Karotaaž

Karotaaž on puuraugu geoloogilise läbilõike uurimine, kasutades geofüüsikalisi meetodeid. Andmestiku põhjal on võimalik puuraukudega avatud geoloogilisi läbilõikeid korreleerida. Kõige laialdasemalt kasutatud meetodid põhinevad eritakistusel, elektromagnetilisel induktsioonil, looduslikul ja indutseeritud radioaktiivsusel ning akustilise laine levimise kiirusel ja temperatuuril. Karotaažil kasutatav aparatuur paikneb osaliselt maa peal, osaliselt maa all. Maa-alustest seadmetest kasutatakse sondi (silindriline metalltoru) ja selle külge kinnitatud kaablit. Sond lastakse puuraugu põhja ja seda hakatakse vintsi abil ülespoole tõmbama. Läbilõiget uuritakse ülestõmbamise ajal. Maapeal paiknevad salvestid, vints, kaablid. Puuraugu manteldamine piirab karotaaži kasutamist. Karotaaži meetodeid kasutatakse laialdaselt nafta- ja gaasi-, samuti hüdro- ja struktuurgeoloogilistel uuringutel. Koosneb mitme elektroodiga sondist. Keskmine elektrood saadab välja elektrivoolu ja kaks teda ümbritsevat elektroodi püüavad enda saadetud elektrivoolu abil keskmise elektroodi elektrivoolu koondatult hoida. Keskmise elektroodi potentsiaali võrreldakse lõpmatu suure potentsiaaliga. Potentsiaali erinevuste järgi arvutatakse geoloogilise struktuuri takistus. Elektrilise karotaaži abiga saab arvutada vee küllastusastme reservuaaris, mille kaudu saab arvutada süsivesinike sisalduse reservuaaris. Kõige laialdasemalt kasutatav põhjavee hüdroloogias. Mõõdab elektritakistust suure soolsusega (väikse takistusega) mudades. Laterolog mõõdab takistust. Töötab kõige paremini väikse takistusega puurvedelikes. Sondil on 9 elektroodi. Mõõdab kahe sügavuse takistust: pinna lähedalt või sügavamalt. Instrument kujutab endast väikest kummist plaati, millel paiknevad 2,54 cm vahedega 3 elektroodi. Ühest elektroodist saadetakse välja elektrivool (elektrood A) ning kahe ülejäänud (elektroodi M1 ja M2), elektroodi M2 ja pinnaelektroodi vahel mõõdetakse tekkinud potentsiaalide erinevust. Mõõdab mudcake'i takistust. Koosneb neljast üksteisest võrdsel kaugusel paiknevast mikrotakistuselektroodist. Puuraugus olevatest kivimitest tehakse igas suunas ülesvõte. FMI (formation micro-imager) teeb seda takistuse mõõtmisega. Selle meetodiga määratakse liivakivi ja kilda kihtide suunda puuraugus, samuti murrangute ning rikete suunda kivimites. Induktsioonkarotaaži (induction logging) kasutatakse elektrijuhtivuse mõõtmisel. Koosneb kahest poolist, saatjast ja vastuvõtjast. Poolile rakendatakse kõrgsageduslikku vahelduvvoolu (20 Hz). Tekkinud magnetväli indutseerib sekundaarvoolu, mis hakkab liikuma ümber sondi. Sekundaarvoolud tekitavad magnetvälja, mis indutseerib elektrivoolu vastuvõtvas poolis. Vastuvõetud signaal mõõdetakse ja selle suurus on võrdeline struktuuri elektrijuhtivusega. Töötab kõige paremini puuraukudes, kus on kasutatud väikese elektrijuhtivusega puurvedelikke. Loodusliku välja karotaaži käigus lastakse puurauku sond, milles paikneb üks elektrood. Teine elektrood maandatakse maapinnal puuraugu suudme läheduses. Mõõdetakse potentsiaalide erinevust puuraugus ja maapinnal oleva elektroodi vahel, kusjuures mõõtmisi saab teha vaid veega täitunud puuraukudes. Looduslikke elektriväljasid, mis tekivad elektrokeemiliste või -kineetiliste protsesside tulemusel, on võimalik kasutada peamiselt settekivimite läbilõigete uurimisel (poorsete kihtide asukoha määramine, puuraukude korreleerimine, söekihtide asukoha määramine jm). Radiomeetrilisel karotaažil mõõdetakse looduslikku uraani, tooriumi ja kaaliumi isotoopide tekitatud või indutseeritud radioaktiivsust. Mõõdetakse gammakiirguse intensiivsust sondi paigaldatud stsintillatsooniloenduri või ionisatsioonikambri abil. Radioaktiivsust väljendatakse API (American Petroleum Institute) ühikutes, mis on määratletud Houstoni ülikooli referentspuuraugu järgi. Mõõdetakse K, U, Th isotoopidest kiiratud gammakiirgust. Emiteeritud gammakiir liigub läbi geoloogilise struktuuri ja nõrgeneb Comptoni hajumise käigus. Protsessist võtavad osa kõik materjalid, mis paiknevad detektori ja gammakiire emiteerinud aatomi vahel. Nõrgenemise ulatus on seotud materjali aatomtihedusega. Gammakiired detekteeritakse NaI(Tl) stsintillatsiooniloenduri abil. Selle meetodiga saab hästi määrata kilda horisonte ja settekivimite savi sisaldust. Geoloogilise struktuuri seina pommitatakse gammakiirtega. Radioaktiivne 137Cs või 60Co allikas paikneb sondis, millest paar kuni 40 cm eemal paiknevad gammakiirgusdetektorid. Mõõtmiste ajal salvestatakse detektorini jõudnud gammakiirte arv. Selle hulk konverteeritakse tiheduseks. Kasutatakse poorsusanalüüsides. Mõõdab vesiniku tuuma indutseeritud magnetmomenti reservuaarikivimite poorivedelikus. Kuna prootonid paiknevad poorivedelikus saab tuumamagnetresonantskarotaaži abil leida nafta, gaasi, vee ruumala, viskoossust. Neid omadusi teades saab hinnata kivimi koostist, poorsust, vedelsüsivesinike tüüpi ja kogust. Esimesed tiheduskarotaažid (Density logs) tehti 1957. aastal. Instrument koosnes algselt radioaktiivsest allikast ja detektorist. Tänapäevasel instrumendil on ≥ 2 detektorit ning see sobib kasutamiseks nii õhu kui ka mudaga täidetud avatud puuraukudes. Tööpõhimõte seisneb instrumendi alumises osas paiknevast radioaktiivsest allikast gammakiirte välja saatmises. Osa gammakiiri neelatakse ümbritsevates kivimites, osa jõuab stsintillatsiooniloenduritesse, mis paiknevad 45 cm ja 60 cm allikast ülevalpool. Detektorini jõudnud hajunud gammakiirte arv sõltub geoloogilise struktuuri elektrontihedusest, mis on omakorda seotud geoloogilise struktuuri lasuvustihedusega. Teades lasuvustihedust saame arvutada poorsust. Oletades, et lasuvustihedus [ρ(lasuvustihedus)] sõltub kivimmaatriksi tihedusest [ρ(maatriks)] ning vedeliku tihedusest [ρ(vedelik)], on võimalik poorsus arvutada valemiga: ∅ = ρ ( m a a t r i k s ) − ρ ( l a s u v u s t i h e d u s ) ρ ( m a a t r i k s ) − ρ ( v e d e l i k ) {\displaystyle \varnothing ={\frac {\rho (maatriks)-\rho (lasuvustihedus)}{\rho (maatriks)-\rho (vedelik)}}} Maatriksi tiheduse väärtused g/cm3 on kvartsliival 2,65 lubjakivil 2,71 dolomiidil 2,87 Selle meetodiga saab kõige paremini iseloomustada liivakivide ja lubjakivide poorsust. Meetod ei ole tõhus savimineraalide määramisel, kuna nende tihedust mõjutavad mitmed tegurid (settekeskkond, katendi surve, savimineraali tüüp) ning seega ei ole neil ühtset tiheduse väärtust. Näiteks montmorilloniidi tihedus on 2,1 g/cm3, kloriidil aga 2,76 g/cm3. Mitteradioaktiivseid elemente pommitatakse neutronitega ja stimuleeritakse gammakiiri emiteerima, mis annab infot poorsuse kohta. Kasutatakse litoloogiliseks identifitseerimiseks ja stratigraafiliseks korrelatsioonis. Sobilik kasutada nii avatud kui ka manteldatud puuraukudes. Akustilise karotaaži abil määratakse puurauguga avatud kivimeid või setendeid läbivate seismiliste helilainete leviku kiirus. Sond, mida kasutatakse peamiselt poorsuse iseloomustamisel, koosneb kahest vastuvõtjast ja akustilisi laineid tekitavast allikast (kõlarist). Sondil paiknevad temperatuurisensorid, millega mõõdetakse puuraugu temperatuuri, BHT-d (bottom hole temperature). Puuraugu temperatuur on oluline parameeter takistuskarotaaži ja fluidirõhkude analüüsimisel, samuti fluidide liikumise detekteerimisel. Mõõtmised tehakse puuraugu põhjas, kus on kõrgeim temperatuur. Uued sondid kasutavad termistori ja suudavad temperatuuri katkematult lugeda. Temperatuurimõõtmiste täpsus on väike: ±2,5 oC. Kasutatakse teistele sondidele paranduste tegemiseks. Magnetilise karotaaži puhul mõõdetakse magnetvälja intensiivsust (sond sisaldab prootonmagnetomeetrit või magnetilise küllastatuse andurit) või magnetilist vastuvõtlikkust (sond sisaldab kapameetrit). Anomaalsed lugemid viitavad ferromagnetiliste mineraalidele suuremale kontsentratsioonile. Gravimeetrilist karotaaži kasutatakse puurauku ümbritsevate kivimite keskmiste tiheduste hindamisel. Meetodit saab kasutada nii avatud kui ka manteldatud puuraukudes. Meetodi puuduseks mõõtmiste aeglus (ühe lugemi määramiseks kulub 10–20 minutit). Sond on kallis ja seda saab kasutada ainult heas olukorras olevates puuraukudes. Kearey, P., Brooks, M., Hill, I. (2002) An introduction to Geophysical Exploration. 3rd ed. Oxford; Malden, MA: Blackwell Science. Electrical Logging (Petrophysics MSc Course notes) https://web.archive.org/web/20131029204607/http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/paglover/CD%20Contents/GGL-66565%20Petrophysics%20English/Chapter%2019.PDF. Grain’s Petrophysical Handbook (2013) http://www.spec2000.net/01-whatisalog.htm . Ellis, D. V., Singer, J. M. (2007) Well Logging for Earth Scientists. 2nd ed. New York: Elsevier p. 267-288. Radioactivity Logging (Petrophysics MSc Course notes) https://web.archive.org/web/20131029205745/http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/paglover/CD%20Contents/GGL-66565%20Petrophysics%20English/Chapter%2010.PDF. Sharma, P.V. (1997) Environmental and Engineering Geophysics. Cambridge: Cambridge University Press. Nuclear magnetic resonance (NMR) logging http://petrowiki.org/Nuclear_magnetic_resonance_(NMR)_logging. Natural gamma ray / neutron porosity logging https://web.archive.org/web/20131029204312/http://welllogging.egr.uh.edu/API_Reference5.pdf. Temperature logs (Petrophysics MSc Course notes) https://web.archive.org/web/20131029203231/http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/paglover/CD%20Contents/GGL-66565%20Petrophysics%20English/Chapter%208.PDF.