Геофизические исследование скважин

     СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

     Геофизи́ческие  иссле́дования сква́жин — комплекс физических методов, используемых для  изучения горных пород в околоскважинном  и межскважинном пространствах, а также для контроля технического состояния скважин. Геофизические исследования скважин делятся на две весьма обширные группы методов — методы каротажа и методы скважинной геофизики. Каротаж, также известный как промысловая или буровая геофизика, предназначен для изучения пород непосредственно примыкающих к стволу скважины (радиус исследования 1-2 м). Часто термины каротаж и ГИС отождествляются, однако ГИС включает также методы, служащие для изучения межскважинного пространства, которые называют скважинной геофизикой. 
         

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. Диаграммы методов ПС характеризуют изменения соответствующих потенциалов - диффузионно-адсорбционных, фильтрационных, электродных в зависимости от глубины скважины.

     Физические  основы метода ПС

     Главную роль в формировании   естественных   электрических полей в скважине, заполненной буровым раствором на водной основе, играют потенциалы диффузионного происхождения. Исследования методом СП проводят, регистрируя диаграмму изменения по разрезу скважины разности потенциалов между электродом М, перемещающимся по стволу скважины, и электродом N, расположенным на земной поверхности близ устья скважины.

     Измерение в скважине потенциала самопроизвольной поляризации UПС сводиться к замеру разности потенциалов между электродов М, перемещаемым вдоль ствола скважины, и электродом N, находящимся на поверхности вблизи устья скважины. (рис.2.3.).

     Потенциал электрода N практически сохраняется  постоянным, и разность потенциалов  между электродами М и N:

      .

     Разность  потенциалов между перемещаемым М и неподвижным N электродами  указывает на изменение электрического потенциала вдоль ствола скважины. Причина этого – наличие в  скважине и около нее самопроизвольно  возникающего электрического поля.

     Кривая  потенциалов самопроизвольной поляризации (кривая ПС) обычно записывается одновременно с кривой сопротивления или с  другими кривыми.

     Кривая  ПС показывает изменение потенциала электрического поля у электрода  М с глубиной. Точка записи ∆UПС относится к электроду М. Разность потенциалов ПС измеряется в милливольтах.

     Наибольшее  распространение получили методы, основанные на диффузионно-адсорбционной активности. В качестве нуля на диаграммах условно  выбирают положение, соответствующее  положительному максимальному отклонению,- линию глин. Отсчет берут справа налево. Следовательно, амплитуда ПС в чистых глинах равна нулю.

     Метод ПС является одним из основных электрических  методов при исследовании разрезов нефтегазовых скважин. Он включен также  в обязательный комплекс исследований инженерно-геологических и гидрогеологических скважин. Для изучения рудных и угольных скважин используют методы гальванических пар (МГП) и электродных потенциалов (МЭП). 

МЕТОДЫ КАЖУЩЕГОСЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ (КС)

     Петрофизические основы методов КС. Как известно, электрическая проводимость горных пород может иметь электронный и ионный характер. Удельное электрическое сопротивление горных пород с ионной проводимостью зависит, главным образом, от количества содержащейся в них воды и степени ее минерализации, т. е. от коэффициента пористости породы и удельного сопротивления пластовой воды, которое приблизительно обратно пропорционально ее минерализации.

     В нефтегазонасыщенных породах только часть порового пространства занята водой, поэтому их удельное сопротивление больше, чем у пород водонасыщенных. Это увеличение оценивают параметром насыщения

     Рн= ρнп/ρвп,

     где ρнп — удельное электрическое  сопротивление нефтенасыщенной  породы; ρвп — удельное электрическое  сопротивление водонасыщенной породы. Полезные ископаемые с электронной проводимостью (руды, графит, антрацит) идентифицируют по минимумам удельного сопротивления, а их содержание оценивают по соответствующим корреляционным зависимостям.

     Кажущееся электрическое сопротивление. Выше среда считалась однородной. Практически же она всегда имеет границы, искажающие вид поля. Например, наличие скважины, удельное сопротивление в которой ρс<ρп, деформирует поле. Кажущееся удельное электрическое сопротивление среды можно рассматривать как истинное удельное электрическое сопротивление однородной фиктивной среды, в которой при данных геометрических размерах зонда, т. е. при данном коэффициенте зонда k и данном токе I, создается такая же разность потенциалов ΔU, как в изучаемой неоднородной среде.

     В общем случае ρп = ρк из-за влияния  скважины, вмещающих пород, зоны проникновения и т. д. Суть метода КС заключается в том, чтобы зарегистрировать одну или несколько диаграмм ρк и, воспользовавшись методами интерпретации для учета влияния названных выше факторов, определить истинное значение удельного электрического сопротивления ρп.

     Зонды КС применяют для литологического  расчленения разрезов, выделения полезных ископаемых-—руд, водоносных и нефтегазоносных коллекторов. 

БОКОВОЕ КАРОТАЖНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ

     В общем случае значение ρк, как уже говорилось, зависит не только от ρп, но и от длины зонда L, его расстояния до границы пласта , мощности пласта, диаметра скважины, диаметра зоны проникновения, сопротивления скважинной жидкости ρс и некоторых других параметров. Изменяя длину зонда, можно изменять степень влияния того или иного фактора на значение ρк. Например, для зонда очень малых размеров, в силу его малости и удаленности от стенок скважины, влияние ρп будет несущественным и ρк ≈ ρс. Для большого зонда влияние ρп будет значительно сильнее. Чем больше  длина зонда L (или отношение L/dс), тем сильнее влияние ρп и меньше влияние ρс.

     Начиная с определенной оптимальной длины  зонда L1, ρс, практически перестает  влиять на показания, и для пласта с h>>L, можно считать ρк = ρп.  Дальнейшее увеличение длины зонда не изменяет картины. Если увеличить шунтирующее влияние скважины, увеличив ρп  и сохранив прежнее ρс, то для выполнения условия ρк ≈ ρп  потребуется зонд большей оптимальной длины L2. Семейство графиков, отражающих зависимость от длины зонда L, называют палеткой. Шифр графика — отношение ρп/ ρс =μ, — именуют его модулем. При значениях μ >20 применять зонды оптимальной длины, как правило, не удается, так как они оказываются соизмеримы с мощностью пластов или больше нее. Однако для определения ρп достаточно провести измерения ρк несколькими' зондами разной длины, меньшей чем оптимальная. Полученные при этом точки с координатами lgρк —lgL лягут на тот график палеточного семейства зависимостей lgρк / ρс —lgL/dс, модуль которого μ, соответствует искомому значению ρп. Определив μ, легко можно найти ρп: ρп = μ/ ρс. Такую методику называют боковым каротажным зондированием (БКЗ).

     Существуют  альбомы палеточных зависимостей, предназначенные для интерпретации материалов в пластах большой и ограниченной мощности, а также при наличии зоны проникновения. Разработаны алгоритмы и программы, автоматизирующие процесс интерпретации БКЗ. Методом БКЗ исследуют разрезы с целью детального изучения пластов и получения их количественных характеристик (в первую очередь коэффициента пористости  и коэффициента нефтенасыщенности). Обычно БКЗ проводят только в продуктивном участке разреза. 
 

БОКОВОЙ КАРОТАЖ

     Каротаж сопротивления обычными зондами  неэффективен в случае тонкослоистого разреза со значительной дифференциацией пластов с низким и высоким сопротивлениями и скважины, заполненной высокоминерализованным глинистым раствором. Из-за утечки тока в пласты с низким сопротивлением в первом случае и из-за утечки тока по скважине во втором случае регистрируют кажущиеся сопротивления пород, намного отличающиеся от истинных. Основное отличие бокового каротажа (метода экранированных зондов) от каротажа сопротивления с обычными зондами состоит в том, что в рассматриваемом методе осуществляется фокусировка тока, выходящего из центрального электрода, вследствие чего влияние скважины и вмещающих пород сказывается на результатах измерений значительно меньше.

     Боковой каротаж (БК) проводят трех-, семи- и  девятиэлектродными зондами с автоматической фокусировкой тока.

     Трехэлектродный экранированный зонд. Аппаратура АБКМ, Э1. Зонд состоит из центрального электрода А0 и двух цилиндрических удлиненных фокусирующих электродов А1 и А2. Все они разделены между собой изоляционными прокладками и питаются током одной полярности. Равенство их потенциалов обеспечивается тем, что основной электрод через незначительное сопротивление накоротко соединяется с экранными электродами. Поскольку разность потенциалов между электродами равна нулю, то сила тока вдоль оси скважины на этом интервале также равна нулю. Ток из электрода А0 распространяется в радиальном направлении перпендикулярно к оси скважины, а не вниз и вверх по скважине во вмещающие, более проводящие породы.

     Разность  потенциалов ΔUкс измеряют между центральным электродом (экранным электродом, так как UА = UА = UА и электродом, удаленным от зонда на значительное расстояние. Кажущееся удельное сопротивление для трехэлектродного экранированного зонда рассчитывают по формуле

     ρк =К ΔUкс/I0

     где I0— сила тока, протекающего через  центральный электрод A0; К — коэффициент  зонда,

     K=2,73 L/lg(2Lоб/dз)

     где L, — длина основного электрода A0; Lоб — общая длина зонда; dз— диаметр зонда.

     Точку записи относят к середине электрода  А0.

     Семиэлектродный экранированный зонд. Зонд состоит из центрального токового электрода А0, двух пар следящих электродов M1,N1 и M2, N2 одной пары фокусирующих (экранных) электродов A1 и A2. Три пары электродов замкнуты накоротко между собой и расположены симметрично относительно центрального электрода A0. Через электрод A0 пропускают ток I0, сохраняемый постоянным по величине в процессе записи кривой. Через экранные электроды A1 и A2 пропускают ток, сила которого автоматически регулируется так, что разность потенциалов между следящими электродами M1,N1 и M2, N2 остается постоянной и практически равной нулю.

     Разность  потенциалов ΔUкс измеряют между  измерительными (следящими) электродами зонда M1 и N1 (М2 и N2) и электродом N. расположенным от зонда на далеком расстоянии.

     Точку записи относят к центральному электроду A0; за длину зонда принимают расстояние между серединами интервалов М1N1 и М2N2. Расстояние между серединами экранных электродов называют общим размером зонда А1A2 = Lоб, а отношение (Lоб — L)/L — параметром фокусировки зонда.

     Девятиэлектродный экранированный зонд. Зонд используют в двух модификациях: нормализованный  зонд и псевдобоковой. При расположении дополнительных экранных электродов В1 и В2 между основными экранными  электродами A1, A2 и измерительными N1, N2 электродами радиус исследования девятиэлектродным зондом резко увеличивается по сравнению с семиэлектродным зондом в пластах большой мощности. При псевдобоковом варианте  два дополнительных экранных электрода В1 и В2 располагаются с внешней стороны семиэлектродного зонда симметрично относительно центрального электрода A0. В результате распределения токовых линий электрода A0 значительная часть потенциала падает в непосредственной близости от стенки скважины и измеряемое значение зависит в основном от удельного сопротивления близлежащей к стенке скважины части пласта.

     Кривые  кажущегося сопротивления, зарегистрированные экранированными зондами, симметричны относительно середины пласта и по форме напоминают кривые КС обычных потенциал-зондов.

     Границы пластов высокого сопротивления для трехэлектрод-ных зондов определяются по началу максимального возрастания ρк. Для многоэлектродных зондов границы таких пластов находят следующим образом: от точек с максимальным градиентом ρк (половина высоты аномалии против пласта) в сторону вмещающих пород в масштабе глубин откладывают отрезки, равные расстоянию A0O.

     Для одиночных однородных пластов минимальное  в случае пласта низкого сопротивления  и максимальное в случае пласта высокого сопротивления ρк принимают за значения кажущегося сопротивления, снимаемого с диаграмм. В случае неоднородного пласта берут среднее значение ρк.

     Глубина исследования экранированными зондами  зависит от типа зонда и параметра  его фокусировки. Наибольшей глубинностью обладают семиэлектродные зонды. Глубинность исследования возрастает с увеличением Lоб  и q. С их увеличением уменьшается влияние скважины и зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости, но возрастает влияние мощности: пласта на  ρк, т. е. уменьшается разрешающая вертикальная способность зонда. Для сравнения, при измерениях с трехэлектродным зондом влияние мощности начинает ощущаться в пластах с   h < 0,8—1,2 м, с семиэлектродным с h < 1,2—6 м. Наиболее благоприятное условие для применения экранированных зондов— наличие в скважинах промывочной жидкости с низким  ρк.