ГИС — геофизические исследования скважин

Методы геофизических наблюдений в скважинах и способы интерпретации полученных данных образовали особую область исследований. Существенной отличительной особенностью ГИС является то, что измерения производятся не на земной поверхности, а в скважине, т. е. по вертикальным профилям.

Бурение скважин дает возможность геологам получать непосредственную информацию о стратиграфии, фациальном составе, литологии, тектоническом строении и многих других особенностях изучаемой территории. Анализируя скважинные данные мы узнаем о непрерывном распределении петрофизических свойств горных пород и их стратиграфической приуроченности к определенным отражающим горизонтам. При изучении геологических разрезов скважин современная геологическая служба располагает большим числом различных методов исследования, основанных на изучении петрофизических характеристик пород.

Изучение разреза нижних структурных этажей, в том случае, если они не выходят на дневную поверхность и к ним приурочены важные полезные ископаемые, проводится при помощи бурения опорных и параметрических скважин.

Бурение опорных скважин проводится с целью вскрыть типичные разрезы крупных регионов или структурно-фациальных зон, параметрических — обычно для геологической интерпретации геофизических материалов.

При обработке материалов из опорных и параметрических скважин решаются многие задачи, важнейшими среди которых являются:

1. Изучение вещественного состава, условий залегания и мощности пород, вскрытых скважиной.

2. Выделение в разрезе стратиграфических подразделений и установление их возраста.

3. Корреляция выделенных стратиграфических подразделений со вскрытыми соседними скважинами или обнажающимися на поверхности в смежных регионах.

4. Установление необходимых для интерпретации физических свойств разреза, выделение каротажных реперов и привязка отражающих сейсмических горизонтов к разрезу.

Геофизические методы исследования скважин (каротаж) — один из разделов прикладной геофизики. Изучение геологических разрезов скважин — наиболее важное направление. При этом используются электрические, магнитные, радиоактивные, термические, акустические, механические, геохимические и другие свойства горных пород. Применение их основано на изучении естественных и искусственных физических полей различной природы. Интенсивность того или иного поля определяется разными факторами, в первую очередь физическими свойствами горных пород — электрическим удельным сопротивлением, диэлектрической и магнитной проницаемостью, электрохимической активностью, радиоактивностью и т. д.

При геофизических исследованиях горные породы и полезные ископаемые изучаются в разрезах скважин. Скважина представляет собой вертикальную или наклонную цилиндрическую горную выработку, длина которой значительно больше ее диаметра. Она состоит из трех основных частей: устья — ее верх, забоя — ее дно и ствола — вся цилиндрическая часть от устья до забоя.

Все методы каротажа представляют собой измерение значений каких-либо физических свойств пород, слагающих стенки скважин, специальным устройством (зондом). Результатом каротажа являются диаграммы, по длинной оси которых последовательно отмечают в определенном масштабе (обычно 1:500 и 1:200) глубины скважины (от устья до забоя), а по короткой оси — значения измеряемых параметров.

Вскрывая толщи горных пород, скважина нарушает их естественное залегание. В результате частично изменяются физико-химические условия окружающей среды и петрофизическая характеристика пород, прилегающих к стенке скважины. Изменяются также первоначальные геостатическое давление и температура.

Горные породы обладают различными механическими свойствами; Плотные сцементированные породы при разбуривании вблизи стенки скважины не разрушаются; рыхлые, хрупкие, трещинноватые породы, наоборот, размываются промывочной жидкостью, вследствие чего образуются каверны, т. е. увеличивается диаметр ствола скважины.

Вскрытие пород при бурении производится при давлении, превышающем пластовое, поэтому пористые породы забиваются промывочной жидкостью и на их поверхности образуется глинистая корка. Таким образом образуется зона проникновения фильтрата промывочной жидкости и в этой зоне физические свойства пород изменяются. Это является препятствием для установления истинных параметров породы.

Чтобы устранить это влияние на показания геофизических методов, созданы специальные устройства, позволяющие увеличить глубинность метода (в радиальном направлении), и разработаны специальные способы интерпретации.

Наиболее полная информация о глубинах залегания границ слоев и особенностях их литологического состава получается при сочетании следующих видов каротажа: электрического (измерение кажущегося электрического удельного сопротивления — КС, потенциал- и градиент-зондами и потенциалов естественной, собственной поляризации — ПС), радиоактивного (измерение естественного гамма-излучения — ГК, интенсивности вызванной радиоактивности гамма-излучения радиационного захвата нейтронов — НГК), метода кавернометрии — KB (измерение диаметра скважины). В некоторых случаях важное значение приобретают индукционный, акустический и другие виды каротажа. В обсаженных скважинах возможно использование только радиоактивных методов.

Первая задача, решаемая с помощью каротажа, — это определение литологического состава и глубин залегания кровли и подошвы слоя в скважинах. Наиболее важны для определения литологического состава слоев по каротажным диаграммам не абсолютные значения тех или иных параметров, зарегистрированных на диаграмме, а их соотношения (рис. 25).

Глубины залегания границ слоев горных пород, пройденных скважиной, могут быть достоверно установлены лишь по комплексу каротажных диаграмм. Несмотря на нередко встречающуюся резкую смену слоев с весьма различными физическими свойствами в разрезе, на диаграммах этот переход обычно отражается постепенным изменением регистрируемой величины.

Другой важной областью использования геологической интерпретации каротажа является корреляция разрезов. При этом решаются различные задачи: сопоставляются согласно залегающие толщи пород, каротажные диаграммы которых мало меняются от скважины к скважине; устанавливаются фациальные замещения; выявляются угловые несогласия и разрывные нарушения, осложняющие нормальную стратиграфическую последовательность отложений. Достоверная корреляция разрезов скважин, особенно если они вскрывают континентальные или разнофациальные отложения, возможна лишь при контроле материалов геофизических исследований данными палеонтологического, минералого-литологического и геохимического изучения керна, шлама и проб, отобранных боковым грунтоносом.

В основу корреляции разрезов скважин по данным каротажа, как и при корреляции обнажений, положены выделение и прослеживание маркирующих пластов. Нередко удается разделить на пачки с разными значениями сопротивления или радиоактивности визуально однообразную толщу. Последующие детальные литолого-минералогические исследования обычно подтверждают такое расчленение и объясняют его природу.

Маркирующие пласты должны обладать выдержанной в разных разрезах конфигурацией диаграмм, резко отличной от таковой вмещающих образований.

В качестве маркирующих горизонтов в терригенных толщах обычно используют прослои известняков, доломитов, мергелей, пеплов, туфов, песчаников и ангидритов, в карбонатных — слои глин или алевритово-глинистые пачки, глинистые известняки, мергели и плотные известняки, реже ангидриты, в соленосных — слои ангидритов, доломитов, пачки тонкого переслаивания разных, преимущественно несоляных пород. Нередко маркирующими являются не отдельные слои, а их пачки.

8.10.1.Электрический каротаж

Электрокаротаж является наиболее широко распространенным методом геофизического исследования скважин. Суть его состоит в непрерывном измерении по необсаженному стволу скважины естественных (спонтанных) потенциалов (ПС155), т. е. потенциалов, возникающих главным образом при взаимодействии промывочной жидкости и пластовых вод, и кажущегося удельного сопротивления горных пород (КС), обусловленного преимущественно удельным сопротивлением поровых вод и отчасти сопротивлением самой породы.

По происхождению изучаемого поля методы электрометрии скважин делятся на две большие группы — естественного и искусственного электромагнитного поля, а по частоте (т. е. изменении его во времени)— на методы постоянного, квазипостоянного и переменного поля. Рассмотрим только некоторые из них.

Методы потенциалов собственной поляризации горных пород (ПС)

В группу методов входят обычный метод потенциалов ПС, метод градиента, метод селективных зондов, метод квазистатических потенциалов, метод специальных зондов, метод электродных потенциалов (МЭП) и метод гальванических пар. Методы потенциалов собственной поляризации горных пород основаны на изучении естественного стационарного электрического поля в скважинах, образование которого связано с физико-химическими процессами, протекающими на поверхностях раздела скважин, — породы и между пластами различной литологии. На поверхностях раздела образуются двойные электрические слои, различные потенциалы которых создают определенные величины напряженности электрического поля между горными породами и скважиной.

Потенциалы собственной поляризации породы обусловлены следующими физико-химическими процессами:

1) диффузией солей из пластовых вод в промывочную жидкость или наоборот, а также адсорбцией ионов на поверхности минеральных частиц горной породы;

2) фильтрацией вод из промывочной жидкости в породы и пластовых вод в скважину;

3) окислительно-восстановительными реакциями, происходящими в породах и на контакте их с промывочной жидкостью и металлами.

Способность горных пород поляризоваться под действием указанных физико-химических процессов называется естественной электрохимической активностью. В результате этих процессов возникают диффузионно-адсорбционные U6a, фильтрационные 11ф и окислительно-восстановительные U_да потенциалы.

Величина и знак потенциалов U_da, U_ф и U_ов определяется соотношениями минерализации пластовых вод и фильтрата промывочной жидкости, минеральным составом и структурой горных пород и другими факторами. Измерение потенциалов естественного электрического поля дает возможность получать инфюрмацию о литологии разреза скважин и кол-лекторских свойств пород, о наличии в них полезных ископаемых.

Обычный метод потенциалов (ПС)

Простейший и наиболее распространенный метод замера величины U в скважине заключается в следующем. Имеется два измерительных электрода М и N. Электрод М помещают в скважину и перемещают вдоль оси, электрод N располагают неподвижно на поверхности вблизи устья скважины (рис. 26). Электроды М и N в совокупности представляют собой простейший одноэлектродный зонд. Между электродами М и N включается измерительный прибор, например гальванометр. Регистрируется разность потенциалов AU, возникающая между электродами М и N:

DU=U_M-U_N,

где U_M и U_N — разность потенциалов естественного электрического поля в точках М и N.

Методы кажущегося сопротивления (КС)

В группу методов кажущегося сопротивления (КС) входят метод обычных зондов КС, боковое электрическое зондирование (БЭЗ), метод специальных зондов КС, микрозондирование (МКЗ) и резистивиметрия (Р).

Самым распространенным из методов каротажа является каротаж сопротивлений, основанный на изучении электрического сопротивления горных пород.

Физические основы методов кажущегося сопротивления

Методы кажущегося сопротивления основаны на изучении распределения искусственного стационарного и квазистационарного электрических полей в горных породах. Обычно кажущееся удельное сопротивление среды определяется по наблюденным значениям U, разности потенциалов DU или напряженности электрического поля Е, созданного источником тока силой / с помощью питающих электродов А и В.

В случае, если среда однородна и изотропна, то величина сопротивления есть ее истинное удельное сопротивление, а в случае неоднородной среды — кажущееся удельное сопротивление.

Электрическое удельное сопротивление — свойство горных пород, на изучении которого основаны способы документации геологических разрезов скважин методами кажущегося и эффективного сопротивлений, сопротивления заземления, регистрации тока и индукции.

Среда, в которой измеряется сопротивление горных пород, неоднородна. Поэтому регистрируемое в скважине кажущееся удельное сопротивление горных пород, вычисляемое по приведенной ниже формуле, в общем случае не равно истинному удельному сопротивлению исследуемой среды.

S_k=K DU/I,

где S_k — кажущееся удельное сопротивление горных пород, DU — разность потенциалов между измерительными электродами потенциал- и градиент-зондов15В, I — сила тока, питающего зонд, К — коэффициент зонда.

158 Потенциал-зонд (ПЗ), или зонд с большим расстоянием между парными электродами АВ или MN, применяется для выделения относительно мощных платов, градиент-зонд (ГЗ), или зонд с малым расстоянием между парными электродами АВ или MN, для выделения тонких слоев {соответственно уменьшается радиус исследования).

Чтобы измерить электрическое сопротивление в скважине, между электродами А и В пропускают переменный ток низкой частоты. Электрод В опущен в скважину, а А может быть либо на дневной поверхности, либо опущен в ствол скважины. Потенциал измеряется с помощью электродов М и N таким образом, что измерительный электрод N находится в скважине, а другой М — на поверхности (рис. 27).

Сочетание электродов А, В, М и N, расположенных в скважинах на разных расстояниях друг от друга, образуют зонды КС. Существует много вариантов расположения в скважине и на поверхности указанных электродов.

Глубины исследования приблизительно равны удаленному расстоянию между электродами В и N. Поэтому чем больше это расстояние, тем больше глубина исследования вокруг ствола скважины. Но с увеличением размера зонда перестают выделяться тонкие прослои. При проведении электрического каротажа электроды опускаются в скважину на кабеле и производится непрерывная регистрация измерений либо на бумаге, либо в цифровом виде на магнитной ленте. Когда зонд проходит мимо геологической границы, происходит изменение сопротивления, которое отразится некоторым изменением величины регистрируемого сигнала. Результаты измерений представлены в виде каротажной диаграммы.

Методы сопротивления заземления (СЗ)

Методы сопротивления заземления (СЗ) включают неэкранированный метод, метод сопротивления экранированного заземления (СЭЗ), метод микрозондов и дивергентный метод.

В группу методов регистрации тока входят обычный токовый метод (ТМ), метод скользящих контактов (МСК) и экранированный токовый метод.

Эффективное удельное сопротивление изучают с помощью метода сопротивления экранированного заземления. Методы сопротивления заземления основаны на изучении изменения потенциала U3 заземления А, перемещаемого по разрезу скважины. Величина U3 определяется полным сопротивлением заземления RA и силой тока 7, отдаваемой заземлением в окружающее пространство (ствол скважины).

Термины «эффективное сопротивление» и «кажущееся сопротивление» близки по смыслу. Главное их различие состоит в том, что эффективное сопротивление всегда прямо пропорционально удельному сопротивлению сред, находящихся вблизи заземления, а кажущееся сопротивление, измеренное обычными зондами, может находиться в непрямой зависимости от сопротивления среды.