Почему-то нам всем кажется, что любое новое строение или сооружение будет служить вечно. То ли эффект новизны так сказывается, то ли все мы хотим верить в надежность и основательность всего нового.
А ведь все не так радужно, как этого порой хочется. Время неумолимо оставляет свой след на всем. Что уж говорить о сооружениях, которые весь свой период функционирования находятся в агрессивной среде. Здесь имеются в виду скважины любого рода. И специально для них разработаны геофизические методы исследования скважин.
Любая скважина находится под постоянной внешней нагрузкой: давлением породы, высокой влажностью и значительными температурными перепадами. В таких условиях любой материал начнет терять свои физические свойства уже через малый промежуток времени после ввода в эксплуатацию. А если учесть, что внешне все повреждения заметить невозможно, так как основная часть скважины находится под землей, то получается, что единственный способ избежать преждевременного выхода скважины из эксплуатации — это использовать особые методы исследования.
Методы исследования скважин называются геофизическими, так как происходит исследование не только самой скважины, но еще и прилегающей к ней горной породы. Понять необходимость такого исследования совсем несложно, от структуры и плотности прилегающей породы зависит напрямую срок службы самого сооружения.
Геофизические методы исследования подземных скважин условно разделены на две основных группы: методы каротажа и методы скважинной геофизики. Методы скважинной геофизики предназначены для изучения межскважинного пространства. С их помощью изучается порода, которая не находится в непосредственной близости к скважинам, но может влиять на их работу. Каротажные методы исследования глубинных скважин необходимы для определения параметров породы, находящейся в непосредственной близости к скважине, и физического состояния самой скважины. Эти методы используются значительно чаще, поэтому понятие «каротаж» практически заменяет собой большое понятие «геофизические методы исследования».
Каротаж
Каротаж нельзя считать определенным набором действий, которые способны полностью исследовать все технические и физические параметры скважины. В настоящее время не существует методик единичного исследования скважины с выявлением всех параметров.
По этой причине и каротаж бывает нескольких видов, каждый из которых имеет своей задачей выявление определенных свойств среды. К основным видам каротажа относятся:
- стандартный электрический каротаж;
- боковое каротажное зондирование скважин;
- боковой каротаж;
- метод потенциалов самопроизвольной индукции;
- индукционный каротаж скважин;
- гамма-каротаж;
- акустический каротаж;
- термометрический каротаж;
- компьютерные технологии исследования и иные методы.
Основной метод
Стандартный электрический каротаж является основным методом исследования скважин. При этом методе используются специальные зонды. Описание конструкции зондов и их технические характеристики будут не совсем понятны для обычного человека, а вот принцип их работы будет интересен многим.
Зонд опускается в скважину. Один электрод заземлен в устье скважины, а второй двигается непосредственно в ее стволе. Аппаратура фиксирует сопротивление в зависимости от глубины погружения зонда. Получается на выходе своеобразная кривая (график). По графику проводится анализ результатов, для уточнения которых может использоваться зонд несколько иных размеров и иной конструкции. Таким образом, производится замер сопротивления.
Так как все химические элементы отличаются удельным сопротивлением, то с помощью таблиц не составит труда определить состав породы вблизи скважины. Стандартный электрический каротаж не используется в чистом виде, так как достаточно велика вероятность получения неточных результатов. Судите сами: в природе практически не существует залежей определенных химических элементов в чистом виде. Существуют только смеси определенных веществ, что затрудняет задачи исследования.
Вместе с отмеченным видом каротажа проводится ряд дополнительных исследований, что позволяет с достаточно высокой степенью вероятности определять залежи определенных горных пород, ширину их пластов и процентное содержание определенных примесей.
Боковое зондирование
Боковое каротажное зондирование скважин напоминает описанный ранее метод исследования с той лишь разницей, что оба электрода двигаются вместе с зондом вдоль всего ствола. Проводится замер так называемого кажущегося сопротивления. Причем, если малый зонд показывает сопротивление малого радиуса действия (сопротивление самих скважин), то большие зонды способны показать сопротивление с учетом показаний малого зонда. А далее с помощью дополнительных расчетных таблиц и формул производится поиск исследуемых параметров.
В расчет берется не только разность показаний малого и большого зондов, так как влияют на показания и иные параметры: радиус трубы, наличие промывочной жидкости и многое другое. Боковое каротажное зондирование скважин тоже сопровождается рядом дополнительных исследований, поскольку точность показаний не может превышать определенный процент.
Исследования скважин проводятся в комплексе методов. Чаще используется для уточнения данных метод бокового каротажа. Трехэлектродный зонд опускается в скважину на глубину, где необходимо провести дополнительные исследования. Принципиальное отличие такого зонда в том, что производится замер удельного сопротивления не ствола скважины, а именно определенного пласта. Токи направляются непосредственно в толщину исследуемой области, что позволяет более точно определить его химический состав. Регулируемая подача токов позволяет «глубже» заглянуть в породу. Боковой каротаж считается уточняющим методом исследования, хотя используется и как самостоятельный метод исследования скважин.
Использование индукции
Метод потенциалов самопроизвольной индукции основан на регистрации потенциалов, возникающих между пластами пород и в пункте перехода «скважина-порода». Без дополнительных исследований она практически не ощутима, однако присутствует повсеместно. Зонд для исследования имеет два электрода, один из которых фиксируется на поверхности в непосредственной близости от устья скважины.
Второй электрод опускается в скважину, а аппаратура фиксирует отклонения в разности потенциалов. Если порода однородная, тогда показания приборов показывают разность потенциалов согласно глубине погружения зонда (нет резких отклонений). При наличии разных пород прибор фиксирует так называемые аномалии (резкие отклонения в одну или другую сторону).
Глубина залегания иной породы определяется с абсолютной вероятностью. Иногда удается даже по результатам аномального отклонения определить породу. Но это бывает только тогда, когда она имеет малое количество сопровождающих химических элементов (примесей). Облегчает задачу то, что химические элементы в земле не располагаются хаотично, а подвержены определенным закономерностям. Проще говоря, определенная порода (особенно в промышленных масштабах) может содержать только определенные компоненты в качестве примесей, поэтому определить основной элемент не так уж сложно, как это может показаться. Но и здесь могут случаться определенные аномалии, потому в таких случаях требуются дополнительные геофизические методы исследования. Например, спектральный анализ способен определить химический состав породы с величайшей точностью. В скважину специальную аппаратуру поместить для этого довольно проблематично, а вот небольшой зонд для спектрального анализа использовать можно. Такому методу нет равных при определении химического состава породы.
Индукционный способ
Индукционный каротаж скважин основан на использовании магнетических свойств химических элементов. Напоминаем, что все химические вещества делятся на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Представители каждой группы по-разному реагируют на возмущение магнитным полем. Ферромагнетики, например, сами становятся магнитами при попадании в зону воздействия магнитного поля, причем полярность этого «магнита» соответствует полярности возмущающего магнита.
Диамагнетики не реагируют на электрическое (и магнитное) поле. Зонд для индуктивного каротажа имеет две катушки. На первичную подается постоянный ток, вторичная катушка подключается к фиксирующей аппаратуре. Этот зонд опускается в скважину и на пути его следования происходит следующее: создаваемое первичной катушкой индуктивности магнитное поле воздействует на породу. Если скважина однородна по всей своей длине, то индукционный ток на вторичной катушке будет постоянным, так как расстояние между обеими катушками стационарно. При наличии в скважине иных пород произойдет либо угасание индукционного тока, либо его усиление. Это отклонение и будет свидетельствовать о наличии иного чувствительного пласта.
Химический состав
Увы, нет: определить можно лишь наличие породы, относящейся к определенной группе магнетиков. Затруднение, опять же, создают примеси в составе определенной породы, поэтому определить ее можно только с применением иных методов. Используется при таком методе и подключение к переменному току. Согласно закону Фарадея, в породах будут возникать вихревые токи. Причем, чем выше электропроводность состава породы, тем сильнее эти токи будут воздействовать на принимающую катушку зонда. Для более точного исследования породы используются зонды, имеющие несколько катушек, находящихся на определенном расстоянии от принимающей катушки. Поочередное включение катушек и регулировка подаваемого тока способны показать более точные результаты исследования скважин. Хорош этот метод еще и тем, что он не предполагает прямого контакта чувствительных элементов и стенок скважин, что в значительной мере улучшает качество показаний.
Гамма каротаж тоже не нуждается в прямом контакте со стенками скважин, так как зонд реагирует на самопроизвольное гамма-излучение, которое присутствует практически у любых химических элементов (естественный радиационный фон среды). Способ такого каротажа отличается большой точностью исследования, так как с помощью специальных таблиц и результатов измерений можно с большой точностью определять химический состав породы, в которой проделана скважина. Сам чувствительный зонд требует частой градуировки и калибровки. В настоящее время гамма-каротаж является основным методом исследования скважин и применяется при всех поисковых и разведывательных геологических действиях.
Звуковые волны
Существует способ исследования скважин с помощью звука. Понятно, что используются при этом звуковые волны разной частоты. Зонд, имеющий звуковой излучатель и чувствительную приемную аппаратуру способен с большой точностью определить химический состав породы. Дело в том, что химические элементы можно рассматривать как колебательную систему (в миниатюре). А любая такая система отличается определенной частотой колебаний. Достаточно воздействовать на элемент с той же частотой колебаний, как в системе возникнет резкое увеличение (или угасание, здесь все будет зависеть от разности фаз) амплитуды колебаний. Такое явление называется резонансом.
При изменении отраженного звука на приемнике можно утверждать, что в породе присутствует определенный элемент, который соответствует частоте колебаний. А что, если с помощью такого метода необходимо исследовать всю скважину? Это ведь каждый химический элемент придется «ставить на прослушку». Тяжело, долго и не перспективно. Но этому методу нет равных при поиске редкоземельных элементов. Настраиваем излучатель на необходимую частоту (частоты) элементов и прослушиваем скважину по всей ее глубине. Результат будет быстрым и надежным. Изменение мощности излучения (не путать с частотой) позволит произвести исследования породы в достаточно большом радиусе действия.
Термометрический вариант
Термометрический каротаж используется значительно реже, так как его главное достоинство (определение теплопроводности материалов) нельзя использовать вблизи горючих пород. Хорош этот метод только при бурении скважин на большую глубину. Он же и применяется при бурении, так как резкое повышение температуры среды может свидетельствовать об изменении в химическом составе породы.
Отметим, что в ходе бурения непосредственно сама скважина подвергается многократным исследованиям. Ведь чтобы скважину впоследствии можно было эксплуатировать, она должна соответствовать определенным параметрам.
Геофизические методы внутреннего исследования скважин имеют множество направлений и параметров, которые для простого человека будут совершенно непонятными, поэтому в такие тонкости процесса вникать без соответствующего технического образования не имеет смысла.
Применение компьютерной техники
В настоящее время ни одно исследование не проводится без использования компьютерной техники. Даже нередко можно встретить такое понятие, как «компьютерное исследование скважин». Всем нам уже привычным стало думать, что компьютерные технологии являются самыми точными. На самом же деле это просто игра слов вводит нас в заблуждение. В реальности исследовать скважину только при помощи компьютера совершенно не реально. А вот облегчить работу по исследованию компьютерные программы вполне в состоянии.
Электронный «мозг» способен очень быстро и с большой точностью произвести все расчеты, связанные с результатами исследований, полученными в ходе упомянутых ранее каротажных методов. Измерения проводятся те же, только человеку уже не приходится производить все расчеты самостоятельно и копаться в огромном количестве таблиц и схем. Скважина подвергается измерениям, а компьютерная программа обрабатывает полученные результаты и создает компьютерную модель среза земли в том месте, где располагается скважина.
Программное обеспечение
Несколько различных зондов проводят исследование скважин, а вся информация заносится в память компьютера. Результаты сопоставляются, и на выходе вы увидите точные итоги проделанной работы. Условие только одно — качественное программное обеспечение. Если программа учитывает все нюансы, тогда результат будет просто замечательным.
Особенно эффективно используются компьютерные технологии для исследования межскважинного пространства.
Просто компьютер по результатам исследования нескольких скважин строит трехмерную модель участка исследования. Так можно очень точно определить важные для промышленного использования параметры: глубину залегания, количество породы, перспективность разработки и окупаемость.
Необходимо отметить, что не все методы исследования скважин здесь были отмечены. Их количество значительно шире и продолжает расти по мере развития научной мысли человечества. В настоящее время все больше происходит зондирование земной поверхности со спутников. В ход идет все — от звукового исследования до спектрального анализа. Результаты таких исследований отличаются очень высокой точностью. Человеку на земле остается только пробурить скважину и подтвердить или опровергнуть результат исследования земли космическим зондом.
