Вернуться

Геофизические исследования скважин

Карамкенская ГГЭ обеспечивает проведение геофизического исследования скважин (ГИС), по следующим направлениям геологоразведочных и эксплуатационных работ:

• на поисково-разведочных стадиях исследований угольных объектов:

- литологическое расчленение пород, пересеченных скважинами гамма-методом (ГК);

- выделение в разрезе, уточнение глубины залегания и оперативная оценка качества углефицированных пород и угольных пластов, пересеченных скважинами с помощью метода плотностного гамма-гамма-каротажа (ГГК-П) и ГК;

- измерение электрических свойств горных пород, пересеченных скважинами методом токового каротажа (ТК) или методом скользящих контактов (МСК) ;

• на золоторудных объектах:

- выделение кварцевых жил, зон интенсивного окварцевания, зон трещиноватости, с гидротермальными рудными изменениями методами ГГК-П и ГК.

• на стадии добычи:

- каротаж отбойных скважин (КОС).Применяется для определения контура рудной зоны при скважинной отбойке блока. Используется метод гамма-каротажа с облегченной лебедкой, что позволяет выполнять работы из бурзаходок с подрезных штреков.

Применение каротажа отбойных скважин позволяет избежать затрат на заряжание перебуренных концов скважин, заряжание заведомо пустых скважин не обязательных в схеме взрыва.

Отдельными задачами на любых типах рудных или не рудных объектов является решение задач

• гидрогеологии

– выделение зон трещиноватости, водопритока и водопоглощения в разрезах скважин (методы расходометрии, термометрии и шумометрии), равно как и определение пространственного положения скважин. Данные работы проводятся, как правило, без специальных технических методов подготовки скважин, только за счет возможностей комплексной геофизической аппаратуры.

Указанные задачи решаются с применением комплексной геофизической аппаратуры «Геотрон», которой реализуется основной комплекс ГИС. Пространственное положение скважин определяется с помощью аппаратуры «Кварц-32», специально разработанной для проведения инклинометрии, а токовый каротаж проводится скважинной аппаратурой «КАРМИН». Для реализации метода ГГК-П используются закрытые радионуклидные источники (ЗРИ) на базе радионуклида цезий-137, создающие в исследуемых породах первичное радиационное поле. С целью снижения опасности прихватов дорогостоящих скважинных приборов, особенно, оснащенных ЗРИ, исследования проводятся через бурильный снаряд, что сводит к нулю риск прихвата геофизических приборов. Но эта методика со всей очевидностью приводит к ослаблению полезного сигнала. И это в определенной степени снижает качество первичных материалов ГИС. Токовый каротаж или МСК проводится в открытом стволе после подъема бурильного снаряда, до подъема обсадной колонны. Измерения азимутальных углов с помощью магнитного датчика аппаратуры «Кварц-32», проводятся в процессе завершающего подъема бурильного снаряда.

Рассмотрим методы геофизических исследований подробнее.

Гамма-каротаж (ГК) основан на различии пород по естественной радиоактивности. Кварцевые жилы и зоны прожилкования характеризуются пониженными значениями естественной радиоактивности, а разрывные нарушения, заполненные глинистым материалом - повышенными. Эта особенность выделяет жилы и зоны прожилкования на каротажной диаграмме с видимой мощностью от 5 сантиметров.

Одновременно с ГК проводится измерение температуры, давления, мест не герметичности обсадной колонны, определение состава скважинной жидкости и положения муфтовых соединений.

Гамма-гамма-каротаж плотностной (ГГК-П, ГГК-С) основан на различии пород по объемной плотности и выделяет ослабленные зоны, зоны дробления и трещиноватости.

Кавернометрия определяет диаметр скважины, выделяя каверны (пустоты). Комплексирование кавернометрии и ГГК-П позволит отбраковывать аномалии ГГК-П, связанные с кавернами.

Инклинометрия уточняет истинное глубинное положение забоя скважины посредством дискретных измерений угла наклона и азимута направления ствола скважины. Уже на 50 метрах скважина диаметром 72 мм может отклониться на 10 метров от заданного направления.

Для определения инженерно-геологических характеристик скважины выполняются термометрия и расходометрия.

Термометрия определяет температуру скважины, что нужно для определения нижней границы многолетнемерзлых пород и локализации водонасыщенных горизонтов.

Расходометрия определяет водоносные горизонты и рассчитывает дебит.

Информация, полученная при помощи каротажного комплекса, дает основание вести бурение без извлечения керна, в случаях, когда выход керна затруднен. Это снижает затраты и ускоряет процесс геологоразведочных работ.

ГИС на угольных месторождениях и поисковых участках Магаданской области.

При поисках и разведке угольных месторождений ГИС наиболее эффективны, поскольку по данным ГК и ГГК-П можно выявлять в разрезах скважин углефицированные зоны и сами угли, характеризующиеся пониженной плотностью и радиоактивностью. И это позволяет выделять такие горизонты по инверсным аномалиям ГК (отрицательные) и ГГК-П (положительные). Пример выделения интервалов угольных пластов на участке «Широкинский» Чоломженской угленосной площади в Магаданской области, проведенных в 2013-2014 годах, приведен ниже. На рисунке Стандартизированные графики гамма- каротажа (ГК)(зеленый) и гамма-гамма каротажа (ГГК-П)(красный), построенные в едином масштабе, прямоугольниками выделены угольные пласты.

Важной особенностью стандартизированных величин является то, что их среднее значение всегда равно нулю, а среднеквадратическое отклонение – единице. И это позволяет получить единый масштаб для любых диаграмм, построенных по исследованной скважине, поскольку по оси ординат стандартизированных случайных величин откладываются среднеквадратические отклонения.

Выделение зоны оруденения по данным ядерного каротажа на Нежданинском месторождении в Якутии.

На рисунке представлены данные по двум скважинам. Красным цветом на колонке скважины выделены высокие содержания золота, серым цветом – низкие содержания. Рядом с колонкой приведены каротажные кривые ГК (синий) и ГГК-П (зеленый).

Рудная зона приурочена к окварцованным зонам дробления. Окварцевание пород по данным ГГК-П выделяется низкими значениями ионизирующего поля, что отчетливо наблюдается на разрезах скважин напротив выдержанных рудных зон.

Зоны дробления содержат глинистый материал, имеющий повышенные содержания естественных радиоактивных элементов, что отражается на кривой ГК высокими значениями поля.

Радиоактивный каротаж (РК)

Основные положения

Радиоактивный каротаж (РК) – исследования, основанные на измерении параметров полей ионизирующих частиц (нейтронов и гамма-квантов) с целью определения ядерно-физических свойств и элементного состава горных пород. Радиоактивный каротаж поисково-разведочных скважин включает следующие основные группы измерений: гамма-каротаж – ГК, гамма-гамма каротаж – ГГК, нейтронный каротаж – НК, нейтронный активационный каротаж. Каждая группа подразделяется на несколько модификаций, различающихся типом и энергетическим спектром регистрируемого излучения, конструкцией измерительных зондов, методиками измерений и обработки первичных данных.

Приборами РК непосредственно измеряются сигналы детекторов ионизирующего излучения в виде скорости счета – числа импульсов, регистрируемых в единицу времени. В импульсных и спектрометрических модификациях РК регистрируют скорости счета во временных и энергетических окнах.

Переход от скорости счета к геофизическим характеристикам пород (плотность пород) и их геологическим параметрам (пористость, насыщенность, вещественный состав пород) осуществляют с использованием зависимостей между показаниями скважинных приборов и указанными характеристиками и параметрами, установленными на моделях пород (с имитацией скважины) или методами математического моделирования.

Гамма-каротаж (ГК)

Принцип гамма-каротажа (ГК) основан на регистрации скважинными приборами естественной радиоактивности горных пород, слагающих разрез скважины.

Естественной радиоактивностью называется самопроизвольный распад ядер некоторых химических элементов, слагающих горные породы. Естественная радиоактивность слагается из способности горных пород испускать альфа-, бета - и гамма-излучение. Глубина проникновения альфа-излучения в горных породах составляет первые десятки микрон, бета-излучения – первые миллиметры, а гамма-излучения – от 30 до 40 см., следовательно, с точки зрения изучения разрезов скважин только гамма-излучение представляет практический интерес.

Величина естественной радиоактивности горных пород определяется в основном содержанием в них трех основных химических элементов: урана, тория и изотопа калия-40.

Основы применения ГК в скважинах, пробуренных на нефть и газ, связаны с четкой зависимостью величины гамма-излучения от характера горной породы. Самую высокую радиоактивность среди осадочных горных пород имеют глубоководные илы, черные битуминозные глины, аргиллиты, глинистые сланцы, калийные соли. Средняя радиоактивность характерна для неглубоководных и континентальных глин, глинистых песчаников, мергелей глинистых известняков и доломитов. К породам с низкой радиоактивностью относятся ангидриты, гипсы, песчаники, пески, доломиты, угли. В общем случае кривая ГК характеризует разрез скважины от величины глинистости горных пород, что облегчает выделение коллекторов, которые могут содержать подвижные флюиды, такие как нефть и газ/

Для регистрации естественной радиоактивности горных пород разработаны и применяются два типа зондов:

1. Зонд для регистрации суммарного гамма – излучения, который записывает общий объем гамма – лучевой активности горных пород вскрытых скважиной вне зависимости от типа источника.

2. Зонд для определения спектра источника гамма – излучения или спектральный гамма – каротаж, – который наряду с регистрацией суммарного ГК дает представление о концентрации каждого радиоактивного элемента (урана, тория и калия) в изучаемой горной породе.

По данным ГК решают следующие задачи:

- литологическое расчленение различных типов горных пород. Интенсивность гамма-излучения зависит от содержания в породах радиоактивных элементов. Т.к. оно в разных породах различно, по данным ГК можно судить о характере горных пород.

- определение глинистости горных пород по данным ГК основано на прямой зависимости гамма-активности песчано-глинистых горных пород;

- привязка к разрезу результатов исследования другими методами каротажа, интервалов перфорации и др. Основана на возможности проводить ГК в обсаженных скважинах

Плотностной гамма-гамма каротаж (ГГК-П)

Регистрация плотностного гамма-гамма каротажа (ГГК-П) основана на эффекте рассеяния жесткого гамма-излучения в изучаемой горной породе. Идея ГГК-П основана на известных принципах взаимодействия гамма-излучения с различными веществами. Измеряя результат этого взаимодействия, можно, в частности определить и плотность горной породы. Основным фактором, влияющим на показания метода ГГК-П является эффект комптоновского рассеяния гамма-квантов источника высоких энергий электронами ядер минералов, слагающих горную породу. Взаимодействуя с электроном, гамма-квант теряет часть своей энергии и меняет траекторию движения. Схема взаимодействия показана на рисунке.

После неоднократного повторения подобной реакции гамма-квант изменяет свою траекторию настолько, что может быть зарегистрирован детектором, находящимся в приборе. По сути, прибор ГГК-П измеряет электронную плотность горной породы, которая тесно связана с плотностью минералов слагающих ее.

Поскольку облучение горных пород в скважине происходит жестким гамма-излучением, то регистрируемая детекторами мощность экспозиционной дозы рассеянного гамма-излучения находится в обратно пропорциональной зависимости от плотности среды. Следовательно, метод ГГК-П позволяет выполнять литологическое расчленение разреза, выделять пласты – коллектора и рассчитывать коэффициент пористости Кп.

Для производства работ применяется двухзондовая аппаратура ГГК-П.

Наличие двух зондов продиктовано тем, что при подобной регистрации рассеянного гамма-излучения малый зонд позволяет более точно учесть влияние ближней зоны скважины (глинистой корки, бурового раствора), а дальний зонд регистрирует рассеянное гамма-излучение от горной породы. При производстве работ, с целью устранения влияния скважины на результаты измерения зондовая часть прибора в обязательном порядке прижимается к стенке скважины прижимным устройством.

В качестве источников жесткого гамма-излучения в скважинных приборах применяются ампульные источники, содержащие изотопы Со-60 или Сs-137.

Нейтронный метод

Нейтронный метод основан на облучении скважины и пород нейтронами от стационарного ампульного источника и измерении плотностей потоков надтепловых и тепловых нейтронов и гамма-квантов, образующихся в результате ядерных реакций рассеяния и захвата нейтронов. Измеряемая величина – скорость счета в импульсах в минуту (имп/мин); расчетная величина – водородосодержание пород в стандартных условиях в процентах.

В зависимости от регистрируемого излучения различают: нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам – ННК-НТ; нейтронный каротаж по тепловым нейтронам - ННК-Т; нейтронный гамма-каротаж – НГК. Первые два вида исследований выполняют, как правило, с помощью компенсированных измерительных зондов, содержащих два детектора нейтронов; НГК – однозондовыми или двухзондовыми приборами, содержащими источник нейтронов и один или два детектора гамма-излучения

Нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам (ННК-Т)

Нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам основан на облучении горных пород быстрыми нейтронами от ампульного источника и регистрации нейтронов по разрезу скважины, которые в результате взаимодействия с породообразующими элементами замедлились до тепловой энергии.

Регистрируемая интенсивность тепловых нейтронов зависит от замедляющей и поглощающей способности горной породы. Наибольшая потеря энергии нейтрона наблюдается при соударении с ядром, имеющего массу равную единице, т.е. с ядром водорода. Для тепловых нейтронов, образующихся при замедлении быстрых нейтронов, наиболее характерен радиоактивный захват, сопровождающийся вторичным гамма-излучением. Таким образом, по данным ННК-Т можно определять водородосодержание, которое напрямую связано с пористостью для пластов-коллекторов.

При проведении измерений детектор тепловых нейтронов располагается на определенном расстоянии от источника нейтронов. Расстояние от источника до детектора выбирается таким, что при увеличении водородосодержания горных пород, зарегистрированная интенсивность тепловых нейтронов уменьшается, т.е. зонд является заинверсионным. Регистрация нейтронного излучения двумя зондами с разной длиной позволяет уменьшить влияние скважины на результат определения водородосодержания горных пород. Эффект основан на изменении радиальной глубины исследования от увеличения длины зонда. Малый зонд ННК-Т МЗ несет информацию в основном о нейтронных свойствах скважины и околоскважинного пространства, тогда как на интенсивность, зарегистрированную большим зондом ННК-Т БЗ, большое влияние оказывают нейтронные свойства пласта. Поэтому для определения водородосодержания используют отношение скоростей счета в этих зондах.

Нейтронный каротаж применяют в необсаженных и обсаженных скважинах с целью литологического расчленения разрезов, определения емкостных параметров пород (объемов минеральных компонент скелета и порового пространства), выделения газожидкостного и водонефтяного контактов, определения коэффициентов газонасыщенности в прискважинной части коллектора.