``Геофизические  методы исследования скважин  с целью изучения вскрытого  скважиной геологического разреза  и выявления в нем полезных  ископаемых называют каротажем.

Структура ГИС и взаимосвязь  основных видов геофизических  исследований в скважинах. 

      К геофизическим исследованиям в скважинах относятся также отбор образцов пород со стенок скважины и опробование пластов с целью отбора проб пластового флюида для определения характера насыщения коллекторов.

     Геофизические исследования в скважинах, бурящихся  на нефть и газ, называются также промысловой геофизикой.

Общие сведения.

     Участок скважины с увеличенным диаметром  называют каверной.

     Удельное  электрическое сопротивление ρ_с промывочной жидкости меняется в широких пределах – от сотых долей до единиц Ом·м. Промывочную жидкость с удельным сопротивлением, превышающим 0,2 Ом·м, называют пресной, с ρ_с меньшим 0,2 Ом·м – соленой. В отдельных случаях скважина бурится на нефтяной эмульсии или с продувкой воздухом (скважина сухая), что с точки зрения электрического каротажа соответствует непроводящей скважине.

     Геологический разрез месторождений нефти и  газа обычно представлен осадочными отложениями. В осадочной толщине  горные породы залегают в виде прослоев, ограниченных поверхностями раздела, которые в пределах небольшой области, исследуемой при каротаже, можно считать параллельными. Нижняя поверхность раздела называется подошвой, верхняя – кровлей. Свойства пород в прослое постоянны. Прослой или несколько смежных прослоев с одинаковыми свойствами при каротаже получили название пласта, а породы, залегающие выше и ниже пласта, получили название – вмещающих пород.

      Столб ПЖ, заполняющей  скважину, оказывает гидростатическое давление на ее стенки. Поэтому при  пересечении пласта-коллектора скважиной  наблюдается проникновение фильтрата ПЖ в пласт. Часть пласта, в которую проник фильтрат, называется зоной проникновения, а ближайшая к скважине часть ее – промытой зоной. В результате фильтрация ПЖ на стенке скважины против пласта оседает слой глинистых частиц – глинистая корка.

Схема пласта-коллектора, пересеченной скважиной.

1 –  незменная проникновением часть пласта-коллектора мощностью h, с истинным удельным сопротивлением ρ_п; 2 – зона проникновения диаметром D, с удельным сопротивлением ρ_зп; 3 – полностью промытая зона радиусом r_пз, с удельным сопротивлением ρ_пз; 4 – глинистая корка толщиной h_гл; 5 – скважина диаметром d_c, с удельным сопротивлением ПЖ, ρ_с; 6 – вмещающие породы с удельным сопротивлением ρ_вм.

 

Классификация электрического каротажа. 

Измеряемые  величины: U_ПС – потенциал самопроизвольной поляризации;

ρ_к – кажущееся удельное сопротивление; δ_к – кажущаяся удельная проводимость; ξ_к – кажущаяся диэлектрическая проницаемость. 

     Результаты  решения прямых задач могут быть представлены в виде кривых изменения  ρ_к вдоль оси скважины (формы кривых сопротивления), в виде семейств кривых зависимостей ρ_к от ρ_п (палеток) или в виде таблиц значений ρ_к.

     Цель  решения прямых задач ЭК состоит  в том, чтобы обеспечить решение  обратной задачи – нахождение истинных электрических свойств и геометрии среды по известным значениям электрического поля в отдельных точках скважины, т.е. по данным измерений каротажным зондом. Решение обратной задачи осуществляется в процессе интерпретации результатов материалов каротажа при помощи методических приемов и интерпретационных палеток, которые будут более подробно рассмотрены в дальнейшем. 

 

Самопроизвольная  поляризация в  скважине. 

     Промывочная жидкость представляет собой воду, в которой взвешены частички глины  и растворены соли (в основном хлористый натрий). Молекула соли в растворе распадается на два иона – положительно заряженный катион и отрицательно заряженный анион. Под действием электрического поля в растворах солей возникает электрический ток, обусловленный движением ионов. Потому электропроводность растворов называют ионной.

      При погружении электрода в раствор атомы  металла – положительно заряженные ионы (катионы) – переходят из электрода  в жидкость. Избыточные электроны  атомов, перешедших в жидкость, остаются в электроде, придавая ему отрицательный заряд.

Рис. 1. Поле токов ПС и амплитуда U_ПС

в скважине (по С. Г. Комарову).

а) –ρ_с > ρ_пв; б) –ρ_вп > ρ_с

     Самопроизвольное  образование поля электрических  токов в скважине и вблизи нее  называют самопроизвольной поляризацией в скважине и сокращенно обозначают ПС. Электродвижущая сила самопроизвольной поляризации Е_ПС, под действием которой в скважине возникают токи самопроизвольной поляризации, зависит от строения и свойств геологического разреза. Токовые линии поля ПС представляют собой контуры, замыкающие около точек пересечения скважины с поверхностью раздела пластов (рис. 1).

     Токами  самопроизвольной поляризации в  скважине создается потенциал самопроизвольной поляризации U_ПС. Величина потенциала падает в направлении движения электрического тока. Наибольшие изменения потенциала приурочены к местам с наибольшей густотой токовых линий (с наибольшей плотностью тока). Это обычно наблюдается против контакта пород, одна из которых глинистая, а другая содержит мало глинистого материала (например, контакт глины с песчаником). Благодаря этому, кривые изменения потенциала ПС по скважине дают представление о последовательности залегания пластов в разрезе скважины и об их свойствах. Поэтому каротаж ПС является обязательной частью ЭК всех газовых скважин.

     При регистрации кривой ПС потенциал электрода N, относительно которого ведутся измерения, остается неизвестным. В измерительной цепи возникает электродная разность потенциалов, к которой добавляется разность потенциалов от компенсатора поляризации. Поэтому кривая ПС позволяет судить только об изменении потенциала самопроизвольной поляризации по скважине, но не об его абсолютной величине. На каротажных кривых ПС указывают масштаб регистрации разности потенциалов в мВ/см, не отмечают начало отсчета, т.е. у каротажных кривых ПС нет нулевой линии.

      Линию, проведенную  по участкам кривой самопроизвольной поляризации, соответствующим пластам  глин, называют линией глин. Она принята в качестве условной нулевой линии для отсчета значений потенциала ПС. Отклонение кривой самопроизвольной поляризации в точке измерения от линии глин называют амплитудой потенциала самопроизвольной поляризации.

     В зависимости от отношения амплитуда  ПС против пласта может быть положительной  или отрицательной.

1. Если минерализация ПЖ больше минерализации ПВ и гидростатическое давление превышает пластовое, заполняющая скважину ПЖ на участке против пласта заряжается отрицательно. Залегающий в глинах песчаный пласт отмечается на кривой ПС отклонением в сторону отрицательных значений потенциала. В этом случае принято говорить, что против пласта амплитуда ПС отрицательная.
2. Если минерализация ПЖ меньше минерализации ПВ и пластовое давление превышает гидростатическое, заполняющая скважину ПЖ на участке против пласта заряжается положительно.

     Электрический каротаж, основанный на изучении удельного сопротивления горных пород, называют каротажем сопротивления (КС).

      Физический  смысл и размерность удельного  электрического сопротивления при  электрическом каротаже вытекает из следующего. Если взять образец породы в форме куба с ребром 1 м, то, подставляя в формулу

                                   (l=1 м, S=1 м²)

и, выражая  R в омах, получим

     Единицей  измерения электропроводности является сименс (См или Ом^-1).

     Естественными хранилищами – коллекторами нефти  и газа в природе служат осадочные  породы, отложившиеся при невысоких температурах.

Удельные  электрические сопротивления  некоторых горных пород

 
 

 

Удельное  сопротивление водонасыщенных пород.

Относительное сопротивление. 

      Если два  образца одной и той же породы насыщать водой одинаковой минерализации, меньшее электрическое сопротивление  будет иметь образец, содержащий больше воды, т. е. пористость которого выше. Чтобы исключить влияние удельного сопротивления ρ_пв при изучении зависимости удельного сопротивления водонасыщенной породы ρ_вп от ее пористости, вместо сопротивления породы рассматривают отношение

Это отношение  называют относительным сопротивлением пласта. Оно зависит от удельного сопротивления воды и определяется только ее количеством, содержащимся в единице объема породы, и распределением ее по породе. Количество ПВ в единице объема породы зависит от пористости последней. Распределение ПВ связано со строением порового пространства породы – ее структурой.

      Преобладающее влияние на относительное сопротивление  породы оказывает пористость. Относительное  сопротивление полностью водонасыщенной чистой (неглинистой) породы связано с пористостью обратной зависимостью

где α – постоянная величина; m – показатель степени пористости, называемый также коэффициентом цементации; α и m зависят от типа породы.

      На практике чаще всего применяется эмпирическая зависимость, известная под названием  формулы Арчи:

В формуле  Арчи α=1 и m принимает значения от 1,3 до 2,3 в зависимости от литологической характеристики пород (табл. 1). Если этих данных нет, принимают m=2, тогда

      За рубежом  наряду с формулой Арчи нашла практическое применение эмпирическая формула Хамбла

которая по сравнению с формулой Арчи имеет  то преимущество, что при ее использовании  не требуется знать показатель степени  m. В то же время формула Арчи учитывает закономерное увеличение значений m для пород с разной пористостью. 

Таблица 1.

Зависимость показателя степени пористости m от литологической характеристики породы.