Стисла історія розвитку ГДС

В. М. КУРГАНСЬКИЙ

І. В. ТІШАЄВ

 

 

ЕЛЕКТРИЧНІ ТА ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ СВЕРДЛОВИН

 

 

 

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів геологічних спеціальностей вищих навчальних закладів

 

УДК 550.83(076)

 

 

Курганський В. М., Тішаєв І. В. Електричні та електромагнітні методи дослідження свердловин. – Підручник для ВНЗ.

 

Розглянуті фізичні, фізико-хімічні, петрофізичні засади електричних та електромагнітних методів дослідження свердловин при пошуках, розвідці й розробці родовищ нафти, газу, руд, вугілля та іншої мінеральної сировини; принципи вимірів параметрів фізичних полів і передачі геофізичної інформації в свердловинних умовах; області застосування та вирішувані задачі.

 

Для студентів ВНЗ, що навчаються за спеціальністю «Геофізика», «Геофізичні методи пошуків та розвідки родовищ корисних копалин»

 

 

Рецензенти:

 

д-р геол.н., проф. Д. Д. Федоришин, завідувач кафедри геофізичних досліджень свердловин Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу

 

д-р фіз.-мат.н., чл.-кор. НАН України, проф. М. А. Якимчук, директор Центру менеджменту та маркетингу в галузі наук про Землю ІГН НАНУ

 

ПЕРЕДМОВА

 

Загальний курс геофізичних досліджень свердловин (ГДС) є одним з базових, нормативних для студентів-геофізиків незалежно від того, в якому ВНЗ навчається майбутній спеціаліст – в класичному чи в галузевому (нафтовому, гірничому, геологорозвідувальному і т.д.) університеті або інституті. На його основі читаються спецкурси, що поглиблюють знання з різних розділів нормативного курсу: «Електричні та електромагнітні методи дослідження свердловин», «Ядерні методи дослідження свердловин», «Сейсмоакустичні методи дослідження свердловин» та ін., а також спецкурси «Геофізична апаратура й устаткування», «Інтерпретація даних геофізичних методів дослідження свердловин» та деякі інші, в залежності від специфікації вищого навчального закладу.

Даний навчальний посібник являє собою частину загального курсу ГДС і складається з трьох частин.

У «Вступі до предмету» розглянута стисла історія розвитку геофізичних методів дослідження свердловин (ГМДС); місце та значення ГДС у системі геолого-геофізичних наук про Землю; дана характеристика об’єкту досліджень (системи «свердловина – гірські породи») та розглянуто умови вимірів у свердловині; визначено основні напрямки застосування методів ГДС та вирішувані задачі; наведена класифікація ГМДС.

Друга частина присвячена електрохімічним та електричним методам, які і дотепер займають основне місце в комплексі ГМДС.

В третій частині розглянуті питання, пов’язані з електромагнітними та ядерно-магнітними методами.

Питання для самоперевірки дозволять студентам закріпити знання з кожної теми предмету.

Навчальний посібник розрахований на студентів геофізичної спеціальності, що вивчають загальний курс ГДС, і буде корисним для студентів інших спеціальностей геологічного профілю, які опановують курс «Основи розвідувальної геофізики».

У посібнику використовуються як рівноправні терміни «геофізичний метод» та «каротаж»[1]. Наприклад, індукційний каротаж – ІК і індукційний метод – ІМ; мікрокаротажне зондування – МКЗ і метод мікрозондів – МЗ і т.д.

Історично склалося так, що головною областю застосування більшості методів ГДС було та залишається вивчення геологічних розрізів нафтогазових свердловин (промислова геофізика), тому ілюстративний матеріал відображує переважно розв’язок задач промислової геофізики.

Автори намагалися використовувати одиниці вимірювань фізичних величин у загальноприйнятій системи СІ. Але оскільки у вітчизняній навчальній і науковій геофізичній літературі міцно укорінилася система СГСМ, то іноді, з метою полегшення співставлення посібника з аналогічними виданнями, автори вдавалися до дублювання одиниць вимірювань фізичних величин в системі СГСМ.

 

 

ЧАСТИНА І

ВСТУП ДО ПРЕДМЕТУ

 

При розвідці родовищ корисних копалин одним з етапів є буріння розвідувальних свердловин, а при розробці та експлуатації родовищ – буріння експлуатаційних свердловин. При цьому обов’язковим є дослідження геологічного розрізу в свердловинах: розчленування розрізу на окремі пласти та пропластки гірських порід, визначення їх літолого-петрофізичних особливостей, встановлення інтервалів залягання продуктивних пластів. Раніше для вирішення означених задач використовувалися зразки гірських порід, що були відібрані в процесі буріння свердловини (керн), а також уламки гірських порід, що виносяться з вибою свердловини на поверхню промивальною рідиною. Проте, відбір керну по всьому стовбуру свердловини є економічно невиправданим та не завжди можливим. Тому широкого розвитку отримали геофізичні методи дослідження свердловин, які дозволяють вивчати гірські породи в умовах їх природного залягання (in situ).

СТИСЛА ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ ГДС

Геофізичні дослідження свердловин є одним із розділів прикладної геофізики, в якому за допомогою сучасних фізичних (фізико-хімічних, геохімічних) методів досліджень геологічного середовища в системі «свердловина – гірські породи» вирішуються геолого-геофізичні, технічні, інженерно-гідрогеологічні та інші задачі.

В історії розвитку ГДС можна виділити декілька основних етапів, кожен з яких характеризується певними науковими і технологічними ідеями і досягненнями.

На початковому етапі (1906-1930) відбувалося становлення перших методів геофізичних досліджень свердловин. Так, геотермічні виміри в артезіанських, а потім і в нафтових, свердловинах розпочалися на початку ХХ ст. (1906-1916 рр.) за ініціативою відомого російського геолога Д. В. Голубятнікова. Але відсутність спеціальних свердловинних термометрів, що дозволяли б реєструвати зміну температури з глибиною, суттєво обмежила широке впровадження таких вимірів у практику вивчення геологічних розрізів, розкритих свердловинами.

Перші виміри питомого електричного опору гірських порід у свердловинах відносяться до 1921 року, коли брати Конрадом і Марселем Шлюмберже поставили електророзвідувальні роботи у свердловинах вугільного басейну Gard (Франція), що за ідеєю М. Шлюмберже повинно було допомогти у тлумаченні результатів досліджень, виконаних на поверхні. Пізніше, в 1927-1928 рр. у Франції та з 1929 р. в Радянському Союзі (за ініціативою І. М. Губкіна та Д. В. Голубятнікова), розпочалися системні дослідження розрізів нафтогазових свердловин за допомогою методу опорів, а з 1931 р. – методом самочинної (природної) поляризації гірських порід.

У період 1930-1960 років були розроблені та впроваджені в практику досліджень основні методи каротажу: електричні (метод опорів, метод реєстрації струму, електричні мікрометоди, самочинної та викликаної поляризації та ін.), електромагнітні (індукційні, діелектричні), магнітні та ядерно-магнітні, ядерні (методи природної радіоактивності, розсіяного гамма-випромінювання, нейтронні та інші методи), сейсмоакустичні, термічні, геохімічні. На цьому етапі розроблялися фізичні основи методів (розв’язувалися прямі задачі), створювалася апаратура та вдосконалювалася методика проведення досліджень. Одночасно вирішувалися обернені задачі, розроблялися методики якісної та кількісної інтерпретації.

Висока ефективність електричних методів дала поштовх розвитку іншим геофізичним дослідженням свердловин. У 1932-1933 рр. В. А. Соколовим, М. В. Абрамовичем, М. І. Бальзаміновим та іншими запропоновані геохімічні методи досліджень (газометрія свердловин у процесі буріння, після буріння, хроматографічний аналіз та ін.). В 1934 р. Г. В. Горшков, О. Г. Граммаков, В. А. Шпак, Л. М. Курбатов запропонували гамма-метод, а в 1940 р. Б. М. Понтекорво розробив нейтронний гамма-метод.

У наступні роки розробляються та впроваджуються інші численні методи ГДС. В 1934 р. К. Шлюмберже, а в 1937 – В. С. Воюцьким запропонована та обґрунтована можливість використання пружних коливань для дослідження свердловин. У промислових масштабах метод акустичного каротажу для дослідження розрізів свердловин почав застосовуватися в США з 1952 р. В 1936 р. В. А. Шпак розробив метод магнітного дослідження розрізів свердловин. В 1946 р. В. М. Дахнов запропонував метод опору екранованого заземлення (боковий каротаж). В 1948-1953 рр. під керівництвом Г. Долля створюються мікробоковий та індукційний методи. В 1953-1958 рр. в Радянському Союзі були запропоновані модифікації щільнісного та селективного гамма-гамма-методів (О. П. Очкур, Ю. П. Булашевич, Г. М. Воскобойніков та ін.).

Паралельно з розвитком методів ГДС впроваджувалися геофізичні методи контролю за технічним станом свердловин та розробкою родовищ корисних копалин (перш за все нафтових та газових). В 1933-1934 рр. в Азербайджані (Баку), Північному Передкавказзі (Грозний), а потім в інших нафтогазових провінціях Радянського Союзу починають використовуватися резистивіметрія, термометрія, цементометрія. У ці ж роки для розкриття нафтоносних і газоносних пластів, відбору зразків гірських порід та проб пластових флюїдів були розроблені перфоратори, стріляючі бокові ґрунтоноси (Г. С. Морозов, Г. М. Строцький, К. І. Бондаренко та ін.). В 1944 році на основі розробок І. М. Шевченко в Грозному був створений перший електромеханічний інклінометр, призначений для вимірів зенітного та азимутального кутів свердловини, що визначають її положення у просторі.

Розвиток геофізичних методів став можливим завдяки розробці їх теоретичних основ та петрофізичного обґрунтування. Так, у 1932 році В. А. Фок запропонував розв’язок задачі про потенціал електричного поля точкового джерела в свердловині, що стало основою каротажу за методом опорів. В загальному вигляді теорія методу опорів розроблена Л. М. Альпіним та С. Г. Комаровим. Подальший розвиток теорії електричних методів пов’язаний з іменами С. М. Аксельрода, Н. Н. Сохранова, В. М. Дахнова, Б. Ю. Вендельштейна, А. М. Нечая та ін. Початок робіт по теорії радіоактивних методів дослідження свердловин в СРСР був закладений у 1942 р. роботами А. І. Заборовського, Г. В. Горшкова та пізніше Ю. П. Булашевича. Значна роль у петрофізичному обґрунтуванні методів ГДС та інтерпретації їх результатів належить В. М. Дахнову, В. М. Кобрановій, Б. Ю. Вендельштейну, В. В. Ларіонову, М. Г. Латишовій та ін.

Наступний етап (1960-1980) пов’язаний із революцією в області створення новітніх засобів обчислення, що дозволило використовувати розробки прикладної математики для розв’язку прямих та обернених геолого-геофізичних задач при вдосконаленні вже існуючих та створенні нових методів ГДС.

В цей період розпочалося впровадження цифрової реєстрації даних каротажу, а використання ЕОМ дозволило підвищити ефективність обробки та інтерпретації матеріалів ГДС (С. Г. Комаров, А. Є. Кулінкович, Н. Н. Сохранов, С. М. Зунделевич, Е. Ю. Миколаєвський та ін.). Перша в СРСР система «Каротаж» була створена у ВНДІГеофізики в 1964 році, що забезпечувала автоматичну оперативну та зведену інтерпретацію даних ГДС на основі попластової обробки.

Досягненням цього етапу було також розширення комплексу ГДС за рахунок нових модифікацій вже відомих методів каротажу (індукційного, акустичного, ядерних), а також створення нових методів дослідження. Конструкторами Київського ОКБ «Геофізприлад» була створена апаратура, що дозволяє виконувати визначення щільності гірських порід по розрізу свердловини за гамма-гамма-методом та оцінку їх фільтраційно-ємнісних властивостей у комплексі з нейтронними та акустичними методами. Велике значення для об’єктивного виділення порід-колекторів та оцінці характеру їх насичення мала розробка та впровадження в практику ГДС методу випробування пластів на кабелі (П. А. Бродський та ін.) та гідродинамічного методу (А. І. Фіонов та ін.), що дозволяє оцінювати пластовий тиск, проникність пластів, а також визначати положення газоводяних та газонафтових контактів у масивних покладах.

У цей період розроблялася термобаростійка апаратура для дослідження надглибоких свердловин (Р. С. Челок’ян, П. А. Зельцман), апаратура та обладнання для каротажу в процесі буріння (А. А. Молчанов та ін.), що поклало початок новому напрямку в області ГДС.

Сучасний етап історії ГДС обумовлений бурхливим розвитком мікроелектроніки, підвищенням надійності та функціональності свердловинної апаратури, усуненням технічних обмежень на обробку величезних цифрових масивів вхідної інформації в режимі реального часу. Цей час характеризується комп’ютеризацією ГДС, створенням цифрової багатоканальної модульної свердловинної та наземної апаратури (НВЦ «Тверьгеофізика», «Київський завод Геофізприлад»). Впроваджуються програмно-керовані каротажні автоматичні станції (ВНДІГеофізики, 1983-1984 рр.). Сучасні каротажні лабораторії дозволяють проводити попередню обробку зареєстрованих даних прямо на борту станції та мають при цьому вельми компактні розміри (каротажний комплекс «МЕГА» – спільна розробка ВАТ «ОКБ геофізичного приладобудування» і ЗАТ «ПГО Тюменьпромгеофізика», 2002 р.). Успішно розробляються та впроваджуються в практику ГДС багатозондові модифікації нейтронного каротажу (Д. О. Кожевников, В. С. Месропян, Р. С. Челок’ян, В. В. Кулік).

Новітні технології буріння, насамперед похило-спрямованих та горизонтальних свердловин, дали поштовх розвитку інформаційно-вимірювальних систем, що дозволяють вирішувати задачі геонавігації свердловини та вивчення геологічного середовища методами ГДС в режимі реального часу безпосередньо під час буріння (вибійних телеметричних LWD- та MWD-систем). Геофізична апаратура, що розміщується на борту вибійної телесистеми, дозволяє в процесі буріння отримувати та передавати на поверхню за допомогою кабельного, електромагнітного, гідравлічного та акустичного каналів зв’язку інклінометричну та геофізичну інформацію.

Вагомий внесок у розвиток теорії геофізичних методів дослідження свердловин зробили закордонні вчені Г. Доль, Г. Арчі, М. Мартен, Д. Деван, Г. Гюйо, В. Рассел, М. Уайлі, С. Дж. Пірсон та інші.

Сучасний стан науки і техніки, нові відкриття і досягнення в області фізики, хімії, математики, електроніки, комп’ютерної техніки дозволяють ставити та розв’язувати наступні проблеми:

• подальший розвиток теорії існуючих геофізичних методів досліджень, розв’язок прямих і обернених задач для умов, максимально наближених до реальної моделі досліджуваного середовища;
• розробка нових методів і модифікацій ГДС, у тому числі таких, що дозволяють отримувати геолого-геофізичну та технологічну інформацію в процесі буріння свердловин;
• розробка та впровадження у виробничу практику сучасних автоматизованих (комп’ютеризованих) систем обробки та інтерпретації промислово-геофізичних та супутніх матеріалів на основі ефективних алгоритмів та програм;
• підготовка спеціалістів, що відповідають сучасним вимогам теорії й практики геофізичної науки.

СТРУКТУРА ГДС

Сучасну науку про Землю – геофізику – умовно можна розділити на так звану загальну (планетарну) геофізику, що вивчає Землю як планету (космічне тіло), та прикладну геофізику, задачами якої є вирішення проблем, пов’язаних із життєдіяльністю людини. На рис. 1 схематично представлені взаємозв’язки між окремими напрямками геофізики. В прикладному напрямку, що іноді називають в літературі «розвідувальна геофізика», необхідно окремо виділити дві самостійні гілки, перша з яких об’єднує методи наземної геофізики (гравірозвідка, магніторозвідка, електророзвідка, сейсморозвідка, методи радіометричної зйомки), а друга – методи геофізичних досліджень свердловин (геофізичні дослідження нафтогазових свердловин – промислова геофізика, геофізичні дослідження вугільних свердловин, геофізичні дослідження рудних свердловин, геофізичні дослідження інженерних та гідрогеологічних свердловин). Останнім часом стрімкого розвитку набуває напрямок, що об’єднує методи вивчення геологічного розрізу, розкритого свердловиною, із наземними методами досліджень – свердловинна геофізика.

Рис. 1. Основні напрямки розвитку геофізичної галузі

 

На відміну від методів ГДС, що вивчають лише навколосвердловинний простір (перші метри у радіальному напрямку від вісі свердловини), свердловинна геофізика дозволяє дослідити міжсвердловинне середовище (вертикальне сейсмічне профілювання, міжсвердловинне прозвучування та ін.). Сучасні досягнення в галузі космічної техніки зробили можливим використання дистанційних зондувань Землі з борту космічних апаратів для вирішення задач як фізики Землі в цілому, так і для вирішення задач прикладної геофізики.

В залежності від кола задач, що розв’язуються, в геофізичних дослідженнях у свердловинах можна виділити наступні напрямки:

• вивчення геологічного розрізу;
• вивчення технічного стану свердловин;
• відбір зразків порід та пластових флюїдів, прострілочно-вибухові роботи у свердловинах;
• моніторинг за розробкою родовищ корисних копалин.