Предмет промысловой геофизики

ЛЕКЦИЯ 1

Краткий обзор развития промысловой геофизики.

Для поиска и разведки месторождений полезных ископаемых существуют геологические, геохимические и геофизические методы, которые позволяют выявлять структурные, литологические, геохимические и стратиграфические признаки скопления того или иного полезного ископаемого на глубине. Для однозначного решения вопроса о наличии или отсутствии полезного ископаемого, установления точного местонахождения продуктивного пласта, его глубины залегания необходимо бурения скважин и исследование геологического разреза, вскрытого скважиной. Прямым и, казалось бы, самым простым методом изучения геологического разреза является отбор в процессе бурения образцов горных пород (керн), и обломков горных пород, выносимых промывочной жидкостью на устье скважины (шлам). Однако метод прямого отбора образцов горных пород является дорогостоящим, значительно сокращает скорость бурения скважин и не всегда достаточно полно освещает весь изучаемый разрез скважины из-за низкого выноса керна, неточной привязки образцов по глубине. Наиболее эффективно бурение скважин без отбора керна. В этом случае изучение разреза скважин осуществляется с помощью геофизических методов. При выполнении методов промысловой геофизики в скважине тот или иной регистрируемый параметр представляется в виде диаграммы в функции глубины исследования.

Сущность любого геофизического метода заключается в измерении вдоль ствола скважины некоторого геофизического параметра, отражающего физические свойства горных пород. Геофизические исследования скважин, бурящихся на нефть и газ, называют промысловой геофизикой. Кроме промысловой геофизики в зависимости от вида полезного ископаемого существует такие разновидности геофизических исследований скважин (ГИС), как скважинная угольная геофизика, скважинная рудная геофизика, которые различаются методами исследований, решаемыми задачами, технологией проведения исследований

Задачи, стоящие перед промысловой геофизикой, многообразны. Геофизические исследования скважин с целью изучения геологического разреза и выявления полезных ископаемых, называют каротажем. В основе любого метода скважинной геофизики лежит регистрация параметров соответствующего поля, несущего информацию не только физических свойствах горных пород, но и об условиях измерения, таких как температура и давление в скважине, ее диаметр, свойства промывочной жидкости и т.п. Поэтому измеряемый геофизический параметр (электрическое сопротивление, потенциал самопроизвольной поляризации, естественная радиоактивность и др.) не является истинным, характерным для естественного залегания горных пород.

Переход от геофизических параметров, измеряемых в скважине, к сведениям о свойствах пород, о геологических разрезах скважин и строении площадей, на которых расположены скважины, то есть расшифровка полученной геофизической информации, называется интерпретацией результатов ГИС. Интерпретация результатов может проводиться по отдельной скважине, а также по площади с использованием результатов, полученных по ряду скважин. В последнем случае интерпретация называется площадной и позволяет получать обобщающие параметры по месторождению нефти или газа для изучения строения месторождения и оценки его запасов.

Кроме промысловой геофизики в зависимости от вида полезного ископаемого существует такие разновидности геофизических исследований скважин (ГИС), как скважинная угольная геофизика, скважинная рудная геофизика, которые различаются методами исследований, решаемыми задачами, технологией проведения исследований.

Классификация методов ГИС. Классификация методов ГИС может быть выполнена по виду изучаемых физических полей. В зависимости от изучаемых физических свойств пород различают электрический, электромагнитный, акустический, радиоактивный, термический, механический, газовый и другие виды каротажа. Выбор комплекса ГИС определяется сложностью разреза скважины и решаемыми задачами. В зависимости от стадии проводимых работ различают скважины поисковые, разведочные и эксплуатационные, для исследования которых существуют различные комплексы методов ГИС. К основным типам разрезов скважин можно отнести терригенные разрезы, сложенные песчано-глинистыми породами, карбонатные разрезы, сложенные карбонатными породами (известняки и доломиты), и смешанные разрезы, представленные терригенно-карбонатными породами, сульфатно-карбонатными разрезами, представленные карбонатами и сульфатами (гипс, ангидрит). Свойства изучаемых пород также влияют на выбор комплекса ГИС.

Соотношение методов, основанных на исследовании керна, шлама и ГИС. Важным источником информации по изучению скважины являются данные кернового материала и шлама. С их помощью изучают петрофизические, текстурно-структурные, фильтрационно-емкостные, петрографические и другие свойства пород. Однако в целом эти методы не достаточно эффективны, что объясняется неполным выносом кернового матери­ала, трудностью привязки керна по глубине, малым радиусом исследования, изменением характеристик горных пород в зоне бурения и при подъеме на поверхность, значительными затра­тами времени и средств.

В отличие от этого ГИС дают сплошную, сравнительно точно привязанную по глубине информацию с существенно большим радиусом исследования. Затраты времени и соответственно стоимость ГИС ниже. Важно, что удается получить информацию о горных породах в их естественном залегании (in sity). Большой радиус исследования, возможность осуществлять замеры не только в функции пространственных координат, но и в функции времени, изучение всей системы скважина— пласт, позволяют решать геологические задачи, в принципе не решаемые по керновому материалу.

Вместе с тем, достаточно точная оценка с помощью ГИС параметров, характеризующих литологию, коллекторские свойства, содержание того или иного полезного ископаемого и т.д. требует знания свойств матрицы (скелета) горной породы, флюида-порозаполнителя, а также петрофизических зависимостей для определенного типа отложений месторождения. Такую информацию в большинстве случаев получают с помощью кернового материала и шлама. Поэтому исследования керна, шлама и ГИС должны рассматриваться как составляющие единого процесса изучения околоскважинного и межскважинного пространства.

Скважина как объект геофизических исследований. Скважина как объект геофизических исследований оказывает существенное влияние на специфику геофизических методов и технологию их проведения.

Скважина позволяет проводить измерения во внутренних точках среды. Вскрывая толщу горных пород, скважина нарушает условия их залегания: изменение геостатического давления и температуры приводит к перераспределению напряжений, взаимодействие породоразрушающего инструмента и ПЖ с породой усугубляет этот процесс, способствуя образованию микротрещиноватости в прочных и разрушению, размыву с образованием каверн — в рыхлых, трещиноватых, растворимых породах. Во избежание неконтролируемого выброса пластовых флюидов давление ПЖ поддерживают несколько выше пластового, в результате чего возникает ее фильтрация в проницаемые пласты. Поскольку эффективные диаметры пор залегающих глубоко пород имеют небольшие размеры и редко превышают 100 мкм, а размеры глинистых частиц в основном больше этой величины, в пласт проникает лишь фильтрат ПЖ, основное же количество частиц оседает на стенке скважины. Образующаяся глинистая корка повышает устойчивость стенок и препятствует дальнейшей фильтрации.

В разрезе скважин, бурящихся на нефть и газ, наибольший интерес представляют пласты, сложенные пористыми и проницаемыми породами, чаще всего представленными песчаниками, известняками или доломитами. Такие пласты, способные вмещать и отдавать пластовый флюид (воду, нефть, газ) называют коллекторами.

В результате проникновения фильтрата ПЖ в проницаемые пласты в них образуются зоны проникновения с диаметрами от десятков до сотен сантиметров. Физико-химические свойства пород в зоне проникновения меняются за счет оттеснения первоначального флюида, возникновения сложного, в ряде случаев многофазного насыщения, окислительно-восстановительных процессов, закупорки пор (кольматации). Таким образом, меняется не только характер насыщения пласта, но и его фильтрационно-емкостные свойства. Наиболее измененную часть зоны проникновения называют промытой зоной. При изучении характера насыщения пласта, количественной оценке его нефтегазоносности и фильтрационно-емкостных характеристик, зона проникновения является серьезным осложняющим фактором, но сам факт ее существования говорит о проницаемости пласта.

После завершения бурения и проведения геофизических исследований в открытом стволе, скважину обсаживают стальной колонной и цементируют для укрепления ее ствола и разобщения пластов — коллекторов. Обсадка практически исключает применение электрических, электромагнитных и магнитных методов, и в той или иной степени искажает показания радиоактивных, сейсмоакустических, термических. Однако полное прекращение фильтрации промывочной жидкости приводит к постепенному уменьшению диаметра зоны проникновения и, в конечном счете, ее расформированию под влиянием диффузии, капиллярных и гравитационных сил. Первоначальное насыщение пласта в его прискважинной части восстанавливается, что дает возможность оценить нефтегазонасыщенность, а в процессе эксплуатации контролировать динамику газожидкостных и водонефтяных контактов. Наиболее эффективными методами для решения задач оценки текущей нефтенасыщенности пластов в обсаженных скважинах в настоящее время являются ядерно-геофизические методы в импульсной и спектрометрической модификации.

Схема проведения каротажа.

Аппаратура для геофизических исследований скважин разделяется на две части: скважинную и наземную. Наземная часть сосредоточена в каротажной лаборатории. Скважинный прибор или зонд соединяется с поверхностной аппаратурой с помощью специального каротажного кабеля. Каротажный кабель служит каналом связи между наземной частью и зондом, а также несет механическую нагрузку. Спуск и подъем скважинного прибора осуществляется с помощью каротажного подъемника. Зонд содержит датчик, который преобразует ту или иную физическую величину (напряженность электромагнитного поля, скорость распространения упругих колебаний, температуру, радиоактивность пород) в электрические сигналы, которые передаются по кабелю на поверхность. Наземная аппаратура содержит приемное и регистрирующее устройство, а также источник питания.

Схема установки для геофизических исследований скважин показана на рис.2. К кабелю 2, намотанному на барабан лебедки подъемника 6, подсоединяется скважинный прибор 1, в котором находятся датчики и электронные узлы. Прибор опускают в скважину через направляющий блок 4 и блок-баланс 3. Выполняя грузонесущие функции, кабель 2 служит также для подачи питания и сигналов управления к скважинному прибору и передачи информации на поверхность. Кабель соединен с геофизической лабораторией 7 через соединительный провод 8. Полевой информационно-измерительный комплекс, включающий подъемник и лабораторию, называют каротажной станцией.

Перед проведением ГИС бурение прекращают и буровой инструмент извлекают из скважины. Вместе с тем все большее распространение получают исследования скважин в процессе бурения.

Для исследования наклонных, горизонтальных и восстающих скважин, пробуренных из штолен и горных выработок, применяют приборы с автономным питанием и регистрацией, транспортируемые к забою с помощью специальных устройств или бурового инструмента.

Задачи, стоящие перед геофизическими исследованиями скважин:

1 - Изучение разрезов скважин (задачи общего характера):

- расчленение горных пород, слагающих разрезы скважин; определение глубин залегания пластов и их мощностей;

- выделение коллекторов, то есть пород, содержащих подвижный флюид и способных отдавать его при испытании и эксплуатации пласта;оценка насыщенности коллекторов;

- корреляция разрезов скважин, изучение строения месторождений по данным обобщающей (площадной) интерпретации результатов геофизических исследований.

2 - Оценка коллекторских свойств пород (задачи детального исследования):

- оценка коллекторских свойств пород: коэффициентов пористости, проницаемости, глинистости коллекторов, их эффективных толщин;

- оценка коэффициентов первоначального и остаточного нефтегазонасыщения коллекторов, коэффициентов вытеснения нефти и газа.

3 - Подсчет запасов нефти и газа для месторождения:

- оценка средней эффективной нефте- или газонасыщенной мощности залежи;

- оценка средних значений коэффициентов нефтегазонасыщенности и пористости.

4 - Контроль за эксплуатацией нефтяных и газовых месторождений (определение нефтегазонасыщения коллектора и его изменений в процессе эксплуатации):

- определение положения водонефтяного, газонефтяного и газоводяного контактов и контуров нефтегазоносности;

- определение фронта закачиваемых вод и газа;

- определение текущей и остаточной нефте- и газонасыщенности, прогноз продвижения контактов и фронтов закачки по эксплуатируемой залежи.

5 - Контроль технического состояния скважины:

- определение технического состояния колонны (дефектоскопия и толщинометрия колонны);

- определение интервалов затрубной циркуляции воды;

- определение свойств и состояния скважинной жидкости;

- контроль гидравлического разрыва пласта.

6 - Проведение прострелочных и взрывных работ в скважине.

7 - Опробование пластов и отбор образцов пород со стенок скважины.