Введение
Подробная запись содержимого скважины
Каротаж, также известный как геофизические исследования скважин, — это практика создания детальной записи (каротажный журнал) геологических образований, вскрытых буровой скважиной. Каротажный журнал может основываться либо на визуальном осмотре образцов, извлеченных на поверхность (геологические описания), либо на физических измерениях, выполненных приборами, опущенными в скважину (геофизические каротажи). Некоторые типы геофизических каротажей могут выполняться на любом этапе жизни скважины: при бурении, заканчивании, эксплуатации или ликвидации. Каротаж используется в скважинах, пробуренных для разведки нефти и газа, подземных вод, полезных ископаемых и геотермальной энергии, а также в рамках экологических и геотехнических исследований.
Регистрация проводной связи
Различные отрасли промышленности, такие как горнодобывающая, нефтегазовая и консалтинговые компании в области подземных вод, используют каротаж на проволоке для получения непрерывной записи свойств горных пород. Каротаж на проволоке можно определить как "получение и анализ геофизических данных, выполняемых в зависимости от глубины скважины, а также предоставление связанных с этим услуг". Следует отметить, что "каротаж на проволоке" и "латочный каротаж" – это не одно и то же, хотя они тесно связаны благодаря интеграции данных. Измерения производятся относительно "TAH" – истинной глубины по стволу скважины. Эти данные и последующий анализ могут быть использованы для определения дополнительных свойств, таких как насыщенность углеводородами и пластовое давление, а также для принятия решений о дальнейших работах по бурению и добыче. Каротаж на проволоке выполняется путем спуска в скважину (или буровую скважину) "каротажного инструмента" или колонны из одного или нескольких приборов на конце кабеля и регистрации нефтефизических свойств с использованием различных датчиков. За годы разработки каротажные инструменты научились измерять естественную гамма-активность, электрические, акустические, стимулированные радиоактивные, электромагнитные, ядерно-магнитные резонансные, давления и другие свойства пород и содержащихся в них флюидов. В данной статье они в основном классифицируются по основным свойствам, на которые они реагируют. Сами данные записываются либо на поверхности (в режиме реального времени), либо в скважине (в режиме памяти) в электронном формате, после чего клиенту предоставляется либо печатный отчет, либо электронная презентация, называемая "каротажной диаграммой", вместе с электронной копией исходных данных. Операции по каротажу могут выполняться во время бурения (см. Каротаж при бурении) для получения информации в режиме реального времени о проходящих разрезах, либо после достижения скважиной проектной глубины и возможности проведения каротажа по всей глубине скважины. Данные в режиме реального времени записываются непосредственно относительно измеренной глубины кабеля. Данные в режиме памяти записываются по времени, а данные о глубине измеряются одновременно по времени. Затем эти два набора данных объединяются на основе общего временного интервала для создания графика зависимости показаний прибора от глубины. Глубина, записанная в режиме памяти, также может быть скорректирована таким же образом, как и коррекции в режиме реального времени, поэтому точность определения TAH не должна отличаться. Измеренная глубина кабеля может быть получена из различных измерений, но обычно определяется либо с помощью откалиброванного счетчика вращения, либо (более точно) с использованием магнитных меток, обеспечивающих откалиброванные приращения длины кабеля. Затем измерения должны быть скорректированы с учетом упругой деформации и температуры. Существует множество типов каротажных диаграмм, которые можно классифицировать по их функции или используемой технологии. "Каротаж в открытой скважине" выполняется до обсадки скважины обсадными трубами. "Каротаж в обсаженной скважине" выполняется после обсадки скважины обсадными или эксплуатационными трубами. Каротажные диаграммы можно разделить на широкие категории в зависимости от измеряемых физических свойств.
История
Конрад и Марсель Шламбергер, основавшие компанию Schlumberger Limited в 1926 году, считаются изобретателями электрического каротажа. Конрад разработал каротажный массив Шлюмбергера, который представлял собой метод поиска месторождений металлорудных руд, и братья адаптировали эту поверхностную технику для применения в скважинах. 5 сентября 1927 года бригада, работавшая на Schlumberger, опустила электрический зонд или инструмент в скважину в Пехелбронне (Эльзас, Франция), создав первый каротаж. В современных терминах, первый каротаж был каротажем сопротивления, который можно описать как 3,5-метровый перевернутый боковой каротаж. В 1931 году Генри Джордж Долл и Г. Дешатр, работавшие на Schlumberger, обнаружили, что гальванометр отклоняется даже при отсутствии тока, проходящего по кабелям каротажа в скважине. Это привело к открытию спонтанной поляризации (СФП), которая была столь же важна, как и возможность измерения сопротивления. Эффект СФП возникал естественным образом из-за бурового раствора на границах проницаемых пластов. Одновременная регистрация СФП и сопротивления позволяла каротажникам различать проницаемые нефтенасыщенные пласты и непроницаемые непродуктивные пласты. В 1940 году Schlumberger изобрел дипметр спонтанной поляризации; этот инструмент позволял рассчитывать угол наклона и направление наклона пласта. Базовый дипметр позднее был усовершенствован дипметром сопротивления (1947) и дипметром непрерывного сопротивления (1952). Масляные буровые растворы (МБР) впервые были использованы в 1948 году на месторождении Ренгли (Колорадо). Обычные электрические каротажи требуют проводящего или водного бурового раствора, но МБР непроводящие. Решением этой проблемы стал индукционный каротаж, разработанный в конце 1940-х годов. Внедрение транзисторов и интегральных схем в 1960-х годах значительно повысило надежность электрических каротажей. Компьютеризация позволила значительно ускорить обработку каротажей и резко расширить возможности сбора данных. 1970-е годы принесли больше каротажей и компьютеров. К ним относились комбинированные каротажи, при которых каротажи сопротивления и пористости регистрировались за один проход в скважине. Два типа каротажей пористости (акустические и ядерные) восходят к 1940-м годам. Акустические каротажи выросли из технологий, разработанных во время Второй мировой войны. Ядерный каротаж дополняет акустический каротаж, но акустические каротажи все еще используются в некоторых комбинированных каротажных инструментах. Ядерный каротаж изначально был разработан для измерения естественного гамма-излучения, испускаемого подземными формациями. Однако промышленность быстро перешла к каротажам, которые активно бомбардируют породы ядерными частицами. Каротаж гамма-лучами, измеряющий естественную радиоактивность, был представлен компанией Well Surveys Inc. в 1939 году, а нейтронный каротаж WSI – в 1941 году. Каротаж гамма-лучами особенно полезен, поскольку сланцевые пласты, которые часто образуют относительно непроницаемый покров над углеводородными коллекторами, обычно демонстрируют более высокий уровень гамма-излучения. Эти каротажи были важны, поскольку их можно использовать в обсаженных скважинах (скважинах с эксплуатационной обсадной колонной). WSI быстро стала частью Lane Wells. Во время Второй мировой войны правительство США предоставило Schlumberger почти военную монополию на каротаж открытых стволов, а Lane Wells – монополию на каротаж обсаженных стволов. После войны ядерные каротажи продолжали развиваться. После открытия ядерного магнитного резонанса Блохом и Перселем в 1946 году каротаж ядерного магнитного резонанса с использованием земного поля был разработан в начале 1950-х годов компаниями Chevron и Schlumberger. Николас Блумберген подал патент Schlumberger в 1966 году. Каротаж ЯМР был научным успехом, но техническим провалом. Более поздние инженерные разработки компании NUMAR (дочерней компании Halliburton) в 1990-х годах привели к созданию технологии непрерывного каротажа ЯМР, которая теперь применяется в нефтегазовой, водной и металлоразведочной отраслях. Многие современные нефтегазовые скважины бурятся направленно. Сначала каротажникам приходилось каким-то образом крепить свои инструменты к бурильной трубе, если скважина не была вертикальной. Современные методы позволяют получать непрерывную информацию на поверхности. Это известно как каротаж во время бурения (КВБ) или измерение во время бурения (ИВБ). Каротажи ИВБ используют технологию импульсов бурового раствора для передачи данных от инструментов на дне бурильной колонны к процессорам на поверхности.
Регистр сопротивления
Регистрация сопротивления измеряет электрическое сопротивление среды, которое характеризует способность препятствовать прохождению электрического тока. Это позволяет различать пласты, насыщенные солеными водами (хорошими проводниками электричества), и пласты, насыщенные углеводородами (плохими проводниками электричества). Сопротивление и пористость используются для расчета водонасыщенности. Сопротивление измеряется в ом-метрах (Ω⋅м) и часто отображается на логарифмической шкале в зависимости от глубины из-за широкого диапазона значений сопротивления. Глубина проникновения тока в породу варьируется в зависимости от прибора – от нескольких сантиметров до одного метра.
Лодки пористости
Логи пористости измеряют долю или процент порового пространства в объеме породы. Большинство логов пористости используют акустические или ядерные методы. Акустические логи измеряют характеристики звуковых волн, распространяющихся в среде скважины. Ядерные логи используют ядерные реакции, происходящие в приборном комплексе каротажа или в пласте. Ядерные логи включают в себя логи плотности и нейтронные логи, а также гамма-каротажные логи, используемые для сопоставления разрезов. Основной принцип использования ядерных методов заключается в том, что источник нейтронов, расположенный вблизи измеряемого пласта, приводит к рассеянию нейтронов атомами водорода, преимущественно содержащимися в пластовой жидкости. Поскольку разница в рассеянии нейтронов углеводородами и водой незначительна, измеренная пористость приближается к истинной физической пористости, в то время как значение, полученное при измерении электрического сопротивления, отражает пористость, обусловленную проводящей пластовой жидкостью. Таким образом, разница между данными нейтронного каротажа пористости и электрического каротажа пористости указывает на наличие углеводородов в пластовой жидкости.
Плотность
Каротаж плотности измеряет объемную плотность породы путем облучения ее радиоактивным источником и измерения количества гамма-квантов, зарегистрированных после учета эффектов комптоновского рассеяния и фотоэлектрического поглощения. Полученная объемная плотность может быть использована для определения пористости.
Нейтронная пористость
Нейтронный каротаж основан на бомбардировке пласта высокоэнергетическими эпитермальными нейтронами, которые теряют энергию за счет упругого рассеяния, снижаясь до тепловых энергий, прежде чем быть поглощенными ядрами атомов пласта. В зависимости от типа используемого нейтронного инструмента, регистрируются либо гамма-кванты захвата, либо рассеянные тепловые нейтроны, либо рассеянные эпитермальные нейтроны с более высокой энергией. Нейтронный каротаж преимущественно чувствителен к содержанию атомов водорода в пласте, что обычно коррелирует с пористостью породы. Известно, что бор вызывает аномально низкие показания нейтронного инструмента из-за высокого сечения захвата тепловых нейтронов. Повышение концентрации водорода в глинистых минералах оказывает аналогичное воздействие на скорость счета.
Соник
Звуковой каротаж определяет время прохождения звуковой волны по пласту, которое обычно зависит от литологии и текстуры породы, но особенно от пористости. Каротажный инструмент состоит как минимум из одного пьезоэлектрического излучателя и двух или более приемников. Время, за которое звуковая волна проходит фиксированное расстояние между двумя приемниками, регистрируется как время прохождения по интервалу.
Гамма-лучи
Журнал естественной радиоактивности пласта вдоль скважины, измеренный в единицах API, особенно полезен для разграничения песчаников и сланцев в силикастической среде. Это обусловлено тем, что песчаники обычно состоят из нерадиоактивного кварца, в то время как сланцы обладают естественной радиоактивностью из-за изотопов калия в глинистых минералах, а также адсорбированного урана и тория. В некоторых породах, и особенно в карбонатных, вклад урана может быть значительным и непостоянным, что может привести к ошибочной интерпретации карбоната как сланца. В таких случаях гамма-каротаж карбонатов является более надежным индикатором содержания сланца. Гамма-каротаж карбонатов – это гамма-каротаж, из которого вычтено влияние урана.
Самостоятельный/спонтанный потенциал
Лог спонтанного потенциала (SP) измеряет естественную или спонтанную разницу потенциалов между скважиной и поверхностью без приложения какого-либо тока. Он был одним из первых каротажных методов, разработанных при опускании одиночного электрода потенциала в скважину и измерении потенциала относительно фиксированного опорного электрода на поверхности. Наиболее полезным компонентом этой разности потенциалов является электрохимический потенциал, поскольку он может вызывать значительное отклонение кривой SP напротив проницаемых пластов. Величина этого отклонения в основном зависит от разницы солености между буровым раствором и пластовой водой, а также от глинистости проницаемого пласта. Поэтому лог SP обычно используется для выявления проницаемых пластов и оценки глинистости и солености пластовой воды. Лог SP позволяет различать непроницаемые сланцы и проницаемые сланцы, а также пористые песчаники.
Калибр
Инструмент, который механически измеряет диаметр скважины, используя два или четыре захвата. Поскольку точность большинства геофизических исследований зависит от правильности формы скважины, калибровочный каротаж может указать на участки, где данные могут быть искажены из-за расширения скважины (вымывания стенок) или сужения (образования глинистой корки).
Ядерный магнитный резонанс
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) использует ЯМР-ответ пласта для непосредственного определения его пористости и проницаемости, предоставляя непрерывную запись вдоль ствола скважины. Основное применение инструмента ЯМР – определение объема подвижной жидкости (BVM) в породе. Это поровое пространство, исключая глинистую воду (CBW) и неподвижную воду (BVI). Ни одна из этих фракций не является подвижной в понимании ЯМР, поэтому эти объемы сложно обнаружить на старых каротажах. На современных инструментах как CBW, так и BVI часто можно увидеть в сигнальном ответе после преобразования кривой релаксации в область пористости. Следует отметить, что некоторые подвижные жидкости (BVM) в понимании ЯМР на самом деле не являются подвижными в нефтяном смысле этого слова. Остаточная нефть и газ, тяжелая нефть и битум могут казаться подвижными при измерении прецессии ЯМР, но они не обязательно будут поступать в скважину.
Спектровое акустическое регистрирование
Спектральная акустическая регистрация – это метод акустического измерения, используемый в нефтяных и газовых скважинах для анализа целостности скважины, идентификации интервалов добычи и закачки, а также гидродинамической характеристики пласта. Спектральная акустическая регистрация регистрирует акустическую энергию, генерируемую движением жидкости или газа в пласте или утечками в подземном оборудовании скважины. Акустические приборы применяются в нефтегазовой промышленности на протяжении нескольких десятилетий. Еще в 1955 году был предложен акустический детектор для анализа целостности скважины с целью выявления отверстий в обсадной колонне. За многие годы геофизические приборы акустического каротажа зарекомендовали себя как эффективные инструменты для профилирования притока и поглощения, обнаружения утечек, определения зон перетока за обсадной колонной и даже для определения состава пластовых флюидов. Робинсон (1974) описал, как можно использовать шумовой каротаж для определения эффективной толщины пласта.
Вырубка коррозионных скважин
На протяжении всего срока эксплуатации скважин контроль целостности стальной и цементированной колонны (обсадных и эксплуатационных труб) осуществляется с использованием калибров и толщиномеров. Эти передовые технические методы применяют неразрушающие технологии, такие как ультразвуковые, электромагнитные и магнитные преобразователи.
Заготовка древесины во время бурения
В 1970-х годах был представлен новый подход к геофизическим исследованиям скважин – каротаж во время бурения (LWD). Эта технология позволяет получать информацию о скважине, аналогичную традиционному каротажу, но в отличие от спуска датчиков в скважину на кабеле, датчики интегрированы в состав бурильной колонны, а измерения производятся в режиме реального времени непосредственно в процессе бурения. Это дает возможность инженерам и геологам оперативно получать данные о пористости, удельном сопротивлении, направлении ствола скважины и нагрузке на долото, используя которые они могут принимать немедленные решения относительно дальнейшей разработки скважины и траектории бурения. В технологии LWD измеренные данные передаются на поверхность в режиме реального времени посредством импульсов давления в буровом растворе. Этот метод телеметрии по буровому раствору обеспечивает пропускную способность менее 10 бит в секунду, однако, учитывая относительно медленный процесс бурения горных пород, применение методов сжатия данных позволяет обеспечить достаточную пропускную способность для передачи информации в реальном времени. Более высокая частота дискретизации данных сохраняется в памяти и извлекается при подъеме бурильной колонны для замены долота. Высокодетализированная информация о забое и пласте доступна через сетевые или проводные бурильные трубы, обеспечивающие передачу данных, сопоставимых по качеству с данными из памяти, в режиме реального времени.
Журнал памяти
Этот метод сбора данных предполагает запись данных датчика в бортовую память, а не передачу данных в режиме "реального времени" на поверхность. У этого варианта с памятью есть свои преимущества и недостатки. Инструменты могут быть спущены в скважины с отклоняющейся или протяженной траекторией, выходящей за пределы досягаемости обычных кабелей электрокаротажа. Это может быть связано с соотношением веса к прочности электрического кабеля на такой большой глубине. В таких случаях инструменты с памятью могут быть спущены на обсадных или гибких трубах. Ассортимент датчиков ограничен по сравнению с используемыми при электрокаротаже и, как правило, ориентирован на обсаженные скважины и стадию добычи. Однако в настоящее время разработаны некоторые компактные комплексы инструментов для исследования открытого ствола с использованием памяти. Эти инструменты могут быть спущены и доставлены в скважину, скрытые внутри бурильных труб для защиты от повреждений при спуске, а затем "выкачаны" из конца на глубине для начала каротажа. Другие базовые инструменты для исследования открытого ствола с памятью доступны для использования на "товарных" рынках с использованием гибкого кабеля для снижения затрат и времени обслуживания. При работе с обсаженными скважинами обычно используется интервенционный модуль с гибким кабелем. Он использует цельный механический провод (диаметром 0,072–0,125 дюйма) для манипуляций или выполнения других операций в системе заканчивания скважины. Операции с памятью часто выполняются с использованием этого гибкого кабеля вместо мобилизации полноценного комплекса электрокаротажа. Поскольку результаты становятся известны только после извлечения на поверхность, любые изменения динамики скважины в реальном времени не могут быть отслежены в режиме реального времени. Это ограничивает возможность точной корректировки или изменения условий добычи в скважине во время каротажа с памятью путем изменения дебита на поверхности – что часто делается при электрокаротаже. Отказ при записи обнаруживается только после извлечения инструментов с памятью. Эта потеря данных может стать серьезной проблемой на крупных морских (дорогих) месторождениях. На суше (например, в Южном Техасе, США), где существует так называемый "товарный" сектор нефтесервиса, где каротаж часто выполняется без инфраструктуры буровой установки, это менее проблематично, и каротажные журналы часто повторно снимаются без каких-либо проблем.
Коренные
Отбор керна – это процесс получения фактического образца горной породы из скважины. Существуют два основных типа отбора керна: 'полный отбор керна', при котором образец породы извлекается с помощью специального долота при первоначальном проникновении скважины в пласт, и 'боковой отбор керна', при котором несколько образцов извлекаются из стенок скважины после прохождения через пласт. Основными преимуществами бокового отбора керна перед полным являются его более низкая стоимость (бурение не нужно останавливать) и возможность легкого получения множества образцов, в то время как основными недостатками являются возможная неопределенность глубины, с которой был взят образец, и риск отказа инструмента при отборе.
Замолота
Грязевые журналы – это геофизические журналы, составляемые на основе описания образцов пород и грунта, выносимых на поверхность буровым раствором, циркулирующим в скважине. В нефтегазовой отрасли они обычно готовятся компанией, специализирующейся на геолого-технологическом обслуживании бурения, по контракту с оператором. Одним из параметров, отображаемых в типичном грязевом журнале, является содержание газа в пласте (в газовых единицах или ppm). "Газоанализатор обычно откалиброван в условных газовых единицах, которые определяются по-разному разными производителями газовых детекторов. На практике, значение придается только относительным изменениям в концентрациях обнаруженного газа". Современный отраслевой стандарт грязевого журнала обычно включает параметры бурения в реальном времени, такие как механическая скорость проходки (ROP), литология, газовые углеводороды, температура бурового раствора на выходе, содержание хлоридов, но также может включать плотность бурового раствора, оценку пластового давления и скорректированный показатель d (скорректированный показатель бурения) для определения характеристик пласта по данным нагрузочных испытаний. Другая информация, которая обычно фиксируется в грязевом журнале, включает в себя данные о траектории скважины (результаты геодезических съемок), нагрузку на долото, частоту вращения, давление насоса, производительность насоса, вязкость, информацию о буровом долоте, глубину установки обсадной колонны, кровли пластов, информацию о буровых насосах и многое другое.
Использование информации
В нефтяной промышленности данные каротажа скважин и журналы бурового раствора обычно передаются оператору в режиме реального времени, который использует эти данные для принятия оперативных решений о скважине, сопоставления глубин пластов с соседними скважинами и интерпретации количества и качества содержащихся углеводородов. Специалисты, занимающиеся интерпретацией данных каротажа, называются геофизиками.