книги / Геофизические исследования скважин

растворителя, от концентрации битума в хлороформенном экстрак­ те переходят к содержанию битума в единице массы шлама.

Различие битумосодержания в двух типах экстракта (хлорофор­ менном и петролейном) характеризует содержание асфальтенов. Высокое значение этого параметра характерно для битуминозных пород и пород с тяжелыми окисленными нефтями.

§ 4. КОМПЛЕКСНЫЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ

В последние годы резко расширился комплекс геофизических ис­ следований, проводящихся одновременно с процессом бурения. Этот комплекс включает следующие группы методов, основанные на изу­ чении: а) показателей бурения; б) характеристик гидравлической си­ стемы при бурении; в) изменения свойств бурового раствора при бу­ рении; г) свойств шлама.

При такой классификации газометрия скважин, рассмотренная выше, — один из методов группы «в», а люминесцентный анализ — группы «г».

Кроме того, в процессе бурения могут проводиться исследования и обычными электрическими, радиоактивными, акустическими зон­ дами, расположенными внутри колонны бурильных труб, или ском­ понованными в виде специальных устройств над долотом. Для пере­ дачи информации могут использоваться различные линии связи (про­ водная электрическая, гидравлическая— по потоку бурового раствора, по бурильным трубам, через горные породы).

Некоторые виды информации, получаемой в процессе бурения, трудно или даже невозможно получить при исследованиях после бурения. Преимущество исследований непосредственно в процессе бурения заключается также в их оперативности. По ним можно су­ дить, в частности, об оптимальности самого процесса бурения и при­ нимать соответственно оперативные меры по его улучшению. Если же по данным этих методов будет получено указание на возможное вскрытие коллекторов (или других пород, представляющих интерес), бурение можно немедленно прекратить и провести дополнительные исследования другими методами для получения более полной инфор­ мации о вскрытом разрезе.

Методы изучения показателей бурения

К этой группе относятся методы изучения скорости (продолжи­ тельности) бурения, числа оборотов долота и веса инструмента (на­ грузки на долото). Важнейшим среди всех является метод продол­ жительности бурения (механический каротаж). Он основан на изу­ чении времени, затрачиваемого на бурение определенных интервалов глубины. На первом этапе развития метода рабочую (ведущую) тру­ бу размечали на метровые интервалы и записывали время, за кото­ рое каждая метка подходила к столу ротора.

Наиболее совершенным является способ регистрации кривой продол­ жительности бурения при проведении детального механического каро­

131

тажа (ДМК) с регистрацией времени бурения небольших интервалов (0,2 или 0,4 м). Для этого в состав газокаротажных станций или специаль­ ных автоматических станций контроля параметров бурения (АСПБ) включают датчики глубин, связанные с ходовым концом талевого кана­ та. Станции АСПБ автоматически регистрируют диаграмму продолжи­ тельности бурения на диаграммной ленте, протягиваемой с шагом кван­ тования по глубине 25, 50 или 100 см. Запись осуществляется на трех масштабах продолжительности бурения At6:0— 3; 0— 7,5и0— 15мин/ м. На таких диаграммах достаточно четко проявляются изменения At6 в довольно большом диапазоне (от 4 до 1000 м/ч).

Скорость проходки зависит от технологических параметров бу­ рения (тип долота, число его оборотов, нагрузка на долото, вязкость бурового раствора и т. п.), от дифференциального давления (разно­ сти пластового рШ1 и забойного р3 давлений) и от прочностных свойств пород — их критического напряжения а кр, называемого также пре­ делом прочности или коэффициентом крепости. Этот параметр, ха­ рактеризующий сопротивляемость горных пород разрушению доло­ том, является сложной функцией временных сопротивлений поро­ ды на сжатие и срез и зависит от характера разрушающей нагрузки (динамическая и статическая). Определив по данным ДМК величи­ ну сткр, можно судить о типе проходимых пород.

В обломочных породах величина а кр зависит в основном от проч­ ности цемента и его связи с частицами породы. Для карбонатов и пес­ чаников а кр обратно пропорционально коэффициенту пористости. Поэтому высокопористым породам соответствует повышение скоро­ сти бурения (понижение At6). Наибольшие значения акр (при прочих равных условиях наибольшее значение At6) характерны для магма­ тических, метаморфических и сильно сцементированных осадочных пород. Пористым песчаникам, известнякам и доломитам соответству­ ют средние значения At6, мелу и пескам — низкие. Значения At6для глин растут с глубиной.

Связь продолжительности проходки с критическим напряжением и с технологическими параметрами описывается приближенной фор­

где F — начальная опорная поверхность долота; п — число оборотов долота; G — нагрузка на долото; с — коэффициент размерности.

Поскольку в формулу (III. 12) входят число оборотов долота и на­ грузка на него, то эти параметры также непрерывно регистрируются в процессе ДМК.

Для исключения технологических параметров, упрощения ин­ терпретации в ряде районов можно использовать относительный параметр Дт = At6/At6.on, где At6.on — продолжительность бурения в некотором опорном пласте, пройденном тем ж е долотом. В Запад­ ной Сибири в качестве такого пласта принимают обычно глины, рас­ положенные вблизи исследуемого пласта и пройденные при том же режиме бурения.

132

Для оценки прочностных свойств пород предложено также исполь­ зовать количество энергии А, затрачиваемой при бурении на разру­ шение единицы объема породы и называемой удельной энергоемкос­ тью пород:

где W — мощность, реализуемая на забое; S — площадь забоя; иб — скорость бурения.

Установлено, что во многих районах наименьшая энергоемкость характерна для пород-коллекторов с повышенными пористостью и проницаемостью.

Методы изучения характеристик гидравлической системы

Эти методы основаны на непрерывном наблюдении за давлением руна устье скважины (метод давления) и за разностью AQ= QBX-Q BbIX расходов бурового раствора на входе в скважину QBXи на выходе из нее <?вых (фильтрационный метод).

Фильтрационный метод

При вскрытии коллекторов возможно значительное изменение объема бурового раствора за счет поглощения фильтрата (если за­ бойное давление р3больше пластового рпл) или притока жидкости из пласта (р3<рпл). В первом случае AQ > 0, во втором AQ < 0. При буре­ нии абсолютно непроницаемых пород AQ = 0. Различие в значениях QBXи QBblx ощущается на поверхности практически с момента начала вскрытия коллекторов.

Если р3<рпл, то абсолютное значение разности ДQ за время раз­ буривания пласта-коллектора растет, а затем стабилизируется Если р3>рпл, то AQ за время бурения пласта-коллектора растет, но затем обычно уменьшается из-за образования глинистой корки и зоны кольматации на стенке скважины.

По максимальным значениям AQ в обоих случаях можно судить о гидропроводности пласта Ah • кпр/р, где Ah — мощность вскрытой ча­ сти пласта; ц — вязкость фильтрующейся жидкости (фильтрат или пластовая вода); кпр — проницаемость породы. Непрерывные изме­ рения по глубине позволяют изучить профиль фильтрации

Помехи при фильтрационном методе возникают из-за ухода фильтрата и бурового раствора во вскрытые ранее пласты-кол­ лекторы (или из-за поступления воды из них, если р3<рпл)

Вместо измерения дебитов бурового раствора на входе и выходе скважины можно также наблюдать за изменением во времени объе­ ма бурового раствора в амбаре. При прохождении коллекторов, по­ глощающих фильтрат, объем бурового раствора в амбаре умень­ шается, а при водоотдаче из вскрываемых пластов— увеличивает­ ся. Однако при этом следует иметь в виду возможности появления небольших сложных колебаний уровня в течение нескольких де­ сятков секунд после включения или выключения насосов. Они обус­ ловлены тем, что при остановке насоса всасывание бурового раство­

133

ра мгновенно прекращается, а сток его по желобу в амбар еще про­ должается. Наоборот, при включении насоса в работу буровой ра­ створ засасывается, а стока его из желоба в амбар в течение неко­ торого времени еще нет.

Метод давления

Э т о т метод основан на непрерывной регистрации давления ру на стояке манифольда в функции глубин. При бурении непроницаемых пород на постоянном режиме это давление плавно растет с глубиной, а при вскрытии коллекторов (имеется в виду случай р 3>рпл) умень­ шается за счет фильтрации бурового раствора и разрядки зоны по­ вышенного давления в поддолотном пространстве. Этот эффект прак­ тически мгновенно отражается на величине ру.

Величина эффекта зависит от разности р3—Рщ, и позволяет су­ дить о пластовом давлении р ^ . Поэтому этот метод (кроме выделе­ ния коллекторов) может использоваться и для выделения зон с ано­ мально высокими (АВПД) или аномально низкими (АНПД) пласто­ выми давлениями.

Методы изучения свойств бурового раствора

Для получения информации о проходимых скважиной породах и об изменениях условий бурения предложено регистрировать (в фун­ кции глубины скважины) такие параметры бурового раствора, как нефте- и газосодержание (геохимические методы, см. § 3), темпера­ тура (желобная термометрия), плотность, вязкость, радиоактивность, электрическое сопротивление и др.

Желобную термометрию осуществляют с помощью термометра, расположенного как можно ближе к скважине. При бурении одно­ родной толщи пород с постоянным геотермическим градиентом по­ род Г температура бурового раствора в желобе Тр монотонно, почти линейно увеличивается с ростом глубины скважины Я. При прочих равных условиях чем выше значение Г, тем больше и скорость изме­ нения Тр в желобе при углублении скважины. Это позволяет исполь­ зовать диаграммы gradTp для изучения геотермического градиента Г, в частности, для выделения зон АВПД, вызывающих увеличение пористости, а следовательно, и теплового сопротивления глин и геотермического градиента.

Опыт показал также зависимость gradTp от проницаемости по­ род: против проницаемых пород gradTp ниже, чем против непрони­ цаемых пластов. Это объясняется: а) низкой энергоемкостью прони­ цаемых пород, вследствие чего при их бурении выделяется меньше тепла; б) вытеснением воды из проницаемых пород (под долотом) изза опережающего проникновения более холодного фильтрата буро­ вого раствора, что понижает температуру разбуриваемых пород и шлама, поступающего в буровой раствор. Обе указанные причины приводят к снижению Три gradTp.

Надежное использование диаграмм gradTpдля выделения коллек­ торов и зон с АВПД возможно лишь тогда, когда непрерывно регист­

134

рируют и учитывают при интерпретации все другие факторы, влия­ ющие на Тр (изменение диаметра скважины; скорость циркуляции бурового раствора; число оборотов долота; колебания температуры окружающей среды и др.).

При измерении удельной электропроводности бурового раствора в желобе с помощью поверхностного резистивиметра обнаруживается попадание в него относительно небольших количеств пластовой воды, так как обычно ее электропроводность значительно выше электропро­ водности бурового раствора. Если при бурении р3< р пл, то по мере вскрытия коллектора удельное электрическое сопротивление буро­ вого раствора ррнепрерывно уменьшается из-за поступления пласто­ вой воды в скважину. Начало уменьшения рр улавливается поверхно­ стным резиртивиметром, установленным в желобе, с некоторым запаздыванием, равным времени подъема бурового раствора с забоя до устья.

Если р3>рпл, то приток пластовой воды в скважину вызывают ис­ кусственным понижением уровня бурового раствора в скважине (ниже пьезометрического уровня) с помощью компрессора. Если сква­ жину оставить в покое на 10— 30 мин, то за счет поступления воды из пластов-коллекторов ррпротив них понижается. После восстанов­ ления циркуляции бурового раствора в скважине осуществляют не­ прерывную регистрацию рр в функции времени. В момент поступле­ ния на поверхность порций бурового раствора, выходящего из ин­ тервалов коллекторов, отмечается понижение рр. Аналогично диффузионной газометрии после бурения возможно получение не­ больших аномалий на диаграммах рр и без предварительного пони­ жения уровня бурового раствора за счет лишь диффузии солей из пластов в простаивающей скважине. Э.Е. Лукьянов считает, что для обнаружения зон АВПД описанный электрический способ может быть на порядок чувствительнее фильтрационного метода.

Для получения информации о разрезе и оптимизации режимов бурения непрерывно изучают в процессе бурения и другие парамет­ ры бурового раствора. Так, непрерывный контроль плотности буро­ вого раствора для бурения на равновесии, т. е. для поддержания зна­ чений ра, примерно равных рпл. По содержанию песка в буровом ра­ створе судят о вскрытии песчаных коллекторов. В язкость и статическое напряжение сдвига влияют на способность бурового ра­ створа проникать в поры и трещины горных пород.

Методы изучения шлама

При изучении шлама получают информацию о составе и плотности горных пород, их прочности, абразивных, емкостных и фильтраци­ онных свойствах, о характере насыщающего поры флюида. Чтобы снизить трудоемкость работ по исследованию шлама, разработаны автоматические шламоотборники, позволяющие отбирать пробы шла­ ма с разделением их на несколько фракций с различным размером частиц. При привязке отобранного шлама к глубинам необходимо (в отличие от газометрии) учитывать не только время движения буро-

135

вогоо раствора от забоя до устья, но и более медленный подъем шла­ ма по сравнению с буровым раствором. Чем крупнее размер частиц шлама, тем больше запаздывание шлама по отношению к движению бурового раствора.

Характер насыщения пород выявляют по данным люминес­ центного анализа и инфракрасной спектрометрии шлама (см. § 3). Для экспрессного определения плотности горных пород рекомендуют спо­ соб, основанный на изучении всплывания шлама в жидкостях раз­ личной плотности. Последние получают, смешивая в различных про­ порциях этиловый спирт и бромоформ (2,89 г/см3).

Для установления пористости, карбонатности шлама и его грану­ лометрического состава используют стандартные методы, применя­ емые при изучении керна. Данные о плотности и пористости шлама позволяют оперативно прогнозировать зоны АВПД. Для этой же цели используют результаты измерения удельного электрического сопро­ тивления шлама.

Для повышения экспрессности изучения элементного состава шлама разрабатывают различные физические и физико-химичес­ кие методы, в первую очередь ядерно-физические, не требующие предварительной подготовки шлама к исследованиям.

Экспрессные методы определения твердости и абразивности по­ род по шламу дают информацию, необходимую для правильного вы­ бора нагрузок на долото, а также типа долота, наиболее эффектив­ ных при бурении данных пород. По ним можно также прогнозиро­ вать время работы долота на забое.

Изучение распределения размеров шлама позволяет судить об эффективности работы долота на забое. Максимальная толщина ча­ стиц шлама характеризует глубину внедрения долота в породу; но она зависит также от осевой нагрузки на долото. При постоянной на­ грузке износ зубьев сопровождается уменьшением максимальной толщины частиц.

Виброакустический метод

Виброакустический метод основан на изучении вибрации верх­ ней части колонны бурильных труб. В верхней части рабочей колон­ ны с помощью специальной муфты крепится датчик, измеряющий силу и ускорения продольных колебаний. Там ж е обычно располага­ ются датчики технологических параметров (частоты вращения ко­ лонны, веса на крюке, давления бурового раствора). Датчики для из­ мерения силы и ускорений крутильных колебаний, а также враща­ ющего момента находятся в другой муфте под роторным столом. Электрические связи с вращающимися датчиками осуществляются с помощью коллекторов.

Работа долота вызывает механические колебания бурильных труб, спектр и интенсивность которых зависят как от технологических па­ раметров (тип долота, частота его вращения, осевое давление, свой­ ства бурового раствора и др.), так и от разновидности разбуриваемой породы. Поэтому метод позволяет получать информацию как о гор­

136

ных породах, так и о работе долота. Спектр вибрации содержит со­ ставляющие, частоты которых равны произведению числа оборотов долота на число шарошек, числу ударов зубьев шарошек о породе в 1 с и т. п.

От твердости разбуриваемых пород зависят как амплитуда, так и форма вибрации, особенно уровень высокочастотных колебаний (>1 кГц), чем тверже порода, тем выше их амплитуда. Поскольку ам­ плитуда колебаний растет также с ростом частоты и осевого давле­ ния, рекомендуют пользоваться отношением амплитуд в области спектра 5— 10 кГц к среднему уровню сигнала (или к амплитуде ко­ лебаний в других областях частот). В мягких породах сигнал по фор­ ме ближе к синусоиде (рис. 71); в твердых породах форма сигнала более сложная, в частности, содержит короткие «выбросы». Предпо­ лагают, что эти выбросы (всплески) вызваны ударами зубьев о поро­ ду и хрупким ее разрушением.

Поскольку вибрация зависит не только от свойств пласта, но и от режима бурения, состояния долота и т. п., сопоставление диаграмм скорости проходки иб и ускорений вибрационного перемещения вер­ хней части бурильной колонны д позволяет судить об особенностях

рамма для оптимального режима (кривая II) в совмещении с диаграммой для неоптимального режима (кривая I) Заштрихованы уча­ стки их расхождения, т. е. интервалы, где режим бурения не был оп­ тимальным для соответствующих пород. Совместное изучение вибрации и крутящего момента полезно для обнаружения заклини­ вания опор шарошек долота. При этом амплитуда вибрации умень­ шается, а крутящий момент резко возрастает.

В современной аппаратуре виброакустического каротажа, в отли­ чие от выпускаемой ранее (аппаратура ИРД), используется радио-

137

Рис. 72. Диаграммы скорости бурения v 6 и ускорений вибра­ ционного перемещ ения бурильной колонны д

Режим промывки I — неоптимальный, I I — оптимальный

канал ограниченной дальности (аппаратура АВАК-РК), что позво­ ляет разместить приемную часть непосредственно на буровой.

Таким образом, комплекс исследований в процессе бурения дает богатую информацию как об особенностях разбуриваемых пород, так и о самом процессе бурения. Эти данные можно использовать для оптимизации режима бурения и принятия оперативных решений об остановке бурения для опробования пластов или проведения заме­ ров другими геофизическими методами (с приборами на кабеле).

Станции геолого-технологического контроля

Для проведения исследований в процессе бурения, рассмотрен­ ных выше, разработано несколько типов станций геолого-техно­ логического контроля. Наибольшее распространение имеет станция СГТК-1, разработанная под руководством Э. Е. Лукьянова

Станция СГТК-1 осуществляет регистрацию в аналоговой форме в функции глубин или времени диаграмм следующих параметров, веса бурового инструмента, скорости бурения (текущей и средней за последний час), давления бурового раствора на стояке, температу­

138

ры, значения pH, плотности, удельного электрического сопротивле­ ния и суммарного газосодержания бурового раствора на входе и вы­ ходе из скважины, параметров фильтрационного метода (уровня бу­ рового раствора в доливочной емкости, расхода его на входе и выхо­ де), потенциала бурового инструмента относительно контура буровой Периодически (дискретно по глубине) проводят люминесцентно-би- туминологический экспресс-анализ керна и шлама, измерения pH и Eh для тех же объектов, определение вязкости, статического и дина­ мического напряжений сдвига бурового раствора. С помощью стре­ лочных или цифровых индикаторов возможно получение в любой момент текущих значений глубины скважины, положения долота над забоем, рейсовой скорости, проходки за рейс и др. Ведутся учет вре­ мени работы буровой бригады, осмотр, обмер и описание отработан­ ных долот.

Преобразование сигналов до уровня унифицированных в датчи­ ках информационно-измерительных систем ГТИ (ИИС ГТИ) может производиться на вторичных измерительных пультах (панелях) или в самом датчике. Существуют также измерительные системы , в ко­ торых производятся функциональные преобразования (например АВАК-РК с радиоканалом) и интеллектуальные (микропроцессор­ ные) датчики, называемые также сенсорами, первичные измеритель­ ные сигналы в которых преобразуются в цифровой код, способный транслироваться по общей линии связи непосредственно на вход ком­ пьютера [12].

В современных станциях ГТИ предусмотрена регистрация инфор­ мации не только в аналоговой, но и в цифровой форме. Имеется бор­ товая миниЭВМ для управления работой станции и оперативной об­ работки данных. Увеличено число регистрируемых параметров, предусмотрена регистрация вибраций бурильной колонны, ряда дополнительных параметров бурового раствора и др. В цифровых и компьютеризированных ИИС ГТИ после аналого-цифрового преоб­ разования вся непрерывная информация представляется множе­ ством дискрет, количество которых (определяемое временем опроса датчиков, пропускной способностью каналов связи и др.) должно быть достаточным для полного восстановления исходного сигнала, полу­ ченного от датчика с аналоговым входом.

Кабельный самоцентрирующийся комплекс (КСК) «Регион-1» (ЗАО «Газпромгеокомсервис» и «Геотермприбор») осуществляет кон­ троль технологических параметров (показателей бурения) в реаль­ ном масштабе времени и включает инклинометрию, гамма-каротаж, термометрию, акустомеханический каротаж, датчики продолжи­ тельности и скорости бурения, датчики глубины. Прием, обработка и выдача данных производится посредством станции ТЛС (рис. 73.). Данные КСК позволяют определять траекторию ствола скважины, прогнозировать зоны АВПД, выделять продуктивные пласты, давать рекомендации по планированию геофизических исследований и ис­ пытаний продуктивных пластов.

139

Долото

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие типы упругих волн могут распространяться в твердых телах, жидкостях и газах?

2.Дайте определения следующим терминам, используемым в те­ ории акустических методов: интервальное время, коэффициент за­ тухания, длина зонда, база зонда.

3.Назовите основные модификации акустических методов иссле­ дования скважин. Какие характеристики акустического поля они регистрируют?

4.От каких свойств пород зависят результаты основных акусти­ ческих методов?

5.Назовите модификации акустических методов, используемые для определения пористости горных пород, для оценки их насыщения.

6.Приведите особенности акустических зондов.

7.Сформулируйте правила определения границ пластов на диаг­ раммах AM.

140