Геофизические исследования в скважинах - ГИС
Последние 15 лет мне довелось создать в трёх компаниях геофизическую службу, в том числе и каротажные отряды, поэтому мои повествования будут на основе личного опыта. Теория заимствована из лекций моего коллеги из родного института ( УГГУ ) Сковородникова И.Г., который читает этот курс с 1979 года.
Планирую четыре публикации на тему ГИС:
1. Теоретические основы некоторых методов каротажа.
2. Каротажные станции
3. Скважинные приборы
4. Результаты каротажа на рудных объектах и в гидрогеологических скважинах
Для тех, кто дочитает до конца 4 публикации, расскажу о особых приёмах каротажа в сложных геологических условиях ( когда скважина «валит») и особенностях каротажа ВП в рудных скважинах.
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 бес керновому 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. 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.
В ГИС выделяют три больших раздела: каротаж, операции в скважинах и скважинную геофизику.
Началу изучения физических полей в скважинах положили французы – братья Мишель и Конрад Шлюмберже.
Основной обьём практических исследований выполнялся в Баку, начиная с 1929 года. Ими были предложены к использованию каротаж по сопротивлениям, собственной и вызванной поляризации и кавернометрия.
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.
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 - высокая детальность и точность исследований. Эта особенность связана с тем, что результаты каротажа фиксируются в виде непрерывных диаграмм при движении датчиков ( зондов) по стволу скважины с очень небольшим шагом дискретизации, порядка 10 см.и цифровых XLS файлов.
Каротаж позволяет выполнять литологическое расчленение разрезов скважин, выделять в них интервалы полезного ископаемого и определять
физические свойства горных пород и полезных ископаемых. 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.
Подробно рассмотрим только два метода электрокаротажа -КС, ПС как наиболее распространённые.
Каротаж кажущегося сопротивления основан на изучении удельного электрического сопротивления горных пород. Любые измеряемые в скважине геофизические параметры определяются не только физическими свойствами пласта изучаемой породы, но и мощностью пласта, диаметром скважины, физическими свойствами бурового раствора, глубиной и физическими свойствами зоны проникновения фильтрата бурового раствора в породы, толщиной и физическими свойствами глинистой корки, размерами скважинных измерительных устройств. Вследствие этого измеренное удельное сопротивление не равно истинному удельному сопротивлению исследуемой породы, и поэтому оно получило название кажущегося сопротивления (Rk).
Кажущееся сопротивление в неоднородной среде рассчитывается по формуле rk = K DU/ I, где:
K - коэффициент установки (зонда). Поскольку измеряемая разность потенциалов характеризует приёмную линию (MN), а величина тока I – питающую линию (AB), то коэффициент зонда K определяет: - какая доля тока питающей линии теоретически приходится на участок приёмной цепи между электродами M и N.
DU - разность потенциалов между измерительными Каротаж кажущегося сопротивления основан на изучении удельного электрического сопротивления горных пород. Любые измеряемые в скважине геофизические параметры определяются не только физическими свойствами пласта изучаемой породы, но и мощностью пласта, диаметром скважины, физическими свойствами бурового раствора, глубиной и физическими свойствами зоны проникновения фильтрата бурового раствора в породы, толщиной и физическими свойствами глинистой корки, размерами скважинных измерительных устройств. Вследствие этого измеренное удельное сопротивление не равно истинному удельному сопротивлению исследуемой породы, и поэтому оно получило название кажущегося сопротивления (Rk).
Кажущееся сопротивление в неоднородной среде рассчитывается по формуле rk = K DU/ I, где:
K - коэффициент установки (зонда). Поскольку измеряемая разность потенциалов характеризует приёмную линию (MN), а величина тока I – питающую линию (AB), то коэффициент зонда K определяет: - какая доля тока питающей линии теоретически приходится на участок приёмной цепи между электродами M и N.
DU - разность потенциалов между измерительными электродами зонда,
I - сила тока, питающего зонд.
Коэффициент K определяется по формулам:
K= (4pAM*AN) / MN для однополюсного зонда;
K= (4pAM*BM) / AB для двухполюсного зонда;
где:
4p коэффициент, учитывающий объёмный характер измерений;
AM, AN, MN, BM, AB расстояние между электродами, метр.
Электроды A, M и N или A, B и M, расположены на корпусе скважинного прибора и составляют зонд КС.
Кажущееся сопротивление среды равно удельному сопротивлению фиктивной однородной среды, в которой измененная при заданных расстояниях между питающими и приемными электродами A, M, N и токе питания I разность потенциалов DU, имеет ту же величину, что и в реальной неоднородной среде. Кажущееся сопротивление относится к точке“О” - середине между сближенными электродами. Она называется точкой записи.
По аналогии с понятием глубины наземных геофизических исследований в каротаже рассматривают понятие радиуса исследований. Для разных методов каротажа величина глубины исследований определяется по-разному. В частности, радиус исследования потенциал - зонда принят равным его двукратной длине (2L), а градиент - зонда = L. Необходимо отметить, что взаимное расположение электродов зонда определяет и общий вид кривой кажущегося сопротивления.
Литологическая дифференциация пород разреза скважины основывается на знании удельных электрических сопротивлений геологических формаций, слагающих разрез исследуемой скважины. Если скважина пробурена в песчано-глинистых отложениях, то низкие сопротивления характерны для глин и песков, насыщенных высокоминерализованными растворами (применительно к ПВ). Высокие сопротивления наблюдаются в песчаниках, известняках и гравелитах. Так как часто в разрезах скважин встречаются различные породы близкого электрического сопротивления, то их диагностика производится на привлечении материалов кернового бурения скважин изучаемой площади и комплексного анализа диаграмм разных методов исследования скважин.
Зонды применяющиеся при электрокаротаже
Обычно в питающей линии пропускают постоянный или низкочастотный переменный ток и между двумя или более приемными электродами измеряется разность потенциалов (или ее эквивалент - кажущееся сопротивление).
Измерительные электроды MN и питающие электроды АВ в электрозонде называются парными или одноименными.
В практике исследования разрезов скважин ПВ методом кажущегося сопротивления используются зонды двух типов: это градиент-зонд и потенциал-зонд.
Градиент-зондом - называют установку у которой, расстояние между парными электродами меньше, чем расстояние между непарными электродами.
Потенциал-зонд - называют установку у которой, расстояние между парными электродами больше, чем расстояние между непарными .
Пласт высокого сопротивления выделяется на диаграмме потенциал - зонда симметричной аномалией с максимумом
Однополюсный-зонд - состоит из одного питающего и двух приемных электродов.
Двухполюсный-зонд - состоит из двух питающих и одного приемного электродов.
По принципу взаимности, кажущееся сопротивление не изменится, если в зонде заданного типа и размера, сохранив расстояние между электродами, взаимно заменить их назначение, т.е. перейти от однополюсной схемы питания к двухполюсной. Принцип взаимности позволяет распространить все теоретические выводы для однополюсных зондов на двухполюсные, в частности, это относится к коэффициентам зондов и характеру кривой rk.
Если парные электроды зонда расположены ниже непарного, то такой зонд называется последовательным или подошвенным (рис. 6, 6а, 7, 7а), но если парные электроды находятся выше непарного, то такой зонд будет называться обращенным или кровельным (рис. 8, 8а, 9, 9а). Характер кривых rk и, следовательно, способ их интерпретации (в частности, отбивка границ пластов) сильно зависят от взаимного расположения электродов, и потому для последовательного и обращенного зондов они различны.
В практике геофизических исследований считается обязательным диаграмму каротажа сопровождать формулой зонда, т. е. схемой расположения электродов при которой эта диаграмма получена.
Формула зонда - представляет собой описание зонда (т.е. перечисление расположения электродов от кабельной муфты до нижнего конца зонда с указанием расстояния между ними в метрах). В формуле зонда отражается вся информация о типе и конструкции зонда. Например: А 1,0 В 0,1 М – потенциал – зонд, с расстоянием между парными питающими электродами ( А1,0 В) – 1,0 м и расстоянием от среднего электрода «В» до непарного измерительного электрода М - 0.1 м. Размером потенциал – зонда является расстояние между непарными электродами, т.е. 0.1 м.
А 1,0 М 0,1 N – подошвенный градиент – зонд, с расстоянием между парными приёмными электродами (М 0,1 N) – 0,1 м и расстоянием от верхнего электрода «А»до измерительного электрода М - 1.0 м. Размером градиент – зонда является расстояние между непарными электродами, т.е. 1.0 м.
Принято считать, что глубиность исследования градиент зонда равна 1 – кратной длине зонда, а потенциал – зонда – 2.5 – кратной длине зонда.
Потенциал собственной поляризации (ПС)
Потенциалы собственной поляризации горных пород в скважине возникают в результате окислительно - восстановительных, диффузионно -адсорбционных и фильтрационных процессов. Свойство горных пород поляризоваться под действием перечисленных физико-химических процессов называется естественной электрохимической активностью. В зависимости от физико-химической природы поляризующего процесса электрохимическая активность разделяется на следующие виды:
-диффузионно-адсорбционную, определяющую свойства пород изменять величину и знак диффузионных потенциалов;
-окислительно-восстановительную,характеризующую способность горных пород поляризоваться в случае, когда их окислительно-восстановительный потенциал отличается от потенциала окружающей среды;
- фильтрационную, определяющую возникновение электрического поля в породе при перемещении жидкости через её поровое пространство.
Наблюдение естественных потенциалов в скважинах позволяет выделять водоносные пласты, зоны сульфидной минерализации, оценивать общую минерализацию подземных вод и проводить литологическое расчленение разреза скважины.
Для измерения ПС применяют установку, содержащую два электрода M и N. Обычно электрод М перемещается вдоль скважины на кабеле, а электрод N заземляют в зумфе. Поскольку электрод N неподвижен и потенциал его остается неизменным, то кривую, измеренную электродами М и N, можно рассматривать как кривую
изменения потенциала электрода М. Если необходимо более четко выделить границы пластов или снизить влияние сильных блуждающих токов в рудных скважинах, применяют установку градиента потенциала. Она характеризуется тем, что оба измерительных электрода М и N, составляющих зонд ПС, перемещаются вдоль оси скважины. Точкой записи потенциала служит электрод М, а градиента потенциала - середина между электродами М и N. Измеряемая величина D U выражается в милливольтах (мВ). Для обоснования базы (расстояния между измерительными электродами М и N) градиентной установки ПС необходимо диаграмму, записанную потенциальной установкой, продифференцировать с различным расстоянием (20, 30, 50 и т.д. см) и выбрать наиболее выразительную диаграмму, обеспечивающую выделение пластов минимально – разрешённой мощности (обычно 30 см).
При геологической интерпретации кривых ПС необходимо учитывать следующее.
Величина потенциала собственной поляризации находится в тесной зависимости от диффузионно-адсорбционной активности пород, а, следовательно, - от их относительной глинистости.
Если минерализация пластовых вод выше минерализации фильтрата бурового раствора и пластовое давление ниже гидростатического давления раствора на уровне пласта, то в большинстве случаев отрицательными аномалиями ПС отмечаются чистые песчаные, карбонатные и гидрохимические осадки, а положительными аномалиями ПС - глины и сильно заглинизированные породы.
На диаграммах ПС могут наблюдаться аномалии, не связанные с изменением литологии изучаемого разреза, вызванные нестабильностью электродных потенциалов, потенциалами осаждения, наличием электрических полей гальванокоррозии грузов и зондов, блуждающими токами, утечками и другими причинами. Наибольшие помехи создают силовые установки работающего рудника.
В заключение хочется отметить, что при слабой минерализации поровой жидкости (2-5 Ом*м), характерной для большинства гидрогенных месторождений, и электропроводность горных пород и их поляризуемость обусловлены одним и тем же фактором – глинистостью. Именно поэтому диаграммы ПС и КС так хорошо коррелируются между собой в песчано – глинистой части разреза. Некоторое несовпадение диаграмм по форме объясняется, в первую очередь, несколько различной глубиной исследования обеих методов, и, как следствие, различным влиянием скважины на результаты измерений.
