Geofizyka otworowa

Wykład, 6.10.2011r.

prof. dr hab. inż. Jadwiga Jarzyna

P. 117

K. Poniedziałek 15:00 - 17:00

Piątek 15:00 - 17:00

Otwory mogą być płytkie (np. hydrologiczne) i głębokie (1km i więcej). W otworach głębokich musi być płuczka. Średnica otworu zmienia się wraz z głębokością (304, 216 i 143mm). W otworach płytkich średnice mogą być mniejsze. Otwory wiercone są przy pomocy wież wiertniczych. Przez taką wieżę wprowadza się też sondę do otworu.

Otwór może być orurowany, aby był stabilny. Rury mają znormalizowane średnice i mogą być stalowe lub plastikowe. Wadą rur stalowych jest to, że nie można w nich prowadzić badań elektrycznych.

W głębokich otworach często stosuje się badanie „kombajnami”, czyli zestawem wieloczynnościowym. Jest to oszczędność czasu, oraz jednakowe warunki pomiarowe.

Wire line logging - wykonywanie pomiarów „na kablu”

Well logging - geofizyka otworowa

Logging wire drilling - wykonywanie otworu nie pionowego

MWD - mierzenie w otworze nie pionowym

Duża ilość profilowań w geofizyce jest podstawą do wyeliminowania niejednoznaczności wyników badań. Czasem jeden czy dwa pomiary nie wystarczą. Wykonuje się kilka badań by rozróżnić warstwy. Każdy pomiar oparty jest na innym parametrze. Może to być pomiar gęstości, oporności, promieniotwórczości naturalnej.

Dostęp do otworu głębokiego mamy tylko raz! Pomiar geofizyczny to tylko około 10% ceny inwestycji, więc warto go wykonać.

Są trzy strefy w ośrodku skalnym przy otworze:

• strefa przemyta (media w skale wyparte)

• strefa filtracji (mieszanina filtratu płuczki i mediów)

• strefa niezmieniona

Ponadto tworzą się korki ilaste.

Wynikiem pomiaru w geofizyce otworowej są parametry pozorne obarczone wpływem płuczki, obecności otworu itd...

Oporność pozorna:

Ra = K * (ΔU / I)

K - stała sondy

ΔU - zmiana napięcia

I - natężenie prądu

R = ρ * (l / s)

ρ - oporność (cecha ośrodka)

Ra to to samo co ρa.

Oporność skał

Dlaczego skały przewodzą prąd elektryczny?

Szkielet ziarnowy ma z reguły wysoką oporność. Minerały ilaste i rudy metali mają niską oporność. Skały porowate i przepuszczalne mają niską oporność (przez płuczkę), lecz należy pamiętać, że na oporność ośrodka skalnego mają wpływ media.

Woda pitna ma oporność kilkuset omm. Solanki 0,01 - 100 omm w zależności od mineralizacji. Węglowodory i powietrze mają bardzo wysoką oporność. Minerały ilaste 10 -15 omm z powodu zdolności do zatrzymywania jonów na powierzchniach międzypakietowych.

Sondę wpuszcza się do otworu co najmniej 3 razy aby zbadać wszystkie 3 strefy. Każde badanie sondą ma inny zasięg radialny (badania w różnych odległościach od ściany otworu). Wykonując trzykrotne profilowanie można stwierdzić, czy skała jest porowata i przepuszczalna.

Pomiar średnicy otworu jest bardzo prostą metodą na stwierdzenie porowatości i przepuszczalności.

Oporność pozorna rośnie z reguły wraz z oddaleniem od otworu. Tak jest na przykład w przypadku warstwy nasyconej węglowodorami.

R_xo < R_i < R_t

Gdy jednak mamy do czynienia z warstwą nasyconą solanką (której mineralizacja jest większa niż płuczki) jest całkowicie odwrotnie.

R_xo > R_i > R_t

ε - przenikalność dielektryczna

εr = 80 (dla wody w temperaturze +20°C)

εr = 2,5 (dla węglowodorów)

Profilowanie oporności

• Klasyczne (braci Schlumberger)

potencjałowe POp Działają na prąd stały

gradientowe POg

• Sterowane (laterologi)

• Indukcyjne

• Mikroprofilowanie

• Elektryczne obrazowanie ścianki otworu

To wszystko powyżej to elektrometria.

Do cech elektrycznych należą: ρ, σ, ε, μ, P

Profilowanie oporności klasyczne potencjałowe daje anomalie symetryczne względem środka warstwy. Oporność pozorna jest zbliżona do rzeczywistej. Obserwuje się inwersję przy warstwach małej miąższości.

Profilowanie oporności klasyczne gradientowe daje anomalie niesymetryczne względem środka warstwy. Dla warstwy wysokooporowej dla sondy spągowej minimun jest w stropie, a maksimum w spągu warstwy.

Zasięg radialny profilowania oporności klasycznego zależy od długości sondy.

Profilowania oporności klasyczne dają pomiar pozorny obarczony bardzo wpływem otworu. Powoduje najczęściej obniżanie oporności pozornej do rzeczywistej. Aby wprowadzić poprawki należy znać średnicę otworu oraz oporność płuczki. Trzeba też znać temperaturę płuczki (można ją obliczyć znając gradient geotermalny, ale po co jak można wpuścić termometr do otworu)

Sterowane profilowanie oporności to udoskonalone profilowanie oporności klasyczne, gdzie linie sił pola elektrycznego są kierowane na warstwę. Linie sił pola elektrycznego kieruje się dwoma dodatkowymi elektrodami.

Obecnie stosuje się sondy sterowane dual laterolog (LLd i LLs) połączone z sondą mikrosferycznie sterowaną (MSFL). Dzięki temu od razu mamy 3 pomiary.

LLd - laterolog dalekiego zasięgu

LLs - laterolog średniego zasięgu

Laterologi stosujemy by poprawić oporność pozorną. Najlepsze wyniki laterologi dają gdy oporność warstwy w stosunku do oporności płuczki jest duża.

Wszystkie sondy mają swoje odpowiedniki mikro w postaci sond o małych długościach. Sondy mikro są dociskane do ściany otworu i dają informacje o strefie przemytej.

Sondy o dalekim zasięgu radialnym mają małą pionową rozdzielczość. Sondy o krótkim zasięgu radialnym mają większą pionową rozdzielczość.

Elektryczne obrazowanie ścianki otworu

„Electric imagine”

Elektryczne obrazowanie ścianki otworu jest w postaci rozwiniętego walca. Na nim możemy zobaczyć nawet nachylenie warstw i uskoki tektoniczne.

Zastosowania profilowania oporności:

• do identyfikacji litologii

• do identyfikacji skał porowatych i przepuszczalnych

• do uzyskania oporności rzeczywistej i obliczenia porowatości i współczynnika nasycenia wodą

Profilowania indukcyjne służą do profilowania otworów pustych (powietrze) lub wypełnionych płuczką o osnowie ropnej. W sondzie indukującej są cewki prądowe nadawcze i odbiorcze. Profilowania indukcyjne dają najlepsze wyniki, gdy oporność płuczki jest wysoka, a skał niska. Standardowo wykonuje się 2 profilowania indukcyjne (dual induction) ILd (mierzy w R_t) oraz ILm (mierzy w R_i). Dual induction jest połączona z laterologiem, który daje pomiar strefy przemytej.

Wykład, 13.10.2011r.

Profilowanie potencjałów polaryzacji naturalnej PS

Pomiar oparty o pola naturalne.

Sól w płuczce dysocjuje na Na⁺ i Cl^- i te jony mają różną prędkość w ośrodku porowatym. Ruch jonów następuje do skał wokół otworu (wraz z filtratem płuczki). Na styku roztworu z płuczki i roztworu ze skał dochodzi do dyfuzji. Jony Cl^- wędrują szybciej do roztworu o mniejszym stężeniu. O ile piaskowce łatwo przepuszczają Cl^- (i tworzy się na nich biegun - ), to iły zatrzymują jony dzięki swojej zdolności adsorpcji (i na nich tworzy się biegun + ). Mając już te różne bieguny tworzy się potencjał elektryczny, który można zmierzyć.

PS - wprost: ujemny potencjał w skałach piaskowcowych występuje wtedy, gdy mineralizacja wody złożowej jest większa niż mineralizacja filtratu płuczki.

PS - odwrotny: występuje gdy np. szukamy wód słodkich i filtrat płuczki ma większą mineralizację niż te wody złożowe.

Skala przy PS często jest opisana tylko „+” i „-”.

Gdy medium w skale stanowi ropa, a nie solanka to anomalia jest złagodzona. Antracyt przez utlenianie i redukcję jakie wywołuje daje anomalię „w dół”. Piryt w piaskowcach daje bardzo mocną anomalię ku „-”. Ryolit też daje anomalię do „-”.

• 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Eps +

Piaskowiec przewarstwiony iłami

Łupek ilasty

Piaskowiec

Łupek ilasty

Wapień

Wapień porowaty

Wapień

Łupek ilasty

Lignity

Antracyt

Piaskowiec z pirytem

Ryolit

Zastosowanie PS:

• identyfikacja litologii

• wyznaczanie stref porowatych i przepuszczalnych

• wyznaczanie zailenia

• wyznaczanie mineralizacji wody złożowej

Zailenie: laminarne, strukturalne, dyspersyjne (spoiwo ilaste).

Ups - anomalia rejestrowana bez poprawek

Eps - anomalia poprawiona (poprawka na miąższość)

Profilowania elektrometrii (3 profilowania oporności i PS) oraz PG pozwalają wyznaczyć skały o zmiennej litologii oraz stwierdzić jakie jest ich nasycenie.

R_o / R_w = 1 / φ^m Wzór Gustawa Archie

m = 2 <- współczynnik zwięzłości

R_o - oporność warstwy w 100% nasyconej wodą

R_w - oporność wody złożowej

φ - porowatość efektywna

R_t / R_o = 1 / Swⁿ

n = 2

R_t - oporność częściowo nasyconej wodą warstwy

Sw - współczynnik nasycenia wodą

1 = Sw + Sh

Sh - współczynnik nasycenia węglowodorami

Profilowania elektryczne (oporności i PS) pozwalają wyznaczyć porowatość efektywną i współczynnik nasycenia wodą.

Pomiary radiometryczne

Profilowanie gamma (PG lub GR)

Jest to pomiar pasywny (tylko detektor)

PG występuje w dwóch wersjach:

Iγ - K, U, Th mierzone razem (a nawet to mierzy wszystkie radioaktywne pierwiastki)

sPG - intensywność kwantów gamma w trzech przedziałach, osobno dla K, U i Th.

PG nadaje się dobrze do skorelowania głębokości w otworze przy pomiarach.

Jednostką fizyczną PG jest impuls na minutę. Obecnie jednak wyraża się to w API (jednostkach umownych), z reguły od 0 - 200.

Promieniotwórczość skał jest związana z występowaniem w nich K, U, Th, które dotrwały do chwili obecnej lub z pierwiastków promieniotwórczych powstających współcześnie (chociażby Ra).

²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ⁴⁰K to główne przyczyny naturalnej promieniotwórczości skał.

Przy sPG dzielimy pomiar na 3 okna spektrometryczne:

K w paśmie 1,46 MeV

U w paśmie 1,76 MeV

Th w paśmie 2, 615 MeV

Pomiar Iγ daje info o całkowitym promieniowaniu, a sPG rozdziela kwanty gamma pochodzące od różnych emiterów.

Występowanie pierwiastków promieniotwórczych w przyrodzie:

K - 1,49% obj. skorupy ziemskiej

U - 2,3 ppm

Th - 8,1 ppm

Mimo, że zdecydowanie najwięcej jest K, to nie znaczy to, że najwięcej promieniowania musi pochodzić od niego. K, Th i U emitują różną ilość kwantów gamma w stosunku odpowiednio:

1 : 1300 : 3600

Przez to sumaryczna ilość promieniowania od każdego z nich jest podobna.

Źródłem K są skalenie potasowe, miki i niektóre minerały ilaste. K może być składnikiem sieci krystalicznej iłów.

Źródłem U są skały magmowe kwaśne, ale związki U rozpuszczają się w wodzie i uran wędruje. Więc praktycznie można go znaleźć w wielu skałach osadowych.

Th jest związany z zasadowymi skałami magmowymi i nie jest rozpuszczalny w wodzie. Th i jego związki mogą tworzyć tylko zawiesiny.

Skały dzielimy na 3 grupy o naturalnej promieniotwórczości:

• podwyższonej (łupki, iłołupki, miki, sole K, bituminy, fosforyty, piaski i piaskowce arkozowe, niektóre wapienie morskie, granity, ryolity)

• średniej (piaskowce zailone, margle)

• niskiej (czysty piaskowiec, dolomit, anhydryt, sól kamienna, większość wapieni)

Skały magmowe kwaśne są bardziej promieniotwórcze niż zasadowe. Im skały osadowe bardziej zailone tym większa promieniotwórczość.

sPG przydaje się do rozróżniania minerałów.

Zastosowania PG:

• do rozróżniania litologii i korelacji warstw

• do wyznaczania zailenia (zwłaszcza w sPG)

• do wyznaczania ciepła radiogenicznego

Zailenie wyznaczamy z takiego wzoru jak na ćwiczeniach:

ΔIγ = (Iγ - Iγ_(min)) / (Iγ_(max) - Iγ_(min))

Zailenie (parametr różnicowy) wyznaczamy dla jednej warstwy.

PGG - profilowanie gęstości (density log)

profilowanie litologiczno - gęstościowe (litho - density log)

Sonda rejestruje γ, ale wysyłane ze źródła, które odziałuje z ośrodkiem poprzez proces Comptona. Liczy się tu wynik γ po oddziaływaniu z elektronami.

W PGG otrzymujemy RHOB (ρB, czyli gęstość objętościową w g/cm³)

DRHO - poprawka do gęstości objętościowej [g/cm³]

Gęstość objętościowa to gęstość wszystkiego co tylko w skale jest, a gęstość właściwa to gęstość szkieletu ziarnowego.

Pe - indeks absorpcji fotoelektrycznej [barn / elektron]. Mierzony po reakcji fotoelektrycznej kwantów γ.

Różne minerały i skały mają różne wartości Pe, gęstości objętościowej i właściwej.

Pe robimy po to, aby wyniki badania skał były jednoznaczne.

Zastosowanie PGG:

• ocena litologii to się zaczyna robić nudne...

• wyznaczanie gęstości objętościowej i identyfikacja skał z anomalną gęstością (sole, węgle, minerały rudne)

• wyznaczanie porowatości ogólnej

Radiometria dotyczy badań bardzo szczegółowych (na poziomie atomowym i subatomowym)

PGG należy do 3 profilowań, które nazywamy pomiarami porowatości ogólnej. Oprócz PGG są jeszcze profilowanie neutronowe i profilowanie akustyczne.

ρ_b = RHOB = ρ_f * Φ + ρ_ma (1 - Φ)

ρ_f - gęstość filtratu

ρ_ma - gęstość szkieletu mineralnego

Sonda PGG jest dociskana do ściany otworu, tak samo jak i PG. Bada ona tylko w strefie przemytej.

ρ_ma = Σρ_maⁱ * V_maⁱ

Profilowanie neutronowe

Sonda składa się za źródła neutronów i z różnych detektorów. Są to więc metody aktywne. Profilowanie neutronowe dostarcza informacji o porowatości neutronowej - NPHI. Porowatość neutronowa jest wskaźnikiem wodorowym w skale. Neutrony wysyłane ze źródła podlegają spowolnieniu (zderzenia z jądrami atomowymi) i pochłanianiu. Najbardziej efektywnie neutrony spowalniane są przez jądra atomu wodoru.

PNN_nt - profilowanie neutronowe nadtermiczne. Rejestrowane są neutrony o energii około 1eV.

PNN_t - profilowanie neutronowe termiczne. Rejestrowane są neutrony o energii około 0,025eV

Obydwa powyższe profilowania wymagają różnych detektorów.

sPNG - profilowanie neutronowe gamma

Gdzie wodór może być w skałach?

1. W postaci wody lub węglowodorów w porach

2. W wodzie chemicznie związanej

3. W minerałach ilastych w przestrzeniach międzypakietowych

4. W grupach OH

PHI - porowatość ogólna

PHI = NPHI w skałach niezailonych i bez minerałów chemicznie związanych z wodą

Dla skał zailonych zachodzi związek:

NPHI = PHI + V_Cl * NPHI_Cl

NPHI_Cl ϵ [0,15 - 0,6)

Profilowanie akustyczne

Trzecia metoda do wyznaczania współczynnika porowatości ogólnej.

Profilowanie akustyczna opiera się na sprężystych właściwościach skał i jest odpowiednikiem sejsmiki. Profilowanie akustyczne polega na pomiarze czasu interwałowego fali P.

T Transmiter

R1

Rejestratory

R2

Liczy się różnicę czasu dojścia fali pomiędzy R1 a R2.

ΔT (lub DT) [μs/m]

1 / ΔT = V [m/μs] 10⁶ / ΔT = V [m/s]

Zastosowanie profilowania akustycznego:

• ocena litologii brzmi znajomo

• wyznaczanie prędkości fali P w skałach

• wyznaczanie porowatości ogólnej

• wyznaczanie dynamicznych modułów sprężystości

ΔT = ΔT_f * Φ + ΔT_ma (1 - Φ)

Jest tu pewna analogia

RHOB = ρ_f * Φ + ρ_ma (1 - Φ)

ΔT_f - czas interwałowy w płuczce

ΔT_ma - czas interwałowy w szkielecie

Fala S jest wolniejsza niż P. Rozchodzi się ona tylko w ciele stałym.

Przeliczenie skali czasowej na głębokość dokonuje się w sejsmice za pomocą pewnego modelu z geofonami. Robi się to komputerowo.

Profilowania

PO LLd ILd

LLs ILm

Pe

MSFL LL3

PS

V_Cl

GR

PGG RHOB

PHI PN NPHI

PA Vp, E

Φ_og

---