определение сложного минералогического состава

Спектрометрия высокой чёткости:
определение сложного минералогического
состава
Мануэль Абоуд
Роб Бэдри
Калгари, провинция Альберта, Канада
Джим Грау
Сьюзан Херрон
Кембридж, штат Массачусетс, США
Аппаратура спектрометрического нейтронного гамма-каротажа
измеряет концентрации заданных элементов в слагающих породах.
Используя эти данные, петрофизики устанавливают минералогический
состав, литологическое строение и свойства матрицы. Прежним
спектрометрическим приборам не хватало спектральной чувствительности
Фарид Хамичи
Джек Хорковиц
Шугар-Ленд, штат Техас, США
для определения общего содержания органического углерода — важного
Джеймс Хемингуэй
Хьюстон, штат Техас, США
позволяет определить общее содержание углерода, из которого можно
показателя для изучения нетрадиционных залежей. Новый прибор
вывести концентрацию органического углерода. Эта аппаратура также дает
Робин Макдональд
Saudi Aramco
Аль-Хобар, Саудовская Аравия
возможность разобраться в сложном литологическом строении с ранее
недостижимой точностью.
Пабло Салдунгарай
Аль-Хобар, Саудовская Аравия
Дон Стахив
Northern Cross (Yukon) Ltd.
Калгари, провинция Альберта, Канада
Кристиан Столлер
Принстон-Джанкшн, штат Нью-Джерси, США
Ричард Э. Уильямс
BHP Billiton
Хьюстон, штат Техас, США
Нефтегазовое обозрение, том 26, № 1 (весна 2014 г.).
Copyright © 2015 Schlumberger.
Данная статья является русским переводом статьи
“High-Definition Spectroscopy — Determining
Mineralogic Complexity,” Oilfield Review, 2014: 26,
no. 1.
Copyright © 2014 Schlumberger.
CMR-Plus, ECS, ELANPlus, GST, Litho-Density, Litho
Scanner, Minitron, Platform Express, RST, SpectroLith и
TerraTek HRA являются товарными знаками компании
Schlumberger.
LECO является товарным знаком компании LECO
Corporation.
48
Нефтегазовое обозрение
Горные породы состоят из разнообразных минералов и вмещают различные флюиды. В формировании
сложного состава недр участвует
множество процессов, в том числе
перенос и отложение осадочного материала и обломочных частиц на нынешних местах, воздействие тепла и
давления при погружении и последующей литификации, а также многочисленные внутренние и внешние
силы, действующие на породы. Используя скважинные спектрометрические приборы, также называемые
аппаратурой геохимического каротажа, геологи могут определить состав осадочных, метаморфических
и магматических формаций и лучше
понять их стратиграфию, минералогию, диагенез и углеводородный потенциал.
На заре развития каротажных
методов
исследования
скважин
геологами и петрофизиками были
разработаны
модели,
позволяющие установить присутствие углеводородов, оценить их количество
и определить потенциал добычи.
Модели насыщения наподобие тех,
что были описаны предложенными
Гасом Арчи уравнениями с последующими поправками за влияние
глин, как правило, предполагают
наличие однородных, изотропных
пластов. 1 Эти методы дают приемлемые результаты при вычислении
насыщенности углеводородами в
традиционных коллекторах; вместе
с тем, для определения нефтегазового потенциала сложнопостроенных
коллекторов и нетрадиционных залежей петрофизики заменили простые модели методами, требующими
углублённого понимания состава и
минералогии пород.
В лабораторных условиях в распоряжении учёных имеется множество
приборов для исследования строения пород. С помощью этой аппаратуры можно определить химический
и минеральный состав пород, сделать предположения об их происхождении и диагенезе и установить
эмпирические зависимости свойств
пород, которые влияют на образование, накопление и добычу углеводородов. В скважинных условиях
по словам, знакомым большинству
Лето 2012
петрофизиков, «любая интерпретация — это гипотеза, сделанная на основе выводов из электрических или
других измерений». 2 Тем не менее,
по мере совершенствования технологий и методов работ сервисные
компании предлагают ряд измерений лабораторного уровня точности,
получаемых приборами, спускаемыми в скважину на каротажном кабеле или на бурильных трубах.
Спектрометрические
измерения, имею щие важное значение
для понима ния сложнопостроенных коллек торов и нетрадиционных залежей, проводятся учёными
в лаборато риях на протяжении нескольких десятилетий. Скважинные
спектрометрические приборы применяются с момента их появления в
1980-х годах, однако недавно представленный прибор спектрометрии
высокой чёткости Litho Scanner
предоставляет геохимические данные такого уровня точности, который ранее был недостижим для
скважинной аппаратуры. Этот прибор позволяет выполнять измерения по большему числу элементов,
чем предшествующая аппаратура, и
обеспечивает точное измерение количества углерода, из которого можно вывести общее содержание органического углерода (total organic
carbon — TOC). Показатель TOC
имеет важнейшее значение для понимания нетрадиционных залежей,
таких как нефте- и газоносные сланцы.
В данной статье рассматриваются теоретические основы спектрометрических измерений и вопросы
разработки аппаратуры спектрометрического нейтронного гамма-каротажа, в том числе достижения в
области спектрометрических измерений, воплощенные в приборе Litho
Scanner. На примере поисковой
скважины в Арктике, нефтеносной
залежи в США и нетрадиционной
залежи сложного литологического
строения на Ближнем Востоке демонстрируются различные возможности применения спектрометрических данных.
1. Подробнее об уравнении Арчи для определения
водонасыщенности см.: Archie GE: “The Electrical
Resistivity Log as an Aid in Determining Some
Reservoir Characteristics,” Petroleum Transactions of
AIME 146 (1942): 54–62.
2. На протяжении многих лет эта (или аналогичная) формулировка приводилась на каротажных
диаграммах, предоставляемых большинством
сервисных компаний.
Спектрометрические исследования
сложных составов
В нефтегазовой промышленности
используются две разновидности
аппаратуры
спектрометрического
каротажа: приборы спектрометрического гамма-каротажа и приборы
спектрометрического нейтронного
гамма-каротажа. Аппаратура спектрометрического
гамма-каротажа
применяется геологами и геофизиками в основном для количественного определения концентраций
природного тория, калия и урана в
горных породах путём измерения
интенсивности энергии гамма-излучения при распаде этих радиоактивных элементов. Используя эти
данные, интерпретаторы каротажных диаграмм могут определить тип
глины, выполнить количественную
оценку влияния радиоактивных минералов на измерения естественного
гамма-излучения и определить отложения радиоактивных элементов.
Аппаратура спектрометрического
нейтронного гамма-каротажа, предлагающая более комплексный метод
измерений, чем приборы спектрометрического гамма-каротажа, предоставляет данные о концентрации
основных элементов в минералах
и флюидах, встречающихся в коллекторских и материнских породах.
Приборы спектрометрического нейтронного гамма-каротажа регистрируют переходные эффекты (длительностью от нескольких микросекунд
до нескольких миллисекунд) облучения пластов нейтронами из какого-либо источника: электронного
импульсного генератора нейтронов
49
Импульсный генератор нейтронов
n
Органы управления
Источник ионов
Источник питания
высокого
напряжения
Реакция в америций-бериллиевом источнике
γ (60 кэВ)
Выключатель
Источник
электроэнергии
Мишень
241
Am
237
237
Np*
Np
γ (4,4 МэВ)
α (5,5 МэВ)
n
p+
Дейтерий
2
H
+
n n
p+
n n
p+ p+
Тритий
3
H
Гелий
4
He
+
n
Нейтрон
n
Кинетическая
+ энергия
E (17,6 МэВ)
Рис. 1. Нейтроны из импульсного генератора нейтронов
(ИГН) и америций-бериллиевого (AmBe) радиоизотопного
источника. — ИГН (слева вверху на рис.) являются автономными ускорителями частиц, производящими нейтроны в
результате реакции ядерного синтеза (слева внизу на рис.).
При суммарной энергии реакции 17,6 МэВ кинетическая энергия выделяющихся нейтронов равна приблизительно 14 МэВ.
Типичный для ИГН выход нейтронов составляет 3 · 10 8 частиц
в секунду. С другой стороны, в AmBe источниках нейтроны генерируются как побочные продукты ядерных реакций (справа
на рис.). AmBe источник содержит смесь америция 241 Am и
бериллия 9 Be. При распаде 241 Am до нептуния в возбуждённом
(ИГН) либо америций-бериллиевого ( 241 Am– 9 Be) радиоизотопного источника (рис. 1). 3 Х и м и ч е ски е и сточник и AmB e , и с п о л ь з уе м ы е д л я
к арота ж а с к важ и н , про и з в о д ят о т н оситель н о п ос тоя н н о е ч и с л о н е й трон ов с п р е д с к аз уе м ы м уро в н е м
энерги и . По с р авн ен и ю с и ст о ч н и к ами AmB e , ИГН г е н е ри рую т г о ра здо б о ль ше е ч и сл о н е й т ро н о в с
горазд о б оле е выс о ки м и уро в н ям и
энерги и , о д н ак о вы х о д н е й т ро н о в
зав иси т от те м п е р а т уры , м о щ н о ст и
прибор а и во зр ас та И Г Н . В о т л и чие от AmBe и с точ н и ко в , по с т о ян н о ген е р и р у ю щи х н е й т ро н ы , при
отк л юч е н и и ИГН о т эл е кт ро эн е ргии о б р азован и е н е й т ро н о в пре к ра щае тс я .
Лабо р атор н ые с пе кт ро м е т ри ч е ск ие пр и б ор ы, так и е ка к с пе кт ро метры
р е н тг е н о д и ф ра кци о н н о г о
ана лиза (РД А) и ре н т г е н о ф л уо ресцен тн о г о ан али з а ( Р ФА ) , б о м -
50
9
Be
13
C*
12
C*
n (в среднем 4 МэВ)
12
C
состоянии 237 Np* (символом «*» обозначается возбуждённое
состояние) он испускает альфа-частицы α с энергией 5,5 МэВ.
При переходе в своё конечное основное состояние возбуждённый 237 Np* испускает гамма-излучение γ мощностью 60 кэВ.
Небольшая часть испускаемых 241 Am альфа-частиц реагирует
с 9 Be, в результате чего образуется углерод в возбуждённом
состоянии 13 C*, который выделяет нейтроны с энергией 4
МэВ и переходит в возбуждённое состояние 12 C*. Углерод 12 C*
переходит в основное состояние путём эмиссии гамма-кванта
высокой энергии (примерно 4,4 МэВ). Типичный для AmBe источника выход нейтронов составляет 4 · 10 7 частиц в секунду.
б а рд и ру ют обр а з цы пор од р ентг е н о в ск и ми и ли га м м а -луч а ми и
и з м е ряю т пор ождённое и з луч ени е.
Д л я о п р еделени я м и нер а логи ч еско г о сос та ва пр и меня ютс я пр и б о ры РДА, а для для опр еделени я
э л е м е н тного с ос та ва и с польз уется а пп а р а тур а РФА. Ла бор а тор н ы м о б ор удова ни ем РФА м ожно
о пре д е л и ть большее к оли ч ес тво
э л е м е н тов, ч ем с к ва жи нны ми к а ро т а ж ны ми пр и бор а м и . Тем не м ен е е , в подм ножес тво и з мер я ем ы х
скв а ж инной а ппа р а тур ой элем ент о в в ходя т ос новны е м и нер а лоо бра з ую щи е элем енты , с ведени й о
ко т о ры х геолога м дос та точ но для
о пре д е л ени я
м и нер а логи ч ес к ого
со ст а в а больши нс тва к оллек тор ски х и ма тер и нс к и х пор од.
П е рв ы е ди а гр а ммы геохи ми ч еско г о ка р ота жа с оз да ва ли с ь пут ё м комплек с и р ова ни я и з м ер ен и й , пр оведённы х нес к ольк и м и
с ущес твующи ми ти п ами прибо р ов. В к онце 1 9 8 0 -х го до в у чёными Инженер но-техно л о гическо го
центр а к ом па ни и S c hlumberger в
Хьюс тоне пр и поддержке рабо т ни к ов Ис с ледова тельско го центр а к омпа ни и S c hlu mberger имени
Генр и Долла в Ри джфил де, шт ат
К оннек ти к ут, США, был о выпо л нено к ом плек с и р ова ние измерений
пр и бор а га м м а -к а р отажа ( n at ural
ga mma r a y tool — NGT) , прибо ра
с пек тр ом етр и ч ес к ого
гамма-кар ота жа (ga mma r a y spect ro met er
tool — G S T ) и пр и бора нейт ро нно а к ти ва ци онного к а р о тажа на ал ю ми ни й (a lu minu m a ct ivat io n clay
tool — AACT ). 4 Ис ходя из по л у ченны х да нны х, бы ли вы числ ены ко нцентр а ци и с ледующи х э л емент о в:
а люм и ни я Al, к а льция Са, жел еза
Fe, га доли ни я G d , к а л ия K, серы S,
к р емни я S i, тор и я T h, т ит ана Ti и
ур а на U. П о да нны м о ко нцент раНефтегазовое обозрение
ция х э ле м е н тов б ы л и по л уч е н ы
св еден и я о м и н е р а л о г и ч е ско м и
литол ог и ч е с к о м с о ст а в е по ро д .
Х отя п е р вые п р и бо ры г е о х и м и ческ ог о к ар о таж а и д а в а л и г е о л о га м с ве д е н и я о г е о х и м и и по ро д ,
у а пп ар ату р ы п е р в о г о по ко л е н и я
был и н е к ото р ые х а ра кт е рн ы е н е достат к и . С р е д и э т и х н е д о с т а т ко в
был и отм е ч е н ы ни з ка я ско ро с т ь
к арота ж а, н е с о ч е та е м о с т ь с д руг и ми ме тод ам и к ар о т а ж а , сн и ж е н и е
к ачест ва и р азр е ша ю щ е й спо со б н о сти из м е р е н и й в с к в а ж и н н о й сре д е ,
н ев озм ож н о с ть
д и ф ф е ре н ци а ци и
органи ч е с к о г о и не о рг а н и ч е с ко г о
угл еро д а и н е д ос тат о ч н а я ч ув с т в и тельно с ть к н е к о то ры м э л е м е н т а м ,
опреде ле н и е к ото ры х н е о бх о д и м о
для пон и м ан и я с л о ж н о г о л и т о л о гическ ог о с тр ое ни я. Н а при м е р,
диффер е н ц и ац и я д о л о м и т а и ка л ь цита ге оло г ам и о с у щ е ст в л яе т ся по
ма гнию Mg, а точ н о е и з м е ре н и е
к он це н тр ац и и Mg при бо ра м и пре дыдущ е г о п о к о ле н и я бы л о з а т руд н ител ь н о.
Мн о г и е г е о лог и и пе т ро ф и з и ки
счита ют д ан н ые г е о х и м и ч е ско г о
к арота ж а важ н е й ш и м и д л я т о ч н о й
харак т е р и с ти к и
ко л л е кт о рски х
пород , о д н ак о п р и б о ры г е о х и м и ческ ог о к ар отаж а н е в се г д а в кл ю чал ись в с тан д ар т н ы е ко м пл е ксы
геофи зи ч е с к и х и с с л е д о в а н и й скв а ж ин п о р я д у п р и ч и н . К э т и м при чина м отн о с и лас ь б о л ь ш а я д л и н а пр и б о р о в, и х н е с о ч е т а е м о ст ь
с други м и м е тод ами и н е о б х о д и мость к ар о таж а н а н и з ко й с ко ро сти; к р о м е то г о, тр еб уе м ую и н ф о рма цию м ож н о б ыло по л уч и т ь пут ё м
ана лиза к е р н а. Р е в о л ю ци о н н ы й
перев ор от с ове р ши л при бо р спе ктрометр и и г ам м а- и з л уч е н и я ра д и ацион н ог о захвата н е й т ро н о в д л я
эл ементн о г о ан ал и з а ( e le m e n t a l
ca pture sp e c t ro sc o py — E C S ) , пре д н азна ч е н н ый д ля про и з в о д ст в а г е ологор азве д о ч н ых ра б о т н а сл а н цев ый г аз. 5 Б лаг од а ря с по с о бн о с т и
да ва ть с ве д е н и я о м и н е ра л о г и ч е ск ом с о с таве п ор од , при б о ры г е о химич е с к о г о к ар о та ж а ч а ст о в кл ю чались в программы геофизических
исследований скважин для оценки нетрадиционных коллекторов и
проектирования схем заканчивания
Весна 2014
Основы спектрометрии
гамма-излучения радиационного
захвата нейтронов
Из многих видов ядерного излучения
особый интерес для спектрометрических измерений представляют два:
гамма-лучи и нейтроны. Гамма-лучи,
подобно рентгеновским лучам и видимому свету, являются электромагнитным излучением; среди различных его
форм гамма-лучи обладают наивысшей энергией. Длины волн видимого
света находятся в диапазоне приблизительно от 400 до 700 нм, в то время
как длины волн гамма-лучей гораздо
меньше 1 нм. Длины волн, задействованные в скважинных измерениях,
как правило, порядка 0,001 нм. Гаммаизлучение обычно описывают не длиной волны, а энергией, выраженной
в электрон-вольтах (эВ) или в более
крупных единицах — килоэлектронвольтах (кэВ) и мегаэлектрон-вольтах
(МэВ).
Приборы
спектрометрического
нейтрон ного гамма-каротажа осуществляют подсчёт гамма-квантов в
диапазоне дискретных уровней энергии (каналов регистрации — energy
bins) в спектре гамма-излучения. По
сути, эта аппаратура измеряет энергию искусственно индуцированных
гамма-лучей, испускаемых находящимися в пласте элементами, которые подверглись бомбардировке быстрыми нейтронами высокой энергии,
генерируемыми прибором. Эти нейтроны сталкиваются с другими частицами и быстро теряют свою энергию,
пока в конце концов не замедлятся до
уровня тепловой энергии в 0,025 эВ.
Поскольку масса нейтрона почти
равна массе одного протона водорода, максимальная передача энергии и
максимальное замедление нейтрона
происходит при столкновении нейтронов с атомами водорода (рис. 2). 6
Тепловые нейтроны в конечном
итоге поглощаются (захватываются) ядрами атомов различных элементов, находящихся в пласте, в
скважине и в приборе. Перешедшие
в возбуждённое состояние ядра испускают гамма-кванты, называемые
гамма-излучением
радиационного
захвата (ГИРЗ), и возвращаются на
свой наинизший стабильный уровень энергии. Уровни энергии гамма-излучения радиационного захвата являются характеристическими
для элементов, при взаимодействии
с которыми возникает такое излучение. Упругое рассеяние с последующим захватом нейтронов может
происходить в течение нескольких
десятков или сотен микросекунд.
Работа большинства скважинных
приборов спектрометрии гамма-излучения радиационного захвата нейтронов основана на измерении гамма-излучения захвата нейтронов.
До того как достичь уровня тепловой энергии, недостаточно замедлившиеся нейтроны высокой
энергии могут вступать в неупругие
взаимодействия. Неупругие взаимодействия отличаются от упругого рассеяния и происходят примерно через одну микросекунду после
бомбардировки нейтронами. Эти
взаимодействия
характеризуются
возбуждением атомных ядер при
столкновении с нейтронами с уровнями энергии выше 1 МэВ. При неупругом взаимодействии нейтрон
3. Подробнее об использовании ИГН в качестве
источников нейтронов см.: Allioli F, Cretoiu V,
Mauborgne M-L, Evans M, Griffiths R, Haranger F,
Stoller C, Murray D and Reichel N: “Formation Density
from a Cloud, While Drilling,” Oilfield Review 25, no. 2
(Summer 2013): 4–15.
5. Подробнее о приборе ESC см.: Barson D, Christensen
R, Decoster E, Grau J, Herron M, Herron S, Guru
UK, Jordán M, Maher TM, Rylander E and White
J: “Spectroscopy: The Key to Rapid, Reliable
Petrophysical Answers,” Oilfield Review 17, no. 2
(Summer 2005): 14–33.
4. Hertzog R, Colson L, Seeman B, O’Brien M, Scott H,
McKeon D, Wraight P, Grau J, Ellis D, Schweitzer J and
Herron M: “Geochemical Logging with Spectrometry
Tools,” SPE Formation Evaluation 4, no. 2 (June
1989): 153–162.
6. Радиоизотопные источники нейтронов испускают нейтроны с энергиями порядка 4 МэВ и, как
правило, с плотностью потока 4 · 107 нейтронов
в секунду. ИГН обеспечивают мощность потока
нейтронов порядка 14 МэВ с типичной плотностью 30 · 107 нейтронов в секунду и выше. По
определению тепловые нейтроны — это нейтроны
с энергией до 0,025 эВ.
скважин, пробуренных на такие коллекторы.
51
Неупругое рассеяние
нейтронов
Электронный
источник
106
Энергия нейтрона
на выходе
источника
Энергия нейтронов, эВ
Высокая энергия
Возбуждённое
ядро
Традиционный
источник
Область
неупругого рассеяния
n
Невозбуждённое
ядро
n
Промежуточная энергия
104
Гамма-излучение
неупругого рассеяния
102
Надтепловая энергия
Гамма-излучение
радиационного
захвата
100
n
Средняя
тепловая
энергия
0,025 эВ
10–2
Радиационный захват
нейтронов
Возбуждённое Невозбуждённое
ядро
ядро
Тепловой
нейтрон
Нейтроны с тепловой энергией
Гамма-излучение
радиационного захвата
200
400
Время, мкс
Рис. 2. Время жизни нейтрона и рассеяние нейтронов. —
Как электронные (ИГН), так и традиционные (радиоизотопные)
источники излучают нейтроны высокой энергии. Начальная кинетическая энергия нейтронов, испускаемых ИГН, применяемыми в приборе Litho Scanner , составляет около 14 МэВ, а энергия нейтронов, продуцируемых AmBe источниками, — около 4,4
МэВ (слева на рис.). Энергия этих быстрых нейтронов быстро
снижается до уровня тепловой энергии (примерно 0,025 эВ).
В течение нескольких первых микросекунд, прежде чем их
энергия упадёт ниже 1 МэВ, происходят неупругие взаимодей-
может столкнуться с ядром атомамишени, передать часть энергии
этому ядру, а затем последовать далее в замедленном состоянии, либо
быстрый нейтрон может быть поглощен после выбивания из ядра
субатомной частицы. Как и в случае
радиационного захвата нейтронов,
при таком взаимодействии ядра
атомов-мишеней переходят в возбуждённое состояние и испускают
один или несколько гамма-квантов,
чтобы вернуться в невозбуждённое
состояние, а возникающее в результате неупругого взаимодействия
гамма-излучение имеет характеристические уровни энергии, которые,
однако, отличаются от характеристических уровней энергии гамма-
52
ствия нейтронов (справа вверху на рис.). Неупругое рассеяние нейтронов имеет место, когда быстрые нейтроны высокой
энергии сталкиваются с ядрами атомов, проходят рядом с ними
или поглощаются ими. Перешедшее в возбуждённое состояние ядро испускает неупругие гамма-лучи, чтобы вернуться в
невозбуждённое состояние. Захват нейтронов (справа внизу
на рис.) происходит , когда тепловые нейтроны поглощаются
ядрами атомов. Поглотившее нейтрон ядро испускает гамма-лучи, чтобы вернуться в невозбуждённое состояние.
излучения радиационного захвата
нейтронов ядром атома того же элемента (рис. 3).
Только аппаратура на основе ИГН
способна точно различить спектры
ГИРЗ и ГИНР, однако не все приборы на основе ИГН могут осуществлять это измерение. Для измерения
ГИНР необходимо, чтобы генератор
нейтронов был быстро включен и
выключен, сгенерировав импульсы
нейтронов высокой энергии. Кроме
того, для высокой точности измерений необходима чёткая повторяемая
форма импульса, то есть чтобы выход нейтронов был постоянным и
одинаковым при каждом импульсе.
Большинство спектрометрических
приборов, в том числе прибор ECS,
регистрируют гамма-излучение неупругого рассеяния, но не могут
точно определить относительное содержание элементов по результатам
этих измерений. При помощи некоторых скважинных каротажных приборов можно получить данные о качественных характеристиках ГИНР,
но их количественная оценка невозможна без аппаратных и программных средств измерения неупругих
взаимодействий.
Измерения гамма-излучения неупругого рассеяния менее чувствительны к воздействию окружающей
среды, чем измерения гамма-излучения радиационного захвата. Например, хлор Cl характеризуется
большим сечением захвата теплоНефтегазовое обозрение
7. Сечение радиационного захвата нейтронов — это
относительная мера вероятности захвата нейтрона
ядром атома, единицей измерения которой является барн (1 барн = 10–24 см2). Среди наиболее часто
встречающихся в скважинах элементов Cl характеризуется одной из самых высоких способностей к
поглощению тепловых нейтронов и, таким образом,
имеет большое сечение радиационного захвата,
равное 35 барн. Небольшое сечение радиационного захвата тепловых нейтронов характерно для
большинства других распространенных элементов,
встречающихся в скважинах: O (0,00019 барн), C
(0,0035 барн), Si (0,17 барн) и Ca (0,43 барн). Небольшое сечение радиационного захвата углерода
является одной из причин, по которой концентрации C определяются с использованием данных о
характеристиках неупругих взаимодействий.
Весна 2014
Неупругое рассеяние на атоме Si
Вероятность
Радиационный захват атомом Si
0
2
4
6
8
10
0
2
Энергия гамма-излучения, МэВ
H
Gd
Cl
K
Si
Fe
4
6
8
10
Энергия гамма-излучения, МэВ
Спектр гамма-излучения радиационного захвата
Число отсчётов гамма-квантов
вых нейтронов и может значительно уменьшить количество тепловых
нейтронов, доступных для захвата
ядрами атомов других элементов. 7
Сокращение числа тепловых нейтронов, доступных для захвата, повышает статистическую изменчивость
результатов измерения. Поскольку
поглотители нейтронов не влияют
на результаты измерения характеристик гамма-излучения неупругого
рассеяния, они могут служить для
повышения разрешающей способности и точности некоторых данных о
радиационном захвате при высоких
содержаниях Cl.
Так же как и предшествующие
приборы, прибор Litho Scanner использует характеристики гамма-излучения радиационного захвата для
определения концентраций Al, Ca,
Fe, Gd, K, S, Si и Ti, но при этом
дополнительно осуществляет количественную оценку концентраций
бария Ba, хлора Cl, водорода H, магния Mg, марганца Mn, натрия Na и
таких металлов, как медь Cu и никель Ni. Данные измерений гаммаизлучения неупругого рассеяния в
основном используются в приборе для количественной оценки содержания углерода C и магния Mg
(рис. 4). Опираясь на точные данные
о содержании Mg, петрофизики могут отличать кальцит СаСО 3 от доломита CaMg(CO 3 ) 2 . Точное измерение содержания C имеет важнейшее
значение для определения уровней
TOC.
Спектр гамма-излучения неупругого рассеяния
ИФЗ
Al
Ca
Fe
Ca
S
ИФР
O
C
Mg
S
Ti
Al
Энергия гамма-излучения
Mg
Si
Энергия гамма-излучения
Рис. 3. Спектры гамма-излучения. — Определение относительного содержания
элементов большинством приборов спектрометрического нейтронного гамма-каротажа основано на измерении гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ)
нейтронов. После поглощения тепловых нейтронов ядра атомов испускают гамма-излучение радиационного захвата, уровни энергии которого являются характеристическими для ядер атомов, испустивших это излучение. Например, на ядрах кремния Si
(слева вверху на рис.) происходит эмиссия гамма-квантов с различными энергиями,
наиболее вероятными из которых являются уровни энергии приблизительно 3,5 и
4,8 МэВ. Полный спектр гамма-излучения радиационного захвата (слева внизу на
рис.) представляет собой комбинацию вкладов от всех элементов, наличествующих в
слагающей породе. Гамма-излучение неупругого рассеяния (ГИНР) возникает , когда
быстрые нейтроны — т.е. нейтроны с энергией более 1 МэВ — взаимодействуют с
ядрами веществ в пласте, буровом растворе и в приборе, в результате чего происходит эмиссия гамма-квантов. Энергетический спектр гамма-излучения неупругого
рассеяния (справа внизу на рис.) похож на спектр гамма-излучения радиационного
захвата, но имеет иные характеристические уровни энергии. Энергия гамма-излучения неупругого рассеяния на атоме Si (справа вверху на рис.) составляет около
1,8 МэВ. Прибор Litho Scanner использует оба набора спектров, что даёт повышение
разрешающей способности по некоторым элементам, таким как Mg и Fe, и позволяет дополнительно определить другие элементы, такие как С, которые отсутствуют
в спектре радиационного захвата. Инструментальный фон прибора спектрометрии
ГИРЗ (ИФЗ, слева внизу на рис.) и инструментальный фон прибора спектрометрии
ГИНР (ИФР, справа внизу на рис.) — это составляющие результатов спектрометрических измерений, обусловленные излучением от прибора и скважинной среды.
53
Элемент
Название элемента
Al
Алюминий
Ba
Барий
C
Углерод
Ca
Кальций
Cl
Хлор
Cu
Медь
Fe
Железо
Gd
Гадолиний
H
Водород
K
Калий
Mg
Магний
Mn
Марганец
Na
Натрий
Ni
Никель
O
Кислород
S
Сера
Si
Кремний
Ti
Титан
Спектр радиационного
захвата
Спектр неупругого
рассеяния
Рис. 4. Элементы, определяемые методами спектрометрии гамма-излучения радиационного захвата и неупругого рассеяния. (Radtke et al, сноска 9.)
Гамма-излучение
Сцинтилляционный
кристалл
Выход
света
Фотоэлектронный
умножитель (ФЭУ)
Усиление, формирование
импульса и анализатор
высоты импульса
Фотокатод
Диноды
Анод
Число отсчётов
гамма-квантов
100
10
1
0,1
0,01
0
2
4
6
8
Энергия гамма-излучения, МэВ
Рис. 5. Сцинтилляционный детектор. — Гамма-квант попадает на сцинтилляционный кристалл (слева вверху на рис.), вызывая вспышку света. Интенсивность вспышки прямо зависит от энергии, передаваемой кристаллу попадающим на него гаммаквантом. Фотоэлектронный умножитель получает световой импульс, превращает его в
электрический сигнал, усиливает электрический сигнал на серии динодов и передаёт
его далее для дополнительного усиления, формирования импульса и анализа высоты
импульса (справа вверху на рис.). Информация по всему спектру гамма-излучения
суммируется, и составляется график, показывающий число отсчётов гамма-квантов в
каналах регистрации на дискретных уровнях энергии (справа внизу на рис.).
54
Информация, заключённая
в спектрах
В большинстве скважинных приборов гамма-каротажа используются сцинтилляционные кристаллические детекторы. При попадании
гамма-кванта на кристалл детектора этот гамма-квант преобразуется
во вспышку света (сцинтилляцию),
при этом мощность светового импульса пропорциональна энергии,
переданной кристаллу попавшим на
него гамма-квантом. Фотоэлектронный умножитель превращает световой импульс в электрический сигнал
и многократно усиливает его перед
отправкой на другие электронные
блоки, где осуществляется дальнейшее усиление аналогового сигнала
и его преобразование в цифровую
форму. Амплитуда сигнала определяется анализатором высоты импульса, и эти данные комплексируются с данными по всем остальным
импульсам,
зарегистрированным
детектором, для получения спектра
гамма-излучения (рис. 5).
В
большинстве
традиционных
приборов гамма-каротажа, в том
числе в некоторых приборах спектрометрического нейтронного гамма-каротажа, в качестве детекторов
используются кристаллы йодида натрия NaI, легированные таллием Tl.
Хотя кристалл NaI отличается высокой прочностью, его эффективность
при регистрации и разрешающая
способность недостаточны для разделения спектров всех требуемых
элементов. В приборе ECS используется кристалл германата висмута
Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO), который, ввиду
его высокой плотности и большого эффективного атомного номера,
имеет уникальный спектр гамма-излучения. Вместе с тем, сцинтиллятор BGO чувствителен к влиянию
температуры: при повышенных температурах его спектральная характеристика расширяется и теряет
чёткость и разрешение. В приборе
Litho Scanner применяется кристалл бромида лантана, легированного церием (LaBr 3 :Ce), который
отличается коротким временем высвечивания, обеспечивающим высокие скорости отсчёта и стабильное
определение относительного содерНефтегазовое обозрение
Число отсчётов гамма-квантов
в произвольных логарифмических координатах
Фотопики ГИРЗ
Фотопики ГИРЗ
Fe
Ca
Cl
O
Na
Mg
K
Al
S
Ti
Si
Si
Mn
S
Al
Ba
Ca
Mg
Gd
Fe
C
H
Энергия гамма-излучения, МэВ
Энергия гамма-излучения, МэВ
Рис. 6. Фотопики элементов и калибровка прибора. — В
Калибровочном центре компании Schlumberger в Хьюстоне инженерами была проведена калибровка прибора Litho Scanner.
Прибор помещали в блоки пластовых пород (слева на рис.) и в
лабораторные физические модели пластовых пород (справа на
рис.) известного геохимического и литологического состава.
жания элементов при температуре
до 200°C (400°F). Световыход этого кристалла на 50% выше, чем у
кристаллов NaI, которые являются
эталоном среди сцинтилляционных
кристаллов; при комнатной температуре его яркость на порядок выше,
чем у кристаллов BGO. Применение
сцинтиллятора LaBr 3 :Ce позволяет
значительно расширить возможности регистрации и подсчёта гаммаквантов, и, в сочетании с высокой
плотностью потока нейтронов, генерируемого ИГН, является большим
достижением в области разработки
аппаратуры
спектрометрического
каротажа.
Чтобы получить информацию, которая может быть использована петрофизиками, требуется реализация
многоступенчатого процесса перевода измеренного спектрометрическими приборами спектра гамма-излучения в соответствующие термины
минералогии. Первый этап — это
получение спектра гамма-излучения, который является мерой числа
отсчётов гамма-квантов в каналах
регистрации, как определено сцинтилляционным детектором. После
записи спектральной характеристики необходимо выполнить преобразование спектра в относительное содержание элементов.
Весна 2014
Фотопики ГИНР
Энергия гамма-излучения, МэВ
Индивидуальные фотопики были получены для 18 элементов
методом спектрометрии ГИРЗ и для 13 элементов методом
спектрометрии ГИНР (в центре рис., показаны не все пики).
Эти фотопики являются основой для расчёта относительного
содержания элементов.
Каждый элемент, регистрируемый прибором, имеет уникальную
характеристику — индивидуальный
фотопик элемента (рис. 6). Фотопики элементов можно использовать для разложения общих измеренных спектров (предварительно
введя поправки за условия среды и
измерений) на комбинацию спектров отдельных элементов. Индивидуальные фотопики элементов для
прибора Litho Scanner были определены на моделях пластов в Калибровочном центре (Environmental
Effects Calibration Facility — EECF)
компании Schlumberger в Хьюстоне.
Для расчёта массовых долей элементов и составления реалистичных
моделей минералогического состава
8. В состав осадочных минералов входит один
или несколько оксидов, примерами чему служат
кварц SiO2, кальцит СаСО3 и доломит CaMg(СО3)2.
Глинистые минералы также можно рассматривать
в качестве сложных смесей оксидов. Примерами
этого являются иллит
(K,H3O)(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10[(OH)2,(H2O)] и монтмориллонит (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2 · nH2O.
Концентрации выражены в массовых процентах;
спектр излучения зависит от массы, а не от объёма
данного элемента.
пласта учёные обрабатывают набор
данных по модели оксидного состава. 8 В модели оксидного состава
предполагается, что сухая порода
состоит из набора оксидов, а сумма
долей всех оксидов составляет 100%
или единицу. Модель оксидного состава даёт уникальный нормировочный коэффициент для каждого
уровня глубины, который, в свою
очередь, применяется к относительным спектральным характеристикам
для получения массовых долей отдельных элементов. 9
После этого с использованием
программ компьютерного моделирования данные о массовых долях
элементов в сухой породе преобразуются в данные о минералоги-
Подробнее о модели оксидного состава см.:
Grau JA, Schweitzer JS, Ellis DV and Hertzog RC:
“A Geological Model for Gamma-Ray Spectroscopy
Logging Measurements,” Nuclear Geophysics 3, no. 4
(1989): 351–359.
9. Radtke RJ, Lorente M, Adolph B, Berheide M, Fricke S,
Grau J, Herron S, Horkowitz J, Jorion B, Madio D, May
D, Miles J, Perkins L, Philip O, Roscoe B, Rose D and
Stoller C: “A New Capture and Inelastic Spectroscopy
Tool Takes Geochemical Logging to the Next Level,”
Transactions of the SPWLA 53rd Annual Logging
Symposium, Cartagena, Colombia, June 16–20, 2012,
paper AAA.
55
Регистрация спектра
• Спектр неупругого рассеяния
• Спектр радиационного захвата
Нормированное число отсчётов
гамма-квантов
Энергетический канал
Спектр радиационного захвата
Пересчёт по модели
оксидного состава
• Массовые доли
элементов
Fe
S
ITB
Si
Ca
Fe Mg
S
Al
K
Na Mn
Ti
Gd
C
Иллит
Кварц
КПШ
НПШ
Кальцит
Доломит
Ангидрит
Пирит
Кероген
Нормированное число отсчётов
гамма-квантов
Ca
Плотность
матрицы
TOC
2 г/см3 3
O
C
Si
Mg
Энергетический канал
Спектр радиационного захвата
H
Gd
Cl
K
Si
Fe
CTB
Ca
Mg
S
Ti
Al
Энергетический канал
Рис. 7. От регистрации до интерпретации. — Прибор Litho
Scanner регистрирует данные спектрометрии ГИРЗ и ГИНР (слева
на рис.). По установленным для прибора фотопикам элементов
производится спектральный анализ с преобразованием в относительное содержание элементов (слева в центре рис.). Программное обеспечение, используя модель оксидного состава, по
относительному содержанию вычисляет массовые доли элементов
(справа в центре рис.). Программы элементного анализа преоб-
ческом и литологическом составе.
Одним из таких методов является
обработка спектрометрических данных по алгоритму SpectroLith для
оценки литологического строения.
Эта процедура представляет собой
эмпирическую модель, составленную на основе сотен лабораторных
измерений, выполненных на известных типах пород. 10 Другой метод —
усовершенствованный многокомпонентный анализ каротажных данных
ELANPlus. Эта аналитическая программа вычисляет наиболее вероятный минералогический состав
пласта и поровый объём, используя
входные данные, полученные с нескольких приборов, в том числе и
показания прибора Litho Scanner
(рис. 7). Геологи имеют возможность
использовать знания о предполагае-
56
Скорректированная
плотность
2 г/см3 3
Al
Энергетический канал
10.Radtke et al, сноска 9.
Интерпретация
• Минералы
• Общий органический углерод (ТОС)
• Свойства матрицы
Спектр неупругого рассеяния
Нормированное число отсчётов
гамма-квантов
Нормированное число отсчётов
гамма-квантов
Спектр неупругого рассеяния
Спектральный анализ
• Относительное
содержание элементов
разуют относительное содержание или массовые доли элементов
в данные о минералогическом составе (справа на рис., дорожка
1). Кроме того, Litho Scanner осуществляет прямое измерение
содержания углерода, из которого выводится TOC (дорожка 2).
Петрофизики могут использовать данные о плотности матрицы,
вычисленные по массовым долям элементов с поправкой за TOC
(дорожка 3), для внесения уточнений в расчётные характеристики, такие как пористость по гамма-гамма-каротажу.
мых типах пород и выполнить подстройку программного обеспечения
для получения правильной оценки
минералогического состава.
Разработка прибора Litho Scanner
Давно доказана ценность данных
спектрометрического нейтронного
гамма-каротажа при построении геологических моделей как традиционных, так и нетрадиционных коллекторов сложного литологического
состава. Вместе с тем, использующими эти данные петрофизиками отмечались некоторые недостатки предшествующей
спектрометрической
аппаратуры. Инженеры и учёные
компании Schlumberger в течение
многих лет трудились над разработкой спектрометрического прибора,
лишённого таких недостатков, влияющих на точность данных.
Поскольку
зарегистрированные
прибором необработанные спектры
служат тем фундаментом, на котором базируется вся остальная информация, конструкторы искали
альтернативу детекторам BGO, используемым в приборе ECS, детекторам на основе ортосиликата гадолиния Gd 2 SiO 5 (GSO), применяемым в
приборе для определения насыщенности пласта RST, и детекторам NaI,
работающим во многих других приборах. Одной из основных функциональных причин замены детекторов
BGO является их чувствительность
к температуре. Чтобы поддерживать
внутреннюю температуру прибора
ниже 60°C (140°F) в течение всего
времени производства каротажных
работ, кристаллы BGO герметизируются в сосуде Дьюара и охлаждаются
углекислым газом. Световыход кристалла BGO резко падает при повышении температуры и уже при подъёме температуры кристалла выше
60°C становится слишком низким
Нефтегазовое обозрение
При комнатной температуре
Фотопик для прибора
Litho Scanner
Фотопик для прибора ECS
Nal (Tl)
BGO
LaBr3:Ce
3,67
7,13
5,29
Эффективный атомный номер
50,8
75,2
46,9
Время спада, нс
230
300
25
Световыход, фотон/кэВ
43,0
8,2
61
Параметр
Плотность, г/см
3
Число отсчётов гамма-квантов
Fe
Si
Ca
S
H
LaBr3:Ce при 150°C, BGO при 60°C
1,8
LaBr3:Ce
Fe
1,4
1,2
1,0
Nal (Tl)
0,8
0,6
0,4
BGO
0,2
0
0
50
100
Температура, °С
150
200
Число отсчётов гамма-квантов
Относительный световыход
1,6
Si
Ca
S
H
0
2
4
6
8
10
Энергия гамма-излучения, МэВ
Рис. 8. Сравнение кристаллических сцинтилляторов. — В приборах гамма-каротажа используется несколько типов сцинтилляционных кристаллов; чаще всего применяются кристаллы NaI
ввиду их высокой прочности и низкой стоимости. В приборе ECS
используется сцинтиллятор BGO. Для прибора Litho Scanner был
выбран сцинтиллятор LaBr 3 :Ce за его превосходные качества по
сравнению с другими сцинтилляторами. Высокое быстродействие
(исходя из времени спада) сцинтиллятора LaBr 3 :Ce по сравнению
с другими детекторами (слева вверху на рис.) обеспечивает повышенную эффективность регистрации и гораздо более высокую
скорость подсчёта. Относительный световыход остаётся стабильным в диапазоне температур от 0°C до 175°C (32 — 350°F) (слева
для надлежащей регистрации каротажных данных. Это обстоятельство
серьезно ограничивает возможности
применения прибора ECS при длительных каротажных работах — например, при каротаже на бурильных
трубах или на скважинном тракторе.
Для прибора Litho Scanner конструкторами компании Schlumberger
был выбран детектор гамма-излуВесна 2014
внизу на рис.), что является очевидным шагом вперёд по сравнению со сцинтиллятором BGO, который может работать только
до температуры около 60°С (140°F), после чего его световыход
падает ниже приемлемого уровня. Световыход детектора на
кристалле LaBr 3 :Ce выше, чем у кристаллов NaI или BGO. Детекторы на кристалле LaBr 3 :Ce также более устойчивы к тепловому
воздействию, чем другие детекторы (справа на рис.). Чёткие
фотопики элементов при комнатной температуре (справа вверху
на рис., зеленая линия) сохраняются и при температуре 150°С
(справа внизу на рис.). При этом у кристалла BGO, используемого
в приборе ECS (красная линия), графики фотопиков элементов
сглаживаются и утрачивают чёткость при температуре 60°С.
чения большого диаметра на кристалле LaBr 3 :Ce. По сравнению с
кристаллами NaI и BGO этот сцинтиллятор характеризуется на порядок более высоким быстродействием. Более высокое быстродействие
обуславливает высокие скорости
счёта, что повышает точность измерений прибора по сравнению с
другими устройствами. Более яркий
световыход по сравнению со сцинтилляторами NaI и BGO обеспечивает повышение спектрального разрешения. Сцинтиллятор LaBr 3 :Ce
стабильно работает в диапазоне температур от 0 до 150°C (32 — 300°F), и
даже при температурах выше 150°С
световыход снижается незначительно (рис. 8).
57
-2
0
2
4
6
8
10
Время, мкс
Рис. 9. Стабильная и быстрая генерация нейтронов. — Метод горячего
катода, применённый в ИГН Minitron,
обеспечивает быструю реакцию при подаче электроэнергии на ИГН и ещё более
быстрый спад при отключении питания.
Воспроизводимость и контролируемость
выхода позволила конструкторам разработать способ регистрации гамма-излучения неупругого рассеяния, дополняющий традиционный метод спектрометрии
гамма-излучения радиационного захвата
нейтронов.
Высокая скорость отсчёта
Низкая скорость отсчёта
Коррекция наложения
Число отсчётов гамма-квантов в произвольной шкале
Выход нейтронов,
относительное число отсчётов
Пример использования прибора Litho Scanner
в известняке с нулевой пористостью
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Энергия гамма-излучения, МэВ
Рис. 10. Искажения вследствие наложения. — При попадании на детектор
бóльшего числа гамма-квантов, чем он может сосчитать, происходит наложение, результатом которого становится искажение спектра. Эта проблема в большей степени
проявляется при высоких (красная линия), чем при низких (синяя линия) скоростях
отсчёта. Поскольку в приборе Litho Scanner используется ИГН с высоким выходом
нейтронов и эффективный детектор LaBr 3 :Ce, наложение наиболее выражено при регистрации спектра ГИНР. Разработаны специальные алгоритмы удаления искажений,
вызыванных наложением, из полевых спектров на основе скорости отсчёта (фиолетовая линия).
При разработке прибора Litho
Scanner конструкторы также уделили особое внимание источнику
нейтронов. В конструкции ИГН
прибора Litho Scanner применена нейтронная трубка Minitron,
в которой используется технология горячего катода собственной
разработки для генерации чётких
импульсов длительностью 8 мкс с
временами подъёма и спада 400 нс
(рис. 9). Быстродействие этого генератора нейтронов обеспечивает
возможность точного разделения
спектров ГИНР и ГИНЗ. На верхнем пределе диапазона рабочих
температур 175°C (350°F) ИГН
58
производит
нейтронный
поток
плотностью 3 · 10 8 нейтронов в секунду; такой высокий выход нейтронов позволяет в полной мере
использовать счётные возможности
сцинтиллятора LaBr 3 :Ce, поскольку скорость отсчёта может превышать 2,5 млн отсчётов в секунду.
Конструкторами был разработан
новейший фотоэлектронный умножитель, способный обрабатывать
выходные сигналы, соответствующие высоким скоростям отсчёта,
ставшим возможными благодаря
комбинированию
сцинтиллятора
LaBr 3 :Ce и нового ИГН. В конструкции прибора Litho Scanner также
используется блок специализированной электроники для обработки высокоскоростных сигналов во
избежание их наложения, т.е. такой ситуации, при которой число
поступающих отсчётов превышает
разрешающую способность детектора или электроники (рис. 10). 11
Применение
быстродействующих
сигнальных процессоров для обработки нагрузки позволяет избежать искажений спектра вследствие практически одновременного
прихода гамма-квантов. Сочетание
сцинтиллятора, ИГН, блока электроники и обработки сигналов на
скважинном приборе обеспечиваНефтегазовое обозрение
ет беспрецедентное спектральное
разрешение и уровень точности.
Вышеперечисленные разработки в
комплексе позволили создать аппаратуру спектрометрического нейтронного гамма-каротажа третьего
поколения с высокой чёткостью —
прибор Litho Scanner.
Спектрометрия, породы и TOC
Ввиду всё более широкого вовлечения в разработку нетрадиционных запасов углеводородов одной
из важнейших особенностей нового прибора является возможность
количественной оценки TOC в богатых органическим веществом породах. TOC — это массовое процентное содержание органического
углерода в поровом пространстве
породы. В составе TOC учитывается
углерод, содержащийся в керогене,
битуме и в других твёрдых, летучих
и жидких углеводородах, находящихся внутри порового пространства. Кероген — это нерастворимое
органическое вещество, из которого
образуются углеводороды.
Плотность керогена лишь немного выше, чем у флюидов, заполняющих поровое пространство; имея
данные только об объёмной плотности, петрофизикам сложно отличить объём пор, заполненный
жидкостью, от присутствия в порах
неподвижного битума или керогена
в структуре породы. Вычисление
истинной пористости богатых органическим веществом сланцев требует исключения твёрдых углеводородов из результатов измерения
пористости, что можно сделать на
основании точных данных о TOC
в сочетании с данными, полученными другими методами, например
методами ядерно-магнитного каротажа.
При проведении геологоразведочных работ в богатых органическим веществом сланцах основными объектами для геологов и
петрофизиков являются пласты, в
которых значения TOC находятся в
диапазоне от 1,5 до 10 мас. %. Коллекторы, сложенные породами, в
которых содержание TOC только за
счет керогена превышает 10 мас. %,
считаются слишком незрелыми для
Весна 2014
разработки. 12 Величину TOC, как
правило, определяют по образцам
керна, используя метод сжигания,
при котором неорганический углерод удаляют с помощью фосфорной
кислоты. Оставшийся материал
образца сжигают в богатой кислородом среде, а количество образовавшегося при этом CO 2 измеряют
инфракрасным детектором, например анализатором углерода LECO.
Недостаток методов определения
TOC по керну состоит в том, что
образец керна может быть нехарактерным для остальной части
коллектора; значения TOC могут
значительно варьироваться по разрезу коллектора, мощность которого может составлять десятки и даже
сотни метров.
Litho Scanner осуществляет непрерывное измерение содержания
углерода, из которого можно вычислить TOC. Непрерывная запись
данных о TOC является более экономичным и статистически точным
методом, чем измерение TOC на
сотнях образцов керна. Для оценки
содержания TOC применяется множество методов, использующих каротажные данные, например, метод
Шмокера и метод ∆logR. 13 Для различных методов косвенных измерений характерен высокий фактор
неопределённости, и большинство
таких методов требуют калибровки по данным исследований керна
(рис. 11).
Интерпретаторы каротажных диаграмм пользуются данными о содержании углерода, полученными
при регистрации спектра ГИНР
прибором Litho Scanner, для количественной оценки TOC. Содержание углерода в пласте измеряется
с учётом как неорганического (в
составе минералов), так и органического углерода. Количественная
оценка содержания неорганического углерода осуществляется путём сопоставления с результатами
определения содержания кальция и
магния, соответствующих кальциту
и доломиту; количество связанного углерода в этих породах можно
вычислить, определив сначала массовые доли этих элементов. Некоторые количества кальция и магния могут быть связаны с другими,
некарбонатными, минералами. Для
решения этой ситуации составлена
обширная база данных по результатам измерений, выполненных прибором Litho Scanner на матрице
пород. К другим, менее распространенным минералам, содержащим
неорганический углерод, которые
могут встретиться при проведении
геологоразведочных работ на нефть
и газ, относятся сидерит FeCО 3 ,
родохрозит
MnCO 3 и
анкерит
Ca(Fe,Mg,Mn)(CO 3 ). Прибор Litho
Scanner измеряет концентрации
элементов, необходимых для внесения поправок за присутствие таких
углеродсодержащих минералов. 14
11.При попадании на детектор бóльшего числа
гамма-квантов, чем может обработать система,
происходит наложение. Ввиду высокой плотности
потока нейтронов, создаваемого импульсным генератором, который применяется в приборе Litho
Scanner, проблема наложения может возникать при
регистрации спектра ГИНР. Если реакция системы
на наложения поддаётся характеризации, то эту
проблему можно исправить.
13.Gonzalez J, Lewis R, Hemingway J, Grau J, Rylander E
and Schmitt R: “Determination of Formation Organic
Carbon Content Using a New Neutron-Induced
Gamma Ray Spectroscopy Service That Directly
Measures Carbon,” Transactions of the SPWLA 54th
Annual Logging Symposium, New Orleans, June
22–26, 2013, paper GG.
12.Alexander T, Baihly J, Boyer C, Clark B, Waters G,
Jochen V, Le Calvez J, Lewis R, Miller CK, Thaeler J
and Toelle BE: “Shale Gas Revolution,” Oilfield Review
23, no. 3 (Autumn 2011): 40–55. В русском переводе: Т. Александер, Дж. Бейли, Ч. Бойер, Б. Кларк,
Дж. Уотерс, В. Йохен, Ж. Ле Калвес, Р. Льюис, К.
К. Миллер, Дж. Тэлер и Б. Е. Толл: «Революция
сланцевого газа», Нефтегазовое обозрение, том 23,
№ 3 (осень 2011 г.): 52–73.
Подробнее о методе Шмокера см.: Schmoker
JW: “Determination of Organic-Matter Content of
Appalachian Devonian Shales from Gamma-Ray Logs,”
AAPG Bulletin 65, no. 7 (July 1981): 1285–1298.
Подробнее о методе ∆logR см.: Passey QR,
Bohacs KM, Esch WL, Klimentidis R and Sinha S:
“From Oil-Prone Source Rocks to Gas-Producing
Shale Reservoir— Geologic and Petrophysical
Characterization of Unconventional Shale-Gas
Reservoirs,” paper SPE 131350, presented at the
CPS/SPE International Oil and Gas Conference and
Exhibition in China, Beijing, June 8–10, 2010.
14.Gonzalez et al, сноска 13.
59
TOC (Litho Scanner)
0
%
TOC (Litho Scanner)
20 0
%
TOC (керн)
Глубина, 0
м
%
TOC (Шмокер)
TOC (ΔlogR)
20 0
TOC (керн)
20 0
%
TOC (Litho Scanner)
%
0
20
TOC (керн)
20 0
%
TOC (Шмокер)
20
TOC (Шмокер)
0
%
20
TOC (ΔlogR)
20
TOC (ΔlogR)
%
0
%
20
20
Расчётное TOC, мас. %
TOC (Шмокер)
15
10
5
0
-5
0
10
TOC (керн), мас. %
20
TOC (Litho Scanner)
Измеренное TOC, мас. %
20
XX 000
15
10
5
0
-5
0
10
TOC (керн), мас. %
20
XX 025
TOC (ΔlogR)
Расчётное TOC, мас. %
20
XX 050
Поправка за влияние скважинных
флюидов
Ещё одним потенциальным источником углерода при определении TOC
расчётным методом являются скважинные флюиды. Определить содержание TOC в скважинах, пробуренных на буровых растворах на водной
60
10
5
0
-5
Рис. 11. Сравнение методов определения TOC. — Разработано несколько методов количественной оценки содержания
органического углерода опосредованным путём по каротажным диаграммам. В методе Шмокера используются диаграммы
плотностного каротажа, а метод ∆logR основан на использовании данных акустического каротажа и каротажа сопротивления. На диаграммах (слева на рис.) приводится сравнение
непрерывных графиков определения TOC по методу Шмокера
(дорожка 1, синяя заливка), по прибору Litho Scanner (до-
Оставшийся после этого углерод
считается органическим, и его содержание равно TOC. Определённый таким способом общий органический углерод включает в себя
углерод, содержащийся в керогене,
битуме и в любых углеводородах (в
твёрдом углеводородном сырье, в
нефти и природном газе), заключенных в поровом объёме.
15
0
10
TOC (керн), мас. %
20
рожка 2, фиолетовая завливка) и по методу ∆logR (дорожка 3,
коричневая заливка) с отдельными значениями TOC по керну
(красные точки). Для прямого сравнения кривые, полученные
тремя перечисленных методами, показаны вместе (дорожка 4).
На кроссплотах (справа на рис.) приводится сравнение рассчитанных значений TOC (мас. %) с величинами TOC (мас. %)
по керну. Данные о содержании TOC по прибору Litho Scanner
(справа в центре на рис.) хорошо коррелируют с величинами
TOC по керну , особенно в породах с высоким TOC (мас. %).
основе (БРВО), достаточно просто.
В отсутствие органических добавок
содержание органического углерода,
вычисленное по результатам аппаратурных измерений, может быть соотнесено с твёрдыми, жидкими или
газообразными углеводородами. Присутствие добавок в БРВО может оказать влияние на общее содержание
углерода, и часто в расчёты вводится
постоянная поправка за этот фактор.
Буровые растворы на углеводородной
основе (БРУО) представляют собой
иную задачу, и применение постоянной поправки не всегда способно
компенсировать влияние скважины,
зависящее от диаметра и формы ствола скважины, а также от внешних условий.
Научные работники исследовательского центра Schlumberger-Doll,
занимаясь в сотрудничестве с промысловыми инженерами решением
проблемы влияния БРУО на значения TOC, обнаружили, что взаимосвязь между содержанием углерода в
стволе скважины и величиной TOC
не является простой линейной зависимостью. Поскольку состав бурового раствора в стволе скважины
может значительно варьироваться по
разрезу скважины от забоя до устья,
применение простого поправочного
коэффициента может быть неприемлемым. Тем не менее, исследователям
удалось разработать поправочный
алгоритм, который был успешно проверен как на БРВО, так и на БРУО.
Нефтегазовое обозрение
Этот новый метод предусматривает
вычисление эмпирической поправки
к содержанию углерода по данным
измерений прибором Litho Scanner
в зависимости от геометрии ствола
скважины, определённой по данным
кавернометрии. Затем программное
обеспечение рассчитывает поправочный коэффициент, применяемый для
нормировки результатов для конкретного типа бурового раствора.
При расчёте этого заключительного
поправочного коэффициента предпочтительно использование данных,
полученных двухосевым каверномером-профилемером, особенно на
участках ствола, где вероятна эллипсность или кавернообразование. 15
Эта поправка применяется к каждому
интервалу глубин (рис. 12). Недавно
этот метод доказал свою целесообразность при строительстве арктической
разведочной скважины на территории Юкон в Канаде.
Геологоразведочные работы
в Арктике
Коренные народности канадской
Арктики уже сотни лет назад знали
места выхода нефти на поверхность
в этом регионе и использовали обнаруженные там смолы для смоления
своих лодок. 16 Но первое арктическое месторождение нефти в Канаде
было открыто лишь в 1974 году. 17 В
недавнем прошлом целью проведения геологоразведочных работ в
TOC по Litho Scanner
(поправка за диаметр скважины)
0
TOC по Litho Scanner
(постоянная поправка)
–2.5
%
%
20
TOC по Litho Scanner
(постоянная поправка)
0
20
Глубина,
Фактический диаметр скважины
0
м
200
мм
325
%
20
TOC (керн)
%
20
Разность поправок
XX00
XX50
XY00
15.Для измерения диаметра скважины используется
несколько разновидностей каверномеров. Двухосевой каверномер-профилемер измеряет диаметр
скважины при помощи двух комплектов рычагов,
расположенных под углом 90° относительно друг
друга, и более точно описывает геометрию ствола
скважины, чем одноосевые каверномеры.
16.“Canada’s Arctic,” Alberta Online Encyclopedia,
Canada’s Petroleum Heritage, http://www.
albertasource. ca/petroleum/industry/historic_dev_
canada_arctic.html (ссылка проверена 24 марта
2014 г.).
17.Некоторые историки считают, что месторождение Норман-Уэллс, открытое приблизительно в
1910 году и расположенное на Северо-Западных
территориях Канады на широте 65°16’52», является первым арктическим месторождением нефти в
Канаде; однако, оно расположено немного южнее
Северного полярного круга, который проходит
в Канадской Арктике на широте 66°33’44». Для
справки: бассейн Игл-Плейн (Eagle Plain) на территории Юкон в Канаде расположен по обе стороны
Северного полярного круга.
Весна 2014
Рис. 12. Внесение поправки в величину TOC за влияние скважины. — Предшествующие методы компенсации влияния скважинных флюидов на определение TOC
предусматривали применение постоянной поправки к результатам измерения TOC,
однако подобные методы не учитывают изменения геометрии ствола скважины.
Например, кривая TOC, рассчитанная с применением постоянной поправки (дорожка 1, черная линия), в целом совпадает с кривой фактического диаметра скважины
(пурпурная линия) при размыве ствола. Поскольку при бурении сланцев трудно
обеспечить устойчивость стенок скважины, могут возникнуть проблемы с качеством
данных. Стремясь ликвидировать этот недостаток, научные работники компании
Schlumberger разработали более эффективный метод компенсации влияния бурового
раствора на определение TOC. Этот метод предусматривает вычисление влияния на
TOC на участке ствола скважины, диаметр которого равен номинальному , использование данных кавернометрии, полученных при помощи двухосевых каверномеров-профилемеров, для более точного моделирования участков ствола с диаметром больше
номинального, и введение реалистичной поправки для каждого интервала глубин.
Кривая TOC, рассчитанная по новому методу (дорожка 2, голубая заливка), больше не
является отражением геометрии ствола. Желтой заливкой обозначена разница между
постоянной поправкой (серая кривая) и поправкой за диаметр скважины (голубая
кривая).
61
Арктике были поиски нефти, а не
природного газа, ввиду более широких возможностей для транспорта
нефти; однако сегодня объектами
гелооразведки являются залежи как
нефти, так и природного газа. 18 Компания Northern Cross (Yukon) Ltd.
недавно приступила к активной реализации программы геологоразведочных работ на территории лицензионного участка Игл-Плейн (Eagle
Plain) площадью более 5000 км 2
(2000 кв. миль), расположенного в
северной части территории Юкон в
Канаде (рис. 13). По предположениям компании Northern Cross, площадь Игл-Плейн имеет самые большие запасы нефти и газа среди всех
наземных месторождений Юкона.
Арктический регион характеризуется тяжёлыми климатическими условиями для производства буровых и
геологоразведочных работ. В отличие
от месторождений, расположенных
в районах с более умеренным климатом, на огромных территориях Арктики буровые работы практически не
ведутся в связи со сложностью организации материально-технического
обеспечения работ. До начала реализации программы геологоразведочных работ компанией Northern Cross
пробу рен ный фонд на всей территории площади Игл-Плейн составлял
лишь 34 скважины, которые в основном были пробурены в 1960-х и 1970х годах. Имеющиеся старые сейсмические данные были получены ещё
путём двухмерной сейсморазведки, до
внедрения многих совре менных разработок в методы трёхмерной сейсмосъемки высокого разрешения. По
предыдущим проектам бурения скажин инженеры компании Northern
Cross установили, что месторождение
имеет сложное геологическое строе-
ние, и при бурении некоторых интервалов, в том числе интервалов залегания богатых органическим веществом
сланцев, наблюдались технические
осложнения.
Целевыми объектами работ компании Northern Cross являются
пласты, к которым приурочены как
традиционные, так и нетрадиционные коллекторы. На площади имеется высокая вероятность наличия
структурных и стратиграфических
ловушек, что может позволить вести добычу углеводородного сырья
традиционным способом. На начальном этапе геологоразведочных работ
оператором планировалось бурение
шести скважин, четыре из которых
были пробурены к концу 2013 года.
Благодаря близости к трассе Демпстер (Dempster Highway) возможен круглогодичный проезд к трём
пробуренным скважинам. Проезд к
Сев
ерн
ый
пол
ярны
й кру
г
Игл-Плейн
Ю к о н
С еве р
К
А
н ы й по лярн ы й круг
Н
А
Рис. 13. Геологоразведочные работы в районах Арктики. —
Компания Northern Cross (Yukon) Ltd. ведёт геологоразведочные работы на территории Юкон в Канаде рядом с Северным
полярным кругом. До начала компанией-оператором недавних
работ пробуренный фонд на территории лицензионного участка площадью 5000 км 2 , расположенного в бассейне Игл-Плейн
62
Д
А
(Eagle Plain), составлял всего 34 скважины. Суровые климатические условия в районе Северного полярного круга ограничивают продолжительность сезона, в течение которого возможно
производство буровых работ , и могут привести к увеличению
расходов на разведку и разработку месторождения. (Фотография предоставлена Доном Стахивом).
Нефтегазовое обозрение
трём остальным скважинам, как и
ко многим другим скважинам, построенным в северной Канаде, возможен только в зимние месяцы;
одна из этих скважин была пробурена в течение бурового сезона
2012 — 2013 годов.
Помимо необходимости решения
задач организации материальнотехнического обеспечения в тяжёлых климатических условиях, компании, ведущие геологоразведочные
работы в Арктике, сталкиваются
и с другими проблемами. При составлении программ петрофизических исследований геологи должны
определить необходимую аппаратуру и методы геофизических исследований разведочных скважин.
Это непростая задача для геологов,
особенно при работе с такими сложнопостроенными коллекторами, как
на площади Игл-Плейн, ввиду малого числа скважин, фондовые данные
по которым могут быть использованы для корреляции, и недостаточности современных сведений о геологическом строении недр. В таких
условиях нормой является получение как можно большего объёма
данных в рамках экономической целесообразности, что часто включает в себя традиционный отбор керна. 19 Вместе с тем, рассматриваемые
скважины относятся к категории
поисково-разведочных скважин на
новых площадях, и соседние скважины, по которым можно было бы
определить необходимые интервалы
отбора керна, просто отсутствуют.
Во избежание расходов, связанных с
отбором керна из неперспективных
интервалов, инженерами компании
Schlumberger было предложено использование стандартных методов
каротажа с добавлением прибора
Litho Scanner. После получения каротажных данных этими методами
предусматривалась их обработка с
помощью программы для анализа
однородных пород TerraTek HRA с
целью определения оптимальных
точек отбора кернов вращательными
боковыми керноотборниками. 20
Выходные
данные
программы
TerraTek HRA обычно используются
для определения геомеханических
свойств пород, но они также позвоВесна 2014
ляют группировать породы по типам. 21 Инженеры и геологи использовали функцию типизации пород
для определения глубин отбора кернов вращательными боковыми керноотборниками, обеспечив тем самым включение необходимых типов
пород в программу отбора проб и исключив отбор дублирующих проб из
пород с аналогичными свойствами.
Геологи также использовали данные о содержании TOC, полученные прибором Litho Scanner, чтобы
опредлить дальнейшие точки отбора
керна. Поскольку рассматриваемые
скважины бурились на растворе на
водной основе, любые условные
зоны повышенных значений TOC
соответствуют интервалам присутствия углеводородов в поровом пространстве и подлежат дальнейшему
изучению.
Поскольку обработка данных осуществлялась в режиме реального
времени, геологи смогли отождествить породы, в которых прибором
Litho Scanner было зарегистрировано высокое значение TOC, с типами
пород с отличными коллекторскими
свойствами, определёнными программой TerraTek HRA (рис. 14).
Был проведён отбор образцов керна
вращательными боковыми керноотборниками, при этом отобранные
образцы оказались превосходными
как по количественным, так и по
качественным показателям. Данные
исследований высококачественных
кернов, отобранных вращательными
боковыми керноотборниками, подтвёрдили результаты, полученные
прибором Litho Scanner, и предо-
ставили информацию о литологическом составе пород, по качеству аналогичную традиционному способу
отбора керна, но без присущего этому способу расхода средств и рабочего времени. Кроме того, оператору
удалось избежать больших расходов
на отбор кернов традиционным способом из малоперспективных интервалов.
При обработке полученных прибором Litho Scanner данных во время
первоначального анализа каротажных диаграмм петрофизиками были
обнаружены несколько озадачивающие результаты: в ряде интервалов
неожиданно были получены повышенные значения TOC. Эти интервалы в целом соответствовали размывам ствола, указывая на то, что
источником органического углерода
являлся буровой раствор. Анализ
отчёта по буровым растворам позволил выявить причину повышенных
величин TOC. В некоторых скважинах с целью повышения производительности буровых работ инженерами по буровым растворам иногда
использовалась добавка на основе
лигнита. Лигнит — бурый уголь низкого сорта — является источником
органического углерода, и повышенные значения объясняются его присутствием. Распределение добавки
по стволу скважины было неравномерным, и в некоторых интервалах
она вообще не встречалась. Исследователями компании Schlumberger
была разработана методика расчёта поправочного коэффициента за
скважинные условия, учитывающего содержание органического угле-
18.Подробнее о проблематике геологоразведочных
работ в Арктике см.: Bishop A, Bremner C, Laake
A, Strobbia C, Parno P and Utskot G: “Petroleum
Potential of the Arctic: Challenges and Solutions,”
Oilfield Review 22, no. 4 (Winter 2010/2011): 36–49.
20.Подробнее о вращательных боковых керноотборниках см.: Agarwal A, Laronga R and Walker L:
“Rotary Sidewall Coring— Size Matters,” Oilfield
Review 25, no. 4 (Winter 2013/2014): 30–39. В
русском переводе: А. Агарвал, Р. Ларонга и Л.
Уокер: «Отбор керна вращательным боковым
керноотборником — размер имеет значение»,
Нефтегазовое обозрение, Сборник II, избранные
статьи из журнала Oilfield Review, том 25, № 2 (лето
2013 г.); том 25, № 3 (осень 2013 г.); том 25, № 4
(зима 2013 — 2014 гг.): 86–99.
19.Подробнее о традиционных методиках отбора
керна см.: Andersen MA, Duncan B and McLin
R: “Core Truth in Formation Evaluation,” Oilfield
Review 25, no. 2 (Summer 2013): 16–25. В русском
переводе: М. А. Андерсен, Б. Дункан и Р. МакЛин:
«Анализ керна: истина в последней инстанции при
оценке характеристик пласта», Нефтегазовое обозрение, Сборник II, избранные статьи из журнала
Oilfield Review, том 25, № 2 (лето 2013 г.); том 25,
№ 3 (осень 2013 г.); том 25, № 4 (зима 2013 —
2014 гг.): 4–17.
21.Подробнее о методе анализа TerraTek HRA см.:
SuarezRivera R, Deenadayalu C, Chertov M, Hartanto
RN, Gathogo P and Kunjir R: “Improving Horizontal
Completions on Heterogeneous Tight Shales,”
paper CSUG/SPE 146998, presented at the Canadian
Unconventional Resources Conference, Calgary,
November 15–17, 2011.
63
Пористость
по гамма-каротажу
Ангидрит
30
Сидерит
Пирит
TOC (керн)
Доломит
Кальцит
Кварц + полевой шпат
+ слюда
Глубина,
м
Глина
0
%
12
TOC (Litho Scanner)
0
%
TOC
%
–10
Пористость
по нейтронному
каротажу
12
30
%
–10
Скорректированная
плотность
30
%
–10
Типы пород
по TerraTek HRA
Глубина отбора керна
вращательным керноотборником
Минералогический
состав (по Litho Scanner)
X700
рода в буровых растворах на углеводородной основе. Эта методика
была применена инженерами для
внесения поправки за присутствие
лигнита, в результате чего проблема
была решена.
Помимо влияния добавок к буровому
раствору,
обнаруженного интерпретаторами каротажных
диаграмм при обработке данных по
этим арктическим скважинам, на
программу каротажных работ повлияли и осложнения, возникшие в
процессе бурения. В ходе бурения
двух разведочных скважин проводился каротаж в открытом стволе до
проектных глубин спуска обсадных
колонн. При углублении скважин
оператор столкнулся с осложнениями в интервале залегания сланцев,
потребовавших применения метода
производства буровых работ, называемого бурением на обсадных трубах, при котором буровое долото и
забойный двигатель наворачиваются непосредственно на буровые трубы. После проходки интервала и достижения проектного забоя вместо
подъёма труб на поверхность осуществляется цементирование обсадной колонны. 22
X750
22.Подробнее о методе бурения на обсадных трубах
см.: Fontenot KR, Lesso B, Strickler RD and Warren
TM: “Using Casing to Drill Directional Wells,” Oilfield
Review 17, no. 2 (Summer 2005): 44–61.
Рис. 14. Применение прибора Litho Scanner в качестве альтернативы традиционному отбору керна. — Ввиду высокой стоимости и влияния на производительность
буровых работ традиционный способ отбора керна может быть не лучшим вариантом
для арктических разведочных скважин; недостаточность данных по соседним скважинам может препятствовать определению целевых интервалов отбора керна. Для
определения зон, перспективных на нефть и газ, геологи компании Northern Cross
использовали непрерывный массив данных о минералогическом составе, полученный прибором Litho Scanner (дорожка 1), и о величинах TOC, вычисленных из данных
по содержанию углерода (дорожка 2, серая заливка). После этого была выполнена
обработка данных в программе TerraTek HRA с целью выявления аналогичных типов
пород (дорожка 4) и определения оптимальных точек отбора керна вращательными
боковыми керноотборниками (дорожка 5, черные точки). Величины TOC по результатам исследования этих кернов (дорожка 2, красные точки) хорошо коррелируют
с данными, полученными прибором Litho Scanner. Сочетание этих различных методов исследований позволило отобрать представительные пробы керна без ненужной избыточности. Кроме того, на диаграмме также показаны кривые пористости
по нейтронному каротажу (дорожка 3, голубая линия), пористости по гамма-гамма
каротажу (красная линия) и скорректированной пористости по данным Litho Scanner
(черная линия), вычисленной с использованием сведений об истинном минералогическом составе; кривая пористости с поправкой за литологию демонстрирует , как
данные прибора Litho Scanner могут повысить качество петрофизических измерений.
64
23.Сланцы — это мелкозернистые породы, образовавшиеся в результате уплотнения частиц алевритовой
и глинистой размерности. Поскольку они образуются их глинистых пород, их также называют
аргиллитами. Сланцы отличаются от других аргиллитов своей тонкой слоистостью и сланцеватостью,
т.е. способностью раскалываться при ударе на
слои или листы параллельно плоскости наслоения.
Подробнее о сланцах и проведении геологоразведочных работ в сланцах см.: Alexander et al,
сноска 12.
24.Подробнее о критериях поиска высокопродуктивных зон в органогенных сланцах см.: Glaser KS,
Miller CK, Johnson GM, Toelle B, Kleinberg RL, Miller
P and Pennington WD: “Seeking the Sweet Spot:
Reservoir and Completion Quality in Organic Shales,”
Oilfield Review 25, no. 4 (Winter 2013/2014): 16–29
В русском переводе: К.С. Глейзер, К.К. Миллер,
Г.М. Джонсон, Б. Толл, Р.Л. Кляйнберг, П. Миллер
и У.Д. Пеннингтон: «Поиск высокопродуктивных
зон: качество коллектора и качество заканчивания
в органогенных сланцах», Нефтегазовое обозрение, Сборник II, избранные статьи из журнала
Oilfield Review, том 25, № 2 (лето 2013 г.); том 25,
№ 3 (осень 2013 г.); том 25, № 4 (зима 2013 —
2014 гг.): 66–855.
Нефтегазовое обозрение
Петрофизиками и геологами компаний Schlumberger и Northern
Cross был проведён каротаж прибором Litho Scanner в обсаженном
стволе. Хотя спектрометрические
данные могут быть получены и в
обсаженной скважине, влияние стали и цемента за стенками обсадной
колонны приводит к возникновению
сдвига данных, требующего корректировки. Данные каротажа в открытом стволе по всему интервалу,
пробуренному на обсадных трубах,
отсутствовали, однако некоторые
участки обсаженного ствола были
ранее исследованы в ходе каротажа
других интервалов в открытом стволе. Путём сравнительного анализа
данных каротажа в открытом стволе
и в обсаженной скважине инженеры
смогли внести поправки и корректировки за влияние стали и цемента
(рис. 15). Удовлетворённые результатами сравнительного анализа данных каротажа, ранее проведённого
в открытом стволе, и данных, полученных в обсаженном интервале
скважины, специалисты компании
Northern Cross обрели уверенность
в том, что полученные данные точно
передают литологическое строение
и величины TOC в последнем пробуренном интервале.
Компания Northern Cross планирует продолжить реализацию программы геологоразведочных работ
на Юконе и в настоящее время проводит трёхмерную сейсморазведку
своего лицензионного участка. Интерпретация каротажных данных
свидетельствует о перспективах нефте- и газоносности бассейна.
«Что в имени ...?»
В разговорах о месторождениях
углеводородов некоторые специалисты нефтегазовой отрасли широко применяют термин «сланцы»
для обозначения нетрадиционных
коллекторов. Хотя многие нетрадиционные коллекторы не обязательно соответствуют принятому геологическому определению сланцев,
этот термин используется для описания коллекторских пород, часто
характеризующихся высокой глинистостью и очень низкой проницаемостью. 23 Целевые объекты геологоВесна 2014
Минералогический состав Минералогический состав
по каротажу
по каротажу
в открытом стволе
в обсаженном стволе
0
%
100 0
Ангидрит
ГК в обсаженном стволе
0
gAPI
150
Глубина, ГК в открытом стволе
м
0
gAPI
150
%
TOC по прибору
Litho Scanner
в обсаженном стволе
100
Ангидрит
Пирит
Пирит
Доломит
Доломит
Кальцит
Кальцит
Кварц + полевой шпат
+ слюда
Глина
Кварц + полевой шпат
+ слюда
Глина
–3
%
12
TOC по прибору
Litho Scanner
в открытом стволе
–3
%
12
TOC
X600
X650
Рис. 15. Данные спектрометрического каротажа обсаженной скважины. — При
бурении поисково-разведочной скважины на площади Игл-Плейн на территории Юкон
в Канаде буровые инженеры компании Northern Cross столкнулись с техническими
осложнениями, вызвавшими необходимость бурения на обсадных трубах до проектного
забоя. В пройденном на обсадных трубах интервале были участки, ранее исследованные в процессе каротажа в открытом стволе, и участки, каротаж в которых проводился
только после спуска обсадной колонны. Геологами было принято решение провести
каротаж прибором Litho Scanner в обсаженном стволе скважины и сравнить результаты
с данными каротажа в открытом стволе. В диаграммы гамма-каротажа (дорожка 1) в открытом стволе (пурпурная линия) и в обсаженном стволе (черная линия) были внесены
поправки за влияние обсадных труб и цемента. Данные о литологическом и минералогическом составе, полученные прибором Litho Scanner в открытом стволе (дорожка 2) и в
обсаженном стволе (дорожка 3), хорошо коррелируют друг с другом. Данные о величинах TOC по результатам измерений в открытом стволе (дорожка 4, пурпурная линия) и в
обсаженном стволе (черная кривая, серая заливка) в некоторой степени расходятся, но
расхождение находится в пределах статистической погрешности измерений.
разведочных работ в общем смысле
называют сланцами, богатыми органическим веществом, поскольку в
них содержатся относительно большие объёмы керогена — источника
углеводородов. Чтобы стать перспективными объектами разработки
на нефть и газ, такие пласты должны характеризоваться соответствующим минералогическим составом,
пористостью, насыщенностью углеводородами, содержанием и термической зрелостью органического
вещества. 24 Ещё одной характерной
чертой большинства перспективных
нефтегазоносных пластов является
высокое объёмное содержание таких
неглинистых минералов, как кварц,
полевой шпат и карбонатные минералы. В отличие от глины, кото-
65
Т е х а с
С
Ш
Свита
Игл-Форд
А
0
км 300
0
мили
300
М
Е
К
С
И
К
А
Рис. 16. Свита Игл-Форд. — Породы свиты Игл-Форд являются материнскими породами для нефтегазоносной свиты Остин-Чок. Свита залегает на территории Мексики
вдоль границы с США (красная заливка), а затем уходит на север в центральную
часть южного Техаса (зеленая заливка). В настоящее время несколько добывающих
компаний ведут оценку свиты Игл-Форд на перспективность добычи нефти и газа.
рая, как правило, отличается малой
прочностью и высокой пластичностью, неглинистые минералы имеют
большую прочность и способствуют
развитию трещин в породе.
Большинство залежей сланцевых
месторождений, например Барнетт
(Barnett), Марселлус (Marcellus) и
Хейнсвилл (Haynesville), приурочены к породам с большим содержанием кварца, полевого шпата и
слюды (КПшС) — набора силикатных минералов, характерного для
осадочных пород. Большое содержание этих минералов в матрице сланцев может свидетельствовать о возможности успешной эксплуатации
скважин, проведённых к нетрадиционным коллекторам. Одним из исключений из модели залежей с высоким содержанием КПшС является
свита Игл-Форд (Eagle Ford), также
называемая «сланцы Игл-Форд», в
южной части штата Техас в США.
Из пород этой свиты, служащих
25.Подробнее о нефтеносных материнских породах и
их оценке см.: Passey et al, сноска 13.
26.Подробнее о 50-импульсном режиме повышенной точности см.: Hook P, Fairhurst D, Rylander E,
Badry R, Bachman N, Crary S, Chatawanich K and
Taylor T: “Improved Precision Magnetic Resonance
Acquisition: Application to Shale Evaluation,” paper
SPE 146883, presented at the SPE Annual Technical
Conference and Exhibition, Denver, October 30 —
November 2, 2011.
66
материнскими породами нефтегазоносной свиты Остин-Чок (Austin
Chalk),
получены
относительно
большие объёмы как жидких углеводородов, так и газа. Свита Игл-Форд
отличается от многих других сланцевых месторождений высоким содержанием карбонатных минералов.
В результате этого, в данной свите
возможно проведение мероприятий
по интенсификации притока методом гидравлического разрыва. 25
Свита Игл-Форд простирается от
южной части штата Техас до северовосточной части Мексики, и её размеры составляют около 80 км (50 миль)
в ширину и 644 км (400 миль) в длину
(рис. 16). Средняя мощность свиты
составляет 76 м (250 футов) на глубине залегания коллекторов, которая находится в интервале от 1220 до
3660 м (4000 — 12000 футов). В геологическом отношении свита Игл-Форд
находится между свитами ОстинЧок (Austin Chalk) и Буда-Лаймстоун (Buda Limestone). На некоторых
участках между свитами Игл-Форд и
Буда-Лаймстоун вклиниваются сланцы Мэнесс (Maness Shale).
Результаты бурения скважины,
недавно построенной компанией
BHP Billiton, продемонстрировали
ценность спектрометрических данных для оценки сложного минералогического состава пород свиты
Игл-Форд, особенно в сочетании с
информацией, полученной при помощи
комбинируемого
прибора
ЯМР-каротажа (ЯМК) CMR-Plus.
Эксплуатация прибора ЯМК CMRPlus осуществлялась в недавно разработанном 50-импульсном режиме
повышенной точности, разрешающая способность которого позволяет учитывать мелкие поры, обычно
встречающиеся в нетрадиционных
коллекторах. 26 В величине TOC
рассчитанной по результатам измерений содержания углерода прибором Litho Scanner, учитываются
все формы органического углерода,
содержащегося в том числе в керогене, битуме, угле и нефти. Каротажные приборы, основанные на
методе ядерно-магнитного резонанса, реагируют только на жидкости.
Использование данных о свойствах
флюидов, полученных прибором
ЯМК CMR-Plus, в сочетании с данными о содержании TOC, полученными прибором Litho Scanner, позволяет геологам различать твёрдые
и жидкие углеводороды и выполнять
количественную оценку перспектив
нефтеносности коллектора. Компании-операторы могут использовать полученную информацию для
проектирования проводки боковых
стволов и определения конструкции
забоя скважин.
В рамках работ по оценке параметров пласта компанией BHP был
проведён отбор образцов керна пород свиты Игл-Форд традиционным
способом: образцы отбирались через промежутки длиной 1 — 5 футов
(0,3 — 1,5 м) и исследовались на содержание TOC (мас. %) при помощи
анализатора углерода LECO. В программу геофизических исследований скважины приборами на кабеле
входил стандартный каротажный
комплекс Platform Express, прибор ЯМК CMR-Plus и прибор Litho
Scanner.
Данные о минералогическом составе, полученные при помощи прибора Litho Scanner, позволяют чётко
дифференцировать по составу пород
сланцы Мэнесс и свиту Игл-Форд
(рис. 17). По сравнению с породами
свиты Игл-Форд, в толще Мэнесс
содержится больший объём иллиНефтегазовое обозрение
Вода
Нефть
TOC
Пирит
Доломит
та и смектита, которые относятся к
пластичным глинистым минералам,
не подходящим для проведения мероприятий по гидравлическому разрыву. Однако наиболее явное различие между этими двумя формациями
заключается в высоком значении
TOC в породах свиты Игл-Форд и
его отсутствии в сланцах Мэнесс.
Высокое содержание органического
Весна 2014
X450
%
25
Связанная вода
Свободная вода
Нефть
Кероген
Остин-Чок
Глубина,
фут
Кварц + полевой шпат
+ слюда
0
Связанная вода
Монтмориллонит
Кварц + полевой шпат
+ слюда
Каолинит
Глина
Иллит
Общая пористость
по ЯМК CMR-Plus
X475
X525
Игл-Форд
X500
X550
X575
X600
Сланцы Мэнесс
Рис. 17. Оптимизация добычи жидких углеводородов из
свиты Игл-Форд. — Компании, занимающиеся разведкой свиты
Игл-Форд (интервал с голубой заливкой), установили возможность рентабельной добычи нефти. Исходя из результатов
определения минералогического состава при помощи программы SpectroLith (дорожка 1), свита Игл-Форд характеризуется
высоким содержанием кальцита (светло-голубая заливка) в отличие от подстилающих сланцев Мэнесс с высоким содержанием глины (коричневая заливка), а состав пород вышележащей
свиты Остин-Чок представлен практически чистым кальцитом.
Содержание кальцита в породах свиты Игл-Форд обеспечивает
возможность проведения мероприятий по гидравлическому
разрыву пласта. Как видно на диаграмме минералогического
состава, полученной в программе ELANPlus (дорожка 2), породы
свиты Игл-Форд характеризуются большим значением TOC (дорожка 2, бордовая заливка); в величине TOC учитывается как
нефть, так и кероген (недобываемый твёрдый углеводород).
Петрофизики использовали каротажные данные, полученные
комбинацией различных приборов, для выбора оптимального
интервала проводки бокового ствола, размещения скважины в
породах, наиболее подходящих для проведения мероприятий
по интенсификации притока, а также для вскрытия интервала
с высокой насыщенностью жидкостями. Например, глинистая
составляющая пород свиты Игл-Форд представлена различными
количествами монтмориллонита, каолинита и иллита (дорожка 2); иллит характеризуется меньшей пластичностью, чем
другие глинистые минералы, и, следовательно, подходит для
проведения гидроразрыва. Инженеры также обеспечили проводку бокового ствола в интервалах залегания более твёрдых
пород (с высоким содержанием кальцита). Для определения
нефтеносных интервалов в данные о пористости по гамма-гамма каротажу сначала была внесена поправка за плотность матрицы, рассчитанную по результатам оценки минералогического
состава при помощи прибора Litho Scanner. Эта пористость
(дорожка 3) представляет собой сумму объёмов всех жидкостей и твёрдых углеводородов (керогена). Общая пористость по
ЯМК CMR-Plus (дорожка 3, толстая черная кривая) представляет
собой сумму объёмов всех жидкостей: связанной воды (голубая
заливка), свободной воды (синяя заливка) и нефти (зеленая
заливка). Разность между общей пористостью по ЯМК CMR-Plus
и пористостью по гамма-гамма каротажу с коррекцией по минералогическому составу представляет собой часть объёма TOC,
относящуюся к непродуктивному керогену (дорожка 3, бордовая заливка). Остальной объём TOC, не относящийся к керогену ,
соответствует объёму жидкой нефти.
Название свиты
Кальцит
Пирит
Доломит
Кальцит
X625
углерода в породах свиты Игл-Форд
делает её объектом для проведения
геологоразведочных работ.
В породах свиты Игл-Форд величина TOC (мас. %) по результатам
исследования керна и по обработанным данным, полученным прибором
Litho Scanner, составляет от 2 до
7 мас. %. Органический углерод может быть связан как с керогеном, так
и с нефтью в пласте, поэтому без дополнительной информации о составе
TOC полная оценка ресурсного потенциала коллектора затруднительна. Устранить эту неопределённость
помогли данные, полученные прибором ЯМК CMR-Plus.
Приборы ЯМК реагируют на жидкости, содержащиеся в пластовых
породах. Если поровое пространство
67
насыщено нефтью или водой, коэффициент пористости по ЯМК должен
соответствовать пористости, определённой прибором литоплотностного
гамма-гамма каротажа. Поскольку
газ имеет низкую плотность, а кероген является твёрдым веществом, измеренная методом ЯМК пористость
породы, содержащей эти вещества,
будет ниже, чем пористость по гамма-гамма каротажу.
В нетрадиционных коллекторах,
таких как Игл-Форд, размеры пор
малы, и поэтому большинство приборов ЯМК не способны правильно
определить общий объём жидкости.
Прибор CMR-Plus отличается от всех
других самым коротким временем появления эхо-сигнала, благодаря чему
его разрешающая способность позволяет учитывать мелкие поры и более
точно вычислять объём жидкости, чем
другие приборы в аналогичных условиях, особенно при эксплуатации
данного прибора в режиме повышенной точности. В коэффициенте пористости по ЯМК учитывается вода (как
свободная, так и связанная) и нефть.
В породах с высоким содержанием
глинистых минералов основная часть
воды, определённая прибором ЯМК
CMR-Plus, является водой, связанной
глинистыми минералами.
При изучении насыщенных жидкостями нетрадиционных коллекторов,
к которым относится Игл-Форд, петрофизики имеют возможность сравнить объёмы жидкости, рассчитанные
по данным ЯМК CMR-Plus, с объёмом
TOC по прибору Litho Scanner и получить данные об объёмном содержании
нефти. Затем эта информация может
использоваться инженерами по разработке для определения объёма геологических запасов нефти, оценки потенциальной добычи нефти, и для принятия
обоснованных решений о траектории
проводки боковых стволов.
Стратиграфическая колонка бассейна Нафуд
Хроностратиграфия
Подотдел
Силурийский
Венлокский
Гомерский
Шейнвудский
Теличский
Лландоверийский
Литостратиграфия
Ярус
Аэронский
Свита Калибах
Период
Рудданский
Пачка
Шаравра
Пачка
Кусайба
«Hot
shale»
«Hot shale»
Свита Сара
Хирнантский
Ашгильский
Фация Зарка
Катский
Сандбский
Лландейловский
Дарривильский
Пачка
Кафа
Дапингский
Флойский
Тремадокский
Пачка
Раан
Пачка
Ханадир
Лланвирнский
Аренигский
Свита Касим
Ордовикский
Карадокский
Пачка
Кувара
Свита Сак
Тремадокский
Рис. 18. Стратиграфическая колонка бассейна Нафуд. — Геологи считают богатую
органическим веществом сланцевую пачку Кусайба свиты Калибах, относящейся к
силуру , основной генерирующей толщей многих месторождений нефти и газа на
Ближнем Востоке. Ввиду очень высоких значений чисел отсчётов на диаграммах
гамма-каротажа пачки Кусайба предполагается, что эти сланцы имеют высокое содержание органического вещества («hot shale»). Высокие значения чисел отсчётов и
соответствующее высокое содержание органического вещества побуждают геологов
относить такие пласты к целевым объектам геологоразведочных работ. (Al-Salim et
al, сноска 27.)
68
Нетрадиционный коллектор
в Саудовской Аравии
Компания Saudi Aramco использовала
прибор Litho Scanner для оценки параметров пластов в бассейне Нафуд
(Nafud) и определения их перспективности с точки зрения нетрадиционных
запасов. 27 Бассейн характеризуется залеганием мощной толщи палеозойских
пород возрастом от кембрия до девона.
Сланцы Кусайба (Qusaiba) силурского
возраста (целевой объект разработки
рассматриваемыми скважинами) являются пачкой свиты Калибах (Qalibah)
(рис. 18). Насыщенные органическим
веществом сланцы Кусайба являются
богатейшим источником углеводородов, в котором образуется около 90%
запасов палеозойской лёгкой нефти и
газа на Ближнем Востоке, и служат в
качестве материнской породы многих
крупных месторождений нефти и газа.
Сланцы Кусайба характеризуются
высокими значениями числа отсчётов на диаграммах гамма-каротажа
вследствие осаждения урана в восстановительной среде, где произошло
отложение сланцев. Самые глубокие
сланцевые интервалы относятся к
рудданскому ярусу, среднее содержание TOC (мас. %) в них составляет
8—9 мас.%. В более молодых отложениях аэронского и теличского возраста величина TOC ниже.
С целью оценки возможности применения прибора Litho Scanner для
определения минералогического состава пород свиты и значения TOC
компанией Saudi Aramco был осуществлён спуск этого прибора в две
скважины, одна из которых бурилась
27.Al-Salim A, Meridji Y, Musharfi N, Al-Waheed H,
Saldungaray P, Herron S and Polyakov M: “Using
a New Spectroscopy Tool to Quantify Elemental
Concentrations and TOC in an Unconventional Shale
Gas Reservoir: Case Studies from Saudi Arabia,” paper
SPE-SAS-312, presented at the SPE Annual Technical
Symposium and Exhibition, Al-Khobar, Saudi Arabia,
April 21–24, 2014.
28.Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) — один
из спектрометрических методов измерений,
основанный на рентгеновском облучении исследуемого вещества для ионизации его атомов. В
результате ионизации возникает флуоресцентное
излучение, аналогично тому, как при захвате
нейтронов возникает гамма-излучение, спектр
которого соответствует определённым элементам.
Применение этого метода в лабораторных условиях
даёт возможность точного измерения содержания
отдельных элементов в сложных смесях.
29.Schmoker, сноска 13.
Нефтегазовое обозрение
Минералогический
состав
TOC (керн)
Пирит
0
Доломит
Кальцит
Кварц
+ полевой шпат
+ слюда
Глина
Al (керн)
Глубина,
0
фут
Кавернометрия
%
Si (керн)
20 0
Сухой вес Al
(Litho Scanner)
6 дюйм 16 0
%
%
Fe (керн)
50 0
Сухой вес Si
(Litho Scanner)
20 0
%
%
S (керн)
20 0
Сухой вес Fe
(Litho Scanner)
50 0
%
%
10 0
Сухой вес S
(Litho Scanner)
20 0
%
Mg (керн)
Ca (керн)
%
20 0
Сухой вес Ca
(Litho Scanner)
10 0
%
%
Na (керн)
10 0
Сухой вес Mg
(Litho Scanner)
20 0
%
%
K (керн)
5 0
Сухой вес Na
(Litho Scanner)
10 0
%
%
Сухой вес K
(Litho Scanner)
5 0
%
%
20
TOC
5 (Litho Scanner)
0
5 0
%
20
TOC (Шмокер)
%
20
X600
X650
X700
X750
Рис. 19. Данные о сухом весе элементов и величине TOC, полученные в одной из скважин на Ближнем Востоке. — С целью проверки
качества данных спектрометрического каротажа петрофизиками
компании Saudi Aramco был проведён сравнительный анализ результатов определения элементного состава по керну на РФА спектрометре
(дорожки 2 — 9, черные точки) с результатами определения сухой
массы элементов по прибору Litho Scanner (красные кривые). Данные
о концентрации элементов хорошо коррелируют друг с другом, за исключением глубины X600 футов, где наблюдаются высокие значения
на БРУО плотностью 10 фунтов на
галлон США (1200 кг/м 3 ), а вторая —
на БРВО плотностью 9,2 фунтов на
галлон США (1100 кг/м 3 ). Компания
Saudi Aramco не осуществляла отбор керна традиционным способом
из первой скважины, пробуренной
на БРУО, поскольку в наличии имелись результаты определений TOC
по данным исследования анализатором LECO керна, извлеченного из соседней скважины (расположенной на
расстоянии около одной мили). Эти
данные хорошо коррелируют с величиной TOC, определённой при спуске прибора Litho Scanner в новую
скважину, пробуренную на БРУО.
Для
более
непосредственного
сравнения каротажных данных и
результатов исследований керна,
Весна 2014
содержания пирита (дорожка 1, оранжевая заливка) и TOC (дорожка
10). Керн, отобранный в указанном интервале, был растрескавшимся и
фрагментированным, что могло вызвать неверную привязку по глубине
при его исследовании. Содержание TOC, вычисленное по данным,
полученным прибором Litho Scanner (дорожка 10, красная линия),
сравнили с TOC по керну (черные точки) и с TOC по методу Шмокера
(синяя линия); результаты определения TOC по прибору Litho Scanner
лучше коррелируют с данными исследований керна, чем результаты,
полученные методом Шмокера. (Al-Salim et al, сноска 27.)
компанией-оператором был выполнен спуск прибора Litho Scanner во
вторую скважину и отбор керна из
насыщенного керогеном перспективного интервала. В рассматриваемом случае объектом разработки
являются богатые органическим веществом сланцы («hot shale»), приуроченные к отложениям рудданского возраста. Компанией-оператором
были проведены специальные исследования керна. Чтобы свести к
минимуму влияние неоднородности
пород на результаты исследований
керна и получить представительные
данные измерений по объёму пород,
исследуемому спектрометрическим
прибором, лаборантами были отобраны обрезанные пластины керна
длиной 1 фут (0,3 м). Затем ото-
бранные образцы были измельчены
в гомогенизированный порошок для
проведения анализа.
Часть порошка была использована
работниками лаборатории для определения концентрации элементов
спектрометром РФА и для определения TOC анализатором углерода
LECO. 28 В качестве третьего источника для сравнительного анализа
был выполнен расчёт TOC по методу Шмокера с использованием
данных плотностного каротажа. 29
Результаты лабораторных исследований керна хорошо коррелируют с
данными определений сухого веса
элементов и величины TOC прибором Litho Scanner (рис. 19). Петрофизики использовали данные
определений сухого веса элементов
69
Минералогичес- Минералогический состав (РДА) кий состав
(Litho Scanner)
Биотит
Глубина,
фут
Ca-ПШ
Ортоклаз
Сидерит
Пирит
Мусковит
Доломит
Кальцит
Calcite
Анкерит
Na ПШ
Кварц
Смектит
Каолинит
Иллит
Хлорит
Сидерит
Пирит
Мусковит
Доломит
Кальцит
Анкерит
Na-ПШ
Кварц
Смектит
Каолинит
Иллит
Хлорит
0
Иллит (керн)
Каолинит (керн)
%
%
100 0
Сухой вес иллита
(Litho Scanner)
0
%
Иллит
100 0
100 0
Кварц (керн)
Na-ПШ (керн)
%
%
100 0
Мусковит (керн) Сидерит (керн)
50 0
%
50 0
Сухой вес
Сухой вес кварца Сухой вес Na-ПШ
Сухой вес
каолинита
(Litho Scanner) (Litho Scanner)
мусковита
(Litho Scanner)
(Litho Scanner)
%
Каолинит
100 0
%
Кварц
100 0
%
Na-ПШ
50 0
%
Мусковит
%
20 0
Пирит (керн)
Доломит (керн)
%
%
25 0
50
Сухой вес
Сухой вес пирита
Сухой вес
сидерита
(Litho Scanner)
доломита
(Litho Scanner)
(Litho Scanner)
50 0
%
Сидерит
20 0
%
Пирит
25 0
%
50
Доломит
X000
X100
X200
Рис. 20. Сравнение результатов определения минералогического состава. — Научные работники исследовательского
центра Schlumberger-Doll провели спектрометрический анализ
керна, отобранного в скважине, которая бурилась на БРВО, методом инфракрасной спектрометрии с Фурье-преобразованием
(FTIR), и сравнили результаты определения минералогического
состава по керну методом РДА (дорожка 1) с результатами вычисления минералогического состава по данным, полученным
прибором Litho Scanner и другими каротажными методами
(дорожка 2). Точные данные о минералогическом составе
крайне важны для расчёта многих петрофизических свойств,
в том числе пористости и флюидонасыщенности. Что касается
рассматриваемой скважины, то данные о минералогическом
составе помогли петрофизикам решить необходимые задачи; в частности, высокие уровни содержания калия в песках
70
объясняются присутствием ортоклаза (калиевого полевого
шпата (K-ПШ)) или мусковита (калиевой слюды) (дорожка 7).
Значения плотности матрицы для этих минералов составляют
2,57 и 2,76 г/см 3 соответственно. В данном случае у геологов
была информация о локально распространённых типах пород, и
всё количество калия было отнесено к мусковиту. Правильное
определение минералогического состава обеспечивает более
точное определение плотности матрицы породы и, следовательно, более точный расчёт пористости и водонасыщенности.
Кроме того, высокое качество определения содержания натрия
прибором Litho Scanner можно использовать для более точной
количественной оценки концентраций натрий-содержащих
минералов, таких как альбит (натриевый полевой шпат (Na-ПШ)
из подгруппы плагиоклазов). (Al-Salim et al, сноска 27.)
Нефтегазовое обозрение
прибором Litho Scanner в сочетании с данными других каротажных
методов, чтобы установить минералогический состав коллекторской
породы; затем полученные данные
были сопоставлены с результатами двухдиапазонной инфракрасной
спектрометрии с Фурье-преобразованием (FTIR) на образцах керна
(рис. 20). Анализ минералогического состава относится к модельно-зависимым вычислениям, и для
получения правильных результатов
решающее значение имеет применение подходящей модели.
Анализируя данные, полученные прибором Litho Scanner, инженеры компаний Saudi Aramco и
Schlumberger установили несколько фактов. Содержание TOC по
прибору Litho Scanner точно соответствовало содержанию TOC по
керну без эмпирической калибровки. Используя полученные при исследовании керна значения TOC в
качестве основы для проведения
сравнительного анализа установили, что метод определения TOC
по Шмокеру не настолько точен,
как вычисление TOC по данным
измерений содержания углерода
прибором Litho Scanner. Поскольку метод Шмокера был разработан
специально для девонских сланцев
района Аппалачей и для баккеновской свиты, чьи характеристики отличаются от бассейна Нафуд, эти
результаты не являются неожиданными. Применение этого метода к
каким-либо иным пластам, чем те,
для которых он был разработан,
требует дальнейшей доработки или
калибровки.
Весна 2014
Прибор Litho Scanner предоставляет надёжную информацию
для составления или уточнения
петрофизических моделей отложений сложного литологического
строения. Повышенная точность
измерения
содержания
отдельных элементов даёт возможность
петрофизикам включить большее
число минералов в модель оценки
пластов для описания коллекторских пород и лучшего понимания
условий осадконакопления. Правильное определение минералогического состава обеспечивает более точное установление свойств
матрицы породы и, следовательно,
более точный расчёт пористости
и водонасыщенности. Эти ценные
данные можно получить, затратив
лишь небольшую часть средств и
времени по сравнению с отбором и
анализом полноразмерного керна.
Эта информация особенно важна
на стадии геологоразведочных работ и на раннем этапе разработки,
когда данные исследований керна
отсутствуют или охватывают лишь
малую часть новой площади.
Заключительные выводы
Спектрометрический каротаж —
это всего лишь один из методов,
используемых
петрофизиками
для дифференциации сложнопостроенных коллекторских пород.
Спектрометрические приборы обеспечивают возможность измерения объёмных показателей, но не
в состоянии определить структуру
породы. Например, прибор Litho
Scaner может идентифицировать
зоны, содержащие пирит, но не
может определить характер распределения этого минерала. Аналогичным образом, две зоны могут
иметь одинаковую глинистость, но
прибор не сможет определить пространственное распределение частиц глины, в частности, являются
ли эти частицы структурными, наслоенными или порозаполняющими. Ответы на некоторые вопросы о
составе минералов можно получить
только путём исследования керна.
Сигналы каротажных приборов, в
особенности приборов каротажа
сопротивления и ядерных методов,
сильно зависят от минералогического и литологического состава
пород. В эпоху разработки нетрадиционных коллекторов петрофизики
при определении состава и структуры пород должны полагаться на
комплексное использование данных из различных источников.
В прежние времена для выявления продуктивных зон и количественной оценки их добычного потенциала вполне хватало простых
моделей. Однако скважины, в которых преобладают простые условия,
встречаются всё реже и реже. Теперь в распоряжении петрофизиков
имеется более широкий круг более
совершенных приборов и методов
для характеризации углеводородов в сложнопостроенных отложениях и коллекторах. Геологи и петрофизики используют эти новые
приборы и методы, чтобы помочь
компаниям-операторам в поиске и
эксплуатации всё более сложных
залежей нефти и газа.
— Т. С.
71