Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Аппаратура и методика скважинной магниторазведки при исследовании осадочных разрезов нефтегазовых скважин

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата технических наук, Мухаметдинов, Наиль Накипович, Октябрьский

Акционерное общество открытого типа Научно-производственное предприятие Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт геофизических исследований геологоразведочных скважин

АО НЛП ВНИИГЙС

На правах рукописи

МУХАМЕТДИНОВ НАЕЛЬ НАКИПОВИЧ УДК 550.832.8:553.982.2 + 553.981

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА СКВАЖИННОЙ МАГНИТОРАЗВЕДКИ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ОСАДОЧНЫХ РАЗРЕЗОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Специальность 04.00.12 - "Геофизические методы поисков и

разведки месторождений полезных ископаемых"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, член-корреспондент РАЕН Л.Е.Кнеллер

Октябрьский 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр. 8

I. ФИЗИКО-ХШИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ ОСАДОЧНЫХ РАЗРЕЗОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН.............._16

1.1. Горные породы в геомагнитном поле....................._16

1.2. Петромагнитные исследования кернового материала.......20

1.2.1. Взаимосвязь залежей углеводородов с зонами

аномальной магнитности,........................_24

1.3. Развитие и современное состояние скважинной магнито-разведочной техники с точки зрения возможности ее применения для расчленения осадочных разрезов........._32

1.4. Первичные преобразователи магнитных величин в электрические......................................... _39

1.4.1. Магниторезисторы..............................._40

1.4.2. Магнитодиоды..................................._40

1.4.3. Датчики Холла.................................._41

1.4.4. Сверхпроводящие квантовые интерферометры (Сквиды)......................................._42

1.4.5. Оптико-механические преобразователи............_43

1.4.6. Индукционные зонды............................._44

1.4.7. Квантовые первичные преобразователи магнитного поля с использованием метода оптической

накачки........................................_45

1.4.8. Феррозондовые магниточувствительные элементы (МЧЭ).......................................... 46

1.4.9. Ядерно-прецессионные преобразователи (ЯШ)....._48

1.4.10. Ферроакустические первичные преобразователи

(ФАПП)........................................._53

1.5. Выводы................................................_53

2. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ ДЯЯ МАГНИТОРАЗВЕДКИ ОСАДОЧНЫХ

РАЗРЕЗОВ, ВСКРЫВАЕМЫХ НЕФТЕГАЗОВЫМИ СКВАЖИНАМИ............. 58

2.1. Разработка протонного магнитометра...................._58

2.1.1. Выбор параметров торроидальной катушки индуктивности для ядерно-прецессионного преобразователя (ЯПП)........................._58

2.1.2. Экспериментальные исследования протоносодержащих жидкостей с целью подбора термостойких рабочих тел......................................_60

2.1.3. Выбор материала для охранного кожуха ЯПП с точки зрения обеспечения его немагнитности, удароцрочности и термобаростойкости............_68

2.1.4. Скважинный прибор протонного магнитометра, работоспособный в условиях нефтегазовых

скважин........................................_73

2.1.5. Наземный пульт протонного магнитометра........_82

2.2. Разработка скважинной магнитометрической аппаратуры на базе ферроакустических первичных преобразователей (ФАПП) магнитного поля................................_84

2.2.1. Теоретические исследования ФАПП................_85

2.2.2. Реализация градиентомера на базе ФАПП.........._94

2.2.3. Экспериментальные исследования ФАПП............_98

2.2.3.1. Оценка чувствительности ФАПП.........._98

2.2.3.2. Оценка линейности ФАПП................ 99

2.2.3.3. Термостабильность ФАПП................101

2.2.4. Скважинный магнитометр на базе ФАПП............102

2.3. Выводы ...............................................103

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ СКВАЖИННОЙ МАГНИТОРАЗВЕДКИ В ОСАДОЧНЫХ РАЗРЕЗАХ, ВСКРЫВАЕМЫХ НЕФТЕГАЗОВЫМИ

СКВАЖИНАМИ.................................................105

3.1. Методика настройки и методика проведения работ с

применением скважинного протонного магнитометра.......105

3.1 Л. Подготовка протонного магнитометра к предстоящим работам.................................105

3.1.1.1. Оценка магнитной обстановки в районе

предстоящих работ.....................105

3Л.1.2. Технические характеристики экспериментального образца протонного магнитометра.................................107

ЗЛЛ.З. Усилительный тракт скважинного прибора

магнитометра..........................108

3.1 Л.4. Методика настройки усилительного тракта скважинного прибора в соответствии с магнитной обстановкой в районе предстоящих

работ.................................ИЗ

3.1 Л.5. Наземный пульт магнитометра, органы

управления пультом и их назначение----П5

3.1 Л.6. Устройство для оценки работоспособности магнитометра и проверка его функционирования.............................. .118

3.1.2. Факторы, создающие предпосылки к неоднозначности высокоточных магнитных измерений в скважинах...121

3.1.2.1. Влияние скорости каротажа на качество записи распределения геомагнитной индукции по стволу скважины...........121

3.1.2.2. Оценка влияния вариаций геомагнитного поля на результаты высокоточной скважинной магнитометрии..............126

3.1.2.3. Оценка влияния физико-химического

состояния околоскважинного пространства и диаметра скважины на результаты высокоточной скважинной магниторазведки...132 3.1.2.4. Влияние привнесенных в скважину частиц

ферромагнетика и характер аномалий,

создаваемых ими.......................136

3.1.3. Малоамплитудщые магнитные аномалии в осадочных разрезах нефтегазовых скважин и их связь с магнитной восприимчивостью и намагниченностью осадочных пород...................................139

3.2. Методика проверки работоспособности и методика проведения работ с применением скважинного градиентомера на базе ферроакустического первичного преобразователя магнитного поля (ФАПП)................................142

3.2.1. Скважинный прибор градиентомера и его функциональная схема..................................143

3.2.2. Технические характеристики экспериментального образца скважинного прибора....................146

3.2.3. Проверка функционирования градиентомера........149

3.2.4. Модель скважины с коллекторами трещиноватого типа для проверки эффективности градиентомера

на базе ФАПП...................................151

3.3. Вывода................................................154

4. ОПРОБОВАНИЕ И ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ СКВАЖИННОЙ МАГНИТОРАЗВЕДКИ В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ОСАДОЧНЫХ РАЗРЕЗОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ

СКВАЖИН....................................................157

4.1. Опробование магнитометра в пермских отложениях восточных районов Татарстана, представленных уфимским и казанским ярусами...................................157

4.1.1. Литолого-стратиграфические особенности уфимского и казанского ярусов, магнитные свойства слагающих их пород....................157

4.1.2. Применение высокоточных магнитных методов в комплексе ГИС при поисках битумов на площадях типа Лагерной..................................158

4.1.3. Возможности высокоточной скважинной магнитометрии при решении задач по корреляции осадочных разрезов с содержанием битумов, представленных верхнеуфимскими и нижнеказанским подъярусами...167

4.1.4. Особенности магнитных аномалий в осадочных разрезах, относящихся к границе верхнеказанс-

кого и нижнеказанского подъярусов..............172

4.1.5. Анализ природы магнитных аномалий, приуроченных к битумонасыщенным коллекторам.............174

4.2. Опробование магнитометра в нефтяных скважинах.........179

4.2.1. Оценка эффективности магнитометра при выделении нефтеносных интервалов в коллекторах гранулярного типа......................................179

4.2.2. Магнитометрия в скважине с непредвиденным

изливом нефти из непрогнозируемого интервала...182

4.2.3. Магниторазведка в нефтегазовых скважинах

Якутии.........................................185

4.3. Возможности скважинной магниторазведки при изучении палеомагнетизма в условиях естественного залегания пород.................................................191

4.4. Выделение интервалов с коллекторскими свойствами

в карбонатных разрезах нефтегазовых скважин по методу с табулированного магне тизма...........................197

4.5. Выводы................................................203

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................206

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................211

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности геологоразведочных работ на нефть и газ относится к одной из актуальных проблем нефтяной геологии, которая во многом может быть решена за счет развития существующих и внедрения новых геофизических методов исследований скважин (ГИС) . Основными источниками информации для построения геологических разрезов нефтепоисковых и разведочных скважин служат, как известно, данные ГИС. В настоящее время материалы ГИС являются основой геологической документации скважин /14/. С их помощью обеспечивается решение важнейших геологических задач поисков и разведки нефтяных месторождений: выделение в разрезе коллекторов и оценка их продуктивности, определение параметров, необходимых для подсчета запасов нефти и газа и т.д. Интерпретация данных ГИС является задачей со многими неизвестными, в связи с чем достоверность результатов интерпретации зачастую носит вероятностный характер. Одним из путей повышения достоверности результатов интерпретации данных ГИС является использование в комплексе ГИС новых методов исследований. С данной точки зрения особый интерес представляет скважинная магниторазведка осадочных разрезов, вскрываемых нефтегазовыми скважинами. По результатам высокоточных аэромагнитных съемок /8, 91/ и петромагнитных исследований кернового материала /29/ к настоящему времени установлено, что на фоне нормального геомагнитного поля залежь углеводородов можно рассматривать как источник локальных малоамплитудных возмущений, вызываемых аутигенными железосодержащими минералами-индикаторами (пирит, сидерит, магнетит и некоторые др.). Это создало

предпосылки для более детального исследования осадочных разрезов с точки зрения их магнитных свойств с применением высокоточной скважинной магниторазведки.

Скважинная магниторазведка традиционно является одним из основных методов при поиске железосодержащих руд /34,61,65,70/, характеризующихся достаточно большими (по отношению к осадочным разрезам нефтегазовых скважин) значениями магнитных восприимчивос-тей, что не требует высоких чувствительностей и точностей от первичных преобразователей. Применяемая в настоящее время высокоточная скважинная магнитометрия используется при изучении таких слабомагнитных объектов как кимберлиты, бокситы, сидериты и др. /23/. Как рудные скважины, так и скважины с содержанием упомянутых слабомагнитных объектов характеризуются щадящими, по отношению к нефтегазовым скважинам, термобарическими условиями, в связи с чем к скважинной аппаратуре не предъявляется жестких требований по их термобаростройкости.

Осадочные разрезы, с точки зрения их магнетизма, в основном, сложены из парамагнетиков и диамагнетиков, характеризующихся слабыми магнитными свойствами /17, 23/, их магнетизм зачастую определяется содержанием весьма малого количества ферромагнетиков /44/. Индукции геомагнитных полей от 5-10 нТл на фоне геомагнитной индукции (5-6).104нТл уже могут быть информативными. В соответствии с приведенными данными погрешность измерений должна быть ниже 0,02%. Исходя из этого следует, что для скважинной магнитометрии осадочных разрезов, вскрываемых нефтегазовыми скважинами, необходимо иметь приборы с высокой точностью и разрешающей способностью. При этом точностные характеристики должны сохранять свою стабильность в жестких термобарических условиях нефтегазовых

скважин, подавляющее большинство которых имеют температуры до 120° С и давления до 60 МПа.

Для того, чтобы приступить к оценке возможностей применения магниторазведки осадочных разрезов, вскрываемых нефтегазовыми скважинами, потребовалось обоснование зависимости малоамплитудных магнитных аномалий в осадочных толщах от особенностей ритмов и циклов седиментации, в частности, при наличии органики и углеводородов /9,28,29/. С другой стороны, потребовалась лабораторно-техническая база, позволяющая создать магнитометрическую аппаратуру, способную по своим техническим характеристикам производить расчленение осадочных разрезов по их магнитным свойствам в термобарических условиях нефтегазовых скважин.

На координационных совещаниях по магнитному каротажу нефтяных и газовых скважин, состоявшихся в г. Киеве в 1976 году и в г.Октябрьском в 1980 году при участии ведущих специалистов ИГ АН УССР, УНЦ, ВЙРГ и ВНИИГИС было принято решение приступить к разработке аппаратуры и методики по скважинной магнитометрии осадочных разрезов, вскрываемых нефтегазовыми скважинами.

Во исполнение этих решений автором и при его участии были проведены научно-исследовательские, опытно-конструкторские и методические работы /51, 53, 54, 55/, в ходе выполнения которых была разработана, опробована в производственных условиях и усовершенствована аппаратура магнитного каротажа для нефтяных и газовых скважин, исследованы методические возможности скважинной магниторазведки при изучении разрезов с содержанием углеводородного сырья, а также проведена разработка нового вида датчика магнитного поля, основанного на ферроакустическом эффекте.

Цель работы: создание аппаратурно-методических средств для

изучения связи магнитных свойств осадочных пород в естественном их залегании с зонами влияния углеводородов в скважинах с температурой до 120°С и давлением до 60 МПа, а также выделение интервалов с коллекторскими свойствами в карбонатных толщах.

Задачами исследований являлись:

- анализ физико-химических предпосылок к применению скважинной магниторазведки для изучения магнитных свойств осадочных разрезов и решения поисковых задач нефтяной геологии;

- анализ аппаратурно-технической базы с точки зрения возможностей создания скважинной магниторазведочной аппаратуры, позволяющей по своим точностным и техническим характеристикам проводить работы в нефтегазовых скважинах с температурой до 120°С и давлением до 60 МПа;

- разработка и изготовление экспериментальных образцов высокоточной скважинной магнитометрической аппаратуры для нефтегазовых скважин;

- разработка методики проведения работ в нефтегазовых скважинах с применением экспериментальных образцов магнитометрической аппаратуры;

- проведение магниторазведки в осадочных разрезах, вскрываемых нефтегазовыми скважинами в различных геолого-технических условиях и оценка эффективности полученных результатов.

Научная новизна:

- разработан высокоточный термобаростойкий, помехозащищенный протонный магнитометр, позволяющий проводить работы в нефтегазовых скважинах с температурами до 120°С и давлениями до 60 МПа;

- разработан новый класс первичных преобразователей магнитного поля ферроакустического типа, отличающихся простотой исполне-

ния, возможностью совмещения в одном датчике двух функций -измерителя магнитной индукции и измерителя градиентов магнитных полей, а также высокой чувствительностью, не хуже 0,1 нТл при измерении индукции и не хуже I нТл/м при измерении градиентов;

- показаны методические возможности высокоточной скважинной магниторазведки по выделению зон специфического минералообразования, обусловленных влиянием углеводородов, по корреляции осадочных разрезов в пределах залежи углеводородного сырья и по выделению интервалов коллекторов в карбонатных толщах методом стимулированного магнетизма.

Защищаемые положения:

- разработанный высокоточный, термобаростойкий, помехозащи-щенный протонный магнитометр позволяет производить работы в нефтегазовых скважинах с температурами до 120°С и давлениями до 60 МПа;

- предложенный и разработанный автором новый класс первичных преобразователей магнитного поля ферроакустического типа отличается простотой исполнения, возможностью совмещения в одном датчике двух функций - измерителя магнитной индукции и измерителя градиентов магнитных полей, а также высокой чувствительностью, не хуже 0,1 нТл при измерении индукции и не хуже I нТл/м при измерении градиентов;

- разработанная скважинная магнитометрическая аппаратура применима для выделения зон специфического минералообразования, характерных для залежей углеводородов, корреляции осадочных разрезов по их магнитным свойствам и выделения интервалов с коллекторскими свойствами в карбонатных толщах методом стимулированного магнетизма.

Практическая ценность работы заключается в том, что предлагаемая аппаратура и методика дают дополнительно новую информацию при решении задач по определению интервалов с содержанием углеводородов

и позволяют повысить достоверность выделения коллекторов в сложных геолого-технических условиях, в частности, коллекторов трещиновато-кавернозного типа в карбонатных толщах.

Реализация работы. Аппаратура и методика высокоточной сква-жинной магнитометрии осадочных разрезов, вскрываемых нефтегазовыми скважинами, при непосредственном участии и руководстве автора, была разработана и опробована в различных геологических условиях:

- в отложениях девона, карбона и перми (Башкортостан, Татарстан);

- в яковлевской свите и отложениях рифея (Красноярский край);

- в отложениях ботуобинского и улаханского горизонтов (Якутия);

- совместно с Тимано-Печерской геофизической экспедицией проведены работы в скважине