Каротаж в открытом стволе: зачем, как и когда

Скважина — единственный непосредственный доступ к пласту, лежащему на глубине нескольких километров. Керн даёт саму породу, но его отбирают дорого, медленно и в немногих интервалах. Каротаж работает иначе: он измеряет немного свойств, зато непрерывно, по всему разрезу и почти в каждой скважине.

Ни пористость, ни нефть приборы не видят. Они регистрируют физические величины: сколько гамма-квантов испускает порода, насколько хорошо она проводит электрический ток, насколько сильно рассеивает гамма-излучение источника, как быстро замедляет нейтроны, с какой скоростью проводит звук. Пассивные методы (passive) регистрируют то, что порода излучает или создаёт сама, — естественную радиоактивность и собственные электрические потенциалы. Активные методы (active) посылают в породу ток, звук, гамма-кванты или нейтроны и измеряют отклик.

От физических величин к свойствам пласта переходят через петрофизические модели — зависимости, подобранные и проверенные на керне. Плотность пересчитывают в пористость (Пористость), сопротивление вместе с пористостью — в водонасыщенность (Уравнение Арчи и насыщенность чистых коллекторов), радиоактивность — в глинистость (Определение глинистости). Поэтому кривые пористости и насыщенности на итоговых планшетах — результат расчёта со своими допущениями, а не прямой замер.

При каротаже на кабеле (wireline logging) измерения выполняет отдельная от буровой установки служба. На суше это каротажная станция — машина с лебёдкой, кабелем и регистрирующим компьютером, на морской платформе — такой же постоянный модуль. Приборы опускают в скважину на каротажном кабеле: снаружи у него стальная броня, внутри — изолированные жилы, по которым к прибору идёт питание, а от прибора — данные. Кабель одновременно держит прибор и служит линией связи.

Глубину измеряют мерным роликом, по которому проходит кабель, и сверяют с магнитными метками, нанесёнными на кабель через равные расстояния при заданном натяжении. Кабель растягивается под весом прибора и собственным весом, метки в скважине расходятся шире, чем при нанесении, поэтому глубину по меткам исправляют на растяжение. Ролик это растяжение уже учитывает, но ошибается, когда натяжение кабеля меняется после ролика — при прихватах, рывках и смене спуска на подъём (ошибки глубины на канате). Отсчитывают глубину по стволу от нулевой отметки, обычно стола ротора, — она указана в заголовке диаграммы.

Датчики разнесены по длине сборки на метры, поэтому одну и ту же точку ствола они проходят в разное время. При записи показания каждого датчика сдвигают на его смещение по глубине, чтобы на диаграмме все кривые относились к одной глубине. Из того же смещения следует практическое ограничение: датчик, стоящий высоко в сборке, не дойдёт до забоя — самая глубокая точка его записи лежит выше забоя на его высоту над низом сборки.

При каротаже в процессе бурения (LWD, logging while drilling) датчики встроены в утяжелённые бурильные трубы (УБТ) над долотом. Они измеряют породу через минуты или часы после вскрытия: задержка равна расстоянию от долота до датчика, делённому на скорость проходки. Родственная система MWD (measurement while drilling) измеряет траекторию — зенитный угол и азимут по акселерометрам и магнитометрам — и параметры бурения: нагрузку, крутящий момент, вибрации. Обычно обе системы работают в одной компоновке (Измерения в процессе бурения).

Данные на поверхность идут по гидроимпульсному каналу связи (mud-pulse telemetry): клапан в компоновке создаёт в потоке раствора импульсы давления, а датчик на стояке их расшифровывает. Скорость такой связи — единицы бит в секунду, в самых быстрых системах — до двух десятков, на несколько порядков меньше, чем по каротажному кабелю. Поэтому в реальном времени передают только главные кривые и с редким шагом, а полные данные пишутся в память прибора и считываются после подъёма компоновки. Есть и другие каналы — электромагнитный, которому не нужна циркуляция раствора, и бурильные трубы со встроенным кабелем, передающие данные в тысячи раз быстрее, — но применяют их реже.

Главные преимущества LWD:

• пласт до проникновения — фильтрат ещё не ушёл глубоко, ствол не размыт, и сопротивление ближе к истинному (Скважина как среда измерений: зона проникновения и глинистая корка);
• проводка ствола (геонавигация) — по ГК и сопротивлению у долота горизонтальный ствол удерживают внутри пласта;
• сложные скважины — данные в наклонных и горизонтальных стволах, куда прибор на кабеле сам не опустится;
• страховка — если ствол осложнится и кабельный каротаж станет невозможен, данные уже получены.

Ограничения вытекают из тех же условий. Приборы должны выдерживать удары, вибрацию и вращение, поэтому долгое время набор методов LWD был беднее кабельного. Сегодня он включает, кроме ГК, сопротивления, плотностного и нейтронного каротажа, также акустику с поперечными волнами, ядерно-магнитный каротаж, имиджеры и замер пластового давления, но отбор боковых кернов и многие специальные исследования остаются за кабелем. Глубину LWD измеряют по длине бурильной колонны, а не по каротажному кабелю, и две системы глубин приходится увязывать.

Показание прибора — не значение в точке, а среднее по некоторому объёму породы. Размеры этого объёма описывают две характеристики. Глубинность исследования (depth of investigation) — расстояние от стенки скважины, из которого приходит основная часть сигнала. Вертикальное разрешение (vertical resolution) — наименьшая толщина пласта, которую прибор показывает с истинным значением.

Обе характеристики задаёт устройство прибора: расстояние между источником и приёмником (между электродами, катушками), размер детекторов, фокусировка тока. Чем больше это расстояние, тем глубже прибор видит, но тем грубее его вертикальное разрешение. Поэтому в комплекс включают зонды разной длины: короткие — для приствольной зоны и тонких прослоев, длинные — для неизменённого пласта.

Если пласт тоньше разрешения, прибор одновременно видит и его, и вмещающие породы, и показание не доходит до истинного значения. Это влияние вмещающих пород (shoulder-bed effect). Тонкий песчаный прослой в глинах на диаграмме выглядит глинистее, чем есть, тонкий плотный прослой в пористом песчанике — пористее. Простейшая модель: прибор равномерно осредняет свойство в окне длиной $L$ порядка его разрешения.

Шаг записи обычно 15 см, у приборов высокого разрешения — до нескольких миллиметров. Он должен быть в несколько раз меньше разрешения, иначе тонкий пласт может проскользнуть между отсчётами. Но учащение отсчётов само не улучшает разрешение: его задаёт физика прибора, а частые отсчёты лишь подробнее описывают уже сглаженную кривую.

Диаграмму читают сверху вниз, как разрез скважины. По вертикали — глубина по стволу, по горизонтали — несколько дорожек (tracks) со своими шкалами. В классическом формате колонка глубин стоит между первой и второй дорожками: слева кривые литологии (ГК, ПС, кавернограмма), справа — сопротивления в логарифмической шкале и методы пористости.

Масштаб глубин выбирают под задачу: для обзора и корреляции — 1:500 (1 см диаграммы — 5 м ствола), для детального изучения пластов — 1:200 (1 см — 2 м). В отечественной практике по всему стволу выполняют общие исследования в масштабе 1:500, а в перспективных интервалах — детальные в масштабе 1:200. Сопротивление показывают в логарифмической шкале: в одном разрезе оно меняется от десятых долей до тысяч ом-метров.

Глубина на диаграмме — по стволу. В наклонной скважине пласт по стволу выглядит толще, чем по вертикали, поэтому для карт и подсчёта объёмов глубины пересчитывают по инклинометрии в глубины по вертикали, а толщины — в вертикальные или истинные. Записи разных спусков совмещают друг с другом по кривой ГК, которую включают в каждую сборку: по её характерным пикам сдвигают и данные LWD, и керн.

Сегодня диаграммы получают в цифровом виде (например, в текстовом формате LAS, Log ASCII Standard) и строят в любом масштабе и с любым набором дорожек, но логика классического формата сохранилась. О регистрации, форматах и заголовке — в теме Регистрация, обработка и представление каротажа, о порядке интерпретации — в теме Порядок интерпретации каротажа.

Каротаж на кабеле обычно проводят в конце бурения каждого интервала — перед спуском очередной обсадной колонны, пока ствол открыт. Одну запись интервала одним прибором называют рейсом (log run). Рейсы нумеруют для каждого метода отдельно, начиная с его первой записи в скважине, а номер рейса указывают в заголовке диаграммы. Поэтому номера рейсов разных методов в одном интервале не обязаны совпадать: разница лишь показывает, что в верхних, пробуренных раньше интервалах какой-то из методов не записывали.

Состав исследований задают цели скважины и цена её времени. В продуктивных интервалах и там, где при бурении отмечались признаки нефти и газа, записывают больше методов, чем в заведомо неинтересной части разреза. В разведочной скважине записывают полный комплекс даже при отрицательном результате: каждая такая скважина — дорогая и единственная возможность изучить разрез. В эксплуатационных скважинах изученного месторождения обычно ограничиваются сокращённым комплексом, а часть методов переносят в LWD.