Швидкість поширення пружних хвиль в гірських породах
Лекція 5
ГЕОФІЗИЧНІ І ГІДРОДИНАМІЧНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ СВЕРДЛОВИН
Геофізичні методи дослідження свердловин використовують для:
вивчення геологічного розрізу свердловин, виявлення продуктивних горизонтів та оцінки їх колекторських властивостей;
вивчення технічного стану свердловин, як в процесі буріння, так і по його закінченню;
проведення спеціальних операцій у свердловинах. Геофізичні методи, які використовуються для вивчення геологічних розрізів свердловин, в залежності від фізичних властивостей порід, на яких вони ґрунтуються, розділяють на електричні, магнітні, радіоактивні, акустичні, термічні, геохімічні.
Суть довільного геофізичного методу полягає у вимірюванні вздовж стовбура свердловини певної величини, яка характеризується однією або сукупністю фізичних властивостей гірських порід розрізу свердловини. Фізичні властивості порід мають зв'язок з їх літолого-геологічною характеристикою і це дає змогу на основі результатів вимірювань судити про розріз свердловини.
Технічний стан свердловин контролюють з допомогою комплексу геофізичних методів, до яких відносяться:
інклінометрія - призначена для вимірювання викривлення стовбура свердловини;
профілеметрія - визначення форми перерізу стовбура свердловини;
контроль цементування свердловин - визначення висоти підйому тампонажного розчину в заколонному просторі, повноти заміщення тампонажним розчином бурового, ступеня зчеплення тампонажного каменю з обсадною колоною та породами;
дефектометрія - контролю якості обсадних труб, тобто виявлення спрацювання тріщин, місць порушення герметичності і ін.
Електричні методи
Електричні методи дослідження геологічного розрізу свердловини базуються на вивченні електричних властивостей гірських порід, до яких належить питомий електричний опір або електропровідність, абсолютна діелектрична проникність, природна електрохімічна активність та інші. До електричних відносять методи позірного опору потенціалів самочинної поляризації опору заземлення, потенціалів викликаної поляризації та діелектричні методи.
А, В- електроди живлення; М,N - електроди вимірювання;
1 - джерело струму; 2 - реостат;
З - реєструючий прилад
Рисунок 5.1 - Принципова схема вимірювання позірного опору
Методи позірного опору складають стандартні електрокаротаж, бокове каротажне зондування, мікрокаротаж, резистивіметрію.
Питомий опір порід в умовах природного залягання залежить від мінералізації пластових вод, температури, електричного опору породоутворюючих мінералів та інших факторів. Практично у свердловинах заміряють деякий параметр, який називають позірним опором і який залежить від питомого опору породи.
Для заміру позірного опору в свердловину на спеціальному кабелі опускають зонд, який складається звичайно з трьох електродів А, М і N. Четвертий електрод В встановлюють на поверхні. Електроди А і В призначені в схемі для пропускання електричного струму, а електроди М і N - для вимірювання різниці потенціалів між двома точками середовища в момент протікання електричного струму. Принципова схема вимірювання позірного опору наведена на рис.5.1. При переміщенні зонда вздовж стовбура свердловини в залежності від питомого опору навколишніх порід змінюється різниця потенціалів між вимірювальними електродами М і N. Позірний опір рп обчислюють за формулою:
(5-1)
де кз- коефіцієнт зонда, який залежить від відстані між електродами;
- різниця потенціалів між електродами М і N5
І - сила струму.
Результати замірів позірного опору представляють у вигляді кривої, яка відображає залежність рп від глибини.
В залежності від взаємного розташування електродів живлення і вимірювання розрізняють потенціал - і градієнт- зонди, підошовні і покрівельні зонди, зонди прямого живлення або однополюсні і взаємного живлення або двополюсні.
Вибір того чи іншого зонда для досліджень залежить передусім від геологічних умов розрізу. Потенціал-зонди найбільш доцільно використовувати у розрізах, представлених пластами великої товщини з низьким або високим питомим електричним опором. Градієнт-зонди ефективні у розрізах, де необхідно вивчати пласти малої товщини.
При стандартному електрокаротажі зміна позірного опору з глибиною вивчається з допомогою стандартних градієнт-зонду A2.0M0.5N і потенціал-зонду A0.5M6.0N та використовується для розчленування розрізів, виділення опорних горизонтів, оцінки літології і виділення нафто і газоносних об'єктів.
За показами стандартних зондів не завжди вдається одержати достатньо точну характеристику питомого опору порід, особливо при формуванні великої зони проникнення фільтрату бурового розчину. В таких умовах використовують бокове електричне зондування, яке полягає у вимірюванні позірного опору пластів набором однотипних зондів різної довжини, що забезпечують різний радіус дослідження. Звичайно застосовують наступний комплекс зондів: A0.4M0.1N, A1.0M0.1N, A2.0M0.5N, A4.0M0.5N, A8.0M1.0N та N0.5M2.0A
Сприятливими умовами для застосування методу є однорідність досліджуваних пластів і порід, співвідношення питомих опорів пласта і бурового розчину не більше 500 для пластів великої товщини і не більше 250 - для пластів малої товщини, товщиною пластів не менше трьох діаметрів свердловини. Результати досліджень за боковим електричним зондуванням використовуються для визначення питомого електричного опору незабрудненої частини пласта і зони проникнення фільтрату бурового розчину, оцінки радіусу зони проникнення, визначення пористості та нафтогазонасиченості.
Мікрокаротаж полягає у детальному вивченні позірного опору присвердловинної зони пласта з допомогою зондів дуже малої довжини (мікрозондів). При дослідженні застосовують зонди з відстанями між електродами до 5 см. У звичайних мікрозондах встановлюють три електроди з відстанню між ними 2,5 см, які утворюють градієнт-мікрозонд A0.025M0.025N і потенціал-мікрозонд А0.5М, де функції електрода N виконує корпус.
Градієнт-мікрозонд має незначний радіус дослідження і на його покази більше впливає шар бурового розчину і фільтраційна кірка; для потенціал-мІкрозонда цей вплив менший.
Метод дозволяє вивчати розрізи, представлені пластами малої товщини, що забезпечується малими розмірами зондів і щільним притисненням ізольованої пластини з електродами до стінки свердловини. Наявність фільтрату бурового розчину у пристовбурній зоні пласта затруднює одержання даних про характер газонафтонасиченості пласта, але метод мікрозондування дає змогу одержати детальне розчленування розрізу свердловини, виділяти колектори і оцінювати їх пористість.
Метод резистивіметрії застосовується для визначення питомого електричного опору бурового розчину при бурінні і випробуванні свердловин з метою кількісної інтерпретації даних електрокаротажу, визначення мінералізації пластових вод за допомогою методу самочинної поляризації, установлення місць припливів і швидкості фільтрації підземних вод, виділення інтервалів поглинання бурового розчину у свердловині, визначення місць порушення обсадних колон і ін.
Метод потенціалів самочинної поляризації використовують для визначення характеристик гірських порід за даними вимірювань потенціалів електричних полів, що виникають в них самочинно.
Вимірювання потенціалів здійснюється з допомогою рухомого у свердловині електрода М і нерухомого електрода 14, який знаходиться на поверхні. При цьому записують різницю потенціалів
(5.2)
між електродами М і 14, яку відносять до точки запису (електроду М).
Виникнення потенціалів самочинної поляризації зумовлено дифузією солей із пластових вод у буровий розчин і навпаки, а також адсорбцією іонів на поверхні мінералів гірської породи, фільтраційними процесами в системі “свердловина-пласт”, окисно-відновними процесами між гірськими породами і буровим розчином. В результаті цих процесів виникають дифузійно-адсорбційні, фільтраційні й окисно-відновні потенціали, значення і знак яких визначаються співвідношенням мінералізації пластових вод і фільтрату бурового розчину, мінеральним складом і структурою гірських порід та іншими факторами. Таким чином, вимірювання потенціалів 
дає інформацію про літологію розрізу свердловини, мінералізацію пластових вод і колекторські властивості порід.
Метод потенціалів самочинної поляризації застосовується для розчленування розрізу свердловин, виділення в розрізі глинистих порід і колекторів, визначення мінералізації пластових вод, оцінки пористості колекторів.
Методи опору заземлення базуються на відмінності питомих електричних опорів гірських порід. Існує декілька модифікацій методу, найбільш розповсюдженими серед яких є боковий каротаж, мікрокаротаж і дивергентний каротаж.
Боковий каротаж проводять з використанням три-, семи- і дев'ятиелектродного зонду з автоматичним фокусуванням струму. На практиці частіше застосовують триелектродні зонди. За результатами вимірювань потенціалу Аи між електродами і сили струму І через центральний електрод зонда визначають позірний опір рп порід.
Боковий каротаж доцільно використовувати при бурінні на високомінералізованому буровому розчині з питомим опором до 0,1 ... 0,5 омм. За результатами досліджень з допомогою бокового каротажу здійснюється детальне розчленування розрізу по величинам позірного опору порід, вивчення літології, пористості і проникності порід, визначення параметрів зони проникнення фільтрату бурового розчину і характеру насичення пластів.
Боковий мікрокаротаж проводять з використанням дво-, три- і чотириелектродних мікроустановок. Покази бокового мікрокаротажу менш спотворені впливом глинистої кірки і шаром бурового розчину, ніж при вимірюванні електричного опору звичайними мікрозондами. Результати досліджень використовуються для уточнення меж і товщин пластів малої товщини, визначення літології розрізів і виділення колекторів. Цей метод у комплексі з Іншими геофізичними методами дає змогу оцінити пористість, глинистість і нафтогазонасиченість колекторів.
Дивергентний каротаж ґрунтується на вивченні електропровідності гірських порід. Особливість дивергентного методу полягає у регулюванні струму через електроди живлення за значенням його радіальної дивергенції, тобто за векторною величиною густини струму, що протікає через бокову поверхню свердловини на ділянці розміщення вимірних електродів. Реєструється величина, пропорційна опорові, який чинить середовище радіальній складовій струму, що витікає зі свердловини на ділянці між вимірними електродами.
Дивергентний каротаж доцільно проводити у свердловинах, заповнених високомінералізованим буровим розчином. На основі його результатів можна розв'язувати задачі розчленування розрізу, визначення його літології, виділення колекторів і ін.
Методи потенціалів викликаної поляризації базуються на вивченні штучних вторинних стаціонарних електричних полів, походження яких пов'язується з фізико-хімічними процесами, що відбуваються в породах внаслідок дії електричного струму на поверхні розділу твердої і рідкої фаз. Викликана поляризація виникає в гірській породі при пропусканні через неї постійного електричного струму (поляризуючого струму). Після виключення поляризуючого струму потенціали викликаної поляризації плавно зменшуються в часі. Викликана поляризація іонопровідних середовищ (піщаники, алевроліти) збільшується із ростом ступеня дисперсності і зменшується із збільшенням проникності. Ця властивість дозволяє використовувати метод потенціалів викликаної поляризації для розчленування розрізу, виділення тріщинуватих зон, оцінки проникності колекторів і ін.
Індукційний каротаж грунтується на вивченні вторинного електромагнітного поля середовища, збуреного опущеним у свердловину джерелом.
На рис.5.2 наведена принципова схема індукційного методу. Зондова установка має декілька котушок високої індуктивності, високочастотний генератор і підсилювач. При пропусканні через генераторну котушку змінного струму високої частоти від генератора навколо цієї котушки створюється змінне електромагнітне поле, яке індукує в середовищі кругові струми. Електрорушійна сила кругових струмів залежить від електропровідності середовища. Під дією електромагнітного поля кругових струмів у вимірювальній котушці зонда індукується електрорушійна сила, пропорціональна електропровідності середовища, яка підсилюється і реєструється на поверхні.
1 - реєструючий прилад; 2 - кабель;
З - вимірювальна катушка;
4 - підсилювач і випрямляч; 5 - зонд;
6 - лінія індукованого струму;
7 - генератор; 8 - генераторна котушка;
9- блок живлення Рисунок 5.2 - Схема індукційного методу
Індукційний каротаж не вимагає безпосереднього контакту вимірювальної схеми з буровим розчином і може використовуватись у сухих свердловинах, або заповнених слабопровідним буровим розчином. В цих випадках використовувати звичайні методи електрометрії не можна. Індукційний каротаж характеризується великим радіусом дослідження і дає позитивні результати при вивченні пластів зі значним проникненням фільтрату бурового розчину.
На основі даних індукційного каротажу здійснюється розчленування розрізу свердловини за питомим електричним опором порід, виділення водо- і нафтогазоносних горизонтів. Результати індукційного каротажу у комплексі з іншими методами дають змогу оцінити коефіцієнти анізотропії пластів.
Радіоактивні методи
В основу радіоактивних методів дослідження свердловин покладено вимірювання природного або штучного викликаного радіоактивного випромінювання гірських порід.
Радіоактивні методи поділяються на методи реєстрації природних випромінювань гірських порід і методи реєстрації вторинних випромінювань, пов'язаних з опроміненням порід з допомогою спеціальних джерел, розміщених у свердловинному приладі. Серед останніх виділяють дві підгрупи методів, які базуються на опроміненні гірських порід гама-квантами і нейтронами. В обох підгрупах виділяють стаціонарні та імпульсні методи. Важливою перевагою більшості ядерних методів є можливість їх застосування як в незакріплених, так і закріплених свердловинах.
Методи природної гама-активності базуються на диференціації гірських порід за їх природною гама- активністю.
Гірські породи вміщують різні радіоактивні елементи (уран, торій, радіоактивний ізотоп калію, рубідій, самарій та ін.). Кількість радіоактивних елементів в гірській породі залежить від фізико-хімічних умов її формування. Із осадових гірських порід високою радіоактивністю характеризуються глини і калійні солі, низькою - ангідрити, кам'яна сіль. Оскільки глини характеризуються підвищеною радіоактивністю, то природна радіоактивність осадових гірських порід пропорційна вмісту в них більш активної глинистої фракції. Це служить основою для розчленування розрізу за ступенем глинизованості порід.
Вимірювання гама-випромінювання гірських порід здійснюється з допомогою свердловинного приладу, який вміщує розрядний або люмінесцентний лічильник гама- квантів (рис.5.3а). Для його живлення призначений генератор високої напруги. Електричні імпульси, які створюють у лічильнику при проходженні через нього гама-квантів, підсилюються і передаються на поверхню, де інтегруються і реєструються. Покази реєструючого приладу пропорційні інтенсивності природного гама-випромінювання.
У комплексі з даними інших геофізичних досліджень результати природного гама-випромінювання
використовуються для літологічного розчленування розрізів свердловин, їх кореляції, виділення порід-колекторів, оцінки глинистості порід.
Методи розсіяного гама-випромінювання або гама методи базуються на вимірюванні інтенсивності штучного гама-випромінювання, розсіяного елементами гірської породи в процесі їх опромінення потоком гама-квантів.
У свердловинному приладі, аналогічному за схемою як на рис.5.3б, на деякій відстані від індикатору гама- випромінювання (лічильника) розміщують джерело гама- випромінювання, в якості якого частіше використовується радіоактивний ізотоп Со60. Від прямого гама-випромінювання джерела лічильник екранований свинцево-залізним фільтром таким чином, що на нього попадає переважно розсіяне гірською породою випромінювання.
При використанні ізотопу Со60 інтенсивність розсіяного гама-випромінювання обернено пропорційне густині досліджуваних гірських порід.
Гама-гама метод застосовується для розчленування розрізу свердловини за густиною порід, оцінки їх пористості
Нейтронний гама-метод базується на вивченні інтенсивності вторинного гама-випромінювання, розсіяного гірською породою при опроміненні її нейтронами. В результаті взаємодії нейтронів відповідного енергетичного спектру з ядрами хімічних елементів, що входять в склад гірської породи, понижується їх енергія до енергії теплового руху молекул. Такі нейтрони називають тепловими. Вторинне гама-випромінювання виникає при поглинанні теплових нейтронів ядрами елементів гірської породи. Наприклад, в умовах свердловини серед великої кількості можливих ядерних реакцій поглинання теплових нейтронів можна виділити реакцію утворення ізотопу водню-дейтерію
при якій випромінюється 
- квант.
Із всіх породоутворюючих елементів аномально високим понижувачем енергії теплових нейтронів та їх поглиначем характеризуються водень, хлор і бор. Залежність інтенсивності процесів пониження і поглинання нейтронів від нейтронних властивостей ядер хімічних елементів гірської
1 - лічильник; 2 - генератор виоокої напруги;
З - підсилювач; 4 - вимірювальний блок на поверхні; 5 - реєструючий прилад; 6 - блок живлення;
7- джерело нейтронів; 8 - фільтр
Рисунок 5.3 - Принципова схема гамма-методу (а) і нейтронного гамма-методу (б)
породи дає змогу диференціювати розріз за вмістом водню, хлору, бору і т.п.
Для вимірювання інтенсивності вторинного гама- випромінювання використовується свердловинний прилад, схема якого наведена на рис. 1 >396, з джерелом нейтронів - полонієм в суміші з сіллю берилія. Відстань між лічильником і джерелом нейтронів називається розміром зонда. Фільтр захищає лічильник від прямого гама-випромінювання джерела нейтронів.
При дослідженні розрізів осадових порід зондами великого розміру (більше 0,3 м) інтенсивність вторинного гама-випромінювання обернено пропорційне вмісту у породі водню. Тому на діаграмах нейтронного гама-методу породи- колектора, які вміщують більшу кількість водню в одиниці об'єму, виділяються низькими аномаліями, а щільні, низькопористі породи - високими. Високі аномалії також можуть спостерігатись для газоносних колекторів в зв'язку з низьким об'ємним вмістом водню в газі. Проникнення бурового розчину в газоносний колектор зменшує цей ефект. Метод використовується також для діагностики водонафтового, водогазового і нафтогазового контактів.
Нейтронні методи грунтуються на вивченні щільності повільних (теплових і надтеплових) нейтронів у свердловині при опроміненні гірських порід стаціонарними або імпульсними джерелами нейтронів.
До стаціонарних нейтронних методів відносять методи щільності надтеплових і теплових нейтронів та інші. Інтенсивність пониження нейтронів в навколишньому середовищі залежить від вмісту в породах легких елементів, головним чином водню.
Область застосовування нейтронних методів співпадає з нейтронним гама-методом, але залежність від показів вмісту водню в гірських породах більш однозначна, оскільки на результати досліджень не впливає природне гама- випромінювання порід і гама-випромінювання джерела нейтронів. Покази в нейтронному методі за надтепловими нейтронами практично не залежать від вмісту хлору.
Імпульсні нейтронні методи характеризуються у порівнянні з стаціонарними дещо вищою інформативністю.
де А1 і А2 - амплітуди хвиль, що реєструються приймачами;
- база зонда.
Акустичний каротаж застосовується для літологічного розчленування розрізів свердловини, визначення пористості порід, інтерпретації результатів сейсморозвідки та розв'язку інших задач.
Таблиця 5.1
Швидкість поширення пружних хвиль в гірських породах
| Гірська порода | Швидкість, м/с | Гірська порода | Швидкість, м/с |
| Глина | 1200-2500 | Кам'яна сіль | 4500-5500 |
| Мергель | 2000-3500 | Кристалічні породи | 4500-6500 |
| Піщаник незцемент ований | 1500-2500 | Вода, буровий розчин | 1500-1700 |
| Піщаник щільний | 3300-5250 | Нафта | 1300-1400 |
| Вапняк Ангідрит | 5570-7100 5800-6100 | Вуглеводневі гази | 430-450 |