Каротаж

КАРОТАЖ  [французский carottage - отбор бурового керна, от carotte - морковь; керн (по форме моркови)], комплекс методов, основанных на измерении физических полей в буровых скважинах с целью изучения горных пород, вскрытых скважиной и расположенных вблизи неё. К основным задачам каротажа относятся изучение геологического разреза скважины, выделение пластов полезного ископаемого и оценка содержания в них полезных компонентов. Геофизические исследования скважин, существенной частью которых является каротаж, позволяют проводить эти работы, значительно сократив объём отбираемого керна. Комплекс каротажных методов, применяемых в нефтяных и газовых скважинах, называют промысловой геофизикой.

Первые температурные измерения в нефтяных скважинах Азербайджана и Дагестана были выполнены в 1906-16 годах Д. В. Голубятниковым. Широкое применение каротажа связано с деятельностью французских учёных К. и М. Шлюмберже, которые в 1926-31 провели измерения электрического сопротивления и самопроизвольной поляризации пород в нефтяных скважинах методами электрического каротажа. В 1933 В. А. Фок решил задачу о распределении электрического поля в скважине; опираясь на это решение, российский геофизик Л. М. Альпин рассчитал палетки (собранные на одном листе кривые измеряемых параметров в зависимости от электрических свойств пород), которые легли в основу метода бокового каротажного зондирования (БКЗ). Дальнейшее развитие теории электрического каротажа и разработка способов практического применения метода БКЗ были выполнены российскими геофизиками С. Г. Комаровым и В. Н. Дахновым. В 1933-1934 годах группа российских геофизиков (Г. В. Горшков и др.) разработала гамма-каротаж, основанный на измерении естественной радиоактивности горных пород. В 1941 Б. М. Понтекорво предложил нейтронный каротаж. В 1946-48 американский геофизик Х. Г. Долль предложил электрический каротаж с фокусировкой тока (боковой каротаж), индукционный каротаж и зонды для микроэлектрических исследований скважин. В 1938-39 американский геофизик Г. Арчи и Дахнов установили зависимость электрических свойств пород от их пористости (закон Арчи - Дахнова).

Методика проведения каротажа. При каротажных исследованиях в скважину спускают на лебёдке скважинный прибор, оборудованный датчиками физических параметров. Скважинный прибор соединён с регистрирующей аппаратурой, расположенной на поверхности, специальным каротажным кабелем, обеспечивающим электроснабжение прибора и передачу сигналов датчиков. Средства телеметрии позволяют одновременно передавать на поверхность большое количество сигналов по одной жиле кабеля. Технические средства проведения каротажа (лебёдка с кабелем, контрольно-измерительная аппаратура, скважинные приборы и зонды), размещённые на автомобиле, вездеходе и др., называют каротажной станцией. При измерениях в горизонтальных скважинах скважинный прибор крепится на бурильных трубах и перемещается вдоль скважины с их помощью. В этом случае скважинный прибор действует автономно (без каротажного кабеля) и снабжается не только датчиками физических параметров, но также источниками питания и регистрирующим устройством.

При каротаже буровых скважин измеряются такие физические параметры горных пород, как удельное электрическое сопротивление, естественная радиоактивность, скорости распространения упругих волн, магнитные свойства, температура и др. Соответственно различают электрический каротаж, радиоактивный каротаж (ядерно-физические методы каротажа), акустический каротаж, каротаж магнитной восприимчивости, термокаротаж и др.

Электрический каротаж подразделяют на несколько основных модификаций, в которых определяют различные характеристики электрического поля. В методе самопроизвольной поляризации измеряют электрические потенциалы, самопроизвольно возникающие в скважине; в методе сопротивлений определяют удельное электрическое сопротивление горных пород. При проведении работ применяют зонды электрического каротажа, содержащие токовые и измерительные электроды: первые служат для пропускания электрического тока в горные породы, пересечённые скважиной, вторые - для измерения потенциала или напряжённости электрического поля. В методе бокового каротажа используют зонды с фокусировкой тока в направлении пластов, пересечённых скважиной.

В индукционном каротаже электрические токи в горных породах возбуждают при помощи генераторной катушки, питаемой переменным током (без гальванического контакта электродов с горными породами). При помощи измерительной катушки, соосной с генераторной, измеряется напряжённость магнитного поля токов в породе, величина которой определяется электропроводностью горных пород. В диэлектрическом каротаже поле в скважине возбуждается генераторной катушкой, питаемой переменным током значительно более высокой частоты. В этом случае измеряется разность фаз между двумя точками на оси скважины, определяемая диэлектрической проницаемостью горных пород. В каротаже магнитной восприимчивости измеряется возникающая в катушке эдс, величина которой зависит от магнитной восприимчивости горных пород.

Ядерно-физические методы каротажа сводятся либо к измерению естественной радиоактивности горных пород (гамма-каротаж), либо к определению интенсивности воздействия на горные породы потоков гамма-квантов (гамма-гамма-каротаж) или нейтронов (нейтронный каротаж). Интенсивность естественного гамма-излучения горных пород измеряется с помощью скважинных радиометров. При гамма-гамма-каротаже в корпус скважинного прибора помещают зонд, состоящий из источника гамма-квантов и детектора, разнесённых по оси скважины. Изучается рассеянное горными породами гамма-излучение, интенсивность которого зависит от плотности пород. Зонд нейтронного каротажа включает источник быстрых нейтронов и детектор (гамма-квантов или медленных нейтронов). Нейтроны, испускаемые источником, бомбардируют стенку скважины, замедляются при соударениях и захватываются ядрами атомов. Захват нейтрона сопровождается испусканием гамма-излучения. Наиболее интенсивно нейтрон замедляется в среде с большим содержанием водорода. Поскольку водород содержится в пластовой воде и углеводородах, заполняющих пустотное пространство горной породы, нейтронный каротаж является одним из основных методов определения пористости пород-коллекторов.

Пористость горных пород оценивают также при помощи акустического каротажа. Зонд акустического каротажа содержит источники и приёмники упругих колебаний, расположенные на корпусе скважинного прибора и разнесённые по оси скважины. Измеряется время пробега упругой волны от источника до приёмника (в буровом растворе и по стенке скважины), а также амплитуда волны. Время пробега определяется скоростью распространения упругих колебаний в горных породах. Характер изменения амплитуд с удалением от источника позволяет оценить степень затухания упругих волн при их распространении в горных породах. Скорости упругих волн определяет и сейсмический каротаж. В этом случае источник упругих колебаний располагается на поверхности, а сейсмоприёмники - на различной глубине в скважине.

В нефтяных и угольных скважинах проводят газовый каротаж для определения нефтегазоносности пласта или оценки загазованности угольного пласта. Определяется количество и состав газа, попавшего в промывочную жидкость (буровой раствор) при разбуривании пласта. Для литологической характеристики пород, пройденных скважиной, при газовом каротаже также изучают шлам. Проведение механического каротажа (регистрации зависимости ряда параметров, характеризующих режим бурения скважины, от глубины скважины) позволяет интерпретировать данные газового каротажа и изучить геологический разрез скважины.

К каротажу скважин относится также регистрация падения пластов (смотри Наклонометрия), диаметра и искривления скважины (смотри Кавернометрия и Инклинометрия) и другие виды контроля технического состояния скважины. Скважинные приборы на каротажном кабеле используются для различных технологических операций: отбора образцов горных пород и пластового флюида из стенок скважины, перфорации обсадных колонн и др.

Результаты измерений в скважине представляются в виде каротажных диаграмм, отражающих зависимость различных физических параметров от глубины скважины. Обработка и интерпретация каротажных диаграмм проводится либо непосредственно при записи каротажных кривых, либо в обрабатывающем центре после проведения каротажа.

Выбор того или иного метода каротажа определяется поставленной задачей, характером геологического разреза (терригенный, карбонатный или гидрохимический), наличием обсадной колонны и типом скважины (разведочная или эксплуатационная).

Использование каротажа. На угольных месторождениях методы каротажа применяются для литологического изучения разрезов скважин, выделения пластов углей, оценки их зольности (несгораемого остатка), определения мощности и строения пластов. Мощность угольных пластов мала, поэтому используются микрометоды каротажа и электрический каротаж с фокусировкой тока. Особенно эффективно угольные пласты выделяют по данным плотностного гамма-гамма-каротажа и акустического каротажа, так как плотность углей существенно меньше плотности окружающих пород.

На рудных месторождениях выявление руд и их количественная оценка проводятся ядерно-физическими методами каротажа, а также методами электрического каротажа (для выделения магнетитовых и сульфидных руд, обладающих электронной проводимостью) и каротажа магнитной восприимчивости (для магнетитовых руд). Редкоземельные элементы и марганец характеризуются высокими сечениями захвата нейтронов, поэтому оценка этих месторождений проводится по данным нейтронного каротажа. Содержание алюминия в бокситах выявляют по данным нейтронного каротажа: измеряют интенсивность гамма-излучения распада изотопа ²⁸Al, образующегося в результате радиационного захвата тепловых нейтронов ядрами стабильного изотопа ²⁷Al. Содержание вольфрама и многих других элементов оценивают с помощью рентгенорадиометрического каротажа. В скважинах урановых месторождений ведущим методом является гамма-каротаж.

Наибольшее развитие методы каротажа получили при исследованиях в нефтяных и газовых скважинах, где они применяются на всех этапах геологоразведочных работ. Интерпретация каротажных диаграмм позволяет выделить пласты-коллекторы, способные содержать и отдавать углеводороды, определить мощности этих пластов, их пористость и проницаемость. В частности, для оценки содержания углеводородов в пласте используются методы электрического и индукционного каротажа. В пустотах (порах, кавернах и трещинах) пласта-коллектора содержится смесь нефти, газа и пластовой воды. Электрической проводимостью в этой смеси обладает только пластовая вода, поэтому с увеличением содержания углеводородов в пласте его удельное электрическое сопротивление увеличивается. Содержание воды в горных породах оценивают также методом диэлектрического каротажа. Пористость пласта-коллектора определяется по данным акустического каротажа, различных модификаций ядерно-физического каротажа и каротажа самопроизвольной поляризации. В последнем методе пористость оценивается по диффузионно-адсорбционным свойствам пластов-коллекторов. В эксплуатационных нефтяных и газовых скважинах методами каротажа проводится контроль разработки месторождения, например, контроль положения контакта между водой и нефтью в нефтяном пласте.

Методы каротажа широко применяются в гидрогеологии и инженерной геологии при поисках и разведке подземных вод, контроле и охране окружающей среды, решении проблем мелиоративной и шахтной гидрогеологии, исследовании грунтов и донных отложений (при строительстве мостов, железных и шоссейных дорог, плотин, крупных зданий и др.). Роль каротажных исследований особенно возросла в связи с необходимостью построения цифровых геологических и гидродинамических моделей месторождений.

Лит.: Геофизические методы исследования скважин / Под редакцией В. М. Запорожца. М., 1983; Аппаратура и оборудование для геофизических исследований нефтяных и газовых скважин. М., 1987; Скважинная и шахтная рудная геофизика / Под редакцией В. В. Бродового. М., 1989.