактивность) связаны с радиоак тивным распадом искусственных радиоактивных изотопов хими ческих элементов, образующихся при облучении их элементарны ми частицами (электронами, протонами, нейтронами, у-частицами и др.) в результате изменений в ядре, происходящих вследствие проникновения в него заряженной частицы или нейтрона.
Нейтроны, получаемые при помощи нейтронных источников, распространяются в окружающей среде и взаимодействуют с яд рами ее химических элементов. При этом наиболее существенны ми процессами являются рассеяние и поглощение (захват).
Рассеяние нейтронов может быть упругим и неупругим. Сущ ность этого процесса состоит в изменении направления движения и уменьшении кинетической энергии нейтронов при их столкновении с ядрами элементов окружающей среды. При упругом рассеянии происходит перераспределение энергии между налетевшим нейтро ном и неподвижным ядром в соответствии с их массами и углом рас сеяния по принципу соударения упругих шаров. При неупругом рас сеянии нейтрон сначала захватывается, а затем выбрасывается ядром, но уже с меньшей энергией и под некоторым углом к направлению
начального движения. Ядро же, захватившее и потерявшее нейтрон, остается на некоторое время в возбужденном состоянии и затем воз вращается в основное, испуская у-квант.
Быстрые нейтроны, распространяясь в окружающей среде, в процессе неупругого и упругого рассеяний сравнительно быстро теряют свою энергию и скорость и превращаются в тепловые. По следние поглощаются ядрами вследствие реакции радиационного захвата с образованием на первой стадии составных ядер, которые затем переходят в основное состояние с испусканием у-квантов. Распределение нейтронов в среде (породах), т. е. плотность ней тронов на различном расстоянии от источника, зависит от ней тронных свойств этих пород, в основном связанных с химическим составом последних. Для большинства горных пород поглощаю щие и замедляющие свойства определяются водородосодержанием: чем оно выше, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от источника.
Вероятность той или иной реакции взаимодействия нейтронов с веществом количественно характеризуется нейтронным эффектив ным сечением, численное значение которого выражается в метриче ских единицах. Поэтому интенсивность поглощения тепловых ней тронов зависит от содержания в породах элементов с высоким эф фективным сечением захвата, основным из которых в осадочных породах является хлор. Замедляющая и поглощающая способности горных пород определяют пространственное распределение нейтро нов на различных стадиях их взаимодействия с породами, на изуче нии которого основаны нейтронные методы исследования скважин.
2.4. Упругие свойства горных пород
Компоненты горных пород - твердая фаза, жидкость и газы - обладают резко отличными упругими свойствами. В породе, на кото рую действуют внешние силы, стремящиеся к восстановлению ее начальной формы и размеров, величина последних сил, приходящая ся на единицу площади сечения тела, измеряемая в паскалях, называ ется напряжением, которое является векторной величиной, завися
щей от действия внешних сил, внутренних свойств и формы образца породы. В зависимости от характера приложенных внешних сил образец породы может испытывать линейное, плоскостное и объем ное напряженное состояние. Под воздействием внешних сил изменя ются линейные размеры, объем или форма горной породы. Эти изме нения называются деформацией [40,53, 88].
При увеличении напряжений можно наблюдать три вида дефор мации породы - упругую, пластическую и разрушающую. Для каж дого из приложенных напряжений существует свой коэффициент пропорциональности между напряжениями и упругими деформация ми, являющийся упругим параметром породы. Коэффициент про порциональности между продольным (сжимающим или стягиваю щим) напряжением р и соответствующей ему относительной дефор мацией е называется модулем упругости или модулем Юнга Е:
р = Е е.
Коэффициентом пропорциональности тк между касательным напряжением и соответствующей деформацией сдвига ес является модуль сдвига G:
Хк= G 8С.
При объемном напряженном состоянии породы, что соответст вует действию всестороннего гидростатического давления, связь ме жду величиной р и относительным изменением объема AVI V выра жается через модуль всестороннего сжатия Ксили сжимаемость рс:
г AV |
AV |
Р ~Кс V |
рс V |
Связь между относительными продольными и поперечными деформациями сжатия (растяжения) устанавливается коэффициен том Пуассона v:
v = - K M lL L = h . ,
с А/, / /, ех
где 1\ и /2 —начальные продольный и поперечный размеры образца;
1\ и 1г - то же, при одностороннем сжатии, Al\ = l[ - l\\ Al2- - h\ е\ ——Al\U{; e-i —Al-Jh-
Скорость распространения упругих волн. Смещение одной частицы горной породы под действием внешних сил вызывает сдвиг других, более удаленных, а распространение упругой деформации происходит с определенной скоростью. Если на породу действуют кратковременные силы, то в ней возникают упругие колебания.
Процесс последовательного распространения в породе дефор маций (упругих колебаний) называется упругой волной. В зависимо сти от вида деформации в породе возникают различные типы волн, основными из которых являются продольные и поперечные.
Продольные волны связаны с объемной деформацией среды, а их распространение представляет собой перемещение зон растяже ния и сжатия, при котором частицы среды совершают колебания око ло своего первоначального положения в направлении, совпадающем с направлением распространения волны. Продольные волны распро страняются в любой среде - твердых телах, жидкостях и газах, т. к. все вещества обладают сопротивлением объемному сжатию.
Поперечные волны обусловлены деформациями сдвига в сре де и присущи только твердым телам, т. к. в жидкостях и газах от сутствуют сопротивления сдвигу. Их распространение представля ет собой перемещение зоны скольжения слоев среды относительно друг друга; частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения в плоскости, перпендикулярной к на правлению распространения волны.
Одним из важных кинематических параметров упругих волн является скорость их распространения Vn. Для идеально упругих изотропных горных пород скорости продольных Vp и поперечных
Vs волн определяются по формулам:
Vp = jE (l- v )/8 na+vXl-2v)
и VS= J E / 25n(l+v).
где 5Пплотность породы; Е и v - соответственно модуль Юнга и коэффициент Пуассона.
Осадочные горные породы в большинстве своем являются диф ференциально упругими и не обладают совершенной связью между
фазами. Вследствие этого скорости распространения в них упругих волн отличаются от скоростей, вычисляемых по формулам. Известен ряд уравнений, с помощью которых устанавливается зависимость скорости продольных волн в породах от скоростей их распростране ния в отдельных фазах и коэффициента пористости. Наиболее про стым из них и широко применяемым на практике является уравнение Вилли (уравнение среднего времени), согласно которому Vn в порис той породе рассчитывается по времени ее прохождения через мине ральный скелет /„ и жидкость /ж, заполняющую поры:
1 |
*—» 1 |
+ v |
|
II |
/„ = *« + тж или — = — — —
VM
где К„ - коэффициент пористости; К, и V* - скорости продольных волн соответственно в минеральном скелете и насыщающей жид кости. В последнем уравнении вместо скорости целесообразнее использовать соответствующее ей интервальное время (величину, обратную скорости)
Atn= (1 - ЛТп) Д?м + Кп Д /ж ,
где AtM, At„ и Д/ж - интервальное время соответственно в мине ральном скелете, породе и насыщающей ее жидкости.
Величина Дгм зависит от минералогического состава скелета и для конкретных типов отложений является постоянной. Среднее значение скорости распространения волн в осадочных породах составляет 2500-4000 м/с.
Основными факторами, влияющими на скорость распростра нения упругих колебаний в горных породах, являются: литолого минералогический состав, поровое пространство, заполненное жидкостью, степень насыщения пор жидкостью или газом, степень цементации, текстурные и структурные особенности, разность горного и пластового давления (эффективное давление) и др.
Часто возникает необходимость в определении AtMдля кон кретного интервала геологического разреза. В этом случае сопос тавляются показатели времени, отсчитанные по диаграмме акусти ческого каротажа Д/п, со значениями пористости Кп, установленны ми по керну или одному из геофизических методов. Полученные
данные используются для построения графика зависимости Дt„ от К„. Осредненная прямая, проведенная через нанесенные точки, отсекает на оси времени значение Д/п при К„ = 0. Если пористость по разрезу изменяется слабо, то значение AtMдля каждого одно родного пласта рассчитывают по формуле
|
Л/ — |
|
1 - к „ |
Скорость пробега |
продольной волны (интервальное время) |
в воде зависит от ее |
минерализации, температуры и давления |
и определяется на практике с помощью номограммы. Скорость распространения упругих волн в нефти и газе меньше, чем в воде, так как сжимаемость углеводородов больше, чем сжимаемость во ды. На величину скорости влияет также тип цемента.
Распространение упругих волн в горных породах сопровождает ся постепенным уменьшением их интенсивности по мере удаления от источника возбуждения. Уменьшение интенсивности в основном свя зано с поглощением части энергии упругих колебаний породой и превращением ее в тепловую вследствие взаимного трения час тиц породы, совершающих колебательные движения; с рассеива нием акустической энергии и неоднородностями породы.
Коэффициент поглощения упругих волн аак характеризует ин тенсивность поглощения энергии волн в среде и может быть опре делен по формуле
'“А*ак |
111 . |
’ |
/ |
А |
г |
где А хи А2- амплитуды волн, регистрируемые приемниками, распо ложенными на расстоянии / друг от друга. Размерность ОаКвыража ют в децибеллах на 1 м или м"1. Величина в горных породах за висит от монолитности их скелета, пористости, трещиноватости, вещественного состава заполнителя пор, литологии и других пара метров.
При геофизических исследованиях скважин изучаются диэлек трические, магнитные и термические (тепловые) свойства.