Промысловая геофизика учебное пособие

Среди породообразующих элементов эффект ядерного магнетизма наиболее сильно выражен у водорода, поскольку ядрам атомов водорода свойственно наибольшее значение гиромагнитного отношения. Благодаря этому их присутствие удается установить в условиях скважины. Ядерный магнетизм всех других элементов слишком мал, чтобы его можно было использовать для изучения разрезов скважины. При исследовании горных пород можно учитывать только ядерную намагниченность протонов.

ЯМК основан на регистрации эффектов свободной прецессии ядер водорода. С этой целью в скважину опускают прибор, включающий катушку, усилитель и переключатель, попеременно подключающий выводы катушки то к источнику постоянного тока, то ко входу усилителя. При подключении катушки к источнику тока в окружающей среде создается поляризующее постоянное магнитное поле. Схематическое изображение процессов ЯМК представлено на рис. 42. При отсутствии внешнего искусственного магнитного поля магнитные моменты ядер водорода µ ориентированы в направлении магнитного поля Земли Н3, прецессируя вокруг него (рис. 42, I, а). При пропускании тока поляризации Iпол через катушку в течение времени tпол (рис. 42, II, а) в исследуемой среде образуется постоянное магнитное поле напряженности Нпол. Вектор этого поля составляет некоторый угол с вектором напряженности поля Земли Нз и значительно превышает его по величине. Возникающий при этом вектор ядерной намагниченности М ориентируется по результирующему вектору Нср, представляющему собой сумму двух векто-

ров (рис. 42,1, б).

Вектор ядерной намагниченности М устанавливается не сразу после включения тока Iпол, а в течение времени Т1 продольной релаксации (установления равновесия), характеризующей скорость нарастания ядерной намагниченности по направлению приложенного поля поляризации (рис. 42, II, б):

М = Мо[1 – exp(–tпол/Т1],

где Мо – вектор ядерной намагниченности при tпол → ∞; практически tпол принимается равным (3–5)Т1.

После выключения поляризующего тока (ступенчатым снижением до величины остаточного тока Iост и полным выключением

101

через время tпол) в среде действует только магнитное поле Земли, и вектор ядерной намагниченности процессирует вокруг вектора Нз с круговой частотой ω = γгир Нз, постепенно возвращаясь к своей первоначальной величине (рис. 42, I, в). Вектор ядерной намагниченности М по отношению к Нз может быть разложен на две составляющие: продольную М , совпадающую с направлением вектора Нз, и поперечную М , перпендикулярную к Нз.

Под действием вектора М в катушке наводится электрический синусоидальный сигнал (переменная ЭДС) ЕСПП – сигнал свободной прецессии (СПП), соответствующий амплитуде ЭДС в момент времени t, прошедший с начала прецессии, затухающий по экспоненциальному закону с постоянной времени релаксации Т2 (рис. 42, II, в). Время поперечной релаксации Т2 характеризует скорость затухания сигнала. Сигнал свободной прецессии (СПП) усиливается и передается по кабелю на поверхность, где регистрирующее устройство фиксирует амплитуду сигнала и затухание его во времени. Для изучения разреза скважины наибольший интерес представляет величина U0, пропорциональная числу ядер водорода, входящих в состав подвижного флюида – нефти или воды. Амплитуда U0 отсчитывается в момент времени, сдвинутый относительно момента включения тока, что является следствием искажения огибающей кривой, которая в своей левой части как бы смещается вправо на время τ (рис. 42, II, г). Так, сигнал свободный прецессии убывает по экспонциальному закону, достаточно иметь два значения его амплитуды U1 и U2 или U1 и U3 , разделенных некоторыми временными интервалами t1, t2 и t3 (35, 50 и 70 мс), чтобы по ним экстаполированием восстановить амплитуду сигнала U0, по которому определяется индекс свободного флюида. Аппаратура ЯМК позволяет одновременно автоматически регистрировать две или три каротажные кривые изменения с глубиной амплитуд сигнала свободной прецессии при фиксированных временах t1, t2 и t3 и постоянных значениях tпол и tост. По этим данным оценивается (или непосредственно регистрируется при использовании счетно-решающего устройства) величина U0, приведенная к моменту выключения поляризующего тока (рис. 43).

Интерпретация диаграмм ЯМК заключается в определении величин измеряемого сигнала свободной прецессии (ССП) и времени

102

продольной релаксации Т1. Время поперечной релаксации Т2, будучи искажено неоднородностью поля Земли, для изучения разрезов скважин не используется. На основании интерпретации диаграмм ЯМК возможно решение следующих основных задач: выделение коллекторов и оценка их коллекторских свойств; оценка характера насыщения коллектора и перспективы получения нефти, газа или воды из пласта.

Рис. 42. Поведение вектора ядерной намагниченности (I) до поляризации (а), во время ее (б) и в начале свободной прецессии (в), а также схема процессов (II), возникающих при исследовании методом ЯМК

103

Аппаратура ЯМК эталонируется в единицах ИСФ (индекс свободного флюида), и кривые ЯМК принято записывать в масштабе ИСФ (% /cм). Однородные водородосодержащие пласты, мощности

в средней части пласта: границы пластов проводятся по середине наклонных линий. Если мощность пласта меньше длины зонда, то происходит уменьшение ИСФ по сравнению с истинными величинами и расширение максимума; определение границ тонких пластов по кривым ЯМК затрудняется. В качестве существенных (характерных) величин принимаются их средние значения (ИСФ). Для получения истинных значений (ИСФ) и по данным (ИСФ)к вводятся поправки на влияние скважины, глинистой корки, пространственной ориентации скважины и др. Для этого пользуются специальными палетками. Определение характера насыщения пород по времени продольной релаксации Т1 производится в интервалах, охарактеризованных по кривой ИСФ как коллекторы с достаточной эффективной пористостью, содержащие свободную жидкость.

Оценка времени продольной релаксации сводится к последовательному измерению амплитуды ССП для фиксированного значения времени измерения, но при изменяющихся от цикла к циклу значениях времени tпол в сильном или tост в слабом поле.

На рис. 43 показан пример использования диаграмм ЯМК в комплексе с кривыми других методов ГИС для выделения коллекторов и оценки их насыщенности. ЯМК предназначен для выделения пластов, содержащих подвижный флюид, определения их пористости и характера насыщения.

ЯМК предназначен для выделения пластов, содержащих подвижный флюид, определения их пористости и характера насыщения. Метод ЯМК используется также для разделения нефтеносных и битумизированных пород. Для битумизированных пород эти значения очень малы. Ограничения метода ЯМК связаны с невозможностью измерения ССП в среде (в глинистом растворе, в породе с повышенной магнитной восприимчивостью, в породах с малой эффективной пористостью (1,5–2 %), в том числе в трещинных коллекторах. ЯМК применим при исследовании разрезов скважин, не обсаженных колонной.

104

скважины проводят комплекс исследований, который включает измерение параметров нефтегазосодержания продуктивных пластов и параметров, характеризующих режим бурения скважины, и каротаж по шламу [4, 10, 13].

4.3.1. Газовый каротаж

Комплекс геохимических исследований скважин включает: газовый каротаж, применяемый в двух вариантах: в процессе бурения и после бурения.

Газовый каротаж в процессе бурения. Газовый каротаж ос-

нован на изучении содержания и состава углеводородных газов и битумов в промывочной жидкости. Поровое пространство нефтегазоносных пород заполнено в основном смесью предельных углеводородов, значительная часть которых находится в газообразном состоянии. Природный газ состоит главным образом из метана СН4 (наиболее легкого из углеводородов) и так называемых тяжелых газообразных углеводородов: этана (С2Н6), пропана (С3Н8), бутана (С4Н10), а также парообразных углеводородов: пентана (С5Н12), гексана (С6Н14) и гептана (С7Н16). Более тяжелые углеводороды находятся в нефти, как правило, в жидкой фазе. Природный газ может содержать и некоторые неуглеводородные газы – углекислый газ, сероводород, азот, водород и др. В процессе бурения газ из пор нефтесодержащих пород поступает в циркулирующую по стволу скважины промывочную жидкость, размешивается в ней и транспортируется по скважине от забоя до земной поверхности. На поверхности проводят анализ содержания газообразных углеводородов в промывочной жидкости.

Таким образом, газометрия скважин в процессе бурения основана на том, что находящиеся в продуктивных пластах углеводородные газы переходят в промывочную жидкость и создают в ней зоны повышенной газонасыщенности. Эти зоны отмечаются аномалиями на диаграмме суммарных газопоказаний Гсум в газовоздушной смеси с помощью термохимического газоанализатора. Регистрируемая диаграмма подвергается обработке и привязке к истинным глубинам, соответствующим поступлению в скважину анализируемых газов из разбуриваемого пласта в скважину (рис. 44).

106

Гсум фиксируются дважды симметрично глубине забоя – для затрубной промывочной жидкости и для внутритрубного пространства. Начало первого газопроявления соответствует кровле газоотдающего пласта, а начало второго газопроявления – подошве пласта.

С помощью газового каротажа после бурения решаются те же задачи, что и при газовом каротаже в процессе бурения с одной и той же степенью достоверности.

4.3.2. Механический каротаж

По данным механического каротажа определяются продолжительность и скорость бурения горных пород. Продолжительность бурения – это время Т1 (мин/м), затрачиваемое на бурение 1 м породы. Скорость бурения Vб (м/ч) характеризуется углублением скважины в единицу времени:

Т1 = 60 / Vб.

Степень трудности разрушения тех или иных горных пород определяется параметрами их буримости. Буримость горных пород является функцией многих переменных, зависящих от геологических, технических и технологических факторов [10].

Продолжительность бурения горных пород зависит в основном от прочности цементирующего вещества и его связи с частицами породы. Из осадочных пород самой высокой сопротивляемостью разрушению долотом в процессе бурения характеризуются известняки и доломиты с повышенной степенью кристаллизации и окремнелости. Песчано-алевритовые породы имеют несколько меньшую сопротивляемость. Из песчаников наиболее прочны кварцевые разности с кремнистым цементом, наименее прочны песчаники с глинистым цементом. Глины, глинистые сланцы и аргиллиты, а также пески и другие рыхлые породы отличаются низкими критическими напряжениями.

Показателями буримости горных пород служат скорость бурения (м/ч, м/мин) и продолжительность бурения (ч/м, мин/м), определяемые через время бурения интервала разреза – углубления скважины (1,0; 0,5; 0,4; 0,2 м).

108

Более крепкие породы – сильно сцементированные осадочные породы (доломиты, кристаллические известняки, сливные песчаники) характеризуются высокой продолжительностью бурения по сравнению с пористыми терригенными и карбонатными породами. Особенно четко выделяются каверны и карстовые пустоты в толще карбонатных отложений.

Точность литологического расчленения разреза скважин возрастает при комплексной интерпретации диаграмм продолжительности бурения с другими методами ГИС (рис. 46).

Каротаж по шламу. При этом виде каротажа в процессе бурения скважины отбирают шлам и исследуют его. Комплекс исследований шлама, выполняемых в лабораторных условиях, включает описание шлама и построение по нему литологического разреза скважины, люминесцентный анализ, определение карбонатности и открытой пористости горных пород.

110