Geofizyka otworowa
Geofizyka otworowa (karotaż, dawniej geofizyka wiertnicza) jest to zespół metod badawczych realizowanych w otworach wiertniczych za pomocą odpowiednich narzędzi – sond.
Rozwijana od początku XX wieku geofizyka otworowa dysponuje obecnie kilkudziesięcioma rozmaitymi metodami, bazującymi na pomiarze obecnych w odwiercie naturalnych bądź wzbudzonych pól fizycznych.
W większości otworów wiertniczych panują ekstremalne warunki – przewiercane skały na głębokości kilku kilometrów mają temperatury rzędu setek stopni °C (zależy to od gradientu geotermicznego, w Polsce na głębokości 5 km temperatura wynosi ok. 150°C), ponadto w czasie wiercenia i pomiarów otwór najczęściej jest wypełniony mieszaniną wody i iłu o konsystencji błota – płuczką wiertniczą. Kilkukilometrowy słup płuczki stwarza na dnie otworu ciśnienia rzędu setek MPa, przez co delikatne i czułe detektory i zespoły elektroniki sondy pomiarowej muszą być odpowiednio zabezpieczone, zaś sam pomiar wymaga skorygowania (np. płuczka filtrująca z otworu do piaskowców zmienia ich właściwości, temperatura wpływa na czułość detektorów itp.).
Karotaż, obok analizy zwiercin (mudlogging) i badań na rdzeniu, dostarcza całe spektrum informacji dotyczących zwiercanych skał. Jego wyróżnikiem jest stosunkowo tanie i szybkie pozyskiwanie danych w sposób ciągły z długiego odcinka pomiarowego skał, w warunkach ich naturalnego zalegania. Dane te są jednak nieco rozmyte (zwłaszcza wtedy, gdy warstwy skalne są cieńsze niż rozdzielczość sond), ponadto – zwłaszcza w początkowym etapie prac w danym rejonie geologicznym – należy skorelować je z laboratoryjnymi oznaczeniami zwiercanych skał z danego rejonu.
Pozyskanie rdzeni wiertniczych do badań laboratoryjnych jest pracochłonne, a na wyniki oznaczeń zwykle trzeba czekać. Uzyskuje się jednak bardzo dokładne dane, zaś zakres możliwych analiz jest niemal nieograniczony. Z uwagi na punktowy charakter próbek skalnych (kilka do kilkunastu centymetrów długości, wobec kilkukilometrowej głębokości otworów) dane pozyskane z wykonanych na nich badań wymagają korelacji z właściwymi krzywymi geofizyki otworowej. Przykładem może być korelowanie parametru TOC, oznaczonego na próbkach skalnych, z profilowaniem oporności i profilowaniem akustycznym.
Klasyczne pomiary sondami kablowymi (WL) polegają na spuszczeniu zawieszonej na kablu sondy (lub zestawu sond) do otworu, zwykle poniżej jego zarurowanych fragmentów, a następnie w miarę jej wyciągania powtarzaniu pomiarów każdym z detektorów (profilowania termiczne w otworze są rejestrowane na odwrót – z góry na dół, aby nie zaburzyć słupa płuczki o temperaturze identycznej do sąsiadujących skał). Sygnał jest następnie przesyłany na powierzchnię poprzez kilkużyłowy kabel geofizyczny i rejestrowany przez naziemną aparaturę. Od lat 80’ XXw. rozwija się technika pomiarów w trakcie wiercenia (LWD), polegająca na umieszczeniu detektorów w ścianach obracającego się w czasie wiercenia przewodu wiertniczego zakończonego świdrem. Dane pozwalające na sterowanie kierunkiem wiercenia są przesyłane za pomocą telemetrii, reszta danych zapisywana jest w pamięci i odczytywana po wyciągnięciu sond.
Umiejętne powiązanie wyników wszystkich badań i pomiarów pozwala m.in. ustalić pełen profil litostratygraficzny otworu, środowisko sedymentacji skał osadowych, położenie kontaktu woda–ropa, bądź takie parametry, jak np. procentowy udział poszczególnych minerałów, moduły wytrzymałościowe, porowatość, przepuszczalność czy nasycenie węglowodorami w strefach perspektywicznych.
Podstawowe, tradycyjnie wykorzystywane przy poszukiwaniach naftowych metody to profilowania: oporności elektrycznej (mierzonej dla różnych odległości od osi otworu i z różną rozdzielczością), naturalnej promieniotwórczości gamma (często w wersji spektrometrycznej, co pozwala oszacować zawartości toru, uranu i potasu obecnych w skale), porowatości neutronowej, gęstości objętościowej (często wraz z niosącym informacje o litologii indeksem absorbcji fotoelektrycznej) i prędkości fali akustycznej (oprócz szacowania porowatości, profilowanie to jest wykorzystywane w interpretacji badań sejsmicznych).
Do parametrów, które można wyznaczyć za pomocą geofizyki otworowej, a które mają olbrzymie znaczenie w procesie eksploracji gazu z łupków należą:
- zawartość materii organicznej estymowanej przez parametr całkowitego węgla organicznego TOC (Total Organic Carbon);
- skład mineralny łupków;
- porowatość oraz rozkład wielkości porów skalnych;
- parametry mechaniczne łupków;
- pole naprężeń panujące w górotworze.
Łupki bogate w materię organiczną na profilowaniach geofizyki otworowej charakteryzują się znacznie zwiększoną promieniotwórczością (uran wykazuje powinowactwo względem materii organicznej), zwiększonym oporem elektrycznym oraz podwyższoną porowatością (o której można wnioskować na podstawie spowolnienia fali akustycznej, zmniejszenia gęstości objętościowej czy zwiększenia porowatości neutronowej). Odpowiednio zestawiając profilowanie oporności i profilowanie wrażliwe na porowatość skał, po kalibracji do próbek z rdzenia, można uzyskać profil procentowej zawartości węgla organicznego (TOC) w otworze.
Interpretacja uzyskanych danych jest wykorzystywana do tworzenia dynamicznych, trójwymiarowych modeli systemów naftowych poprzez parametryzowanie wydzielonych skał oraz (wraz z pomiarami sejsmiki w otworze) do konwersji czasowo-głębokościowej danych sejsmicznych.
Od lat osiemdziesiątych ub. wieku rozwinięto nowe metody pomiarowe pozwalające na uzyskanie informacji pomocnych przy poszukiwaniu i rozpoznawaniu złóż łupkowych:
- Spektrometria neutron-gamma – polega na pomiarze energii kwantów gamma pochodzących z interakcji neutronów z jądrami atomów, z których składa się skała. Neutrony są emitowane sztucznie, przez źródło umieszczone w sondzie. Każdy pierwiastek, w wyniku oddziaływań z neutronami, emituje promieniowanie gamma o charakterystycznym spektrum co umożliwia jego identyfikację. Intensywność promieniowania o danej energii informuje z kolei o stężeniu danego pierwiastka w skale. Po stosownych obliczeniach otrzymuje się profil składu mineralogicznego przewierconych skał, wraz z szacunkową zawartością węgla organicznego. Niektóre sondy pozwalają na dokładne ustalenie zawartości węgla organicznego bez dowiązywania do próbek dzięki rejestracji rozpraszanych neutronów i emitowanych kwantów gamma w funkcji czasu.
- Magnetyczny rezonans jądrowy – polega na ustawieniu spinu magnetycznego atomów wodoru występującego w skale wzdłuż pola magnetycznego generowanego przez sondę, a następnie pomiaru, w jakim czasie takie uporządkowanie zanika. Taki rozkład w czasie niesie informację o wielkości porów, w których występuje woda lub węglowodory (w nich zwykle znajduje się wodór występujący w skałach).
- Pełny obraz falowy – polega na zapisie amplitudy drgań w funkcji czasu (a nie tylko czasu wstąpienia fali akustycznej). Drgania są emitowane przez kierunkowe i radialne nadajniki umieszczone w sondzie, propagują one w skale, a następnie są rejestrowane przez znajdujące się w pewnej odległości od źródeł odbiorniki. Takie pomiary pozwalają na wnioskowanie m. in. o porowatości czy przepuszczalności skał czy – wraz z profilowaniem gęstości skał - o ich parametrach mechanicznych (moduły wytrzymałościowe). Emisja drgań w różnych kierunkach pozwala na ustalenie anizotropii skał wynikającej ze spękań związanych z naprężeniami górotworu.
- Obrazowanie ścian otworu – profilowanie (elektryczne bądź akustyczne) o olbrzymiej rozdzielczości pionowej (pozwalającej wyróżnić centymetrowe niejednorodności) pozwalające na interpretację m.in. kierunku zapadania i miąższości warstewek skalnych czy przebiegu szczelin i tzw. breakoutów (pionowych pasów na ściance otworu, w których skały chętnie się odspajają) pozwalające ocenić kierunek największego naprężenia w górotworze. Jest to przydatne przy planowaniu optymalnego kierunku wierceń udostępniających i przebiegu hydroszczelinowania.
Zestawienie profilowań geofizyki otworowej w jednym z polskich otworów poszukiwawczych (przykład)
Środkowa kolumna informująca o litologii powstała z użyciem spektrometrycznego profilowania neutron-gamma sPNG - widać na nim dobrze korelację zawartości węgla organicznego TOC z obecnością gaz
Pozostałe oznaczenia:
- CALM - profilowanie średnicy
- LLDC i LLSC - profilowania oporności
- GR - profilowanie naturalnej promieniotwórczości gamma
- PE - profilowanie indeksu absorbcji fotoelektrycznej
- ROMA - gęstość szkieletu skalnego
- NPHL - profilowanie porowatości neutronowej
- DT - profilowanie akustyczne (wysoka korelacja pomiędzy krzywymi NPHL i DT świadczy o wysokiej wiarygodności oceny porowatości)
- RHOT - profilowanie gęstości objętościowej wyznaczonej na podtsawie składu matrycy, porowatości skały i udziału poszczególnych mediów (ropy, solanki i gazu) w przestrzeni porowej
- RHOB - profilowanie gęstości objętościowej pomierzonej za pomocą profilowania gamma-gamma (zwraca uwagę duża zgodność obu krzywych gęstościowych świadcząca o wybraniu dobrego modelu składu skały i wysokiej jakości pomiarów sPNG).
autor: Michał Roman
