GEOFIZYKA WIERTNICZA

/WYBRANE ZAGADNIENIA/

1. WSTĘP

              Pomiary w otworach wiertniczych, geofizyka wiertnicza czy „karotaż” geofizyczny polegają na badaniu zmian szeregu parametrów fizycznych różnych formacji geologicznych z głębokością w otworach wiertniczych je przecinających. Rejestrujemy na przykład takie parametry danego ośrodka jak oporność, radioaktywność naturalną lub sztuczną, prędkość rozchodzenia się fali sprężystej ale również parametry geometryczne otworu wiertniczego takie jak średnica, azymut skrzywienia czy odchylenie od założonego kierunku.

              Historycznie biorąc, pierwsze pomiary otworowe wykonali w 1926 roku bracia Conrad     i Marcel Schlumberger. Zmierzyli oni oporność ośrodka, wkrotce potem zaczęto wprowadzać następne pomiary takie jak: radioaktywność naturalna i upadomierz (1930), profilowania neutron-gamma (lata czterdzieste), neutron-neutron (lata pięćdziesiąte), a potem zapoczątkowało to lawinę szeregu innych pomiarów.

              Badania otworowe pozwalają nam na uzyskanie wielu informacji pozwalających na przeprowadzenie zarówno jakościowej, jak i ilościowej interpretacji.

              Do interpretacji jakościowej zaliczamy:

·                  poznanie natury osadów tzn. ustalenie czy są to osady zbite i nieprzepuszczalne czy też porowate i przepuszczalne, jaki reprezentują one typ litologiczny itp.,

·                  ustalenie granic poszczególnych warstw czy formacji geologicznych,

·                  korelację osadów występujących w profilach różnych otworów,

·                  wydzielenie interwałów wodonośnych czy też nasyconych węglowodorami.

              Do interpretacji ilościowej zaliczamy między innymi oceny:

·                  współczynników porowatości i nasycenia wodą ośrodków,

·                  resztkowego nasycenia wodą czy węglowodorami w strefie przemytej (filtracji),

·                  miąższości warstw,

·                  mineralizacji wody złożowej,

·                  współczynnika przepuszczalności.

              Pomiary w otworach wykonujemy za pomocą sondy zawieszonej na kablu i opuszczanej przez urządzenie wyciągowe na dno otworu wiertniczego. Pomiar wykonujemy zazwyczaj          w czasie podnoszenia sondy do góry (za wyjątkiem pomiarów temperatury i oporności płuczki wiertniczej). Całe oprzyrządowanie łącznie z aparaturą kontrolno-pomiarową umieszczone jest na specjalnie do tego przystosowanym samochodzie ciężarowym (rys. 1.1).Sondy są przyrządami wyposażonymi w różnego typu urządzenia czy czujniki pomiarowe. Istnieje ogromna ilość rożnego rodzaju sond począwszy od bardzo prostych (z technicznego punktu widzenia) wykorzystywanych do profilowań PS czy oporności (klasycznych), a skończywszy na bardzo skomplikowanych, używanych do profilowań indukcyjnych czy sterowanych. Do każdego typu sondy wykorzystuje się odpowiedni kabel zawierający od jednej do kilku żył służących do przekazywania sygnałów elektrycznych od sondy do aparatury kontrolno-pomiarowej znajdującej się na powierzchni.

                            Rys. 1.1. Schemat aparatury kontrolno-pomiarowej.

              Istnieje bardzo wiele rodzajów profilowań, ale generalnie łączy się je w kilka grup takich jak:

·                  profilowania elektryczne (elektrometria wiertnicza),

·                  profilowania jądrowe (radiometria wiertnicza),

·                  profilowania akustyczne

·                  inne (profilowania: temperaturowe, prędkości wiercenia, wielkości wydobycia, własności i składu płuczki wiertniczej itp.).

2. ELEKTROMETRIA  WIERTNICZA

2.1. Uwagi ogólne

              Profilowania elektryczne wykonuje się zwykle w otworze niezarurowanym                        i wypełnionym płuczką wiertniczą. Obecność rur zarówno metalowych (przewodnik elektryczny), jak i plastikowych (izolator) w zasadniczy sposób zakłóca pomiar. Obecność płuczki jest niezbędna dla zabezpieczenia kontaktu elektrycznego pomiędzy elektrodami umieszczonymi w sondzie a przewierconym ośrodkiem.

              W pomiarach elektrometrycznych używamy zamiast oporu elektrycznego, oporność właściwą ośrodka. Definiujemy ją jako opór elektryczny w ohm, mierzony pomiędzy dwoma przeciwległymi ścianami sześcianu o krawędzi 1 m. Używaną zatem jednostką oporności jest omm. Niekiedy zamiast oporności mierzymy przewodność ośrodka w S/m (Siemens/m), która jest odwrotnością jego oporności.

              Oporność skał zmienia się w szerokich granicach od 10-4 omm (magnetyt) do 1016 omm (ropa naftowa) - rys. 2.1.

Rys. 2.1.

              Przewodność ośrodka może być elektronowa lub jonowa. Elektronowa występuje           w przypadku kiedy ośrodek budują pierwiastki metaliczne, natomiast z jonową mamy do czynienia w skałach osadowych nasyconych zmineralizowaną wodą.

2.2. Klasyczne profilowanie oporności

              Klasyczne profilowanie oporności wykonujemy sondą wyposażoną w trzy elektrody    (rys. 2.2),  czwarta elektroda znajduje się na powierzchni terenu lub w otworze, ale w znacznej odległości od trzech pozostałych.

Rys. 2.2. Schemat pomiaru oporności

A, B - elektrody prądowe,     M, N - elektrody pomiarowe,

1 - źródło prądu,

2 - aparatura pomiarowa.

Celem profilowania oporności jest jej pomiar w funkcji głębokości otworu. Należy podkreślić, że klasyczne pomiary oporności oddały ogromne usługi w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych w poszukiwaniach naftowych na świecie. W Polsce metody te wykorzystywane były praktycznie do początku lat dziewięćdziesiątych tzn. do czasu zakupu przez Zakłady Geofizyczne w Krakowie i Toruniu nowoczesnej aparatury.

2.3. Klasyczne mikroprofilowanie oporności (mPO)

              Sonda do mikroprofilowania oporności wyposażona jest w dwa ramiona. Na jednym          z nich (ramię pomiarowe) zamontowana jest wkładka izolacyjna z wprasowanymi w nią elektrodami, drugie służy do dociskania ramienia pomiarowego do ścianki otworu. Wkładka izolacyjna posiada trzy punktowe elektrody umieszczone od siebie w odległości 2.5 cm. Mamy zatem do czynienia z lokalnym systemem pomiarowym. Dzięki dociskaniu wkładki izolacyjnej do ścianki otworu jest minimalizowany wpływ płuczki na wynik pomiaru. Przy pomocy tak skonstruowanego układu pomiarowego rejestrujemy dwie krzywe. o różnym zasiegu śledzenia.

              Dzięki niewielkiemu zasięgowi śledzenia w oparciu o wyniki pomiaru mPO możemy precyzyjnie określać granice warstw o różnych własnościach elektrycznych oraz wydzielać          w profilu otworu skały nieprzepuszczalne i zbiornikowe. W tym ostatnim przypadku powinien być jednak spełniony warunek, aby płuczka filtrując do skały zbiornikowej pozostawiała na ścianie otworu warstwę osadu ilastego o miąższości kilku mm. W oparciu o wyniki mPO można ocenić oporność strefy filtracji i dzięki temu oszacować wartość współczynnika porowatości. Najdokładniejsze wyniki interpretacji ilościowe mPO uzyskuje się wówczas jeżeli porowatość ośrodka jest wyższa od 15% a miąższość warstwy osadu ilastego nie przekracza 12 mm. Konieczna przy tym jest również minimalna strefa filtracji (co najmniej 10 cm). Pozwala to na zróżnicowanie wskazań mikrosond o różnym zasięgu śledzenia.

2.4. Profilowanie indukcyjne (PI)

              Najprostsza sonda indukcyjna zbudowana jest z dwóch cewek: nadawczej i odbiorczej znajdującej się w pewnej odległości od siebie. Przez cewkę nadawczą  przepuszczamy prąd zmienny o częstotliwości 20 kHz, który wytwarza wokół niej zmienne pole magnetyczne. Indukuje ono w ośrodku skalnym wokół otworu wiertniczego prądy wirowe krążące współosiowo w stosunku do sondy. Te prądy wirowe wytwarzają z kolei  własne, zmienne pole magnetyczne indukujące w cewce odbiorczej sondy prąd elektryczny. Jego natężenie jest proporcjonalne do przewodności ośrodka czyli odwrotnie proporcjonalne do jego oporności.

              W praktyce nie stosuje się już dzisiaj sond z dwoma cewkami, ale uzupełnia się je trzema lub czterema cewkami dodatkowymi, które mają za zadanie skupianie i ogniskowanie prądów wirowych w otaczającym sondę ośrodku tak aby krążyły one w warstwie ośrodka zawartej pomiędzy cewkami nadawczą i odbiorczą. To zdecydowanie poprawia dokładność pomiaru.

              Zasięg śledzenia sond indukcyjnych zależą od ich typu. W praktyce wykorzystuje się obecnie cztery typy sond indukcyjnych: 5FF27, 6FF27, 5FF40, 6FF40. Pierwsza cyfra danego typu sondy podaje ilość cewek w niej wykorzystywanych a druga jej długość wyrażoną w calach. Zasięgi radialne w/w sond wynoszą odpowiednio: 1.5 d (d - średnica otworu); 2.5 d; 4.5 d; 7 d. Tak więc sondy 5FF40 i 6FF40 pozwalają zwykle, jeżeli warstwa posiada odpowiednią miąższość, na ocenę jej oporności Rt.

              PI służy zwykle do określania przewodności (oporności) ośrodka. Wyniki pomiarów są szczegolnie dokładne dla przekrojów niskooporowych tzn. gdy generalnie oporność w profilu otworu nie przekracza  100 omm oraz gdy oporność płuczki wypełniającej otwór jest przynajmniej pięć razy wyższa od oporności wody złożowej. PI pozwala na precyzyjne określenie granic warstw natomiast gorsze wyniki uzyskuje się w osadach nasyconych wodą słodką tzn. dla przekrojów wysokooporowych.

              Aktualnie bardzo często obecnie wykorzystuje się układ pomiarowy złożony z dwóch sond indukcyjnych o różnym zasięgu śledzenia. Nazywamy go profilowaniem indukcyjnym podwójnym. Wykorzystuje on zwykle sondę o dużym zasięgu śledzenia (6FF40) oraz sondą         o średnim zasięgu śledzenia (5FF40 lub 6FF27). Ten układ uzupełnia się zwykle sondą sterowaną ośmioelektrodową (LL8) o niewielkim zasięgu śledzenia (0.25 d - 1.25 d). Powyższy system pomiarowy wyparł klasyczny system pomiaru oporności.

2.5. Sterowane profilowanie oporności (POst)

              Klasyczne profilowanie oporności posiada dwie poważne wady:

·      w przypadku warstwy cienkiej tzn. takiej, której miąższość jest mniejsza od długości sondy, zarejestrowana oporność pozorna różni się znacznie od oporności rzeczywistej ośrodka;

·      płuczka niskooporowa (zmineralizowana) wywiera bardzo silny wpływ na wynik pomiaru.

              Aby to wyeliminować podjęto próbę pomiaru oporności z wykorzystaniem tzw. elektrod sterujących. Początkowo skonstruowano sondę trójelektrodową POst-3 (LL3). Jeżeli wykorzystamy długi cylinder jako elektrodę zasilającą (prądową) to linie prądowe w jej części środkowej będą rozchodziły się radialnie . Dzieląc ten cylinder na trzy części otrzymamy trzy elektrody o tym samym potencjale. Środkową A0 nazwano elektrodą centralną, a dwie pozostałe A1 i A2 połączono ze sobą i nazwano elektrodami sterującymi. Przez elektrodę A0 wysyła się do ośrodka prąd o stałym natężeniu I0. W tym samym czasie przez elektrody sterujące wysyła się prąd o zmiennym natężeniu w taki sposób aby potencjały wszystkich trzech elektrod były sobie równe, bowiem potencjał elektrody A0 w zależności od ośrodka, naprzeciw którego znajduje się w danym momencie elektroda A0, ulega zmianie. Pozwala to na uzyskanie radialnego układu linii sił pola elektrycznego emitowanego przez elektrodę centralna. Pomiar wartości potencjału A0 oraz znajomość natężenia prądu I0 pozwala na określenie oporności elektrycznej ośrodka znajdującego się w danym momencie naprzeciw elektrody A0 (jej środek odpowiada punktowi zapisu krzywej pomiarowej).

              Na wyniki pomiaru realizowanego sondą trójelektrodową wywiera wpływ średnica otworu i miąższość warstwy. Dlatego skonstruowano sondę siedmioelektrodową POst-7 (LL7). Okazała się ona bardziej skuteczna w zakresie ogniskowania wysyłanego przez elektrodę centralną prądu elektrycznego oraz bardziej rozdzielcza (rejestruje więcej szczegółów) w porównaniu z sondami klasycznymi czy nawet sondą sterowaną trójelektrodową. Mierzona przez nią oporność pozorna niewiele rożni się od oporności rzeczywistej szczególnie wówczas gdy miąższość analizowanej warstwy jest większa od długości sondy oraz gdy oporność płuczki jest mniejsza od oporności wody złożowej.

              Oprócz sond sterowanych trój i siedmioelektrodowych skonstruowano kilka innych układów pomiarowych takich jak POst-8 (LL8), podwójny laterolog (podwójne sterowane profilowanie oporności) oraz sferyczne sterowane profilowanie oporności sPOst (SFL).               Profilowanie sterowane oporności ośmioelektrodowe POst-8 (LL8) jest analogiczne do POst-7. Długość tej sondy wynosi 14² (~35 cm), a jej zasięg śledzenia waha się w granicach od 0.25 do 1.25 d  w zależności od warunków pomiarowych.

              Podwójne sterowane profilowanie oporności (DUAL LATEROLOG) jest realizowane poprzez dwie odizolowane od siebie części rozciętego wzdłuż osi cylindra. Każda z nich wyposażona jest w dziewięć elektrod i funkcjonuje niezależnie. Zasilanie ich prądem o różnej częstotliwości pozwala na uzyskanie dwóch krzywych odpowiadających dwóm różnym radialnym zasięgom śledzenia większemu LLd i mniejszemu LLs. Zasięg LLd jest większy od LL7 czy LL3 natomiast zasięg śledzenia LLs zawiera się pomiędzy LL7 a LL8.

              W przypadku sferycznego sterowanego profilowania oporności (sPOst) ograniczony został nie tylko zasięg rozchodzenia się linii prądowych w pionie, ale także w poziomie (radialnie). Pozwala to na dużą dokładność w ocenie oporności strefy filtracji bowiem zasięg pomiarowy tej sondy jest mniejszy od sondy sterowanej ośmioelektrodowej (LL8). Sonda          do sPOst jest wyposażona w dziewięć elektrod.

2.6 Sterowane mikroprofilowanie oporności (mPOst)

              Klasyczne mikroprofilowanie oporności nie pozwala na zbyt dokładną ocenę oporności strefy przemytej jeżeli miąższość osadu płuczkowego na ściance otworu przekracza 12 mm, porowatość ośrodka jest mniejsza od 15%, a w trakcie pomiarów otwór jest wypełniony płuczką niskooporową (zmineralizowaną). Dlatego w wprowadzono do pomiarów mikrosondę sterowaną. Zasadniczym elementem pomiarowym sondy zbudowanej analogicznie jak klasycznej mikrosondy do mPO jest wkładka izolacyjna z wprasowanymi w nią elektrodami. Zawiera ona elektrodę prądową punktową A0 i dwie elektrody kołowe M1 i M2, których potencjał jest równy dzięki prądowi o odpowiednim natężeniu wysyłanemu przez kołową elektrodę sterującą A1. To powoduje, że prąd wysyłany przez elektrodę centralną A0 rozchodzi się prostopadle w stosunku do osi otworu. Elektrody wraz z wkładką izolacyjną są dociskane do ścianki otworu przez układ analogiczny jak przy mPO. Odległości między elektrodami wynoszą od 1.25-2.5 cm. Zasięg śledzenia mikrosondy sterowanej wynosi około 7.5 cm, tak więc wynik pomiaru oporności związany jest ze strefą filtracji (przemytą). Przy pomocy mPOs można oprócz oceny oporności strefy przemytej określić precyzyjnie granice warstw. Wyniki są szczególnie dokładne dla przekrojów wysokooporowych oraz gdy otwór wypełniony jest płuczką zmineralizowaną.

              Oprócz mPOst w ostatnich latach coraz szerzej korzysta się ze sferycznego, sterowanego mikroprofilowania oporności smPOst. Funkcjonuje ono na takich samych zasadach jak sPOst z tym, że układ pomiarowy sPOst został zminiaturyzowany i wprasowany we wkładkę izolacyjną dociskaną do ścianki otworu. Jest to obecnie najdokładniejsza metoda stosowana do oceny oporności strefy przemytej.

3. RADIOMETRIA WIERTNICZA

              Profilowania radiometryczne czy jądrowe polegają na pomiarze zmian radioaktywności naturalnej lub sztucznie wywołanej wzdłuż otworu wiertniczego. Do najczęściej stosowanych metod zaliczamy obecnie:

·      profilowanie gamma naturalne (PG),

·      profilowanie gamma-gamma gęstościowe (PGGg),

·      profilowania neutronowe.

              Największą zaletą profilowań radiometrycznych jest to, że generalnie można je wykonywać zarówno w otworach niezarurowanych jak i zarurowanych pustych lub wypełnionych dowolnym płynem. Sam pomiar wykonuje się analogicznie jak w przypadku profilowań elektrometrii wiertniczej tzn. w trakcie podnoszenia sondy d...