Геофизические исследования применяются для изучения горных пород в околоскважинном и межскважинном пространстве. Они проводятся с помощью измерения и интерпретации естественных или искусственных физических показателей различного типа. В настоящее время насчитывается более 50 геофизических методов.
Общая характеристика
Геофизические исследования (ГИС, промысловая геофизика или каротаж) – это комплекс методов прикладной геофизики, использующихся для изучения геологических профилей, получения информации о техническом состоянии скважин и выявления полезных ископаемых в недрах.
В основе ГИС лежат различные физические свойства пород:
- электрические;
- радиоактивные;
- магнитные;
- термические и другие.
Промыслово-геофизические исследования скважин служат основным видом геологической документации скважин. Целью их проведения является решение целого ряда технических задач (сопоставление разрезов для выявления толщ одного возраста, определение продуктивных пластов, маркирующих горизонтов, литологического состава, основных характеристик пласта, влияющих на разработку, освоение и эксплуатацию скважин). Принцип любого метода ГИС заключается в измерении величин, характеризующих свойства пород, и их интерпретации.
Электрические методы
При проведении электрических геофизических исследований нефтяных скважин производят замер таких характеристик:
- Удельное электрическое сопротивление (минералы-проводники, полупроводники, диэлектрики).
- Электрическая и магнитная проницаемость.
- Электрохимическая активность пород – естественная (метод потенциалов собственной поляризации) или вызванная искусственно (метод потенциалов вызванной поляризации).
Первая характеристика связана с такой особенностью, как повышенное удельное сопротивление нефтегазонасыщенных пород, что является идентификационным признаком залежи нефти и газа (они не проводят электрический ток). Измерения оценивают с помощью коэффициента увеличения сопротивления, который позволяет определить важнейшие характеристики пласта – коэффициент пористости, водо- и нефтегазонасыщенности. Наиболее распространенные методики данной технологии описаны ниже.
Метод кажущегося сопротивления
В скважину опускают зонд с тремя электродами-заземлителями (один питающий и 2 измерительных), а четвертый (питающий) устанавливают у устья скважины. При вертикальном перемещении зонда по стволу скважины изменяется разность потенциалов. Удельное электрическое сопротивление называют кажущимся потому, что его вычисляют для однородной среды, а фактически она неоднородна. На основании полученных данных строят кривые, по которым можно определить границы пласта.
Боковое электрическое зондирование
В измерениях применяют градиент-зонды большой длины (кратной 2-30 диаметрам скважины), что позволяет учесть влияние бурового раствора и глубину его проникновения в породы, определить истинное удельное сопротивление пласта.
Метод экранированного заземления семи- или трехэлектродным зондом
В семиэлектродном зонде сила тока регулируется так, чтобы обеспечивалось равенство потенциалов в центральной и крайних точках по оси скважины. Это делают для направления фокусированного пучка электрического заряда в породу. В результате также получают кажущееся сопротивление.
Индукционный метод
В скважину опускают зонд с излучающими и приемными катушками, генератором переменного тока и выпрямителем. При создании наведенной ЭДС определяют кажущуюся электропроводность пласта.
Метод диэлектрической проницаемости
Аналогичен предыдущему, но частота электромагнитного поля в катушке на порядок выше. Этот способ применяют для определения характера насыщения пласта при небольшой минерализации воды.
Существует также метод микрозондов (их размер не превышает 5 см) для измерения электрического сопротивления породы, непосредственно прилегающей к стенке скважины.
Радиометрия
Радиометрические геофизические методы исследований основаны на регистрации ядерного излучения (чаще всего нейтронов и гамма-квантов). Наиболее распространены следующие методы:
- естественных излучений породы (ɣ-метод);
- рассеянного ɣ-излучения;
- нейтрон-нейтронный (регистрация нейтронов, рассеянных ядрами атомов горной породы);
- импульсный нейтронный;
- нейтронный активационный (ɣ-излучение искусственных радиоактивных изотопов, возникающих при поглощении нейтронов);
- ядерно-магнитный резонанс;
- нейтронный ɣ-метод (ɣ-излучение радиационного захвата нейтронов).
В основе методик лежит закон ослабления плотности потока гамма-излучения, эффект рассеяния и поглощения нейтронов в горной породе. Исходя из этого, определяют плотность пород, их минеральный состав, глинистость, трещиноватость, проводят контроль радиоактивного загрязнения внутрискважинного бурового оборудования.
Сейсмоакустические способы
Акустические методы основаны на замере естественных или искусственных звуковых колебаний. В первом случае проводятся геолого-геофизические исследования шумов, возникающих при поступлении газа или нефти в ствол скважины, а также измеряют спектр колебаний бурильного инструмента при проходке пород.
Способы исследования искусственных колебаний звукового или ультразвукового спектра основаны на замере времени распространения волны или затухания амплитуды колебаний. Скорость распространения звука зависит от нескольких параметров:
- минеральный состав пород;
- степень их газо- нефтенасыщения;
- литологические особенности;
- глинистость;
- распределение напряжений в породах;
- сцементированность и другие.
Зонд, опускаемый в скважину, состоит из излучателя и приемника колебаний, разделенных акустическими изоляторами. Для уменьшения влияния геометрии скважины на результаты измерений обычно применяют трех- или четырехэлементные зонды. Скважинный снаряд соединен с наземной аппаратурой при помощи кабеля. Сигнал от приемника оцифровывается и визуализируется на экране.
С помощью данного метода проводят исследования литологического расчленения разреза пласта, больших подземных полостей, определяют коллекторские свойства и контролируют обводненность.
Термический каротаж
Основу термического каротажа при промыслово-геофизических исследованиях составляет изучение градиента температуры по стволу скважины, что связано с различными тепловыми свойствами горных пород (методы естественного и искусственного теплового поля). Теплопроводность основных породообразующих минералов колеблется в пределах 1,3-8 Вт/(м∙К), а при высокой газонасыщенности она падает в несколько раз.
Искусственные тепловые поля создают при бурении с помощью промывочной жидкости или установкой в скважину электронагревателей. Для измерения градиента температуры чаще всего используют скважинные электрические термометры сопротивления. В качестве основного чувствительного элемента применяется медная проволока и полупроводниковые материалы.
Изменение температуры регистрируется косвенным образом – по величине электрического сопротивления этого элемента. Измерительная схема также содержит электронный генератор, период колебаний которого изменяется в зависимости от сопротивления. Его частота замеряется специальным прибором, а образующееся в частотомере постоянное напряжение передается в аппаратуру визуального наблюдения.
Проведение геофизических исследований по данной методике позволяет получить информацию о геологическом строении месторождения, выделить нефте-, газо- и водоотдающие пласты, определить их дебит, обнаружить антиклинальные структуры и соляные купола, термальные аномалии, связанные с притоком углеводородов. Особенно актуально применение этой технологии в районах с активной вулканической деятельностью.
Геохимические методы ГИС
Геохимические способы исследования основаны на прямом изучении газонасыщенности бурового раствора и шлама, образующегося при промывке скважины. В первом случае определение содержания углеводородных газов может проводиться непосредственно в процессе бурения или после него. Буровой раствор проходит дегазацию в специальной установке, а затем определяется содержание углеводородов с помощью газоанализатора-хроматографа, расположенного в каротажной станции.
Шлам, или частицы разбуренной породы, содержащиеся в буровом растворе, изучают люминесцентным или битуминологическим способом.
Магнитный каротаж
Магнитные методы проведения геофизических исследований скважин включают несколько способов дифференциации горных пород:
- по намагниченности;
- по магнитной восприимчивости (создание искусственного электромагнитного поля);
- по ядерно-магнитным свойствам (эту технологию относят и к ядерному каротажу).
Напряженность магнитного поля обусловлена наличием магнитных рудных тел и пластами, которые подстилают и перекрывают их. Чувствительными элементами скважинной аппаратуры служат магнитомодуляционные датчики (феррозонды). Современные приборы могут измерять все три составляющие вектора напряженности магнитного поля, а также магнитную восприимчивость.
Ядерно-магнитный каротаж заключается в определении характеристик магнитного поля, которое наводится ядрами водорода в поровой жидкости. Вода, газ и нефть различаются по содержанию ядер водорода. Благодаря этому свойству возможно изучение пласта-коллектора и его проницаемости, идентификация типа флюида, дифференциация типов слагающих пород.
Гравиразведка
Гравиразведка – метод геофизических исследований месторождений, основанный на неоднородном распределении поля силы тяжести по длине ствола скважины. По назначению выделяют 2 типа такого каротажа – для определения плотности пород слоев, которые пересекают скважину, и для выявления местоположения геологических объектов, вызывающих аномалию силы тяжести (изменение ее значения).
Скачок последнего показателя возникает при переходе из пласта с меньшей плотностью в более плотные породы. Сущность метода заключается в измерении вертикальной силы тяжести и определении толщины пласта. Эти данные позволяют узнать плотность пород.
В качестве основного скважинного оборудования применяют струнные и кварцевые гравиметры. Первый тип приборов получил наибольшее распространение. Такие гравиметры представляют собой электромеханический вибратор, в котором на вертикально закрепленную струну с подвешенным грузом подают переменное напряжение. Вибратор подключен к генератору, а конечным параметром служат колебания его частоты.
Оборудование
Геофизические методы исследований проводятся с помощью промыслово-геофизических станций, основными элементами которых являются:
- скважинные приборы;
- лебедка с механическим или электромеханическим приводом (от коробки отбора мощности, электрической сети или автономного источника тока);
- блок управления приводом;
- система контроля основных показателей спускоподъемных процедур (глубина погружения, скорость спуска в скважину, сила натяжения) – блок индикации, узел натяжения, датчик глубины;
- скважинный лубрикатор для герметизации устья скважины при проведении ГИС (включает в себя запорную арматуру, сальник, приемную камеру, манометры и другие приборы КИП);
- наземная измерительная аппаратура (на шасси автомашины).
Для обслуживания глубоких скважин оборудование может располагаться в кузовах двух машин. Лаборатории для геофизического исследования скважин монтируют на шасси автомобилей УРАЛ, ГАЗ-2752 "Соболь", КамАЗ, ГАЗ-33081 и других. Кузов машины обычно включает 2 отсека – рабочий, в котором находится аппаратура, и «бытовку» для обслуживающего персонала.
Основными требованиями к оборудованию являются высокая точность и надежность геофизических исследований. Работа в скважинах сопряжена с тяжелыми условиями – большой глубиной, значительными перепадами температуры, вибрациями, тряской. Комплектация оборудования производится согласно требованиям заказчика, используемого метода и целей работ. Для проведения геофизических исследований в морских скважинах всю аппаратуру перевозят в контейнерах.
Интерпретация результатов
Результаты геофизических исследований проходят поэтапную обработку от значений измерительных приборов до определения геофизических параметров пласта:
- Преобразование сигналов скважинной аппаратуры.
- Определение истинных физических свойств изучаемых горных пород. На этом этапе может потребоваться проведение дополнительных полевых геофизических работ.
- Определение литологических и коллекторских свойств пласта.
- Использование полученных результатов для решения одной из поставленных задач – выявление залежей полезных ископаемых, их распространения по территории района, определение геологического возраста пород, коэффициентов пористости, глинистости, газо- и нефтенасыщенности, проницаемости; выделение коллекторов, изучение особенностей геологического разреза и другие.
Интерпретация геофизических исследований проводится различными методами в зависимости от используемой технологии (электрическая, радиометрическая, термическая и другие) и измерительного оборудования. В современных геофизических организациях действуют автоматизированные системы сбора и обработки данных («Прайм, «Пангея», «Инпрес», PaleoScan, SeisWare, DUG Insight и другие).
