Файл: Геофизические исследования скважин (гис).pdf

206
магнитный метод, основанный на изучении искусственного электромагнитного поля,
образующегося в результате взаимодействия импульсного магнитного поля с ядрами химических элементов (в литературе этот метод часто относят к ядерным).
Известно, что если на ядра элементов воздействовать магнитным полем
Н
П
с маг- нитным моментом, перпендикулярным к полю Земли
Т
, ядра, в силу наличия у них магнитного момента, будут ориентироваться в направлении этого поля, создавая сум- марный вектор ядерной намагниченности
M
S
. В ЯММ импульсное магнитное поле соз- дают с помощью токовой рамки, помещенной в скважину. Это поле перпендикулярно к оси скважины и значительно (примерно в 100 раз) превышает земное поле
Т
.
После выключения поля амплитуда вектора
M
S
начинает уменьшаться за счет прецессии ядер. В результате возникает спадающее переменное электромагнитное по- ле, индуцирующее в обесточенной к этому моменту рамке сигнал свободной прецес- сии. Из-за переходных процессов, протекающих в рамке при отключении тока, время наблюдения сигнала отделено от момента начала прецессии. Поэтому регистрируемы- ми на каротажных диаграммах параметрами являются значения огибающей сигнала
(U
1
, U
2
, U
3
)
, обычно соответствующие временам 35, 50 и 70 мс после начала прецес- сии. По этим значениям счетно-решающее устройство вычисляет начальную амплитуду
U
0
, которая также регистрируется.
Значения амплитуды
U
0
и время ее спада тем больше, чем больше отношение магнитного момента ядра
М
к его механическому моменту (спину) S, — гиромагнитное отношение. Из всех элементов, слагающих горные породы, только ядра водорода (про- тоны), входящие в состав свободной (подвижной) жидкости, обладают гиромагнитным отношением, достаточным, чтобы создать в рамке напряжение, превышающее уровень шумов.
Сигналы от ядер других элементов, в том числе связанного водорода, малы и спа- дают раньше, чем оканчиваются переходные процессы. Поэтому значение амплитуды
U
0
и время ее спада, определенные после завершения переходных процессов, пропор- циональны количеству подвижного флюида, содержащегося в породе.
Диаграммы
U
0
,
U
1
, U
2
, U
3
регистрируют в единицах индекса свободного флюида
(ИСФ). Под ИСФ понимают относительный объем свободного флюида в породе, при- веденный по концентрации протонов к объему воды и измеренный в процентах. Значе- ниям ИСФ, равным нулю и 100 %, соответствуют начальные амплитуды сигнала, полу- ченные в отсутствии подвижного флюида и в чистой воде.
Диаграммы ЯММ симметричны относительно середины пласта. Границы пластов большой мощности определяют по точкам, соответствующим половине значения ам- плитуд. Аномальные значения амплитуд соответствуют породам, содержащим под- вижный флюид.
В настоящее время развитие получает модификация ЯММ, позволяющая оценить характер насыщения коллекторов. Суть ее в том, что время нарастания вектора намаг- ниченности
М
до значения, соответствующего насыщению, обусловлено типом флюи- да-порозаполнителя. Определяя
U
0
на разных задержках, можно оценить время нарас- тания и сделать вывод о характере флюида-порозаполнителя.
ЯММ применяют для выделения коллекторов и оценки характера их насыщения
(нефть, газ, вода), а также для определения эффективной пористости. Метод может быть использован только в необсаженных скважинах. Наличие в породе примесей маг- нитных минералов, как правило, исключает его применение.

207
7.5.3
Термические методы
Термические методы ГИС основаны на изучении естественных и искусственных тепловых полей. Различают методы естественных и искусственных тепловых полей.
Знание естественной температуры недр необходимо для учета факторов, опреде- ляющих условия образования нефти и газа, их миграцию, скопление в виде залежей,
фазовое состояние в пластовых условиях. Дифференциация горных пород по удельной теплопроводности позволяет в ряде случаев осуществить литологическое расчленение разрезов скважин по диаграмме изменения температуры в зависимости от глубин. Для этого геотермограмму разбивают на отдельные участки с близкими значениями гради- ентов температуры. Локальные изменения температуры в нефтеносных и газоносных горизонтах образуются при поступлении в скважину нефти или газа. Газ вызывает рез- кое снижение температуры, нефть создает небольшие положительные аномалии. Из- менения геотермического градиента в галогенных отложениях обусловлены эндотер- мическими реакциями растворения солей промывочной жидкостью. На термограммах эти отложения выделяются понижением температуры. В рудных, особенно сульфид- ных отложениях возникают положительные изменения геотермического градиента,
обусловленные процессами экзотермического окисления руды промывочной жидко- стью. По тем же причинам положительными аномалиями градиента отмечаются уголь- ные пласты. Существует ряд факторов, позволяющих использовать термометрию для контроля технического состояния скважин. Это притоки пластовой и поглощение про- мывочной жидкостей, затрубная циркуляция вод, экзотермический процесс затверде- вания цементного камня.
Метод искусственного теплового поля основан на изучении изменения во вре- мени теплового поля, искусственно созданного в скважине. Различная скорость изме- нения температуры обусловлена дифференциацией горных пород по температуропро- водности или наличием притоков, поглощений и затрубной циркуляции жидкости. Ис- кусственные аномалии теплового поля в скважине могут быть созданы путем заполне- ния ствола промывочной жидкостью с температурой, отличающейся от температуры пород, или нагреванием жидкости в результате экзотермической реакции затвердева- ния цемента. Метод искусственного теплового поля применяют для контроля разра- ботки нефтегазовых месторождений или при изучении технического состояния сква- жин.
7.6
Методы изучения технического состояния скважин
Сведения о техническом состоянии скважины необходимы для контроля выпол- нения технического проекта на проходку скважины, принятия решения о необходимо- сти се ремонта, а также для интерпретации результатов ГИС. При изучении техниче- ского состояния скважин проводят инклинометрию, кавернометрию и профилеметрию,
контроль качества цементирования и некоторые другие исследования.
Инклинометрию проводят инклинометром, она служит для определения угла на- клона ствола по отношению к горизонтальной плоскости и магнитного азимута ис- кривления. Данные об искривлении ствола необходимы в первую очередь для опреде- ления местоположения забоя, его глубины и истинных глубин залегания пластов.
Кавернометрию проводят каверномером для определения фактического диамет- ра необсаженной скважины. Диаметр ствола, соответствующий диаметру долота или коронки, называют номинальным. Увеличение диаметра против номинального — обра- зование каверн — характерно для глин, солей, песков, трещиноватых известняков,
уменьшение — для пород-коллекторов.
Данные о фактическом диаметре ствола необходимы при планировании техноло- гических операций по креплению скважины и подготовке ее к эксплуатации, при ин-

208
терпретации материалов большинства геофизических методов, а также при изучении литологии и выделении коллекторов. Изучение формы сечения ствола скважины назы- вают профилеметрией и выполняют прибором профилемером. Данные профилемет- рии необходимы для более точного планирования технологических операций по про- ходке и креплению скважин.
Контроль качества цементирования проводят с целью определения местоположе- ния цемента в затрубном пространстве, выявления дефектов (трещин и раковин) в це- ментном камне, участков неудовлетворительного контакта на границе цемент — поро- да.
Для определения местоположения цемента в затрубном пространстве применяют термометрию, метод радиоактивных изотопов, основанный на регистрации гамма- излучения радиоактивных изотопов, добавленных в цементный раствор при его приго- товлении, плотностной гамма-гамма-метод и некоторые модификации акустического метода.
7.7
Комплексное применение методов ГИС
Эффективное решение геологических и технологических задач возможно только на основе комплексного применения геофизических методов, имеющих различную петрофизическую основу (электрических, радиоактивных, акустических и т. д.). Сход- ство задач и способов их решения для различных районов позволяет устанавливать ти- повые комплексы геофизических исследований скважин, пробуренных с целью поис- ков и разведки однотипных полезных ископаемых. На основе утвержденных типовых комплексов ГИС разрабатывают и согласуют с заказчиком обязательные комплексы,
учитывающие специфику района. Типовые и обязательные комплексы ГИС после ут- верждения действуют как отраслевой стандарт. Сокращение обязательного комплекса допускается только в исключительных случаях. Если в каком-то случае обязательный комплекс ГИС не решает поставленных перед ним задач, он может быть дополнен.
При работе в сложных геологических условиях, особенно на этапе поисков и раз- ведки, проводят специальные исследования. Повышения эффективности геофизических методов при этом достигают за счет их сочетания с такими технологическими меро- приятиями, как смена скважинной жидкости, увеличение диаметра скважины (разбури- вание), гидродинамические воздействия на пласт, закачивание индикаторных жидко- стей и т. д. При специальных исследованиях нефтегазовых месторождений получили распространение временные методы, основанные на том, что в обсаженных скважинах происходит постепенное расформирование зоны проникновения. Анализируя измене- ние геофизических параметров во времени, можно определить истинный характер на- сыщения пластов, оценить их начальную и остаточную нефтегазонасыщенность.
Растущий объем геофизических исследований скважин, сложность геологических задач обусловили разработку систем интерпретации комплексных данных ГИСна
ЭВМ. В этих системах предусматриваются предварительная оценка качества и отбра- ковка материалов, расчленение разреза, определение границ пластов, выделение полез- ных ископаемых, оценка продуктивности отложений. Как правило, алгоритмы ком- плексной обработки материалов ГИС основаны на решении систем уравнений, в кото- рых неизвестными являются искомые параметры, а заданными — параметры, опреде- ленные по диаграммам ГИС, и параметры скелета породы, флюидов и т. д.
В целом можно отметить, что сложность задач, решаемых при изучении разрезов нефтегазовых скважин, обусловливает объединение в соответствующие комплексы большинства геофизических методов. Комплексы методов ГИС, применяемые при раз- ведке угольных и рудных месторождений, а также при инженерно-геологических и

209
гидрогеологических исследованиях,обусловлены спецификой решаемых задач и пет- рофизическими особенностями пород, слагающих соответствующие разрезы.
Зольность и другие характеристики качества углей определяют с помощью корре- ляционных зависимостей между показателями качества и геофизическими параметра- ми. Для исключения неоднозначности в определении показателей и внесения поправок применяют комплексы ГИС, позволяющие определить следующие параметры: удель- ное электрическое сопротивление или электропроводность (методы кажущегося сопро- тивления, индукционный, скользящих контактов); плотность и эффективный атомный номер (плотностной и селективный гамма-гамма-методы). Определение физико- механических свойств основной и непосредственной кровли и почвы угольных пластов осуществляют на основе применения акустического и плотностного гамма-гамма- метода.
Задачу выделения магнетитовых руд и оценки содержания в них общего железа решают на основе комплексного применения методов ГГМ-П, ГГМ-С и метода магнит- ной восприимчивости. Поскольку такие магнетитовые руды, как мартитовые и гемати- товые, обладают низким сопротивлением, они могут быть выделены по данным мето- дов КС, ИМ и МСК. При оценке содержания железа необходимо учитывать пористость пород, в связи с чем наряду с названными выше методами в комплекс включают ней- трон-нейтронные методы по тепловым (ННМ-Т) или надтепловым (ННМ-НТ) нейтро- нам.
Для выделения марганцевых руд в комплекс включают ННМ-Т, поскольку марга- нец обладает повышенным сечением захвата тепловых нейтронов. Хромитовые руды выделяют и оценивают на основе применения следующего комплекса: спектрометриче- ский нейтронный гамма-метод, ННМ-Т или ННМ-НТ, ГГМ-П, ГГМ-С.
Полиметаллические, медноколчеданные, сульфидные, медно-никелевые и другие руды, обладающие электронной проводимостью, выделяют и оценивают по комплексу электрических методов. Руды, содержащие элементы со сравнительно высокой энерги- ей возбуждения характеристического излучения (олово, медь, свинец, цинк, сурьма,
ртуть, вольфрам, молибден), выделяют и оценивают с помощью рентгенорадиометри- ческих методов. Алюминиевые руды (бокситы), обладающие повышенной радиоактив- ностью, выделяют с помощью ГМ. Для оценки содержания в них алюминия применяют нейтронно-активационный метод (НАМ). Урановые руды выделяют в основном по данным ГМ. Эти руды могут содержаться в любых породах, в связи с чем комплексы
ГИС любого назначения должны включать гамма-каротаж.
Выделение и оценку в разрезах скважин химического сырья(бороносные пласты,
калийные соли, фосфорсодержащие апатиты, фосфориты, нефелиновые и серные руды)
проводят на основе широкого комплекса, основную роль в котором играют различные методы ядерной геофизики: ННМ-Т, ННМ-НТ, ГМ и ГМ-С, ГГМ-П и ГГМ-С, НАМ. В
скважинах, бурящихся на воду, применяют в первую очередь комплексы электрических методов, включающие КС и ПС. Основное значение при изучении инженерно- геологических скважин имеют акустические и электрические методы.
В заключение отметим, что методы интерпретации практически всех геофизиче- ских методов требуют включения в комплексы ГИС кавернометрии и резистивиметрии.

7.8
Принципы построения аппаратуры для ГИС
В общем случае геофизические исследования в скважине включают измерение,
передачу, регистрацию и предварительную обработку информации. Для их осуществ- ления служат наземные лаборатории, глубинные приборы и спуско-подъемное обору- дование. Перед проведением ГИС бурение прекращают и буровой инструмент извле- кают на поверхность. Глубинные приборы в этом случае соединяют со станцией специ-

210
альным геофизическим кабелем, который служит для их транспортировки по стволу скважины, электропитания и передачи информации.
Спуско-подъемное оборудование включает блок-баланс и лебедку с геофизиче- ским кабелем. Лебедку устанавливают на отдельном автомобиле-подъемнике или на том же автомобиле, что и лаборатория. К блок-балансу подсоединяют датчики глубин,
натяжения и меток глубин. Работа лебедки обычно осуществляется с помощью двига- теля автомобиля. При исследовании наклонных скважин, а также скважин, проведен- ных из штолен и горных выработок, можно применять специальные устройства для транспортировки приборов к забою.
В глубинном приборе (зонде) помещают первичные датчики, преобразующие разность потенциалов, напряженность, перемещение частиц среды, энергию или плот- ность потока радиоактивных частиц и т. д. в сигнал, представляющий собой изменяю- щийся по величине электрический ток или напряжение. Зонд содержит также устройст- во для создания соответствующих искусственных физических полей — электрических,
электромагнитных, нейтронных, и некоторые специфические элементы: экраны,
фильтры, центраторы, коллиматоры. Во многих случаях один глубинный прибор со- держит датчики и устройства для одновременного проведения исследований различ- ными методами.
Как правило, сигнал на выходе первичного датчика непригоден для непосредст- венной передачи по длинному каротажному кабелю, в связи с чем сигнал преобразуют
— интегрируют, выпрямляют, усиливают по мощности, кодируют. С этой целью в скважинном приборе размещают электронные устройства, требующие специальной за- щиты от высокого гидростатического давления. Поэтому корпуса скважинных прибо- ров герметичны и баростойки. Корпуса приборов, предназначенных для исследования глубоких скважин, выдерживают давление до 100— 120 мПа. Высокая температура,
достигающая в таких скважинах 200 °С и более, налагает свои ограничения и на типы применяемых электронных приборов.
Датчики, расположенные вне защитного корпуса (внутри корпуса располагают только датчики радиоактивных излучений), соединяют с электронными преобразовате- лями и жилами геофизического кабеля через специальные баростойкие (в глубоких скважинах — термобаростойкие) электровводы. Кроме того, корпуса приборов, элек- тровводы и их резиновые уплотнительные устройства, а также изоляция геофизическо- го кабеля должны быть стойки к воздействию химически агрессивной внешней среды
(растворы солей, кислот, щелочей, нефть, газы).
Поскольку глубины рудных, угольных, инженерно-геологических и гидрогеоло- гических скважин обычно невелики, приборы, предназначенные для их исследования,
работают в более благоприятных термобарических условиях. Фактор, усложняющий создание приборов для исследования названных скважин, — их малый диаметр. При- нимая решение о применении того или иного геофизического метода, необходимо учи- тывать реальные возможности геофизической аппаратуры.
Эффективный способ сокращения времени, затрачиваемого на ГИС, — одновре- менное исследование скважин несколькими методами. Реализация такой возможности достигается за счет аппаратурного комплексирования. В настоящее время разработаны многоканальные телеизмерительные системы, позволяющие передавать информацию от нескольких датчиков одновременно. Например, создана аппаратура, позволяющая проводить одновременные измерения методами бокового каротажного зондирования и с фокусировкой тока в скважинах глубиной до 7000 м при температуре до 200°С. Су- ществуют приборы для одновременных исследований акустическими и нейтронными методами, а также различными модификациями ядерно-физических методов.
Наряду с приборами на кабеле в практику геофизических исследований постепен-