Позиционные методы подземной навигации. Понятия о методах геофизических исследованиях в скважинах (ГИС).

Позиционные методы подземной навигации

К позиционным методам навигации относятся методы, определения местоположение объекта при помощи внешних ориентиров или приемников информации.

Геофизические методы

Геофизические исследования являются неотъемлемой составляющей геологоразведочного процесса на всех стадиях поиска, разведки и разработки МПИ. Без точного определения размеров залежей, в частности, нельзя оценить промышленные запасы и рентабельность разработки месторождения. В свою очередь, точное определение размеров МПИ требует, и еще долгие десятилетия будет требовать бурения скважин, и оттого, насколько достоверна не только траектория скважин, но и расположение этих скважин по месторождению, т. е. от точности навигации в пласте (рудном теле и т. д.) зависит успех предприятия в целом.

Если информация о технологических параметрах бурения - расходе и давлении промывочной жидкости, крутящем моменте (осевом усилии) на долоте необходима для адекватного воздействия на исполнительные органы, то данные каротажа - физико-химический состав, коллекторские свойства, буримость пород, а также положение траектории относительно границ различных геологических формаций - продуктивных пластов, газовых оторочек, водонасыщенных областей и т.д.- позволяют корректировать в процессе бурения заданную траекторию (своеобразное «полетное задание»), приводя его в соответствие с фактической обстановкой в области нахождения КНБК.

Если еще совсем недавно набор этих характеристик был достаточно примитивен: измерение параметров бурового раствора в устье скважины, а также удельного электрического сопротивления породы в непосредственной близости от КНБК, - то сейчас это настоящий каротажный арсенал –электромагнитный, сканирующий, нейтронный вибрационный и др. виды каротажа.

Геофизические задачи подразумевают использование совокупности методов каротажа.

В проекте бурения ГС и БС профиль траектории выбирается с учетом структурного залегания продуктивного пласта, его толщины, коллекторских свойств и других факторов. К сожалению, часто фактическое положение пластов и их толщины отличаются от проектных данных. В результате даже при бурении по заданному профилю встреча с кровлей продуктивного пласта может произойти с отклонениями от проекта. Поэтому для уточнения геологической обстановки и принятия управляющих решений по мере необходимости проводятся привязочные, промежуточные и окончательные каротажи.

К методам каротажа в процессе бурения скважин, относится, прежде всего, метод кажущихся сопротивлений,радиоактивный каротаж, а также вибрационный каротаж.

Скважинные исследования методом кажущихся сопротивленийоснованы на расчленениипород, окружающих скважину, по их удельному электрическому сопротивлению. При исследовании этим методом используютсяобычно трех - (иногда 5-7) электродные зонды. Три электрода располагаются в скважине (четвертый - заземляется на дневной поверхности). Разность потенциалов, снимаемая с измерительных электродов (питаемых от генератора частоты 300-400 Гц.), пропорциональна удельному электрическому сопротивлению окружающих зонд горных пород, зависящему от их пористости и флюида (вода, нефть, газ), насыщающего пласт.

Боковой каротаж(БК) основан на регистрации кажущегося электрического сопротивления горных пород трехэлектродным фокусированным зондом с фокусировкой тока в радиальном направлении с помощью экранных электродов. Наиболее эффективен БК для изучения разрезов с частым чередованием пластов и при высоких отношениях удельных сопротивлений горных пород и промывочной жидкости. В необсаженных скважинах с пресным типом раствора набором зондов различной длины производится регистрация кажущегося электрического сопротивления – так называемый, метод бокового каротажного зондирования (БКЗ).

Индукционный каротаж (ИК)основанный на регистрации удельной проводимости горных пород в переменном электромагнитном поле создаваемом генераторными катушками скважинного прибора, также обеспечивает расчленение разрезов скважин, определение удельного электрического сопротивления пласта, определение характера насыщения пластов.

Распространенным методом, который по аналогии с практикой подвижных объектов может быть отнесен к ближней навигации в пласте, является радиоактивный каротаж - метод имеющий малую глубинность, но позволяющий надежно выявить момент вхождения зонда в соседний пласт, отличающийся по естественной радиоактивности пород.

Радиоактивный каротаж (РК) - совокупность геофизических методов исследования скважин, основанных на измерении интенсивности естественной и искусственно созданной радиоактивности горных пород.

Основные виды РК, применяемые в промысловой геофизике:

-гамма-каротаж (ГК), гамма-гамма каротаж (ГГК), каротаж нейтронный (НК).

При проведении наиболее распространенного - ГК с помощью скважинных радиометров записывается непрерывная кривая, или диаграмма, интенсивности гамма-излучения. Так как гамма - лучи почти полностью поглощаются слоем породы толщиной 1 - 2 м, а до 30 % ядерной энергии не пропускается обсадными трубами, то скважинный радиометр может фиксировать гамма-излучение пород, расположенных в радиусе, не превышающем (0.3-0.5)м от оси скважины. Существующая связь между радиоактивностью пород и их литологией, между интенсивностью гамма-излучения и степенью заглинизированности пород позволяет по кривым ГК выделять в разрезе скважины глинистые интервалы, количественно оценивать содержание в породе глинистого материала, а в комплексе с другими методами каротажа литологически расчленять разрез.

Выделение в процессе ГК характерных горизонтов позволяет гарантировать точность траектории скважины не только геометрически, но и геологически.

Реализация методов акустического каротажа (АК) требует наличия источника упругих колебаний и приемника (группы приемников), реагирующего на параметры сигнала (амплитуда, фаза) в исследуемой среде, т.к. даже незначительное изменение состава разбуриваемой породы приводит к изменению в спектре частот.

Излучение и прием сигналов в определенном направлении позволяет обеспечить так называемые «азимутальные» измерения (этот термин – атавизм эпохи вертикального бурения, точнее было бы определение «радиальные»). Изменяя положение датчиков сфокусированного электромагнитного поля или датчиков измерений естественной радиоактивности окружающих скважину горных пород, например, поворотом скважинного снаряда телесистемы на 90°, можно получить информацию о свойствах пласта сверху, слева, справа и снизу. Если показания слева и справа – одинаковы, а показания сверху и снизу отличаются от них – прибор находится вблизи кровли или подошвы пласта.

Частотный и амплитудный спектр измеряемых при вибрационном каротаже (ВК) колебаний характеризует упругие свойства горных пород и, в свою очередь, несет информацию о литологическом составе разбуриваемого пласта. Регистрация и исследование спектра продольной вибрации позволяет надежно дифференцировать разрез по буримости. Кроме того, сильная вибрация во время бурения может служить указанием на износ долота или же другие нежелательные эффекты, например проскальзывание, прихватывание или проворачивание долота. Трехосные акселерометры, расположенные вблизи долота позволяют измерить боковую, скручивающую и продольную вибрацию с записью средних пиковых и мгновенных ускорений. Результаты анализа различных видов вибрации можно использовать для выявления возможных причин тех или иных дефектов и принятия соответствующих мер.

Локация.

Это определение местоположения объектов с помощью сигналов, которые образуются в результате отражения (либо ретрансляции) ими волн, излучаемых с дневной поверхности (это могут быть акустические, сейсмические, радио- и другие волны), либо в результате регистрации собственного излучения объекта (устройств, находящихся на объекте).

В качестве примера можно привести метод сейсмической локации обсаженных и необсаженных скважин, разработанный отечественными специалистами и заключающийся в следующем. В забое измеряемой скважины устанавливается сейсмический зонд, соединенный с обрабатывающим информацию комплексом. В выбранных определенным образом точках на дневной поверхности производятся сейсмические воздействия. Координаты этих точек измеряются приемником спутниковой навигации и передаются на обрабатывающий комплекс. Обрабатывающий комплекс осуществляет регистрацию сейсмических сигналов и вычисление времен их распространения от соответствующих точек на дневной поверхности до забоя скважины. Далее, с учетом строения среды, производится аппроксимация результатов измерений функцией второго порядка и вычисление экстремума этой функции, значение которого соответствует координатам забоя скважины (рис 1.).

Рис.1.

Этот метод пока еще не нашел широкого применения, хотя и был положен в основу создания технического комплекса, обеспечивающего оперативное измерение координат забоя с достаточной точностью непосредственно в полевых условиях [].

Метод локации успешно применяется в технологиях бестраншейного бурения, позволяющих осуществить строительство и ремонт подземных коммуникаций без экскавации грунта - под реками, озерами, оврагами, в условиях плотной жилищной застройки городов при прохождении трассы под автомагистралями, трамвайными путями и т. д., в стеснённых условиях, где невозможно применить землеройную технику.

Контроль за местоположением буровой головки при бестраншейном бурении осуществляется с помощью приемного устройства локатора, который принимает и обрабатывает сигналы встроенного в корпус буровой головки передатчика. Передатчик работает на частотах (30-35) КГц на глубинах до 30 м.

На мониторе локатора и на дисплее оператора буровой установки отображается визуальная информация о местоположении, уклоне, азимуте буровой головки. Эти данные являются определяющими для контроля соответствия траектории строящегося трубопровода проектной и минимизируют риски излома рабочей нити. Дальность действия такой системы – около 600м, точность измерения - ±1%.

Место позиционных методов в решении задач подземной навигации.

Используя предложенные в лекции №2 аналогии с морской навигацией целесообразно разделить вышеупомянутые в кратком обзоре методы на относительные и абсолютные. К последним следует отнести локационные измерения, во всех вариантах производимые относительно точек с известными географическими координатами и, в некоторой степени, метод гамма-каротажа (здесь налицо все признаки коррелляционно-экстремальной навигации, однако, в отличие от последней, может отсутствовать предварительная привязка ориентиров, в качестве которых выступают показатели радиоактивности характерных горизонтов). Прочие методы однозначно следует классифицировать как относительные. Они «привязывают» геофизическую обстановку к скважинному прибору, позволяя в совокупности с абсолютными методами навигации последнего, строить объемные модели месторождений, картографированные в земных системах координат. При проводке скважин этими методами, кроме того, решаются задачи аналогичные известным из мореходной практики задачам предотвращения столкновений. Причем, в качестве «целей» в подземной навигации могут быть, например, кровля и подошва продуктивного пласта, разрушение которых при бурении приводит к серьезнейшим материальным потерям, а то и вообще к необходимости глушения скважины.

Лекция №3.