Геофизика

7.8.1. Нефтегазовые месторождения

7.8.2. Угольные и рудные месторождения

* * *

Задачи, стоящие перед геофизической службой, можно решать только на основе комплексного применения геофизических методов, имеющих различную физическую основу (электрическую, радиоактивную, акустическую и т. д.). В особой мере сказанное касается геофизических исследований скважин, где сама технология получения информации, от скважинных измерений до заключительного этапа интерпретации, отличается комплексностью. Сходство задач и способов их решения при поисках, разведке и контроле разработки месторождений однотипных полезных ископаемых в различных районах позволило выработать стандартные комплексы ГИС, зависящие от типа скважин. Эти комплексы состоят из обязательных и дополнительных исследований. В свою очередь обязательные исследования включают общие исследования по всему стволу скважины и детальные — в перспективных интервалах. Рассмотрим кратко основные аспекты комплексирования методов ГИС в случае нефтегазовых, угольных и рудных месторождений. Сокращенные обозначения методов ГИС указаны в табл. 7.1.

Таблица 7.1. Основные методы геофизических исследований в скважинах (ГИС)

Группа	Название метода	Измеряемые параметры и краткие пояснения	Основные решаемые задачи
Электрические и электромагнитные	Каротаж потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС)	Постоянные естественные потенциалы, созданные в горных породах с разной электрохимической активностью	Расчленение разрезов по степени глинистости, выделение коллекторов, сульфидных руд, углей, графитовых сланцев и водоупоров
	Каротаж вызванных потенциалов (ВП)	Потенциалы, вызванные искусственно из-за способности горной породы поляризоваться при протекании через нее постоянного или низкочастотного тока	Выявление и оценка сульфидных руд, угля, графитов, сланцев, осадочных горных пород с разной литологией, обводненностью и минерализацией подземных вод
	Каротаж сопротивления (КС) нефокусированными зондами: потенциал-зонд (ПЗ) и градиент-зонд (ГЗ)	Кажущееся удельное электрическое сопротивление горных пород, измеренное с помощью квазипостоянного источника электрического поля	Корреляция разрезов, выделение коллекторов, водоупоров, рудных и нерудных пластов
	Боковое каротажное зондирование (БКЗ)	То же, применяют зонды КС различных размеров	Определение удельного электрического сопротивления коллекторов, их нефтегазонасыщенности
	Каротаж сопротивления (КС) фокусированными зондами — боковой каротаж (БК)	То же, потенциал-зонд КС с фокусировкой тока	Изучение разрезов, сложенных породами высокого удельного электрического сопротивления, в том числе коллекторов
	Микрокаротаж (МПЗ и МГЗ) — микрозондирование (МКЗ)	То же, с микрозондами КС	Выделение проницаемых пластов-коллекторов
	Боковой микрокаротаж (БМК)	То же, микрокаротаж с фокусировкой тока	Изучение остаточной нефтегазонасыщенности в промытой зоне коллектора, определение наклона пласта
	Индукционный каротаж (ИК)	Кажущаяся удельная проводимость горных пород, изучаемая с помощью искусственно созданного переменного электромагнитного поля	Изучение разрезов, сложенных породами низкого удельного электрического сопротивления, определение наклона пласта
	Высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование (ВИКИЗ)	То же, применяют зонды ИК разной длины	Определение удельного электрического сопротивления коллекторов, сложенных породами низкого удельного сопротивления, диаметра зоны проникновения
	Диэлектрический каротаж (ДК)	Диэлектрическая проницаемость горных пород, определяемая с помощью искусственно созданного переменного электромагнитного поля высокой частоты	Оценка водонасыщенности коллектора, глинистости пород
Радиометрические	Гамма-каротаж (ГК)	Естественная суммарная интенсивность излучения гамма-квантов горными породами	Корреляция разрезов скважин, выделение радиоактивных пород, прослоев руд, углей, коллекторов, оценка их глинистости, взаимная увязка по глубине других методов
	Спектрометрический гамма-каротаж (СГК)	Содержание в горной породе радиоактивных элементов калия, урана и тория, являющихся основными источниками естественного излучения гамма-квантов	Корреляция разрезов скважин, определение вида глинистости, минерального состава глин, пористости коллекторов
	Плотностной гамма-гамма-каротаж (ГГК-П)	Интенсивность рассеянного (вторичного) излучения гамма-квантов горных пород, с помощью искусственно созданного стационарного потока гамма-квантов	Определение плотности горных пород, а также пористости, изучение технического состояния скважины
	Селективный гамма-гамма-каротаж (ГГК-С)	То же, с помощью искусственно созданного стационарного мягкого потока гамма-квантов	Определение содержания свинца, ртути, сурьмы, железа и др. и зольности углей по корреляционным связям с эффективным атомным номером и плотностью породы
	Рентгенорадиометрический каротаж (РРК)	Характеристическое рентгеновское излучение, с помощью искусственно созданного стационарного потока гамма-квантов низкой энергии	Определение содержания рудных элементов от железа до свинца
	Нейтронный каротаж (НК): нейтрон-нейтронный каротаж (ННК) и нейтронный гамма-каротаж (НГК)	Интенсивность рассеянного (вторичного) излучения нейтронов (ННК) или гамма-квантов (НГК), с помощью искусственно созданного стационарного потока нейтронов	Оценка водородсодержания, определение пористости коллекторов, мониторинг водонефтяного и газожидкостного контактов при высокой минерализации пластовых вод
	Спектрометрический нейтронный гамма-каротаж (СНГК)	Энергии и количество рассеянных (вторичных) гамма-квантов, с помощью искусственно созданного стационарного потока нейтронов	Выделение и оценка содержания железа, никеля, хрома, титана, хлора, марганца, меди, серы, ртути и др.
	Импульсный нейтронный каротаж (ИНК): импульсный нейтрон-нейтронный каротаж (ИННК) и импульсный нейтронный гамма-каротаж (ИНГК)	Интенсивность рассеянного (вторичного) излучения нейтронов излучения (ИННК) или гамма-квантов (ИНГК), с помощью искусственно созданного нестационарного потока нейтронов	То же, что и в методе НГК, но более точное определение количества водорода в породах, в том числе при сравнительно малой минерализации пластовых вод
Радиометрические	Спектрометрический импульсный нейтронный гамма-каротаж (СИНГК)	Энергии и количество рассеянных (вторичных) гамма-квантов, с помощью искусственно созданного нестационарного потока нейтронов	Определение содержания углерода, кислорода, водорода, кремния, кальция, железа, хлора и др.; оценка пористости, литологического состава и нефтегазонасыщенности пород
	Ядерно-магнитный каротаж (ЯМК)	Индекс свободного флюида, полученный путем создания сильного магнитного поля, перпендикулярного полному вектору магнитного поля Земли	Определение эффективной пористости пород-коллекторов, их водородсодержания
Сейсмоакустические	Акустический каротаж (АК)	Интервальное время, скорость и затухание головных волн и волны Лэмба — Стоунли, с помощью импульсного источника акустических волн	Оценка пористости и типа порового пространства, характера насыщения, проницаемости, прочностных свойств горных пород; получение данных для интерпретации материалов сейсморазведки; изучение технического состояния скважины
	Скважинное акустическое телевидение (САТ)	Амплитуда отраженного сигнала от стенки скважины, с помощью импульсного источника акустических волн	Определение местоположений трещиноватых, кавернозных и слоистых пород; изучение технического состояния скважины
	Вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП)	Сейсмические волны, вызванные приповерхностным источником возбуждения упругих волн	Выявление природы волн наземной сейсморазведки, изучение геометрии границ около скважины, прогнозирование разреза ниже забоя скважины
Термические	Метод естественного (регионального и локального) теплового поля	Температура на разных глубинах в скважине	Решение региональных задач геотермии, выявление коллекторов, сульфидов, углей, солей, контроль разработки нефтегазовых месторождений, изучение технического состояния скважины
	Метод искусственного теплового поля	Температура в скважине при смене нагретой скважинной жидкости	То же
Магнитные	Скважинная магниторазведка (СМ)	Вектор геомагнитного поля Земли	Выявление намагниченных тел, определение их размеров и форм
	Каротаж магнитной восприимчивости (КМВ)	Магнитная восприимчивость, определяемая с помощью искусственно созданного переменного электромагнитного поля	Выделение рудных зон, оценка содержания железа

7.8.1. Нефтегазовые месторождения

При поиске, разведке и контроле разработки нефтегазовых месторождений методы ГИС играют наибольшую роль, так как исследования керна не могут обеспечить получения всей необходимой информации из-за больших глубин, высоких темпов бурения и особенностей нефти и газа, связанных с их подвижностью.

Поиск и разведка нефтегазовых месторождений. Основные задачи ГИС на стадиях поисков и разведки месторождений делят на оперативные, связанные с исследованием отдельных скважин, и сводные, связанные с исследованием месторождения в целом. К первым относят литологическое расчленение разрезов, выделение коллекторов, оценку их коллекторских свойств и эффективных мощностей. Ко вторым — построение типовых и нормальных геолого-геофизических разрезов, корреляционных схем, профильных геолого-геофизических разрезов, структурных карт, карт равных мощностей, определение граничных значений параметров и т. д.

Литологическое расчленение разрезов и выделение коллекторов нефтегазовых скважин — задача классификационного характера, состоящая в разделении изучаемых объектов-пластов на классы (литотипы) согласно набору наиболее существенных признаков, определяемых по комплексу методов ГИС.

В терригенном разрезе наиболее информативными с точки зрения литологического расчленения в общем случае являются кавернометрия, методы КС, микрозондирование, ПС, ИК, ГК, ГГК-П и НГК. В карбонатном разрезе — кавернометрия, БК, БМК, ГК, ГГК-П, ННК и АК. В обоих случаях перспективно применение спектрометрических модификаций ядерно-физических методов.

Выделение коллекторов проводят на основе прямых и косвенных признаков. Например, в случае терригенных коллекторов к прямым признакам можно отнести: уменьшение диаметра скважины (dС < dH); расхождение диаграмм микрозондов (МПЗ > МГЗ), вызванное наличием глинистой корки; радиальное изменение УЭС, устанавливаемое по измерению показаний электрических и электромагнитных методов с разной глубинностью; изменения показаний геофизических методов при повторных исследованиях, возникающие из-за формирования или расформирования зоны проникновения за счет специального воздействия на эту зону. К косвенным признакам относится использование количественных критериев, таких как значения kП, kГЛ, αПС, ∆Iγ и других параметров, соответствующих границе «коллектор — неколлектор».

На рисунке 7.39 дан пример литологического расчленения терригенного разреза и выделения коллекторов. Глины отличаются минимальными показаниями на диаграммах ПС, КС, БК, НГК, максимальными — на диаграммах ИК, кавернометрии и ГК. Для нефтенасыщенных песчаников характерны: глинистая корка; максимальное расхождение показаний микрозондов; высокие значения ∆UПС и ρК, средние Inγ; минимумы на диаграммах ИК. В водоносных песчаниках амплитуды ∆UПС достигают максимумов, кажущееся удельное сопротивление снижается.

Рис. 7.39. Пример литологического расчленения терригенного разреза
и выделения коллекторов по комплексу методов ГИС:

1 — глина; 2 — пористые песчаники; 3 — плотные песчаники;
4, 5 — нефте- и водонасыщенные интервалы соответственно

Определение коэффициента пористости (kП) чистых (неглинистых) водонасыщенных коллекторов с гранулярной пористостью возможно по данным какого-либо одного метода ГИС — электрического, нейтронного, акустического. Во всех остальных случаях применяют комплексирование методов. Оценку нефтегазонасыщенности выполняют, используя электрические, электромагнитные и ядерно-физические методы ГИС. Определение эффективной мощности коллекторов (hЭФ) возможно только на основе анализа сплошной информации о разрезе, получаемой с помощью ГИС. Под эффективной мощностью имеют в виду суммарную по вертикали мощность прослоев, обладающих эффективной пористостью (см. 7.3.6), в интервале между кровлей коллектора и контактом нефти или газа с водой.

Построение типовых и нормальных геолого-геофизических разрезов проводят на основе данных скважин, бурящихся с максимальным отбором керна, так как это позволяет увязать показания методов ГИС с литологией пород. Результатом увязки является типовой геолого-геофизический разрез — комплекс диаграмм, наиболее информативных в данном районе, сопоставленный со стратиграфией и литологией изучаемых отложений. Нормальный геолого-геофизический разрез отличается тем, что в нем указываются истинные мощности пластов, горизонтов и свит, полученные умножением их видимых мощностей на косинусы средних углов падения. Для этого применяют пластовую наклонометрию. С помощью типовых и нормальных разрезов устанавливают отличительные признаки и их численные значения, которые далее используют для литологического и стратиграфического расчленения разрезов скважин, пробуренных без отбора керна.

Корреляцию разрезов скважин по геофизическим данным проводят для выяснения характера изменения мощности и литологии отложений, слагающих разрез изучаемого района. Корреляция требует выделения реперов — участков диаграмм, выдержанных в пределах исследуемого района. Выделение реперов проводят с помощью типовых и нормальных разрезов.

Построение профильных геолого-геофизических разрезов проводят вдоль направлений, ориентированных вкрест изучаемых структур, используя корреляционные схемы. Важную роль при этом играют данные пластовой наклонометрии. Эффективность построения профильных разрезов существенно повышается при комплексном применении методов каротажа, скважинной и наземной геофизики. В этом случае информацию о разрезе можно получить при меньшем числе скважин. Корреляционные схемы и разрезы используют для построения структурных карт, карт равных мощностей и других геологических документов.

7.8.2. Угольные и рудные месторождения

Роль ГИС при поисках, разведке и эксплуатации угольных и рудных месторождений весьма значительна.

Угольные месторождения. Основные задачи, решаемые методами ГИС, состоят в литологическом расчленении разреза скважин, выявлении пластов бурых и каменных углей, антрацитов и горючих сланцев, определении их мощности и строения, оценке качества (в первую очередь — зольности, т. е. несгораемого остатка). Литологическое расчленение разрезов угольных скважин, которые обычно бурят в осадочных породах, осуществляют, в общем, теми же методами, что и в нефтегазовых скважинах. Основную роль играют ГК, ГГК-П, НГК, методы электрометрии — КС, ИК, ПС. Трещиноватые и разуплотненные породы, а также минерализованные разности выделяют с помощью кавернометрии, методов АК, ГГК-П, КС, НГК. Выделение пластов углей и горючих сланцев проводят комплексом методов ГИС, аналогичным литологическому расчленению разрезов. Во многих случаях угли надежно выделяются по комплексу ГК + ГГК-П, так как плотность углей всегда на 0,4–1,0 г/см3 ниже плотности вмещающих пород, а естественная радиоактивность углей также оказывается ниже, чем у вмещающих пород. Однако из-за малой мощности продуктивных пластов возрастает роль микрометодов КС и ГГК-С. При подсчете запасов учитывают полезную мощность. Оценка зольности углей и горючих сланцев может быть выполнена на основе корреляционных связей между этим параметром и показаниями методов ГИС. С зольностью связаны естественная радиоактивность, удельное электрическое сопротивление, плотность. Связь зольности с естественной радиоактивностью обусловлена тем, что основную часть минеральных веществ составляет глинистый материал, адсорбирующий радиоактивные элементы. Удельное электрическое сопротивление у каменных и бурых углей убывает, а у антрацитов — возрастает. Существует тесная связь между зольностью и эффективным атомным номером породы (ZЭФ), поэтому для определения зольности можно применять ГГК-С. Строение угольных пластов изучают путем корреляции разрезов скважин, привлекая методы наземной и особенно скважинной геофизики. Корреляцию разрезов скважин, как и в нефтегазовой геофизике, производят на основе типовых геолого-геофизических разрезов, в которых выделяют пласты угля, вмещающие породы, стратиграфические комплексы.

Рудные месторождения. Основные задачи ГИС на рудных месторождениях: литологическое расчленение и корреляция разрезов скважин, выявление и количественная оценка руд в разрезах скважин и в межскважинном пространстве, изучение инженерно-геологической и гидрогеологической обстановки. В целом применение методов ГИС позволяет существенно повысить эффективность решения этих задач по сравнению с решениями, основанными только на сплошном отборе керна. Задачи выявления руд и их количественной оценки в отличие от нефтегазовых и угольных месторождений являются более специфическими.

Руды черных металлов содержат железо, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий. Так, железо добывают из руд, обладающих часто повышенной магнитной восприимчивостью, низким удельным электрическим сопротивлением, сравнительно высокими плотностью и ZЭФ, относительно высокой активностью поглощения нейтронов, поэтому для выделения руды применяют методы ГГК-П, ГГК-С, КС, ПС, ННК-Т, СНГК, СИНГК. Ведущий метод выделения и опробования руд магнетитовых месторождений, содержащих основные запасы железа, — КМВ (см. рис.7.38). Марганец характеризуется относительно высокими сечениями захвата тепловых нейтронов, высокой интенсивностью гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ), часто повышенной магнитной восприимчивостью и плотностью. В этой связи на каротажных диаграммах породы выделяют по снижению показаний ННК-Т и ГГК-П, росту магнитной восприимчивости и с помощью спектра ГИРЗ (СНГК, СИНГК). Никель извлекают из сульфидных медно-никелевых и силикатно-никелевых руд. Для сульфидных руд в целом характерна электронная или частично-электронная проводимость, поэтому их выделяют такими методами электрического каротажа, как ВП, КС, ПС. Если вмещающие породы имеют низкое УЭС, применяют ГГК-П и ГГК-С. Вольфрам содержится в рудах, характеризующихся высоким значением ZЭФ, что позволяет выделить руды с помощью ГГК-С. Так как вольфрам является тяжелым элементом, то он сравнительно легко идентифицируется и оценивается с помощью РРК. Ванадий выделяют и оценивают с помощью ядерно-физических методов.

Цветные металлы в основном извлекают из полиметаллических сульфидных руд, содержащих медь, цинк, мышьяк, серебро, олово, сурьму, ртуть, свинец. Выделение сульфидных руд осуществляют методами ВП, ПС, КС. Оценку, например, содержания алюминия в бокситах выполняют по интенсивности гамма-излучения распада изотопа 28Al, образующегося в результате радиационного захвата тепловых нейтронов. Редкие и благородные металлы содержатся в горных породах в малых концентрациях, что затрудняет их выделение и оценку, однако во многих случаях они характеризуются аномальными ядерно-физическими свойствами, поэтому решение задачи упрощается. Редкоземельные элементы в значительной своей части характеризуются аномально высокими сечениями радиационного захвата, поэтому увеличение их содержания в породе приводит к уменьшению показаний ННК-Т и НГК. Урановые оруденения выделяют на диаграммах ГК по резким максимумам. Для оценки влияния тория применяют СГК. Положительные результаты дает метод РРК.