Ядерно-магнитный каротаж

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт природных ресурсов

Направление ГИС

Кафедра ГЕОФ

КУРСОВАЯ РАБОТА

“ Ядерно-магнитный каротаж ”

по дисциплине ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН

Выполнила студентка гр.2211       ____________ Власова А.В.

Отчет принят:

старший преподаватель ____________ Никольский А.А.

Томск 2014 г.

Оглавление

Введение

Физические основы

Аппаратура и методика измерений ЯММ

Кривые ЯММ

Заключение

Список литературы

Введение

В течение почти 75 лет нефтедобывающая промышленность полагается на методы геофизических исследований в скважинах при изучении свойств геологического разреза. Арсенал методов каротажа на кабеле вырос до масштабов, которые позволяют изучать строение залежей углеводородов с беспрецедентной точностью. Однако, все же еще остаются нерешенными и многие проблемы. Так, например, по-прежнему труднодостижимо получение непрерывных по разрезу данных о проницаемости, нередки случаи пропусков продуктивных интервалов, а коэффициент нефтеизвлечения остается невысоким. Надежные измерения ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) могут изменить картину в лучшую сторону. В курсовой работе изложены физические основы метода ядерно-магнитного каротажа (ЯМК), интерпретация получаемых данных и рассмотрены практические примеры их успешного применения.

Физические основы

Ядерно-магнитный метод (ЯММ) основан на изучении величин искусственного электромагнитного поля, образующегося в результате взаимодействия магнитного и механического моментов ядер химических элементов горных пород с импульсным внешним магнитным полем [1].

Все элементарные частицы и ядра химических элементов, кроме массы и порядкового номера (заряда), характеризуются величинами собственного механического момента (спина) S и магнитного момента µ, а также гиромагнитным отношением γ, представляющим собой отношение магнитного момента ядра к его спину (γ = µ/S).

В постоянном внешнем магнитном поле на ядро, обладающее магнитным моментом, действует пара сил, стремящаяся расположить момент параллельно этому полю. В то же время вследствие наличия механического момента ядро, подобно волчку, будет прецессировать вокруг направления этого поля с частотой w0, пропорциональной напряженности поля Н0 и называемой ларморовой частотой:

о = γН0.

Если на ядра элементов подействовать сильным магнитным полем (полем поляризации) напряженностью Нцол с магнитным моментом Мпол, перпендикулярным к полю Земли Н3, то ядра в силу наличия спина S и ядерного магнитного момента µ будут ориентироваться в направлении суммарного поля поляризации Нсум, создавая вектор ядерной намагниченности (магнитный момент Мсум (рис. 1).

В случае быстрого выключения поля поляризации под действием магнитного поля Земли ядра элементов возвращаются в исходное положение (рис. 1), прецессируя вокруг направления внешнего магнитного поля, подобно волчку, в поле силы тяжести с характеристической ларморовой частотой около 2 кГц, обусловленной напряженностью магнитного поля Земли (Нз~40 А/м) и гиромагнитным отношением ядер. При этом ядрами тех элементов, для которых ларморова частота при заданной напряженности постоянного магнитного поля совпадает с частотой переменного поля, максимально поглощается энергия поля. Это явление называется ядерным магнитным резонансом (ЯМР).

Рис. 1. Поведение вектора намагниченности ядер М до поляризации (а), во время поляризации (б), в начале свободной прецессии (в) (по С. М. Аскельроду). М3 - магнитный момент Земли

При своей прецессии ядра под действием вращающейся поперечной составляющей вектора ядерной намагниченности М создают переменное (затухающее во времени) электромагнитное поле, напряженность которого измеряется с помощью приемной катушки скважинного прибора. В катушке возникает электрический синусоидальный сигнал (сигнал свободной прецессии- ССП), затухающий по экспоненте с постоянной времени Т2, называемой временем поперечной релаксации

 = Eosinwoτexp(-T1/T2),

где τ-время, прошедшее после выключения поля поляризации.

По полученному сигналу свободной прецессии можно определить Ео - начальную амплитуду э. д. с., T1 - время продольной, или термической релаксации, характеризующее скорость нарастания ядерного намагничивания по направлению приложенного поля поляризации, и Т2 - время поперечной релаксации, которое является мерой скорости расфазировки прецессии ядер. Под временем релаксации обычно понимается время, в течение которого начальная амплитуда э. д. с. Ео уменьшается в 2,7 раза.

Величины Е0, T1 и Т2 связаны с физическими свойствами горных пород, но для изучения время поперечной релаксации T2 искажено неоднородностью поля Земли.

Из всей совокупности элементов, слагающих горные породы, только ядра водорода, входящие в состав свободной жидкости, обладают достаточно большим гиромагнитным отношением (4257 Гц/Гс), чтобы создать под действием поляризующего магнитного поля э. д. с., которая может быть зарегистрирована в условиях скважины. Метод изучения разрезов скважин, основанный на регистрации эффектов свободной прецессии ядер водорода, получил название я д е р н о - м а г н и т н о г о метода. Связанная вода, очень вязкая нефть, твердые и другие полярные высокомолекулярные углеводороды, адсорбируемые на поверхности частиц породы, дают столь быстро затухающие э. д. с, что на показаниях метода ЯММ их присутствие в исследуемом разрезе не сказывается. В связи с этим объектом исследований ядерно-магннтным методом являются ядра водорода, входящие в тот или иной свободный флюид (воду, нефть или газ). Радиус исследования практически равен 1,58dc, где dc - диаметр скважины.

Аппаратура и методика измерений ЯММ

Аппаратура ядерно-магнитного метода представляет собой скважинный прибор и наземную панель. Скважинный прибор состоит из двух частей. В нижней части в цилиндрическом кожухе из полихлорвиниловой трубы, заполненной маслом, размещены два датчика - основной и вспомогательный, в верхней части в дюралевом кожухе смонтирована электронная схема. Основной датчик используется для создания магнитного поля поляризации в пласте и наблюдения сигнала свободной прецессии. Он представляет собой соленоид с сердечником прямоугольного сечения, длинная сторона которого параллельна главной оси прибора. Длина зондов L3 (чувствительной части катушки) равна 0,75 м.

Сила тока поляризации составляет З А. Вспомогательный датчик имеет тороидальную форму и служит для контроля работы аппаратуры.

После включения поляризующего тока вектор намагниченности М устанавливается постепенно в течение времени τпол и асимптотически приближается к значению своего насыщения (рис. 2,6). Практически время поляризации выбирается равным (3-5)Т1. По истечении этого времени сила тока поляризации Iпол ступенчато уменьшается до нуля с целью исключения влияния переходных процессов (рис. 2, а). После прекращения переходных процессов быстро выключается остаточный ток Iос коммутатором скважинного прибора. Коммутатор, в свою очередь, подключает катушку на вход усилителя для регистрации сигнала свободной прецессии, т. е. в этот интервал времени основной датчик является приемником. За время действия остаточного тока Тос величина вектора ядерной намагниченности лишь незначительно уменьшается (рис. 2, в) и он практически не изменяет своего направления. Частота действия коммутирующего устройства устанавливается в пределах 0,1-2,0 Гц.

Рис. 2. Схема процессов, возникающих при исследованиях горных пород методом ЯММ (по С. М. Аксельроду) .

а - график I-f(x); б - изменение величины вектора ядерной намагниченности М; в - изменение во времени э. д. с. сигнала свободной прецессии; г - сигнал свободной прецессии после усиления и детектирования

ядерный магнитный каротаж горный

По значениям U1 и U2 или U1 и U3 счетно-решающее устройство, установленное в наземной панели, вычисляет начальную амплитуду которая регистрируется в функции глубин наряду с замеряемыми значениями U1, U2 и U3.

Масштабы кривых U1, U2, U3 и U0 устанавливают в значениях кажущегося индекса свободного флюида (ИСФ)К. Это понятие аналогично применяющемуся в промысловой геофизике понятию кажущегося удельного сопротивления. Под ИСФ понимается относительный объем свободного флюида в породе, приведенный по концентрации протонов к объему воды и измеренный в процентах. Значениям ИСФ, равным нулю и 100%, соответствуют начальные амплитуды сигнала, получаемые при замерах в отсутствие свободного флюида и при погружении зонда ЯММ в неограниченный объем воды.

При записи кривых ЯММ должен быть обеспечен оптимальный режим измерения, т. е. необходимые времена поляризации, времена измерения и интегрирования, а также скорость перемещения прибора по стволу скважины. Времена измерения τ1, τ2, τ3 устанавливаются в зависимости от характерного для исследуемого разреза кажущегося времени поперечной релаксации так, чтобы обеспечить минимум погрешности при переходе от измеренных U1, U2 и U3 к амплитуде U0, и обычно составляют τ1 = 35 мс, τ2 = 50 мс и τ3 = 70 мс. Время интегрирования выбирается соответственно постоянной времени спада СПП.

Скорость движения прибора ЯММ ограничивается требуемым временем поляризации, которое должно быть таким, чтобы выдерживалось условие τпол >3Т1. Оптимальная скорость исследования ЯММ рассчитывается по формуле

где τ изм - время измерения ССП (в с). Обычно она не превышает 250 м/ч. Более высокая скорость допустима только при обзорных измерениях.

Если ЯММ применяется для определения ИСФ, то записываются кривые U1, U2, U3 и U0. При выделении коллекторов, характеризующихся низкой эффективной пористостью, для снижения влияния помех необходимо записывать одну кривую U2 в режиме максимального интегрирования и с пониженной скоростью передвижения прибора (120-200 м/ч).

Время Т1 может быть определено наиболее точно при установке прибора на заданной глубине и измерении амплитуд ССП при различных поляризациях (измерение Т1 в сильном поле) или при различных временах действия остаточного тока (измерение Т1 в слабом поле).

Кривые ЯММ

Кривые ЯММ симметричны относительно середины однородных пластов. С серединой пласта совпадает максимум. Границы мощных пластов отбиваются в точках, соответствующих половине максимального значения амплитуды кривой ЯММ (рис. 3, а). Для пластов ограниченной мощности с h/L3<1 границы смещаются к максимуму кривой и могут быть отмечены в точках, находящихся от начала и конца аномалии соответственно на расстоянии, равном половине длины рамки.

Для одиночных однородных пластов большой мощности характерным значением ИСФ является амплитуда аномалии против середины пласта. При мощности одиночного пласта, меньшей длины зонда, в типичное значение ИСФ должна быть введена поправка за ограниченную мощность.

Переход от кажущихся значений к истинным значениям ИСФ производится по специальным палеткам или по формуле

где ξЭ, ξс - обобщенные поправочные коэффициенты за различие величины и времени действия тока поляризации при измерении в скважине и эталонировании, за скорость передвижения прибора, время действия остаточного тока, за азимут и угол ствола скважины и эталонировочного устройства, различие температур промытой части пласта и жидкости при эталонировании, диаметр скважины, толщину глинистой корки, добротность катушки зонда при исследовании скважины и эталонировании.

Глубина исследования ядерно-магнитным методом не превышает 10-15 см. Поэтому результаты интерпретации могут быть существенно искажены в случае внутренней глинизации пор глинистым раствором в зоне его проникновения, частичного заполнения пор невытесненным газом, вследствие неровностей стенок скважины и трещиноватости пород, созданной их разрушением в процессе бурения." Повышенное содержание в породах и в глинистом растворе ферримагнитных -минералов в большинстве случаев исключает возможность применения ядерно-магнитного метода [2].

(б) и водоносной (б) пород.

/-песчаник; 2 - алевролит глинистый; 3 -глину; кривые UU%, С/3 - соответствуют временам Ть Тг, т3 после начала прецессии; 6: Т( = 760 мс; /t= =818 м; в: Ti=215 мс; h - 855 м

Области применения и решаемые геологические задачи

Ядерно-магнитным методом исследуются разрезы глубоких скважин с целью выделения пластов-коллекторов и определения характера их насыщения (нефть, газ, вода), а также эффективной пористости.

Кривые сигнала свободной прецессии отражают в породе наличие свободной жидкости, поэтому все пласты, выделяемые аномалией па фоне помех, относят к пластам-коллекторам (см. рис. 3, а).

По времени продольной (термической) релаксации Т1 определяют тип флюида, насыщающего норовое пространство пластов-коллекторов, и степень смачиваемости горных пород (гидрофильность) (см. рис. 3,6, в). Для водонасыщенных гидрофильных пород Т1 = 50-300 мс. При насыщении этих пород нефтью или газом время релаксации возрастает (Т1>600 мс). Для гидрофобных нефтеносных пород, обычно не содержащих свободной воды, время релаксации Т1 превышает 600 мс.

Для определения времени продольной релаксации Т1, а следовательно, и типа флюида, насыщающего поровое пространство пластов-коллекторов, используют зависимость спада начального напряжения э. д. с. Uо от времени ее затухания (релаксации) после снятия поляризующего магнитного поля в масштабе lnU=f(τ).

Если все точки кривой релаксации в масштабе lnU=f(τ) располагаются на одной прямой (см. рис. 3, в), значит в породе содержится однокомпонентная подвижная жидкость (вода или нефть). При этом угол наклона прямой lnU - f(τ) для водоносных коллекторов больше, чем для нефтеносных, а время релаксации у нефтеносных коллекторов больше, чем у водоносных (см. рис. 3, б, в). Отклонение кривой lnU=f(τ) от прямолинейного направления свидетельствует о наличии в породе подвижных воды и нефти. Такая кривая может быть представлена двумя прямыми.

По данным ЯММ можно определить коэффициент эффективной пористости горных пород kпэф (см. рис. 3, а).

Ядерно-магнитный метод неприменим при наличии в породе даже незначительных примесей магнитных минералов, так как в этом случае наведенная э. д. с. исчезает. Последнее обстоятельство используется для исключения влияния на показания ЯММ воды, содержащейся в промывочной жидкости. Для нейтрализации этого явления в промывочную жидкость рекомендуется добавлять магнетит (около 25 кг на 100 м3 раствора).

Ядерно-магнитным методом можно исследовать только открытый ствол нефтяной или газовой скважины, так как обсадная стальная колонна является ферромагнитным материалом. Этот метод позволяет с большой точностью выделять пласты, содержащие подвижный флюид.

Заключение

Для ядерно-магнитного каротажа перспективы всегда были радужными [3]. Научные исследования показали, что интерпретация времен релаксации ЯМР обеспечивает получение большого количества петрофизических данных. Каротажные зонды последнего поколения, использующие методы импульсного ЯМР и основывающиеся на этих исследованиях, позволяют прямо на скважине получать убедительные ответы, проливающие новый свет на основной вопрос: «Что может быть получено из этой скважины?»

Список литературы

1.      Дьяконов Д.И., Леонтьев Е.И., Кузнецов Г.С. Общий курс геофизических исследований скважин / Издание второе, переработанное. - Москва: «НЕДРА», 1984. - 432 с.

.        Дахнов В.Н. Интерпретация результатов геофизических исследований разрезов скважин / Москва: «НЕДРА», 1981. - 448 с.

.        Грег Губелин, Крис Моррис Шугар Ленд, Техас, США, Билл Кеньон, Роберт Клайнберг, Кристиан Стрейли Риджфилд, Коннектикут, США Ядерно-магнитный каротаж - технология 21 века / США, журнал «Ойлфилд Ревью», 1995 г. - С. 30-43