Материал: Электрические методы исследования скважин

. Изучения карбонатных интервалов разрезов скважин (в комплексе с боковым каротажем БК).

. Исследования сухих интервалов необсаженных скважин.

. Исследования скважин, заполненных буровым раствором с высоким удельным сопротивлением (более 8 Омм).

Комплексная интерпретация электрических методов (ИК, БК)

Ядерно-магнитныи каротаж (ЯМК)

Исследования проводятся в бурящихся скважинах, где определяется много параметров емкостно-фильтрационных свойств пластов. Метод интенсивно развивался и внедрялся в Татарстане, где накоплен материал в большом количестве.

. Эффективная толщина пластов-коллекторов,

. Эффективная пористость пластов (индекс свободного флюида ИСФ),

. Коэффициент содержания связанной воды,

. Коэффициент остаточной нефтенасыщенности,

. Содержание подвижного пластового флюида.

Метод ЯМК обладает низкой глубинностью исследования. Это определяет его эффективность при исследовании горизонтальных скважин. Вмещающие породы не влияют на его показания, поэтому хорошо выделяются наиболее проницаемые зоны пласта.

Впервые, за всю историю геофизических исследований, стало возможным определение эффективной пористости пластов, содержания неподвижных флюидов, выделения интервалов с высоковязкой нефтью, остаточной нефтенасыщенности в промытой зоне пластов. Кроме того, определяются глинистость коллекторов, абсолютная и фазовая проницаемость.

По результатам этих исследований стало возможным проведение подсчетов запасов подвижной, извлекаемой нефти, и как результат этого - прогнозирование нефтеотдачи пластов. Для решения этих задач нужны средние значения емкостных и фильтрационных параметров по площадям, залежам.

Физические основы ядерно-магнитного каротажа

Проявление поляризации

Ядерно-магнитный каротаж основан на взаимодействии магнитных свойств ядер химических элементов скважинной среды и внешнего магнитного поля, создаваемого скважинным прибором.

Ядра элементов состоят из протонов и нейтронов, которые характеризуются некоторыми общими физическими параметрами, и поэтому называются одним определением - нуклоны.

Распределение и расположение нуклонов в ядре определяют величины механического, электрического и магнитного моментов.

Собственный механический момент ядра (S - спин) - момент вращения частицы вокруг своей оси. Для элементарных частиц электрический момент ядра Q. Расположение заряженных частиц в ядре не обладает сферической симметрией. (При симметрии Q = 0).

Магнитный момент ядра - М обусловлен определенным направлением токов внутри ядра при движении нуклонов и отсутствием симметрии в распределении собственных магнитных моментов. При Q = 0, М ≠ 0.

Из всех элементов скважинной среды водород обладает наибольшим магнитным моментом (М=2,8 магнетонов) и максимальным гидромагнитным отношением (γ=М/S). Ядра водорода свободной жидкости ориентированы в направлении магнитного поля Земли (H3). Если в скважине создать сильное постороннее магнитное поле (поляризацию НП), то оно изменит ориентацию ядер. Это явление называют ядерной намагниченностью.

Магнитные моменты совершают сложное вращательное движение. Ядра вращаются вокруг своей оси, а ось тоже совершает свое вращательное движение. Такое сложное движение называется прецессией. Оно подобно вращению волчка в детской игре.

В скважинном приборе ЯМК основной частью является катушка индуктивности, которая выполняет двойную функцию.

При включении катушки в цепь постоянного тока она создает сильное магнитное поле (поляризация НП), которое изменяет ориентацию ядер свободной жидкости. Ядра атомов не свободной жидкости (связанная вода, пленка смачивания и субкапиллярная жидкость) на это возмущение не реагируют. Поэтому определяется часть пористости, занятая свободной, подвижной жидкостью. А это и есть эффективная пористость.

При выключении тока подмагничивания ядра водорода возвращаются в исходное положение ориентации в магнитном поле Земли (НЗ). Это меняющееся магнитное поле наводит ЭДС в скважинной среде, которая фиксируется той же катушкой. В скважинном приборе ЯМК происходит периодическое переключение катушки с частотой 1 Гц на излучение магнитной напряженности и на прием ЭДС индукции. Этим переключением управляет электронный коммутатор.

Частота прецессии равна собственной резонансной частоте водорода (Ларморова частота f = 2 кГц). Процессы возмущения и возврата - инерционные. Процесс установления равновесного состояния магнитных моментов называется ядерной магнитной релаксацией. Часть периода, соответствующая созданию искусственного магнитного поля называют продольной релаксацией (Т1). Другая часть, соответствующая возврату в исходное состояние поля Земли, называется поперечной релаксацией (Т2).

Релаксация в ЯМК

Образующаяся ЭДС при Т₂ имеет затухающий характер - экспонента.

Степень затухания ЭДС для различных сред разная. Метод ЯМК основан на регистрации скорости затухания ЭДС по стволу скважины. Величина ЭДС определяется числом свободных протонов в единице объема (ядра водорода).

Скважинный прибор перемещается по стволу скважины непрерывно со скоростью 100 - 300 м/час с задержкой регистрации 30 мс.

Кривая ЭДС калибруется в условных единицах ИСФ (индекс свободного флюида). Этот параметр характеризует процент объема пор, занятых свободными флюидами (эффективную пористость). При значении ИСФ > 6% можно ожидать приток жидкости из пласта. При значениях ИСФ более 10% проводятся детальные исследования с определением скорости продольной релаксации τ₁ с целью определения характера насыщения пласта - коллектора. При τ₁ < 300 мс пласт считается водоносным, при τ₁ > 300 мс - нефтеносным, а если τ₁ > 600 мс, то это признак высоковязкой нефти.

В ЯМК фиксируется сигнал свободной процессии (ССП). Этот сигнал имеет характер затухающей экспоненты. ИСФ определяется по начальной амплитуде сигнала - U₀.

Максимум сигнала зафиксировать не удается, т.к. после окончания продольной релаксации Т₁ действуют гистерезисные явления намагничивающего поля. Поэтому U₀ определяется расчетным методом по трем мгновенным значениям экспоненты U₁, U₂, U₃, отмечаемым в соответствующие значения времени t₁, t₂, t₃.

Аналогично можно рассчитать U0 по двум другим промежуточным сигналам U1 и U3.

Амплитуды сигналов ЯМК

На диаграмму ЯМК записываются три идентичные кривые с разными амплитудами (U₁,U₂,U₃).

Кривые ЯМК симметричны относительно середины однородных пластов. Максимум совпадает с серединой пласта. Границы пластов отбиваются в точках, соответствующих половине максимального значения амплитуды.

Аппаратура для измерения эффектов ЯМК в магнитом поле Земли позволяет выделять коллекторы, определять ИСФ и время продольной релаксации - решить те задачи, которые стандартным комплексом ГИС не решаются. ЯМК не вошел в стандартный комплекс ГИС по ряду причин:

. сильное влияние скважин,

. низкое отношение сигнала к шуму,

. большое мертвое время,

. сложность калибровки аппаратуры.

Исследования в сильных полях постоянных магнитов создают новые возможности исследований.

Релаксация жидкости в поровом пространстве происходит с разной скоростью в зависимости от размеров пор, свойств поверхностей воды и вязкой жидкости. Поэтому огибающая импульсной последовательности является суммой отдельных экспонент пор разных размеров или вида флюида (В, Н, Г).

Параметры аппаратуры ЯМК поддерживаются путем калибровки и компенсации влияния окружающей среды. Калибровка проводится в стационарных устройствах, заполненных водой. Модели соответствуют 100% пористости и водородному индексу, равному 1. Настройка на частоту прецессии проводится трижды: перед основным и повторным замерами и после окончания каротажа.

При интерпретации данных ЯМК в значение U₀ вводят поправки влияния скважины, глинистой корки, угла наклона скважины. Эти поправки определяются по палеткам и номограммам.

В интервале 2004-2026 м. выделен пласт коллектор по ПС. По низким показаниям КС пласт - водоносный. По методу ЯМК отмечается подвижность флюида в данном интервале.

Радиоактивные методы

Физические основы радиометрии:

Радиоактивность - это свойство атомных ядер переходить из одного энергетического состояния в другое, более устойчивое.

Радиоактивность бывает естественная и искусственная.

Естественная - процесс самопроизвольного распада ядер атомов с испусканием a, b, g - лучей.

Искусственная - распад ядер атомов при их бомбардировке элементарными частицами (протоны, нейтроны).

Радиоактивный распад происходит по экспоненциальному закону:

Здесь l - постоянная распада, характеризующая скорость распада, N0 - начальное число ядер,

- число ядер, не распавшихся за время t. t - время жизни ядра, Т - период полураспада. За единицу радиоактивности принято кюри. 1 Си = 3,7.10 10 расп/сек (как в 1 г радия).

В практике ядерной геологии используется единица (на 1 г породы).

Численно это единица равна суммарной концентрации радиоактивных элементов, при которой в породе происходит за 1 сек столько же распадов, сколько и в 1 г Ra. Из всех видов радиоактивных излучений для исследования разрезов скважин используются g - лучи. Количественная оценка воздействия g - излучений на среду проводится по эффекту ионизации. Доза g - излучения - рентген. Мощность дозы - рентген/час.1R - доза, при которой в 1 см3 воздуха образуется 2.109 пар ионов.

Интенсивность (мощность дозы) естественного g - излучения в скважинных условиях оценивается в мкR/час.

Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом

Ядерные методы исследования скважин основаны на регистрации нейтронов и g - лучей, т.е. потоков с большой проникающей способностью.

Малопроникающие a и b - лучи в радиометрии скважин не используются. Однако с этими лучами связаны способы фиксации n и g - квантов, применяемые в геофизической скважинной аппаратуре.

Все эти частицы взаимодействуют с атомами окружающего вещества, вызывая их ионизацию или возбуждение. Характер взаимодействия зависит от физико-химических свойств вещества и частиц (энергия, масса, заряд).

. Альфа-лучи - поток положительно заряженных ядер атомов гелия (2Не4) ++. Это частицы с максимальной массой (6,6 ×10-22 г или 4 ат. ед).

Они обладают большой энергией Е=0,5 Мэв, энергетический спектр их излучений - однородный.

a - лучи обладают очень высоким уровнем ионизации. Проникающая способность их минимальная - в воздухе Сmax = 11,5 см, а в твердых веществах она измеряется в микронах. Их задерживает тонкая бумага.

Траектория - прямолинейная. a - частицы вызывают сильную люминесценцию (ZnS). В газах a - частица вырывает электроны и сильно ионизирует газ, (в воздухе на 1 см - 60000 пар ионов). В результате a - излучения номер элемента (Z) уменьшается на 2, а масса (А) - на 4.

. Бета-лучи - это поток электронов и позитронов.

Проникающая способность b - лучей значительно больше, чем a - частиц: горная порода - 9 мм, алюминий - 4 мм, свинец - 1 мм.

Ослабление потока b - лучей происходит по закону:

где - коэффициент поглощения (зависит от плотности вещества), - толщина слоя. В результате b - излучения номер элемента (Z) возрастает на 1, а масса (А) не меняется:

З. Гамма-лучи - это электромагнитное излучение СВЧ. Природа их такая же, как и радиоволн, света, рентгеновского излучения. Энергия их Е измеряется в Мэв.

Возникновение g - квантов связано с дискретными переходами ядер из одного энергетического состояния в другое. При a и b-излучениях возникает новое ядро в возбужденном состоянии (неустойчиво). Возвращаясь в нормальное состояние, атом испускает g - кванты. g - лучи различных минералов отличаются по энергии и ширине энергетического спектра. Они обладают большой проникающей способностью: в алюминии проходят 90 см, в свинце - 25 см.

Взаимодействие g - лучей с веществом очень сложное.

Основными являются 3 процесса взаимодействия:

а) Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект).

б) Комптоновское рассеяние (Комптон-эффект).

в) Образование электрон-позитронных пар.

Гамма - каротаж (ГК)

Это метод естественной радиоактивности пород. В разрезе скважины все породы обладают каким-то уровнем гамма-излучения. Причиной радиации является содержание остаточных соединений урана, радия, тория.

Среди всех типов горных пород максимальной радиоактивностью обладают некоторые разновидности кислых изверженных пород. Но в нефтепромысловой геологии они не являются предметом детального изучения, т.к. не являются коллекторами возможного скопления углеводородов.

Нефтяные скважины бурятся в толще осадочных пород. Глубоким разведочным бурением и геофизическими методами подробно изучаются геологические и физические свойства терригенных и карбонатных пород. В этом комплексе максимальной радиоактивностью обладают глины, активность которых возрастает с увеличением глубины залегания. По диаграммам ГК глины выделяются легко - максимальными аномалиями. А между пластами глин чаще всего выделяются терригенные пласты коллекторы: песчаники и алевролиты. Эти две породы очень схожи между собой по составу. Их минералогическая формула одна и та же. Отличаются они по содержанию глинистой фракции. Следовательно, на диаграмме ГК они отличаются разными уровнями гамма-излучения.

Известно, что с увеличением глинистости уменьшается проницаемость. Поэтому можно утверждать, что ГК является методом определения проницаемости.

По диаграмме гамма-каротажа выделяются пласты-коллекторы в разрезе скважины. Эта же задача довольно просто решается по диаграмме ПС электрического каротажа, где основным фактором, определяющим литологическое расчленение, также является глинистость. Не случайно, что эти две диаграммы, ГК и ПС, по конфигурации хорошо накладываются, довольно близко повторяют друг друга.

На приведенном диаграммном рисунке четко выделяются экстремальными значениями гамма-излучения литологические разности: известняки минимальными значениями, глины максимальными значениями ГК. Наиболее интересными являются пласты-коллекторы, которые отмечаются различными уровнями излучения. В пласте песчаника гамма-активность меньше, это значит, что в нем глинистого материала меньше, чем в алевролите. Следовательно, проницаемость первого пласта лучше, чем второго. К1 > К2.

Гамма-каротаж широко используется при контроле за разработкой нефтяных месторождений. Выделяются интервалы радиоактивного загрязнения разрабатываемых нефтяных пластов. При выносе из пласта этого загрязнения отмечается активация цементного камня в интервалах перфорации. Грязь может отложиться на забое скважины и на НКТ. Радиоактивные загрязнения отмечаются по сопоставлению вновь записанной диаграммы ГК с первоначальной. Если нет загрязнения, то обе эти диаграммы полностью совпадают. Следует заметить, что загрязнение проявляется далеко не в каждой скважине. Но, учитывая сильную экологическую опасность, приходится повторно писать диаграмму ГК при каждом исследовании скважины.