Badania Geofizyczne

Geofizyczne metody badań otworów wiertniczych są stosowane w celu uzyskania informacji geologicznych o przekrojach otworów, wykrywania i oceny kopalin, monitorowania eksploatacji złóż oraz badania stanu technicznego odwiertów. Metody te umożliwiają badanie właściwości fizycznych skał w warunkach panujących w otworze.

Metody GIS (Geofizyczne Badania Otworowe) obejmują metody elektryczne, radioaktywne, akustyczne, magnetyczne, termiczne i inne rodzaje badań. Umożliwiają one przedstawienie przekroju otworu jako zestawu cech fizycznych, takich jak właściwa rezystywność, radioaktywność, przewodnictwo cieplne, prędkość rozchodzenia się fal sprężystych i inne parametry.

Metody GIS są również stosowane do kontroli stanu technicznego otworów i badania czynnych odwiertów w trakcie eksploatacji złóż, dlatego jakość i kompletność informacji musi być na wysokim poziomie. Z tego względu specjaliści firmy LTS stosują narzędzia wiodących firm z USA, Australii, Kanady i Szwecji.

Elektryczne i Elektromagnetyczne Metody Badań Otworów Wiertniczych

Elektryczne i magnetyczne metody badania przekrojów otworów wiertniczych obejmują modyfikacje oparte na badaniu pól elektromagnetycznych o różnym pochodzeniu w skałach. Pola elektromagnetyczne dzielą się na naturalne i sztuczne. Naturalne pola w skorupie ziemskiej są wynikiem procesów elektrochemicznych, prądów magnetotellurycznych i innych zjawisk naturalnych. Sztuczne pola elektromagnetyczne powstają w skałach przy użyciu generatorów prądu stałego lub zmiennego o różnej mocy i są bezpośrednim wynikiem działalności człowieka, ukierunkowanej na badanie budowy skorupy ziemskiej, poszukiwanie, rozpoznanie i eksploatację złóż.

Klasyfikacja metod elektrooporowych badań otworów wiertniczych oparta jest na charakterze pochodzenia badanego pola elektromagnetycznego i jego zmienności w czasie – na częstotliwości. Ze względu na pochodzenie, metody elektrometryczne dzielą się na dwie główne grupy – naturalnego i sztucznego pola elektromagnetycznego, a ze względu na częstotliwość – na metody pola stałego, quasi-stałego i zmiennego. Wśród metod pola zmiennego wyróżnia się metody nisko- i wysokoczęstotliwościowe.

Do badania stacjonarnych naturalnych pól elektrycznych stosuje się metody potencjałów samopolaryzacji skał (PS). Sztuczne stacjonarne i quasi-stacjonarne pola elektryczne są badane metodami pozornej rezystywności (PR), mikrosondowania (MS), rezystancji uziemienia (RU i MRU), metodami rejestracji prądu (RP) oraz potencjałów polaryzacji wzbudzonej (PW). Sztuczne zmienne pola elektromagnetyczne są badane metodami indukcyjnymi (MI), dielektrycznymi (DM) oraz metodami fal radiowych.

Karatowanie Akustyczne

Karatowanie akustyczne (KA) opiera się na badaniu właściwości fal sprężystych w zakresie ultradźwiękowym i dźwiękowym w skałach. Podczas KA w otworze generowane są drgania sprężyste, które rozchodzą się w nim oraz w otaczających skałach i są odbierane przez czujniki umieszczone w tym samym otworze.

W naturalnym stanie skały są praktycznie ciałami sprężystymi. Jeśli na elementarną objętość ośrodka sprężystego działa przez krótki czas siła wzbudzająca, powstają naprężenia powodujące względne przemieszczenie cząsteczek. Prowadzi to do dwóch rodzajów deformacji: deformacji objętościowej (rozciąganie, ściskanie) i deformacji kształtu (ścinanie).

Proces kolejnego rozprzestrzeniania się deformacji nazywany jest falą sejsmiczną sprężystą, która rozchodzi się we wszystkich kierunkach, obejmując coraz dalsze obszary. Powierzchnia oddzielająca obszar, w którym już wystąpiły drgania cząsteczek, od tego, gdzie jeszcze ich nie zaobserwowano, nazywana jest frontem fali. Linie prostopadłe do powierzchni fal to promienie.

W jednorodnym ośrodku promienie są prostoliniowe, a w niejednorodnym — zakrzywione. Propagację frontu fali opisuje się za pomocą zasady Huygensa–Fresnela, zgodnie z którą każdy punkt frontu traktowany jest jako źródło fal elementarnych, a pojęcie promienia wiąże się z kierunkiem przenoszenia energii fali.

Wyróżnia się dwa typy fal – podłużne P i poprzeczne S.

Fala podłużna powoduje wyłącznie deformację objętościową. Jej propagacja polega na przemieszczaniu się stref rozciągania i ściskania; cząsteczki ośrodka wykonują drgania wokół swojego pierwotnego położenia w kierunku zgodnym z kierunkiem rozchodzenia się fali.

Fala poprzeczna związana jest z deformacją kształtu; jej propagacja polega na ślizganiu się warstw względem siebie; cząsteczki drgają prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Fale poprzeczne mogą istnieć tylko w ciałach stałych.

Jeśli fala sprężysta dotrze do granicy dwóch ośrodków o różnych właściwościach sprężystych, część energii ulega odbiciu — powstaje fala odbita, a część przechodzi dalej — fala przechodząca. Fala odbita powstaje, gdy impedancja falowa (iloczyn gęstości i prędkości) jednego ośrodka jest większa niż drugiego. Fala przechodząca zmienia kierunek — promień ulega załamaniu.

Karatowanie akustyczne w wersji podstawowej polega na określeniu prędkości rozchodzenia się drgań sprężystych w skałach przeciętych otworem (KA prędkości); mogą być także określane właściwości tłumiące skał (KA tłumienia).

Prędkość fal sprężystych w skałach zależy od ich składu mineralogicznego, porowatości i kształtu porów, a więc jest ściśle związana z właściwościami litologicznymi i petrograficznymi.

Właściwości tłumiące skał są bardziej zróżnicowane niż prędkości fal i zależą od charakteru geologicznego. Wśród skał silnie tłumiących drgania wyróżniają się skały gazonośne, spękane i kawernowate. Silny wpływ na tłumienie ma również ilastość skał.

Karatowanie prędkościowe opiera się na badaniu prędkości fal w skałach poprzez pomiar czasu interwałowego ∆t = (t2 – t1)/S (μs/m).

Karatowanie tłumieniowe opiera się na analizie charakterystyk zaniku fal sprężystych w skałach. Energia fali i amplituda drgań zależą od wielu czynników — mocy źródła, odległości od źródła oraz właściwości skał.

W jednorodnym ośrodku z kulistym frontem fali energia na jednostkę objętości zmniejsza się proporcjonalnie do kwadratu odległości od źródła, a amplituda drgań odwrotnie proporcjonalnie do tej odległości.

Podczas KA mierzy się prędkość fal w skałach w zakresie bazy sondy. Skały poza bazą nie wpływają na wynik. Rozważmy kształt krzywych KA dla pojedynczych warstw o różnej grubości w jednorodnym ośrodku. Krzywe uzyskuje się przy użyciu trzyelementowej sondy, z punktem zapisu w środku bazy S.

Przepływometria

Przepływometria otworów jest jedną z podstawowych metod badania dynamiki poboru i pochłaniania cieczy w otworach eksploatacyjnych i zatłaczających. Przepływometria polega na pomiarze prędkości przemieszczania się cieczy wzdłuż otworu za pomocą przyrządów zwanych przepływomierzami.

Za pomocą przepływometrii realizuje się następujące zadania: w otworach czynnych wyznacza się interwał dopływu lub pochłaniania cieczy, w otworach zatrzymanych — obecność przepływu cieczy wzdłuż trzonu otworu między perforowanymi warstwami, bada się sumaryczny debit lub przepływ cieczy z poszczególnych warstw oddzielonych nieperforowanymi interwałami; buduje się profile dopływu lub chłonności dla poszczególnych odcinków warstwy lub dla całej warstwy.

Przepływomierze dzielą się na mechaniczne i termoindukcyjne, które według warunków pomiaru dzielą się na pakierowe i bezpakierowe, a według sposobu rejestracji – na autonomiczne (rejestracja sygnałów odbywa się wewnątrz przyrządów) i zdalne (sygnały przekazywane są przewodem na powierzchnię, gdzie są rejestrowane).

Przepływomierz typu mechanicznego podczas pracy w otworze zazwyczaj opuszcza się do stropu górnego perforowanego interwału. Uzyskana krzywa pokazuje ilość cieczy przepływającej przez przekrój otworu na różnych głębokościach i nazywana jest integralnym przepływogramem. Charakteryzuje on sumaryczny debit wszystkich warstw znajdujących się poniżej danej głębokości. W interwałach dopływu na krzywej obserwuje się wzrost wskazań, a w interwałach pochłaniania – ich spadek.

Integralny przepływogram wykorzystywany jest do budowy zależności różnicowej, charakteryzującej intensywność dopływu (pochłaniania) na jednostkę miąższości warstwy.

Termoelektryczne przepływomierze działają na podstawie zależności między stopniem chłodzenia nagrzanego oporu umieszczonego w przepływie a średnią liniową prędkością przepływu.

Kawernometria

Rzeczywista średnica otworu d_с w wielu przypadkach odbiega od jego średnicy nominalnej d_n, odpowiadającej średnicy świdra, którym wykonano wiercenie. Zwiększenie d_с (powstawanie kawern w trzonie otworu) obserwuje się w obecności iłów i silnie ilastych utworów (margli itp.) w wyniku uwodnienia drobnych cząstek ilastych oraz ich wypłukiwania przez strumień płuczki wydobywający się z dysz świdra.

Stosowanie solnej płuczki wiertniczej zmniejsza uwodnienie cząstek ilastych, co prowadzi do spowolnienia procesu powstawania kawern. W przypadku warstw solnych i gipsowych obserwuje się wzrost średnicy otworu z powodu rozpuszczania tych skał przez wodę płuczki.

Czasami wzrost d_с występuje również w obecności skał spękanych, które mogą zostać osłabione mechanicznie w trakcie wiercenia. Średnica nominalna odpowiada skałom zwartym – wapieniom, dolomitom, zbitym piaskowcom.

Osadzanie się cząstek ilastych przy przepuszczalnych warstwach w wyniku filtracji płuczki prowadzi do powstawania ilastej skorupy na ścianie otworu i, w konsekwencji, do zmniejszenia średnicy d_с Grubość skorupy ilastej waha się od kilku milimetrów do ponad 5 cm.

Znajomość rzeczywistej średnicy otworu jest niezbędna do obliczania przestrzeni pierścieniowej przy cementowaniu rur okładzinowych, wyboru miejsca montażu buta kolumny, filtrów, pakierów i testujących warstwę, a także do kontroli stanu technicznego otworu podczas wiercenia.

Wyniki kawernometrii są wykorzystywane podczas przetwarzania danych GIS, do identyfikacji warstw skalnych i określania ich składu litologicznego. Średnica otworu mierzona jest za pomocą kawernometrów, które różnią się konstrukcyjnie. Ruch ramion pomiarowych pod wpływem zmiany średnicy otworu przekształcany jest przez czujniki w sygnały elektryczne, przesyłane do stacji karotażowej i rejestrowane jako kawernogram.

Kawernometr dostarcza informacji o średniej średnicy otworu. Do bardziej szczegółowego badania kształtu przekroju poprzecznego otworu stosuje się kawernometry profilujące, które umożliwiają pomiar średnicy otworu w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach i podanie wartości ich półsum.

Inklinometria

Otwory w zależności od warunków geologicznych, geomorfologicznych i innych projektuje się jako pionowe lub kierunkowo nachylone. W trakcie wiercenia trzon otworu zwykle odchyla się od zaplanowanego kierunku pod wpływem szeregu czynników geologicznych i technicznych, czyli ulega zakrzywieniu.

Na określonym przedziale głębokości położenie trzonu otworu charakteryzuje się kątem odchylenia otworu od pionu δ oraz azymutem φ. Płaszczyzna przechodząca przez pion i oś otworu na danym jego odcinku nazywana jest płaszczyzną skrzywienia.

Informacje o skrzywieniu otworu są niezbędne do ustalenia położenia jego dna w przestrzeni, przy sporządzaniu profilowych przekrojów geologicznych, map strukturalnych i innych map geologicznych.

Pomiary skrzywienia otworów wykonuje się za pomocą inklinometrów.

Pobieranie Prób

Przeznaczone jest do pobierania z trzonu otworu głębokich próbek cieczy do hermetycznych, transportowalnych pojemników w celu ich dalszej analizy w warunkach laboratoryjnych, a także do pobierania próbek wody z otworów hydrogeologicznych. Podczas jednego zjazdu pobierana jest jedna próbka głębinowa.

Metody pobierania: do hermetycznego pojemnika w pozycji statycznej próbnika w otworze metodą tłokową, zapobiegającą odgazowaniu próbki (ssący typ próbnika); do hermetycznego pojemnika, którego wewnętrzna komora podczas zjazdu próbnika ma kontakt z zawartością otworu, a po zatrzymaniu urządzenia na zadanej głębokości następuje zamknięcie górnego i dolnego zaworu wlotowego pojemnika (przepływowy typ próbnika).

Dostarczenie próbnika na zadaną głębokość i jego sterowanie: na kablu karotażowym ze sterowaniem poprzez doprowadzenie napięcia do próbnika z powierzchni za pomocą standardowego źródła zasilania karotażowego (sterowany typ próbnika), na lince zeskrobującej, kolumnie wężowej (coiled tubing) lub rurach okładzinowych, z zasilaniem autonomicznym i programowanym czasem pobierania próbki (autonomiczny typ próbnika).

Wideokarotaż

Wideokarotaż jest nieodłącznym elementem badań geofizycznych, prowadzonym równolegle z pracami wiertniczymi i naprawczymi w otworach rozpoznawczych i eksploatacyjnych. Zastosowanie wideokarotażu jest szczególnie istotne przy realizacji zadań związanych z kontrolą i diagnostyką stanu technicznego otworu, również podczas operacji awaryjnych i ratowniczych.

Dzięki obrazowaniu kamerami osiowymi i radialnymi możliwe jest określenie i szczegółowa analiza uszkodzeń mechanicznych konstrukcji otworu, takich jak: pęknięcia, przecieki, przemieszczenia i zgniecenia rur eksploatacyjnych i okładzinowych, obce przedmioty w otworze, zawalenia i zatory w odkrytym trzonie otworu.

Nagranie wideo pozwala określić głębokość, kształt i rozmiar badanego obiektu. Umożliwia także wykrycie ruchu wody w otworze oraz określenie jej kierunku, charakteru i prędkości.

Uzyskane wyniki pozwalają na ocenę szczelności buta kolumny okładzinowej, identyfikację stref aktywnego dopływu i pochłaniania wody, a także miejsc przepływu między odsłoniętymi poziomami wodonośnymi.

Urządzenie tworzy bardzo wyraźny obraz cyfrowy ściany otworu z ciągłym skanowaniem 360°, zarówno w powietrzu, jak i w czystej wodzie. Możliwe jest osiągnięcie rozdzielczości do 1800 pikseli na obwodzie otworu, co czyni kamerę idealną do analizy litologicznej, mineralogicznej i strukturalnej.

Wbudowany moduł precyzyjnego pozycjonowania, składający się z trójosiowego magnetometru i trzech akcelerometrów, umożliwia orientację obrazu w globalnym układzie współrzędnych, a także określenie azymutu i nachylenia trzonu otworu.

Rozwiązywane zadania: szczegółowa i zorientowana informacja strukturalna o przekroju otworu, identyfikacja i ocena spękań, wykrywanie cienkich warstw, określenie upadu warstw, charakterystyka litologiczna i mineralogiczna, inspekcja kolumny okładzinowej.

Rezystywimetria

Pod rezystywimetrią rozumie się pomiar właściwego oporu elektrycznego cieczy ρ_c, wypełniającej otwór, za pomocą rezystywimetru otworowego. Wartości oporu cieczy płuczkowej są niezbędne przy wyznaczaniu rzeczywistych oporów właściwych skał na podstawie oporów pozornych.

Opór cieczy mierzy się również podczas określania miejsca dopływu wody do otworu. Ponieważ rezystywność ρ_c silnie zależy od temperatury, pomiarowi rezystywności towarzyszy pomiar temperatury.

Rezystywimetr otworowy stanowi typową sondę karotażową o niewielkich rozmiarach (odległość między elektrodami 2–3 cm). Układ elektrod rezystywimetru w najprostszej wersji umieszczony jest w rurze z materiału izolacyjnego z otwartymi końcami, po wewnętrznej stronie której rozmieszczone są trzy elektrody pierścieniowe — A, M i N — tworzące jednobiegunową sondę gradientową.

Podczas przemieszczania rezystywimetru w otworze ciecz swobodnie przepływa przez rurę, która działa jako ekran izolacyjny, eliminując wpływ otoczenia poza określoną objętością cieczy (ściany otworu, kolumna okładzinowa).

Pomiary rezystywimetrem wykonuje się zgodnie ze schematem zbliżonym do pomiarów standardowego karotażu elektrycznego metodą oporu.