Каротаж скважин , также известный как каротаж скважин, представляет собой практику ведения детальной записи ( каротажа скважин ) геологических формаций , через которые проходит скважина . Каротаж может основываться либо на визуальном осмотре образцов, вынесенных на поверхность ( геологический каротаж), либо на основе физических измерений, выполненных приборами, опущенными в скважину ( геофизический каротаж). Некоторые типы геофизических каротажных диаграмм можно выполнять на любом этапе истории скважины: бурении, заканчивании, добыче или ликвидации. Каротажные исследования проводятся в скважинах, пробуренных для разведки нефти и газа , подземных вод , полезных ископаемых и геотермальных источников, а также в рамках экологических и геотехнических исследований.
В различных отраслях промышленности, таких как горнодобывающая , нефтегазовая и нефтегазовая, используется кабельный каротаж для получения непрерывной регистрации свойств горных пород , а также консультанты по подземным водам. [1] Каротажные исследования можно определить как «Сбор и анализ геофизических данных, выполняемых в зависимости от глубины ствола скважины, вместе с предоставлением сопутствующих услуг». Обратите внимание, что «каротажные каротажи» и «каротаж бурового раствора» — это не одно и то же, но они тесно связаны между собой посредством интеграции наборов данных. Измерения производятся с привязкой к «TAH» — истинной глубине скважины: эти данные и связанный с ними анализ затем могут быть использованы для определения 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 «каротажа» — или цепочки из одного или нескольких приборов — на конце каната в нефтяную скважину (или скважину) и регистрации петрофизических свойств с использованием различных датчиков. Инструменты каротажа, разработанные на протяжении многих лет, измеряют естественные гамма-излучения, электрические, акустические, стимулированные радиоактивные реакции, электромагнитные, ядерно-магнитные резонансы, давление и другие свойства горных пород и содержащихся в них жидкостей. В этой статье они в общих чертах разбиты по основным свойствам, на которые они реагируют.
Сами данные записываются либо на поверхности (режим реального времени), либо в скважине (режим памяти) в электронный формат данных, а затем либо распечатанная запись, либо электронное представление, называемое «каротаже скважины», предоставляется клиенту вместе с с электронной копией исходных данных. Каротажные операции скважины могут выполняться либо во время процесса бурения (см. Каротаж во время бурения), чтобы предоставить информацию в режиме реального времени о пластах, через которые проходит скважина, либо после того, как скважина достигла полной глубины и вся глубина скважины может быть измерена. зарегистрирован.
Данные в реальном времени записываются непосредственно в зависимости от измеренной глубины кабеля. Данные памяти записываются в зависимости от времени, а затем одновременно измеряются данные глубины в зависимости от времени. Затем два набора данных объединяются с использованием общей временной базы для создания диаграммы отклика прибора в зависимости от глубины. Глубину записи в память также можно корректировать точно так же, как и корректировки в реальном времени, поэтому не должно быть никакой разницы в достижимой точности TAH.
Измеренную глубину кабеля можно получить на основе ряда различных измерений, но обычно она либо записывается на основе калиброванного колесного счетчика, либо (более точно) с использованием магнитных меток, которые обеспечивают калиброванные приращения длины кабеля. Затем в сделанные измерения необходимо внести поправку на упругое растяжение и температуру. [2]
Существует много типов каротажа, и их можно классифицировать либо по функциям, либо по технологии, которую они используют. Каротажные исследования открытого ствола проводятся до того, как нефтяная или газовая скважина будет облицована трубой или обсажена обсадной колонной. «Каротаж обсаженных скважин» проводится после футеровки скважины обсадной или эксплуатационной трубой. [3]
Каротажные каротажи можно разделить на широкие категории в зависимости от измеряемых физических свойств.
Конрад и Марсель Шлюмберже , основавшие компанию Schlumberger Limited в 1926 году, считаются изобретателями электрического каротажа скважин. Конрад разработал установку Schlumberger , которая представляла собой метод поиска месторождений металлических руд , а братья адаптировали эту наземную технику для подземных работ. 5 сентября 1927 года бригада, работавшая на компанию Schlumberger, спустила электрический зонд или инструмент в колодец в Пешельбронне, Эльзас, Франция, создав первую каротажную диаграмму . Говоря современным языком, первый каротаж представлял собой каротаж удельного сопротивления , который можно было бы описать как перевернутый боковой каротаж длиной 3,5 метра. [4]
В 1931 году Анри Жорж Долль и Ж. Дешатр, работавшие на компанию Schlumberger, обнаружили, что гальванометр шевелится даже тогда, когда по каротажным кабелям в скважине не проходит ток. Это привело к открытию спонтанного потенциала (СП), который был так же важен, как и возможность измерения удельного сопротивления . Эффект SP естественным образом создавался скважинным раствором на границах проницаемых пластов. Одновременно записывая SP и удельное сопротивление, каротажные приборы могли различать проницаемые нефтеносные пласты и непроницаемые непродуктивные пласты. [5]
В 1940 году компания Schlumberger изобрела наклономер спонтанного потенциала ; этот прибор позволял рассчитывать наклон и направление падения слоя. Базовый наклономер позже был дополнен наклономером удельного сопротивления (1947 г.) и наклономером непрерывного сопротивления (1952 г.).
Буровой раствор на нефтяной основе (OBM) был впервые использован в Рейнгли Филд, штат Колорадо, в 1948 году. Для обычных электрокаротажей требуется проводящий раствор или раствор на водной основе, но буровой раствор на водной основе не проводит ток. Решением этой проблемы стал индукционный журнал, разработанный в конце 1940-х годов.
Появление транзисторов и интегральных схем в 1960-х годах сделало электрические бревна значительно более надежными. Компьютеризация позволила значительно ускорить обработку журналов и значительно расширить возможности сбора данных журналов. 1970-е годы принесли больше журналов и компьютеров. К ним относятся каротажи комбинированного типа, в которых каротажи удельного сопротивления и каротажа пористости регистрировались за один проход в скважине.
Два типа каротажных диаграмм пористости (акустические каротажи и ядерные каротажи) датируются 1940-ми годами. Звуковые журналы выросли из технологии, разработанной во время Второй мировой войны. Ядерный каротаж дополнил акустический каротаж, но акустический или акустический каротаж по-прежнему выполняется с помощью некоторых комбинированных инструментов каротажа.
Ядерный каротаж изначально был разработан для измерения естественного гамма-излучения, испускаемого подземными формациями. Однако промышленность быстро перешла на бревна, которые активно бомбардируют горные породы ядерными частицами . Гамма -каротаж , измеряющий естественную радиоактивность, был представлен компанией Well Surveys Inc. в 1939 году, а нейтронный каротаж WSI появился в 1941 году. Гамма-каротаж особенно полезен при изучении сланцевых пластов, которые часто обеспечивают относительно низкую проницаемость для залежей углеводородов. обычно демонстрируют более высокий уровень гамма-излучения. Эти каротажи были важны, поскольку их можно было использовать в обсаженных скважинах (скважинах с эксплуатационной колонной). WSI быстро стала частью Lane-Wells. Во время Второй мировой войны правительство США передало почти военную монополию на каротажные работы в открытых скважинах компании Schlumberger , а монополию на каротажные работы в обсаженных скважинах - компании Lane-Wells. [6] Ядерные журналы продолжали развиваться и после войны.
После открытия ядерного магнитного резонанса Блохом и Перселлом в 1946 году журнал ядерного магнитного резонанса с использованием поля Земли был разработан в начале 1950-х годов компаниями Chevron и Schlumberger. [7] Николаас Блумберген подал заявку на патент компании Schlumberger в 1966 году. [8] ЯМР-каротаж был научным успехом, но оказался инженерной неудачей. Более поздние инженерные разработки компании NUMAR (дочерней компании Halliburton ) в 1990-х годах привели к созданию технологии непрерывного ЯМР-каротажа, которая сейчас применяется в нефтегазовой, водной и металлоразведочной промышленности. [9] [ нужна ссылка ]
Многие современные нефтяные и газовые скважины бурятся наклонно-направленным способом. Поначалу каротажникам приходилось запускать свои инструменты, каким-то образом прикрепленные к бурильной трубе, если скважина не была вертикальной. Современные методы теперь позволяют получать непрерывную информацию на поверхности. Это известно как каротаж во время бурения (LWD) или измерение во время бурения (MWD). В каротаже MWD используется технология гидроимпульсов для передачи данных от инструментов, находящихся на нижней части бурильной колонны , к процессорам на поверхности.
Каротаж сопротивления измеряет удельное электрическое сопротивление подповерхностных слоев, которое представляет собой способность препятствовать прохождению электрического тока. Это помогает различать пласты, заполненные соленой водой (хорошие проводники электричества), и пласты, заполненные углеводородами (плохие проводники электричества). Измерения удельного сопротивления и пористости используются для расчета водонасыщенности. Сопротивление выражается в омах на метр (Ом⋅м) и часто отображается в логарифмическом масштабе в зависимости от глубины из-за большого диапазона удельного сопротивления. Расстояние от скважины, куда проникает ток, варьируется в зависимости от инструмента: от нескольких сантиметров до одного метра.
Термин «изображение скважины» относится к тем методам каротажа и обработки данных, которые используются для получения изображений стенки скважины и пород, составляющих ее, сантиметрового масштаба. Таким образом, контекст связан с открытым стволом, но некоторые инструменты тесно связаны с их эквивалентами для обсаженных скважин. Визуализация скважин является одной из наиболее быстро развивающихся технологий каротажа скважин на кабеле. Область применения варьируется от детального описания резервуара и его характеристик до повышения нефтеотдачи углеводородов. Конкретными приложениями являются идентификация трещин, [10] анализ мелкомасштабных седиментологических особенностей, оценка эффективной продуктивности в тонкослоистых пластах и идентификация прорывов (неровностей в стенке скважины, которые совпадают с минимальным горизонтальным напряжением и появляются там, где напряжения вокруг ствола скважины превышает прочность породы на сжатие). [11] Предметную область можно разделить на четыре части:
Журналы пористости измеряют долю или процент объема пор в объеме породы. В большинстве каротажных диаграмм пористости используются либо акустические , либо ядерные технологии. Акустические каротажи измеряют характеристики звуковых волн, распространяющихся по стволу скважины. Ядерный каротаж использует ядерные реакции, которые происходят в скважинном каротажном приборе или в пласте. Ядерные журналы включают журналы плотности и нейтронные журналы, а также журналы гамма-излучения, которые используются для корреляции. [12] Основной принцип использования ядерной технологии заключается в том, что источник нейтронов, расположенный вблизи пласта, пористость которого измеряется, приводит к рассеянию нейтронов атомами водорода, в основном присутствующими в пластовой жидкости. Поскольку существует небольшая разница в нейтронах, рассеянных углеводородами или водой, измеренная пористость дает величину, близкую к истинной физической пористости, тогда как цифра, полученная в результате измерений удельного электрического сопротивления, обусловлена проводящей пластовой жидкостью. Таким образом, разница между измерениями нейтронной пористости и электрической пористости указывает на присутствие углеводородов в пластовом флюиде.
Журнал плотности измеряет объемную плотность пласта путем бомбардировки его радиоактивным источником и измерения результирующего количества гамма-лучей после эффектов комптоновского рассеяния и фотоэлектрического поглощения . Эту объемную плотность затем можно использовать для определения пористости.
Нейтронный каротаж пористости работает путем бомбардировки пласта надтепловыми нейтронами высокой энергии , которые теряют энергию за счет упругого рассеяния до почти тепловых уровней, прежде чем поглощаться ядрами атомов пласта. В зависимости от конкретного типа прибора нейтронного каротажа обнаруживаются либо гамма-лучи захвата, рассеянные тепловые нейтроны, либо рассеянные надтепловые нейтроны более высокой энергии. [13] Нейтронный каротаж пористости преимущественно чувствителен к количеству атомов водорода в конкретной формации, что обычно соответствует пористости породы.
Известно, что бор вызывает аномально низкую скорость счета нейтронных приборов из-за высокого сечения захвата поглощения тепловых нейтронов. [14] Аналогичное влияние на скорость счета оказывает увеличение концентрации водорода в глинистых минералах.
Акустический каротаж позволяет определить время прохождения интервала пласта, которое обычно зависит от литологии и текстуры породы, но особенно от пористости. Каротажный инструмент состоит, по меньшей мере, из одного пьезоэлектрического передатчика и двух или более приемников. Время, необходимое звуковой волне для прохождения фиксированного расстояния между двумя приемниками, записывается как интервал времени прохождения .
Журнал естественной радиоактивности пласта вдоль ствола скважины, измеренный в единицах API , особенно полезен для различения песков и сланцев в кремнистой среде. [15] Это связано с тем, что песчаники обычно представляют собой нерадиоактивный кварц, тогда как сланцы по своей природе радиоактивны из-за изотопов калия в глинах и адсорбированных урана и тория.
В некоторых породах, особенно в карбонатных, вклад урана может быть большим и неравномерным, что может привести к тому, что карбонат будет ошибочно принят за сланец. В этом случае карбонатный гамма-луч является лучшим индикатором содержания сланца. Карбонатный гамма-каротаж представляет собой каротаж гамма-каротажа, из которого вычтен вклад урана.
Журнал спонтанного потенциала (SP) измеряет естественную или спонтанную разность потенциалов между скважиной и поверхностью без применения тока. Это был один из первых каротажных каротажей, обнаруженный, когда один потенциальный электрод опускался в скважину и измерялся потенциал относительно фиксированного эталонного электрода на поверхности. [16]
Наиболее полезным компонентом этой разности потенциалов является электрохимический потенциал, поскольку он может вызвать значительное отклонение реакции SP напротив проницаемых пластов. Величина этого отклонения зависит главным образом от контраста солености бурового раствора и пластовой воды, а также глинистости проницаемого пласта. Поэтому каротаж SP обычно используется для обнаружения проницаемых пластов и оценки содержания глины и минерализации пластовой воды. Каротаж SP можно использовать для различения непроницаемых сланцев, проницаемых сланцев и пористых песков.
Инструмент, измеряющий диаметр скважины механически, с помощью двух или четырех рычагов [15] или с помощью высокочастотных акустических сигналов. [17] Поскольку точность записи большинства каротажных диаграмм зависит от регулярности скважины, каротаж каверномера может указать, где каротажи потенциально повреждены из-за того, что скважина имеет завышенный калибр (из-за размыва) или заниженный калибр (например, скопление глинистой корки).
Каротаж методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) использует ЯМР - отклик пласта для непосредственного определения его пористости и проницаемости , обеспечивая непрерывную запись по всей длине скважины . [18] [19] Основное применение инструмента ЯМР заключается в определении подвижного объема жидкости (BVM) породы. Это поровое пространство, исключающее связанную глиной воду (CBW) и невосстанавливаемую воду (BVI). Ни один из них не является подвижным с точки зрения ЯМР, поэтому эти объемы нелегко наблюдать на старых бревнах. На современных инструментах как CBW, так 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 нефтепромысловом смысле этого слова. Остаточные нефть и газ, тяжелая нефть и битум могут казаться подвижными при измерении прецессии ЯМР, но они не обязательно будут течь 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, а также гидродинамической характеристики пласта. Спектральный акустический каротаж регистрирует акустическую энергию, генерируемую потоком жидкости или газа через пласт или утечками в скважинных компонентах.
Инструменты акустического каротажа используются в нефтяной промышленности уже несколько десятилетий. Еще в 1955 году акустический детектор был предложен для использования при анализе целостности скважин для выявления отверстий в обсадных трубах. [21] За многие годы скважинные акустические каротажные инструменты доказали свою эффективность при определении профиля притока и приемистости действующих скважин, [22] [23] обнаружении утечек, [24] [25] определении местоположения перетоков за обсадной колонной, [26] и даже при определении состава пластовых флюидов . [27] Робинсон (1974) описал, как можно использовать шумовой каротаж для определения эффективной толщины коллектора. [28]
На протяжении всего срока эксплуатации скважин контроль целостности стальной и цементированной колонны (обсадных и насосно-компрессорных труб) осуществляется с помощью каверномеров и толщиномеров. Эти передовые технические методы используют неразрушающие технологии в виде ультразвуковых, электромагнитных и магнитных преобразователей. [29]
В 1970-х годах был представлен новый подход к каротажу на кабеле — каротаж во время бурения (LWD) . Этот метод обеспечивает информацию о скважине, аналогичную традиционному каротажному каротажу, но вместо того, чтобы датчики опускались в скважину на конце кабеля, датчики интегрируются в бурильную колонну, и измерения производятся в режиме реального времени во время бурения скважины. . Это позволяет инженерам-буровикам и геологам быстро получать такую информацию, как пористость, удельное сопротивление, направление скважины и вес на долото, и использовать эту информацию для принятия немедленных решений о будущем скважины и направлении бурения. [30]
При LWD измеренные данные передаются на поверхность в режиме реального времени посредством импульсов давления в столбе бурового раствора скважины. Этот метод телеметрии бурового раствора обеспечивает пропускную способность менее 10 бит в секунду, хотя, поскольку бурение горных пород является довольно медленным процессом, методы сжатия данных означают, что это достаточная полоса пропускания для доставки информации в реальном времени. Данные с более высокой частотой дискретизации записываются в память и извлекаются при извлечении бурильной колонны при смене долот. Скважинная и подземная информация высокого разрешения доступна через сетевые или проводные бурильные трубы , которые передают данные о качестве памяти в режиме реального времени. [31]
Этот метод сбора данных включает запись данных датчиков в скважинную память, а не передачу «в реальном времени» на поверхность. У этого варианта памяти есть некоторые преимущества и недостатки.
Керн – это процесс получения фактического образца горной породы из скважины. Существует два основных типа отбора керна: «полное отбор керна», при котором образец породы берется с помощью специального бурового долота, когда скважина сначала проникает в пласт, и «отбор бокового керна», при котором несколько образцов получаются сбоку. скважины после ее проникновения через пласт. Основное преимущество отбора керна в боковой стенке перед полным отбором керна состоит в том, что он дешевле (не нужно останавливать бурение) и можно легко получить несколько образцов, при этом основными недостатками являются неопределенность в отношении глубины, на которой был взят образец. получено, и инструмент может не получить образец. [32] [33]
Грязевые каротажи представляют собой каротажи колодцев, подготовленные путем описания кусков камня или почвы, вынесенных на поверхность грязью, циркулирующей в скважине. В нефтяной промышленности их обычно подготавливает компания по буровому каротажу, нанятая по контракту с эксплуатирующей компанией. Одним из параметров, отображаемых на типичном каротаже бурового раствора, является пластовый газ (газовые единицы или ppm). «Газовый регистратор обычно масштабируется в произвольных газовых единицах, которые разные производители газоанализаторов определяют по-разному. На практике значение придается только относительным изменениям обнаруженных концентраций газа». [34] Текущаястандартная каротажная диаграмма бурового раствора в нефтяной промышленности обычно включает параметры бурения в режиме реального времени, такие как скорость проходки (МСП), литологию , газовые углеводороды , температуру выкидной линии (температуру бурового раствора ) и хлориды , но может также включать массу бурового раствора , расчетное поровое давление и скорректированный показатель d (скорректированный показатель бурения) для диаграммы давления. Другая информация, которая обычно записывается в журнале бурового раствора, включает данные о направлении ( исследования отклонений ), вес на долото , скорость вращения , давление насоса, скорость закачки, вязкость , информацию о буровом долоте, глубину башмака обсадной колонны, кровлю формации, информацию о буровом насосе и т. д. немного.
В нефтяной промышленности каротажные диаграммы скважин и бурового раствора обычно передаются в «реальном времени» эксплуатирующей компании, которая использует эти каротажные диаграммы для принятия оперативных решений относительно скважины, для сопоставления глубин пласта с окружающими скважинами и для интерпретации количества и качество присутствующих углеводородов. Специалистов, занимающихся интерпретацией каротажа, называют аналитиками каротажа.