Геологическое моделирование. Основы геофизических исследований скважин (лекция 2)

Геофизические исследования скважин
Геофизические исследования скважин (или Каротаж) – это проведение непрерывных измерений физических свойств геологического разреза при помощи специальных приборов (каротажных зондов), опускаемых в скважину. Проще говоря, каротаж - это определение геологических свойств физическими методами в скважине.
Измеритель натяжения
Записывающее оборудование
Измеритель глубины
Лебёдка
Кабель
Зонд
Точки замеров:

Каротажная диаграмма
Каротажная диаграмма – это кривая изменения физических параметров по разрезу скважины;
Первая каротажная диаграмма
(Братья Шлюмберже)
Примеры каротажных диаграмм

Строение скважины
Скважина – это горная выработка круглого сечения, пробуренная с поверхности земли или с подземной выработки без доступа человека к забою под любым углом к горизонту, диаметр которой много меньше ее глубины.
Конструкция скважины
Типы скважин по направлению:
Вертикальная (угол отклонения от вертикали < 5˚);
Наклонно-направленная (угол отклонения от вертикали > 5˚);
Горизонтальная (угол отклонения ствола от вертикали составляет 80-90°);
Многоствольная.
Типы скважин по назначению:
Опорная;
Параметрическая;
Структурная;
Поисковая;
Разведочная;
Эксплуатационная;
Оценочная;
Нагнетательная;
Наблюдательная;
Специальная.

Задачи геофизических исследований скважин
Задачи общего характера:
Стратиграфическое расчленение разрезов;
Определение и уточнение геологического возраста горных пород;
Расчленение разреза скважин по литологии;
Определение границ и мощностей пластов;
Выделение коллекторов;
Определение насыщения;
Изучение структуры геологических объектов, характера их фациальной изменчивости в горизонтальном и вертикальном направлениях;
Корреляция разрезов скважин;
Изучение строения месторождений по данным обобщающей интерпретации результатов ГИС.
Задачи детального исследования :
Количественное определение:
коэффициента глинистости;
коэффициента пористости;
коэффициента проницаемости;
коэффициента нефте- и газонасыщенности.

Роль геофизических исследований скважин в геологическом моделировании
Корреляция разрезов скважин;
Задание отбивок пластов по скважинам;
Выделение фаций;
Построение синтетических кривых для геонавигации;
Построение кубов пористости, проницаемости и насыщения;
Построение синтетической сейсмограммы.

Классификация геофизических методов исследований скважин
1) Электрический каротаж – изучение электрических свойств горных пород;
2) Радиоактивный каротаж – исследование радиоактивных свойств элементов, слагающих горные породы;
3) Акустический каротаж – изучение скорости распространения и затухания упругих колебаний в горных породах;
4) Ядерно-магнитный каротаж – исследование магнитных свойств элементов горных пород;
5) Термокаротаж – тепловое поле и термические свойства пород;
6) Механический каротаж – к нему относятся: измерение диаметра скважины, скорости бурения;
7) Прямые методы исследования скважин – опробования.

Радиоактивный каротаж
Методы радиоактивного каротажа:
1) Гамма-каротаж (ГК);
2) Гамма-гамма каротаж плотностной (ГГК-п);
3) Нейтронный гамма каротаж (НГК);
4) Нейтрон-нейтронный каротаж (ННК);
5) Импульсный нейтронный каротаж (ИНК).
Радиоактивный каротаж – исследование радиоактивных свойств пород, вскрытых скважиной.

Гамма-каротаж
КАЛИЙ
Гамма-каротаж основан на естественной радиоактивности горных пород. Естественная радиоактивность горных пород обусловлена главным образом присутствием изотопов 40K,232Th,238U и продуктов их распада.
ТОРИЙ
УРАН
ГЛИНЫ
КАЛИЕВЫЕ СОЛИ
Сильвин
Полигалит
…
СЛЮДЫ
КАЛИЕВЫЕ ПОЛЕВЫЕ ШПАТЫ
ТЯЖЁЛЫЕ МИНЕРАЛЫ
ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСВТО
Глины
Растения
Фрагменты ракушек
Бескислородная среда

Гамма-каротаж
Спектрометрический Гамма каротаж позволяет выделить кривые 40K,232Th,238U.

Гамма-каротаж
Определение глинистости по гамма-каротажу:
GRmin – для Vsh=0%;
GRmax – для Vsh=100%
Литология
ГК (GR)
Глина
Глин. Песч.
Песчаник
GRMax
GRMin
Vsh=1
Vsh=1
Vsh=0
Vsh=0.4

Задачи и ограничения гамма-каротажа
Глубинность метода ГК составляет до 0.3 м.
Решаемые задачи методом гамма-каротажа:
1) Литологическое расчленение разреза;
2) Корреляции разрезов скважин;
3) Определение коэффициента глинистости.
Ограничения метода ГК:
1) Повышенные значения ГК даёт небольшое содержание радиоактивных металлов в породе;
2) Невысокая скорость записи.

Гамма-каротаж плотностной
Гамма-каротаж плотностной (ГГК-п) основан на измерении интенсивности искусственного гамма-излучения, рассеянного породообразующими элементами в процессе их облучения потоком гамма-квантов посредством комптоновского эффекта.
Устройство скважинного прибора ГГК-п
1 – экран,
2 - коллимационные отверстия, 3 – детекторы, 4 – источник гамма-квантов
Связь электронной и объёмной плотностей:
Связь глинистости, пористости и объёмной плотности:
ρma – плотность скелета; ρSh – плотность глин;
ρf – плотность флюида; VSh – объём глин
Средние плотности основных типов горных пород:

Задачи и ограничения
плотностного гамма-каротажа
Глубинность метода ГГК-п составляет до 0.1-0.15 м.
Решаемые задачи методом ГГК-п:
1) Определение плотности горных пород;
2) Оценка пористости пластов;
3) Литологическое расчленение разреза;
4) Построение синтетических сейсмограмм.
Ограничения метода ГГК-п:
1) Малая глубинность;
2) Невысокая скорость записи.

Нейтронный каротаж
Нейтронный каротаж основан на регистрации нейтронов или гамма-квантов возникших в результате воздействия нейтронами на породу.
Нейтрон - это тяжёлая элементарная частица, не имеющая электрического заряда.
Классификация нейтронов по энергии:
холодные (0.0001 эВ);
тепловые (0.025 эВ);
надтепловые (более 0.025 эВ);
быстрые (более 105 эВ).

Нейтронный каротаж
Классификация методов нейтронного каротажа:

Классификация методов нейтронного каротажа
Нейтронный гамма-каротаж
Основан на облучении породы быстрыми нейтронами и регистрации гамма квантов, образующихся при их захвате.
Нейтрон-нейтронный каротаж
Основан на облучении породы быстрыми нейтронами и регистрации многократно рассеянных медленных (надтепловых или тепловых) нейтронов.
Модификации метода:
Нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам (ННКнт);
Нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам (ННКт).
Импульсный нейтронный каротаж
Основан на облучении породы краткосрочными интенсивными импульсами быстрых нейтронов и позволяет оценить влияние горной породы и скважины отдельно.

Нейтронный каротаж
Виды взаимодействия нейтронов с веществом:
Водород – аномальный замедлитель нейтронов
Хлор, бор, кадмий, литий – аномальные поглотители нейтронов

Нейтронный каротаж
Поведение быстрого нейтрона в горной породе
Из источника испускаются быстрые нейтроны.
В среде они быстро теряют энергию в результате столкновений с атомами породы.
Наибольшие потери происходят при столкновении с атомами водорода.
После того, как электрон становится тепловым он поглощается ядром (Cl), которое переходит в возбуждённое состояние

Нейтронный каротаж
Схема измерения по нейтронному каротажу
(Schlumberger, 2010)

Нейтронный каротаж
Влияние типа горной породы
на показания нейтронного каротажа
Глина
Плотный Песчаник
Литология
Содержание H2
Показания НК
При высоком водородсодержании нейтроны быстро замедляются и поглощаются вблизи источника
(вдали от детекторов),
обуславливая низкие показания по нейтронному каротажу
При низком водородсодержании нейтроны долго замедляются и поглощаются вдали источника
(вблизи от детекторов),
обуславливая высокие показания по нейтронному каротажу

Нейтронный каротаж
Нейтронный каротаж показывает водородосодержащие в горных породах;
При высоком водородосодержании в пласте наблюдаются низкие показания нейтронного каротажа, так как замедление и поглощение нейтронов происходит уже на значительном расстоянии от приёмника;
Нейтронный-нейтронные каротажи свободны от влияния естественной радиоактивности в отличие от нейтронного гамма-каротажа;
Импульсный нейтронный каротаж позволяет отделить высокоминерализованную пластовую воды от нефти.

Связь нейтронного и плотностного каротажей
Поведение кривых нейтронного и плотностного
каротажей в разных породах
Поведение кривых нейтронного и плотностного
каротажей в терригенном разрезе с различным насыщением

Задачи и ограничения нейтронного каротажа
Глубинность метода нейтронного каротажа составляет около 0.2 м.
Решаемые задачи методом нейтронного каротажа:
1) Количественное определение пористости и других коллекторских свойств горной породы;
2) Корреляция разрезов скважин;
3) Выявление положения водонефтяного контакта.
Ограничения метода НК:
1) Малая глубинность;
2) Невысокая скорость записи;
3) Нейтроны реагируют на водород, содержащийся в кристаллической решетке (Гипс)
4) Необходимость введения множества поправок (скважина, температура, давление, минерализация и пр).

Электрический каротаж
Методы электрического каротажа:
1) Метод потенциала самопроизвольной поляризации (ПС);
2) Метод кажущегося сопротивления (КС);
3) Боковой каротаж (БК);
4) Индукционный каротаж (ИК);
5) Высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование (ВИКИЗ);
6) Микрокаротаж (МГЗ и МПЗ).
Электрический каротаж – исследование электрического поля (естественного и искусственного) в скважине с целью изучения геологического разреза.
Водонасыщенные осадки
1-2 Ом*м
Коллекторы углеводородов
50-1000 Ом*м

Метод потенциала самопроизвольной поляризации
Метод потенциала самопроизвольной поляризации (ПС) основан на измерении естественных потенциалов в скважине.
Типы естественных потенциалов:
1) Диффузионно-адсорбционный;
2) Фильтрационный;
3) Окислительно-восстановительный.
Схема проведения метода ПС
M
N
Пример кривой ПС

Метод потенциала самопроизвольной поляризации
Зависимость ПС от сопротивления фильтрата бурового раствора и сопротивления пластового флюида
ΔUmax
ΔU
Линия глин
Rmf – сопротивление фильтрата бурового раствора
Rw – сопротивление пластового флюида

Задачи и ограничения метода потенциала самопроизвольной поляризации
Решаемые задачи методом ПС:
Расчленение разреза скважин;
Выделение в разрезе тонкодисперсных (глинистых) пород и коллекторов;
Определение минерализации пластовых вод;
Оценка пористости коллекторов, в случае установления чёткой взаимосвязи между пористостью и глинистостью.
Ограничения метода ПС:
Только открытый ствол;
Необходима разница в концентрации солей между пластом и буровым раствором;
Неточен в карбонатном разрезе..

Электрокаротаж обычными зондами кажущегося сопротивления
Электрокаротаж обычными зондами кажущегося сопротивления (КС) – это каротаж стандартными градиент- и потенциал-зондами с целью определения сопротивления горных пород.
Схема измерения кажущегося удельного электрического сопротивления
Электроды A, B – питающие;
Электроды M, N – приёмные.
Парные электроды – выполняют одну функцию (A, B);
Непарные электроды – выполняют разные функции (A, M).

Типы зондов в методе КС
Потенциал-зонды (ПЗ) – это зонды, у которых расстояние между непарными электродами AM мало по сравнению с расстоянием между парными MN или AB .
Электроды: 1 – измерительный; 2 – питающий; 3 – точка записи.
Зонды: а – однополюсные; б – двуполюсные.
Градиент-зонды (ПЗ) – это зонды, у которых расстояние между парными электродами мало по сравнению с расстоянием от парного до ближайшего непарного.

Боковое каротажное зондирование
Боковое каротажное зондирование (БКЗ) – метод КС, основанный на изучении искусственного электрического поля в горных породах, создаваемого набором градиент-зондов.
Пример кривой БКЗ
ГК – глинистая корка;
ПЗ – промытая зона;
ЗП – зона проникновения бурового раствора в пласт;
П – неизменённый пласт.
Электрическая модель пласта
Повышающее проникновение – проникновение пресного фильтрата (или фильтрата раствора на нефтяной основе) в пласт, насыщенный солёной водой.
Понижающее проникновение – проникновение солёного фильтрата в пласт, насыщенный пресной водой или углеводородами.

Задачи и ограничения электрокаротажа методом кажущихся сопротивлений
Глубинность метода КС зависит от размера зонда.
Глубинность градиент-зонда примерно соответствует размеру зонда.
Глубинность потенциал-зонда примерно соответствует двум размерам зонда
Решаемые задачи методом КС:
Оценка характера насыщения коллектора и установление его промышленной газоносности;
Определение кажущегося сопротивления породы;
Оценка пористости (в некоторых случаях);
Расчленение разреза.
Ограничения метода КС:
Неприменим в обсаженной скважине;
Неприменим при непроводящих ток растворах;
Имеет большие помехи в случае сильно-проводящих растворов и в высокоомных разрезах из за утечек тока;
С увеличением размера зонда увеличивается глубинность и уменьшается разрешающая способность.

Боковой каротаж фокусными зондами
Боковой каротаж (БК) – это измерения кажущегося сопротивления по стволу скважины зондом бокового каротажа с автоматической фокусировкой тока
Идеализированные линии тока в сильно проводящем буровом растворе
Идеализированные линии тока напротив тонкого высокоомного пласта

Зонды бокового каротажа
Боковой каротаж (БК) – это измерения кажущегося сопротивления по стволу скважины зондом бокового каротажа с автоматической фокусировкой тока
Трёхэлектродный зонд
Семиэлектродный зонд
Девятиэлектродный зонд

Задачи и ограничения бокового каротажа
Решаемые задачи методом БК:
Выделение тонких пропластков;
Определение сопротивления горных пород;
Определение нефтегазонасыщения пород;
Корреляция разрезов скважин.
Ограничения метода БК:
Неприменим в обсаженной скважине;
Неприменим при непроводящих ток растворах.

Индукционный каротаж
Индукционный каротаж (ИК) – основан на возбуждении тока в горных породах при помощи индукционной катушки и измерении вторичного сигнала приёмной катушкой.
Создан для работы в условиях непроводящей промывочной жидкости.
Схема измерения индукционный каротажом

Высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование
Высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование (ВИКИЗ) – метод, основанный на измерении относительных фазовых характеристик высокочастотного электромагнитного поля, создаваемого генераторными катушками и принимаемого измерительными катушками.
Пример каротажнных диаграмм ВИКИЗ

Задачи и ограничения индукционного каротажа
Решаемые задачи методом ИК:
Определение кажущейся проводимости;
Выявление нефтенасыщенных зон;
Выявление уровней флюидов (ВНК, ГВК);
Корреляция.
Ограничения метода ИК:
Неприменим в стальной обсадочной колонне;
Малая разрешающая способность в высокоомных разрезах.
Глубинность метода ИК зависит как от размера зонда (с увеличением расстояния между генераторной и приёмной катушками глубинность растёт), так и от частоты применяемого электромагнитного поля (с увеличением частоты глубинность уменьшается).

Микрозондирование
Микрозондирование (МГЗ, МПЗ) – метод, основанный на детальном исследовании кажущегося сопротивления прискважинной части разреза зондами очень малой длины — микрозондами.
Схема конструкции микрозонда с рессорными прижимными устройствами.
1 – рессора; 2 – пружина; 3 – штанга;
4 – электроды; 5 – башмак.
Пример кривой МКЗ
Тонкие пропластки

Задачи и ограничения микрозондирования
Решаемые задачи методом микрозондирования:
Расчленение разреза с высокой точностью;
Выделение коллекторов;
Определение удельного электрического сопротивления промытой зоны;
Оценка сопротивления промывочной жидкости в интервале каверн.
Ограничения метода микрозондирования :
Существенное изменение диаметра и формы сечения ствола скважины;
Наличие раствора в скважине с удельным электрическим сопротивлением менее 0.05 Ом*м;
Неприменим в обсадной колонне.
Глубинность градиент-микрозонда приблизительно равна его длине (3,75 см);
Глубинность потенциал-микрозонда в 2,0–2,5 paза больше его длины, т. е. 10—12 см.

Инклинометрия
Инклинометрия – определение пространственного положения ствола бурящейся скважины путём непрерывного измерения инклинометрами.
Альтитуда (KB) – расстояние от устья скважины до уровня моря.
Уровень моря (MSL) – средний уровень Балтийского моря (принят за основу в геодезической съёмке в России)
Кабельная глубина (MD) – длина скважины, измеренная по кабелю при спуске каротажного прибора. Как правило, именно кабельная глубина указывается на каротажных диаграммах.
Абсолютная глубина (Z) – расстояние по вертикали от уровня моря до точки в скважине. Как правило, ниже уровня моря значения отрицательные, выше уровня – положительные.
Основные параметры для задания геометрии скважины:
Угол – это угол отклонения скважины от вертикали;.
Азимут – это угол между направлением скважины и направлением на магнитный север;
Глубина – это, как правило, кабельная глубина.

Акустический каротаж
Акустический каротаж (АК) – изучение скорости распространения и затухания упругих колебаний в горных породах
Методы акустического каротажа:
1) Каротаж по скорости;
2) Каротаж по затуханию;
3) Многоволновый акустический каротаж;
4) Акустическое сканирование.
Виды акустических волн:
Продольные волны
Поперечные волны

Акустический каротаж
Акустический каротаж (АК) по скорости – основан на изучении распространения упругих волн в горных породах, вскрываемых скважинами, путем измерения интервального времени (∆t).
Схематическое изображение
прибора АК
T – источник упругих колебаний;
R1 и R2 – приёмники упругих колебаний
Акустический каротаж (АК) по затуханию – основан на изучении характеристик затухания упругих волн в породах. .
Параметр затухания:
где A1, A2 – амплитуды колебаний;
S – расстояние между приёмниками;
α – коэффициент поглощения энергии.
Причины затухания:
Поглощение из-за неидеально упругой среды;
Расхождение энергии во все больший объем среды;
Рассеяние и дифракция волн
Затухание зависит от:
Глинистости, характера насыщения, трещиноватости, кавернозности пород.
∆t зависит от литологии, пористости пород, плотности, характеристик флюидов

Акустическое сканирование
Скважинное акустическое сканирование основано на изучении свойств отраженной от стенки скважины волны.
По времени прихода волны можно судить о диаметре скважины, а по амплитуде пришедшей волны – о свойствах породы. Более плотные участки имеют высокоамплитудные отклики (волна хорошо отражается от плотных пород). Отражения в области трещин и каверн имеют низкие амплитуды.
Интерпретация данных скважинного акустического сканирования

Задачи и ограничения акустического каротажа
Глубинность метода акустического каротажа составляет до 0.6 м.
Решаемые задачи методом акустического каротажа:
1) Литологическое расчленение разреза;
2) Стратиграфическая привязка отложений;
3) Выделение пластов коллекторов;
4) Определение характера насыщения пластов;
5) Оценка коэффициента пористости пород;
6) Определения положения водонефтяного и газожидкостных контактов;
7) Построение синтетических сейсмограмм.
Ограничения метода АК:
1) Невысокая скорость записи;
2) Высокий газовый фактор.

Ядерно-магнитный каротаж
Ядерно-магнитный каротаж (ЯМК) – основан на изучении искусственного электромагнитного поля, образующегося в результате взаимодействия магнитного и механического моментов ядер химических элементов с импульсным внешним магнитным полем.
Виды ЯМК:
ЯМК в слабом поле – использует магнитное поле Земли и перпендикулярное ему искусственное магнитное поле;
ЯМК в сильном поле - использует 2 взаимно перпендикулярных магнитных поля. .
Основы теории ЯМК

Ядерно-магнитный каротаж
Распределение T2 в низкопроницаемой и
высокопроницаемой породах
Использование ЯМК в сильном поле
для выделения сланцев

Задачи и ограничения
ядерно-магнитного каротажа
Глубинность метода ЯМК составляет 0.1-0.15 м.
Решаемые задачи методом ЯМК:
Выделение коллекторов и оценка их коллекторских свойств;
Оценка характера насыщения коллектора;
Определение эффективной пористости;
Ограничения метода ЯМК:
Малая глубинность;
Невысокая скорость записи;
Магнитные и парамагнитные минералы в породе могут вносить помехи при измерении;
Чувствителен к неровностям стенки скважины.

Кавернометрия и профилеметрия
Кавернометрия – измерения, в результате которых получают кривую изменения диаметра бурящейся скважины с глубиной — кавернограмму. Иногда кавернометрию называют методом измерения диаметра скважины (ДС).
Профилеметрия – отличается большим количеством ножек у прибора, что позволяет получать более детальную картину внутреннего диаметра скважины.
Влияние различных типов пород на показания каверномера
Прибор кавернометрии

Задачи кавернометрии и профилеметрии
Глубинность отсутствует.
Решаемые задачи методом ДС:
Расчёт объема затрубного пространства при определении количества цемента, требующегося для цементирования обсадных колонн;
Выявление наиболее благоприятных участков скважин для установки башмака колонны, фильтров или испытателя пластов;
Контроль состояния ствола скважины в процессе бурения;
Введение поправок в методы ГИС (БЭЗ, нейтронных и др.);
Уточнение геологического разреза скважины (определение литологии, выделение коллекторов и др.).

Каротаж в процессе бурения
Каротаж в процессе бурения – проведение геофизических исследований непосредственно в процессе строительства скважины.
Одной из важнейших задач является геонавигация – корректировка направления бурения скважины. Эту задачу можно решить путём измерения инклинометрии и геофизического параметра в процессе бурения.
Роль геонавигации при бурении скважины

Задачи и ограничения
каротажа в процессе бурения
Глубинность зависит от используемого метода
Решаемые задачи методом акустического каротажа:
Оперативное определение свойств бурящегося пласта;
Измерение свойств платов до образования в них зон проникновения;
Геонавигация.
Ограничения каротажа в процессе бурения:
Высокая стоимость.

Спасибо за внимание!
Контакты:
Огнев Игорь Николаевич – ассистент кафедры разработки и эксплуатации трудноизвлекаемых углеводородов.
Ауд. 518 б.
E-mail: [e-mail]