Электрические и электромагнитные методы исследования скважин. Способы потенциалов самопроизвольной поляризации и кажущегося сопротивления. Акустические технологии на головных и отраженных волнах. Методика естественного магнитного поля и восприимчивости.
Геофизические методы исследования скважин служат для получения геологической документации разрезов скважин, выявления и промышленной оценки полезных ископаемых, осуществления контроля за разработкой нефтяных и газовых месторождений, изучения технического состояния скважин и т.д. Методы ГИС используются также при контроле технического состояния скважин и при исследовании действующих скважин в процессе разработки нефтегазовых месторождений. Методы потенциалов самопроизвольной поляризации горных пород основаны на изучении естественных электрических полей в скважинах. Методы ПС, основанные на диффузионно-адсорбционной активности, можно применять в нефтегазовых, гидрогеологических и инженерно-геологических скважинах для выделения коллекторов, оценки их глинистости и связанной с этим проницаемости, для выделения глин и глинистых разностей, образующих непроницаемые и плохо проницаемые пласты, для корреляции разрезов по хорошо выдержанным толщам. При течении жидкости в пласт в скважине возникает отрицательный потенциал, при течении из пласта - положительный.
Введение
Геофизические методы исследования скважин служат для получения геологической документации разрезов скважин, выявления и промышленной оценки полезных ископаемых, осуществления контроля за разработкой нефтяных и газовых месторождений, изучения технического состояния скважин и т.д. С этой целью по данным ГИС изучают в скважинных условиях физические свойства горных пород.
Методы ГИС подразделяются на электрические, радиоактивные, акустические, магнитные, термические и т.п. Геофизические методы позволяют представить разрезы скважин комплексом физических характеристик, таких, как удельное электрическое сопротивление, радиоактивность, теплопроводность изучаемых сред, скорость распространения упругих волн в них и т.п.
Основным документом для геологической службы является литологостратиграфическая колонка, содержащая результаты интерпретации материалов ГИС и сведения о положении границ пластов и их толщине, литологической характеристике каждого пласта, наличии коллекторов, характере флюида, заполняющего поровое пространство продуктивных пластов (нефть, газ, вода), и др.
Окончательный результат геофизических исследований представляется такими физическими параметрами, изучаемыми методами ГИС, как пористость, проницаемость, глинистость пород, коэффициент нефтегазонасыщения порового пространства. Оценка этих параметров и составляет один из важнейших этапов процесса интерпретации геофизических данных.
Интерпретация, в свою очередь, может быть качественной, если, например, определяется литологический состав породы, и количественной, если оценивается количество содержащегося в породе то- го или иного компонента (глины, нефти, газа и др.). Методы ГИС используются также при контроле технического состояния скважин и при исследовании действующих скважин в процессе разработки нефтегазовых месторождений. За последнее время широкое распространение получила интерпретация данных ГИС с помощью ЭВМ и персональных компьютеров
1. Электрические и электромагнитные методы исследования скважин
1.1 Методы потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС)
Методы потенциалов самопроизвольной поляризации горных пород основаны на изучении естественных электрических полей в скважинах. Естественные поля возникают в результате электрической активности диффузионно-адсорбционного, окислительно-восстановительного, фильтрационного и электродного характера.
Диффузионно-адсорбционная ЭДС. Пластовые и скважинные воды являются электролитами, поскольку в них присутствуют ионы растворенных солей. В подавляющем большинстве случаев - это ионы натрия и хлора. Ионы диффундируют в различных направлениях, однако результирующий поток диффузии направлен в сторону раствора меньшей концентрации, каким обычно является вода, составляющая основу промывочной жидкости. Анионы - ионы хлора - движутся быстрее, чем катионы - ионы натрия. Поэтому в скважине против содержащего пластовую воду коллектора ионов хлора оказывается больше, чем ионов натрия. Возникший объемный отрицательный заряд обусловливает наличие ЭДС, которую изза происхождения называют диффузионной. Методы ПС, основанные на диффузионно-адсорбционной активности, можно применять в нефтегазовых, гидрогеологических и инженерно-геологических скважинах для выделения коллекторов, оценки их глинистости и связанной с этим проницаемости, для выделения глин и глинистых разностей, образующих непроницаемые и плохо проницаемые пласты, для корреляции разрезов по хорошо выдержанным толщам.
Фильтрационные потенциалы. При течении жидкости через горные породы возникают потенциалы фильтрации, происхождение которых также связано с наличием двойного электрического слоя и, в частности, его подвижной диффузной части. Поскольку ионы диффузного слоя подвижны, протекающая через капилляр жидкость увлекает часть ионов диффузного слоя, в результате чего сам капилляр заряжается положительно. В той его части, где за счет смещения диффузного слоя отрицательный заряд оказался нескомпенсированным, возникает отрицательный потенциал. При течении жидкости в пласт в скважине возникает отрицательный потенциал, при течении из пласта - положительный.
Электродные потенциалы. Катионы пород, обладающих электронной проводимостью (сульфидные руды, графит, антрацит), взаимодействуя с полярными молекулами воды, переходят в раствор. Поверхность пород заряжается при этом отрицательно, а раствор - положительно. Возникающую разность потенциалов называют электродной. В разрезах угольных и рудных скважин величина и структура естественного электрического поля в значительной степени обусловлена потенциалами электродного происхождения.
Вид диаграмм ПС. Диаграммы методов ПС характеризуют изменения соответствующих потенциалов - диффузионно-адсорбционных, фильтрационных, электродных в зависимости от глубины скважины. Наибольшее распространение получили методы, основанные на диффузионно-адсорбционной активности. Их диаграммы приведены на рисунке 1 - видно, что в качестве нуля на них условно выбирают положение, соответствующее максимальному положительному отклонению,- линию глин. Отсчет берут справа налево.
Следовательно, амплитуда ПС в чистых глинах равна нулю. Диаграммы изменения ЭДС называют статическими. Протекание токов между участками с различными потенциалами приводит к тому, что фактические диаграммы отличаются от статических так же, как разность потенциалов на электродах источника электрического тока отличается от его ЭДС. Все факторы, способствующие увеличению тока (повышение минерализации промывочной жидкости, увеличение диаметра скважины, а также снижение мощности исследуемого пласта), приводят к увеличению расхождения между фактическими и статическими диаграммами.
При чрезмерно соленых промывочных жидкостях или пластах очень малой мощности (в 2 раза и более меньших диаметра скважины) расхождение может оказаться столь большим, что метод становится неэффективным. В благоприятных условиях можно восстановить статическую диаграмму по известной фактической. Метод ПС является одним из основных электрических методов при исследовании разрезов нефтегазовых скважин.
1.2 Методы кажущегося сопротивления (КС)
Микрометоды КС. Применяют три микрометода КС: резистивиметрию, микрозондирование, пластовую наклонометрию. Резистивиметрию проводят с целью определения сопротивления скважинной жидкости и выполняют градиент-зондом столь малой длины, что влиянием стенок скважины можно пренебречь. Такой зонд называют резистивиметром. Микрозондирование выполняют прижатым к стенке скважины градиент- микрозондом или потенциал-микрозондом. Оно служит для детального изучения ближней зоны. Поскольку радиус исследования градиент-зонда много меньше, чем потенциал-зонда, на его показания большое влияние оказывает глинистая корка, образующаяся в коллекторах. Сопротивление глинистой корки меньше сопротивления породы, поэтому о ее наличии и, следовательно, о наличии коллектора свидетельствует занижение ?к, измеренного градиент-микрозондом, по отношению к ?к , измеренному потенциал-зондом. В непроницаемых пластах показания обоих зондов совпадают. Пластовая наклонометрия заключается в проведении исследований несколькими микрозондами, расположенными таким образом, что их точки записи лежат в одной плоскости, перпендикулярной к оси скважины. При прохождении установкой горизонтальной границы все микрозонды пересекут ее одновременно. Аномалии на каждой из диаграмм совпадут по глубине. Если граница наклонена, аномалии будут смещены одна относительно другой на величины, пропорциональные углу наклона границы. В настоящее время в пластовых наклономерах чаще применяют микрозонды с фокусировкой тока. В целом нужно отметить большую информативность методов пластовой наклонометрии.
1.3 Электромагнитные методы ГИС
Электромагнитные методы основаны на применении электромагнитного поля, индуцирующего вторичное электромагнитное поле в горных породах. В связи с этим они не требуют гальванического (непосредственного) контакта токоведущих элементов с исследуемой средой. Их можно применять в «сухих» скважинах, пробуренных с использованием не проводящих ток пресных промывочных жидкостей и жидкостей на нефтяной основе. Он позволяет, к примеру, выделять тонкие прослои глин, залегающие среди мощных пластов высокого сопротивления (рисунок 2). Различают низкочастотные (20-60 КГЦ) и высокочастотные (1-40 МГЦ) электромагнитные методы.
Основное применение в практике нашел низкочастотный метод, известный под названием индукционный. В принципе, индукционный зонд состоит из двух катушек-генераторной и приемной. Генераторная катушка создает первичное электромагнитное поле, приводящее к возникновению в горных породах вихревых токов (токов Фуко). Схематически картина выглядит так, будто пространство заполняется элементарными токовыми кольцами с центрами на оси скважины - вихревыми токами. Ток в каждом i-м кольце прямо пропорционален электродвижущей силе Ei, создаваемой первичным полем в области этого кольца, и обратно пропорционален электрическому сопротивлению R горных пород, составляющих кольцо.
2. Ядерно-физические методы
Ядерно-физические методы ГИС основаны на изучении естественных и искусственных полей радиоактивных излучений в скважине. Существуют интегральные методы, при которых регистрируется общая интенсивность излучения, и их спектральные модификации, с помощью которых исследуют энергетические спектры излучений и оценивают содержание в горных породах отдельных элементов.
2.1 Методы естественной гамма-активности
Методы естественной гамма-активности - интегральный (ГМ) и спектральный (ГМ-С) - изучают естественную радиоактивность пород, вскрытых скважиной. Естественная радиоактивность обусловлена, в основном, присутствием урана 238U и продуктов его распада, радия Ra, тория Th и радиоактивного изотопа калия 40К. Остальные радиоактивные элементы имеют большие периоды полураспада и низкие концентрации. Радиоактивность метаморфических пород, как правило, высока за счет значительного содержания в них 40К. Радиоактивность осадочных пород колеблется в широких пределах. Пониженной радиоактивностью отличаются хемогенные отложения, чистые пески, песчаник, известняк и доломит. Максимальной радиоактивностью обладают глины, глинистые и битуминозные сланцы, фосфориты, а также калийные соли. Поэтому интегральный гамма-метод (ГМ) применяют для идентификации этих отложений. Радиоактивность других терригенных пород характеризует степень их глинистости, а карбонатных - содержание мелкодисперсного материала. В отдельных случаях ГМ не может дать правильного представления о литологии пород, обладающих повышенной радиоактивностью. скважина поляризация магнитный поле
Регистрируемые в зависимости от глубины диаграммы гамма-методов осложнены флуктуациями, обусловленными статистическим характером излучения (рисунок 3).
2.2 Гамма-гамма методы (ГГМ)
ГГМ основаны на измерении интенсивности искусственного гамма-излучения, рассеянного горной породой. В качестве источников гамма-квантов используют радиоактивные изотопы, энергия излучения которых лежит в диапазоне 20 КЭВ - 1,33 МЭВ. Существуют две модификации ГГМ - плотностная ГСМ-П и селективная ГГМ-С. В методе ГГМ-П энергетические диапазоны излучаемого и регистрируемого гамма-излучения лежат в области комптон-эффекта. В результате интенсивность вторичного гамма-излучения обусловлена плотностью вещества и мало зависит от атомного номера (химического состава). Метод ГГМ-С основан на регистрации мягкой (низкоэнергетической) части вторичного гамма-излучения, интенсивность которого обусловлена, в первую очередь, атомным номером вещества, т.е. его химическим составом. ГГМ обладают малой глубинностью, в связи с чем на их показания большое влияние оказывают глинистая корка и каверны. По этой же причине их нельзя применять для определения параметров горных пород в обсаженных скважинах. ГГМ-П применяют для литологического расчленения разрезов скважин. В нефтегазовых скважинах ГГМ-П применяют для оценки пористости горных пород при известном литологическом составе. В нефтегазовых скважинах ГГМ-С совместно с ГГМ-П позволяет детализировать литологию разреза по степени содержания в горных породах кальция, обладающего большим атомным номером. При этом выделяют известняки, доломиты, чистые и кальцитизированные терригенные разности.
2.3 Гамма-нейтронный метод (ГНМ)
ГНМ основан на измерении интенсивности тепловых нейтронов, которые возникают, если энергия бомбардирующих гамма-квантов превышает энергию связи нейтронов в ядре. Наименьшей энергией связи в горных породах обладают ядра бериллия (1,666 МЭВ) и дейтерия (2,226 МЭВ). На практике ГНМ применяют для поисков месторождений бериллия. Существует принципиальная возможность определения положения водонефтяного контакта, основанная на том, что дейтерия в нефти примерно в 1,5 раза больше, чем в воде. Однако характерный для ГНМ малый радиус исследования и наличие в коллекторах зон проникновения пока затрудняют применение этого метода на практике.
3. Акустические методы исследования скважин
Акустические параметры горных пород функционально связаны с их физикомеханическими свойствами, пористостью, структурой порового пространства и характером насыщения. Характеристики акустических сигналов, зарегистрированных в обсаженных скважинах, тесно связаны с состоянием обсадки и, в частности, с качеством контактов цемент - порода и цемент-колонна. Все это создает предпосылки для применения AM при решении широкого круга задач нефтегазовой, угольной и рудной геофизики, а также при инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях.
3.1 Акустический метод на головных волнах
При реализации AM на головных волнах в скважину помещают скважинный прибор (рисунок 4), содержащий излучатель И1 и два приемника П1 и П2 (или два излучателя и один приемник). Между излучателем и приемниками располагаются акустические изоляторы, защищающие приемники от акустических волн, распространяющихся по корпусу прибора. Расстояние от излучателя до первого приемника называют длиной акустического зонда, расстояние между приемниками - его базой. Излучатель возбуждает в скважинной жидкости импульсы упругих колебаний, частотный спектр которых лежит в диапазоне 3-50 КГЦ. AM может быть реализован как в открытом стволе, так и в обсаженных скважинах. Полученные с его помощью пластовые скорости используют для интерпретации данных сейсморазведки.
3.2 Акустические методы на отраженных волнах
Применение высокочастотных излучателей и приемников (0,4-2 МГЦ) позволяет регистрировать волны, отраженные от стенок скважины. Изучая кинематику и динамику этих волн, можно получить информацию о геометрии ствола скважины (скважинная акустическая кавернометрия - САК или профилеметрия - САП), о состоянии обсадной колонны и макроструктуре - трещиноватости, кавернозности пород, слагающих стенки скважины (скважинное акустическое телевидение - CAT). При реализации этих методов перпендикулярно к стенке скважины излучаются кратковременные импульсы упругих колебаний, длины волн которых существенно меньше длины излучателя. При САК частота излучаемых колебаний около 0,5МГЦ, при CAT - 1,5-2 МГЦ. Достигнув стенки скважины, акустические волны отражаются от них и возвращаются на приемник. Обычно излучатель и приемник совмещены. Рис. 7.23 Характер диаграммы AM в пределах нефтегазовой залежи. 1 - плотный пласт; 2-4 - водо-, нефте- и газо- насыщенные части коллектора 205 Форму ствола скважины и ее профиль определяют по времени распространения акустического импульса до стенки скважины и обратно.
Преимущества акустической кавернометрии и профилеметрии перед традиционно применяющимися механическими измерениями - в возможности проведения бесконтактных измерений, а также в получении наглядного пространственного изображения геометрии стенок. Устройство скважинных акустических телевизоров в принципе аналогично, хотя для повышения разрешающей способности частота акустических колебаний в CAT выше. В результате удается установить наличие и местоположение трещиноватых, кавернозных и слоистых пород, каверны, желоба и следы буровых долот. В обсаженных скважинах CAT позволяет оценить состояние обсадной колонны (разрывы, смятия), число и местоположение перфорационных отверстий.
4. Магнитные и термические методы исследования скважин
Магнитные свойства горных пород, их магнитная проницаемость ? и магнитная восприимчивость ? определяются, главным образом, присутствием ферромагнитных минералов - магнетита и титаномагнетита.
4.1 Методы естественного магнитного поля и магнитной восприимчивости
Метод естественного магнитного поля (МЕМП) основан на изучении магнитного поля Земли. Наиболее интенсивные аномалии отмечаются вблизи магнетитовых руд и изверженных пород основного и ультраосновного состава. Измеряют составляющие полного вектора напряженности геомагнитного поля Т, что позволяет обнаруживать незначительные рудные тела в околоскважинном пространстве (в том числе расположенные на 200 - 300 м ниже забоя) и определять элементы их залегания. Данные этого метода позволяют определить направление намагниченности пород, в том числе - выявить пласты с обратной намагниченностью. Метод магнитной восприимчивости (ММВ) основан на изучении искусственного переменного магнитного поля, значение ЭДС которого определяется магнитной восприимчивостью горных пород. Задачи, решаемые ММВ, - литологическое расчленение и корреляция разрезов скважин, выделение скоплений бокситов, марганцевых, хромитовых, никельсодержащих, сидеритовых и оловянных руд, оценка содержания железа в магнетитовых рудах.
4.2 Ядерно-магнитный метод (ЯММ)
При изучении коллекторских свойств пород особый интерес представляет не вся пористость, а ее часть, содержащая подвижный флюид. Между тем, нейтронные методы каротажа не позволяют оценить водородосодержание, обусловленное только свободной жидкостью. Поэтому связанная вода, очень вязкая нефть, твердые и другие полярные и высокомолекулярные углеводороды по данным этих методов, неотличимы от подвижной жидкости. Для устранения подобной неопределенности применяют ядерно- 206 магнитный метод, основанный на изучении искусственного электромагнитного поля, образующегося в результате взаимодействия импульсного магнитного поля с ядрами химических элементов (в литературе этот метод часто относят к ядерным).
4.3 Термические методы
Термические методы ГИС основаны на изучении естественных и искусственных тепловых полей. Различают методы естественных и искусственных тепловых полей. Знание естественной температуры недр необходимо для учета факторов, определяющих условия образования нефти и газа, их миграцию, скопление в виде залежей, фазовое состояние в пластовых условиях. Локальные изменения температуры в нефтеносных и газоносных горизонтах образуются при поступлении в скважину нефти или газа. Газ вызывает резкое снижение температуры, нефть создает небольшие положительные аномалии. Существует ряд факторов, позволяющих использовать термометрию для контроля технического состояния скважин. Это притоки пластовой и поглощение промывочной жидкостей, затрубная циркуляция вод, экзотермический процесс затвердевания цементного камня. Дифференциация горных пород по удельной теплопроводности позволяет в ряде случаев осуществить литологическое расчленение разрезов скважин по диаграмме изменения температуры в зависимости от глубин. Для этого геотермограмму разбивают на отдельные участки с близкими значениями градиентов температуры.
Метод искусственного теплового поля основан на изучении изменения во времени теплового поля, искусственно созданного в скважине. Различная скорость изменения температуры обусловлена дифференциацией горных пород по температуропроводности или наличием притоков, поглощений и затрубной циркуляции жидкости. Искусственные аномалии теплового поля в скважине могут быть созданы путем заполнения ствола промывочной жидкостью с температурой, отличающейся от температуры пород, или нагреванием жидкости в результате экзотермической реакции затвердевания цемента. Метод искусственного теплового поля применяют для контроля разработки нефтегазовых месторождений или при изучении технического состояния скважин
5. Методы изучения технического состояния скважин
Сведения о техническом состоянии скважины необходимы для контроля выполнения технического проекта на проходку скважины, принятия решения о необходимости ее ремонта, а также для интерпретации результатов ГИС. При изучении технического состояния скважин проводят инклинометрию, кавернометрию и профилеметрию, контроль качества цементирования и некоторые другие исследования.
Инклинометрию проводят инклинометром, она служит для определения угла наклона ствола по отношению к горизонтальной плоскости и магнитного азимута искривления. Данные об искривлении ствола необходимы в первую очередь для определения местоположения забоя, его глубины и истинных глубин залегания пластов.
Кавернометрию проводят каверномером для определения фактического диаметра необсаженной скважины. Диаметр ствола, соответствующий диаметру долота или коронки, называют номинальным. Увеличение диаметра против номинального - образование каверн - характерно для глин, солей, песков, трещиноватых известняков, уменьшение - для пород-коллекторов. Данные о фактическом диаметре ствола необходимы при планировании технологических операций по креплению скважины и подготовке ее к эксплуатации, при интерпретации материалов большинства геофизических методов, а также при изучении литологии и выделении коллекторов.
Изучение формы сечения ствола скважины называют профилеметрией и выполняют прибором профилемером. Данные профилеметрии необходимы для более точного планирования технологических операций по про- ходке и креплению скважин.
Для определения местоположения цемента в затрубном пространстве применяют термометрию, метод радиоактивных изотопов, основанный на регистрации гамма- излучения радиоактивных изотопов, добавленных в цементный раствор при его приготовлении, плотностной гамма-гамма-метод и некоторые модификации акустического метода.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
