Геофизические исследования скважин: Курс лекций

Настоящее издание представляет собой конспект лекций по общему курсу "Геофизические исследования скважин", который читается автором на геофизическом факультете УГГГА, начиная с 1979 г.

Курс разбит на 25 лекций, имеющих примерно равный объем и занимающих примерно одинаковое время при изложении. В конце каждой лекции приведены контрольные вопросы для самопроверки. Рисунки в конспекте даются в таком виде, в каком они изображаются во время лекции на доске. Исключения составляют только рисунки к лекции 25., на которых приведены примеры комплексного применения методов ГИС на конкретных месторождениях различных рудных полезных ископаемых по материалам, опубликованным в специальной литературе или полученным автором.

В содержании курса подчеркивается вклад, внесенный в развитие методов ГИС уральскими геофизиками и, особенно, сотрудниками геофизического факультета УГГГА.

Геофизические исследования скважин (ГИС) - это отрасль разведочной геофизики, отличающаяся от других (сейсмо-, магнито-, электро-, гравиразведки, радиометрии и ядерно-геофизических методов) только по методике исследований. Основные положения теории физических полей, измеряемых в скважинах, остаются теми же, что и в полевой геофизике.

Роль и значение ГИС с течением времени постоянно возрастает, т.к. в перспективе ГИС открывают путь к бескерновому познанию скважин. В настоящее время в скважинах регистрируется свыше 35 различных параметров: разнообразные физические свойства горных пород, напряженность многообразных физических полей, технические характеристики состояния самой буровой скважины. При этом стоимость ГИС составляет лишь незначительную часть от стоимости сооружения и оборудования скважины. Так, например, на нефтяных скважинах, где применяется весьма обширный комплекс ГИС, его стоимость не превышает 4% от стоимости буровых работ, обеспечивая при этом экономию до 20% средств, необходимых для оборудования скважины.

В настоящее время буквально все методы полевой геофизики имеют свои аналоги в скважинном варианте и, более того, существуют методы ГИС, не имеющие аналогов среди полевых, например, метод электродных потенциалов, гамма-гамма-каротаж, инклинометрия и др.

Анализ распределения средств на выполнение геофизических работ показывает, что ГИС (свыше 20% средств) уступает в этом отношении только сейсморазведке (около 50% средств) и значительно превосходит все остальные отрасли разведочной геофизики.

Классификация методов ГИС

В ГИС выделяют три больших раздела: каротаж, операции в скважинах и скважинную геофизику.

Каротаж - это геофизические методы изучения геологического строения разрезов скважин. Это означает, что в каротаже исследуются очень небольшие объемы горных пород, прилегающие к стенкам самой скважины. Отличительная особенность каротажа - исключительно высокая детальность и точность исследований. Эта особенность связана с тем, что результаты каротажа фиксируются в виде непрерывнпх диаграмм при движении датчиков по ствол) скважины, либов виде числовых значений с очень небольшим шагом дискретизации, порядка 10-20 см.

Каротаж позволяет выполнять литологическое расчленение разрезов скважин, выделять в них интервалы полезного ископаемого и определять физические свойства горных пород и полезных ископаемых т зки. Интерпретация результатов всех полевых геофизических методов производится на основании данных каротажа: электроразведки - по данным об удельном электрическом сопротивлении УЭС пород, магниторазведки - по значениям магнитной восприимчивости пород, гравиразведки - по плотности и т.д.

В целом ряде случаев именно каротаж дает сведения, необходимые для подсчета запасов месторождений - данные о мощности залежей и содержании полезного компонента в них.

Методы каротажа подразделяются по природе - изучаемых в них физических полей на методы электрического каротажа, радиоактивного каротажа и прочие методы.

Методы электрического каротажа:

• метод КС (кажущихся сопротивлений) - наиболее распространенный из методов электрического каротажа, аналогичный электропрофилированию в полевой геофизике;
• метод БКЗ (боковых каротажных зондирований) - скважинный аналог метода ВЭЗ (вертикальных электрических зондирований в электроразведке);
• микрокаротаж - вариант метода КС с зондовыми установками очень малого размера, прижимаемыми к стенке скважины; очень эффективный метод выделения коллекторов в разрезе скважины;
• резистивиметрия - метод определения удельного сопротивления бурового раствора в скважине;
• токовый каротаж - наиболее простой из электрических методов с искусственным возбуждением поля; имеет две распространенные разновидности: БТК (боковой токовый каротаж) и МСК (метод скользящих контактов);
• БК - боковой каротаж, использующий, в отличие от метода КС, зондовые установки с фокусировкой тока;
• ИК - индукционный каротаж, позволяющий охватить электрическими исследованиями сухие скважины и скважины, заполненные раствором на нефтяной основе, в которых невозможен электрический каротаж с гальваническим возбуждением поля (КС и БК);
• метод ПС - скважинный вариант метода естественного поля в электроразведке;
• метод МЭП (электродных потенциалов), не имеющий аналогов среди полевых методов;
• ЭК (электролитический каротаж) - аналог метода вызванной поляризации (каротаж ВП).

Методы радиоактивного каротажа (РК). При обозначении радиоактивных или ядерно-геофизических исследований принята система буквенных обозначений, в которой первая буква означает вид излучения, которым воздействуют на объект (Г - гамма-излучение; Н - нейтронное); вторая буква означает вид измеряемого излучения; третья - область применения (К - каротаж, скважина; О - опробование; А - анализ; М -метод вообще); четвертая буква, которая ставится в конце обозначения метода или перед ним, несет дополнительную информацию.

• ГК - гамма-каротаж, самый простой из методов РК, заключающийся в регистрации естественного гамма-излучения горных пород;
• ГТК - гамма-гамма-каротаж, имеющий две разновидности, выделяющиеся по решаемым задачам: плотностной (ГОТК) и селективный (СГГК или 2ГТК);
• РРК - рентген-радиометрический каротаж, который в соответствии с принятой системой обозначений правильнее было бы назвать ГРК - гамма-рентгеновский каротаж;
• НТК - нейтронный гамма-каротаж со стационарным источником нейтронов - один из основных методов исследования нефтяных скважин;
• ННК - нейтрон-нейтронный каротаж с разновидностями: ННК-Т (по тепловым нейтронам), ННК-НТ (по надтепловым нейтронам), МНК - многозондовый нейтронный каротаж;
• ИННК - импульсный нейтронный каротаж, использующий импульсный генератор нейтронов с измерением различных продуктов взаимодействия нейтронов источника со средой: ИННК-Т, ИННК-НТ, ИНГК, ИНГК-С (спектрометрический);-
• ГНК - гамма-нейтронный каротаж, основанный на явлении ядерного фотопоглощения гамма-квантов с испусканием нейтронов; этот эффект при относительно невысокой энергии гамма-квантов (1,67 МэВ) наблюдается только на ядрах атомов бериллия, благодаря чему метод обеспечивает точность определения содержания бериллия в рудах до 0,001%;
• НАК - нейтронно-активационный каротаж, заключающийся в измерении гамма-активности искусственных радионуклидов, образовавшихся в составе вещества горных пород под действием нейтронного облучения.

Прочие методы каротажа. В этом разделе объединяются методы, использующие различные физические поля, но не столь дифференцированные, как методы электрического или радиоактивного каротажа:

• АК - акустический каротаж - измерение скорости распространения и затухания упругих волн в стенках скважины;
• КМВ - каротаж магнитной восприимчивости;
• термокаротаж - измерение тепловых свойств стенок скважины (температуры или тепловых сопротивлений);
• механический каротаж (или каротаж по продолжительности проходки) - измерение продолжительности проходки каждого погонного метра ствола скважины непосредственно в процессе бурения;
• газовый каротаж - измерение содержания углеводородных газов в буровом растворе, выходящем из скважины на поверхность в процессе бурения скважины.

Коротко об этимологии (происхождении) термина "каротаж". Он происходит от французского la carotte - морковка. Именно так французские буровики называли столбик керна, извлекаемого из скважины. Сам процесс извлечения керна они называли carottage. Затем это слово стали применять и для обозначения процесса документирования разреза по керну. Поэтому, когда французские геофизики предложили свой метод документации разрезов по электрическому сопротивлению, его по аналогии назвали электрическим каротажем. Однако, во французском языке слово "каротаж" имеет еще и другой смысл, означающий "мелкое мошенничество". По этой причине позднее французы стали использовать другой термин "des diagraphies" - в дословном переводе "диаграммирование", что ближе отражает сущность этих методов. Аналогичный термин существует в английском языке - "well logging" - скважинное диаграммирование. В немецком языке каротаж обозначается как "bohrlochmessung" - измерения в буровых скважинах, что наиболее полно соответствует ГИС по смыслу. Тем не менее, в русском языке прижился термин "каротаж", и мы будем им пользоваться.