Использование каротажа и зондов
ВВЕДЕНИЕ
Каротажные зонды представляют собой приборы цилиндрической формы, содержащие датчики, которые способны предоставлять информацию о физических свойствах горных пород, о заполняющей скважину жидкости и о параметрах ее движения, а в определенной степени также о материале и техническом состоянии оборудования скважины, т.е. обсадных труб, фильтра, обсыпки и цементных колец между обсадной колонной и стенками скважины, служащих для изоляции скважины. Зонды укомплектованы головкой для быстрого и простого присоединения их к каротажному кабелю. Последний служит для спуска зонда в скважину и, одновременно, для обеспечения связи зонда с наземной частью каротажной установки (питание зонда и передача получаемых данных в регистрирующее устройство).
установки (питание зонда и передача получаемых данных в регистрирующее устройство). Что касается размеров, то зонды характеризуются наружным диаметром, составляющим от 38 до 60 мм, длиной, которая, как правило, не больше 2 м, и массой в пределах от 3 до 10 кг. Выбор и использование того или другого зонда зависит прежде всего от физических свойств исследуемого объекта и от их контраста по сравнению с физическими свойствами материала, в котором исследуемый объект находится. При выборе соответствующего зонда необходимо учитывать также диаметр скважины и внутренний диаметр и материал обсадных труб, которые могут применение зонда ограничивать (напр., зонды для измерения магнитной восприимчивости или индукционные зонды для измерения проводимости горных пород нет смысла применять в скважинах со стальными обсадными трубами). Не в последнюю очередь необходимо учитывать также окончательную глубину скважины и взвесить, не будет ли в случае выбранного зонда иметь место превышение максимально допустимых значений давления и температуры. В общем можно сказать, что каротажные зонды фирмы W&R Instruments можно использовать в условиях окружающих температур до 70 оС и давлений до 15 МПа. В данном случае лимитирующим фактором является максимальная допустимая температура, которой при температурном градиенте 30оС/1000 м соответствует глубина 2300 м. Следовательно, при нормальных с точки зрения температуры и давления условиях приборы можно использовать в скважинах глубиной до 2000 м (определенная осторожность нужна при измерениях в скважинах с термальной водой, в которых превышение максимально допустимой температуры может произойти уже на гораздо меньших глубинах).
МЕСТОРОЖДЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
Разведка угольных месторождений при помощи бурения
Физические свойства угольных пластов: Значительно более низкая плотность (плотность бурого угля обычно составляет 1,15 г/см3, плотность черного угля – 1,5 г/см3) по сравнению с плотностью окружающих пустых пород (2,0 г/см3), абсолютно самый высокий водородный показатель, достигающий значения 0,6, низкое содержание радиоактивных элементов и довольно высокие удельные сопротивления, особенно в случае черного угля.
Цель каротажных исследований: Определение глубины и мощности угольного пласта на литологической колонке (профиле скважины), определение зольности угля (его качества), литологическое расчленение пустых пород.
Рекомендуемый комплекс каротажных методов: Плотностной гамма–гамма–каротаж (зонд HDG-453 с излучателем Cs137), гамма–каротаж, комбинированный с трехэлектродным боковым каротажем (измерение естественной радиоактивности и проводимости горных пород – зонд HLG-453), индукционный каротаж (идеальными являются зонды H3I-453, HI-381 или HI-453), нейтронный каротаж (зонд HN-453 с источником нейтронов Am-Be), кавернометрия (зонд HC-380 или HC-453).
Разведка полиметаллических месторождений при помощи бурения
Обычно определяемый комплекс рудных минералов: Наиболее часто это сульфиды типа пирит, пирротин, арсенопирит, сурьма, халькопирит, сфалерит, галенит.
Физические свойства рудных минералов: Это проводники первого порядка, обладающие, аналогично металлам,электронной проводимостью, плотность рудных минералов в пределах от4 до 7,5 г/см3 значительно больше плотности пустых пород (от 2,6 до 3,1 г/см3), пирротин относится к минералам, отличающимся значительно повышенной магнитной восприимчивостью.
Цель каротажных исследований: Определение рудоносных толщ, характера оруденения (массивная руда, богатая импрегнация, вкрапленное оруденение), литологическое расчленение пустых участков на профиле скважины.
Рекомендуемый комплекс каротажных методов: Плотностной гамма–гамма–каротаж (зонд HDG-453 с излучателем Cs137), гамма–каротаж, комбинированный с трехэлектродным боковым каротажем (измерение естественной радиоактивности и проводимости горных пород – зонд HLG-453), каротаж по магнитной восприимчивости и индукционный каротаж с расстоянием между катушками 30 см (идеальным в данном случае является зонд для измерения двух параметров HMI-453E*), кавернометрия (зонд HC-380 или HC-453), токовый каротаж методом скользящих контактов, метод электродных потенциалов ЭП, метод самопроизвольной поляризации СП (зонды для последних трех каротажных методов в преложение фирмы W&R Instruments не входят).
Разведка рудных месторождений магнетита при помощи бурения
Определяемый рудный минерал: Магнетит
Физические свойства рудного минерала: Магнетит является проводником первого порядка, обладающий, аналогично металлам, электронной проводимостью, плотность этого рудного минерала, составляющая 5 г/см3, значительно больше плотности пустых пород. По сравнению со всеми рудными минералами он отличается самой высокой магнитной восприимчивостью.
Цель каротажных исследований: Определение рудоносных толщ, характера оруденения (массивная руда, богатая импрегнация, вкрапленное оруденение), вычисление процентного содержания магнетита в рудной зоне, литологическое расчленение пустых участков на профиле скважины.
Рекомендуемый комплекс каротажных методов: Каротаж по магнитной восприимчивости (идеальным является двухканальный зонд HMM-453, применимый для вычисления содержания магнетита на данном месторождении), плотностной гамма–гамма–каротаж (зонд HDG-453 с излучателем Cs137), гамма–каротаж, комбинированный с индукционым каротажем (измерение естественной радиоактивности и проводимости горных пород – зонд HLG-453), кавернометрия (зонд HC-380 или HC-453).
Разведка на строительный и декоративный камень при помощи бурения
Наиболее часто речь идет о следующих горных породах: Гранит, гранодиорит, габбро–диорит, габбро, известняк. Физические свойства: Высокое удельное сопротивление порядка кОмм, плотность в пределах от 2,65 до 3,0 г/см3, очень низкий водородный показатель.
Цель каротажных исследований: Определение блоков массивной породы, без трещин, в случае известняков также приблизительное определение процентного содержания глинистого компонента.
Рекомендуемый комплекс каротажных методов: Гамма–каротаж, комбинированный с трехэлектродным боковым каротажем (измерение естественной радиоактивности и проводимости горных пород – зонд HLG-453), индукционный каротаж (зонд HI-381 или HI-453), плотностной гамма–гамма–каротаж (зонд HDG-453 с излучателем Cs137), кавернометрия (зонд HC-380 или HC-453).
РАЗВЕДКА ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР ПРИ ПОМОЩИ БУРЕНИЯ
(разведочные и наблюдательные скважины)
Пористые коллекторы
Вода, связанная с пористыми коллекторами (водоносными горизонтами), состоящими из неуплотненного гравия и песков, в большинстве случаев четвертичного возраста, обычно находится в отложениях больших речных долин. В залегающих на большей глубине бассейнах осадконакопления мезозойского и третичного возраста пористыми коллекторами являются толщи конгломератов и песчаников, т.е. отложений, подвергнувшихся процессу диагенетического упрочнения. В обоих случаях это горные породы, обладающие, в отличие от непроницаемых толщ глин (аргиллитов) и алевритов (алевролитов), хорошей пористостью и проницаемостью. Проницаемые пористые коллекторы проявляются низкой радиоактивностью, удельными сопротивлениями порядка сотен Омм, в большинстве случаев отрицательной аномалией собственных потенциалов в результате проникновения фильтрата промывочной жидности в проницаемую толщу.
Цель каротажных исследований: Выделение на профиле скважины водоносных горизонтов, определение их коллекторских свойств (глинистости и пористости), определение степени минерализации подземной воды.
Рекомендуемый комплекс каротажных методов: Гамма–каротаж, комбинированный с трехэлектродным боковым каротажем (измерение естественной радиоактивности и проводимости горных пород – зонд HLG-453), индукционный каротаж (идеальным является зонд с тремя глубинами измерения H3I-453), плотностной гамма–гамма–каротаж (зонд HDG-453 с излучателем Cs137), нейтронный каротаж (зонд HN-453 с источником нейтронов Am-Be), кавернометрия (зонд HC-380 или HC-453), резистивиметрия (зонд HRT-381).
Трещиноватые коллекторы
В виду имеется вода, связанная с трещиноватыми коллекторами в известняках, доломитах, изверженных и метаморфических горных породах. Отдельные трещины и трещиноватые зоны отличаются пониженным удельным сопротивлением (повышенной проводимостью), пониженной плотностью, повышенным значением водородного показателя, наличием меньших и больших каверн. Для целей литологического расчленения можно использовать естественную радиоактивность и магнитную восприимчивость. Кислые породы, образовавшиеся от разрушения первичных изверженных и метаморфических пород, по сравнению с основными и ультраосновными породами, образовавшимися от разрушения первичных пород, отличаются существенно повышенными значениями естественной радиоактивности и, наоборот, значительно пониженными значениями магнитной восприимчивости.
Цель каротажных исследований: Определение наличия трещин и трещиноватых зон на профиле скважины, литологическое расчленение профиля скважины.
Рекомендуемый комплекс каротажных методов: Гамма–каротаж, комбинированный с трехэлектродным боковым каротажем (измерение естественной радиоактивности и проводимости горных пород - зонд HLG-453), индукционный каротаж (идеальным является зонд с тремя глубинами измерения H3I-453), плотностной гамма–гамма–каротаж (зонд HDG-453 с излучателем Cs137), нейтронный каротаж (зонд HN-453 с источником нейтронов Am-Be), каротаж по магнитной восприимчивости (идеальным является двухканальный зонд НММ-453), кавернометрия (зонд HC-380 или HC-453), резистивиметрия (зонд HRT-381).
Движение воды в скважине и гидравлические параметры коллекторов
В скважине может существовать как вертикальное движение воды (вдоль оси скважины), так и горизонтальное (ориентированное перпендикулярно к оси скважины).
Вертикальное движение: Причиной естественного вертикального движения обычно является разный пьезометрический уровень отдельных вскрытых бурением водоносных горизонтов. Оно генерируется движением воды из обладающего более высоким пьезометрическим уровнем водоносного горизонта в водоносный горизонт, обладающий более низким пьезометрическим уровнем (течение может происходить как снизу вверх, так и наоборот, сверху вниз). Кроме этого естественного движения воды вертикальное движение можно вызвать тоже вмешательством в установившиеся гидродинамические условия – путем опытной откачки или налива. Параметры (направление, скорость или расход) естественного и искусственно вызванного движения воды в скважине являются весьма важными для определения дебита отдельных водоносных горизонтов, а также для определения их гидравлических параметров (пьезометрического уровня, водопропускной способности и гидравлической проводимости). Это касается водоносных горизонтов как с пористой, так и трещиноватой проницаемостью.
Цель каротажных исследований: Определение параметров движения воды в скважине и оценка гидравлических параметров водоносного горизонта.
Рекомендуемый комплекс каротажных методов: Высокочувствительный термокаротаж и резистивиметрия (зонд HRT-381), ), фотометрия (зонд HFN-453), измерение расхода вертушечным расходомером (зонд HF-380). Специальный расходомер с вертушкой позволяет проводить измерение скорости движущейся воды только в случае, если она больше 2 мм/с. В случае меньшей скорости движения воды необходимо использовать многофункциональный зонд HRTFN-500D, который в данном случае будет служить высокочувствительным расходомером, или, после предварительной обработки воды в скважине хлоридом натрия, серию последовательно зарегистрированных кривых резистивиметра. После добавления в воду в скважине применяемого в пищевой промышленности красителя Brilliant Blue FCF (E133) можно использовать тоже фотометрию.
Горизонтальное движение: Поперечное, горизонтальное движение воды в скважине наблюдается большей частью в случае залегающих на малой глубине четвертичнх водоноснх горизонтов в речных отложениях со свободной поверхностью подземной воды или в случае залегающих на большей глубине водоносных горизонтов с напорным уровнем подземной воды. В обоих вышеприведенных случаях имеет место движение воды в направлении гидравлического напора.
Цель каротажных исследований: Определение интервала глубины с поперечным движением воды и определение параметров движущейся воды (кажущаяся скорость фильтрации, удельный горизонтальный расход, азимут направления течения).
Рекомендуемый комплекс каротажных методов: Высокочувствительная термометрия и резистивиметрия (зонд HRT-381), фотометрия (зонд HFN-453), измерение расхода с помощью специального вертушечного расходомера (зонд не входит в предложение фирмы W&R Instruments), зонд, позволяющий определять азимут горизонтально движущейся в скважине воды (зонд HDS-600).
Методические примечания: Специальный расходомер с вертушкой позволяет проводить измерение скорости движущейся воды только в случае, если она больше 2 мм/с. В случае меньшей скорости движения воды, что встречается наиболее часто, необходимо после предварительной обработки воды в скважине хлоридом натрия использовать серию последовательно зарегистрированных кривых резистивиметра. После добавления в воду в скважине применяемого в пищевой промышленности красителя Brilliant Blue FCF (E133) можно использовать также фотометрию с применением техники, называемой методом развбавления. Определение азимута горизонтального движения воды можно проводить с применением зонда HDS-600, укомплектованного электронным компасом, питателем красителя с устройством впрыскивания и специальным фотометрическим детектором, контролирующим распределение красителя Brilliant Blue FCF в измерительной щели через разные интервалы времени с момента введения красителя в измерительную щель. Окончательная форма цветного пятна в измерительной щели будет деформированной в направлении течения, что вместе с ориентацией по отношению к магнитному северу видно на дисплее компьютера.
ПРИМЕНЕНИЕ КАРОТАЖА В ОБЛАСТИ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Загрязнение массива горных пород и подземной воды
При начальной проверке и определении уровня загрязнения массива горных пород неорганическими загрязняющими веществами и позднее, в процессе ликвидации загрязнения, около источников загрязнения проводится бурение скважин с целью определения существующего в данный момент состояния. Эти скважины образуют сеть наблюдательных обсаженных ПВХ трубами скважин для контроля результатов работ по ликвидации загрязнения. Источниками(очагами)загрязнения могутбытьхимическиезаводы,гальваническиецеха, рудообогатительные фабрики, свалки бытовых и промышленных отходов и даже некоторые специальные методы добычи (напр., выщелачивание или нагнетание кислот в горный массив, в месте месторождения).
Физико–химические свойства загрязняющих веществ: Неорганические загрязняющие вещества легко растворяются в воде, диссоциируются с катионами и анионами и вызывают существенное повышение проводимости воды, в которой содержатся. С другий стороны, этот факт позволяет легко определять их присутствие в горной породе и в подземной воде.
Цель каротажных исследований: Определение проводимости массива горных пород и подземной воды и соответствующей ей концентрации растворенных в воде неорганических веществ. Определение скорости течения подземной воды в данном месте с помощью применения метода разбавления с использованием фотометрии и красителя Brillinat Blue FCF.
Рекомендуемый комплекс каротажных методов: Индукционный каротаж (лучше всего зонд H3I-453 для определения проводимости массива горных пород), трехэлектродный боковой каротаж (зонд HLG-453 для проверки глубины перфорированных ПВХ обсадных труб), резистивиметрия и термометрия (зонд HRT-381 для определения проводимости заполняющей скважину жидкости), фотометрия (зонд HFN-453 для проверки прозрачности жидкости в скважине и в качестве начального, исходного измерения перед возможным применением метода разбавления с использованием красителя Brilliant Blue FCF; применение метода разбавления с использованием резистивиметрии и мечения NaCl невозможно ввиду высокой проводимости загрязненной подземной воды).
Охрана минеральных курортных вод
В зоне санитарной охраны курортных вод обычно находится несколько наблюдательных скважин, в которых через регулярные интервалы времени проводится контроль качества подземной воды (минеральной воды). Данные каротажа могут служить входными, основными данными для базы данных, чтобы можно было своевремено предотвратить опасность, которая угрожала бы курортным водам в случае резкого изменения условий в водоносном горизонте, в котором минеральная вода содержится.
Цель каротажных исследований: Регулярный контроль качества минеральной воды in situ на основании полученных при измерении значений проводимости подземной воды и массива горных пород.
Рекомендуемый комплекс каротажных методов: Индукционный каротаж (лучше всего зонд H3I-453 для определения проводимости массива горных пород), трехэлектродный боковой каротаж (зонд HLG-453 для проверки глубины перфорированных ПВХ обсадных труб), резистивиметрия и термометрия (зонд HRT-381 для определения проводимости заполняющей скважину жидкости), фотометрия (зонд HFN-453 для проверки прозрачности жидкости в скважине и в качестве начального, исходного измерения перед возможным применением метода разбавления с использованием красителя Brilliant Blue FCF; применение метода разбавления с использованием резистивиметрии и мечением NaCl невозможно ввиду высокой проводимости минеральной воды).
Контроль технического состояния скважины
Для правильной и надежной обработки и интерпретации результатов каротажных исследований необходимо располагать детальными и надежными данными о техническом состоянии скважины (диаметр, отклонение ствола скважины от вертикали и ее ориентация что касается направления – азимут) и параметры оборудования скважины (материал, внутренний диаметр и глубина башмака для обсадных труб, интервал затрубной цементации). Буровая бригада не всегда располагает этими данными, а если и располагает – то эти данные могут быть не совсем надежными. Все эти данные можно получить с помощью соответствующего комплекса каротажных данных.
Материал обсадных труб, цементного кольца в затрубном пространстве и его физические свойства.Наиболее часто применяются стальные обсадные трубы (высокая электрическая проводимость, высокая магнитная восприимчивость, скорость распространения по ним акустического сигнала – 5 км/с).
Однако в настоящее время все чаще применяются ПВХ или ПЭ обсадные трубы, особенно в случае контрольных или наблюдательных скважин на местах разных экологических аварий или утечки вредных веществ. С точки зрения электрических свойств поливинилхлорид и полиэтилен ведут себя как изолятор, они не способны оказывать влияние на магнитное поле, а скорость распространения по ним акустических волн составляет 2 500 м/с.
Плотность затрубного цементного кольца составляет приблизительно 2 г/см3, а его магнитная восприимчивость обычно выше магнитной восприимчивости общераспространенных типов горных пород. В случае отсутствия цементного камня затрубное пространство заполнено водой, обладающей плотностью 1 г/см3 и нулевой магнитной восприимчивостью.
Цель каротажных исследований: Определение конкретного технического состояния скважины и ее оборудования.
Рекомендуемый комплекс каротажных методов: Каротаж по магнитной восприимчивости и индикционный каротаж (зонд HMI-453 для надежного определения башмака для металлических обсадных труб и обрыва металлической колонны обсадных труб), трехэлектродный боковой каротаж (зонд HLG-453 для контроля герметичности ПВХ или ПЭ обсадных труб и для определения интервалов глубин, обсаженных перфорированными трубами), кавернометрия и инклинометрия (зонд HC-453a), который в процессе спуска позволяет проводить непрерывное измерение отклонения ствола скважины от вертикали и азимута отклонения, а в процессе подъема – диаметра скважины), плотностной гамма–гамма–каротаж (зонд HDG-453) и каротаж по магнитной восприимчивости (зонд HMI-453) для надежного определения качества затрубной цементации (изоляции пространства между стенкой скважины и наружной стенкой ПВХ обсадных труб).