книги / Геофизические исследования скважин

В.М. ДОБРЫНИН Б.Ю. ВЕНДЕЛЫНТЕИН

Р.А. РЕЗВАНОВ А.Н. АФРИКЯН

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ

СКВАЖИН

Под р е д а к ц и е й доктора геолого-минералогических наук В.М. Добрынина,

кандидата технических наук Н.Е. Лазуткиной

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов

Российской Федерации по нефтегазовому образованию в качестве учебника для подготовки бакалавров и магистров по направлению 553600 «Нефтегазовое дело», а также для подготовки дипломированных специалистов по направлению 650700 «Нефтегазовое дело»

специальности 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин»

Издательство Ч Ш «НЕФТЬ И ГАЗ*

РТУнафт игам мм.КМ.ГУБКИНА

МОСКВА 2004

ВВЕДЕНИЕ

Геофизические исследования скважин (ГИС) являются областью прикладной геофизики, в которой современные физические методы исследования вещества используются для геологического изучения разрезов, пройденных скважинами, выявления и оценки запасов по­ лезных ископаемых, получения информации о ходе разработки мес­ торождений и о техническом состоянии скважин.

Применительно к изучению разрезов нефтяных и газовых сква­ жин эти исследования иногда называют промысловой геофизикой. Кроме того, в практике используется термин «каротаж» (франц. carottage от carotte — буровой крен или буквально —морковь). Тер­ мин «каротаж» не соответствует сущности описываемых процессов, и при последующем изложении мы будем отдавать предпочтение более обоснованным научно терминам.

Геофизические методы, используемые для изучения геологи­ ческих разрезов скважин, в зависимости от физических свойств по­ род, на которых они основываются, делятся на электрические, ра­ диоактивные, термические, акустические, геохимические, меха­ нические, магнитные и др.

Сущность любого геофизического метода состоит в измерении вдоль ствола скважины некоторой величины, характеризующейся одним или совокупностью физических свойств горных пород, пере­ сеченных скважиной. Физические свойства пород связаны с их гео­ логической характеристикой, и это позволяет по результатам гео­ физических исследований судить о пройденных скважиной породах. Геофизические исследования в скважинах выполняют с помощью специальных установок, называемых п р о м ы с л о в о - г е о ф и з и ­ ч е с к и м и ( к а р о т а ж н ы м и ) станциями.

Первое изучение физического поля в нефтяных скважинах с при­ кладной целью было проведено в Баку известным геологом Д.В. Го­ лубятниковым, в 1906 г. Д. В. Голубятников, измеряя максимальным термометром температуру вдоль оси скважины, пытался выявить обводняющиеся пласты. Однако должного распространения его ра­ боты не получили.

Толчком к бурному применению геофизических методов для ис­ следования скважин послужили работы профессора Парижской выс­ шей горной школы К. Шлюмберже, который в 1927 г. предложил ис­ пользовать для этой цели разработанный им метод полевой элект­ рической разведки.

И.М. Губкин обладал изумительным чувством нового. Электричес­ кий метод исследования скважин (электрический каротаж) уже в 1929 г. по инициативе И.М. Губкина и Д.В. Голубятникова был с боль­ шим успехом опробован на нефтяных промыслах объединения Грознефть, а позднее — в скважинах объединений Азнефть, Эмбанефть, Майкопнефть. В результате выполненных работ выявились большие

3

возможности нового метода, позволяющего без отбора керна полу­ чать ценную геологическую информацию о разрезе и содержании в нем нефти, что дает возможность значительно увеличивать скорость бурения и экономить средства. Первый положительный результат исследования был получен в скв. 1—35 Новогрозненского района в ноябре 1929 г. Здесь из XIX пласта, рекомендованного геофизиками к испытанию, при отсутствии достаточных признаков нефти в кер­ нах из скважины ударил фонтан с дебитом свыше 100 т/сут.

К работам по быстрейшему внедрению и развитию новой техно­ логии изучения разрезов скважин были привлечены молодые совет­ ские инженеры: К. А. Верпатов, В. Н. Дахнов, И. Г. Дидура, С. Г. Кома­ ров, С. Я. Литвинов, Г. С. Морозов, Г. Н. Строцкий и др. В эти годы на основании наблюдений, выполненных в Азербайджане, создается новый электрический метод — метод потенциалов собственной по­ ляризации (СП), который существенно дополнил метод сопротивле­ ний, увеличив надежность выделения продуктивных пластов.

Развитие новых бескерновых способов изучения разрезов сква­ жин способствовало резкому повышению эффективности буровых работ. В результате уже к 1933 г. электрические исследования сква­ жин получили повсеместное распространение на промыслах Совет­ ского Союза.

Всвою очередь, высокая эффективность электрических методов исследования стимулировала развитие других геофизических иссле­ дований скважин. В 1933 г. в Баку акад. М. В. Абрамович предложил анализировать буровой раствор на содержание в нем углеводород­ ных газов — возникла основа для создания газометрии скважин.

Вэти же годы в Советском Союзе создаются методы скользящих кон­ тактов (А. С. Семенов и О. К. Владимиров), магнитный (В.А. Шпак) и др., за рубежом — метод потенциалов вызванной поляризации (К. Шлюмберже).

В1934 г. ленинградские геофизики Г.В. Горшков, А.Н. Граммаков, В.А. Шпак и Л.М. Курбатов предложили метод естественной радио­ активности, или гамма-метод, а в 1940 г. акад. Б. Понтекорво — нейт­ ронный гамма-метод. Это привело, начиная с 50-х годов, к развитию комплекса современных радиоактивных методов исследования сква­ жин и аппаратуры (Б Б. Лапук, Л.С. Поллак, Г.Н. Флеров, Д.Ф. Беспа­ лов и др.).

В1948— 1953 гг. под руководством Г. Долля были разработаны бо­ ковой и индукционный методы, метод микрозондов, которые в на­ стоящее время широко применяются в промышленности. В 1953— 1958 гг. в Советском Союзе были предложены модификации плотно­ стного и селективного гамма-гамма-методов для поисков рудных месторождений и угля (А. П. Очкур, Ю. П. Булашевич, Г. М. Воско­ бойников и др.).

Успешному развитию геофизических исследований скважин во многом способствовали теоретические разработки в области распро­ странения физических полей. Основоположником теории электри­ ческого метода сопротивлений явился советский ученый, акад.

4

В.А. Фок. Его решение задачи о распространении электрического поля в скважинах было использовано Л.М. Альпиным и С.Г. Кома­ ровым для создания количественной интерпретации результатов метода сопротивлений. Начало работ по теории радиоактивных ме­ тодов исследования было положено в 1948 г. трудами А.И. Заборовского, Г.В. Горшкова и позднее Ю.П. Булашевича и др.

Интенсивное развитие промысловой геофизики способствовало созданию нового научного направления в геологической науке — на­ уки о физических свойствах горных пород, их взаимных связях и закономерностях изменения — петрофизики. Большой вклад в раз­ витие петрофизики внесли В.Н. Дахнов, В.Н. Кобранова, М. ЛОзерская и др. Петрофизика явилась научной базой для количественной геологической интерпретации геофизических данных.

За рубежом значительный вклад в развитие теории геофизичес­ ких методов внесли Г. Долль, Г. Арчи, М. Мартен, Д.Деван, Г. Гюйо, В. Рассел, М. Уайли и другие исследователи; ими же дано петрофи­ зическое обоснование методов.

В последние годы значительно увеличились глубины скважин, значительно усложнились условия их проходки. Это потребовало создания новых высокопроизводительных приборов и аппаратуры на основе достижений электронной техники и широкого внедрения обработки геофизических данных на ЭВМ.

Разработаны комплексные скважинные приборы — агрегатированные системы геофизических скважинных приборов, рассчи­ танные на высокие давления и температуры. Разработаны цифровая и компьютеризированная станции, автономные скважинные прибо­ ры для исследования в процессе бурения, ряд новых приборов (аку­ стический телевизор, пластовый наклономер, мощные генераторы нейтронов и др.). Все эти меры способствовали достижению высоких скоростей в бурении, повышению эффективности разведки.

Одним из новых направлений в промысловой геофизике в после­ дние годы явилось создание аппаратуры и системы геолого-геофизи­ ческого и технологического контроля за бурением и эксплуатацией скважин. Это позволило значительно расширить сферу промысло­ во-геофизических услуг, распространить ее не только на изучение геологического разреза скважин, но и на контроль за процессом стро­ ительства и эксплуатации скважин. Геофизические методы иссле­ дования эксплуатационных скважин стали в настоящее время основ­ ным источником информации о процессе разработки нефтяных и га­ зовых месторождении, при подсчете запасов нефти и газа.

Введение, гл. I (кроме § 7) и § 6 и 7 в гл. VI написаны В. М. Добры­ ниным; гл. II, III, X — Р. А. Резвановым; гл. V, VI (кроме § 6 и 7 ) и § 7 в гл. I — Б. Ю. Венделынтейном; гл. IV, VII—IX и XI — А. Н. Африкяном.

5

Г л а в а I.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН

При проведении исследований скважин электрическими метода­ ми изучают удельное электрическое сопротивление, естественную (собственную) и искусственно-вызванную электрохимические актив­ ности горных пород. На определении удельного электрического со­ противления основываются метод кажущихся сопротивлений (в том числе в модификации микрозондов и экранированного заземления) и индукционный метод исследования скважин.

Различие в естественной (собственной) электрохимической актив­ ности используют при исследованиях скважин методом потенциалов собственной поляризации (метод СП), а вызванную электрохимичес­ кую активность горных пород изучают методом потенциалов выз­ ванной поляризации (метод ВП).

§ 1. УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Известно, что электрическое сопротивление R проводника дли­ ной I, состоящего из однородного материала и имеющего постоянное поперечное сечение s, можно определить по формуле

кладной геофизике в ом-метрах (Ом • м). Удельное электрическое сопротивление1*обратно пропорционально удельной электрической проводимости (электропроводности) горных пород.

Осадочные горные породы, слагающие разрезы нефтяных, газо­ вых, угольных и многих рудных месторождений, состоят из породо­ образующих минералов и пустот (пор), заполненных водой, нефтью, газом или смесью этих флюидов. Большинство породообразующих минералов имеют очень большое сопротивление и практически не проводят электрического тока.

Удельное электрическое сопротивление (в Ом ■м) породооб­

1В дальнейшем для краткости будем называть удельным сопротивлением, опуская слово «электрическое».

6

Примесь в осадочной породе высокопроводящих рудных ми­ нералов (пирита, магнетита и др.) при содержании, меньшем 5%, ока­ зывает небольшое влияние на удельное сопротивление породы. Оса­ дочные породы, слагающие разрезы нефтяных и газовых месторож­ дений, как правило, содержат менее 5% рассеянных зерен рудных минералов. Однако, несмотря на весьма высокое сопротивление ос­ новных породообразующих минералов, удельное сопротивление раз­ личных осадочных пород в естественном залегании изменяется в широком диапазоне — от десятых долей ом-метра до сотен тысяч ом-метров (рис. 1).

Йнгидрит

йргиллит

йлебоолит

базальт

ГаЬдра

Глина Глинакарбонатная

Гнейс

гранит

Диаоаз

доломит

Известняк плотный Конгломерат мергель

Песок песчаник рыхлый

Песчанокплотный Ласокипр/чоник нефтеносный

сланецглинистый саль каменная

угольантрацит *<>ЬиРт чВр-7

Уголь mouwS каменный Уголь жирный каменный Уголь бчрый

Рис. 1. Удельное электрическое сопротивление горных пород (по В. Н. Дахнову)

Роль проводника при прохождении электрического тока через осадочные породы играет пластовая вода, содержащая растворен­ ные соли. Величина удельного сопротивления породы в каждом от­ дельно взятом случае зависит от удельного сопротивления насы­ щающих поры породы пластовых вод; процентного содержания вод­ ных растворов и углеводородов в порах породы; текстурны х особенностей породы.

Удельное сопротивление пластовых вод, в свою очередь, зависит от концентрации, состава растворенных солей и температуры. При равных концентрациях (минерализациях) значения удельного сопро­ тивления водных растворов солей сильных кислот близки. Наиболее высокую концентрацию в пластовых водах имеют ионы C l-, S 042, Na+, Са2+и Mg2+.В меньшем количестве содержатся ионы I-, Вг~ и др. Соль

7

NaCl преобладает. Поэтому обычно при определении удельного со­ противления пластовых вод нефтяных и газовых месторождений по известной минерализации влиянием состава растворенных в плас­ товой воде солей пренебрегают и условно считают, что в растворе имеется только одна соль NaCl.

Общую минерализацию пластовых вод приравнивают к мине­ рализации раствора NaCl и удельное сопротивление с учетом тем­ пературы определяют по графику, изображенному на рис.2.

Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления рв раствора хло­ ристого натрия от его концентрации С, температуры t и плот­ ности Be или 8р2о

Шифр кривых — г,'С

8

Как видно, с увеличением температуры на 1 °С удельное сопро­ тивление растворов снижается в среднем на 2%. В небольшом диапа­ зоне температур (например, от нуля до 50 °С) для приведения удель­ ного сопротивления раствора к заданной температуре можно исполь­ зовать также формулу

где р2о — удельное сопротивление раствора при t=20 °С, Ом • м; t — температура, °С; а — температурный коэффициент, равный прибли­ женно 0,023 С-1.

Поскольку проводником электрического тока в большинстве оса­ дочных пород является пластовая вода, а породообразующие мине­ ралы не проводят электрического тока, удельное сопротивление за­ висит не только от минерализации пластовых вод, но и от их объема, или при 100% -ном насыщении пластовой водой — от величины ко­ эффициента пористости пород. Чем выше коэффициент пористости породы, тем больше в ней содержится проводящего ток флюида и тем ниже ее удельное сопротивление. При изучении зависимости удельного сопротивления от коэффициента пористости пород для исключения влияния минерализации пластовых вод обычно пользу­ ются относительным сопротивлением, которое при 100% -ном насы­

где Рп — параметр пористости; рвп — удельное сопротивление по­ роды при 100% -ном насыщении ее пластовой водой, Ом • м; рв — удельное сопротивление пластовой воды, Ом ■м.

Исследования показывают, что для большинства осадочных гор­ ных пород связь сопротивления с величиной пористости выражается эмпирической формулой

где кп— коэффициент пористости породы; атитп — постоянные для определенной группы пород коэффициенты, зависящие от конфигу­ рации токопроводящих путей в породе (степени цементации поро­ ды). По В. Н. Дахнову, коэффициенты am n m для осадочных пород могут иметь следующие значения: ат =1 + 0,8; ш =1,3+ 2,3.

На рис. 3 приведены обобщенные кривые зависимости параметра Рп от коэффициента пористости породы. Эти кривые рекомендуется использовать для оценки коэффициента пористости по данным со­ противления в том случае, когда отсутствуют экспериментальные зависимости, полученные при изучении образцов из исследуемых отложений.

Зависимости Рп= f(k„) чащ е всего строят на основании экс­ периментального изучения образцов кернов породы в атмосферных условиях. Горные породы в естественном залегании испытывают дей­ ствие высоких давлений и температуры, в результате чего коэффи­

9

циент пористости уменьшается, а удельное сопротивление возрас­ тает. Эти обстоятельства способствуют увеличению наклона кривых. На рис. 126 изображены экспериментальные кривые, иллюстриру­ ющие влияние всестороннего сжатия на вид Рп= /(кп). Увеличение температуры ведет к возрастанию параметра пористости для чис­ тых или малоглинистых пород и его снижению для глинистых пород. Способ введения поправок за влияние пластовых условий изложен в работах [3].

Рис. 3. Зависимость параметра пористости Р„ от коэффициента пористости пород кпдля терригенных и карбонатных пород в атмосферных условиях (по В.Н. Дахнову).

1—пески; 2—слабосцементированныепесчаники;3—сред- несцементированныепесчаники; 4 —ракушечныеиглинис­ тыеизвестняки; 5—известнякиидоломитыкрупнокристал­ лические среднейуплотненности; б—известнякиидоломи­ ты плотные итонкокристаллические

На удельное сопротивление глинистых песчаников, помимо ми­ нерализации пластовой воды, температуры и давлений, оказывает влияние поверхностная проводимость, обусловленная адсорбционной способностью тонкодисперсной глинистой фракции. Эта дополни­ тельная проводимость снижает удельное сопротивление глинистых пород. Особенно заметным становится влияние поверхностной про­ водимости при насыщении глинистой породы пресной или опреснен­ ной водой. В этих условиях величина параметра пористости одной и той же породы изменяется в зависимости от минерализации насы­ щающего электролита. Для оценки роли поверхностной проводимо­

где Рп — параметр пористости породы, содержащей низкоминера­ лизованную воду; Рп нас— параметр пористости породы, содержа­ щей насыщенный раствор электролита («истинный» параметр пори­ стости). Коэффициент поверхностной проводимости П зависит от удельного сопротивления поровых вод и глинистости породы (рис. 4). Таким образом, согласно формулам (1.3) и (1.5) удельное сопротив­ ление водонасыщенной породы рвп можно выразить через параметр пористости Рп, коэффициент поверхностной проводимости П и удель­ ное сопротивление поровой воды рв:

10