GEOFIZYKA POSZUKIWAWCZA

Geofizyka wiertnicza, otworowa, karotaż.

Jest to zespół metod pomiarowych w otworach rejestrujących fizyczne parametry skał. Jej celem jest określenie miary mierzonych parametrów fizycznych i podanie petrofizycznych parametrów skał. Geofizyka wiertnicza to zespół metod pomiarowych wykonywanych w otworach, rejestrujących fizyczne parametry ośrodka. Metody tradycyjne profilowań początkowo polegały na wykonaniu wykresów liniowych. Dopiero później w zapisie cyfrowym. Wyniki przedstawiane są w postaci wykresów w skali najczęściej 1:500 i 1:2000. Wykresy te przedstawiają m.in. profilowanie średnicy, oporności, gamma, potencjałów naturalnych. Na początku podajemy nazwę otworu, numer i wysokość.

Wyniki z metod tradycyjnych przedstawiane są w zapisie liniowym, nowoczesna aparatura przedstawia wyniki w skali liniowej a częściowo w skali logarytmicznej (PO tylko w skali logarytmicznej). Profilowanie w geofizyce otworowej to rejestracja zmian fizycznego parametru z głębokością. W otworach zarurowanych wykonuje się profilowanie temperatury, jądrowe. PO wymaga płuczki w otworze lub solanki przewodzącej prąd. PL może być wykonywane w otworach pustych. Pomiar wykonuje się ciągnąc sondę w górę.

Aparatura pomiarowa.

Składa się z: sondy wgłębnej, kabla, wyciągu, naziemnej aparatury rejestrującej.

Strefy wokół otworu.

Strefa filtracji - tworzy się poprzez wniknięcie płuczki do ośrodka skalnego wokół otworu; jej zasięg radialny zależy od zdolności skał do umożliwienia mediom złożowym ruchu w przestrzeni porowej oraz od parametrów filtracyjnych płuczki; w skałach drobnoziarnistych, porowatych, przepuszczalnych promień może wynosić od 1m; w skałach o małym współczynniku porowatości i przepuszczalności (wapienie, dolomity) obserwuje się głęboką filtrację filtratu płuczki, natomiast w skałach o dużym współczynniku porowatości i przepuszczalności filtracja nie jest głęboka (jest to strefa w której miesza się woda złożowa, węglowodory i płuczka); powstawanie strefy filtracji zaznacza się poprzez osad ilasty (korek) na ścianie otworu; zasięg strefy filtracji zależy od przepuszczalności warstwy i jej porowatości oraz różnicy ciśnień.

Strefa przemyta - część strefy filtracji w kształcie pierścienia przylegającego do ścianki otworu, w której filtrat prawie całkowicie wyparł pierwotne płyny złożowe.

Poprawki na wpływ otworu.

Wielkość poprawki zależy od:

1. średnicy otworu - tj. różnicy między średnicą otworu i średnicą sondy;

2. własności płuczki - oporność, zasolenie, gęstość, czy jest potasowa (p jądrowe); oporność płuczki zmienia się wraz z głębokością (gradient geotermiczny) stąd stosuje się specjalne nomogramy poprawkowe bądź wykonuje się profilowanie oporności płuczki w otworze.

Poprawki na wpływ warstw otaczających.

Szczególnie podatne na zniekształcenia są odczyty z warstw cienkich. Istotny tu jest stosunek długości sondy do długości warstwy. Każda sonda ma swoje nomogramy poprawkowe.

Podział metod karotażu.

ELEKTROMETRIA:

• profilowanie oporności gradientowe i potencjałowe Pog i Pop;

• profilowanie oporności sterowane Post;

• profilowanie oporności indukcyjne PI;

• mikroprofilowanie oporności mPO;

• profilowanie potencjałów naturalnych PS;

• profilowanie dielektryczne PD;

RADIOMETRIA (geofizyka jądrowa):

• profilowanie gamma PG;

• profilowania neutronowe:

neutron - gamma PMG

neutron - neutron PNN;

• profilowanie gamma - gamm PGG;

• spektrometryczne profilowanie neutron sPG;

• spektrometryczne profilowanie neutron - gamma sPNG;

• spektrometryczne profilowanie gamma - gamma sPGG;

• profilowanie wzbudzonej aktywacji PWA;

PROFILOWANIA AKUSTYCZNE:

• profilowanie akustyczne prędkości PAP;

• profilowanie akustyczne tłumienia PAT;

• badanie obrazu falowego;

• telewizor akustyczny TV;

PROFILOWANIA TREMICZNE

PROFILOWANIA MAGNETYZMU JĄDROWEGO

PROFILOWANIA MAGNETYCZNE

PROFILOWANIA UPADU WARSTW

PROFILOWANIA ŚREDNICY OTWORU

PROFILOWANIA KRZYWIZNY OTWORU

Interpretacja wyników badań geofizyki otworowej.

Jakościowa - może być prowadzona w oparciu o parametry pozorne; rozdzielenie profilu na jednostki litologiczne (warstwy), odczyt pozornych parametrów, ocena granic warstw i ich miąższości, ocena litologiczna skał, korelacja warstw między tworami wzdłuż wybranego profilu, wydzielenie horyzontów o lepszych właściwościach zbiornikowych, wydzielenie pokładów węglowych, wydzielenie stref o interesujących własnościach np. stref okruszcowanych.

Ilościowa (wiąże się z konkretnymi wartościami poszczególnych parametrów) - prowadzenie interpretacji ilościowej wymaga przejścia od parametrów pozornych do rzeczywistych; określenie procentowego udziału wybranych składników litologicznych; wyznaczenie wartości liczbowych fizycznych parametrów skał np. parametrów zbiornikowych (porowatości, przepuszczalności i nasycenia przestrzeni porowej), parametrów mechanicznych (dynamicznych modułów sprężystości skał) i innych wielkości opisujących wybrane cechy warstw np. popielność i wilgotność węgli.

Interpretacja ilościowa zawiera kilka etapów:

I etap, mierzone parametry:

R_a - oporność pozorna;

C_a - przewodność pozorna;

J_G - intensywność promieniowania;

t - czas interwałowy;

d_n - nominalna średnica otworu (świdra);

• przejście (matematyczne rozwiązania analityczne, rozwiązania numeryczne);

II etap, parametry poprawione (rzeczywiste):

R_T - oporność rzeczywista;

R_i - oporność strefy filtracji;

Rx_o - oporność strefy bliskiej;

parametry rzeczywiste;

• przejście (związki statystyczne, modele matematyczne);

III etap, parametry złożowe:

 - współczynnik porowatości efektywnej;

_ - oporność całkowita;

S_H - nasycenie wodą;

S_o - nasycenie ropą;

S_G - nasycenie gazem;

V_m - objętość matrycy;

k - przepuszczalność;

V_H - obecność materiału ilastego;

A_c - popielność węgla;

C - zawartość czystego węgla;

SCHEMAT INTERPRETACJI ILOŚCIOWEJ

Profilowania		Wyniki
DANE WEJŚCIOWE	SPOSÓB INTERPRETACJI	WYNIKI INTERPRETACJI
Profilowania:
Oporności	Równanie	Współczynnik porowatości
Gamma	Układ równań	Współczynnik nasycenia
Neutronowe	Wykres krzyżowy	Zawartość minerałów ilastych
Akustyczne	Wykres ruchomej ropy	Skład mineralny

Schemat interpretacji ilościowej

Z wykładu:

Pomiar Parametry pozorne Ra

Poprawki Parametry rzeczywiste Rt

Model

interpretacyjny Parametr geologiczny, O porowatość

górniczy E moduł Younga

Typy sondy.

• sonda luźno zawieszona w otworze (rura zawieszona na kablu): sondy elektryczne (na końcu kabla jest głowica do której dokręcane są różne sondy);

• sondy zcentralizowane - leżą w otworze centrycznie za pomocą odnóg: sondy akustyczne;

• sondy decentralizowane - dociskane do ścian otworu: sondy radiometryczne;

- ELEKTROMETRIA -

Przedmiotem obserwacji są właściwości pola elektrycznego wytworzonego sztucznie w ośrodku skalnym przez system elektrod na którym utrzymywana jest stała różnica potencjałów. Metodą tą wykonuje się pomiary oporu właściwego skał znajdujących się w obrębie wytwarzanego pola i na ich podstawie bada się ułożenie skał różniących się zdolnością do przewodzenia prądu elektrycznego. Obejmuje pomiary wykonywane z użyciem stałych pól elektrycznych lub pól elektromagnetycznych o zmiennych częstotliwościach. Opierają się na zmianie elektrycznych własności skał: elektryczna oporność właściwa lub elektryczne przewodnictwo; przenikalność dielektryczna; zdolność skał do polaryzacji. Najwięcej jest w elektrometrii profilowań i mikroprofilowań oporności a w tym: profilowanie dielektryczne, pomiary radarowe.

PROFILOWANIE OPORNOŚCI (PO):

• profilowanie elektrodowe;

• profilowanie kontaktów ślizgowych.

Zastosowanie PO:

• do wyrywania surowców mineralnych (ropa, gaz, węgle, rudy, sole);

• do badania litologii;

• do wyznaczania współczynnika porowatości i przepuszczalności;

• do ustalenia reperów do korelacji.

Profilowanie oporności to podstawa do określenia porowatości efektywnej oraz rodzaju i wielkości nasycenia przestrzeni porowej skał. Niestety wpływ środowiska na rejestracją oporności skały jest duży (w przypadku użycia sond klasycznych). Pomiary oporności można podzielić na kilka zasadniczych grup:

• klasyczne, potencjałowe, gradientowe, indukcyjne profilowania oporności;

• sterowane profilowania oporności - LATEROLOGI;

• mikroprofilowania oporności;

• elektryczne obrazowanie ścianki otworu;

Elektryczne własności skał:

• oporność właściwa;

• przewodność właściwa;

• przenikalność właściwa;

• podatność elektryczna;

• naturalna aktywność elektrochemiczna;

• oporność właściwa skał (R) - to zdolność skały do przewodzenia prądu elektrycznego: opór elektryczny R jaki stawia kostka ścienna skały o długości l i przekroju S przy przepływie prądu: ρ  R(S/l)

Wyróżnia się dwie przewodności:

• jonowa przewodność (typ elektrolityczny), czyli ruch jonów w mediach;

• elektronowa przenikalność (typ metaliczny), ruch elektronów;

Skały osadowe mają głównie przewodność jonową, tzn. nośnikami prądu są jony znajdujące się w wodach złożowych, nasycających przestrzenie porowe skał. Przestrzenie te muszą być połączone ze sobą (porowatość efektywna). Duży wpływa na oporność ma zawartość minerałów ilastych występujących jako spoiwo, laminki oraz jako składnik szkieletu mineralnego skały. Wody złożowe mając różną mineralizację charakteryzują się zmienną R. Oporność elektryczna właściwa skał może być anizotropowa co wiąże się z niejednorodną budową skał. Oporność wzdłużna R_H mierzona jest w kierunku zgodnym z uwarstwieniem, oporność poprzeczna R_V, która jest mierzona prostopadła do R_H. Większa jest oporność poprzeczna, ponieważ prąd płynie szybciej wzdłuż warstw niż prostopadle do nich. Niejednorodność skał otaczających, badany poziom oraz obecność otworu i strefy filtracji sprawia, że pomierzona oporność to oporność pozorna. Rzeczywistą oporność warstwy uzyskuje się na podstawie ilościowej interpretacji (celem jej jest eliminacja wpływu otworu oraz warstw sąsiednich) krzywych pomiarowych, która polega na wykorzystaniu m.in. nomogramów i tzw. paletek. Wyznaczenie rzeczywistej oporności warstwy R_T, strefy przemytej Rx_o i strefy filtracji R_i wymaga wykonania pomiaru przynajmniej trzema sondami o różnych radialnych zasięgach.

Wzrost oporności:

• krzemiany i węglany mają bardzo wysoką oporność właściwą; obniżenie zawartości soli i automatyczne zmniejszenie mineralizacji wód prowadzi do wzrostu oporności;

• filtracja płuczki powoduje wzrost oporności medium, strefy filtracji i przemytej;

• w strefie przemytej może być resztkowe nasycenie HC co powoduje wzrost ρ;

Spadek oporności:

• niektóre tlenki, siarczki, metale rodzime mają bardzo niską ρ;

• elektryczna oporność wód złożowych maleje wraz ze wzrostem temperatury;

• minerały ilaste mają zdolność do wytwarzania pola elektrycznego dzięki warstwowej budowie (duża powierzchnia właściwa - absorpcja jonów z wód złożowych), co ma związek z ich właściwościami absorpcyjnymi tzn. minerały ilaste absorbują związki chemiczne w postaci jonów, jony tworzą pomiędzy pakietami ,,kondensatory'', a przez to mają bardzo niską ρ

• jeśli zasolenie jest duże to łatwiej skała przewodzi prąd - oporność jest wtedy niska

Zasada pomiaru oporności w otworze:

Do otworu zapuszcza się na kablu sondzie zakończoną elektrodami. W sondzie są zazwyczaj trzy elektrody, czwarta znajduje się na powierzchni ziemi. Przez elektrody A i B przepuszcza się prąd o natężeniu I powodujący powstanie w skale pola elektrycznego. Za pomocą elektrod N i M mierzy się różnicę potencjałów U miedzy dwoma punktami pola elektrycznego w skale: ρ_  (U/I), gdzie K - stała sondy. Opór wyliczony z tego wzoru jest oporem pozornym (ρ_  R_a), gdyż nie odzwierciedla on oporu jednej skały lecz całego kompleksu znajdującego się w obrębie przestrzennego pola elektrycznego. Na wartość oporu pozornego wpływa opór właściwy (ρ) poszczególnych rodzajów skał znajdujących się w zasięgu pola.

Typy elektrod:

• parzyste - elektrody włączone w jeden układ pomiarowy lub prądowy (te same);

• nieparzyste - trzecia elektroda włączona w jeden obwód z elektrodą znajdującą się na powierzchni ziemi;

• pomiarowe - N, M i prądowe - A, B.

Typy sond:

• jednobiegunowa - sonda mająca jedną elektrodę prądową lub inaczej, gdy obie elektrody pomiarowe N i M są zapuszczone;

• dwubiegunowa - sonda mająca dwie elektrody prądowe lub inaczej gdy obie elektrody prądowe A i B są zapuszczone;

• potencjałowa - odległość między elektrodami parzystymi (tego samego typu) jest znacznie większa od odległości między elektrodą nieparzystą, a środkową: idealna to sonda, w której odległość między elektrodami parzystymi jest nieskończenie mała; odległość sondy potencjałowej to odległość od elektrody nieparzystej do elektrody środkowej; punkt zapisu sondy potencjałowej znajduje się w środku odległości od elektrody nieparzystej a środkowej, na krzywej oporności pozornej (zarejestrowanej w warstwie o miąższości znacznie większej niż długość sondy, podobnie dzieje się gdy jest sytuacja odwrotna), zaznaczają się wyraźnie punkty o ekstremalnej wartości oporności pozornej, wyznaczające położenie głębokości zalegania stropu i spągu badanego poziomu. W praktyce krzywe zarejestrowane sondami o małych długościach (w porównaniu do miąższości warstwy) mogą być stosowane do wyznaczania granic zalegania warstw.

• gradientowa - odległość między elektrodami parzystymi (tego samego typu np. N i M) jest znacznie mniejsza od odległości między elektrodą nieparzystą a środkową: idealna to sonda, w której odległość między elektrodami parzystymi jest nieskończenie mała; długość sondy gradientowej to odległość między elektrodą nieparzystą a punktem O znajdującym się w połowie między elektrodami parzystymi; punkt zapisu sondy jest w środku między blisko położonymi elektrodami tego samego typu; charakterystyczną cechą krzywych potencjałowych jest ich niesymetryczność względem środka warstwy - na krzywej oporności pozornej (zarejestrowanej w warstwie o miąższości znacznie większej niż długość sondy, podobnie dzieje się gdy jest odwrotnie) nie ma już wyraźnie zaznaczonego stropu i spągu tak jak to było na krzywych gradientowych; gdy miąższość warstwy jest mała krzywe jest najgorzej, wtedy to właśnie następuje zjawisko inwersji oporności pozornej w stosunku do oporności rzeczywistej, z tego powodu pomiar sondami potencjałowymi w warstwach o małej miąższości jest mało przydatny, dobre wyniki są tylko w warstwach o większych miąższościach (oporność bliska rzeczywistej); sonda gradientowa krótka zbiera informacje z promienia równego ½ całości długości sondy; najdłuższe sondy penetrują warstwy powyżej badanego poziomu stąd wpływy skał otaczających.

• stropowa - elektrody parzyste znajdują się u góry; na wykresie maksimum oporności zaznaczone jest w stropie warstwy o wysokiej oporności;

• spągowa - elektrody parzyste u dołu; na wykresie maksimum oporności zaznaczone jest w spągu warstwy o wysokiej oporności;

• standardowa - sonda o tak dobranej długości, która przy pomiarze w otworze pozwala wydzielić możliwie najwięcej warstw, a zmierzona oporność pozorna właściwa jest najbliższa rzeczywistej. Im sonda jest dłuższa tym zasięg radialny jest większy. Pomiar sondą długą może być zniekształcony wpływem skał otaczających (im ośrodek z coraz cieńszymi warstwami tym coraz gorzej).

SONDOWANIE OPORNOŚCI (SO):

Pomiar oporności skały wykonany w otworze kompletem sond, najczęściej gradientowych o różnej długości. Są to sondy gradientowe spągowe a czasami uzupełnia się pomiarami oporności sondami gradientowymi stropowymi. Di interpretacji krzywych SO należy znać oporność właściwą płuczki oraz średnice otworu w badanym przedziale otworu. SO to komplet pomiarów oporności w skład którego wchodzą przynajmniej 4 krzywe jednego typu8 (gradientowe lub potencjałowe). Gradientowe sondowanie oporności często uzupełnia się potencjałowym sondowaniem oporności. Krzywa SO przedstawia zmiany oporu pozornego w zależności od głębokości (zależnie od długości sondy) wnikania w ściany otworu elektrycznego pola pomiarowego. Kształt krzywej SO zależy od: oporu właściwego płuczki, średnicy otworu, oporu właściwego strefy przemytej, oporu właściwego skały.

STEROWANE PROFILOWANIE OPORNOŚCI (POst):

W metodzie tej ograniczono wpływ środowiska na pomiar oporności.

Sondy sterowane (LATEROLOG).

To udoskonalone sondy klasyczne. Dziś stosowane są podwójne laterologi połączone z urządzeniem do szczegółowego badania średnicy otworu - ARI. Możliwe jest rejestrowanie jednoczesne oporności strefy nie zmienionej LLd i strefy filtracji LLs. Sondą najdłużej stosowaną jest trójelektrodowy laterolog LL3. W sondach o większej liczbie elektrod LL7, LL8 stosuje się elektrody prądowe. Określenie oporności opiera się też jak w POp i POg na wzorze: ρ  (U/I), gdzie oporność pozorna zmierzona sondami sterowanymi jest bliska rzeczywistej oporności R_T.

• Sonda LL7 - składa się z 3 elektrod prądowych i dwóch par elektrod pomiarowych: elektrody A₁ - A₂, N₁ - N₂, M₁ - M₂ rozmieszczone są symetrycznie względem elektrody centralnej A₀; w trakcie pomiarów różnica potencjałów między N₁ i M₁ równa się różnicy potencjałów między N₂ i M₂ i przez to zeruje się: U_M1N1 = U_M2N2 = O. Daje to bezprądową warstwę między N₁ i M₁, stąd linie prądowe zaginają się i są odpowiednio ogniskowane. Mierzy się różnicę potencjałów U jednej z elektrod pomiarowych względem elektrody N (znajduje się daleko od elektrod prądowych, w celu eliminacji wpływu pola tych elektrod na wyniki badań) oraz natężenie prądu I₀ wysyłanego przez centralną elektrodę A₀ i otrzymuje się oporność pozorną: R_a = K_LL7(U/I₀), gdzie K_LL7 - stała sondy siedmio-elektronowej. Długość LL7 wyznacza odległość między O₁ - O₂ (punkty te znajdują się w połowie odległości między M₁ - M₂ i M₂ - M₂). Głębokość zasięgu metody jest tym większa im większa jest odległość między elektrodami A₁, A₂.

• Sonda LL3 - zbudowana z 3 wydłużonych elektrod metalowych: A₀ - centralna krótka oraz A₁ i A₂ - sterowane, umieszczone symetrycznie względem A₀ i wydłużone. Istota pomiaru to zmierzenie oporności uziarnienia elektrody A₀ za pomocą A₁ i A₂ wysyłających prąd w tym samym kierunku co A₀. Podczas pomiaru utrzymywane jest stałe natężenie prądu I₀ wysyłanego przez A₀. Mierzy się stosunek różnicy potencjałów między A₀ i elektrodą N umieszczoną w znacznej odległości od natężenia prądu I₀.

1. przy jednakowej oporności skał otaczających warstwę krzywe są symetryczne względem środka warstwy:

• na wprost warstwy o małej miąższości amplitudy krzywej ma kształt ostrego minimum;

• na wprost warstwy o dużej miąższości amplitudy krzywej ma kształt nieostrego minimum;

• na wprost warstwy o miąższości porównywalnej do długości LL3 naprzeciw środka warstwy zaznacza się słabe minimum między dwoma maksimami;

2. przy różnej oporności skał otaczających warstwę krzywe są niesymetryczne względem środka warstwy.

• Sonda DL (Dual Laterolog) - wyposażona jest w 9 elektrod: 5 prądowych i 4 pomiarowe. Otrzymuje się bardziej skupioną wiązkę linii prądowych.

• Sonda sferyczna SFL - ma dość płytki zasięg radialny. Daje informacje o oporności strefy przemytej. Elektrody zbliżone są do cylindrycznych i są ułożone symetrycznie podobnie jak LL7 i LL3. Pomiary są obarczone bardzo niewielkim wpływem otworu.

Kierunek wzrostu zasięgu: sonda sferyczna - SFL > sonda dual laterolog (dla pomiaru oporności strefy filtracji) - LLs > sonda sterowana - LL3 > sonda sterowana - LL7 > sonda dual laterolog (dla pomiaru oporności strefy niezmienionej) - LLd.

Zalety POst:

• wskazania sondy mało zależą od oporności płuczki R_m;

• mineralizacja płuczki też nie pływa;

• dobre wyniki przy badaniu skał o dużej oporności (np. węglanowe);

• dobre wyniki przy badaniu warstw niejednorodnych;

• dobre wyniki przy wydzielaniu poziomów zbiornikowych, nasyconych, solankami oraz poziomów ropo- i gazonośnych;

• dobre wyniki przy wyznaczaniu zasięgu filtracji;

• dobre wyniki przy określaniu rzeczywistej oporności warstwy;

• dobre wyniki przy określaniu współczynnika porowatości efektywnej;

• dobre wyniki przy określaniu współczynnika nasycenia wodą lub HC;

• mierzona oporność pozorna jest bliska oporności rzeczywistej.

MIKROPROFILOWNIA OPORNOŚCI (mPO):

Wykonywane są mikrosondami, będącymi odpowiednikami typowych sond PO, ale mają mniejsze odległości między elektrodami i posiadają charakterystyczną sprężystą podkładkę dociskającą mikrosondę do ściany. Elektrody są wprasowane w tą podkładkę. Mikroprofilowanie oporności wykonuje się w układzie potencjałowym i gradientowym tzn. że konstrukcja mikrosond mPO jest podobna do sond potencjalnych i gradientowych w klasycznym PO. Jest to układ dwóch pracujących sond: potencjałowej i gradientowej. Zasięg sondy gradientowej to korek ilasty, natomiast potencjałowej do strefy przemytej. Gdy nie ma korka ilastego wskazania obu sond są takie same. Gdy jest strefa filtracji krzywe z obu stron rozchodzą się. Pomiar mPO zniekształcony jest silnie opornością i miąższością osadu ilastego. Do określenia rzeczywistej oporności warstwy i zasięgu strefy filtracji na podstawie interpretacji LLd, LLs i profilowania strefy przemytej służą wykresy typu ,,tornado''. Granice warstw wyznacza się w punktach przegięć anomalii wykresu.

Zastosowanie mPO:

• do określania oporności strefy bliskiej - Rx₀;

• do określenia oporności i miąższości korka;

• do wydzielania i określania parametrów zbiornikowych, cienkich poziomów kolektorskich;

• do wydzielenia obszarów porowatych i przepuszczalnych w profilu otworu;

• do wydzielenia oporności pozornej osadu ilastego (sonda gradientowa);

• do wydzielenia oporności pozornej strefy przemytej (sonda potencjałowa);

STEROWANA MIKROPROFILOWNIA OPORNOŚCI (mPOst):

Do wyznaczenia oporności właściwej skał bezpośrednio przylegających do ścianki otworu, a jeśli warstwa jest przepuszczalna to i strefy filtracji. Na wynik nie wpływa praktycznie osad ilasty ani płuczka.

Mikrosondy sterowane (mikrolaterolog).

• ML (minerolog) - w środku gumowej wkładki są 3 elektrody. Elektrody wykonane są w kształcie pierścieni i umieszczone współśrodkowo na podkładce gumowej. Przez centralną elektrodę A₀ przepuszcza się prąd o natężeniu znanym I₀, skrajna elektroda A₁ jest elektrodą sterującą. Natężenie reguluje się tak, aby różnica potencjałów między elektrodami pierścieniowymi M i N była równa zero. Przy wyznaczaniu oporności mierzymy potencjał jednej z elektrod M lub N.

• MLL (microlaterolog) - układ pomiarowy tak jak w LL7. Cylindryczne elektrody wtopione w bardzo twardą gumę na ramieniu silnie dociskanym do ścianki otworu. Zasięg około 1,5''.

• PL (proximitylog) - układ pomiarowy podobny do LL3, linie prądowe są do siebie równoległe.

• MSFL - układ jak w SFL.

Zastosowanie mPOst:

• do określania oporności korka ilastego;

• do określania grubości korka ilastego;

• do określania oporności strefy przemytej;

PROFILOWNIE INDUKCYJNE (PI):

Polega na badaniu wzdłuż otworu zmian przewodności elektrycznej skał (oporności skał) na podstawie pomiaru wtórnego pola magnetycznego, prądów wirowych indukowanych w badanym ośrodku. Oporność pozorna wyznaczona PI wymaga zastosowania poprawek na wpływ otworu i warstw otaczających. Wartość zmierzonego pozornego przewodnictwa jest mniejsza od właściwego przewodnictwa z powodu skin effect'u. Należy więc stosować poprawki na te zjawisko.

Sondy indukcyjne:

Składa się z cewki nadawczej i odbiorczej, umieszczonych na wspólnym korpusie wykonanym z izolatora. W zwojach cewki przepływa prąd I₁, który wywołuje pierwotne zmienne pole magnetyczne B₁. B₁ jest przyczyną powstawania prądów wirowych w ośrodku. Prądy te powodują tworzenie się wtórnego pola magnetycznego B₂. Mierzy się siłę elektromotoryczna SEM indukowaną w cewce odbiorczej. Natężenie prądów wirowych jest proporcjonalne do elektrycznej przewodności skał. Zaletą PI w porównaniu z innymi pomiarami oporności jest to, że nie potrzebna jest płuczka w otworze (może być też płuczka nie przewodząca prądu). Stosując PI w otworach z płuczką przewodzącą otrzymuje się lepsze rezultaty niż przy profilowaniu czy sondowaniu oporności. Na wyniki PI ma wpływ oporność strefy filtracji. Sondy stosowane obecnie są zbudowane z kilku cewek. Są to:

• DIL - sonda indukcyjna o podwójnym zasięgu, umożliwiająca podobnie jak podwójny laterolog równoczesny pomiar oporności w strefie dalekiej - Ild oraz w strefie średniego zasięgu - Ilm;

• HRI - sonda o podwyższonej pionowej rozdzielczości. Prowadzone są badania nad wprowadzeniem sond indukcyjnych umożliwiających pomiar w trakcie wiercenia- MWD.

Zastosowanie PI:

• zwłaszcza do poszukiwań skał ropno - gazowych;

• stosowane w otworach wypełnionych płuczką o dużej oporności;

• sondy duże PI są najefektywniejsze przy badaniu ośrodków o opornościach właściwych mniejszych od 100 m;

• PI daje lepsze wyniki niż laterologi przy określaniu rzeczywistej oporności ośrodków o niższych opornościach.

Profilowanie potencjałów polaryzacji naturalnej PS (do PI):

Pomiar krzywej PS polega na rejestrowaniu zmiany naturalnego pola elektrycznego wzdłuż otworu. Pomiar potencjałów naturalnych w odwiercie polega na rejestracji różnicy potencjałów powstających na skutek procesów fizyko - chemicznych zachodzących w skałach nasyconych wodami o innym zasoleniu niż płuczka. Zjawiska wywołujące powstanie potencjałów naturalnych to:

• dyfuzja i adsorbcja jonów;

• filtracja cieczy w porach skalnych ;

• utlenianie i redukcja.

Dyfuzja jonów.

Proces ten zachodzi w momencie zetknięcia się dwóch roztworów o różnej koncentracji soli. W skale jest to woda złożowa i płuczka. Jeśli w obu cieczach występują tylko jony soli NaCl to z roztworu o wyższej koncentracji dyfundują jony Na i Cl do roztworu o niższej koncentracji celem uzyskania równowagi. Jony Cl są szybsze i szybciej przechodzą do roztworu o niższej koncentracji. Stąd po pewnym czasie roztwór o mniejszej koncentracji ma nadwyżkę jonu Cl, a więc ładunek ujemny a roztwór o większym stężeniu na skutek nadwyżki jonów Na ma ładunek dodatni. Na granicy otworu obserwuje się rozkład ładunków elektrycznych. Jeśli wody złożowe mają wyższą koncentrację niż płuczka, to w otworze na ściance będzie nadmiar ładunków ujemnych a od strony warstwy ładunków dodatnich. Na kontakcie takim, czyli roztworów tych samych soli, lecz o różnych stężeniach różnica potencjałów dyfuzyjnych lub inaczej siła elektromotoryczna opisana jest równaniem Nernsta.

E_d = K_dlg(A_w/A_mf) gdzie K_d - współczynnik dyfuzyjny: K_d =[(u-v)/(u+v)](RT/F), u,v - ruchliwość kationów i anionów, F - stała Faradaya = 96500'C, R - stała gazowa = 8,314(J/'C) T - temperatura w `K, A_w i A_mf - aktywności chemiczne wód złożowych i filtratu płuczki. Procesy dyfuzyjne są główną przyczyną powstawania SEM w skałach oasdowych.

Adsorbcja jonów:

Związana jest z obecnością skał ilastych, otaczających warstwy przepuszczalne. Skały ilaste zachowują się jak przegroda przepuszczająca tylko jony dodatnie Na, a zatrzymują jony ujemne Cl. Wiąże się to z obecnością na powierzchni cząstek ilastych, otoczki wody związanej oraz elektrycznej warstwy tworzącej lokalne pole sił elektrostatycznych. Jony ujemne Cl równoważą ładunki dodatnie zewnętrznej warstwy elektrycznej. Kierunek przechodzenia jonów Na zgodny jest z kierunkiem przepływu prądu. Siła elektromotoryczna adsorbcji opisana jest też przez równanie Nernsta. E_PS = K_PSlg(A_w/A_mf), gdzie współczynnik absorbcyjny K_a = RT/F i ruchliwość anionu v = O oraz K_PS - współczynnik dyfuzyjno - adsorbcyjny, będący sumą bezwzględnych wartości K_d i K_a.

Potencjały filtracyjne.

Związane są z przemieszczaniem się cieczy w porach skalnych. Powstaje na skutek filtracji płuczki do warstwy. Na granicy zetknięcia się faz ciekłej i stałej tworzy się w cieczy elektrostatyczna warstwa podwójna. Pod wpływem ruchu cieczy ładunki z ruchomej części warstwy podwójnej przesuwane są względem części nieruchomej, powodując powstanie siły elektrokinetycznej, którą opisuje równanie Helmholtza. E_f = K_f(R_mf/)*(dP/dx), gdzie K_f - wielkość, będąca funkcją stałej dielektrycznej cieczy filtrującej i potencjału  odpowiadającego dyfuzyjnej części warstwy podwójnej, R_mf - oporność cieczy,  - lepkość kinematyczna cieczy, dP/dx - gradient ciśnienia. Potencjał filtracyjny jest zwykle niewielki i na krzywej PS nie uwzględnia się go.

Potencjały utleniania i redukcji.

W niektórych skałach zachodzą reakcje redox prowadzące do powstania pola elektrycznego. Najczęściej potencjały te obserwuje się w skałach okruszcowanych, w obecności siarczków i tlenków metali. Wartość E_u+r zależy od składu jonowego minerałów oraz wód złożowych i płuczki.

Typy zailenia w geofizyce.

laminarny - w skałach czystych są wkładki iłów; rozproszony - materiał ilasty tkwi w porach; strukturalny - cząstki ilaste są w szkielecie skalnym.

Materiał ilasty zmniejsza oporność skał. I_G = (I_G - I_Gmin)/(I_Gmax - I_Gmin), gdzie I_G - parametr różnicowy, I_G - mierzona wartość natężenia.

Pomiar.

Przy rejestracji promieniowania PS mierzy się różnicę potencjałów między poruszającą się w otworze elektrodą M a N umieszczoną na powierzchni. Krzywa PS charakteryzuje się symetrycznymi anomaliami naprzeciw badanych formacji. Niekiedy stosuje się pomiar gradientu PS (grad PS), sonda zawiera wtedy 2 elektrody pomiarowe M i N, krzywa grad PS jest niesymetryczna względem warstw, ekstrema wyznaczają położenie ich granic. Pomiar może być zakłócony przez: polaryzację elektrod, gałwanokorozję obudowy sondy, namagnesowanie ruchomej części aparatury, prądy błądzące. Skład chemiczny płuczki może zmieniać wskazania PS. Podwyższenie pH redukuje anomalie PS. Płuczki potasowe zaniżają wartości potencjałów naturalnych. Krzywa PS charakteryzuje się brakiem wartości. Za umowne zero przyjmuje się odcinki krzywej odpowiadające iłom, bo są bardzo mało przepuszczalne.

Statyczna i dynamiczna anomalia PS.

Jeśli warstwa jest bardzo gruba to wartość U_PS = E_PS.

• statyczna E_PS - wywołana jest procesami dyfuzji, adsorbcji, filtracji i redox;

• dynamiczna U_PS - rejestrowana w otworze zmiana oporności PS, która reaguje bardzo silnie na czynniki związane z geometrią otworu, zmianami oporności, skały i płuczki. Odzwierciedla wpływy miąższości warstwy i zmiennej średnicy oraz oporności warstwy, skał otaczających, płuczki i ewentualnej strefy filtracji; obniża się ze wzrostem oporności warstwy jak i ze wzrostem oporności właściwej skał otaczających. Zawartość minerałów ilastych obniża mierzoną U_PS w stosunku do E_PS.

Zastosowanie PS.

• do określenia litologii warstw;

• do korelacji między otworowej;

• do geologicznej interpretacji upadomierzy;

• do oceny oporności właściwej wód złożowych;

• do określenia mineralizacji wód złożowych;

• do określenia zailenia poziomów zbiornikowych;

• do określenia środowiska sedymentacji poziomów piaskowcowych;

• do wyznaczania miąższości (grad PS).

PROFILOWNIE POTENCJAŁÓW POLARYZACJI WZBUDZINEJ (PW):

Profilowanie PW wykorzystuje zdolność niektórych skał do polaryzacji, pod wpływem krótkotrwale działającego prądu elektrycznego lub w wyniku zachodzących w nich reakcji chemicznych utlenienia i redukcji. Potencjały polaryzacji wzbudzonej powstają w wyniku procesów:

• wzbudzanie wtórnych pól elektrycznych prądem.

Polaryzacja elektrodowa i objętościowa. Polaryzacja elektrodowa zachodzi w strefach okruszcowanych siarczkami, tlenkami lub też w węglach przy przechodzeniu prądu w takich ośrodkach zachodzi elektroliza, na powierzchni metali powstają mikroogniwa wodorowo - chlorkowe, które po wyłączeniu prądu wytwarzają wtórne pole elektryczne - pole polaryzacji wzbudzonej. Polaryzacja objętościowa zachodzi w skałach nasyconych wodami o różnym składzie chemicznym i stężeniu. Po wyłączeniu prądu następuje w nich deformacja elektrycznej warstwy podwójnej obecnej na granicy ciała stałego i cieczy.

Elektoosmoza oraz utlenianie i redukcja.

Wszystkie te powyższe procesy zależą od natężenia prądu, jego gęstości oraz od oporności ośrodka, składu mineralnego skał i wód złożowych. Potencjały polaryzacji wzbudzonej po wyłączeniu zanikają - charakter tego zaniku zależy również od własności ośrodka.

• wzbudzanie wtórnych pól elektrycznych na drodze reakcji typu utleniania i redukcj.

Potencjały te powstają w skałach zawierających minerały siarczkowe lub tlenki o niskim stopniu utlenienia. Największe potencjały powstają w strefach okruszcowania siarczkowego. Powstają one na skutek utleniania siarczków tlenem pochodzącym z wprowadzonego do płuczki w tym celu utleniacza. Potencjały wzbudzone chemicznie rejestrowane są podobnym układem pomiarowym co krzywa PS.

Zastosowanie PS.

• do wykrywania złóż siarczkowych (okruszcowane dolomity);

• do wykrywania poziomów roponośnych zawierających ropę siarkową - najczęściej ujemne anomalie PW;

• do wykrywania węgli o wysokim stopniu uwęglenia.

PROFILOWNIE DIELEKTRYCZNE (PD):

Przedmiotem pomiaru jest zmiana amplitudy oraz fali elektromagnetycznej na odcinku między dwoma odbiornikami. Sonda EPT zbudowana jest z 2 nadawczych i 2 odbiorczych anten. Zasięg sondy zależy od odległości między antenami odbiorczymi.

Dielektryki - to ciała bardzo słabo przewodzące prąd. Wielkość określająca własności dielektryczne wyraża stała dielektryczna nazywana przenikalnością dielektryczną . Największą . ma woda bez względu na jej mineralizację i temperaturę.  = _r - _, gdzie  - stała dielektryczna, ₀ - przenikalność dielektryczna próżni, _r - niewymiarowa - dla wody w temperaturze 20'C = 80, dla węglow. 20'C = 25.

Zastosowanie PS.

• do wykrywania złóż siarczkowych (okruszcowane dolomity);

• do wykrywania poziomów roponośnych zawierających ropę siarkową - najczęściej ujemne anomalie PW;

• do wykrywania węgli o wysokim stopniu uwęglenia.

Wzór określający współczynnik porowatości i nasycenia to wzór Archiego.

Ogólnie R_t⁰/R_w = a/_ef^m, gdzie R_t⁰ - oporność formacji nasyconej wodą (oporność skały), R_w - oporność wody ją nasycającej, a - współczynnik odsortowania (zależy od struktury i tekstury skały),  - współczynnik porowatości (efektywnej), m - współczynnik zwięzłości. Wzór Archiego. F = 1/², czyli F = R₀/R_w = R_i/R_{mf- w} = R_x0/R_mf, gdzie: F - parametr porowatości, R_o - oporność właściwa warstwy w 100% nasyconej wodą złożową, R_w - oporność właściwa wody złożowej, R_i - oporność właściwa strefy filtracji, R_{mf- w} - oporność właściwa mieszaniny filtratu płuczki i wody złożowej, R_xo - oporność właściwa strefy przemytej. Co można wyznaczyć: R_w - na podstawie profilowania PO, P_mf - znając oporność płuczki, P_{mf- w} - ze wzoru: 1/R_{mf- w} = (1-z)/R_w + z/R_mf.

- RADIOMETRIA -

Radiometria wiertnicza obejmuje kompleks badań wykorzystujących naturalną i sztuczną promieniotwórczość skał oraz reakcje przez nie wywołane. W geofizyce największe zastosowanie ma promieniowanie gamm γ oraz mniej znane promieniowanie neutronowe. Promieniowanie wykorzystywane w pomiarach ma niewielki zasięg do kilkudziesięciu cm.

PROFILOWNIE GAMMA (PG):

Polega na pomiarze wzdłuż otworu natężenia naturalnego promieniowania gamma γ, którego wielkość zależy od zawartości pierwiastków promieniotwórczych w skałach. Pomiary można przeprowadzać w otworach zarurowanych, rury nie stanowią przeszkody dla γ. Wartość rejestrowanego natężenia promieniowania gamma w dużym stopniu zależą od: rodzajów sondy, średnicy otworu, parametrów płuczki.

Materiał ilasty w ośrodku skalnym wpływa na wielkość naturalnej promieniotwórczości tego ośrodka. Wyznaczanie zailenia na podstawie PG obciążone jest promieniotwórczością nie ilastych składników skał, co prowadzi do zaniżenia zawartości ilastych składników. Podstawowe minerały zaburzające związek promieniotwórczości z zaileniem to: skalenie (potas), miki (potas), substancja organiczna (uran), cyrkon, monacyt.

Profilowanie gamma nie rozróżnia poszczególnych emiterów naturalnej promieniotwórczości, stąd służy tylko do wstępnej oceny litologii, a zwłaszcza do wydzielenia poziomów zailonych. PG powinno być wyrażane w API., dawniej były to impulsy na minutę. Profilowanie PG wymaga wprowadzenia poprawek na wpływ otworu i warstw cienkich.

Źródła promieniowania gamma - ²⁴Na, ⁶⁰C, ⁶⁵Zn, ¹³⁷Cs.

Oddziaływanie promieniowania gamma z materią. Najważniejsze to:

• absorbcja fotoelektryczna - oddziaływanie kwantu promieniowania z atomem w wyniku czego po pochłonięciu kwantu z atomu emitowany jest elektron o energii padającego kwantu pomniejszonej o energię jego wiązania w powłoce elektronowej.

• zjawisko Comptona - polega na elastycznym zderzeniu kwantu promieniowania z pojedynczym elektronem, w wyniku czego następuje zmiana kierunku kwantu połączona ze zmniejszeniem jego energii, której część przekazywana jest elektronowi.

• tworzenie par - padający kwant promieniowania oddziałując z polem jądra jest całkowicie absorbowany a na jego miejsce tworzy się para elektronowo - pozytonowa.

Aparatura.

Składa się z sondy i aparatury naziemnej. Można nią mierzyć równocześnie dwie krzywe np. PG i PNG. Detektorami promieniowania gamma są liczniki Geigera - Mullera (G - M), obecnie stosuje się wydajniejsze liczniki scyntylacyjne.

Zastosowanie PG.

• do litologicznego wydzielenia skał w przekroju otworu;

• do korelacji warstw dla różnych otworów;

• do poszukiwań rud promieniotwórczych;

• do orientacji oceny własności kolektorskich skał.

SPEKTROMETRYCZNE PROFILOWANIE NATURALNEJ PROMIENIOT. (sPG):

Umożliwia rozdzielenie promieniowania pochodzącego od różnych rodzin promieniotwórczych. Dzięki tej metodzie można jednoznacznie określić zailenie skał. Uzyskuje się indywidualne koncentracje toru, uranu i potasu. Można zbadać indywidualnie każdy z tych emiterów promieniowania naturalnego. Podstawą sPG jest rozróżnianie widm promieniowania gamma dla potasu, uranu i toru. Każdy z nich emituje swoje widmo o charakterystycznym kształcie. W celu określenia koncentracji K, U czy Th nie musimy rejestrować pełnych ich widm. Wystarczy wybrać pewne zakresy energii zwane oknami energetycznymi. Profilowanie sPG wymaga wprowadzenia poprawek na wpływ otworu i warstw cienkich. Wydziela się stosunki zawartości:

• Th/K - krzywa taka zwana jest TPRA i odzwierciedla obecność minerałów ilastych;

• Th/U - to TURA, pozwala identyfikować skały kwaśne w skałach magmowych oraz określa środowiska sedymentacyjne;

• U/K - to UPRA, pozwala wydzielać strefy ze zwiększoną zawartością bituminów związanych z materią organiczną;

• U/(ThK) - to UKTR;

• Th - w minerałach ciężkich (monacycie i cyrkonie).

PROFILOWANIE GAMMA - GAMMA (PGG):

Wykorzystuje pomiar promieniowania gamma. Źródło promieniowania jest w sondzie poniżej detektora i jest to najczęściej ¹³⁷Cs. PGG należy do metod aktywnych. Na pomiar rozproszonego promieniowania gamma duży wpływ ma otwór i strefa przyotworowa. Ostatecznie wyeliminowano ten wpływ wprowadzając dwudetektorową sondę. Stanowi ona kompensacyjne profilowanie gęstości. Pierwotne promieniowanie z sondy kwantów gamma o stosunkowo dużej energii - 0,6MeV kierowane do skały podlega rozproszeniu poprzez efekt Comptona. Fakt ten sprawia, że w skale rośnie liczba kwantów o coraz niższych energiach. Przy spadku energii rozproszonych kwantów gamma poniżej 0,15MeV zaczyna powstawać efekt fotoelektryczny zmniejszający liczbę kwantów niskoenergetycznych. Dzięki efektowi Comptona można zmierzyć gęstość objętościową skały. Natężenie rozproszonego promieniowania gamma zależy od liczby elektronów n zawartych w jednostce objętości ośrodka. n = N_Aρ(Z/A), gdzie N_A - stała Avogadra, ρ - gęstość skały, Z - liczba atomowa pierwiastka, A - ciężar atomowy pierwiastka. Dla pierwiastków skałotwórczych stosunek Z/A jest w przybliżeniu skały, stąd wartość n a w konsekwencji i natężenie rozproszonego promieniowania zależy tylko od gęstości skały. Natężenie rozproszonego promieniowania gamma jest tym większe im mniejsza jest gęstość skały.

GĘSTOŚCIOWE PROFILOWANIE GAMMA - GAMMA (PGGg):

Mierzy wzdłuż odwiertu rozproszone wysokoenergetyczne promieniowanie gamma powstające w wyniku efektu Comptona. Jako źródło promieni gamma stosuje się izotop cobaltu ⁶⁰Co. Pomiędzy źródłem a detektorem umieszcza się ołowiany ekran eliminujący wpływ promieniowania ze źródła. Maksymalny zasięg to 15cm. Wskazania PGGg zależą od średnicy odwiertu, gęstości płuczki, grubości osadu ilastego. Zwiększenie odległości sondy od ścianki powoduje wzrost krzywej PGGg. Mineralizacja płuczki i wody złożowej nie wpływa na wskazania PGGg.

Zastosowanie PGGg.

• do wykrywania surowców mineralnych - zwłaszcza węgli (duże różnice gęstości węgli i skał otaczających);

• do wyznaczania gęstości skał, a na jej podstawie porowatości;

• do określenia stanu zacementowania otworów.

SELEKTYWNE PROFILOWANIE GAMMA - GAMMA (PGGS):

Mierzy wzdłuż odwiertu rozproszone niskoenergetyczne promieniowanie gamma powstające w wyniku efektu fotoelektrycznego. Efekt taki zależy od zawartości w ośrodku pierwiastków o wysokich liczbach atomowych (Fe i Pb). Skały z takimi pierwiastkami mają znacznie obniżone, rozproszone promieniowanie gamma. Sonda jest taka sama jak w PGGg a źródłem są miękkie promienie gamma np. ¹³⁷Cs.

Zastosowanie PGGs.

• do wykrywania rud zwłaszcza Fe i Pb;

PROFILOWANIA NEUTRONOWE (PN):

Fizyczna podstawa to różnica w neutronowych własnościach skał tj. zdolności skał do rozpraszania i pochłaniania. Źródłem neutronów są generatory neutronów.

Źródła promieniowania neutronowego PGGs.

• źródła izotopowe - wykorzystują reakcję jądrową między cząsteczką  a berylem: ⁹B + ⁴He = ¹²C + ¹n + 5,71MeV. Najczęściej są to: Am - Be;

• źródła rozszczepieniowe kaliforn - ²⁵²Cf;

• źródła akceleratorowe (generatory neutronów).

Oddziaływanie neutronów z materią.

Neutron jako cząstka elektrycznie obojętna nie oddziałuje z atomami, ale z samymi jądrami. Zderzenie neutronów z jądrem prowadzi do jego odchylenia (rozproszenia) w polu sił jądrowych lub do jego pochłonięcia (wychwytu), połączonego z powstaniem jądra wzbudzonego wysyłającego różnego typu promieniowanie. Strumień promieniowania wskutek oddziaływania z materią ulega osłabieniu zgodnie z równaniem. I_(x) = I₀*e^-x, gdzie: I_(x) - gęstość strumienia kwantów po przebyciu przez niego w skale drogi x, x - odległość w jakiej mierzymy I, I₀ - wartość promieniowania w źródle,  - współczynnik osłabienia (adsorbcji) zależy od energii promieniowania gamma oraz od własności ośrodka (liczby kwantowej),  - jest sumą współczynników określających ilość promieniowania pochłoniętego dzięki efektowi Comptona _c, efektowi fotoelektrycznemu _PH, i tworzeniu się par _P.   _c + _PH + _P.

Wyróżnia się następujące główne oddziaływania.

• zderzenia elastyczne - podstawowym oddziaływaniem zmniejszającym kinetyczną energię neutronu, czyli jego spowolnienia są zderzenia elastyczne. Istotna jest masa jądra z którym neutron się zderza. Największa strata energii jest gdy neutron zderza się z jądrem wodoru, którego masa jest prawie taka jak neutronu.

• zderzenia nieelastyczne - polegają na wniknięciu neutronu do jądra i wzbudzeniu go do pewnego stanu energetycznego, połączonego z natychmiastową emisją kwantu gamma oraz opuszczeniu jądra przez neutron o znacznie mniejszej energii. Zachodzą jeszcze w czasie impulsu szybkiego neutronu.

• radiacyjny wychwyt neutronu - neutron jest pochłaniany przez jądro, które natychmiast emituje promienie gamma o energiach charakterystycznych dla danego pierwiastka. Zachodzi w okresie odpowiadającym istnieniu neutronów termicznych. Wychwyt radiacyjny może dostarczyć informacji wielu o pierwiastkach. Umożliwia rozdzielenie litologii wapiennej od piaskowcowej.

• aktywacja - w tym oddziaływaniu powstają jądra promieniotwórcze, rozpadające się z określonym czasem półrozpadu i emitujące promieniowanie określonego typu i energii. Aktywacji ulegają neutrony szybkie (wysokoenergetyczne) i niskoenergetyczne (termiczne i nadtermiczne).

Jak to się dzieje:

Neutron szybki po emisji krótkiego impulsu momentalnie pojawia się w przestrzeni okołootworowej tj. od kilkudziesięciu cm od źródła. Ilość neutronów z upływem czasu i oddalaniem się od źródła szybko maleje z powodu geometrii ośrodka i oddziaływania z nim. W wyniku kolejnych zderzeń neutron traci energię i przechodzi z wyższych poziomów energetycznych do niższych: neutron szybki - neutron przejściowy - neutron nadtermiczny - neutron termiczny.

W następnych mikrosekundach pozostają w skale tylko neutrony spowolnione (nadtermiczne i termiczne). Najdłużej w skale pozostają neutrony termiczne, które są w równowadze termicznej z ośrodkiem. Neutrony szybkie wskutek oddziaływań elastycznych i nieelastycznych przechodzą w neutrony nadtermiczne a te z kolei w termiczne. Wychwyt neutronów następuje po niskich energiach.

Dysponując impulsowym generatorem neutronów można kontrolować i obserwować to co się dzieje w ośrodku po zainicjowaniu impulsu. Pierwsze profilowania neutronowe polegały na rejestracji wtórnego promieniowania gamma, powstającego w wyniku radiacyjnego wychwytu termicznych neutronów przez jądra pierwiastków z ośrodka. Sondy wyposażone były w źródło neutronów oraz jeden detektor - profilowania neutron - gamma (PNG).

Kalibracja sondy - procedura prowadząca do określenia związku między wskazaniami sondy pomiarowej, a interesującymi nas parametrami ośrodka. jest kilka metod standaryzacji metod: metody empiryczne, teoretyczne, półempiryczne.

Standaryzacja sond - procedura pozwalająca sprawdzić czy wskazania danej sondy odpowiadają warunkom w jakich została wykalibrowana.

PROFILOWANIA NEUTRON - GAMMA (PNG):

Polega na rejestracji wzdłuż otworu wtórnego promieniowania gamma, powstającego w wyniku radiacyjnego wychwytu termicznych neutronów przez jądra pierwiastków z ośrodka. natężenie wtórnego promieniowania gamma głównie zależy od składu skały, różne bowiem pierwiastki dają przy radiacyjnym wychwycie neutronu charakterystyczne pod względem składu spektralnego promieniowanie gamma. Rejestrowane natężenie na krzywej PNG zmniejsza się przy zwiększaniu się zawartości wodoru oraz zwiększa się przy wzroście zawartości chloru. Wodór charakteryzuje się największą zdolnością spowalniania neutronów. Chlor najintensywniej wchłania neutrony termiczne.

Zastosowanie PNG.

• wraz z PG i PO do wydzielania w przekrojach otworów warstw porowatych i zbiornikowych;

• do określania zawartości wodoru w skałach (porowatości);

• do wydzielania piaskowcowych skał gazonośnych;

• do określania kontaktu gaz - woda lub ropa - gaz.

Stacjonarne profilowania neutronowe.

Źródła neutronów są nie impulsowe. Wokół źródła ustala się wtedy pewna równowaga między strumieniami neutronów o różnych energiach. Stacjonarne pomiary neutronowe są dziś najczęstsze. Nowe sondy do profilowań neutronowych mają liczniki rejestrujące bezpośrednio neutrony. Najczęściej stosowane są profilowania neutron - neutron termiczne PNNt rzadziej profilowania neutron - neutron nadtermiczne PNNnt. Natężenie neutronów termicznych rejestrowanych przez PNNt zależne jest od zawartości wodoru i chloru w skale oraz innych pierwiastków intensywnie pochłaniających termiczne neutrony np. bor. Powyższe profilowania obciążone są wpływem otworu. W celu zmniejszenia tego wpływu stosuje się sondy kompensacyjne, wyposażone w 2 detektory o różnych odległościach od źródła. Gdy stosujemy sondy krótkie do 10cm to rejestrują one wzrost wskazań wraz ze wzrostem ilości wody (wodoru). Sondy długie powyżej 30cm rejestrują wskazania odwrotnie niż krótkie tj. maleją wskazania gdy jest więcej wody (wodoru) - podobnie jest z zawartością chloru.

Dlatego sól kamienna i skały zawierające wodór zaznaczają się na krzywych minimami a skały zwięzłe (nie ilaste: anhydryt, dolomit i inne) - maksimami. Sondy długie są czulsze na zmiany porowatości niż krótkie, dlatego są częściej stosowane. Na wskazania krzywych wpływa ośrodek i otwór. Skała wpływa głównie poprzez porowatość oraz rodzaj płynu złożowego. Istotny wpływ ma też materiał ilasty. Stosuje się poprawki na te wpływy. Aby wyliczyć porowatość z metod neutronowych uwzględnia się wpływ zailenia.

Wzór:   _N - V_sh_Nsh, gdzie  - rzeczywista porowatość skały, _N - porowatość neutronowa wynikająca ze wskazań sondy neutronowej, V_sh - zawartość substancji ilastej z PG lub sPG, _Nsh - zawartość wody w substancji ilastej.

Stosuje się też poprawki na średnicę otworu. Wpływy pierwiastków absorbujących eliminujemy stosując PNNnt - impulsowe profilowania neutronowe. Stosuje się w nich generatory neutronowe dające najlepsze rozpoznanie przez oddziaływanie neutronów. Mierzy się w niej czas życia neutronów termicznych. Wyznacza się w ten sposób kontakt woda - ropa. Obecnie stosowane są sondy APS, wyposażone w generator neutronów i szereg liczników neutronów termicznych i nadtermicznych. Pomiar czasu spowalniania neutronów nadtermicznych pozwala wyznaczyć ilość wodoru w skale.

PROFILOWANIA NEUTRON - NEUTRON (PNN):

Rejestruje się gęstość (natężenie) neutronów w pewnej odległości od źródła. To co o PNNt i PNNnt wyżej. Wskazania PNNt maleją (rosną), gdy rośnie zawartość wodoru - sondy długie (krótkie). Duży jest wpływ otworu.

Zalety PNN.

• w PNNnt eliminuje się wpływ składu chemicznego skał, gdyż natężenie neutronów nadtermicznych zależy tylko od zawartości wodoru.;

• PNN ma wyższą czułość niż PNG;

• PNN nie rejestruje tła promieniotwórczego pochodzącego od pierwiastków radioaktywnych i źródła.

Zastosowanie. PNN umożliwia jakościową ocenę mineralizacji wody porowej.

SPEKTROMETRYCZNE PROFILOWANIA NEUTRON - GAMMA (sPNG):

Rejestrowane może być w wariancie z generatorem i bez impulsowym i nie impulsowym. W profilowaniu tym ma zastosowanie fakt, iż w wyniku zdarzeń nieleastycznych neutronu ze skałą rejestrowane są tlen i węgiel oraz wapń i krzem. obliczenie stosunku C/O umożliwia bezpośredni pomiar HC. Jest to jedyna otworowa metoda jądrowa wyznaczająca zawartość C w skale.

PROFILOWANIE AKUSTYCZNE (PA):

Zastosowanie PA.

• do określenia prędkości warstwowej, którą można wyznaczyć przez obserwację anomalii - krzywych akustycznych;

• do wyznaczenia współczynnika porowatości ogólnej;

• do określenia parametrów sprężystych skał;

• do rozróżnienia typu skały tj. czy są nasycone ropą, gazem oraz pustek skalnych;

Wykorzystuje prędkość rozchodzenia się fal sprężystych w skale. Prędkość ta zależy od: porowatości, obecności szczelin, nasycenia porów mediami, gęstości, struktury i tekstury, składu mineralnego, i innych. Wzór ogólny. _og = (T^PA - T_ma)/(T_f - T_ma) - V_sh  (T_sh - T_ma)/(T_f - T_ma), gdzie T - czas interwałowy. Dalej. ^PGG = (δ_ma- δ^PGG)/ (δ_ma- δ_f) dla PGG oraz ^PA = (T^PA - T_ma)/(T_f - T_ma). Wyróżnia się tu dwa rodzaje PA:

• PAP - profilowanie akustyczne prędkości (badanie prędkości rozchodz. się fal w skale);

• PAT - profilowanie akustyczne tłumienia (badanie zjawiska tłumienia fal).

Pomiar PA.

Pomiar sprowadza się do pomierzenia czasu przejścia fali akustycznej od źródła do odbiornika. Sonda ma nadajnik(i) magnetostrykcyjny wysyłający fale akustyczną. Czas trwania impulsu jest krótki i powtarza się z pewną częstotliwością. Fale rozchodzą się w płuczce i padają pod różnymi kontami na granicę dwóch ośrodków - płuczki i skały. Doznają załamania i odbicia. Przy kącie granicznym padania fal kąt załamania wynosi 90', fala doznaje refrakcji (ślizga się) po granicy dwóch ośrodków z prędkością graniczną równą prędkości w formacji V_p. Po pewnym czasie fala ta jest rejestrowana przez odbiornik ,,piezometryczny'' lub kilka odbiorników w sondzie. Podczas pomiaru rejestrowane są czasy przebiegu fal od nadajnika do:

• najbliższego odbiornika O₁: T₁ = (NA/V_f ) + (AB/V_p ) + (BO₁/V_f);

• dalszego odbiornika O₂: T₂ = (NA/V_f ) + (AC/V_p ) + (CO₁/V_f);

• czas interwałowy T to: T = (T₂-T₁)(s/m) więc T = (AC-AB)/V_p=BC/V_p=O₁O₂/V_p.

Odległość między odbiornikami to baza sondy l.

Rejestruje się czas pierwszego wystąpienia fali podłużnej, biegnącej od nadajników przez płuczkę. Pomiar zakłóca nachylenie sondy w otworze - stosuje się więc centralizatory. Wpływ otworu eliminuje się stosując sondy kompensacyjne zawierające kilka nadajników i kilka odbiorników. Stosuje się poza tym sondy rejestrujące fale S i P oraz inne typy - sondy długie LSS. Sondy do pomiarów akustycznych obrazów falowych zawierające 12 odbiorników i 4 nadajniki - sondy EVA. Podczas rejestracji musi być w otworze płuczka bo inaczej sygnał będzie całkowicie tłumiony.

Akustyczny obraz falowy AOF. Zapis taki polega na rejestracji różnych typów fal przechodzących do odbiorników - kolejność rejestracji fala na AOF:

• jako pierwsze fale podłużne biegnące w płuczce z prędkością V_f, mają niskie amplitudy;

• fale poprzeczne, przemienne. W płuczce biegną jako podłużne a na granicy ośrodka zmieniają się w poprzeczne o prędkości V_s. Warunkiem koniecznym dla zaistnienia tych fal jest V_s>V_f - dlatego w skałach luźnych o niskiej prędkości, w których wzrasta średnica otworu, nie obserwuje się tych fal. Fale poprzeczne mają większe amplitudy;

• fale typu pseudo - Rayleigha; w dalszej kolejności fala Stoneleya;

• fale odbite od ścianki otworu, wielokrotnie odbite.

Rejestrowane obrazy czasowe można przedstawić w formie wykresów amplitudowo - czasowo - głębokościowych, bądź też przez zaciemnienie max i minimów. Na podstawie wykresów można przystąpić do interpretacji jakościowej umożliwiającej wydzielenie wstępnie stref zbitych o drobnych własnościach sprężystych, stref rozluźnionych, spękanych zaznaczających się silnym tłumieniem fal. Interpretacja ilościowa pozwala określić czasy interwałowe i prędkości rozchodzenia się fal. Na podstawie wyznaczonych V_p i V_s oraz krzywej zmian gęstości (z PGG) można określić moduły sprężystości, Younga, odkształcenia postaci, odkształcenia objętości oraz współczynnik Poissona. Każda skała ma swoje moduły i prędkości. Najniższe wartości prędkości mają skały o dużej porowatości. Obecność zailenia oraz gazu obniża prędkości fal. Prędkość fali w cieczy zależy od jej składu chemicznego, gęstości, zasolenia, ciśnienia i temperatury.

- MAGNETOMETRIA WIERTNICZA -

PROFILOWANIE PODATNOŚCI MAGNETYCZNEJ (PPM).

Polega na badaniu wzdłuż otworu zmian podatności magnetycznej skał. Wyniki pomiarów zależą od miąższości warstw i średnicy otworu. Krzywe podatności magnetycznej są symetryczne względem osi warstwy, czyli miąższość tych warstw wyznacza się w analogiczny sposób jak krzywej PS, więc rejestruje się zmiany naturalnego pola elektrycznego wzdłuż otworu. Pomiar potencjałów naturalnych w odwiercie polega na rejestracji różnicy potencjałów powstających na skutek procesów fizyko - chemicznych zachodzących w skałach nasyconych wodami o innym zasoleniu niż płuczka.

Struktura pola magnetycznego.

• Składowe (wektorowo): pionowa (Z), pozioma - horyzontalna (H), wschodnia - E geograficzny (Y), północna - N geograficzna (X); natężenie pola magnetycznego(T);

• kąt inklinacji magnetycz. - kąt pomiędzy kierunkiem wektora T a płaszczyzną poziomą;

• kąt deklinacji - kąt dwuścienny między płaszczyzną południka geograficznego a płaszczyzną południka magnetycznego;

• prawo Coulomba: F=k(m₁m₂)/r², gdzie: m₁m₂ - masy magnetyczne, r- odległość między masami; Jednostka 1Oe (oersted)= 1/410³A/m, 1γ = 1/410^-2A/m, 1γ = 10^-5Oe.

• dipol magnetyczny - moment dipola:  = md, gdzie d - odległość biegunów (od + do - );

• całkowite natężenie pola magnetycznego: T = T_o + T_k + T_R + T_L + δT, gdzie: T_o - pole centralnego dipola (kuli jednorodnie namagnesowanej), T_K - pole kontynentalne (jest obrazowane na zasadzie wielkości kontynentu), T_R - pole regionalne, T_L - pole lokalne, δT - pole pochodzenia pozaziemskiego;

• namagnesowanie (wektorowo): J^- = M^-/V, gdzie: M - moment magnetyczny ciała, V - objętość ciała;

• podatność magnetyczna:  = J^-/H^-, gdzie: J - namagnesowanie, H - natężenie pola magnetycznego, ale: H^-` = 4J^-;

• indukcja magnetyczna: B^- = H^- + H^-` ale B^- = __r H^-/T^- w teslach T[A/m];

• przenikalność magnetyczna:  = B^-/H^-= .

Zastosowanie PPM. Metodę PPM uzupełnioną najczęściej PGGg stosuje się:

• do wykrywania i badania magnetycznych rud żelaza, które charakteryzują się wysokimi wartościami podatności magnetycznej względem skał otaczających.

PROFILOWANIE POLA MAGNETYCZNEGO (PZM).

Polega na badaniu wzdłuż otworu zmian natężenia pola magnetycznego, przede wszystkim pionowej składowej (Z) tego pola. Za pomocą kompleksowej sondy rejestruje się w postaci krzywych zmiany trzech składowych (X, Y, Z) pola magnetycznego Ziemi oraz zmianę podatności magnetycznej skał.

Zastosowanie PZM.

• w poszukiwaniach rud magnetycznych, zwłaszcza w tych przypadkach, gdy złoże rudne nie zostało przewiercone, a znajduje się w odległości ok. 50 m od ściany otworu;

• zazwyczaj wykonuje się PZM w kompleksie z PPM.

Wyznaczanie Współczynnika Przepuszczalności:

Ruch cieczy jednorodnej w ośrodku porowatym odbywa się zgodnie z równaniem Darcy'ego: Q = K(S/)(dp/dx), gdzie Q - ilość przepływu cieczy w jednostce czasu, K - współczynnik przepuszczalności absolutnej,  - lepkość cieczy, S - przekrój poprzeczny, dP/dx - gradient ciśnienia.

Jeśli mamy do czynienia z jednym medium w skale przepuszczalność absolutna (K_ro) jest stała. Jeśli jest kilka mediów to określa się współczynniki przepuszczalności efektywnej (K_ru) lub fazowej dla danego medium. Przepuszczalność względna to stosunek przepuszczalności efektywnej do absolutnej. Poszukuje się związku między porowatością efektywną (pory połączone) a przepuszczalności. O przepuszczalności decydują: rozmiary porów, kawern, szczelin, ich kształty i sposoby komunikacji.

Podstawową relacją łączącą porowatość z przepuszczalnością jest wzór Kozeny - Carmana: K = ³(fS²T²)^-1, gdzie: S - powierzchnia właściwa porów, T - krętość kanałów porowych, f - współczynnik uwzględniający formę kanałów porowych (można przyjąć f = 2).

Powyższy wzór obowiązuje jedynie w ośrodku jednorodnym. Parametr T można wyznaczyć ze wzoru na krętość dla przepływu prądu elektrycznego: T = F  .

Rozpoznanie Litologii Oraz Ocena Miąższości Warstwy Na Podstawie PO.

Profilowanie oporności wykonywane jest za pomocą dwóch zestawów sond:

1. IL_d - profilowanie indukcyjne dalekiego zasięgu;

IL_m - profilowanie indukcyjne średniego zasięgu;

LL₃ - profilowanie indukcyjne krótkiego zasięgu;

2. LL_d - laterolog głębokiego zasięgu;

LL_{s -} laterolog średniego zasięgu;

MSFL - sonda mikrosferyczna sterowana krótkiego zasięgu.

Sondy zgrupowane są w zestawy w celu zbadania trzech stref powstałych wokół otworu. Sondy LL₃ i MSFl dają informacje o oporności strefy przemytej, czyli najbliżej otworu i najbardziej zmienionej. Sondy IL_m i LL_s informują o strefie filtracji, natomiast sondy IL_d i LL_d dają informacje ze strefy nienaruszonej. Zasięg sondy związany jest z jej długością i odpowiada w przybliżeniu połowie długości sondy. Informacje z sond przedstawia się na wykresach zmian oporności pozornej w funkcji głębokości badania sondy.

1. Kiedy krzywe ze wszystkich trzech sond:

• biegną razem - to wiemy, że skały są nieporowate i nieprzepuszczalne;

• biegną osobno - to wiemy, że skały są porowate i przepuszczalne;

2. Jeśli wartości oporności:

• są małe - to możemy wnioskować iż są to skały ilaste;

• są wysokie - to możemy mieć do czynienia z piaskowcami, skałami węglanowymi lub wulkanicznymi;

• skały zawierające węglowodory mają wysokie oporności;

• skały zawodnione mają niskie oporności;

• filtrat płuczkowy ma wyższą oporność od wód złożowych, ale niższą od węglowodorów, dlatego często strefy przyotworowe mają zmienioną oporność.

Wyznaczanie Współczynnika Porowatości Efektywnej Na Podstawie PO.

W skałach niezailonych o oporności inergranularnej współczynnik porowatości efektywnej można wyznaczyć na podstawie znajomości rzeczywistej oporności skały w strefach przemytej, filtracji i nie zmienionej ale przy znajomości medium. Do tego celu wykorzystuje się równanie Archie'go: F = 1/², czyli F = R₀/R_w = R_i/R_{mf- w} = R_x0/R_mf, gdzie: F - parametr porowatości,  - współczynnik porowatości efektywnej, R_o - oporność właściwa warstwy w 100% nasyconej wodą złożową, R_w - oporność właściwa wody złożowej, R_i - oporność właściwa strefy filtracji, R_{mf- w} - oporność właściwa mieszaniny filtratu płuczki i wody złożowej, R_xo - oporność właściwa strefy przemytej.

Co można wyznaczyć: R_w - na podstawie profilowania PO, P_mf - znając oporność płuczki, P_{mf- w} - ze wzoru: 1/R_{mf- w} = (1-z)/R_w + z/R_mf.

Wyznaczanie Współczynnika Porowatości Ogólnej Na Podstawie PA.

Do tego celu pomocne jest równanie Wylliego zwane też równaniem czasu średniego: 1/V = /V_f + (1-)/V_ma, gdzie: V - prędkość fali w skale, V_f - pręd. fali w cieczy nasycającej pory, V_ma - pręd. fali w szkielecie skalnym lub inaczej:  = (T - T_ma)/(T_f - T_ma).

Geofizyka poszukiwawcza - egzamin

- 22 -

---