Каротаж скважин , также известный как каротаж скважин, представляет собой практику составления подробной записи ( каротажа скважин ) геологических формаций , пройденных скважиной . Каротаж может быть основан либо на визуальном осмотре образцов, поднятых на поверхность ( геологические каротажи), либо на физических измерениях, выполненных приборами, опущенными в скважину ( геофизические каротажи). Некоторые типы геофизических каротажей скважин могут быть выполнены на любой фазе истории скважины: бурение, завершение, добыча или ликвидация. Каротаж скважин выполняется в скважинах, пробуренных для разведки нефти и газа , подземных вод , минералов и геотермальных вод , а также в рамках экологических и геотехнических исследований.
Различные отрасли промышленности, такие как горнодобывающая , нефтегазовая , используют кабельный каротаж для получения непрерывной записи свойств горных пород формации , а также консультанты по грунтовым водам. [ 1] Кабельный каротаж можно определить как «сбор и анализ геофизических данных, выполняемых в зависимости от глубины ствола скважины, вместе с предоставлением сопутствующих услуг». Обратите внимание, что «канатный каротаж» и «каротаж бурового раствора» — это не одно и то же, но они тесно связаны посредством интеграции наборов данных. Измерения производятся относительно «TAH» — истинной глубины скважины: эти измерения и связанный с ними анализ затем можно использовать для вывода дополнительных свойств, таких как насыщенность углеводородами и пластовое давление , а также для принятия дальнейших решений по бурению и добыче .
Каротаж на кабеле выполняется путем опускания «каротажного инструмента» — или ряда из одного или нескольких инструментов — на конце кабеля в нефтяную скважину (или ствол скважины) и регистрации петрофизических свойств с использованием различных датчиков. Каротажные инструменты, разработанные за эти годы, измеряют естественные гамма-лучи, электрические, акустические, стимулированные радиоактивные отклики, электромагнитные, ядерно-магнитный резонанс, давление и другие свойства горных пород и содержащихся в них жидкостей. В этой статье они в целом разбиты по основному свойству, на которое они реагируют.
Сами данные записываются либо на поверхности (режим реального времени), либо в скважине (режим памяти) в электронный формат данных, а затем либо печатная запись, либо электронная презентация, называемая «каротаж скважины», предоставляется клиенту вместе с электронной копией необработанных данных. Операции по каротажу скважин могут выполняться либо в процессе бурения (см. Каротаж во время бурения), чтобы предоставить информацию в реальном времени о пластах, пройденных скважиной, либо после того, как скважина достигнет полной глубины, и вся глубина скважины может быть зарегистрирована.
Данные в реальном времени записываются непосредственно в сравнении с измеренной глубиной кабеля. Данные памяти записываются в сравнении со временем, а затем данные глубины одновременно измеряются в сравнении со временем. Затем два набора данных объединяются с использованием общей временной базы для создания журнала отклика прибора в сравнении с глубиной. Записанная в память глубина также может быть скорректирована точно так же, как вносятся поправки в реальном времени, поэтому не должно быть никакой разницы в достижимой точности TAH.
Измеренная глубина кабеля может быть получена из ряда различных измерений, но обычно она либо регистрируется на основе калиброванного счетчика колес, либо (что более точно) с использованием магнитных меток, которые обеспечивают калиброванные приращения длины кабеля. Затем полученные измерения должны быть скорректированы с учетом упругого растяжения и температуры. [2]
Существует много типов кабельных каротажных диаграмм, и их можно классифицировать либо по их функции, либо по технологии, которую они используют. «Каротажные диаграммы открытого ствола» проводятся до того, как нефтяная или газовая скважина будет обсажена трубой или обсажена. «Каротажные диаграммы обсаженного ствола» проводятся после того, как скважина будет обсажена обсадной трубой или эксплуатационной трубой. [3]
Каротажные диаграммы можно разделить на общие категории в зависимости от измеряемых физических свойств.
Конрад и Марсель Шлюмберже , основавшие Schlumberger Limited в 1926 году, считаются изобретателями электрического каротажа скважин. Конрад разработал массив Шлюмберже , который был методом разведки месторождений металлических руд , и братья адаптировали этот поверхностный метод для подземных приложений. 5 сентября 1927 года бригада, работающая на Schlumberger, спустила электрический зонд или инструмент в скважину в Пешельбронне, Эльзас, Франция, создав первый каротаж скважины . Говоря современным языком, первым каротажем был каротаж сопротивления , который можно было бы описать как 3,5-метровый перевернутый боковой каротаж. [4]
В 1931 году Анри Жорж Долль и Ж. Дешатр, работавшие в компании Schlumberger, обнаружили, что гальванометр шевелился, даже когда ток не проходил через каротажные кабели в скважине. Это привело к открытию спонтанного потенциала (СП), который был так же важен, как и способность измерять удельное сопротивление . Эффект СП естественным образом создавался буровым раствором на границах проницаемых пластов. Одновременно регистрируя СП и удельное сопротивление, каротажные приборы могли различать проницаемые нефтеносные пласты и непроницаемые непродуктивные пласты. [5]
В 1940 году Шлюмберже изобрел наклономер спонтанного потенциала ; этот прибор позволял вычислять наклон и направление падения слоя. Базовый наклономер был позже усовершенствован наклономером сопротивления (1947) и наклономером непрерывного сопротивления (1952).
Буровой раствор на нефтяной основе (OBM) был впервые использован в Rangely Field, штат Колорадо, в 1948 году. Обычные электрические каротажи требуют проводящего или водного бурового раствора, но OBM непроводящие. Решением этой проблемы стал индукционный каротаж, разработанный в конце 1940-х годов.
Появление транзистора и интегральных схем в 1960-х годах сделало электрические каротажи намного более надежными. Компьютеризация позволила значительно ускорить обработку каротажа и значительно расширить возможности сбора данных каротажа. 1970-е годы принесли больше каротажей и компьютеров. Они включали комбинированные каротажи, где каротажи сопротивления и пористости записывались за один проход в скважине.
Два типа каротажа пористости (акустический каротаж и ядерный каротаж) появились в 1940-х годах. Акустический каротаж возник из технологии, разработанной во время Второй мировой войны. Ядерный каротаж дополнил акустический каротаж, но акустический или звуковой каротаж все еще выполняется на некоторых комбинированных каротажных приборах.
Ядерный каротаж был изначально разработан для измерения естественного гамма-излучения, испускаемого подземными образованиями. Однако отрасль быстро перешла на каротажи, которые активно бомбардируют породы ядерными частицами . Гамма- каротаж, измеряющий естественную радиоактивность, был представлен Well Surveys Inc. в 1939 году, а нейтронный каротаж WSI появился в 1941 году. Гамма-каротаж особенно полезен, поскольку сланцевые пласты, которые часто обеспечивают относительно низкую проницаемость над углеводородными резервуарами, 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 в открытых скважинах , а Lane-Wells — монополию на каротаж в обсаженных скважинах. [6] Ядерный каротаж продолжал развиваться после войны.
После открытия ядерного магнитного резонанса Блохом и Перселлом в 1946 году, в начале 1950-х годов компаниями Chevron и Schlumberger был разработан метод ядерного магнитного резонанса , использующий поле Земли. [7] Николаас Бломберген подал патент на изобретение Schlumberger в 1966 году. [8] Метод ЯМР-каротажа был научным успехом, но инженерной неудачей. Более поздние инженерные разработки компании NUMAR (дочерней компании Halliburton ) в 1990-х годах привели к созданию технологии непрерывного ЯМР-каротажа, которая в настоящее время применяется в нефтегазовой, водной и металлургической промышленности. [9] [ необходима цитата ]
Многие современные нефтяные и газовые скважины бурятся направленно. Сначала каротажные приборы должны были каким-то образом прикреплять свои инструменты к бурильной трубе, если скважина не была вертикальной. Современные технологии теперь позволяют получать непрерывную информацию на поверхности. Это известно как каротаж во время бурения (LWD) или измерение во время бурения (MWD). Каротажные приборы MWD используют технологию гидроимпульсного бурения для передачи данных от инструментов на дне бурильной колонны к процессорам на поверхности.
Резистивный каротаж измеряет удельное электрическое сопротивление подземной среды, которое является способностью препятствовать потоку электрического тока. Это помогает различать формации, заполненные соленой водой (хорошие проводники электричества), и формации, заполненные углеводородами (плохие проводники электричества). Измерения удельного сопротивления и пористости используются для расчета водонасыщенности. Удельное сопротивление выражается в омах на метр (Ом⋅м) и часто отображается на логарифмической шкале в зависимости от глубины из-за большого диапазона удельного сопротивления. Расстояние от скважины, пронизываемое током, варьируется в зависимости от инструмента от нескольких сантиметров до одного метра.
Термин «визуализация скважин» относится к тем методам регистрации и обработки данных, которые используются для получения изображений стенки скважины и пород, из которых она состоит, в сантиметровом масштабе. Таким образом, контекстом является открытый ствол, но некоторые инструменты тесно связаны с их эквивалентами в обсаженных стволах. Визуализация скважин была одной из наиболее быстро развивающихся технологий в кабельном каротаже скважин. Приложения варьируются от подробного описания резервуара до производительности резервуара и повышения извлечения углеводородов. Конкретными приложениями являются идентификация трещин, [10] анализ мелкомасштабных седиментологических особенностей, оценка чистой продуктивности в тонкослоистых образованиях и идентификация прорывов (неровностей в стенке скважины, которые совпадают с минимальным горизонтальным напряжением и появляются там, где напряжения вокруг ствола скважины превышают прочность породы на сжатие). [11] Предметную область можно разделить на четыре части:
Каротажи пористости измеряют долю или процент объема пор в объеме породы. Большинство каротажей пористости используют либо акустическую , либо ядерную технологию. Акустические каротажи измеряют характеристики звуковых волн, распространяющихся через среду ствола скважины. Ядерные каротажи используют ядерные реакции, которые происходят в скважинном каротажном приборе или в пласте. Ядерные каротажи включают каротажи плотности и нейтронные каротажи, а также гамма-каротажи, которые используются для корреляции. [12] Основной принцип использования ядерной технологии заключается в том, что источник нейтронов, размещенный вблизи пласта, пористость которого измеряется, приведет к рассеиванию нейтронов атомами водорода, в основном присутствующими в пластовом флюиде. Поскольку существует небольшая разница в нейтронах, рассеиваемых углеводородами или водой, измеренная пористость дает цифру, близкую к истинной физической пористости, тогда как цифра, полученная из измерений электрического сопротивления, обусловлена проводящей пластовой жидкостью. Таким образом, разница между измерениями нейтронной пористости и электрической пористости указывает на присутствие углеводородов в пластовом флюиде.
Плотностный каротаж измеряет объемную плотность пласта путем бомбардировки его радиоактивным источником и измерения результирующего количества гамма-лучей после эффектов комптоновского рассеяния и фотоэлектрического поглощения . Затем эта объемная плотность может быть использована для определения пористости.
Нейтронный каротаж пористости работает путем бомбардировки пласта высокоэнергетическими эпитепловыми нейтронами , которые теряют энергию из-за упругого рассеяния до почти тепловых уровней, прежде чем поглощаются ядрами атомов пласта. В зависимости от конкретного типа инструмента нейтронного каротажа обнаруживаются либо гамма-лучи захвата, рассеянные тепловые нейтроны, либо рассеянные, более высокоэнергетические эпитепловые нейтроны. [13] Нейтронный каротаж пористости в основном чувствителен к количеству атомов водорода в конкретной формации, что обычно соответствует пористости породы.
Известно, что бор вызывает аномально низкие скорости счета нейтронного инструмента из-за того, что он имеет высокое сечение захвата для поглощения тепловых нейтронов. [14] Увеличение концентрации водорода в глинистых минералах оказывает аналогичное влияние на скорость счета.
Акустический каротаж обеспечивает время прохождения интервала формации, которое обычно является функцией литологии и текстуры породы, но особенно пористости. Каротажный инструмент состоит как минимум из одного пьезоэлектрического передатчика и двух или более приемников. Время, необходимое звуковой волне для прохождения фиксированного расстояния между двумя приемниками, регистрируется как время прохождения интервала .
Каротаж естественной радиоактивности пласта вдоль ствола скважины, измеренный в единицах API , особенно полезен для различения песков и сланцев в силикластической среде. [15] Это связано с тем, что песчаники обычно представляют собой нерадиоактивный кварц, тогда как сланцы являются естественно радиоактивными из-за изотопов калия в глинах и адсорбированного урана и тория.
В некоторых породах, в частности в карбонатных породах, вклад урана может быть большим и нерегулярным, и может привести к тому, что карбонат будет ошибочно принят за сланец. В этом случае карбонатный гамма-каротаж является лучшим индикатором содержания сланца. Каротаж гамма-каротажа карбоната представляет собой гамма-каротаж, из которого вычтен вклад урана.
Каротаж спонтанного потенциала (СП) измеряет естественную или спонтанную разность потенциалов между скважиной и поверхностью без какого-либо приложенного тока. Это был один из первых разработанных кабельных каротажных журналов, обнаруженный, когда один потенциальный электрод был опущен в скважину, и потенциал измерялся относительно фиксированного опорного электрода на поверхности. [16]
Наиболее полезным компонентом этой разности потенциалов является электрохимический потенциал , поскольку он может вызвать значительное отклонение в отклике SP напротив проницаемых пластов. Величина этого отклонения зависит в основном от контраста солености между буровым раствором и пластовой водой, а также от содержания глины в проницаемом пласте. Поэтому диаграмма SP обычно используется для обнаружения проницаемых пластов и оценки содержания глины и солености пластовой воды. Диаграмма SP может использоваться для различения непроницаемого сланца и проницаемого сланца и пористых песков.
Инструмент, который измеряет диаметр скважины механически, с использованием 2 или 4 рычагов [15] или посредством высокочастотных акустических сигналов. [17] Поскольку точность большинства каротажных диаграмм зависит от регулярности скважины, кавернометр может указать, где каротажные диаграммы потенциально скомпрометированы из-за того, что скважина либо перекалибрована (из-за вымывания), либо недокалибрована (например, из-за образования глинистой корки).
Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) использует ЯМР-ответ пласта для непосредственного определения его пористости и проницаемости , обеспечивая непрерывную запись по всей длине ствола скважины . [18] [19] Основное применение инструмента ЯМР заключается в определении объема подвижной жидкости (BVM) породы . Это поровое пространство, исключая глинистую связанную воду (CBW) и невосстанавливаемую воду (BVI). Ни один из них не является подвижным в смысле ЯМР, поэтому эти объемы нелегко наблюдать на старых каротажных диаграммах. На современных инструментах и CBW, и BVI часто можно увидеть в отклике сигнала после преобразования кривой релаксации в область пористости. Обратите внимание, что некоторые из подвижных жидкостей (BVM) в смысле ЯМР на самом деле не являются подвижными в смысле нефтяного месторождения. Остаточная нефть и газ, тяжелая нефть и битум могут казаться подвижными при измерении прецессии ЯМР, но они не обязательно потекут в ствол скважины. [20]
Спектральный акустический каротаж — это метод акустических измерений, используемый в нефтяных и газовых скважинах для анализа целостности скважин, определения интервалов добычи и нагнетания и гидродинамической характеристики пласта. Спектральный акустический каротаж регистрирует акустическую энергию, генерируемую потоком жидкости или газа через пласт или утечками в компонентах скважины.
Инструменты акустического каротажа используются в нефтяной промышленности уже несколько десятилетий. Еще в 1955 году был предложен акустический детектор для использования в анализе целостности скважины для определения отверстий в обсадной колонне. [21] За многие годы инструменты акустического каротажа скважины доказали свою эффективность в профилировании притока и приемистости работающих скважин, [22] [23] обнаружении утечек, [24] [25] определении местоположения поперечных перетоков за обсадной колонной, [26] и даже в определении состава пластовой жидкости . [27] Робинсон (1974) описал, как шумовой каротаж может использоваться для определения эффективной толщины пласта. [28]
На протяжении всего срока службы скважин контроль целостности стальной и цементированной колонны (обсадной и насосно-компрессорной труб) осуществляется с помощью штангенциркулей и толщиномеров. Эти передовые технические методы используют неразрушающие технологии, такие как ультразвуковые, электромагнитные и магнитные преобразователи. [29]
В 1970-х годах был представлен новый подход к кабельному каротажу в форме каротажа во время бурения (LWD) . Эта технология обеспечивает получение информации о скважине, аналогичной традиционному кабельному каротажу, но вместо того, чтобы датчики опускались в скважину на конце кабельного кабеля, датчики интегрировались в бурильную колонну , и измерения производились в режиме реального времени, пока скважина бурится. Это позволяет инженерам по бурению и геологам быстро получать такую информацию, как пористость, удельное сопротивление, направление скважины и нагрузка на долото, и они могут использовать эту информацию для принятия немедленных решений о будущем скважины и направлении бурения. [30]
В LWD измеренные данные передаются на поверхность в режиме реального времени посредством импульсов давления в столбе бурового раствора скважины. Этот метод телеметрии бурового раствора обеспечивает полосу пропускания менее 10 бит в секунду, хотя, поскольку бурение через скалу является довольно медленным процессом, методы сжатия данных означают, что это достаточная полоса пропускания для доставки информации в режиме реального времени. Более высокая частота дискретизации данных записывается в память и извлекается, когда бурильная колонна извлекается при смене долота. Высокоточная скважинная и подземная информация доступна через сетевую или проводную бурильную трубу , которая передает данные о качестве памяти в режиме реального времени. [31]
Этот метод сбора данных подразумевает запись данных датчика в память скважины, а не передачу "в реальном времени" на поверхность. У этого варианта памяти есть некоторые преимущества и недостатки.
Бурение — это процесс получения фактического образца горной породы из скважины. Существует два основных типа бурения: «полное бурение», при котором образец породы берется с помощью специализированного бурового долота, когда скважина впервые проникает в формацию, и «боковое бурение», при котором несколько образцов берется со стороны скважины после того, как она прошла через формацию. Главным преимуществом бокового бурения перед полным бурением является то, что оно дешевле (бурение не нужно останавливать) и можно легко получить несколько образцов, а основными недостатками являются то, что может быть неопределенность в глубине, на которой был получен образец, и инструмент может не получить образец. [32] [33]
Mud logs — это скважинные журналы, подготовленные путем описания выбуренной породы или грунта, вынесенных на поверхность буровым раствором, циркулирующим в скважине. В нефтяной промышленности их обычно подготавливает компания по буровому каротажу, нанятая эксплуатирующей компанией. Одним из параметров, отображаемых типичным буровым каротажем, является пластовый газ (газовые единицы или ppm). «Газовый регистратор обычно масштабируется в терминах произвольных газовых единиц, которые по-разному определяются различными производителями газоанализаторов. На практике значение придается только относительным изменениям в обнаруженных концентрациях газа». [34] Текущийстандартный буровой каротаж в нефтяной промышленности обычно включает в себя параметры бурения в реальном времени, такие как скорость проходки (ROP), литология , газовые углеводороды , температура выкидной линии (температура бурового раствора ) и хлориды , но также может включать в себя вес бурового раствора , расчетное поровое давление и скорректированную d-экспоненту (скорректированную экспоненту бурения) для журнала давления. Другая информация, которая обычно записывается в журнал бурового раствора , включает в себя данные о направлении ( измерения отклонений ), нагрузку на долото , скорость вращения , давление насоса, производительность насоса, вязкость , информацию о буровом долоте, глубину башмака обсадной колонны, верхние части пласта, информацию о буровом насосе и т. д.
В нефтяной промышленности данные каротажа скважин и бурового раствора обычно передаются в «реальном времени» в операционную компанию, которая использует эти данные для принятия оперативных решений относительно скважины, для сопоставления глубин пласта с окружающими скважинами и для интерпретации количества и качества присутствующих углеводородов. Специалисты, занимающиеся интерпретацией каротажа скважин, называются аналитиками каротажа.