Схема установки для геофизических исследований скважин
Вопрос
Геофизические исследования скважин (ГИС) - совокупность физических методов, предназначенных для изучения горных пород в околоскважинном и межскважинном пространствах. Традиционно к ГИС относят также изучение технического состояния скважин, опробование пластов и отбор проб из стенок скважин, перфорацию и торпедирование. Вместе с аэрокосмической, наземной, морской, шахтной геофизикой ГИС составляют систему «разведочная геофизика».
Геофизические исследования, предназначенные для изучения горных пород, непосредственно примыкающих к стволу скважины, согласно официально принятой в СССР терминологии, называют каротажем, совокупность методов каротажа, применяемых в нефтегазовых скважинах — промысловой геофизикой. Методы ГИС, служащие для изучения межскважинного пространства, называют скважинной геофизикой.
Параметры искусственных и естественных физических полей в скважине связаны с физическими свойствами горных пород, находящихся в околоскважинном и межскважинном пространствах, физические же свойства отражают литологические,
фациальные, коллекторские, структурно-текстурные и другие характеристики. Нахождение параметров поля в скважине по заданным параметрам его источников и характеристикам среды называют прямой задачей ГИС. На практике, напротив, по измеренным в скважине параметрам поля определяют характеристики среды, т. е. решают обратную задачу.
Специфика обратных задач ГИС в том, что из-за недоступности исследуемого объекта о его параметрах судят по косвенным проявлениям. Так, о горной породе, расположенной вне скважины, судят, измеряя характеристики поля в скважине.
Между тем поле в скважине имеет интегральный характер. Вклад в его формирование вносят различные зоны: сама скважина; близкая к ее стенке, а потому измененная в результате бурения часть пласта; его неизмененная — удаленная часть;
вмещающие породы. Влияния зон могут взаимно компенсироваться, в связи с чем разным моделям среды отвечают близкие значения поля в скважине. На практике это приводит
к тому, что небольшим изменениям параметров поля, вызванным, в частности, погрешностями измерений, соответствует множество решений (моделей среды), существенно отличающихся одно от другого. Обратные задачи, обладающие таким свойством, называют неустойчивыми. С целью преодоления неустойчивости стремятся сузить множество возможных решений, для чего используют дополнительную информацию. Ее важнейший источник — данные, полученные с помощью других геофизических методов, имеющих иную глубинность и основанных на изучении различных по своей природе физических полей. Так, если решению задачи тремя разными методами отвечают три пересекающихся множества, множество возможных моделей среды ограничено областью их пересечения.
Классификация методов ГИС может быть выполнена по виду изучаемых физических полей. C этой связи ш делят на электрические, электромагнитные, ядерно-физические, сейсмоакустические, гравитационные, магнитные, термические, геохимические и некоторые другие. К настоящему моменту создано более пятидесяти методов
и модификаций. Подобное многообразие объясняется рядом факторов. Первый из них связан со спецификой обратных задач, требующей комплексирования большого числа методов. Второй — с различиями в условиях применения: ГИС применяют в осадочных, метаморфических, магматических породах, в скважинах обсаженных и необсаженных, сухих, заполненных водными растворами солей и непроводящими промывочными
жидкостями. Третий фактор, обусловливающий многообразие методов ГИС — большое количество решаемых ими задач геологического, технологического, инженерно- и гидрогеологического характера.
До создания геофизических методов скважины изучали с помощью кернового материала, который и сейчас остается важным источником информации.
Соотношение методов, основанных на исследовании керна и ГИС, заслуживает особого внимания. С помощью керна изучают петрофизические, текстурноструктурные, фильтрационно-емкостные, петрографические и другие свойства пород. Однако в целом эти методы неэффективны, что объясняется неполным выносом кернового матери-
ала, 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 получитьинформацию 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. Поэтому исследования керна и ГИС должны рассматриваться как составляющие единого процесса изучения околоскважинного и межскважинного пространств.
Вопрос
Скважина как объект геофизических исследований оказывает существенное влияние на специфику геофизических методов и технологию их проведения. По назначению скважины делятся на опорные, поисковые, разведочные, эксплуатационные, инженерно- и гидрогеологические и т. д. Однако с точки зрения ГИС решающее значение имеет технология их проводки. По этому признаку скважины можно разделить на четыре группы: «сухие» — пробуренные без промывочной жидкости (ПЖ); пробуренные на воде; пробуренные на нефильтрующихся и непроводящих электрический ток (известково-битумных) ПЖ; пробуренные на водных фильтрующихся (глинистых) ПЖ. К последней группе относятся практически все скважины большой и средней глубины, в том числе подавляющее большинство скважин нефтегазовых месторождений. Методам их исследований и будет уделено далее основное внимание. Скважина позволяет проводить измерения во внутренних точках среды. Вместе с тем ее наличие усложняет структуру
изучаемых физических полей, что приводит к серьезным трудностям при решении прямых и обратных задач. Кроме того, 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 микротрещино-
ватости 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 ре-
зультате 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 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. Границы промытой зоны и зоны проникновения имеют неярко выраженный (градиентный) характер. Обычно в геофизике под зоной проникновения понимают цилиндрическую область, в пределах
которой величина измеряемого параметра отличается от значения данного параметра в неизмененной части пласта более чем на двойную погрешность измерения. В этой связи границы зоны для разных методов различны. При изучении характера насыщения пласта, количественной оценке его нефтегазоносности и фильтрационно-емкостных ха-
рактеристик, 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 сталь-
ной 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.
Схема установки для геофизических исследований скважин
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 лабора-
торией 7 через соединительный провод 8. Полевой информационно-измерительный комплекс, включающий подъемник и лабораторию, называют станцией. При исследовании скважин средней и малой глубины грузоподъемные механизмы и лаборатория размещаются в одном автомобиле. Существуют также малогабаритные разборные переносные станции. Блок-схема установки для геофизических исследований скважин на шельфе принципиально не отличается от описанной выше. 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.
Вопрос
Электрическими и электромагнитными называют методы, базирующиеся на дифференциации горных пород по электромагнитным свойствам. Такое деление в известной мере условно, так как в основе тех и других методов — общие законы электромагнитного поля. Однако воспользуемся им для удобства изложения, считая электрическими методы, заключающиеся в регистрации параметров постоянного электрического поля, а электромагнитными — переменного электромагнитного.
Вопрос