7.1.1. Некоторые сведения из истории ГИС
7.1.3. Характеристика скважины как объекта исследования
7.1.4. Классификация методов, решаемые задачи и схема установки ГИС
7.1.1. Некоторые сведения из истории ГИС
Известно, что еще 6000 лет тому назад египтяне бурили скважины при постройке пирамид. Свыше 2000 лет в Китае в большом количестве бурились скважины для добычи соляных растворов. Судя по описаниям французского миссионера Имберта, жившего в Китае в XIX в., имелось большое количество таких скважин диаметром 12–15 см и глубиной до 900 м. Бурение первых скважин в России относится к IX веку и тоже связано с добычей растворов поваренной соли (Старая Русса).
Первая нефтяная скважина была случайно пробурена в США в 1826 г. близ Бернсвилла в Кентукки также при поисках соляных рассолов. Известным геологом-нефтяником Д. В. Голубятниковым в 1908 г. на нефтяных промыслах в Баку были впервые проведены температурные измерения в скважинах с целью определения обводняющихся пластов. В 1926 г. профессор Парижской высшей горной школы Конрад Шлюмберже предложил в целях исследования скважин использовать модификацию разработанного им метода полевой электрической разведки. Высокая информативность предложенного метода обусловила его быстрое внедрение в нефтяную промышленность и способствовала созданию других бескерновых методов исследования скважин, что, в свою очередь, привело к резкому увеличению эффективности буровых работ.
Самую глубокую в мире скважину пробурили в бывшем СССР на севере Кольского полуострова. Ее глубина составила 12 262 м. Значение этого грандиозного научного эксперимента для науки о Земле трудно переоценить. Данные, полученные в ходе работ, в том числе с помощью более чем трех десятков геофизических методов исследования скважин, опровергли многие прежние научные гипотезы о строении земной коры и процессах образования полезных ископаемых.
До создания ГИС для геологической документации велся отбор керна — цилиндрических образцов горных пород. Отбор керна резко увеличивает стоимость и время бурения. Изучение керна в петрофизических лабораториях также приводит к возрастанию стоимости и времени необходимых исследований. Кроме того, вынос керна часто далек от 100 %, физические характеристики горных пород изменяются в процессе бурения и подъема керна на поверхность, керн характеризуется малым радиусом исследования, его трудно привязать по глубине. С помощью исследования керна практически невозможно решать задачи контроля разработки месторождений.
В отличие от изучения керна методы ГИС дают сплошную, точно привязанную по глубине информацию с бОльшим радиусом исследований. Стоимость и время проведения ГИС не приводят к существенному удорожанию или увеличению продолжительности бурения.
Так как физические свойства горных пород связаны с их минеральным составом, флюидонасыщенностью и текстурно-структурными характеристиками, то измеряемые с помощью ГИС параметры позволяют судить об этих характеристиках. Наука о связи физических и геологических характеристик горных пород называется петрофизикой.
Вместе с тем ГИС не позволяют полностью отказаться от отбора керна. Существуют задачи, которые можно решать только с помощью кернового материала: детальное изучение условий осадконакопления и диагенеза, минерального состава и некоторые другие. Кроме того, хотя корреляционные связи между геологическими и физическими параметрами достаточно тесны, их детализация для каждого нового района может быть достигнута лишь на основе лабораторных исследований керна. Иными словами, результаты исследований керна должны использоваться для настройки методов ГИС — получения детальных (для конкретных отложений) зависимостей «керн — ГИС».
Таким образом, ГИС совместно с петрофизическими исследованиями кернового материала составляют единый процесс изучения околоскважинного и межскважинного пространства. В настоящее время керн отбирается лишь в отдельных скважинах, число скважин, бурящихся с полным отбором керна, составляет несколько процентов от их общего числа, а методы ГИС стали обязательной и неотъемлемой частью геолого-геофизических исследований.
7.1.3. Характеристика скважины как объекта исследования
Скважина — горная выработка, длина которой много больше ее диаметра. Различают устье, забой и ствол скважины. Скважины делятся на вертикальные, наклонные и горизонтальные, а по глубине бурения — на мелкие (< 1000 м), глубокие (1000–5000 м) и сверхглубокие (> 5000 м).
Мелкие частицы разбуриваемых пород — шлам — выносятся на поверхность с помощью сжатого воздуха, воды или специальной жидкости. При бурении нефтегазовых скважин обычно используют специальную промывочную жидкость (ПЖ), часто называемую буровым раствором.
В зависимости от назначения скважины, типа пород и метода бурения используют различные типы ПЖ, оказывающих существенное влияние на специфику геофизических исследований и технологию их проведения. По данному признаку скважины можно подразделить на четыре группы: сухие (пробуренные с продувкой воздуха); пробуренные на воде; на электропроводящем, глинистом растворе на водной основе (РВО); на неэлектропроводящем, нефильтрующемся растворе на нефтяной основе (РНО).
В процессе бурения скважина нарушает естественное залегание горных пород. Плотные сцементированные породы изменяются мало, и скважинный диаметр практически равен диаметру бурового долота (рис. 7.1). В рыхлых, хрупких, трещиноватых, растворимых породах образуются каверны — диаметр скважины увеличивается. Во избежание неконтролируемого выброса пластового флюида утяжеляют столб ПЖ с помощью специальных высокоплотных присадок так, чтобы гидростатическое давление на пласт было не меньше пластового.
Рис. 7.1. Схема участка разреза горных пород в необсаженной (а)
и обсаженной колонной (б) скважинах (по Д. И. Дьяконову):
1 — известняк плотный; 2 — глина; 3 — песчаник проницаемый;
4 — зона проникновения фильтрата бурового раствора;
5 — промытая зона; 6 — глинистая корка; 7 — цемент;
8 — колонна; dс, dк, dок, Dзп, Dпп — диаметры скважины, каверны,
обсадной колонны, зоны проникновения и промытой зоны
соответственно; hгк — толщина глинистой корки; h — мощность пласта
Подавляющее большинство скважин бурятся на РВО. Избыточное давление на пласт приводит к фильтрации РВО в проницаемые породы — коллекторы воды, нефти или газа. Средний диаметр пор горных пород редко превышает 100 микрометров. Размер глинистых частиц, содержащихся в РВО, больше этой величины. Поэтому глинистые частицы оседают на стенках скважины, образуя глинистую корку. По мере своего роста глинистая корка герметизирует стенку скважины и со временем практически прекращается фильтрация жидкости в пласт (см. рис. 7.1 а). Толщина корки может достигать 2 см и выше.
Фильтрат ПЖ, проникая в пласт, смешивается с первоначальной пластовой жидкостью и одновременно оттесняет ее. В результате образуется зона проникновения фильтрата, в которой по мере удаления от скважины к неизмененной части пласта объем фильтрата в единице объема порового флюида постепенно уменьшается до нуля. Диаметр зоны — размер зоны в радиальном направлении — может достигать нескольких метров. Часть зоны проникновения, расположенная непосредственно около стенки скважины, в которой фильтрат практически полностью вытеснил пластовый флюид, называют промытой зоной. Толщина промытой зоны может доходить до 10 см.
Наличие глинистой корки может служить признаком коллектора. В трещиноватых коллекторах с большой раскрытостью трещин глинистая корка может и не образовываться. Для изучения ближней зоны, измененной проникновением фильтра ПЖ в пласт, созданы специальные приборы — микроустановки (микрозонды), а для изучения неизмененной части пласта — макроустановки (макрозонды). Последние отличаются от первых большей глубиной исследования в радиальном направлении. Совместное использование микро- и макрозондов позволяет учесть влияние глинистой корки, промытой зоны, зоны проникновения, а также вмещающих пород и, в результате, определить искомые параметры неизменной части пласта.
Если скважина пробурена на РНО, фильтрация практически отсутствует и зона проникновения не образуется.
По окончании бурения и проведения ГИС в открытом стволе, в скважину с целью укрепления ее стенок и разобщения пластов коллекторов обычно опускают соединенные между собой трубы, образующие обсадную колонну (см. рис. 7.1 б). Такой процесс называется обсадкой. Трубы могут быть электропроводящие (металлические, металлопластиковые) и неэлектропроводящие (пластиковые). При обсадке глубоких скважин обычно используют металлические трубы. Пространство между колонной и стенкой скважины — затрубное пространство — заполняют цементным раствором — цементируют. При эксплуатации для обеспечения притока пластовой жидкости в обсадке скважины против коллекторов создают перфорационные отверстия. Такая операция называется перфорацией.
Наличие электропроводящей колонны исключает применение электрических или электромагнитных методов. Ядерно-физические, сеймоакустические, термические и некоторые другие методы можно применять как в открытой, так и в обсаженной скважине. Методы ГИС в обсаженных скважинах применяют при контроле разработки нефтегазовых залежей, оценки качества крепления скважины и других целей.
7.1.4. Классификация методов, решаемые задачи и схема установки ГИС
Классификацию методов ГИС проводят по типу изучаемых физических полей. В этой связи различают электрические и электромагнитные, радиоактивные (ядерно-физические), сейсмоакустические (в том числе ультразвуковые), термические, магнитные, геохимические, механические и др. К настоящему времени создано более 50 методов и модификаций.
К наиболее широко решаемым методами ГИС задачам можно отнести следующие:
• изучение геологических разрезов скважин;
• выявление и оценку полезных ископаемых;
• контроль разработки месторождений нефти и газа;
• изучение технического состояния скважин;
• решение задач экологического характера;
• получение информации для интерпретации результатов исследований полевыми геофизическими методами.
Схема установки для проведения ГИС показана на рис. 7.2. Она содержит скважинный измерительный прибор — зонд конкретного метода ГИС 1, спускаемый на кабеле 2. Кабель намотан на барабан лебедки каротажного подъемника 5, установленной на транспортном средстве 6. В зонде располагаются датчики физических величин и электронные узлы, питаемые по кабелю. Прибор опускают в скважину через направляющий блок 4 и блок-баланс 3. Сигналы от датчиков зонда передаются по кабелю на поверхность через соединительный кабель 8 в геофизическую лабораторию 7. В ней ведется аналоговая (в виде диаграмм) или цифровая автоматическая их регистрация. Подъемник 5 и геофизическую лабораторию 7 называют каротажной станцией. В настоящее время аппаратура и спускоподъемное оборудование обычно размещают в одной машине.
Рис. 7.2. Схема установки для геофизических исследований скважин
(по Д. И. Дьяконову). Условные обозначения в тексте
В последние годы в мире увеличились глубины скважин, объем бурения, усложнились структуры изучаемых залежей, появились горизонтальные скважины, быстро развивалась электронно-вычислительная техника. Все это определило создание новых высокопроизводительных цифровых приборов (скважинный акустический телевизор, зонд для углеродно-кислородного каротажа); комбинированных скважинных приборов (в том числе автономных скважинных приборов для исследования скважин в процессе бурения), сочетающих одновременную регистрацию нескольких физических величин; цифровых компьютеризированных каротажных станций.