Геофизические исследования скважин

Геофизические исследования скважин (ГИС) или каротаж (от фр. «отбор керна»), термин введен братьями Шлюмберже, основателями одноименной нефтесервисной фирмы) - осуществляется для изучения физических свойств горных пород, вскрытых бурением, а также технического состояния скважины.

В отличие от методов наземной или скважинной геофизики, ГИС нацелены не на глубинность или дальность, а на разрешающую способность исследований. Поэтому в ГИС, хотя применяются в основном те же методы, что и в наземной геофизике, но модификации существенно отличаются.

ГИС имеют большое вспомогательное значение, как средство интерполяции свойств, изученных на керновом материале, но также и важное самостоятельное значение – физические свойства горных пород ГИС определяются представительнее: в месте их залегания в естественных условиях для значительных объемов. Поэтому ГИС играют роль опорного метода для наземных геофизических методов.

Техника ГИС включает (рис. 9.2) каротажную станцию на базе транспортного средства высокой проходимости, в которой находится приемно-измерительная аппаратура и спускоподъемное оборудование (лебедка с кабелем для передачи информации из скважины). Скважинный зонд (т. н. «снаряд») опускают на кабеле через направляющий блок, контролирующий также длину кабеля. При необходимости зонд конструктивно защищают от высокого давления и температуры в скважине.

В шахтных условиях и при решении инженерно-гидрогеологических задач используются переносные каротажные установки. В горизонтальных и восстающих скважинах средством доставки каротажных снарядов являются штанги.

В пенетрационной модификации ГИС упрочненные каротажные снаряды задавливают в грунт установкой, применяющейся для статического зондирования грунтов.

Получаемые из скважины данные обычно регистрируются в виде графика зависимости измеряемого геофизического параметра P от глубины скважины h -каротажной диаграммы.

Основные методы каротажа: электрический, термический, ядерно-физический, акустический, инклинометрия, кавернометрия, фото- и видео. В нефтегазовой отрасли применяется газовый каротаж и рациональный комплекс каротажа (промысловая геофизика).

Электрический каротаж – наиболее развитый и широко применяемый вид ГИС. Имеет следующие основные модификации:

Каротаж на постоянном токе – измеряют кажущееся удельное электрическое сопротивление (каротаж КС) и потенциалы спонтанной поляризации (каротаж ПС). Физические основы – дифференциация горных пород по удельному электрическому сопротивлению и самопроизвольно возникающим в скважине потенциалам электрохимических процессов.

Зонд КС состоит из трех электродов, располагаемых по оси скважины с фиксированными интервалами (двух сближенных и одного удаленного). Для поддержания электрической цепи используется еще один электрод, заземляемый на земной поверхности («бесконечность»). Два электрода подключают к источнику тока, два – к измерителю разности потенциалов, находящимся на поверхности, например – в каротажной станции.

В зависимости от решаемой задачи (определение границ напластований или истинных значений УЭС горных пород), используют те или иные комбинации подключения электродов.

Электрическая схема каротажной станции обеспечивает одновременное измерение потенциала ПС на одном из электродов зонда КС. Каротаж ПС позволяет наиболее простым способом определять границы горных пород, но в разной геологической обстановке критерии его интерпретации могут меняться.

Боковое каротажное зондирование (БКЗ) - последовательно применяют серию зондов КС различных размеров для определения зоны проникновения бурового раствора, что дает более полную информацию о свойствах горных пород (коллекторские свойства, нефтенасыщенность).

Каротаж ВП – изучают процесс искусственной поляризации горных пород в области спада. Эффективен при выявлении зон вкрапленности, сопровождающей сульфидное оруденение, пластов угля, определении водно-физических свойств горных пород.

Индукционный (ИК) и диэлектрический (ДЭК) каротаж – используют переменные электрические поля частотой 10…200 кГц и 10 мГц и более, соответственно. Вместо электродов применяются катушки индуктивности, поэтому измерения могут осуществляться в скважинах с высокоомным буровым раствором (на нефти) и в сухих скважинах.

ИК эффективен при изучении тонкослоистых разрезов и выявления высокоэлектропроводящих (рудных) подсечений; ДЭК – при определении водонаполненной пористости горных пород, независимо от минерализации воды: диэлектрическая проницаемость у воды - около 81 ед., у горных пород – 10 ед.

Акустический каротаж (АК) – основан на дифференциации упругих свойств горных пород в разрезах скважин, сохраняющейся с увеличением глубины в большей степени, чем в КС.

Зонд АК состоит обычно из излучателя и двух приемников ультразвуковых колебаний, разделенных поглощающим экраном, рабочая частота – 10…20 кГц, частота следования импульсов – 20…30 Гц. Измеряют интервальное время ΔТ прохождения ультразвуковых импульсов между приемниками на базе 0,4…1,0 м.

АК позволяет не только дифференцировать разрез скважины с высокой детальностью (до 10…20 см), но и помогает решать такие важные при бурении газо-нефтяных скважин задачи, как определение пористости, оценка насыщенности пластов водой или нефтью; кроме того он позволяет определять физико-механические свойства горных пород для инженерной геологии.

Радиоактивный каротаж (РК) – основан на измерении естественного и вызванного ядерного излучения. Важное преимущество РК – возможность измерения сквозь обсадные трубы.

В гамма-каротаже (ГК) – регистрируется естественное γ-излучение и определяется его интенсивность. Основные задачи – выявление радиоактивных пород в разрезе скважины и литолого-стратиграфическое расчленение осадочных толщ по содержанию глинистой фракции. Данные ГК хорошо коррелируются с каротажом ПС. Скважинный снаряд рассчитан на измерение как естественного, так и вызванного γ-излучения: имеет возможность присоединения источника радиоактивного излучения с разделительным (свинцовым) экраном.

В нейтронном гамма-каротаже (НГК) – измеряется интенсивность вызванного γ-излучения при облучении нейтронами от источника радиоактивного излучения. Выделяет водородосодержащие породы (водоносные, нефтеносные и глинистые). При сопоставлении ГК и НГК уверенно выделяются проницаемые породы среди глинистых.

В нейтрон-нейтронном каротаже (ННК) – регистрируется плотность тепловых нейтронов в среде, окружающей датчик; данные аналогичны НГК, но свободны от влияния естественного γ-излучения.

В гамма-нейтронном каротаже (ГНК) – облучают горные породы γ-излучением, а регистрируют нейтронное; обнаруживают бериллий и количественно оценивают его содержание.

Гамма- гамма каротаж (ГГК) – позволяет сравнивать плотность горных пород.

Методы контроля технического состояния скважин, используются также для интерпретации данных других видов каротажа.

Инклинометрия – определяет вертикальный угол и азимут наклона скважины: по отвесу и магнитной стрелке или гироскопом (в стальных обсадных трубах и в разрезах с ферромагнитными горными породами).

Кавернометрия – определяет горизонтально сечение скважины по 3…4 радиусам рычажно-электрическим способом; позволяет уточнить разрез скважины (размыв в глинистых породах), получить данные для интерпретации БКЗ и НК, технические данные для процесса бурения.

Резистивиметрия или термометрия – определяют удельное электрическое сопротивление или температуру скважинной жидкости, что позволяет выявлять места притока в скважину воды (в т. ч. – по методике отартывания или продавливания) при решении промысловых и гидрогеологических задач.

Фото- и видеокаротаж – визуальное изучение стенок, забоя и технического состояния скважины.

Вопросы для самоконтроля

Какие возможности для геофизики предоставляет скважина?

Как подразделяются геофизические исследования с использованием скважины?

В каких вариантах осуществляется скважинная геофизика и какие основные методы в ней применяются?

Что такое каротаж, какие задачи он решает? Как осуществляются ГИС технически?

Какие основные методы включает электрический каротаж?

Что представляют собой зонды КС и ПС и как они подключаются? Что изучают этими методами?

Чем различаются ИК и ДЭК и чем они отличаются от КС?

На чем основан АК, как он осуществляется и какую информацию дает?

Какие методы включает РК и какую информацию они позволяют получить?

Какие методы используются для контроля технического состояния скважины?