СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ПОРОД ХЕМОГЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
METHOD TO DETECT COMPONENT COMPOSITION OF ROCKS OF CHEMOGENIC DEPOSITS

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и предназначено для обоснования состава и физико-химических параметров бурового раствора при проводке сверхглубоких поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин, вскрывших хемогенные отложения.
Строительство скважин нефтегазовых месторождений, в разрезах которых имеются мощные толщи хемогенных отложений, сопряжено с такими специфическими проблемами проводки, как деформации и сужение стволов в результате пластического течения калийсодержащих солей и отложения солей из среды бурового раствора на стенки скважины в результате процессов вторичной кристаллизации.
Особую проблему представляет строительство глубоких скважин на больших глубинах, вскрывающих хемогенные отложения мощностью более 5000 м на площадях Прикаспийской синеклизы и Уральского краевого прогиба. При этом горное давление может достигать более 140 МПа, а температуры - 145°C. Возникающие при этом осложнения отрицательно влияют на технико-экономические показатели строительства скважины и требуют привлечения дополнительных материальных затрат.
Решение вопросов безопасной проводки скважин в хемогенных отложениях наиболее эффективно может быть решено на основе обоснованного выбора и применения соответствующего состава и физико-химических параметров бурового раствора, для чего необходимы сведения о литологическом и компонентном составе вскрываемых пород. В настоящее время при проводке скважин для нормирования физико-химических параметров бурового раствора исходной информацией являются химико-аналитические исследования отобранного шлама и керна, а также данные геофизических исследований скважины (ГИС) по физико-механическим свойствам горных пород [1]. Количественное определение компонентного состава пород в естественных горно-геологических условиях позволит своевременно внести коррективы в технологию проводки скважин при последующем их углублении и уточнить проекты на бурение новых скважин.
Известен способ литолого-стратиграфического расчленения разреза поисковых и разведочных скважин путем оперативного анализа шлама и керна в процессе проводки скважин в комплексе геолого-технологических исследований [2]. Изучение вещественного состава пород хемогенных отложений по данным геолого-технологических исследований на шламе является недостаточно эффективным, так как не гарантирует высокой точности конечных результатов за счет изменения начального соотношения компонент ввиду растворения солевых пород в процессе разбуривания и подъема горной породы на дневную поверхность в потоке циркулирующей промывочной жидкости. В соответствии с требованиями ГОСТ Р 53375-2009 (Скважины нефтяные и газовые. Геолого-технологические исследования) отбор проб шлама осуществляется по всему разрезу в неперспективных интервалах (к которым относятся хемогенные отложения) через 5 м. Изучение соленосных пород по керновому материалу также является малоэффективным из-за низкой представительности образцов ввиду несплошного их отбора и низкого выхода. Дополнительный отбор и химико-аналитический анализ шлама и керна приводят к удорожанию буровых работ.
Известен способ литологического расчленения геологического разреза, включающего хемогенные отложения, в естественных термобарических условиях геофизическими методами исследований, обеспечивающими выделение в разрезе скважин основных достаточно чистых разностей пород на качественном уровне [3]. Недостатком этого способа является низкая точность определения соотношения компонент пород в случаях переходных и смешанных сульфатных и хлоридных типов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения содержания отдельных минералов или компонент в горных породах [4]. Способ основан на измерении в скважине концентраций естественных радиоактивных элементов в горных породах с последующим расчетом по этим концентрациям значений содержания отдельных минералов или компонент. По этому способу для создания модели изучаемых пород выполняется предварительный отбор образцов керна на ограниченном количестве опорных скважин и в каждом образце измеряют содержание отдельных минералов или компонентов и концентрации естественных радиоактивных элементов.
К недостаткам этого способа можно отнести дополнительные материальные и временные затраты, так как требуется предварительное изучение пород по образцам керна по опорным скважинам. Данный способ имеет ограниченное применение для изучения хемогенных отложений, так как состав большинства этих пород не содержит или содержит незначительное количество маркирующих радиоактивных элементов, например, каменная соль, ангидрит, кальцит и др. Также ввиду ограниченного отбора образцов керна низка точность привязки результатов исследования по глубине к геологическому разрезу.
В известных авторам источниках патентной и научно-технической информации не найдено способа целенаправленного использования компонентного анализа пород по геофизическим данным для целей оптимизации режимов безаварийной проводки скважины в соленосных интервалах при бурении сверхглубоких скважин в толщах хемогенных отложений.
Технической задачей изобретения является повышение точности и достоверности определения литологического состава и оценки количественного содержания компонент горных пород в разрезах хемогенных отложений при снижении материальных затрат.
4
3
40
Сущность предлагаемого способа заключается в определении количественного содержания преобладающих компонент пород в разрезе хемогенных отложений галита NaCl, сильвина KCl, ангидрита CaSO, кальцита CaCO и глины путем численного решения системы уравнений с известными физическими свойствами скелетной части пород и с неизвестными их объемными содержаниями при четырех измеренных параметрах, полученных геофизическими методами: интервальное время пробега упругих волн - акустический (АК), плотность породы - гамма-плотностной (ГГК-П), нейтронное поглощение окружающих пород - нейтронный (НГК) и содержание калия - гамма-спектральный (СГК). Горные породы хемогенных отложений уверенно дифференцируются по этим физическим свойствам, определяемым геофизическими методами исследований. Метод СГК по наличию радиоактивного элемента калия K позволяет выделить в разрезе калийсодержащие породы и определить их количественное содержание в общем составе пород.
Техническая задача решается следующим образом. По стволу скважины в разрезе хемогенных отложений выполняют геофизические исследования методами АК, ГГК-П, НГК и СГК с шагом дискретизации по глубине 0.1 м. На каждой точке глубины путем алгоритмического решения системы уравнений при четырех измеренных геофизических параметрах и известных физических свойствах скелетной части пород определяют количественное содержание преобладающих 5-ти компонент породы, включающей галит, ангидрит, сильвинит, кальцит и глины. Составляют систему уравнений, используя формулы (1-5), состоящие из суммы произведений скелетного значения физических параметров каждой отдельной компоненты породы на соответствующий им неизвестный объем (V1-V5) и приравненные к показаниям каждого метода геофизических исследований и формулы для определения полного объема смеси, состоящей из суммы неизвестных объемов компонент породы
АК=dt1·V1+dt2·V2+dt3·V3+dt4·V4+dt5·V5; (1)
ГГК-П=p1·V1+p2·V2+p3·V3+p4·V4+p5·V5; (2)
HTK=n1·V1+n2·V2+n3·V3+n4·V4+n5·V5; (3)
СГК=k1·V1+k2·V2+k3·V3+k4·V4+k5·V5; (4)
V1+V2+V3+V4+V5=1, (5)
где:
dt - интервальное время пробега упругих волн (мкс/м),
3
p - плотность (г/см),
n - показания нейтронного каротажа (усл. ед),
k - содержание калия (%),
V - объем (доли ед.) скелетной части пород, соответственно: 1 - галит, 2 - сильвин, 3 - ангидрит, 4 - кальцит и 5 - глина.
Значения известных геофизических констант скелетной части пород и минералов принимают из литературных источников, например: Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика. М.: Недра, 1991. 368 с; Ивакин Б.Н., Карус Е.В., Кузнецов О.Л. Акустический метод исследования скважин. - М.: Недра, 1978. - 320 с.
Результаты опробации предложенного способа приведены на чертеже, где представлена многокомпонентная модель разреза поисково-разведочной скважины в хемогенных отложениях. Для сравнения в колонке «литология» приведены результаты литологического расчленения разреза, полученные путем химико-аналитических определений шлама и керна в комплексе геолого-технологических и стандартных геофизических исследований.
Условные обозначения, принятые на чертеже: 1 - каменная соль, 2 - ангидрит, 3 - карбонатно-сульфатная порода, 4 - соль сложного состава, 5 - доломит-сульфатная порода, 6 - соль с прослоями терригенных пород.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности определений и их привязки к геологическому разрезу при снижении материальных затрат.
Технический результат подтверждается выполненными контрольными химико-аналитическими определениями на пробах шлама и образцах керна. При этом была обеспечена надежность этих определений и их привязки к геологическому разрезу путем массового отбора проб шлама и образцов керна в заданных интервалах глубин скважины.
Результаты сравнительных определений компонентного состава пород хемогенных отложений по данным химико-аналитических определений (Лаб) и геофизических исследований (ГИС) приведены в таблице 1.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что применение предлагаемого способа позволяет изучать вскрытый разрез хемогенных отложений с достаточно высокой точностью для решения практических геолого-технических целей. Расхождение полученных численных значений содержания основных породообразующих элементов, например NaCl в породе (87-88%), в сравнении с результатами лабораторных определений, составляет в среднем 4.5%.
Другим подтверждением достижения технического результата является определение содержания остаточных рассолов генезиса соли расчетом состава удельного объема соли с использованием данных ГИС в естественных термобарических условиях. Расхождения при расчетах параметров бурового раствора по лабораторным химико-аналитическим и предлагаемому способам получения исходных данных при определении компонентного состава галогенных солей приведены в таблице 2.
Таким образом, предложенный способ определения компонентного состава пород хемогенных отложений по комплексу геофизических методов исследований скважин позволяет получить информацию о количественном составе горных пород по разрезу скважины с высокой точностью и достоверностью для решения практических геолого-технических задач бурения сверхглубоких скважин.
Экономическая эффективность предложенного способа заключается в высокой точности и достоверности результатов при снижении материальных затрат. Сравнительно низкая стоимость работ по определению компонентного состава пород геофизическими методами по предложенному способу [Методические указания по расчету норм и расценок на геофизические услуги в скважинах на нефть и газ. МУ ГИС-98. Москва, 2000] относительно стоимости химико-аналитических определений по образцам пород [Методическое пособие по определению стоимости инженерных изысканий для строительства (Вып. 1). Москва, 2004] обеспечивает значительный экономический эффект.
Источники информации
1. Горонович С.Н. Устойчивость ствола скважины при бурении галогенных пород. НТЖ «Нефтяное хозяйство», 2008 г, №2, с. 49-51.
2. Беляков Н.В., Муравьев П.П., Чебанов С.Н. и др. Технические средства и современные технологии оперативного изучения геологического разреза нефтегазовых скважин при проведении геолого-технологических исследований / НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС. 2006. Вып. 2-4 (143-145). С. 170-185.
3. Масленников В.И. Литологическое расчленение галогенных отложений комплексом геофизических методов // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС. Вып. 5-6 (118-119). 2004. С. 128-136.
4. Патент РФ №23149428 C1, МПК G01V 5/04, G01V 5/06, 2000.20.05. Способ определения содержания отдельных минералов или компонент в горных породах.