Загальна характеристика геофізичних досліджень

ВСТУП

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.

Загальна характеристика геофізичних досліджень. Геофізичні дослідження свердловин, або каротаж свердловин – це дослідження свердловин електричними, магнітними, радіоактивними, акустичними та іншими методами. Суть їх полягає в безперервному записуванні відповідних характеристик пластів вздовж стовбура свердловини.

Для деяких видів каротажу у свердловину опускають на кабелі зонди. Лебідка з кабелем доставляється до свердловини на спеціальній автомашині, на якій є також записувальні прилади, джерела енергії і допоміжне устаткування.

Досліджувані параметри вимірюються в процесі переміщення зонда вздовж стовбура свердловини. Сигнали від зонда передаються через кабель на поверхню, де здійснюється безперервне записування.

Рис.1 – Криві електрокаротажу і низькочастотного акустичного каротажу навпроти пластів різного насичення: 1 – колектор; 2 – неколектор; 3 – нафта;

4 – вода; αp, αs – амлітуди відповідно повздовжних і поперечних хвиль; ПС – електрокаротажна крива самочинної поляризації; ρп – електрокаротажна крива питомого електричного опору. Виміри ПС і ρп – під час початкового насичення; виміри акустичного каротажу – після заводнення пласта

Електричний каротаж служить для визначення фізичних параметрів пройдених бурінням порід та послідовності їх залягання. Він грунтується на відмінності електричних властивостей різних гірських порід. Під час стандартного електрокаротажу записуються криві позірного питомого опору rп відкладів (ПО) і самочинних (природних) потенціалів (ПС) гірських порід (рис.1). Питомим опором породи називається опір, виміряний між протилежними гранями куба і виражений в Ом-метрах (скорочено Ом×м). Пори порід заповнені мінералізованою пластовою водою, тобто добрим провідником електричного струму, а тверді частинки скелету порід мають високий опір, тому питомі опори різних порід залежать від кількості води в порах і розчинених у ній солей. Нагадаємо, що питомий опір зменшується з підвищенням температури, а це дуже важливо, бо температура підвищується в міру збільшення глибини. Оскільки на виміряну величину питомого опору впливають питомі опори всього середовища безпосередньо біля зонда (буровий розчин, різні частини пласта, сусідні пласти), то прилади показують позірний питомий опір.

Вимірювання питомого опору здійснюється для отримання максимально можливої інформації звичайними стандартними приладами (потенціал-зонди, градієнт-зонди різної довжини) і приладами для індукційного, бокового, мікро- і мікробокового каротажу (рис.2). Під час бокового каротажу (БК) струм вимушено проходить радіально через породи в шарі заданої товщини із-за відповідно розміщених електродів, а в разі мікрозондування застосовуються зонди дуже малої довжини. Тому ці два методи, а особливо мікробоковий каротаж, дають змогу виділити тонкі прошарки порід, уточнити межі пластів. Під час індукційного каротажу питомий опір пласта вимірюється за посередництва індукованих струмів без використання електродів.

Виникнення потенціалів самочинної власної поляризації зумовлено наявністю електрорушійних сил, що існують у пластах або на границі між пластами і буровим розчином, які сприяють збудженню струмів ПС.

Електричний каротаж проводиться тільки в необсаджених металевими трубами свердловинах, які заповнені водою або електропровідною промивальною рідиною з різною електропровідністю.

Записані криві ПО і ПС називаються каротажними діаграмами. На діаграмі ПО нафтові пласти виділяються у вигляді піків різної величини, тобто максимумів амплітуд ПО, а на діаграмах ПС цим пластам відповідають мінімуми амплітуд ПС.

Рис.2 – Криві високочастотного електричного каротажу навпроти пластів різного насичення: 1 – колектор; 2 – неколектор; 3 – нафта; 4 – прісна вода;

5 – пластова вода; 6 – вимір під час початкового насичення; 7 – вимір після заводнення пласта; σк – позірна питома електропровідність, См/м; Δφ – різниця фаз напруженості електромагнітного поля, градуси; ε – діелектрична проникність навколишнього середовища.

Магнітні методи грунтуються на відмінності магнітної проникності і магнітної сприйнятливості різних гірських порід. У необсаджених нафтових і газових свердловинах з метою виділення пластів-колекторів, оцінки характеру їх насиченості й ефективної пористості найбільше використовується ядерно-магнітний метод.

Радіоактивні методи поділяються на методи реєстрації природних випромінювань гірських порід і методи реєстрації вторинних (штучних) випромінювань. Застосування перших базується на диференціації гірських порід за їх природною гамма-активністю внаслідок спонтанного розпаду радіоактивних елементів у гірських породах (гамма-метод і спектральний гамма-метод).

Рис.3 – Криві теплових дифузійних нейтронних параметрів – тривалості життя теплових нейтронів τ і коефіцієнта дифузії D – навпроти пластів різного насичення: 1 – колектор; 2 – неколектор; 3 – нафта; 4 – вода; 5 – газ; 6 – виміри під час початкового насичення; 7 – виміри після заводнення пласта; ГНК – газонафтовий контакт;

ВНК – водонафтовий контакт; індекси п, пот – початковий, поточний

Серед другої групи радіоактивних методів виділяють дві підгрупи методів, які грунтуються на вторинних випромінюваннях, пов’язаних з опроміненням гірських порід відповідно гамма-квантами (гамма-гамма-метод) і нейтронами (гамма-нейтронний метод), що розміщені у свердловинних приладах (рис.3). В обох підгрупах виділяють стаціонарні та імпульсні методи.

Важливою перевагою більшості ядерних методів є можливість їх застосування як в необсаджених, так і в обсаджених свердловинах.

До геофізичних методів дослідження можна віднести й акустичний каротаж, призначений для дослідження якості цементного кільця, а також виділення пластів різного насичення (див. рис.1). Метод грунтується на створенні з допомогою джерела ультразвуку коливань пружних хвиль і поширенні їх по обсадній колоні, цементному кільці і гірських породах. Акустичний каротаж може грунтуватися на визначенні швидкості поширення пружних хвиль (акустичний каротаж за швидкістю) і на поглинальних властивостях гірських порід (акустичний каротаж за згасанням). Поглинальні властивості гірських порід відрізняються значно більше, тому надійніші відомості про якість цементного кільця дає акустичний каротаж за згасанням. Під час акустичного каротажу записуються такі криві: амплітуда узагальненої хвилі, яка поширюється по колоні і цементному кільці; амплітуда хвилі за природою; час першого вступу хвилі. В пісковиках максимальні показники кривої “амплітуда узагальненої хвилі” і мінімальні показники кривої “амплітуда хвилі за природою” відповідають інтервалам повної відсутності цементу за колоною або поганої якості цементувань, а в глинах – навпаки. В карбонатних породах інтерпретація матеріалів за названими кривими істотно затруднюється, тому в такому разі реєструють повний акустичний сигнал у вигляді хвильових картин. Для визначення затрубної циркуляції розроблено акустичні методи, що полягають у вивченні деформації колони відносно цементного кільця, коли в обсадній колоні створюються різні за величиною тиски.

До різновиду досліджень, які грунтуються на поширенні звукової хвилі, можна віднести і відбивання рівня методом ехометрії. Принцип дії ехолота полягає в тому, що, підриваючи пороховий заряд на гирлі свердловини, в затрубний простір посилають звуковий імпульс. Через деякий час імпульс, відбитий рідиною, повертається на поверхню і реєструється чутливим приладом. Знаючи час проходження імпульсу і швидкість звуку в газовому середовищі, можна визначити глибину знаходження рівня рідини за формулою:

Нр=vзtр/2,

де vз – швидкість поширення звукової хвилі; tр – час проходження хвилі від гирла до рівня і назад. Цей метод широко застосовується для гідродинамічного дослідження штангово-насосних свердловин.

Для визначення місця перетікання сторонньої ("чужої") води через порушення експлуатаційної колони часто використовується метод резистивиметрії. Принцип дії резистивиметра грунтується на вимірюванні питомого опору води. Порядок дослідження полягає в наступному. Після ізоляції інтервалу перфорації викликається приплив сторонньої води шляхом зниження рівня рідини у свердловині. Потім свердловина промивається до видалення зі стовбура цієї сторонньої води і заповнюється водою, соленість якої на 2-5 °Ве відрізняється від соленості сторонньої води (перерахунок на густину в кг/м3 здійснюється за формулою: =145/(245 – °Ве), де °Ве – соленість в градусах Боме). Резистивиметром знімається контрольна крива зміни питомого опору води по стовбуру. Знову викликається приплив сторонньої води шляхом зниження рівня і знімається друга крива. Зіставленням двох кривих визначається місце (глибина) припливу сторонньої води і тим самим місце порушення колони.

Суть газового каротажу полягає у вимірюванні вмісту вуглеводневого газу в буровому розчині. Під час проходження долотом газоносних і нафтоносних порід вміст газу в розчині збільшується. Газ з розчину вилучається дегазатором, а на газоаналізаторі визначається сума легких і важких та окремо важких фракцій. Збільшення кількості легких фракцій відповідає проходженню газоносних пластів, а збільшення кількості обох фракцій – нафтоносних пластів. Детально розглянуті методи вивчаються в геофізичних дисциплінах, а метод ехометрії – в технології видобування нафти.

Задачі промислово-геофізичних досліджень. Промислово-геофізичні дослідження формують основне інформаційне забезпечення процесів ремонту свердловин. Задачі промислово-геофізичних досліджень під час ремонтних робіт у свердловинах пов’язані з основною метою підземного і капітального ремонту – відновлення і підвищення продуктивності свердловин, що вийшли із ладу внаслідок несправності експлуатаційного устатковання, погіршення умов припливу нафти і газу та обводнення видобувної продукції.

Для проведення поточного ремонту свердловини, зумовленого різкою зміною продуктивності за безводної продукції або пов’язаного зі зниженням приймальності свердловини, задачами промислово-геофізичних досліджень можуть бути: оцінка стану вибою (наявність осаду); уточнення глибини інтервалу перфорації і місцезнаходження елементів глибинного устатковання (пакера, насоса); виявлення дефектів у колоні ліфтових труб (місць негерметичності, корозії); визначення інтервалів відкладання парафіну і солей та інше.

Одна з головних задач геофізичних досліджень при капітальному ремонті – визначення місцезнаходження в продуктивному розрізі обводнених пластів (або обводнених прошарків) та оцінка їх залишкової нафтогазонасиченості.

У процесі розробки нафтового родовища із застосуванням заводнення внаслідок неоднорідності продуктивного колектора по товщині і по площі має місце нерівномірне витіснення нафти (конуси і “язики” обводнення; випереджальне переміщення в різних за проникністю пластах). Поява води в продукції свердловини, навіть у великій кількості, не є показником вироблення запасів нафти в зоні дренування свердловини. В загальному випадку, навіть в однорідному пласті з достатньо великою вертикальною проникністю, спостерігається випереджальне обводнення в підошовній частині і відставання його в покрівельній за рахунок проявлення гравітаційних сил. У неоднорідному за проникністю пласті випереджальне обводнення спостерігається по найбільш проникних прошарках. У розрізі, що містить декілька продуктивних пластів, під час їх спільної розробки з випереджанням проходить обводнення пласта, що має кращі колекторські властивості незалежно від його місцезнаходження в розрізі. Аналогічна картина спостерігається і в газових родовищах за пружноводонапірного режиму.

Для експлуатації нафтових і газових пластів необхідно, щоб вони були відділені від усіх інших пластів, особливо від водоносних. Якщо ця умова не виконується і в пласт або у свердловину надходить вода (а в нафтову свердловину ще і газ), то відбирання продукції (нафти, газу) з обводнюваного пласта затруднюється або стає неможливим.

У процесі експлуатації внаслідок різних знакозмінних механічних впливів і впливу корозійноагресивних рідин кріплення стовбура свердловини може порушуватися, тоді між нафтовим пластом і сусідніми водоносним та газоносним пластами виникає гідродинамічний зв’язок. У даному випадку продукція свердловини буде обводнена не водою продуктивного пласта, а сторонньою, “чужою” водою. Вода (газ) у свердловину може надходити не на тій глибині, на якій розташовується експлуатаційний пласт. Рідина (газ) може надходити у свердловину внаслідок порушення герметичності колони обсадних труб, що закріплюють стінки свердловини, якщо цементне кільце негерметичне в інтервалі розташування пласта, який віддає воду (газ). У цих випадках задачею геофізичних досліджень є встановлення місця надходження “чужої” рідини у свердловину (місце припливу) і місцезнаходження пласта – джерела перетікання (віддавального пласта).