Prof. dr hab. inż. Stanisław Rychlicki Akademia Górniczo-Hutnicza im. St.Staszica Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu Zakład Inżynierii Naftowej Kierownik Zakładu Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków Fax. [phone], ( [phone] e-mail:[e-mail].

• GEOFIZYKA WIERTNICZA

/WYBRANE ZAGADNIENIA/

1. WSTĘP

Pomiary w otworach wiertniczych, geofizyka wiertnicza czy „karotaż” geofizyczny polegają na badaniu zmian szeregu parametrów fizycznych różnych formacji geologicznych z głębokością w otworach wiertniczych je przecinających. Rejestrujemy na przykład takie parametry danego ośrodka jak oporność, radioaktywność naturalną lub sztuczną, prędkość rozchodzenia się fali sprężystej ale również parametry geometryczne otworu wiertniczego takie jak średnica, azymut skrzywienia czy odchylenie od założonego kierunku.

Historycznie biorąc, pierwsze pomiary otworowe wykonali w 1926 roku bracia Conrad i Marcel Schlumberger. Zmierzyli oni oporność ośrodka, wkrotce potem zaczęto wprowadzać następne pomiary takie jak: radioaktywność naturalna i upadomierz (1930), profilowania neutron-gamma (lata czterdzieste), neutron-neutron (lata pięćdziesiąte), a potem zapoczątkowało to lawinę szeregu innych pomiarów.

Badania otworowe pozwalają nam na uzyskanie wielu informacji pozwalających na przeprowadzenie zarówno jakościowej, jak i ilościowej interpretacji.

Do interpretacji jakościowej zaliczamy:

• poznanie natury osadów tzn. ustalenie czy są to osady zbite i nieprzepuszczalne czy też porowate i przepuszczalne, jaki reprezentują one typ litologiczny itp.,

• ustalenie granic poszczególnych warstw czy formacji geologicznych,

• korelację osadów występujących w profilach różnych otworów,

• wydzielenie interwałów wodonośnych czy też nasyconych węglowodorami.

Do interpretacji ilościowej zaliczamy między innymi oceny:

• współczynników porowatości i nasycenia wodą ośrodków,

• resztkowego nasycenia wodą czy węglowodorami w strefie przemytej (filtracji),

• miąższości warstw,

• mineralizacji wody złożowej,

• współczynnika przepuszczalności.

Pomiary w otworach wykonujemy za pomocą sondy zawieszonej na kablu i opuszczanej przez urządzenie wyciągowe na dno otworu wiertniczego. Pomiar wykonujemy zazwyczaj w czasie podnoszenia sondy do góry (za wyjątkiem pomiarów temperatury i oporności płuczki wiertniczej). Całe oprzyrządowanie łącznie z aparaturą kontrolno-pomiarową umieszczone jest na specjalnie do tego przystosowanym samochodzie ciężarowym (rys. 1.1).Sondy są przyrządami wyposażonymi w różnego typu urządzenia czy czujniki pomiarowe. Istnieje ogromna ilość rożnego rodzaju sond począwszy od bardzo prostych (z technicznego punktu widzenia) wykorzystywanych do profilowań PS czy oporności (klasycznych), a skończywszy na bardzo skomplikowanych, używanych do profilowań indukcyjnych czy sterowanych. Do każdego typu sondy wykorzystuje się odpowiedni kabel zawierający od jednej do kilku żył służących do przekazywania sygnałów elektrycznych od sondy do aparatury kontrolno-pomiarowej znajdującej się na powierzchni.

Rys. 1.1. Schemat apatratury kontrolno - pomiarowej.

Istnieje bardzo wiele rodzajów profilowań, ale generalnie łączy się je w kilka grup takich jak:

• profilowania elektryczne (elektrometria wiertnicza),

• profilowania jądrowe (radiometria wiertnicza),

• profilowania akustyczne

• inne (profilowania: temperaturowe, prędkości wiercenia, wielkości wydobycia, własności i składu płuczki wiertniczej itp.).

2. ELEKTROMETRIA WIERTNICZA

2.1. Uwagi ogólne

Profilowania elektryczne wykonuje się zwykle w otworze niezarurowanym i wypełnionym płuczką wiertniczą. Obecność rur zarówno metalowych (przewodnik elektryczny), jak i plastikowych (izolator) w zasadniczy sposób zakłóca pomiar. Obecność płuczki jest niezbędna dla zabezpieczenia kontaktu elektrycznego pomiędzy elektrodami umieszczonymi w sondzie a przewierconym ośrodkiem.

W pomiarach elektrometrycznych używamy zamiast oporu elektrycznego, oporność właściwą ośrodka. Definiujemy ją jako opór elektryczny w ohm, mierzony pomiędzy dwoma przeciwległymi ścianami sześcianu o krawędzi 1 m. Używaną zatem jednostką oporności jest omm. Niekiedy zamiast oporności mierzymy przewodność ośrodka w S/m (Siemens/m), która jest odwrotnością jego oporności.

Oporność skał zmienia się w szerokich granicach od 10^-4 omm (magnetyt) do 10¹⁶ omm (ropa naftowa) - rys. 2.1.

Rys. 2.1.

Przewodność ośrodka może być elektronowa lub jonowa. Elektronowa występuje w przypadku kiedy ośrodek budują pierwiastki metaliczne, natomiast z jonową mamy do czynienia w skałach osadowych nasyconych zmineralizowaną wodą.

2.2. Profilowanie potencjałów polaryzacji naturalnej (PS)

Potencjały polaryzacji naturalnej w otworze wiertniczym są pochodzenia elektrokinetycznego i elektrochemicznego. Potencjały pochodzenia elektrokinetycznego powstają jako efekt różnicy ciśnień pomiędzy ciśnieniami słupa płuczki i złożowym. Ponieważ zwykle ciśnienie różnicowe jest niewielkie potencjały filtracji można w ogólnym rachunku zaniedbać. Potencjały pochodzenia elektrochemicznego są zdecydowanie ważniejsze od potencjałów filtracji. Powstają one w wyniku różnicy stężeń soli w dwóch kontaktujących się ze sobą roztworów.

Profilowanie PS wykonuje się za pomocą prostego układu pomiarowego składającego się z dwóch elektrod, z których jedna N znajduje się na stałe na powierzchni, druga zaś M przemieszcza się wzdłuż otworu wiertniczego. Potencjometr rejestruje wartość potencjału elektrody M w stosunku do powierzchni Ziemi (elektroda N). Zmiany potencjału zależą od natury przewierconej formacji geologicznej. Wyniki profilowania PS dostarczają wielu cennych informacji o ośrodku przewierconym przez otwór wiertniczy. Metoda ta pozwala na wydzielenie w profilu otworu skał zbiornikowych bez konieczności określania ich porowatości i przepuszczalności. Przy stosowaniu płuczek iłowych profilowanie PS pozwala na:

• wydzielenie skał zbiornikowych,

• określenie granic warstw,

• korelację osadów pomiędzy różnymi otworami,

• ocenę oporności wody złożowej,

• określenie wielkości zailenia przewierconych osadów.

Inne, bardziej nowoczesne metody pomiarowe pozwalają na potwierdzenie powyższych informacji lub ich uzupełnienie. Stosowanie dodatków chemicznych do płuczek wiertniczych praktycznie wyklucza pomiar PS ze względu na całkowite zaburzenie pola elektrycznego.

2.3. Klasyczne profilowanie oporności

Klasyczne profilowanie oporności wykonujemy sondą wyposażoną w trzy elektrody (rys. 2.2), czwarta elektroda znajduje się na powierzchni terenu lub w otworze, ale w znacznej odległości od trzech pozostałych.

Celem profilowania oporności jest jej pomiar w funkcji głębokości otworu. Należy podkreślić, że klasyczne pomiary oporności oddały ogromne usługi w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych w poszukiwaniach naftowych na świecie. W Polsce metody te wykorzystywane były praktycznie do początku lat dziewięćdziesiątych tzn. do czasu zakupu przez Zakłady Geofizyczne w Krakowie i Toruniu nowoczesnej aparatury.

2.3. Klasyczne mikroprofilowanie oporności (mPO)

Sonda do mikroprofilowania oporności wyposażona jest w dwa ramiona. Na jednym z nich (ramię pomiarowe) zamontowana jest wkładka izolacyjna z wprasowanymi w nią elektrodami, drugie służy do dociskania ramienia pomiarowego do ścianki otworu. Wkładka izolacyjna posiada trzy punktowe elektrody umieszczone od siebie w odległości 2.5 cm. Mamy zatem do czynienia z lokalnym systemem pomiarowym. Dzięki dociskaniu wkładki izolacyjnej do ścianki otworu jest minimalizowany wpływ płuczki na wynik pomiaru. Przy pomocy tak skonstruowanego układu pomiarowego rejestrujemy dwie krzywe. o różnym zasiegu śledzenia.

Dzięki niewielkiemu zasięgowi śledzenia w oparciu o wyniki pomiaru mPO możemy precyzyjnie określać granice warstw o różnych własnościach elektrycznych oraz wydzielać w profilu otworu skały nieprzepuszczalne i zbiornikowe. W tym ostatnim przypadku powinien być jednak spełniony warunek, aby płuczka filtrując do skały zbiornikowej pozostawiała na ścianie otworu warstwę osadu ilastego o miąższości kilku mm. W oparciu o wyniki mPO można ocenić oporność strefy filtracji i dzięki temu oszacować wartość współczynnika porowatości. Najdokładniejsze wyniki interpretacji ilościowe mPO uzyskuje się wówczas jeżeli porowatość ośrodka jest wyższa od 15% a miąższość warstwy osadu ilastego nie przekracza 12 mm. Konieczna przy tym jest również minimalna strefa filtracji (co najmniej 10 cm). Pozwala to na zróżnicowanie wskazań mikrosond o różnym zasięgu śledzenia.

2.4. Profilowanie indukcyjne (PI)

Najprostsza sonda indukcyjna zbudowana jest z dwóch cewek: nadawczej i odbiorczej znajdującej się w pewnej odległości od siebie. Przez cewkę nadawczą przepuszczamy prąd zmienny o częstotliwości 20 kHz, który wytwarza wokół niej zmienne pole magnetyczne. Indukuje ono w ośrodku skalnym wokół otworu wiertniczego prądy wirowe krążące współosiowo w stosunku do sondy. Te prądy wirowe wytwarzają z kolei własne, zmienne pole magnetyczne indukujące w cewce odbiorczej sondy prąd elektryczny. Jego natężenie jest proporcjonalne do przewodności ośrodka czyli odwrotnie proporcjonalne do jego oporności.

W praktyce nie stosuje się już dzisiaj sond z dwoma cewkami, ale uzupełnia się je trzema lub czterema cewkami dodatkowymi, które mają za zadanie skupianie i ogniskowanie prądów wirowych w otaczającym sondę ośrodku tak aby krążyły one w warstwie ośrodka zawartej pomiędzy cewkami nadawczą i odbiorczą. To zdecydowanie poprawia dokładność pomiaru.

Zasięg śledzenia sond indukcyjnych zależą od ich typu. W praktyce wykorzystuje się obecnie cztery typy sond indukcyjnych: 5FF27, 6FF27, 5FF40, 6FF40. Pierwsza cyfra danego typu sondy podaje ilość cewek w niej wykorzystywanych a druga jej długość wyrażoną w calach. Zasięgi radialne w/w sond wynoszą odpowiednio: 1.5 d (d - średnica otworu); 2.5 d; 4.5 d; 7 d. Tak więc sondy 5FF40 i 6FF40 pozwalają zwykle, jeżeli warstwa posiada odpowiednią miąższość, na ocenę jej oporności R_t.

PI służy zwykle do określania przewodności (oporności) ośrodka. Wyniki pomiarów są szczegolnie dokładne dla przekrojów niskooporowych tzn. gdy generalnie oporność w profilu otworu nie przekracza 100 omm oraz gdy oporność płuczki wypełniającej otwór jest przynajmniej pięć razy wyższa od oporności wody złożowej. PI pozwala na precyzyjne określenie granic warstw natomiast gorsze wyniki uzyskuje się w osadach nasyconych wodą słodką tzn. dla przekrojów wysokooporowych.

Aktualnie bardzo często obecnie wykorzystuje się układ pomiarowy złożony z dwóch sond indukcyjnych o różnym zasięgu śledzenia. Nazywamy go profilowaniem indukcyjnym podwójnym. Wykorzystuje on zwykle sondę o dużym zasięgu śledzenia (6FF40) oraz sondą o średnim zasięgu śledzenia (5FF40 lub 6FF27). Ten układ uzupełnia się zwykle sondą sterowaną ośmioelektrodową (LL8) o niewielkim zasięgu śledzenia (0.25 d - 1.25 d). Powyższy system pomiarowy wyparł klasyczny system pomiaru oporności.

2.5. Sterowane profilowanie oporności (POst)

Klasyczne profilowanie oporności posiada dwie poważne wady:

• w przypadku warstwy cienkiej tzn. takiej, której miąższość jest mniejsza od długości sondy, zarejestrowana oporność pozorna różni się znacznie od oporności rzeczywistej ośrodka;

• płuczka niskooporowa (zmineralizowana) wywiera bardzo silny wpływ na wynik pomiaru.

Aby to wyeliminować podjęto próbę pomiaru oporności z wykorzystaniem tzw. elektrod sterujących. Początkowo skonstruowano sondę trójelektrodową POst-3 (LL3). Jeżeli wykorzystamy długi cylinder jako elektrodę zasilającą (prądową) to linie prądowe w jej części środkowej będą rozchodziły się radialnie . Dzieląc ten cylinder na trzy części otrzymamy trzy elektrody o tym samym potencjale. Środkową A₀ nazwano elektrodą centralną, a dwie pozostałe A₁ i A₂ połączono ze sobą i nazwano elektrodami sterującymi. Przez elektrodę A₀ wysyła się do ośrodka prąd o stałym natężeniu I₀. W tym samym czasie przez elektrody sterujące wysyła się prąd o zmiennym natężeniu w taki sposób aby potencjały wszystkich trzech elektrod były sobie równe, bowiem potencjał elektrody A₀ w zależności od ośrodka, naprzeciw którego znajduje się w danym momencie elektroda A₀, ulega zmianie. Pozwala to na uzyskanie radialnego układu linii sił pola elektrycznego emitowanego przez elektrodę centralna. Pomiar wartości potencjału A₀ oraz znajomość natężenia prądu I₀ pozwala na określenie oporności elektrycznej ośrodka znajdującego się w danym momencie naprzeciw elektrody A₀ (jej środek odpowiada punktowi zapisu krzywej pomiarowej).

Na wyniki pomiaru realizowanego sondą trójelektrodową wywiera wpływ średnica otworu i miąższość warstwy. Dlatego skonstruowano sondę siedmioelektrodową POst-7 (LL7). Okazała się ona bardziej skuteczna w zakresie ogniskowania wysyłanego przez elektrodę centralną prądu elektrycznego oraz bardziej rozdzielcza (rejestruje więcej szczegółów) w porównaniu z sondami klasycznymi czy nawet sondą sterowaną trójelektrodową. Mierzona przez nią oporność pozorna niewiele rożni się od oporności rzeczywistej szczególnie wówczas gdy miąższość analizowanej warstwy jest większa od długości sondy oraz gdy oporność płuczki jest mniejsza od oporności wody złożowej.

Oprócz sond sterowanych trój i siedmioelektrodowych skonstruowano kilka innych układów pomiarowych takich jak POst-8 (LL8), podwójny laterolog (podwójne sterowane profilowanie oporności) oraz sferyczne sterowane profilowanie oporności sPOst (SFL). Profilowanie sterowane oporności ośmioelektrodowe POst-8 (LL8) jest analogiczne do POst-7. Długość tej sondy wynosi 14 (35 cm), a jej zasięg śledzenia waha się w granicach od 0.25 do 1.25 d w zależności od warunków pomiarowych.

Podwójne sterowane profilowanie oporności (DUAL LATEROLOG) jest realizowane poprzez dwie odizolowane od siebie części rozciętego wzdłuż osi cylindra. Każda z nich wyposażona jest w dziewięć elektrod i funkcjonuje niezależnie. Zasilanie ich prądem o różnej częstotliwości pozwala na uzyskanie dwóch krzywych odpowiadających dwóm różnym radialnym zasięgom śledzenia większemu LLd i mniejszemu LLs. Zasięg LLd jest większy od LL7 czy LL3 natomiast zasięg śledzenia LLs zawiera się pomiędzy LL7 a LL8.

W przypadku sferycznego sterowanego profilowania oporności (sPOst) ograniczony został nie tylko zasięg rozchodzenia się linii prądowych w pionie, ale także w poziomie (radialnie). Pozwala to na dużą dokładność w ocenie oporności strefy filtracji bowiem zasięg pomiarowy tej sondy jest mniejszy od sondy sterowanej ośmioelektrodowej (LL8). Sonda do sPOst jest wyposażona w dziewięć elektrod.

2.6 Sterowane mikroprofilowanie oporności (mPOst)

Klasyczne mikroprofilowanie oporności nie pozwala na zbyt dokładną ocenę oporności strefy przemytej jeżeli miąższość osadu płuczkowego na ściance otworu przekracza 12 mm, porowatość ośrodka jest mniejsza od 15%, a w trakcie pomiarów otwór jest wypełniony płuczką niskooporową (zmineralizowaną). Dlatego w wprowadzono do pomiarów mikrosondę sterowaną. Zasadniczym elementem pomiarowym sondy zbudowanej analogicznie jak klasycznej mikrosondy do mPO jest wkładka izolacyjna z wprasowanymi w nią elektrodami. Zawiera ona elektrodę prądową punktową A₀ i dwie elektrody kołowe M₁ i M₂, których potencjał jest równy dzięki prądowi o odpowiednim natężeniu wysyłanemu przez kołową elektrodę sterującą A₁. To powoduje, że prąd wysyłany przez elektrodę centralną A₀ rozchodzi się prostopadle w stosunku do osi otworu. Elektrody wraz z wkładką izolacyjną są dociskane do ścianki otworu przez układ analogiczny jak przy mPO. Odległości między elektrodami wynoszą od 1.25-2.5 cm. Zasięg śledzenia mikrosondy sterowanej wynosi około 7.5 cm, tak więc wynik pomiaru oporności związany jest ze strefą filtracji (przemytą). Przy pomocy mPOs można oprócz oceny oporności strefy przemytej określić precyzyjnie granice warstw. Wyniki są szczególnie dokładne dla przekrojów wysokooporowych oraz gdy otwór wypełniony jest płuczką zmineralizowaną.

Oprócz mPOst w ostatnich latach coraz szerzej korzysta się ze sferycznego, sterowanego mikroprofilowania oporności smPOst. Funkcjonuje ono na takich samych zasadach jak sPOst z tym, że układ pomiarowy sPOst został zminiaturyzowany i wprasowany we wkładkę izolacyjną dociskaną do ścianki otworu. Jest to obecnie najdokładniejsza metoda stosowana do oceny oporności strefy przemytej.

3. RADIOMETRIA WIERTNICZA

Profilowania radiometryczne czy jądrowe polegają na pomiarze zmian radioaktywności naturalnej lub sztucznie wywołanej wzdłuż otworu wiertniczego. Do najczęściej stosowanych metod zaliczamy obecnie:

• profilowanie gamma naturalne (PG),

• profilowanie gamma-gamma gęstościowe (PGGg),

• profilowania neutronowe.

Największą zaletą profilowań radiometrycznych jest to, że generalnie można je wykonywać zarówno w otworach niezarurowanych jak i zarurowanych pustych lub wypełnionych dowolnym płynem. Sam pomiar wykonuje się analogicznie jak w przypadku profilowań elektrometrii wiertniczej tzn. w trakcie podnoszenia sondy do góry. Aparatura kontrolno - pomiarowa znajduje się na powierzchni natomiast sondy wyposażone są w źródła promieniotwórcze i czujniki pomiarowe (detektory promieniowania).

3.1. Profilowanie gamma naturalne (PG)

Wszystkie formacje geologiczne zawierają niewielkie ilości pierwiastków promienio- twórczych zmieniające się w zależności od typów litologicznych, budowy, i składu mineralnego skał. W skałąch osadowych radioaktywność naturalna związana jest z występowaniem potasu (⁴⁰K) oraz pierwiastków radioaktywnych związanych z rodzinami uranu (²³⁸U) i toru (²³²Th). Wysyłają one promieniowanie (kwanty) gamma o energii od 0.1 do 10 MeV. Promieniowanie gamma jest absorbowane przez ośrodek, w którym się rozchodzi. Intensywność absorbcji zależy od typu ośrodka. Generalnie rośnie ona wraz z jego gęstością. Tak więc zasięg śledzenia PG w otworze wiertniczym zależy od typu osadów występujących w jego profilu. Średnio ocenia się go na około 0.5 m.

Radioaktywność naturalna w zależności od rodzaju skały zmienia się. Można stwierdzić, że anhydryty, wapienie, dolomity, węgle, piaskowce i piaski są mniej radioaktywne od iłów, szczególnie głębokowodnych. W miarę wzrostu zailenia w skale rośnie również jej promieniotwórczość. Zależy ona również od jej koloru. To ostatnie zjawisko wiąże się z zawartością w skałach materii organicznej.

Z tego co napisano powyżej wynika, że wynik PG zależy silnie od zailenia ośrodka. Jednak jego ocena w oparciu o PG nie zawsze jest jednoznaczna ze względu na różną radioaktywność minerałów ilastych. Wskazania PG zależą także od radioaktywności płuczki wiertniczej, średnicy otworu i grubości rur okładzinowych (jeżeli otwór jest zarurowany). Dla uzyskania rzeczywistej promieniotwórczości ośrodka należy w trakcie interpretacji ilościowej PG wprowadzić odpowiednie poprawki na wpływ w/w czynników. PG wykorzystuje się przede wszystkim do lokalizowania w profilu otworu osadów ilastych lub skał o minimalnej radioaktywności takich jak węgle czy anhydryty. W przypadku kiedy w danej informacji geologicznej skład minerałów ilastych jest stały PG można wykorzystywać, i do tego ono najczęściej służy, do oceny zawartości w skałach materiału ilastego. W takim przypadku istnieje zazwyczaj prosta zależność (liniowa lub nieliniowa) pomiędzy wskazaniami PG a zaileniem. Jej kształt zależy od rejonu badań i formacji geologicznej, w szczególności jej wieku.

3.2. Profilowanie gamma - gamma gęstościowe (PGGg)

Sonda do PGGg wyposażona jest w źródło promieniowania gamma (⁶⁰Co) i detektor umieszczony od niego zwykle w odległości 50-60 cm. Oddzielone one są od siebie fitrami, tak aby wysyłane przez żródło promieniowanie gamma nie mogło być bezpośrednio rejestrowane przez detektor. Sonda jest dociskana do ścianki otworu przez system resorów, aby wyeliminować wpływ płuczki na jej wskazania oraz zwiększyć jej zasięg pomiarowy. Kwanty gamma wysyłane przez źródło wchodzą w kolizje z elektronami atomów budujących dany ośrodek. Zgodnie z efektem Compton'a tracą one przy każdym zderzeniu część swojej energii na korzyść spotykanych elektronów zmieniając równocześnie kierunek rozchodzenia się. Ostatecznie są one absorbowane przez jądra atomów budujących daną formację. Ilość elektronów w jednostce objętości ośrodka zależy od rodzaju atomów go budujących. Im ich liczba atomowa, a co zatem idzie i ciężar atomowy są większe tym więcej znajduje się elektronów w danej jednostce objętości co zwiększa częstotliwość kolizji kwantów gamma. W związku z tym natężenie kwantów gamma wysyłanych przez źródło i rozproszonych w kierunku detektora będzie zależeć od gęstości ośrodka a w konsekwencji od jego porowatości.

PGGg wykorzystuje się do zróżnicowania litologicznego ośrodka, ale przede wszystkim do oceny jego porowatości. Aby wyeliminować wpływ osadu ilastego i kawern skonstruowano sondę kompensacyjną gamma-gamma wyposażoną w dwa detektory umieszczone w różnej odległości od źródła jeden nad drugim. Wielkość natężeń promieniowania gamma rejestrowane przez oba detektory są ze sobą porównywane i jeżeli istnieje taka potrzeba (występowanie kawern), to automatycznie wprowadzana jest poprawka na wynik pomiaru.

3.3. Profilowania neutronowe

Wyniki profilowań neutronowych zawierają wiele informacji na temat formacji występujących w profilu otworu. W związku z tym opracowano teorię, w wyniku której skonstruowano sondy do profilowań neutron-gamma (PNG), nautron-neutron nadtermicznego (PNNnt) i neutron-neutron termicznego (PNNt). Okazały się one bardzo pomocne przy ocenie porowatości skał zbiornikowych oraz przy wyznaczaniu kontaktów ropa-woda, gaz-ropa i gaz-woda.

Do wykonywania w/w pomiarów wykorzystuje się sondy o analogicznej budowie jak sonda gamma-gamma gęstościowa z tą różnicą, że w miejsce źródła promieniowania gamma umieszcza się źródło neutronowe. W pewnej odległości od źródła, oddzielony od niego odpowiednimi fitrami, znajduje się detektor (zwykle licznik scyntylacyjny) do pomiaru natężenia: promieniowania gamma powstałego w wyniku wychwytu radiacyjnego neutronów (PNG), gęstości neutronów nadtermicznych (PNNnt) lub gęstości neutronów termicznych (PNNt).

Beryl bombardowany cząstkami  emitowanymi przez pierwiastki radioaktywne (źródła naturalne) emituje neutrony poruszające się z szybkością kilku kilometrów na sekundę. W ośrodku rozchodzą się one prostoliniowo od zderzenia do zderzenia z jądrami atomów budujących dany ośrodek, tracąc za każdym razem na ich korzyść część swojej energii kinetycznej. Straty energii neutronów są szczególnie duże po zderzeniach z jądrami atomu wodoru, których masa jest zbliżona do masy neutronów. Po pewnej ilości zderzeń neutron osiąga stałą prędkość, której wielkość zależy od temperatury ośrodka. Staje się on w tym momencie tzw. neutronem termicznym, zaczyna dyfundować i praktycznie natychmiast zostaje wychwycony (jest to tzw. wychwyt radiacyjny neutronu) przez któreś z jąder atomów budujących dany ośrodek. Najczęściej są to jądra atomów wodoru lub chloru. Wychwytowi neutronu towarzyszy emisja promieniowania gamma. Energia neutronu termicznego stanowi ułamek elktronowolta. Przy temperaturze 25C wynosi ona około 0.025 eV (energia termiczna ośrodka).

Zastosowanie profilowań neutron-gamma (PNG), neutron-neutron nadtermicznego (PNNnt) oraz neutron-neutron termicznego zależy od warunków pomiaru (rodzaj płuczki, typ ośrodka itp.).

3.3.1. Profilowanie neutron-gamma

Natężenie promieniowania gamma emitowanego po wychwycie radiacyjnym neutronów termicznych jest funkcją zawartości wodoru w skale. Maleje ono ze wzrostem zawartości wodoru w danym ośrodku. Tak więc naprzeciw skał zbitych otrzymamy maksymalne, a naprzeciw skał porowatych minimalne wskazania krzywej PNG. W skale porowatej wielkość natężenia promieniowania gamma pochodzącego z wychwytu radiacyjnego zależy od porowatości. Na wynik pomiaru PNG silny wpływ wywiera obecność kawern dlatego powinno się go wykonywać w skałach zwięzłych. Stąd najczęściej PNG realizuje się w skałach węglanowych, które są znacznie mniej skawernowane od skał piaskowcowych.

3.3.2. Profilowanie neutron-neutron nadtermiczne (epitermiczne)

Neutrony emitowane przez źródło są spowalniane od kilku MeV do około 0.025 eV (przy temperaturze 25C). Neutrony nadtermiczne (epitermiczne) posiadają energię wyższą od termicznej. Jest ona rzędu od 0.5 do kilku eV. Aby uniknąć wpływu płuczki i średnicy otworu na wynik pomiaru sonda (źródło i detektor) do PNNnt jest dociskana do ścianki otworu za pomocą decentralizatora. W związku z tym PNNnt nie może być wykonywane w otworze zarurowanym. Spowalnianie neutronów do poziomu nadtermicznego jest funkcją przede wszystkim zawartości wodoru w skale. Stąd wskazania PNNnt są związane silnie z porowatością ośrodka i do jej oceny PNNnt jest głównie wykorzystywane.

3.3.3. Profilowanie neutron-neutron termiczne

Mierzona gęstość neutronów termicznych przez detektor zależy od własności spowalniających ośrodka. Najszybciej neutrony są spowalniane w wodzie i parafinie. Tak więc wynik pomiaru PNNt będzie analogiczny do wyniku PNG, czyli że skały zbite będą się zaznaczały maksimami, a skały porowate wodonośne minimami wskazań na krzywych PNNt. Neutrony termiczne w wodzie zmineralizowanej są silnie absorbowane przez jądra atomów chloru. Stąd gęstość neutronów termicznych będzie niższa naprzeciw skał nasyconych solanką niż naprzeciw skał ropogazonośnych. W związku z powyższym PNNt jest wykorzystywane do określania położenia kontaktów gaz-woda lub ropa-woda. Oczywiście stosowanie PNNt nie ma sensu w przypadku otworu wypełnionego płuczką zmineralizowaną.

Zaletą PNNt jest możliwość wykorzystywania tej metody w otworach zarurowanych i fakt, że naturalne promieniowanie gamma nie wpływa na wynik pomiaru tak jak ma to miejsce przy PNG.

4. PROFILOWANIE AKUSTYCZNE

W ośrodku sprężystym rozchodzą się dwa rodzaje fal: podłużne i poprzeczne. W przypadku fal podłużnych drgania cząstek ośrodka są równoległe do kierunku rozchodzenia się fali, w przypadku zaś fal poprzecznych są w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali prostopadłe. Należy zwrócić uwagę, że fale porzeczne nie rozchodzą się w ośrodkach ciekłych.

Do wykonania PA skonstruowano początkowo sondę z jednym a następnie z dwoma odbiornikami . Przy pomocy sondy jednoodbiornikowej mierzono czas przejścia fali sprężystej podłużnej przechodzącej przez płuczkę, ośrodek, płuczkę do odbiornika. Ażeby wyeliminować wpływ płuczki na wynik pomiaru wprowadzono sondę dwuodbiornikową. Odejmując czas przejścia fali do pierwszego odbiornika O₁ od czasu przyjścia fali do drugiego odbiornika O₂ otrzymuje się czas rozchodzenia się fali na odcinku O₁O₂ z wyeliminowaniem wpływu płuczki wiertniczej. Jako nadajniki stosuje się emitery typu magnetostrykcyjnego wysyłające dziesięć do dwadzieścia razy na sekundę sygnał o częstotliwości 20-30 kHz.

Dla wyeliminowania wpływu kawern na wyniki pomiaru PA skonstruowano sondę kompensacyjną. Posiada ona dwa nadajniki wysyłające naprzemian sygnały oraz cztery odbiorniki umieszczone między nimi. Komputer znajdujący się na powierzchni rejestruje wszystkie sygnały, analizuje je, wprowadza poprawki i ostatecznie zapisuje właściwe wartości.

Profilowanie akustyczne wykorzystuje się do oceny współczynnika porowatości skał (najlepsze wyniki uzyskuje się dla skał zwięzłych) oraz do badania stanu technicznego otworu wiertniczego, w szczególności zaś do kontroli stanu jego zacementowania.

LITERATURA:

1. Desbrandes R.: „Diagraphies dans les sondages”. Edition Technip, Paris 1982.

2. Desbrandes R.: „Théorie et interprétation des diagraphies”. Edition Technip, Paris 1968.

3. Jarzyna J., Bała M., Zorski T.: „Profilowania geofizyczne w otworach wiertniczych”. Zakład Geofizyki. Wydział Geologii i Ochrony Środowiska AGH, Kraków 1994.

4. Lowrie W. Fundamentals of geophysics, 1997.

5. Pirson S.J.: „Hand Book of Well Log Analysis for Oil and Gas”. Formation evaluation. Prentice Hall Inc. Englewood Cliffs N.J. 1963.

6. Plewa M.,Plewa S. - Petrofizyka, 1992.

7. Plewa S.: „Geofizyka wiertnicza”. Wydawnictwo Śląsk 1972.

8. Rychlicki S., Twardowski K.: Prace własne. WWN AGH, Kraków 1968 - 1995.

9. Scott Keys W. - A practical guide to borhole geophysics in environmental investigation, 1997

10. Serra O.: „Diagraphies différées”. Pan 1979.

11. Vogelsang D. - Environmental geophysics, 1995.

Rys. 2.2. Schemat pomiaru oporności

A, B - elektrody prądowe, M, N - elektrody pomiarowe,

1 - źródło prądu,

2 - aparatura pomiarowa.

---