Файл: Геофизические исследования скважин (гис).pdf

181
Глава 7
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
СКВАЖИН (ГИС)
Для детальных геологических исследований, решения вопроса о наличии полез- ных ископаемых, а также для подсчетов их запасов бурят скважины, которые изучают с помощью геофизических методов исследования скважин (ГИС). ГИС необходимы так- же для надежной интерпретации результатов исследований полевыми геофизическими методами.
7.1 Роль и место ГИС в комплексе геолого-геофизических работ
7.1.1
Задачи ГИС
ГИС применяют для решения геологических и технических задач. К геологиче- ским задачам, в первую очередь, относят литологическое расчленение разрезов, их корреляцию, выявление полезных ископаемых и определение параметров, необходи- мых для подсчета запасов. К техническим задачам относят изучение инженерно- геологических и гидрогеологических особенностей разрезов, изучение технического состояния скважин, контроль разработки месторождений нефти, газа и угля, проведе- ние прострелочно-взрывных работ. В данном учебнике основное внимание уделено изучению задач геологического характера.
Решение стоящих перед ГИС задач в сложных условиях скважинной геометрии требует всестороннего изучения физических свойств среды. В связи с этим существует большое число методов ГИС, которые объединяют в несколько групп. Основные из них
— электрические, электромагнитные, ядерно-физические и акустические. Существуют также термические, магнитные, гравиметрические, механические и геохимические ме- тоды. Таким образом, ГИС — понятие собирательное, характеризующее не тот или иной физический метод, а объект исследования, каким являются скважина и около- скважинная среда.
7.1.2
Скважина как объект геофизических исследований
Скважины бурят с целью изучения геологии, поисков и разведки месторождений нефти, газа, угля, руд, пресных и термальных вод, строительных материалов, решения задач гидрогеологии и инженерной геологии. Основное число скважин бурят при поис- ках, разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений, где методы ГИС имеют особенно большое значение.
В процессе бурения горные породы претерпевают изменения. Плотные прочные породы изменяются мало. Диаметр скважины в них близок к номинальному (т.е. при- близительно равен диаметру долота). В породах рыхлых, трещиноватых, склонных к гидратированию и размыву, образуются каверны. Существенные изменения происхо- дят при разбуривании коллекторов, содержащих те или иные пластовые флюиды
(нефть, газ, воду), так как во избежание неконтролируемых выбросов при бурении осуществляют репрессию на пласт, т.е. гидростатическое давление промывочной жид- кости поддерживают выше пластового давления. В результате возникает фильтрация скважинной жидкости в проницаемые пласты. Исходный флюид — нефть, газ, пласто- вая вода — оттесняется, образуется зона проникновения, диаметр которой может пре- вышать номинальный диаметр скважины на несколько сантиметров, десятков санти- метров и даже метров. Наличие этой зоны существенно усложняет определение харак- тера насыщения пласта. Подвергшуюся наибольшему воздействию часть зоны проник- новения называют промытой зоной.
Размеры пор пород-коллекторов обычно не превышают сотен микрометров, что меньше размера глинистых частиц промывочной жидкости. Поэтому в пласт проникает лишь фильтрат жидкости, глинистые же частицы осаждаются на стенке скважины,

182
уменьшая ее диаметр, Таким образом, уменьшение диаметра скважины за счет образо- вания глинистой корки характеризует, как правило, наличие проницаемого интервала.
В трещиноватых коллекторах с большой раскрытостью трещин глинистая корка мо- жет не образовываться.
После окончания бурения скважину обсаживают и цементируют. Наличие сталь- ной колонны практически исключает возможность применения электрических и элек- тромагнитных методов. Поэтому такие методы применяют в открытом стволе. Ядерно- физические, акустические и некоторые другие методы, напротив, можно применять как в открытом, так и в обсаженном стволе.
Наличие глинистой корки, зоны проникновения (в частности, промытой зоны),
цементного камня и колонны делают актуальным вопрос о глубинности методов. Су- ществуют микро- и макроустановки. Первые служат для изучения ближней зоны, вто- рые создают принципиальную возможность изучения дальней (неизменной) зоны.
До создания методов ГИС разрезы скважин изучали путем отбора и исследования кернового материала. Однако этот метод обладает рядом существенных недостатков:
значительно возрастают время проходки скважины и ее стоимость; вынос керна обыч- но не бывает полным, в связи с чем сплошная информация о разрезе отсутствует; при- вязка керна по глубине затруднена; радиус исследований мал; керн отбирают из участ- ков, подвергшихся наибольшему воздействию при бурении. В то же время ГИС дают сплошную, надежно привязанную по глубине информацию со значительно большим радиусом исследования. Стоимость проведения ГИС и связанные с ними затраты вре- мени меньше, чем при отборе керна.
Однако даже широкое внедрение ГИС не позволяет полностью отказаться от от- бора керна. Существуют задачи, которые пока можно надежно решить лишь на керно- вом материале: детальное изучение условий осадконакопления и диагенеза, определе- ние типа порового пространства, минерального состава и некоторые другие. Кроме то- го, хотя корреляционные связи между геологическими и физическими параметрами достаточно тесны, их конкретный вид для того или иного района неизвестен и может быть изучен лишь на основе лабораторных исследований керна. Таким образом, ГИС
совместно с исследованием кернового материала составляет единый комплекс геолого- геофизического изучения разрезов скважин. Внедрение ГИС в практику геологических исследований позволило существенно сократить отбор керна, не исключив его совсем.
В настоящее время число скважин, бурящихся с отбором керна, составляет несколько процентов от их общего числа.
7.2
Электрические и электромагнитные методы
7.2.1
Методы потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС)
Методы потенциалов самопроизвольной поляризации горных пород основаны на изучении естественных электрических полей в скважинах. Естественные поля возни- кают в результате электрической активности диффузионно-адсорбционного, окисли- тельно-восстановительного, фильтрационного и электродного характера.
Диффузионно-адсорбционная ЭДС. Пластовые и скважинные воды являются электролитами, поскольку в них присутствуют ионы растворенных солей. В подав- ляющем большинстве случаев — это ионы натрия и хлора. Ионы диффундируют в раз- личных направлениях, однако результирующий поток диффузии направлен в сторону раствора меньшей концентрации, каким обычно является вода, составляющая основу промывочной жидкости. Анионы — ионы хлора — движутся быстрее, чем катионы—
ионы натрия. Поэтому в скважине против содержащего пластовую воду коллектора ио- нов хлора оказывается больше, чем ионов натрия. Возникший объемный отрицатель- ный заряд обусловливает наличие ЭДС, которую из-за происхождения называют диф- фузионной. Ее величина
Е
Д
может быть оценена по формуле
Е
Д
= - 11,6 lg C
В
/ C
Ф

183
где
С
В
,
С
Ф
— концентрации NaCI в пластовой воде и фильтрате промывочной жидкости соответст- венно.
В реальных условиях картина выглядит не- сколько сложнее. Пластовая вода находится в капил- лярах. Схематический разрез капилляра приведен на рис. 7.1. На границе твердой и жидкой фаз в капилля- ре образуется двойной электрический слой: положи- тельные ионы адсорбируются твердой фазой и ком- пенсируют отрицательный заряд, образующийся на поверхности твердого тела при его контакте с водой.
Слой положительных ионов неоднороден. Та его часть, которая ближе к твердой фазе, неподвижна,
удаленная же (диффузный слой) подвижна и адсорби- рованные в ней ионы также диффундируют в сторону меньшей концентрации, т.е. в сторону скважины.
Центральную часть капилляра занимает электроней- тральный канал, содержащий катионы и анионы. Сле- довательно, объемный заряд против содержащего ка- пилляры пласта обусловлен разницей количества ка- тионов, поступающих из диффузного слоя, и количе- ства анионов, поступающих из электронейтрального канала. Таким образом, он обусловлен не только диф- фузионной, но и диффузионно-адсорбционной актив- ностью.
Результирующую диффузионно- адсорбционную ЭДС оценивают по формуле
,
lg lg
2 1
Ф
В
ПС
Ф
В
ДА
Д
ДА
С
С
k
С
С
A
s
s
k
s
s
Е
=
⋅






+
=
(7.1)
где
s
— сечение капилляра;
s
1
, s
2
—сечения канала и диффузного слоя соответст- венно;
k
Д
— коэффициент диффузионной активности;
А
ДА
— диффузионно- адсорбционная активность породы;
k
ПС
— коэффициент аномалии ПС или электрохи- мическая активность. Для раствора NaCI
k
Д
= - 11,6;
А
ДА
= 58. При уменьшении диа- метра капилляра толщина диффузного слоя изменяется мало, диаметр же электроней- трального канала уменьшается и в пористых непроницаемых породах, какими являются глины, стремится к нулю. Соответственно отношение
s
1
/ s
также стремится к нулю, a
s
2
/ s →
1. Поэтому в чистых глинах
Ф
В
Ф
В
ДА
ДА
С
C
С
C
A
Е
lg
58
lg max
=
=
В хороших коллекторах (например, чистых крупнозернистых песчаниках)
s
1
/s
→
l,
a
s
2
/ s →
0. В связи с этим
Ф
В
ДА
С
C
Е
lg
6
,
11
min
−
=
Значения
k
ПС
и, соответственно, аномалии ПС характеризуют литологию пород и их проницаемость. Например, изменение
k
ПС
от -11,6 до 58 соответствует переходу от чистых, хорошо проницаемых песчаников к песчаникам глинистым, далее — к песча- нистым глинам и, наконец, к чистым непроницаемым глинам.
Методы ПС, основанные на диффузионно-адсорбционной активности, можно применять в нефтегазовых, гидрогеологических и инженерно-геологических скважинах для выделения коллекторов, оценки их глинистости и связанной с этим проницаемости,
Рис.7.1 Схематический разрез капилляра.
1 — диффузный слой;
2 — электронейтральный канал

184
для выделения глин и глинистых разностей, образующих непроницаемые и плохо про- ницаемые пласты, для корреляции разрезов по хорошо выдержанным толщам.
Кроме того, поскольку значение
Е
ДА
пропорционально
lg С
В
/ С
Ф
, зная концен- трацию солей в фильтрате промывочной жидкости
С
Ф
, можно оценить их концентра- цию в пластовой жидкости
С
В
. Снижение
С
В
в нефтегазовых пластах, а также в интер- валах прорыва пресных нагнетаемых вод приводит к снижению амплитуды ПС, что также является диагностическим признаком.
Фильтрационные потенциалы. При течении жидкости через горные породы возникают потенциалы фильтрации, происхождение которых также связано с наличи- ем двойного электрического слоя и, в частности, его подвижной диффузной части. По- скольку ионы диффузного слоя подвижны, протекающая через капилляр жидкость ув- лекает часть ионов диффузного слоя, в результате чего сам капилляр заряжается поло- жительно. В той его части, где за счет смещения диффузного слоя отрицательный за- ряд оказался нескомпенсированным, возникает отрицательный потенциал. При тече- нии жидкости в пласт в скважине возникает отрицательный потенциал, при течении из пласта — положительный. Методы ПС, основанные на фильтрационной активности,
применяют, главным образом, в гидрогеологических скважинах с целью выделения участков притока или поглощения жидкости.
Электродные потенциалы.Катионы пород, обладающих электронной проводи- мостью (сульфидные руды, графит, антрацит), взаимодействуя с полярными молеку- лами воды, переходят в раствор. Поверхность пород заряжается при этом отрицатель- но, а раствор — положительно. Возникающую разность потенциалов называют элек- тродной. В разрезах угольных и рудных скважин величина и структура естественного электрического поля в значительной степени обусловлена потенциалами электродного происхождения.
Реализация методов ПС при скважинных наблюдениях. При измерении потен- циалов ПС диффузионно-адсорбционной и фильтрационной активности применяют,
как правило, схему, приведенную на рис. 7.2, а. Разность потенциалов, возникающую между электродами,
ΔU
ПС
= U
M
- U
N
где
U
M
и
U
N
— потенциалы электродов
М
и
N
соответственно. Так как электрод N
неподвижен, его потенциал не изменяется. Поэтому
ΔU
ПС
= U
M
— const, т.е.
ΔU
ПС
от- личается на постоянную величину от потенциала
U
M
. Скомпенсировав постоянную ве-
Рис. 7.3 Диаграммы метода ПС до компен- сации постоянной составляющей
(а) и после ее компенсации (б).
1 — статическая диаграмма;
2 — фактическая диаграмма; 3 — линия глин
Рис. 7.2. Схема проведения измерений потен- циалов (а) и градиентов потенциала
(б) методом ПС. КП — компенсатор поляризации

185
личину, можно существенно детализировать диаграмму ПС (рис.7.3). Для компенсации постоянной величины служит электрический компенсатор КП (см. рис. 7.2, а). При де- тальном изучении разрезов скважин, а также в случае сильных помех регистрируют диаграммы градиента ПС (рис. 7.2, б). Следует отметить, что они значительно менее наглядны и более сложны для интерпретации.
Для реализации метода, основанного на элек- тродной активности (метод электродных потенциа- лов—МЭП), служит установка, содержащая ка- сающийся стенки скважины штрих-электрод
М
и раздвоенный электрод
N
(рис.7.4). При касании электродом
М
породы, обладающей большим элек- тродным потенциалом, разность потенциалов
ΔU
MN
возрастает.
На регистрации электродных потенциалов ос- нован также метод гальванических пар (МГП). Ус- тановка МГП подобна применяемой в методе МЭП,
хотя цинковый штрих-электрод
М
служит для на- несения тонкого слоя металла на поверхность руд- ного тела. Разность электродных потенциалов ме- талла электрода и породы обусловливает возникно- вение гальванического элемента. Чем тверже руд- ное тело, тем значительнее след истирающегося электрода и, соответственно, больше значение электрического потенциала, а также продолжи- тельнее действие образовавшейся гальванической пары. Например, потенциал, возникающий при взаимодействии цинкового электрода с пиритом,
достигает в первый момент сотен милливольт.
Вид диаграмм ПС. Диаграммы методов ПС характеризуют изменения соответст- вующих потенциалов — диффузионно-адсорбционных, фильтрационных, электродных в зависимости от глубины скважины. Наибольшее распространение получили методы,
основанные на диффузионно-адсорбционной активности. Их диаграммы приведены на рис. 7.3. Видно, что в качестве нуля на них условно выбирают положение, соответст- вующее максимальному положительному отклонению,— линию глин. Отсчет берут справа налево. Следовательно, амплитуда ПС в чистых глинах равна нулю.
Диаграммы изменения ЭДС называют статическими. Протекание токов между участками с различными потенциалами приводит к тому, что фактические диаграммы отличаются от статических так же, как разность потенциалов на электродах источника электрического тока отличается от его ЭДС. Все факторы, способствующие увеличе- нию тока (повышение минерализации промывочной жидкости, увеличение диаметра скважины, а также снижение мощности исследуемого пласта), приводят к увеличению расхождения между фактическими и статическими диаграммами. При чрезмерно соле- ных промывочных жидкостях или пластах очень малой мощности (в 2 раза и более меньших диаметра скважины) расхождение может оказаться столь большим, что метод становится неэффективным. В благоприятных условиях можно восстановить статиче- скую диаграмму по известной фактической.
Метод ПС является одним из основных электрических методов при исследовании разрезов нефтегазовых скважин. Он включен также в обязательный комплекс исследо- ваний инженерно-геологических и гидрогеологических скважин. Для изучения рудных и угольных скважин используют методы гальванических пар (МГП) и электродных по- тенциалов (МЭП).
Рис 7.4 Схема проведения МЭП