Przegląd Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
Geofizyka otworowa w dobie poszukiwań gazu w łupkach
 przegląd metod pomiarowych
Tomasz Zorski1, Jadwiga Jarzyna1, Arkadiusz Derkowski2, Jan R
rodoń2
Well logging in the world of shale gas plays  review of
the logging methods. Prz. Geol., 61: 424 434.
Ab s t r a c t. The purpose of this article is to review the
possibilities of using well logging in the exploration and
completion of the shale gas plays. This presentation is
addressed to a broad geological community. The article
is divided in two parts, the first is focused on the borehole
logging tools and methods, while the second describes
the construction of petrophysical models and considers
T. Zorski J. Jarzyna A. Derkowski J. R
rodoń
some specific aspects of well logging application in the
shale gas plays. For the more inquiring readers a
comprehensive list of literature is presented. Well logging is the way to acquire an important geological information from the bore-
holes, parallel to the core data analysis. Laboratory core analysis gives most reliable and comprehensive description of rock parame-
ters, like mineral and chemical composition, kerogen content and its maturity, porosity, the pore space structure, density, permeability
etc. However, this kind of analysis is time consuming and expensive. On the other hand, well logs give less accurate and usually not
directly measureable values, which must be interpreted to achieve the requested parameters. These measurements are made continu-
ously in natural rock conditions and the results can be obtained very quickly. Proper calibration methods are necessary to link the log-
ging data and the detailed laboratory core analyses.
A wide range of well logging tools is described briefly in the paper, and the electrical, nuclear, NMR, and sonic methods are presented
in more detail. Special attention is paid to the great technological progress in well logging during the last two decades. This progress
allows to cope with the increasing difficulties in the reservoir evaluation. Complicated geometry of the directional borehole, thin beds,
shaly-sand lithologies, low porosities, and the specific the pore space distributions are the main challenges in the shale gas plays.
Keywords: core data analysis, shale gas, well logging
Artykuł napisany jest z myS
lą o przybliżeniu polskiemu porowatoS
ć jest niska, najczęS
ciej poniżej 10%, a tworzące
S
rodowisku geologów, zainteresowanych problematyką ją pory osiągają bardzo niskie S
rednice, nawet o warto-
poszukiwań ropy i gazu, profilowań geofizyki otworowej, S
ciach poniżej nanometra, co w szczególnoS
ci dotyczy
które w ostatnich kilkunastu latach zostały znacząco udo- kerogenu generującego węglowodory (Modica & Lapierre,
skonalone i poszerzone. Ten obszerny temat został przed- 2012). Naturalna przepuszczalnoS
ć tego typu skał także
stawiony w sposób jak najbardziej poglądowy, starano się należy do najniższych i mieS
ci się na ogół w zakresie
jednak zacytować ważne pozycje literatury, co powinno nanodarcy, co jest bezpoS
rednią przyczyną koniecznoS
ci
umożliwić bardziej zainteresowanym czytelnikom zapo- stosowania technik szczelinowania podczas udostępniania
znanie się ze szczegółami omawianych metod pomiaro- złoża do eksploatacji.
wych. Zadania geofizyki otworowej sprowadzają się w
CałoS
ć składa się z dwóch częS
ci. Pierwsza, obecnie poszukiwaniu i udostępnianiu złóż węglowodorów do
prezentowana, dotyczy omówienia metod pomiarowych trzech działań. Pierwsze obejmuje ogólną charakterystykę
geofizyki otworowej. Druga, która ukaże się w kolejnym strukturalną, litostratygraficzną i sedymentologiczną,
numerze PG, opisuje budowę modeli geofizyczno-geolo- pozwalającą na ocenę badanego basenu osadowego z
gicznych i specyfikę zastosowań geofizyki otworowej w punktu widzenia warunków generowania i akumulacji
zagadnieniach poszukiwania i udostępniania złóż gazu z węglowodorów. W tym zakresie dane geofizyki otworowej
łupków. stanowią nieodzowne uzupełnienie danych sejsmicznych i
Konwencjonalne złoża węglowodorów charakteryzują ogólnej wiedzy geologicznej. Szczególną rolę odgrywa tu
się na ogół dobrymi własnoS
ciami zbiornikowymi, czyli korelacja międzyotworowa profilowań, badanie sekwencji
porowatoS
cią i przepuszczalnoS
cią. Te cechy skał pozwa- sedymentacyjnych na podstawie profilowań geofizyki
lają z jednej strony na wypełnianie skał zbiornikowych na otworowej (Passey i in., 2010) oraz geologiczna interpreta-
etapie migracji węglowodorów ze skał macierzystych, z dru- cja profilowania upadu warstw. Tego typu charakterystyka,
giej  umożliwiają w miarę prostą eksploatację. W warun- typowa dla konwencjonalnych złóż węglowodorów,
kach złóż niekonwencjonalnych, do których zaliczamy m.in. powinna być, w przypadku złóż gazu łupkowego, uzu-
pokłady łupków bogatych w substancję organiczną, sytu- pełniona o ocenę dojrzałoS
ci termicznej substancji orga-
acja jest zupełnie inna (Passey i in., 2010, 2012). Skała nicznej. Podstawą takiej oceny są laboratoryjne badania
zbiornikowa jest tu jednoczeS
nie skałą macierzystą, jej pirolityczne rdzeni (Matyasik & Słoczyński, 2010). Geofi-
1
Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony R
rodowiska, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, al. Mickie-
wicza 30, 30-059 Kraków; [e-mail], [e-mail].
2
OS
rodek Badawczy w Krakowie, Instytut Nauk Geologicznych Polskiej Akademii Nauk, ul. Senacka 1, 31-002 Kraków; ndderkow@
cyf-kr.edu.pl, [e-mail].
424
Przegląd Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
zyka otworowa może jednak dostarczać szybkich danych LWD), jak i uzyskiwanej dokładnoS
ci pomiarów. Przy
szacunkowych w tym zakresie (Modica & Lapierre, 2012). udostępnianiu złóż gazu z łupków rola LWD jest szczegól-
Drugie, najobszerniejsze i zasadnicze działanie obej- nie ważna.
muje bezpoS
rednią ocenę własnoS
ci zbiornikowych prze- Już na samym początku rozważań o geofizyce otworo-
wiercanych skał, przez co w klasycznych (konwencjonal- wej trzeba jasno powiedzieć, że ta gałąx
geofizyki oparta
nych) zastosowaniach geofizyki otworowej w poszukiwa- jest na wykorzystaniu wielu zjawisk fizycznych dla pozy-
niach naftowych, rozumiemy wyznaczanie porowatoS
ci, skania dodatkowej wiedzy geologicznej. Takie spojrzenie
nasycenia węglowodorami i przepuszczalnoS
ci na podsta- wymaga od geofizyków stałej S
wiadomoS
ci geologicznej,
wie zestawu profilowań elektrycznych, jądrowych, aku- od geologów zaS
uznania, że końcowa informacja otrzy-
stycznych i NMR (Nuclear Magnetic Resonance). W tym mywana z pomiarów geofizycznych jest czasem wielo-
zakresie okreS
lany może być także skład mineralny i znaczna, co wynika zarówno z charakteru zjawisk, jak i
własnoS
ci sprężyste. warunków, w jakich wykonywane są pomiary. Dla rozwoju
Pomiary geofizyki otworowej, odpowiednio wykali- zastosowań geofizyki otworowej konieczne jest rozumie-
browane w oparciu o wyniki badań laboratoryjnych na
nie tych zjawisk przez odbiorców wyników pomiarów i
reprezentatywnych próbach, pobranych z badanej forma- interpretacji (geologów, inżynierów złożowych), co umo-
cji, mogą w znacznym stopniu zastąpić badania laborato- żliwi bardziej twórcze podejS
cie do badań geofizycznych.
ryjne na rdzeniach. Uznając przewagę bezpoS
rednich
W dobie powszechnego zastosowania komputerów ist-
badań laboratoryjnych w zakresie iloS
ci i jakoS
ci pozyski- nieje paradoksalne, niestety wyrax
nie zauważalne, zjawi-
wanej z nich informacji należy zwrócić uwagę na to, że
sko spłycenia podejS
cia do interpretacji pomiarów
pomiary geofizyki otworowej wykonywane są w natural- geofizycznych. Widoczny jest efekt  czarnej skrzynki ,
nych warunkach zalegania, obejmują większą przestrzeń
której rolę przyjmują zarówno systemy interpretacyjne, jak
skały, dają ciągły profil głębokoS
ciowy mierzonych para- i zawansowane narzędzia pomiarowe (Cluff, 2011). Ich
metrów, a wyniki ich interpretacji mogą być praktycznie
działanie nie zawsze jest do końca zrozumiałe dla użyt-
natychmiastowe. W miarę gromadzenia coraz większej ilo- kowników, szczególnie, gdy warunki geologiczne prze-
S
ci danych petrofizycznych o badanej formacji rola bieżąco
stają być typowe dla podstawowych opcji stosowanego
pozyskiwanych danych laboratoryjnych zmniejsza się,
oprogramowania lub pomiaru. Tu pojawia się narastająca
podczas gdy dane geofizyki otworowej stają się bardziej
rola kompleksowego, zintegrowanego podejS
cia do inter-
wiarygodne, co pozwala zmniejszać koszty rozpoznania,
pretacji. Na obecnym etapie integracja dotyczy głównie
przez redukcję iloS
ci analiz laboratoryjnych, bez obniżenia
powiązania parametrów geofizycznych z geologicznymi
jakoS
ci oceny złoża.
przez uwzględnienie specyfiki badanej formacji, inaczej
Przedstawiony obraz zakresu konwencjonalnych
mówiąc budowy dla danej formacji odpowiednich modeli
zastosowań geofizyki otworowej ulega modyfikacji przy
geofizyczno-geologicznych. Tu właS
nie potrzebna jest bli-
poszukiwaniach i eksploatacji gazu łupkowego. Oprócz
ska współpraca i wzajemne zrozumienie szerokiego grona
własnoS
ci wczeS
niej wymienionych pojawia się kluczowa
specjalistów: geofizyków, geologów różnych dyscyplin,
dla gazu łupkowego ocena zawartoS
ci substancji organicz-
wiertników i fizyków złoża.
nej, TOC (Total Organic Carbon)  w tym zakresie metody
Zadaniem geofizyków jest rozwijanie metod i narzędzi
geofizyczne oferują kilka niezależnych sposobów jej
pomiarowych oraz wykonywanie pomiarów w otworach,
wyznaczania, odpowiednio do zastosowanego zestawu
dostarczających parametrów, które bezpoS
rednio lub
sond pomiarowych. Kolejny ważny parametr, którym jest
poS
rednio, poprzez odpowiednie łączenie posiadanych
zdolnoS
ć substancji organicznej do adsorpcji gazu, może
informacji, pozwolą na wiarygodne wnioskowanie geolo-
być jednak wyznaczany tylko w oparciu o badania labora-
giczno-złożowe. Wspólnym zadaniem geologów i geofizy-
toryjne. Podobnie struktura przestrzeni porowej i rozkład
ków jest dobór dla danych warunków geologicznych
porów mogą być okreS
lane specjalistycznymi badaniami
optymalnego zestawu metod pomiarowych, których arse-
laboratoryjnymi, podczas gdy możliwoS
ć po stronie geofi-
nał od końca poprzedniego wieku bardzo się powiększył.
zyki otworowej daje w tym zakresie tylko profilowanie
Zwięzły przegląd tych metod przedstawiony jest poniżej w
NMR, pozwalające jedynie na wnioskowanie poS
rednie.
nadziei, że poglądowe omówienie problematyki obniży
Trzeci zakres zastosowań wynika z upowszechniania
choć trochę bariery informacyjne pomiędzy geofizykami i
się od kilkunastu lat pomiarów geofizycznych wykonywa-
szeroko rozumianym gronem innych specjalistów z dzie-
nych w trakcie wiercenia (w trybie Logging While Drilling),
dziny nauk o Ziemi. Niekonwencjonalne złoża węglowo-
umieszczanymi jako elementy przewodu wiertniczego
dorów stawiają nas wobec takiej koniecznoS
ci.
(Wox
nicka i in., 2008). Ten typ pomiarów, oprócz dostar-
czania podstawowych parametrów dostępnych z pomiarów
METODY GEOFIZYKI OTWOROWEJ
kablowych, WL (Wireline Logging), stwarza unikalną
I PARAMETRY PETROFIZYCZNE
możliwoS
ć sterowania kierunkiem wiercenia w otworach WYZNACZANE ZA ICH POMOCĄ
poziomych i nachylonych, tak aby ich trajektoria dostoso-
wana była do realnej sytuacji geologicznej (Han i in., 2010; Ocena własnoS
ci zbiornikowych i samo stwierdzenie
Tollefsen i in., 2010). W dziedzinie pomiarów na przewo- obecnoS
ci węglowodorów w przestrzeni porowej zawsze
dzie wiertniczym następuje ciągły i szybki postęp, który determinowały rozwój metod geofizyki otworowej. Pod-
już dzisiaj doprowadził do znacznego przybliżenia jakoS
ci stawową wielkoS
cią fizyczną pozwalającą identyfikować
profilowań LWD do WL, zarówno pod względem stosowa- obecnoS
ć węglowodorów w skale jest jej wysoka opornoS
ć
nych metod (praktycznie wszystkie metody stosowane (niska przewodnoS
ć), co wynika z braku przewodzenia
przy sondach kablowych mają swoje odpowiedniki w prądu przez węglowodory, w przeciwieństwie do wód
425
Przegląd Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
złożowych, których przewodnoS
ć jest znacząca i wzra-
stająca z zasoleniem. Na uproszczonym schemacie zbior-
nikowej skały piaszczysto-ilastej przedstawiono przestrzeń
porową wypełnioną przewodzącą prąd elektryczny wodą
złożową i nieprzewodzącymi węglowodorami (ryc. 1). Szkie-
let mineralny tej skały składa się z wysokooporowych zia-
ren kwarcu oraz minerałów ilastych, których zdolnoS
ci do
wymiany jonów pozwalają na przewodzenie prądu, obni-
żając opornoS
ć szkieletu.
W celu iloS
ciowego opisu zależnoS
ci przewodnoS
ci
elektrycznej skały od jej własnoS
ci petrofizycznych zapro-
ponowano szereg modeli elektrycznych skały porowatej
(Worthington, 1985; Montaron, 2008). Najbardziej zna-
nym jest model Archie'go, który został opracowany dla
skał niezailonych (Archie, 1942). Popularnym wzorem
wykorzystywanym w skałach zailonych jest model
Waxmana - Smitsa (1). Model ten w przypadku skał niezai-
lonych (Qv = 0), dla których szkielet staje się nieprze-
wodzący, redukuje się do członu pierwszego, który
odpowiada właS
nie modelowi Archie'go.
kwarc
woda związana
quartz
bound water
n n 1
minerały ilaste
bor
Ct Cw m S B Qw m S (1)
w w
clay minerals
boron
węglowodory gadolin
hydrocarbons gadolinium
gdzie:
woda wolna
Ct  elektryczna przewodnoS
ć właS
ciwa skały [S/m],
pierwiastki promieniotwórcze (K, U, Th)
oraz/lub związana w kapilarach
radioactive elements (K, U, Th)
Cw  elektryczna przewodnoS
ć właS
ciwa wody złożowej
free and/or capillary water
[S/m],
Ryc. 1. Schemat modelu skały piaskowcowo-ilastej (Zorski i in.,
Sw  współczynnik nasycenia wodą przestrzeni porowej
2011)
skały [ułamek],
Fig. 1. Sketch of the sandy-shaly rock model (Zorski et al., 2011)
 porowatoS
ć skały [ułamek],
m  współczynnik struktury porowej skały (wykładnik
znajomoS
ci składu mineralnego, okreS
lonego z bieżącej inter-
cementacji),
pretacji profilowań geofizyki otworowej,
n  współczynnik zwilżalnoS
ci skały (wykładnik nasyce-
f [g/cm3]  gęstoS
ć płynu wypełniającego przestrzeń po-
nia),
rową.
B  ekwiwalentna przewodnoS
ć jonowa kationów wy-
miennych okreS
lana jako funkcja Cw i temperatury
Podobny wzór (2b) można przedstawić dla wyniku pro-
[S�cm3/m�mval],
filowania akustycznego w postaci czasu interwałowego
Qv  pojemnoS
ć wymiany kationowej odniesiona do jed-
T:
nostki objętoS
ci skały [meq/cm3],
CEC  j.w. odniesiona do jednostki masy skały [meq/g],
=( Tma  T )/( Tma  Tf) (2b)
Qv= (1- )/ *CEC* ma,
ma  gęstoS
ć szkieletowa [g/cm3].
gdzie:
T  czas interwałowy z profilowania akustycznego,
Aby wyznaczyć objętoS
ć węglowodorów w przestrzeni
Tma  czas interwałowy szkieletu wyznaczony na podsta-
porowej (1  Sw) musimy znać wszystkie pozostałe zmien-
wie badań laboratoryjnych rdzeni lub wyliczony na podsta-
ne w równaniu (1). PorowatoS
ć wyznaczana jest przy
wie składu mineralnego, okreS
lonego z bieżącej
pomocy profilowania gamma-gamma gęstoS
ciowego, pro-
interpretacji profilowań geofizyki otworowej,
filowań neutronowych, profilowania akustycznego lub
Tf  czas interwałowy medium wypełniającego przestrzeń
przy użyciu wykresów krzyżowych (cross-plots), w których
porową.
brana jest pod uwagę łączna interpretacja co najmniej
dwóch z tych profilowań. Podstawowy sposób obliczania
PrzewodnoS
ć medium w przestrzeni porowej Cw
porowatoS
ci, w którym stosowany jest pomiar gęstoS
ci
wyznaczana jest najczęS
ciej z danych geologicznych
objętoS
ciowej metodą gamma-gamma, opisuje wzór (2a):
(woda złożowa) lub otworowych (filtrat płuczkowy).
Współczynniki m oraz n, charakteryzujące własnoS
ci
=( ma  b, )/( ma  f,) (2a)
szkieletu skalnego, wyznaczane są laboratoryjnie na pod-
stawie badań rdzeni i przyjmowane w jednorodnych for-
gdzie:
macjach jako stałe w zadanych interwałach głębokoS
ci.
b [g/cm3]  gęstoS
ć objętoS
ciowa (RHOB) skały wyzna-
WartoS
ć parametru Qv (CEC), okreS
lającego zdolnoS
ć
czona z profilowania gęstoS
ciowego, skały do wymiany jonów (wpływająca na przewodnoS
ć
ma [g/cm3]  gęstoS
ć szkieletu wyznaczona na podstawie
elektryczną szkieletu skalnego), okreS
lana może być inter-
wałowo na podstawie badań laboratoryjnych lub w sposób
badań laboratoryjnych rdzeni lub wyliczona na podstawie
426
Przegląd Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
ciągły z profilowań geofizycznych, jeS
li potrafimy skon- li wzdłuż osi otworu, która może osiągać wielkoS
ci nawet
struować dla danej formacji odpowiedni model. Konstruk- poniżej 0,5 m. Indukcyjna sonda HRAI (High Resolution
cja takiego modelu wymaga szerokiego zakresu badań Array Induction  Halliburton) znana jest w Polsce od 2002 r.
laboratoryjnych, obejmujących zarówno pomiary CEC, jak Podobne funkcje pełni sonda AIT (Array Induction Tool;
i składu chemicznego i mineralnego. Na podstawie wyni- Schlumberger). W innym, wprowadzonym w ostatnich
ków takich badań możemy wyliczać odpowiedzi sond geo- latach rodzaju sond indukcyjnych (Triaxial Induction)
fizycznych (głównie jądrowych) w badanych skałach, a na- zastosowano układy cewek generujących wzajemnie pro-
stępnie znajdować związki korelacyjne opisujące model stopadłe pola elektromagnetyczne o wektorach natężenia
matematycznie (np. Zorski i in., 2011). wzajemnie prostopadłych, umożliwiając niezależny
Wyznaczenie parametrów, charakteryzujących wyso- pomiar opornoS
ci w kierunku wzdłuż i prostopadle do osi
koporowate, niezailone (czyste) skały zbiornikowe o dużych sondy (Kriegshauser i in., 2000; Rosthal i in., 2003).
miąższoS
ciach, stanowi stosunkowo proste zadanie, które Pozwala to wyznaczać anizotropię własnoS
ci elektrycz-
można rozwiązywać na podstawie nawet niewyszukanych nych oS
rodka, będącą ważnym wskax
nikiem jego niejed-
technicznie metod pomiarowych. Bardziej złożone warun- norodnoS
ci. Wieloelementowa realizacja takiej sondy RT
ki geologiczne i otworowe, spowodowane wieloma czyn- Scanner (Schlumberger) dostarcza także informacji (Leve-
nikami, wymuszały szukanie coraz doskonalszych rozwiązań ridge, 2010) o radialnych zmianach opornoS
ci, przy piono-
sprzętowych. Do czynników komplikujących pomiary wej rozdzielczoS
ci analogicznej do sond wysokoroz-
geofizyczne i ich interpretację zaliczamy: dzielczych (AIT, HRAI). Taki pomiar pozwala także okre-
 wpływ zmian S
rednicy otworu i złożonego układu S
lać kąt upadu i rozciągłoS
ć warstw.
wokół otworowych stref tworzonych przez proces wierce- Pomiary gęstoS
ci objętoS
ciowej (RHOB) realizowane
nia i zachodzące zjawiska filtracji do skały z otworu i są jądrową metodą gamma-gamma, gdzie rozproszone pro-
odwrotnie, mieniowanie gamma emitowane ze x
ródła Cs137, skierowa-
 obecnoS
ć warstw cienkich, czyli takich których ne układem kolimacyjnym w kierunku skały, rejestrowane
miąższoS
ć jest mniejsza od pionowego zasięgu sond, kom- jest przez dwa detektory, znajdujące się w różnych
plikacją są tu zróżnicowane zasięgi pionowe sond, zmie- odległoS
ciach od x
ródła. Detektory i x
ródło umieszczone
niające się w zakresie od kilku centymetrów dla upado- są na krótkim wysięgniku umożliwiającym, niezależnie od
mierza, poprzez kilkanaS
cie lub kilkadziesiąt centymetrów położenia długiego korpusu sondy, bezpoS
redni kontakt
dla sond jądrowych i akustycznych do kilku metrów dla układu pomiarowego ze skałą. Rozwiązanie takie jest
klasycznych sond elektrycznych, konieczne z powodu względnie małego zasięgu rozproszo-
 coraz bardziej złożone modele elektryczne skały, nego promieniowania gamma w skale, który dla detektora
wynikające z sięgania po węglowodory związane ze bliskiego wynosi ok. 0,05 m, a dla detektora dalekiego ok.
skałami o złożonej budowie mineralnej, czego przykładem 0,15 m. Odpowiednie procedury poprawkowe eliminują
mogą być utwory piaszczysto-ilaste, w których adekwat- wpływ strefy przyotworowej, penetrowanej przez promie-
nym modelem jest ww. zależnoS
ć Waxmana-Smitsa. niowanie docierające do detektora bliskiego, dając w efek-
Dwa pierwsze czynniki zdominowały kierunek dosko- cie gęstoS
ć skały w pierS
cieniu o gruboS
ci ok. 0,1 m
nalenia sond geofizyki otworowej w pierwszych dziesię- oddalonym o ok. 0,05 m od S
cianki otworu. Efektywnie
cioleciach ich rozwoju, dając w efekcie w latach 90. XX w. uzyskiwana rozdzielczoS
ć pionowa tych profilowań waha
sprawdzony i dobrze funkcjonujący w przemyS
le poszuki- się w zakresie 0,2 0,4 m, głównie w zależnoS
ci od zastoso-
wań węglowodorów tradycyjny zestaw pomiarowy, który wanych procedur przetwarzania danych (Zorski, 2002).
w skrócie nazywany jest Triple Combo lub Quad Combo. Oprócz gęstoS
ci objętoS
ciowej, RHOB, sondy gamma-
KoniecznoS
ć minimalizacji czasu, a zatem i kosztów -gamma w wersji spektrometrycznej mogą mierzyć także
pomiarów, doprowadziła do łączenia pojedynczych sond w promieniowanie o niższych energiach, którego absorpcja w
zestawy długie do 30 m (ryc. 2). skale silnie zależy od S
redniej liczby atomowej skały, a tym
Stosowane obecnie standardowo profilowania oporno- samym od jej składu chemicznego. Pomiar spektrome-
S
ci (R) wykorzystują układy elektrodowe zasilane prądami tryczny gamma-gamma pozwala na obliczanie indeksu
stałymi lub o niskiej częstoS
ci (profilowania opornoS
ci kla- absorpcji fotoelektrycznej Pe, wielkoS
ci specyficznej dla
syczne  potencjałowe i gradientowe i profilowania stero- geofizyki otworowej, zależnej od efektywnej liczby ato-
wane) oraz układy cewek i pola elektromagnetyczne o mowej oS
rodka, stosowanej do identyfikacji litologicznej.
częstoS
ciach rzędu dziesiątków kHz (profilowania induk- Sondy do spektrometrycznego profilowania gamma-gam-
cyjne) (Ellis & Singer, 2008). Obydwa rodzaje pomiarów ma nazywamy litologiczno-gęstoS
ciowymi (Litho-Density).
pozwalają wyznaczać opornoS
ci poszczególnych stref Zasięg radialny pomiaru Pe jest wyrax
nie mniejszy niż
cylindrycznych występujących wokół otworu, czyli strefy gęstoS
ci i nie przekracza kilku cm.
filtracji i strefy niezmienionej. Radialne, czyli prostopadłe W zestawie sond Triple Combo występują jeszcze dwie
do osi otworu, zasięgi tych metod wynoszą od kilkudzie- metody jądrowe: pomiar naturalnej promieniotwórczoS
ci i
sięciu centymetrów do kilku metrów. Obowiązuje tu zasa- profilowanie neutronowe typu neutron-neutron. Obydwa
da, że zwiększanie zasięgu radialnego obniża rozdziel- te profilowania zawierają kompleksową informację litolo-
czoS
ć pionową. Warto też odnotować, że zarówno dla sond giczną, a w przypadku profilowań neutronowych także
sterowanych, jak i indukcyjnych istnieją wysokorozdziel- uzupełniającą informację o porowatoS
ci.
cze wersje wieloelementowe, tak skonstruowane, aby przy Profilowanie naturalnej promieniotwórczoS
ci (PG,
zachowaniu możliwoS
ci S
ledzenia zmian radialnych uzy- GR) wykorzystuje obecnoS
ć w skałach naturalnych emite-
skiwać możliwie maksymalną rozdzielczoS
ć pionową, czy- rów promieniowania gamma związanych z obecnoS
cią
427
Przegląd Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
Ryc. 2. Zestaw profilowań tradycyjnych Triple Combo (po dodaniu profilowania akustycznego  Quad Combo) (wg www.slb.com:
Triple Combination Tool String, zmienione)
Fig. 2. Triple Combo Logs (after adding sonic log  Quad Combo Logs) (after www.slb.com: Triple Combination Tool String, modified)
235 232 40
rodzin promieniotwórczych U, Th i izotopu K. stując różnice widm energetycznych promieniowania emi-
Każdy z tych emiterów podlega własnym oddziaływaniom towanego przez te pierwiastki. Zasięg radialny profilowania
chemicznym, które determinują jego zachowanie w S
rodo- gamma nie przekracza ok. 0,5 m.
wisku geologicznym. Pierwsze zastosowania PG, się- Profilowania neutronowe typu neutron-neutron wyko-
gające początków geofizyki otworowej, nie pozwalały na rzystują dwa specyficzne dla neutronów oddziaływania z
rozróżnianie tych pierwiastków, dostarczały jedynie ogól- materią: spowalnianie neutronów wysokoenergetycznych i
nej informacji o intensywnoS
ci naturalnej promieniotwór- absorpcję neutronów termicznych (Ellis & Singer, 2008;
czoS
ci. Standardowe profilowanie gamma umożliwia Jarzyna i in., 1999). ródło neutronowe emituje neutrony
jednak szacunkową ocenę występowania niektórych skał. wysoko energetyczne (ok. 5 MeV w przypadku stacjonar-
Profilowanie gamma odgrywa szczególną rolę w ocenie nego x
ródła izotopowego typu Am-Be lub 14,1 MeV w
obecnoS
ci w skale minerałów ilastych  w przybliżonej przypadku generatora neutronów typu deuter-tryt, który
interpretacji wykorzystywane jest jako wskax
nik zailenia. jest x
ródłem umożliwiającym pracę w reżimie impulso-
Jednostki stosowne do pomiaru całkowitej promieniotwór- wym). Te wysoko energetyczne neutrony ulegają spowol-
czoS
ci wyznacza wzorzec API, według którego przeciętna nieniu wskutek oddziaływania z jądrami pierwiastków
skała ilasta (ił, iłołupek, łupek) emituje promieniowanie tworzących skałę i po czasie rzędu kilku do kilkudziesięciu
odpowiadające ok. 100 API (Jarzyna i in., 1999; Ellis & sekund osiągają energię drgań termicznych rzędu 0,025 eV.
Singer, 2008). W latach 80. XX w. upowszechniła się w Neutrony termiczne dyfundują w oS
rodku nie tracąc już
poszukiwaniach naftowych spektrometryczna metoda energii i po pewnym czasie (rzędu setek sekund) zostają
pomiaru naturalnej promieniotwórczoS
ci (sPG), w której zaabsorbowane przez jądra pierwiastków tworzących
iloS
ciowo okreS
la się koncentracje K, U i Th, wykorzy- badany oS
rodek, co kończy proces oddziaływania.
428
Przegląd Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
Proces spowalniania zdominowany jest przez oddzia- skuje się krzywą zmian prędkoS
ci sprężystej fali P w funk-
ływania jąder wodoru, których masa odpowiada masie cji głębokoS
ci. Taki pomiar służy wyliczeniu porowatoS
ci
neutronu. Fakt ten powoduje, że profilowania neutronowe ogólnej (równanie 2b) oraz jest podstawą konstrukcji
traktowane są jako jedno z istotnych x
ródeł informacji o modelu prędkoS
ciowego dla sejsmiki.
porowatoS
ci skały przy założeniu wypełnienia przestrzeni Narastające zainteresowanie zasobami węglowodorów
porowej wodą lub węglowodorami. PorowatoS
ć, okreS
lana występujących w formacjach geologicznych, w których
z profilowań neutronowych, nazywa się porowatoS
cią neu- przy stosowaniu standardowej geofizyki otworowej natra-
tronową (NPHI) i jest ona równa porowatoS
ci ogólnej tylko fiano na trudnoS
ci interpretacyjne, prowadzące do pomija-
w szczególnym przypadku, gdy skała spełnia warunki stan- nia znaczących zasobów, otworzyło drogę do rozwoju i
dardu kalibracyjnego, którym najczęS
ciej jest czysty wprowadzenia nowych metod pomiarowych i interpreta-
wapień, o przestrzeni porowej wypełnionej słodką wodą, cyjnych. W niniejszej pracy zwrócono uwagę jedynie na
przecięty otworem o S
rednicy 203,2 mm, wypełnionym wyzwania stawiane geofizyce otworowej przez formacje
także słodką wodą. We wszystkich innych przypadkach piaszczysto-ilaste, szczególnie kompleksy cienkowarstwo-
wskazania sondy muszą być poprawiane w celu eliminacji we. Skala tych wyzwań narasta przy rozpoznawaniu złóż
takich wpływów jak np. litologia, S
rednica otworu czy niekonwencjonalnych, do których zaliczono łupki gazono-
zasolenie płynów otworowo-złożowych, aby porowatoS
ć S
ne oraz formacje tight gas. Oprócz wczeS
niej wymienio-
sprowadzić do prawdziwych wartoS
ci. nych technik, upowszechnionych w standardowych
W procesie absorpcji neutronów termicznych szcze- pomiarach z użyciem zestawów Triple Combo  Quad
gólną rolę odgrywa kilka pierwiastków, wS
ród których Combo, geofizyka otworowa już na przełomie lat 80. i 90.
istotne znaczenie ma obecny w solankach chlor oraz pier- XX wieku została wyposażona w szereg gotowych roz-
wiastki S
ladowe, takie jak bor i gadolin, występujące wiązań technicznych, które jednak nie znalazły uznania w
powszechnie w minerałach ilastych. Warto zaznaczyć, że przemyS
le poszukiwań węglowodorów lub wykazały pew-
wpływ tych S
ladowych iloS
ci silnych absorbentów jest czę- ne niedoskonałoS
ci i nie przebiły się wtedy do standardo-
sto większy niż wszystkich pozostałych pierwiastków wego użycia. Wiele z tych technik zostało ostatnio
budujących szkielet skalny. Parametr oS
rodka opisujący udoskonalonych i wdrożonych do prac poszukiwawczych.
własnoS
ci absorpcyjne neutronów nazywa się przekrojem Do rozwiązań w tej grupie metod zaliczyć można profi-
lowanie geochemiczne (GLT  Schlumberger). Zestaw
czynnym absorpcji neutronów, oznaczany jest symbolem .
sond tworzących GLT obejmował spektrometryczne profi-
Jego jednostką jest cu (Capture Unit) [0,001/cm].
Rozdzielenie procesów spowalniania i absorpcji możli- lowanie naturalnej promieniotwórczoS
ci (sPG), spektro-
we jest przez zastosowanie: 1) detektorów neutronów nad- metryczne profilowanie neutron gamma (sPNG) z
termicznych (czyli takich, które są spowolnione, ale nie
wykorzystaniem impulsowego generatora neutronów i
podlegają jeszcze procesowi absorpcji) i wykonanie profi- neutronowe profilowanie aktywacyjne (PNA) z użyciem
252
lowania neutron-neutron nadtermiczny (PNNnt) i 2) detek-
neutronowego x
ródła rozszczepieniowego Cf (Ellis &
torów neutronów termicznych i wykonanie profilowania
Singer, 2008; Herron & Herron, 1990). Kluczową cechą
neutron-neutron termiczny (PNNt). Praktyczną realizacją
GLT było użycie spektrometrycznego pomiaru promienio-
takiego podejS
cia jest sonda NNTE skonstruowana przez
wania gamma (sPNG), emitowanego przy oddziaływaniu
firmę Geofizyka Kraków, która pozwala na jednoczesny
neutronów z różnymi pierwiastkami budującymi skałę.
pomiar zawartoS
ci wody (porowatoS
ci neutronowej) i para-
Oddziaływania takie zachodzą zarówno na etapie spowal-
metru , przy użyciu stacjonarnego x
ródła neutronowego
niania neutronów (poprzez zderzenia nieelastyczne neutro-
Am-Be (Drabina i in., 2003; Drabina & Zorski, 2006).
nów z jądrami różnych pierwiastków  O, C, Si i in.), jak i
Zastosowanie zróżnicowanych detektorów najczęS
ciej
w większym zakresie na etapie absorpcji neutronów ter-
uzupełniane jest jeszcze dyskryminacją czasową, możliwą
micznych (poprzez wychwyt radiacyjny przez jądra róż-
gdy stosowany jest jako x
ródło impulsowy generator neu-
nych pierwiastków  Si, Ca, Fe, H, S, Cl, Al, K i in.) oraz w
tronów (proces spowalniania odbywa się w oknie czaso-
wyniku aktywacji (Al), zastosowanie której umożliwiało
wym następującym bezpoS
rednio po impulsie neutronowym,
252
x
ródło Cf. WspółczeS
nie, profilowanie to zastąpione jest
podczas gdy absorpcja  w oknie odpowiednio opóx
nio-
przez kilka innych, lepiej dostosowanych do różnych
nym). Tego typu rozwiązanie stosowane jest w powszech-
potrzeb. Do profilowań tych należą m.in. pomiary sondami
nie używanej przez firmę Schlumberger sondzie APS
wyposażonymi w stacjonarne x
ródła neutronów Am-Be
(Accelerator Porosity Sonde), także mierzącej jednocze-
(Galford i in., 2009; Herron & Herron, 1996, ): GEM (Hal-
S
nie porowatoS
ć neutronową i (Flanagan i in., 1991).
liburton) i ECS (Schlumberger), czy sondy wyposażone w
Radialny zasięg sond neutronowych zależy od porowatoS
ci
impulsowe generatory neutronów: FLeX (Baker Huges),
skały, w przybliżeniu można jednak przyjąć, że zawiera się
EcoScope (LWD) (Schlumberger) i ostatnio wprowadzona
w granicach 0,25 0,40 m i jest większy od zasięgu sond
sonda Litho Scanner (Schlumberger). Litho Scanner
gęstoS
ciowych. RozdzielczoS
ci pionowe sond neutrono-
wych, w zależnoS
ci od konstrukcji sondy i sposobu prze- pozwala oznaczać z podwyższoną dokładnoS
cią obecnoS
ć
w skałach do 18 pierwiastków (Radtke i in., 2012), bez
twarzania danych pomiarowych, zawierają się w granicach
0,30 0,60 m. koniecznoS
ci stosowania kłopotliwego w użyciu x
ródła
252
Zestaw pomiarowy Quad Combo zawiera wszystkie Cf. Ta ostatnia sonda, przez zastosowanie nowego,
powyższe profilowania, oraz dodatkowo profilowanie wydajniejszego generatora neutronów i detektora o dużo
akustyczne, polegające na pomiarze czasu interwałowego lepszej rozdzielczoS
ci energetycznej, niż to było w pier-
T[ s/m, s/st], przejS
cia fali akustycznej podłużnej przez wotnym profilowaniu GLT, pozwala wyznaczać bezpo-
skałę. W wyniku pomiaru i prostego przetworzenia uzy- S
rednio węgiel organiczny (TOC), dzięki pomiarowi węgla
429
Przegląd Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
całkowitego i oznaczaniu węglanów z zawartoS
ci innych biegną najszybciej, gdy kierunek maksymalnej sztywnoS
ci
pierwiastków. Profilowanie geochemiczne staje się obec- skały jest zgodny z kierunkiem drgań cząstek. Przy propa-
nie jednym z kluczowych pomiarów w geofizyce otworo- gacji fali poprzecznej drganie cząstek ma miejsce w płasz-
wej wykonywanych na potrzeby poszukiwań gazu z łupków. czyx
nie prostopadłej do kierunku ruchu fali. JeS
li
Koncentracje pierwiastków, wyznaczone na podstawie występuje zróżnicowanie własnoS
ci sprężystych w tej
pomiarów, są podstawą do okreS
lenia typu litologicznego, płaszczyx
nie, fala spolaryzowana zgodnie z kierunkiem
a nawet szczegółowego składu mineralnego. W praktyce wysokiej sztywnoS
ci biegnie szybciej, niż ta spolaryzowa-
przeliczenie składu pierwiastkowego na skład mineralny na w kierunku prostopadłym. W związku z tym fala S,
opiera się na serii ogólnych algorytmów, często zupełnie wzbudzona w pomiarze DSI, jest podzielona na dwie
nie przystosowanych do analizowanego basenu, podczas składowe: szybką, która biegnie zgodnie z kierunkiem roz-
gdy rozwiązaniem poprawnym jest dokonanie kalibracji ciągłoS
ci szczelin, i wolną, która biegnie w kierunku pro-
dla danego basenu w oparciu o pomiary laboratoryjne. stopadłym (Acoustics & Rock Properties, 2003). JeS
li
Omawiając zastosowania sPNG trzeba wspomnieć o używa się sondy DSI z dwoma nadajnikami dipolowymi,
stałej od wielu lat obecnoS
ci tej metody w otworach pro- prostopadle ustawionymi do siebie i z kilkoma parami
dukcyjnych, gdzie używana jest do wyznaczania kontaktu
odbiorników, ustawionymi wzajemnie prostopadle, można
woda ropa w otworach zarurowanych poprzez pomiar sto- mierzyć czas interwałowy fali S w wielu kierunkach. Czte-
sunku C/O  pierwiastków identyfikowanych poprzez ana- ry komplety obrazów falowych w kierunkach: xx, xy, yx i
lizę widm promieniowania gamma emitowanych przy
yy mierzy się na każdej głębokoS
ci. Pierwszy kierunek (np.
zderzeniach nieelastycznych neutronów (Ellis & Singer,
x w xx) jest zgodny z kierunkiem nadajników (x), drugi z
2008).
kierunkiem odbiorników. Anizotropia czasu interwałowe-
Profilowania akustyczne zostały rozwinięte zarówno w
go jest różnicą między czasem interwałowym szybkiej i
kierunku nowych form zapisu i analizy sygnału w odbior- wolnej składowych fali S. Pionowa rozdzielczoS
ć takiego
nikach, jak i sposobów generacji sygnału. Standardowy
pomiaru wynosi ok. 1m i odpowiada długoS
ci rozstawu
zapis akustycznych obrazów falowych z użyciem monopo- pionowego między układem odbiorników w sondzie.
lowych x
ródeł umożliwia wyznaczenie prędkoS
ci fali S
Zasięg radialny pomiaru DSI jest ok. 0,25 m. Anizotropię
oraz Stoneleya w oS
rodkach o dobrych własnoS
ciach sprę- własnoS
ci sprężystych, także iloS
ciowo, można obliczyć na
żystych, gdy prędkoS
ć fali S jest wyższa od prędkoS
ci fali
podstawie wielkoS
ci energii, niesionej przez poszczególne
w płuczce (Jarzyna i in., 2009). Taka rejestracja jest pod- składowe fali. Oprócz wspomnianych wyżej dodatkowych
stawą obliczenia dynamicznych modułów sprężystoS
ci
informacji podstawowy wynik uzyskiwany z pomiaru
oS
rodka in situ (przy użyciu czasów interwałowych fali P  sondą ze wzbudzeniem dipolowym obejmuje czasy inter-
Tpi fali S Ts) oraz pozwala na wyznaczenie przepusz- wałowe wszystkich fal generowanych w otworze podczas
czalnoS
ci (przy użyciu czasu interwałowego fali Stoneleya profilowania akustycznego.
 TStoneleya). Pomiar sondami z użyciem x
ródeł dipolo- Innym przykładem nowoczesnych sond pomiarowych
jest profilowanie dielektryczne, zwane też mikrofalowym
wych, np. WaveSonicTM (Acoustics & Rock Properties,
EPT (Schlumberger), które stanowi wysokoczęstotliwo-
2003) pozwala znacznie poszerzyć uzyskaną informację
oraz zastosowania. Takie pomiary pozwalają na rozpozna- S
ciową (1,1 GHz) odmianę profilowań elektromagnetycz-
nych (Ellis & Singer, 2008). Pomiar ten dostarcza wartoS
ć
nie własnoS
ci mechanicznych formacji z uwzględnieniem
przenikalnoS
ci dielektrycznej skał w strefie filtracji, umo-
ich anizotropii. Jako przykłady nowoczesnych urządzeń,
żliwiającą poprawne wyznaczanie nasycenia węglowodo-
dostarczających danych na temat kierunku najmniejszego
naprężenia w formacji skalnej, można podać sondę UBI - rami strefy przyotworowej, m.in. w przypadku wypełnienia
Ultrasonic Borehole Imager (jeden z wielu skanerów aku- przestrzeni porowej węglowodorami i wodą złożową o
minimalnej mineralizacji. Przypadek ten jest trudny do
stycznych) oraz sondę DSI  Dipol Shear Sonic Imager
interpretacji na podstawie profilowań wykonanych jedynie
(Schlumberger, 2004), aktualnie zastępowaną przez wersję
tradycyjnymi metodami opornoS
ciowymi. Metoda ta,
wieloodbiornikową Sonic Sanner (Schlumberger, 2005).
wprowadzona w latach 70. XX wieku, nie została jednak
Skanery UBI wykorzystują wysokoczęstotliwoS
ciowe
powszechnie przyjęta przez przemysł naftowy, głównie z
(rzędu MHz) impulsowe x
ródła fal sprężystych i mierzą
powodu trudnego do usunięcia zakłócającego wpływu stre-
energię i czas przyjS
cia fal odbitych od S
cianki otworu.
fy przyotworowej oraz trudnoS
ci we właS
ciwej interpreta-
Dostarczają obraz sprężystych własnoS
ci skał o wysokiej
rozdzielczoS
ci, na S
ciance otworu, pokazują kształt i roz- cji zmian sygnału dielektrycznego. Współczesnym
miar otworu oraz wskazują kierunki o zróżnicowanym następcą sondy EPT, jest Dielectric Scanner (Schlumber-
naprężeniu w górotworze (Brie i in., 1998). ger), mierzący zarówno przewodnoS
ć elektryczną, jak i
WiększoS
ć skał osadowych wykazuje anizotropię, przenikalnoS
ć dielektryczną strefy filtracji (Hizem i in.,
będącą efektem procesów sedymentacyjnych, w wyniku 2008; Ellis & Singer, 2008). To nowoczesne urządzenie
których powstaje warstwowana formacja. Występujące pracuje, używając czterech częstotliwoS
ci (w zakresie 20
szczeliny mają także okreS
lone kierunki. W takich skałach MHz do 1 GHz), co pozwala jednoczeS
nie uwzględniać
obserwuje się różnice we własnoS
ciach sprężystych w zale- kilka efektów polaryzacyjnych. Należą do nich polaryzacja
żnoS
ci od kierunku. JeS
li obiekty, które wywołują zmiany elektronowa związana z pierwiastkami szkieletu, polaryza-
własnoS
ci sprężystych, mają rozmiary mniejsze od długo- cja cząsteczek wody i polaryzacja międzyfazowa, np.
S
ci fali przy profilowaniu akustycznym, wtedy wynik pomiędzy płynem złożowym a ziarnami skały. Informacja
można wykorzystać do identyfikacji i oceny wielkoS
ci ani- pozyskana z sondy Dielectric Scanner umożliwia popraw-
zotropii własnoS
ci sprężystych formacji. Fale sprężyste ne okreS
lanie iloS
ci wody w przestrzeni porowej i jej zaso-
430
Przegląd Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
lenia oraz bezpoS
redniego wyznaczania in situ współczyn- skale i od porowatoS
ci efektywnej, utworzonej przez pory
nika struktury porowej m (wzór 1). Układ nadawczo- połączone między sobą. Ta ostatnia, wyznaczona na pod-
odbiorczy sondy znajduje się, podobnie jak w sondzie sto- stawie profilowań opornoS
ci, zawiera w sobie wodę
sowanej do profilowania gęstoS
ciowego, na niewielkim związaną na S
ciankach porów i jest wyższa od FFI. Precy-
dociskowym ramieniu. Odpowiednia iloS
ć i wzajemne uło- zyjna definicja porowatoS
ci efektywnej budzi wS
ród petro-
żenie nadajników i odbiorników pozwala m.in. na badanie fizyków pewne kontrowersje (Peveraro & Thomas, 2010),
radialnych zmian własnoS
ci oS
rodka w strefie filtracji, a także dlatego na rycinie 3 zakres tej porowatoS
ci oznaczono jako
na pomiar wzdłużnej i poprzecznej elektrycznej przewod- niejednoznaczny.
noS
ci i polaryzacji, co w efekcie pozwala na ocenę anizo- Podczas pomiarów laboratoryjnych mierzone są oba
tropii oS
rodka skalnego. Pionowa rozdzielczoS
ć sondy czasy relaksacji, natomiast profilowanie otworowe dostar-
wynosi ok. 0,025 m, zaS
zasięg radialny nie przekracza kil- cza przede wszystkim T2, w postaci dystrybucji prezento-
kunastu cm. Podstawowe, wstępnie proponowane i potwier- wanych na każdej głebokoS
ci pomiarowej. Niektóre sondy,
dzone w praktyce przemysłowej zastosowania skanera die- np. MRIL (Halliburton) lub MREX (Baker Atlas) wyko-
lektrycznego (Hizem i in., 2008) dotyczą badania profili o nują także pomiar T1. Pomiar obu stałych relaksacji T1 i
zmiennym zasoleniu, oceny nasycenia węglowodorami T2 oraz wyznaczenie współczynnika dyfuzji jąder wodoru
piaskowcowo-ilastymi formacji cienkowarstwowych, badania D pozwala na rozróżnianie solanki oraz gazu i ropy w prze-
strefy przemytej w obecnoS
ci ciężkiej ropy oraz wyznacza- strzeni porowej (Akkurt i in., 1995). Najnowsza sonda do
nia współczynnika struktury porowej m w utworach węgla- profilowania NMR firmy Schlumberger  MR Scanner
nowych. umożliwia pomiar T1, T2 i D ze zmiennym zasięgiem
Stosunkowo nowym, wprowadzanym od lat 90. XX radialnym (0,03 0,1 m), przy pionowej rozdzielczoS
ci 0,19 m
wieku do geofizyki otworowej profilowaniem jest NMR (Leveridge, 2008). W literaturze dostępna jest także infor-
(Nuclear Magnetic Resonance). Aktualnie profilowanie to macja o sondzie LWD NMR do profilowania NMR pod-
zaliczane jest do podstawowego standardu pomiarowego czas wiercenia (Heaton i in., 2012). Maksimum amplitudy
nowoczesnej geofizyki otworowej. Przewaga profilowania dystrybucji T2 i jego położenie na osi czasu zależy od wiel-
z wykorzystaniem zjawiska magnetycznego rezonansu koS
ci porów i ich iloS
ci w przestrzeni porowej (ryc. 4). Jed-
jądrowego NMR nad innymi profilowaniami porowatoS
ci nak najważniejszym elementem interpretacji jest ustalenie
(gęstoS
ciowym, akustycznymi i neutronowym) polega na
wartoS
ci granicznych (cutoffs), umożliwiających rozdzie-
niezależnoS
ci uzyskanego wyniku, w postaci porowatoS
ci
lenie dystrybucji T2 na częS
ci odpowiadające elementom
składowym mediów w porach skały zbiornikowej (ryc. 3).
ogólnej, NMR, czy dynamicznej dyn, wf (Free Fluid
Standardowa wartoS
ć cutoff dla skał piaskowcowo-ila-
Index), od litologii. Profilowanie NMR należy do grupy
stych, decydująca o wielkoS
ci FFI, wynosi 33 ms, dla skał
metod opierających się na parametrach jądrowych skał i
węglanowych wynosi ona ok. 90 ms. WartoS
ci graniczne są
wykorzystujących niepromieniotwórcze procesy fizyki
jądrowej, ale ma tę przewagę nad profilowaniem neutrono- dobierane na drodze badań laboratoryjnych, ale mogą być
skorygowane na podstawie analitycznego dopasowania
wym, że nie ma x
ródła promieniowania, nie jest inwazyjne
(Jarzyna, 1998). Pokazuje zawartoS
ć wodoru w skale, czyli wykresu pomiarowego do zestawu krzywych teoretycz-
porowatoS
ć neutronową, na podstawie pomiaru czasów nych (Puskarczyk, 2011).
Profilowanie NMR pozwala także wyznaczyć prze-
relaksacji podłużnej (T1) i poprzecznej (T2) jąder wodoru
w oS
rodku skalnym (Coates i in., 1999). Czas relaksacji jest puszczalnoS
ć fizyczną oraz promień porów i lepkoS
ć ropy.
zależny od miejsca, gdzie wodór występuje w skale. Naj- PrzepuszczalnoS
ć wyznaczona na podstawie profilowania
mniejsze czasy charakteryzują jądra wodoru występujące lub badań laboratoryjnych NMR jest S
ciS
le związana z
w postaci krystalicznie związanej, np. w cząsteczkach gip- NMR oraz FFI (Coates i in., 1999). Jest wyznaczona
su (CaSO4*2H2O) czy karnalitu (KCl*MgCl2*6H2O) lub poS
rednio, jak i w innych metodach (np. Timura  1968,
nieco wyższe dla grup OH w minerałach ilastych, czyli czy Zawiszy  1993), ale podstawowe wielkoS
ci, od któ-
uwodnionych glinokrzemianach. Te najniższe wartoS
ci rych zależy, czyli porowatoS
ć dynamiczna i czas relaksacji
(0,1 0,3 ms) są jednak niemierzalne przez typowe sondy T2, są wolne od błędów związanych z niedokładnym okre-
NMR, pozostając poniżej progu mierzonego sygnału. S
leniem litologii skały. Rozważanie relaksacji z podziałem
Wyższe czasy są charakterystyczne dla jąder wodoru w na objętoS
ciową, powierzchniową i dyfuzję jąder wodoru
wodzie zaadsorbowanej w przestrzeniach międzypakieto- w niejednorodnym polu magnetycznym podczas pomiaru
wych minerałów ilastych (odpowiadając już zakresowi NMR umożliwia wykorzystanie metody także w przypad-
mierzalnemu przez sondy NMR, 0,3 3 ms). Następną gru- kach skał nasyconych gazem. Metoda NMR, z uwzględnie-
pę, której przypisuje się nieco wyższe czasy relaksacji (3 niem dyfuzji jąder wodoru, może także być wykorzystana
33 ms), stanowią jądra wodoru w wodzie kapilarnej, do wyznaczenia krętoS
ci kanałów porowych (Klaja, 2012).
związanej siłami oddziaływań międzycząsteczkowych na Sondy kablowe do profilowania NMR (Wireline Logging)
S
ciankach porów. Ostatnią grupę stanowią jądra wodoru pracują w otworach niezarurowanych. ObecnoS
ć żelaza w
występujące w postaci wody lub węglowodorów swobod- otworze, w postaci różnego rodzaju zanieczyszczeń, jest
nie przemieszczających się w przestrzeni porowej skały utrudnieniem w poprawnym wykonaniu pomiaru. Pionowa
(33 3000 ms). Ta częS
ć przestrzeni porowej stanowi o rozdzielczoS
ć profilowania zależy od rozmiaru elementu
porowatoS
ci dynamicznej (FFI  Free Fluid Index), obej- pomiarowego, złożonego z magnesu stałego i cewki, i
mującej media możliwe do wyeksploatowania ze skały. wynosi ok. 0,15 m w przypadku sondy CMR (Schlumber-
PorowatoS
ć dynamiczna jest mniejsza od porowatoS
ci ger). W sondzie MRIL (Halliburton), obrazującej obszar
ogólnej, która obejmuje wszystkie wolne przestrzenie w strefy filtracji z wykorzystaniem prądów zmiennych o kil-
431
Przegląd Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
porowatoS
ć efektywna
effective porosity
szkielet mineralny mineral skeleton porowatoS
ć ogólna total porosity
minerały nieilaste suche minerały ilaste
non clay minerals dry clay minerals
porowatoS
ć neutronowa neutron porosity
sygnał profilowania geochemicznego,
na podstawie którego można wyznaczyć skład mineralny i TOC
Geochemical Log Signal to Determine Mineral Composition and TOC
porowatoS
ć wyznaczana z gęstoS
ci RHOB
density porosity
NMR  FFI
0,3 3,0 33 3000
graniczne czasy relaksacji T2 (NMR) [ms]
cutoffs T2 (NMR ) [ms]
Ryc. 3. Model porowatej skały piaszczysto-ilastej, uwzględniający relacje pomiędzy rodzajami porowatoS
ci i odpowiedziami
wybranych profilowań geofizyki otworowej (neutronowych  mierzących neutrony nadtermiczne, gęstoS
ciowych i NMR). Zaznaczono
przestrzeń, z której pochodzi sygnał profilowania geochemicznego, stosowany do wyznaczania składu mineralnego i TOC.
Przedstawiono niejednoznacznoS
ć pojęcia porowatoS
ci efektywnej  szarym przedłużeniem strzałki (wg Coatesa i in., 1999; Passeya i
in., 2012; Peveraro & Thomasa, 2010)
Fig. 3. Model of the porous sandy-shaly rock, including relationships between porosity types and signals of the selected well logs
(Neutron  epithermal, Density and NMR). Space related to the geochemical log signal used to determine mineral composition and TOC
was marked. Ambiguity of the effective porosity definition is presented  as gray enlargement of arrow (after Coates et al., 1999; Passey
et al., 2012; Peveraro & Thomas, 2010)
ku częstotliwoS
ciach, zasilajacych cewkę, zasięg radialny zasięgu radialnym porównywalnym z sondami gęstoS
cio-
jest większy, ale pionowa częstotliwoS
ć nie przekracza 0,6 m wymi i mikrofalowymi (EPT i Dielectric Scanner).
(Allen i in., 2000). Profilowanie dostarcza ciągłych krzy-
PODSUMOWANIE
wych zmian porowatoS
ci ogólnej, NMR, porowatoS
ci
dynamicznej, FFI, wody związanej, Swirr oraz przepusz-
Najważniejsze parametry złożowe takie jak porowa-
czalnoS
ci fizycznej. JakoS
ciowa analiza wyników w czasie
toS
ć, nasycenie węglowodorami, czy typ litologiczny mogą
rzeczywistym pozwala wyznaczyć strefy produktywne dla
być wyznaczane bezpoS
rednio z pomiarów geofizyki
węglowodorów, nawet z wysoką wartoS
cią Swirr.
otworowej ze stosunkowo dużą wiarygodnoS
cią, szczegól-
Skanery akustyczne, obrazujące własnoS
ci sprężyste
nie, jeS
li mamy do czynienia z miąższymi, jednorodnymi,
S
cianki otworu, np. dostępny od wielu lat w Polsce CAST
dobrze rozpoznanymi układami warstw. Wystarczające są
(Halliburton), czy wczeS
niej wspomniany skaner UBI
wówczas tradycyjne metody z zestawów Triple Combo lub
(Schlumberger) oraz wieloramienne upadomierze elek-
Quad Combo. Wyznaczanie natomiast przepuszczalnoS
ci
tryczne, np. SED (Halliburton), będące narzędziami GO,
może stanowić problem, jeS
li jej związek z porowatoS
cią,
wykorzystywanymi w geologii strukturalnej i sedymento-
otrzymywany na podstawie analiz laboratoryjnych, nie jest
logii, uzupełnione zostały w latach 90. XX wieku o skanery
jednoznacznie okreS
lony. Jedynymi metodami geofizycz-
elektryczne. Te ostatnie obrazują opornoS
ć S
cianki otworu,
EMI, XRMITM (Halliburton), FMI, OBMI (Schlumberger), nymi dającymi dokładniejsze powiązanie mierzonego
zapewniając wysoką jakoS
ć prezentacji przewiercanych sygnału z przepuszczalnoS
cią jest NMR i profilowanie
skał. Profilowania te także wchodzą aktualnie w podstawo- akustyczne z wykorzystaniem fal Stoneleya.
wy zestaw pomiarowy geofizyki otworowej. Dzięki nim Omówiony zestaw metod geofizyki otworowej obej-
można również wyznaczyć opornoS
ć strefy przemytej o muje bardzo szerokie spektrum pomiarów, stawiając przed
432
grupy OH
free water
woda wolna
węglowodory
hydrocarbons
organic matter
capillary water
woda kapilarna
hydroxylic groups
materia organiczna
bound water = adhesive +
+ double layer + interband
podwójna + międzypakietowa
woda związana = adhezyjna + warstwa
Przegląd Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
CLUFF B. 2011  Approaches to shale gas log evaluation  A petro-
phycisist perspective, Denver Section SPE luncheon, Denver, Colorado
21 December 2011; http://discovery-group.com/pdfs/Approaches%
czas
20to%20shale%20gas%20log%20evaluation%20-%20SPE%20luncheo
T2
time
n%20talk.pdf
COATES G.R., XIAO L. & PRAMMER M.G. 1999  NMR Logging -
Principles and Applications edited by Halliburton Energy Services.
czas
DRABINA A., ZORSKI T.& WO NICKA U. 2003  Correlation
T2
time
between Measurements and Monte-Carlo Calculations for the NNTE
Logging-Tool, The Henryk Niewodniczański Institute Of Nuclear Phy-
sics, Poland. www.ifj.edu.pl/reports/2003.html, Report No 1926/AP, Kraków,
czas
T2
sierpień 2003; http://www.ifj.edu.pl/publ/reports/2003/1926. pdf? lang=pl.
time
DRABINA A. & ZORSKI T. 2006  Zastosowanie programu MCNP
do symulacji odpowiedzi sondy neutronowej NNTE. Mat. Konfer.
Nauk.-Techn.  Geopetrol 2006 , Prace Nr 137 INiG, Kraków 2004.
czas
T2
ELLIS D.V. & SINGER J.M. 2008  Well Logging for Earth Scientists,
time
2nd Edition, Springer, Dordrecht, The Netherlands, 46: 25 45.
FLANAGAN W. D., BRAMBLETT R. L., GALFORD J. E., HERT-
ZOG R. C., PLASEK R. E. & OLESEN J.R. 1991  A new generation
nuclear logging system. SPWLA 32nd Annual Logging Symposium,
June 16 19, 1991, pap. Y.
czas
GALFORD J., TRUAX J., HRAMETZ A.& HARAMBOURE C. 2009
T2
time
 A new neutron-induced gamma-ray spectroscopy tool for geochemical
logging , SPWLA 50th Annual Logging Symposium, June 21 24, 2009.
Ryc. 4. ZależnoS
ć sygnałów NMR od iloS
ci i rozmiaru porów w
HAN S.Y., KOK J.C.L., TOLLEFSEN E.M., BAIHLY J.D., MALPANI R.,
skale (wg Coatesa i in., 1999, zmienione)
& ALFORD J. 2010  Shale Gas Reservoir Characterization Using
Fig. 4. Relationship between NMR signals and pore number and
LWD in Real Time, CSUG/SPE 137607 pap., Canadian Unconventio-
pore size in the rock (after Coates et al., 1999, modified)
nal Resources & International Petroleum Conference, Calgary, Alberta,
Canada, 19 21 October 2010.
HEATON N., JAIN V., BOLING B., OLIVIER D., DEGRANGE J.M.,
potencjalnymi użytkownikami zadanie optymalnego wyboru
FERRARIS P., HUPP D. & PRABAWA H. 2012  New Generation
metod. Przy ich doborze musimy kierować się rodzajem
Magnetic Resonance While Drilling, SPE 160022-PP pap. SPE Annual
informacji, jaką z pomiarów zamierzamy uzyskać, jak i Technical Conference and Exhibition held in San Antonio, Texas,
USA, 8 10 October 2012.
oczekiwanym stopniem jej wiarygodnoS
ci. Czasem warto
HERRON M.M. & HERRON S.L. 1990  Geological applications of
wykonać więcej pomiarów, aby uzyskać niezależne
geochemical well logging, Geological application of Wireline Logs.
potwierdzenie krytycznych parametrów złożowych, na Geological Society, London, Special Publications edited by Hurst A.,
Lovell M.A.& Morton A.C.: 165 175.
ogół jednak dla konkretnej formacji można okreS
lić opti-
HERRON S.L. & HERRON M.M. 1996  Quantitative lithology: an
mum koniecznych do zmierzenia parametrów geofizycz-
application for open and cased hole spectroscopy. SPWLA 37th Annual
nych. To optimum znajdujemy budując model geofizyczno-
Logging Symp., June 16 19, 1996.
HIZEM M., BUDAN H., DEVILLE B., FAIVRE O., MOSS� L. &
-geologiczny, który okreS
lamy na podstawie badań labora-
SIMON M. 2008  Dielectric Dispersion: A New Wireline Petrophysi-
toryjnych rdzeni (na podstawie których powinniS
my umieć
cal Measurement, SPE 116130.
wyliczyć odpowiedzi sond geofizycznych generowane w
JARZYNA J. 1998  Otworowe profilowanie jądrowego rezonansu
badanej formacji), co pozwoli na ich powiązanie z poszuki- magnetycznego  nowa efektywna metoda wyznaczania własnoS
ci
zbiornikowych skał, Nafta-Gaz, 54: 215 222.
wanymi parametrami złożowymi okreS
lonymi laboratoryj-
JARZYNA J., BAŁA M. & ZORSKI T. 1999  Metody geofizyki
nie. Ta sprawa będzie jednym z tematów drugiej częS
ci
otworowej, pomiary i interpretacja. AGH, Uczelniane Wydawnictwa
artykułu. Warto też sobie uS
wiadomić, że dysponując
Naukowo Dydaktyczne, Kraków.
JARZYNA J., BAŁA M. & CICHY A. 2009  Elastic Parameters of
nawet ograniczonym zestawem pomiarowym, gdzie za
Rocks from Well Logging in Near Surface Sediments. Acta Geophys.,
minimum musimy uznać zestaw Triple Combo, można roz-
58, DOI:10.2478/s11600-009-0036-3.
wiązać wiele problemów interpretacyjnych nawet w trud-
KLAJA J. 2012  Zastosowanie metody magnetycznego rezonansu
jądrowego do wyznaczania krętoS
ci porów. Nafta-Gaz, 68: 575 584.
nych zagadnieniach związanych z poszukiwaniami gazu z
KRIEGSHAUSER B., FANINI O., FORGANG S., ITSKOVICH G.,
łupków.
RABINOVICH M., TABAROVSKY L., YU L., EPOV M., GUPTA P.
& HORST J. 2000  A new multicomponent induction logging tool to
LITERATURA
resolve anisotropic formations, SPWLA 41st Annual Logging Sympo-
sium, June 4 7, 2000.
AKKURT R., VINEGAR H.J., TUTUNJIAN P.N. & GUILLORY A.J.
LEVERIDGE R. 2008  NMR Logging System Profiles Reservoir Flu-
1995  NMR Logging of Natural Gas Reservoirs. Trans. of SPWLA,
ids In Situ, JPT, August 2008.
36th Annual Logging Symposium, paper N.
LEVERIDGE R. 2010  New Resistivity-Logging Tool Helps Resolve
ALLEN D., FLAUM C., RAMAKRISHNAN T.S., FAIRHURST D.,
Problems of Anisotropy, Swhoulder-Bed Effects, JPT, August 2010.
PRITHARD T., BEDFORD J., GUBELIN G., HEATON N., MINH C.C.,
MATYASIK I. & SŁOCZYŃSKI T. 2010  Niekonwencjonalne złoża
RAMAMOORTHY R., CASTELIJNS K., NORVILLE M.A.& SEIM M.R.  shale gas. Nafta-Gaz, 66: 167 177.
gazu
2000  Trends in NMR Logging, Oilfield Review, Autumn 2000, Schlum- MODICA C.J. & LAPIERRE S.G. 2012  Estimation of kerogen poro-
berger.
sity in source rocks as a function of thermal transformation: Example
ARCHIE G.E. 1942  The Electrical Resistivity Log as an Aid in
from the Mowry Shale in the Powder River Basin of Wyoming, AAPG
Determining Some Reservoir Characteristics, Published in Petroleum
Bulletin, 96: 87 108.
Transactions, AIME,146: 54 62.
MONTARON B. 2008  Connectivity Theory  a new approach to
BRIE A., ENDO T., HOYLE D., CODAZZI D., ESMERSOY C., HSU K.,
modeling "non-Archie" rocks, SPWLA 49th Annual Logging Sympo-
DENOO S., MUELLER M.C., PLONA T., SHENOY R.& SINHA B.
sium, May 25 28, 2008, pap. GGGG.
1998  New directions in sonic logging. Oilfield Review, Spring:
PASSEY Q.R., BOHACS K. M., ESCH W.L., KLIMENTIDIS R. &
40 55; http://discovery-group.com/pdfs/Approaches%20to%20shale% SINHA S. 2010  From Oil-Prone Source Rock to Gas-Producing Sha-
20gas%20log%20evaluation%20-%20SPE%20luncheon%20talk.pdf. le Reservoir-Geologic and Petrophysical Characterization of
433
Przegląd Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
Unconventional Shale-Gas Reservoirs, pap. SPE 131350 prepared for SCHLUMBERGER 2005  Sonic Scanner; http://www.slb.com/~
presentation at the CPS/SPE International Oil & Gas Conference and
/media/Files/evaluation/brochures/wireline_open_hole/petrophysics/
Exhibition in China held in Beijing, China, 8 10 June 2010.
acoustic/sonic_scanner_br.pdf.
PASSEY Q.R., BOHACS K.M.,. ESCH W.L., KLIMENTIDIS R. &
TIMUR A. 1968  An investigation of permeability, porosity and resi-
SINHA S. 2012  My Source Rock is Now My Reservoir-Geologic and
dual water saturation reltionships for sandstone reservoirs. Log Ana-
Petrophysical Characterization of Shale-Gas Reservoirs Search and Discovery
lyst, July August: 8 17.
Article #80231 (2012), Adapted from 2011 2012 AAPG Distinguished
TOLLEFSEN E., ALFORD J., KOK J., PERRY A., HAN S.Y., MAL-
Lecture for AAPG European Region; http://www.searchanddiscovery.com/
PANI R., BAIHLY J. & VAUTER E. 2013  Unlocking the Secrets for
documents/2012/80231passey/ndx_passey.pdf.
Viable and Sustainable Shale Gas Development, SPE 139007,
PEVERARO R. & THOMAS E.C. 2010  Effective porosity: a defen-
2010,Worthington P.F., 1985: The Evolution of Shaly-Sand Concepts in
sible definition for shaly sands, SPWLA 51st Annual Logging Sympo-
Reservoir Evaluation. The Log Analyst, 26: 23 40.
sium, June 19 23, 2010.
WO NICKA U.(red.), PASZKOWSKI M., PORĘBSKI S.J., FLOR-
PUSKARCZYK E.  2011  Ocena własnoS
ci zbiornikowych skał przy
KOWSKA L., NOWAKOWSKI A., TAJDUR
K., ULIASZ M., KĄTNA
wykorzystaniu zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego. Praca
Z., RZEPKA M., KREMIENIEWSKI M., KUBAL K., FILIP S., BAŁA M,.
doktorska. Biblioteka Główna AGH.
ZORSKI T., WO NICKA U., DROZDOWICZ K., FRODYMA A.,
RADTKE R.J., LORENTE M., ADOLPH B., BERHEIDE M., FRICKE S.,
WILK Z., KASZA P. & CZUPSKI M. 2008  Nowe aplikacje w zakre-
GRAU J., HERRON S., HORKOWITZ J., JORION B., MADIO D.,
sie udostępniania i eksploatacji złóż węglowodorów otworami kierun-
MAY D., MILES J., PERKINS L., PHILIP O., ROSCOE B. & STOL-
kowymi i poziomymi. Praca zbiorowa zrealizowana w ramach
LER C. 2012  A New Capture and Inelastic Spectroscopy Tool Takes
Naukowej Sieci Tematycznej pod redakcją prof. dr hab. Urszuli
Geochemical Logging to the Next Level. SPWLA 53rd Annual Log-
Wox
nickiej, Prace Instytutu Nafty i Gazu Nr 152, Kraków.
ging Symposium, June 16 20, 2012.
ZAWISZA L. 1993  Simplified Method of Absolute Permeability Esti-
ROSTHAL R., BARBER T., BONNER S., CHEN KC, DAVYDY-
mation of Porous Beds. Archives of Mining Sciences, 38.
CHEVA S., HAZEN G., HOMAN D., KIBBE C., MINERBO G.,
ZORSKI T. 2002  Dekonwolucja w geofizyce wiertniczej  korzyS
ci i
SCHLEIN R., VILLEGAS L., WANG H. & ZHOU F. 2003  Field test
results of an experimental fully triaxial induction tool SPWLA 44th ograniczenia w praktycznym zastosowaniu przy poszukiwaniu węglo-
wodorów. Nafta-Gaz, 58: 9.
Annual Logging Symposium, June 22 25; 2003.
ZORSKI T., OSSOWSKI A., R
RODOŃ J. & KAWIAK T. 2011  Eva-
SCHLUMBERGER 2004  DSI- Dipol Shear Sonic Imager; http://www.
luation of mineral composition and petrophysical parameters from well
slb.com/~/ media/Files/ evaluation/product_sheets/wireline_open_hole/
petrophysics/ acoustic/dsi.pdf. logging data: the Carpathian Foredeep case study. Clay Minerals, 46: 1 21.
434