Классификация геофизических методов исследования скважин

Задачи, решаемые геофизическими методами исследования скважин, при поиске и разведке месторождений нефти и газа.

 

ГИС – совокупность физ. методов для изучения пород в скважине и рядом. К ГИСам относят: изучения тех. состояния, опробование пластов, керн, перфорацию. ГИС – область прикладной геофизики, в которой физические методы исследования вещества используются для геологического изучения разрезов, пройденных скважинами, выявления и оценки запасов полезных ископаемых, получения информации о ходе разработки месторождений и о техническом состоянии скважин. ГИС для изучения пород рядом со стволом – каротаж (в 1927 – К.Шлюмберже, в 1929 – Губкин и Голубятников провели электрический каротаж). Совокупность этих методов – промысловая геофизика.

Сущность ГИС в обнаружении полезных ископаемых или условий, благоприятных для них, на основании изучения с поверхности физических полей: магнитного, электрического, температурного и других. Особенность физического поля – зависимость его параметров не только от свойств пород, но и от свойств окружающего пространства. Специфика измеряемых параметров – изучаются не свойства горных пород, а параметры полей. Эти величины содержат влияние условий измерения и называются «кажущимися».

По этим параметрам определяют физические свойства горных пород: ρ, σ_породы, q – потом используются для определения литологических, коллекторских свойств пород в качественной и количественной форме.

Прямая задача – нахождение параметров поля по параметрам среды. Специфика обратной задачи – в недоступности исследуемого объекта, о его параметрах судят по косвенным проявлениям (по значению поля в скважине, которое имеет интегральный характер), что создаёт неоднозначность решения. Чтобы этого не было – используют данные других методов (с другой глубинностью).

Классификация ГИС по изучаемым физическим свойствам пород: электрические, радиоактивные, термические, акустические, геохимические, механические, магнитные.

ГИС даёт:

- более точную информацию о привязке исследований по глубине и больший радиус исследования.

- полученные результаты соответствуют естественным условиям залегания.

- решение задач в системе скважина-пласт.

 

Оценка по данным ГИС требует знаний физических свойств горных пород, которые даёт керн. Керн и ГИС созданы друг для друга. Петрофизика изучает закономерности изменения физических свойств горных пород, т.е. их способность взаимодействовать с естественными и искусственными полями.

 

Решаемые задачи ГИС:

Перед бурением проводят региональные исследования: аэрокосмические, наземные геохимические, незначительное количество поисковых скважин. Результат: 3D модель перспективного геологического объекта.

Задачи при поисково-разведочных работах: литологическое расчленение, вычисление реперов (опорных пластов), выделение пластов-коллекторов, оценка продуктивности.

Задачи при разведочном, эксплуатационном бурении: выявление размеров залежи, уточнение мощности отложений нефти и газа, определение коэффициента пористости и газонасыщенности.

Задачи при разработке месторождения: выделение продуктивных интервалов, контроль за состоянием залежи, определение ВНК \ ГНК, дебита и состава флюидов в стволе, технический контроль скважины, контроль нефтеотдачи пластов.

Классификация геофизических методов исследования скважин.

 

I. Электрические (электрометрия):

a. Метод кажущегося сопротивления (КС): ρ_К = K·ΔU_MN / I. AB – ток, MN – приём. Зонд длиной 0,4÷8 м. Модификация – метод микрозондов, метод резистивиметрии (определяют ρ_{РАСТВОРА}, чтобы потом учесть его влияние).

b. Метод сопротивления экранированного заземления (БК): сверху\снизу экранируют и ток течёт по ρ_П, куда до этого бы не потёк из-за ρ_П > ρ_ВМ. Модификация – микроэкранированное заземление. ρ_К

c. Электромагнитные методы: на высокой частоте. Индукционный метод – до 60кГц.измеряет проводимость. Метод волновой проводимости (ВМП) – до 40-60 МГц.

d. Диэлектрические методы. Измеряют ε (во сколько раз напряжённость ЭП в данном диэлектрике меньше напряжённости поля в вакууме). ε_ВОДЫ = 81.

e. Метод потенциалов собственной поляризации (СП). Изучение естественных электрических полей, возникающих в результате физико-химических процессов диффузии солей в растворах электролитов, фильтрации жидкости, окислительно-восстановительных реакций. Эти процессы порождают потенциалы диффузионные (главная роль в формировании полей), течения, окислительно-восстановительные.

II. Радиоактивные (радиометрия): R = 40÷50 см.

a. Гамма методы:

i. Естественной радиоактивности (ГМ).

ii. Спектрометрический ГМ.

iii. Рассеянного γ-измерения.

b. Нейтронные методы:

i. Стационарный (ННМ_НТ, ННМ_Т, НГМ).

ii. Импульсный (ИНМ_Т, ИНГМ).

III. Термометрия:

a. Метод естественного теплового поля.

b. Метод искусственного теплого поля.

IV. Акустические (АК):

a. Метод естественных акустических полей (выделение газоотдающих интервалов путём регистрации шумов при поступлении газа в скважину; определение характера проходимых пород по спектру колебания бурового инструмента).

b. Метод искусственных акустических полей (изучение скорости распространения и затухания).

V. Геохимические:

a. Газометрия (содержание углеводородных газов в буровом растворе, выходящем из скважины на поверхности).

b. Люминесцентно-битуминологический метод (обнаружение битумов в шламе по их люминесценции под действием ультрафиолетовых лучей).

VI. Геолого-технологические исследования в процессе бурения:

a. Детальный механический каротаж.

b. Методы энергоёмкости (по затрату энергии при бурении).

c. Метод изучения гидравлической системы скважина-пласт (фильтрационный каротаж, где идеальный вариант Q_{ВХОДНОЕ}=Q_{ВЫХОДНОЕ}, Q – объёмы жидкости).

VII. Методы изучения технологического состояния скважины:

a. Кавернометрия, профилеметрия (изменение диаметра скважины).

b. Инклинометрия (угол отклонения скважины от вертикали).

c. Цементометрия (уровень подъёма цемента, качество цементирования).

d. Контроль за техническим состоянием колонн.

VIII. Методы исследования при испытании и опробовании скважин:

a. Прострелочно-взрывные работы.

b. Отбор образцов пород из стенок скважины.

c. Отбор пластовых флюидов.

IX. Методы исследования при контроле за разработкой и эксплуатацией месторождения:

a. Дебитометрия.

b. Плотностнометрия.

c. Диэлькометрия.

d. Притокометрия.

Физические основы метода потенциалов собственной поляризации пород. Причины, обусловливающие возникновение потенциалов собственной поляризации в скважинах: диффузионно-адсорбционные потенциалы, их возникновение и зависимость от различных факторов, статические и наблюденные амплитуды СП. Фильтрационные и окислительно-восстановительные потенциалы.

Изучаются естественные электрические поля, возникающие в результате физико-химических процессов диффузии солей в растворах электролитов (потенциал диффузии – главная роль в формировании полей в скважинах на РВО), фильтрации жидкости (потенциал течения), окислительно-восстановительных реакций (ОВ-потенциал). Регистрируется диаграмма разности потенциалов между перемещаемым электродом M и находящимся на поверхности N.

Диффузионная ЭДС. При контакте электролитов с разной концентрацией – в результате диффузии ионов на границе возникает двойной электрический слой с разностью потенциалов: , R – газовая постоянная, n – валентность электролита, F – число Фарадея, u и v – подвижность катионов и анионов; K_Д – коэффициент диффузионной ЭДС (для NaCl при t = 20˚C K_Д = -11,6мВ). Формула определяет потенциал раствора «2» по отношению к раствору «1». Если подставить константы, T = 293K, n = 1 и перейти к десятичному логарифму: .

Диффузионно-адсорбционная ЭДС. Растворы разделены пористой перегородкой. Если в перегородке крупные поры, то толщина d двойного слоя на поверхности поры пренебрежимо мала по сравнению с радиусом канала r (d/r ≈ 0) канала – то n_К и n_A (числа переноса катионов и анионов) такие же, как и при непосредственном контакте растворов. При уменьшении размера пор r стремимся к d/r→1, n_К→1, n_A→0: E_ДА = 58· lg C₁/C₂ = K_ДА· lg C₁/C₂. Для NaCl при t = 20˚C коэффициент -11,6мВ< K_ДА <58мВ.

 

Ёмкость обмена: q_П = σ · S/k_П, где σ – количество активных центров на 1 см² поверхности твёрдой фазы минерального скелета, S – удельная поверхность адсорбции, см^-1, k_П – коэффициент пористости. Характеризует концентрацию катионов в 1 см³ объёма пор, поглощённых поверхностью породы.

Рисунок показывает: зависимость E_ДА(lgC₂) при C₁=const. Шифр кривых q_П.

 

Электрохимические поля диффузионного происхождения. Рассмотрим на примере:

1 – вмещающие породы (глины); 2 – песчаник; 3 – двойные электрические слои на границах скважина-глина, глина-песчаник, песчаник-скважина; 4 – замкнутый электрический контур – эквивалентная электрическая схема поля СП в скважине; 5 – график E_S; 6 – график U_СП.

Справедлив закон Кирхгофа: E_{Р ГЛ}+E_{ГЛ П}+E_{П Р} = i (R_ГЛ+R_П+R_C). Статическая амплитуда аномалии U_СП, которая была бы зарегистрирована при перемещении электрода M как скачок разности потенциалов при отсутствии тока в цепи, есть E_S = E_{Р ГЛ}+E_{ГЛ П}+E_{П Р}. Однако в скважине регистрируется скачок потенциала ΔU_СП = i R_С = E_S- i (R_ГЛ-R_П), который определяется падением напряжения, создаваемым при прохождении тока i на участке цепи, представленной скважиной. В качестве условной нулевой линии на диаграммах используют «линию глин», проводя её по значениям ΔU_СП в глинистых породах.

 

 

Фильтрационный потенциал. 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 счёт смещения диффузного слоя отрицательный заряд оказался некомпенсированным, возникает отрицательный потенциал. При течении жидкости в пласт, в скважине возникает отрицательный потенциал, при течении из пласта – положительный. Методы ПС, основанные на фильтрационной активности, применяют в гидрогеологических скважинах с целью выделения участков притока или поглощения жидкости.

Электродные потенциалы (они же, наверное, окислительно-восстановительные). 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.