Mélyfúrási geofizika Balázs László Mélyfúrási geofizika



Yüklə 0,93 Mb.
səhifə1/11
tarix11.04.2018
ölçüsü0,93 Mb.
#37221
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


Mélyfúrási geofizika

Balázs László

Mélyfúrási geofizika

Balázs László

Szerzői jog © 2013 Eötvös Loránd Tudományegyetem

ISBN 978-963-284-383-4 (PDF)



ISBN 978-963-284-384-1 (HTML)

E könyv kutatási és oktatási célokra szabadon használható. Bármilyen formában való sokszorosítása a jogtulajdonos írásos engedélyéhez kötött.

Készült a TÁMOP-4.1.2.A/1-11/1-2011-0073 számú, „E-learning természettudományos tartalomfejlesztés az ELTE TTK-n” című projekt keretében. Konzorciumvezető: Eötvös Loránd Tudományegyetem, konzorciumi tagok: ELTE TTK Hallgatói Alapítvány, ITStudy Hungary Számítástechnikai Oktató- és Kutatóközpont Kft.


Ajánlás

A jegyzet MSc geofizikus hallgatók számára készült, azzal a céllal, hogy áttekintést nyújtson a mélyfúrásokban végezhető geofizikai mérésekről és az ezekből nyerhető információkról. Támaszkodik a Kőzetfizika tárgy keretében elhangzó ismeretekre, amelyet a Kőzetfizika jegyzet foglal össze. Bár a mérési elvek, módszerek ismertetése általános, de a példák és alkalmazások tekintetében legtöbbször a szénhidrogén-kutatáshoz kötődik. Legtöbb fejezet egy mérési módszert tárgyal, összefoglalva a módszer kőzetfizikai hátterét, a módszer alapjául szolgáló direktprobléma megoldását, a mérési módszer elvét és fontosabb alkalmazásait.

Itt is szeretném megköszönni Dr. Drahos Dezsőnek és Dr. Szabó Norbertnek a jegyzet elkészítéséhez kapott sok hasznos tanácsot.

Balázs László


Tartalom

1. Bevezetés – a mélyfúrási geofizika a nyersanyagkutatás vertikumában Error: Reference source not found

2. Fúrás és fúrási környezet Error: Reference source not found

1. 2.1. Fúrólyuk átmérő Error: Reference source not found

2. 2.2. Elárasztás Error: Reference source not found

3. 2.3. Hőmérséklet és nyomásviszonyok Error: Reference source not found

4. 2.4. Mud-log és fúrás közbeni információk Error: Reference source not found

5. 2.5. Magmintavétel Error: Reference source not found

6. 2.6. Rétegvizsgálat Error: Reference source not found

3. Geofizikai szelvényezés Error: Reference source not found

1. 3.1. Adatrögzítés-adatkezelés Error: Reference source not found

4. Egyenáramú fajlagos ellenállásmérések Error: Reference source not found

1. 4.1. Direktfeladat Error: Reference source not found

1.1. 4.1.1. Forrásmodell Error: Reference source not found

1.2. 4.1.2. Pontelektród tere réteghatárnál Error: Reference source not found

2. 4.2. Potenciál és Gradiens szondák Error: Reference source not found

3. 4.3. Laterologok Error: Reference source not found

3.1. 4.3.1. Nyújtott elektródás laterolog modellezése Error: Reference source not found

4. 4.4. Mikroszondák Error: Reference source not found

5. 4.5. Elárasztás korrekció Error: Reference source not found

5. Természetes potenciál Error: Reference source not found

6. Indukciós mérések Error: Reference source not found

1. 6.1. Direkt probléma Error: Reference source not found

1.1. 6.1.1. Egyenáramú közelítés és geometriai faktor Error: Reference source not found

1.2. 6.1.2. Direktfeladat megoldás a Maxwell egyenletek alapján Error: Reference source not found

2. 6.2. Fókuszálás és szonda típusok Error: Reference source not found

7. Dielektromos állandó mérés Error: Reference source not found

1. 7.1. Direkt probléma Error: Reference source not found

2. 7.2. Dielektromos szondák Error: Reference source not found

8. Transzportelméleti összefoglaló radioaktív mérésekhez Error: Reference source not found

1. 8.1. P1 és Diffúziós közelítés Error: Reference source not found

2. 8.2. Diffúziós egyenlet megoldásai Error: Reference source not found

3. 8.3. Monte-Carlo módszerek Error: Reference source not found

9. Természetes gammamérés Error: Reference source not found

1. 9.1. Természetes gamma szondák Error: Reference source not found

2. 9.2. Spektrális természetes gammamérés Error: Reference source not found

10. Gamma-gamma mérések Error: Reference source not found

1. 10.1. Sűrűségmérés Error: Reference source not found

2. 10.2. Fotoelektromos abszorbciós index mérés (Lithodensity mérés) Error: Reference source not found

11. Neutronmérések Error: Reference source not found

1. 11.1. Neutronforrások Error: Reference source not found

2. 11.2. Neutrondetektorok Error: Reference source not found

3. 11.3. Neutronszondák Error: Reference source not found

4. 11.4. Neutronporozitás Error: Reference source not found

5. 11.5. Pulzált forráshoz kapcsolódó neutronmódszerek Error: Reference source not found

5.1. 11.5.1. Neutronélettartam szelvényezés Error: Reference source not found

5.2. 11.5.2. Neutronaktivációs módszerek Error: Reference source not found

12. NMR mérések Error: Reference source not found

1. 12.1. NMR mérőberendezések Error: Reference source not found

13. Akusztikus módszerek Error: Reference source not found

1. 13.1. Az akusztikus módszer alkalmazásai Error: Reference source not found

14. Képalkotó mérések Error: Reference source not found

1. 14.1. Egyenáramú képalkotó szelvényezés Error: Reference source not found

2. 14.2. Ultraszónikus képalkotó szelvényezés Error: Reference source not found

15. Béléscsövezett fúrásokban végzett geofizikai mérések Error: Reference source not found

1. 15.1. Kútdiagnosztikai mérések Error: Reference source not found

1.1. 15.1.1. Cementkötés-szelvényezés (Cement bond log - CBL) Error: Reference source not found

1.2. 15.1.2. Karmantyúlokátor (CCL – Casing Collar Locator) Error: Reference source not found

1.3. 15.1.2. Cső állapotára vonatkozó mérések Error: Reference source not found

1.4. 15.1.3. Szivárgás és átfejtődés mérések Error: Reference source not found

2. 15.2. Termelésgeofizikai mérések Error: Reference source not found

16. A szelvények kiértékelése (rövid összefoglalás) Error: Reference source not found

Irodalom Error: Reference source not found
1. fejezet - Bevezetés – a mélyfúrási geofizika a nyersanyagkutatás vertikumában

A nyersanyagkutatás utolsó, legköltségesebb fázisában kutató fúrásokat létesítenek a felszíni mérések alapján kijelölt helyeken (1.1. ábra), részben azzal a céllal, hogy geofizikai szondákat lejuttatva, mélyfúrási geofizikai mérésekkel (well logging, borehole geophysics) részletesebb lokális információhoz jussunk a kutatott kőzetekről, üledékekről és az esetleges nyersanyag készletekről.



1.1. ábra. Szénhidrogén-kutató fúrás kijelölése szeizmikus mérések, amplitúdó anomália és szerkezet alapján (Geomega Kft. 2008. Tóth T., Wórum G.)

A fúrás lehetővé teszi, hogy a szondák segítségével közvetlen közelről vizsgálhassuk a harántolt kőzetek fizikai tulajdonságait. Hasonlóan a felszíni geofizikai módszerekhez, a mélyfúrási geofizikai szondák is mesterséges vagy természetes fizikai terek mért eloszlása alapján adnak un. látszólagos kőzetfizikai paramétereket, de a fúrásokban olyan fizikai tereket is felhasználhatunk a kutatás céljaira, melyekkel csak néhány centiméteres kutatási mélység érhető el. Az alkalmazható terek, módszerek és a kőzetfizikai paraméterek száma így jóval nagyobb, ebből következően a kőzetrétegek tulajdonságainak leképezése sokkal részletesebb, emellett az információ térbeli (mélység szerinti) felbontása is lényegesen jobb, mint a felszíni módszereknél.

A fúrásokban végrehajtott mérések viszont a fúrás által megzavart (többnyire hengerszimmetrikus) környezetben zajlanak, melyet a mérés modellezésénél (közegmodell) figyelembe kell venni.

A különböző mérések eredményeiből megfelelő korrekciókkal kőzetfizikai paramétereket kapunk, melyekből az inverzió során becsüljük a kőzet kutatás szempontjából lényeges fajlagos jellemzőit (összetétel) és szerkezeti jellemzőit (pl. rétegzettség) (1.2. ábra). A kőzettulajdonságok mérhetősége, kimutathatósága végső soron a kapcsolódó kőzetfizikai jellemzők kontrasztján múlik.

Példaként említve a szénhidrogén-ipari mérések feldolgozását, a kőzetösszetevők között kiemelt szerepe van a víz és szénhidrogén tartalomnak, mely a kőzetmátrix által bezárt pórusteret (ϕ) tölti ki az un. szaturációval (Sw, Sch) megadott részarányban (1.3. ábra). A szolgáltatott eredmények alapján történnek pl. a készletbecslések, a fázishatárok meghatározása, rétegek pontos azonosítása, korrelálása.



1.2. ábra. Fontosabb kőzetfizikai jellemzők (mint bemenő értékek), és kőzetjellemzők (mint az értelmezés eredményei) a szénhidrogén kutatásban.



1.3. ábra. Tipikus kőzetmodell a kőzetfizikai értelmezésben: a kőzet lényegi, meghatározandó komponensei. Az effektív pórusteret (ϕe) víz és szénhidrogén tölti ki a szaturációkkal (Sw,Sch) megadott részarányban. Az agyag tulajdonságai miatt külön kezelendő kőzetalkotó. A nem redukálható tapadóvíz (Swi) vízmennyiség a szemcsék felületén tapad.

Az inverzió eredményeit (1.4. ábra) geológusok, rezervoárgeológusok és a műveléstervezéssel foglalkozó szakemberek használják fel.



1.4. ábra. Mérési adatok (baloldali 3 sáv) és eredmények az ipari gyakorlatban szokásos ábrázolása a mélység függvényében (kisporozitású gáztároló – Geomega Kft.)

A mélyfúrási geofizika és a kapcsolódó kőzetfizika területén dolgozó szakember szorosan együttműködik a felszíni geofizikai kutatással, elsősorban a szeizmikus értelmezést végző geofizikusokkal, a kutatási modell pontosításában (szeizmikus inverzió), a fúrás környezetében nyert információ kiterjesztésében, a geológiai, rezervoárgeológiai modell építésében.



1.5. ábra. Mélyfúrási geofizika a kutatás információs rendszerében

A szeizmikus jellemzők alapján térképezett és mélyfúrás geofizikai adatok értelmezésével meghatározott rezervoárjellemzők alapján számíthatók pl. a készletek. Példaképpen a standard körülményekre átszámított szénhidrogénkészlet (un. OIP: Oil in place vagy GIP: Gas in place adatok) az alábbi kőzetjellemzők (porozitás és víztelítettség) térfogati integráljával fejezhetők ki:




,

(1.1.)

ahol:

B: a vizsgált fluidumra vonatkozó térfogati tényező,

C: mértékegységtől függő konstans.

Az integrálban szereplő kőzetjellemzők eloszlását a mélyfúrások közelében pontosabban, attól távolodva a nagyobb bizonytalansággal tudják meghatározni, térképezni. A geológiai modell építését nagyban segíti a geofizikai szelvények fúrások közötti korrelációja (1.6. ábra) is.



1.6. ábra. Fúrásokban végzett mélyfúrási geofizikai mérések és értelmezési eredmények alapján korrelált rétegek.

A fúrási műveletet követően megfelelően biztosítani kell a fúrólyuk falát, amelyet cementezéssel rögzített béléscsőrendszer (casing) kialakításával érnek el. A béléscsövezést általában megelőzi a mélyfúrás-geofizikai mérések sorozata (nyitott fúrólyuknál végzett mérések: open hole welllogging). A béléscső beillesztése után is végezhetők mérések (cased hole well logging), azonban az acélcső árnyékoló hatása miatt korlátozott lehetőségekkel. A béléscsövezés utáni mérések célja is lehet kőzettestek, rezervoárok vizsgálata, de inkább kútdiagnosztikai és a termelés monitorozását célzó un. termelésgeofizikai (production well logging) mérések.


2. fejezet - Fúrás és fúrási környezet

Fúrásokat kutatás és a termeléshez kapcsolódó célokkal mélyítenek. Sekély, mérnökgeofizikai céllal történő méréseknél, akár fúrólyuk kialakítása nélkül un penetrációs technikával (Cone penetration) is lejuttathatjuk a mérőeszközöket a mérendő rétegekig. A mérőeszközök ekkor egy speciálisan kiképzett hegyes végű acélrúdon helyezkednek el.

A nagyobb mélységű fúrások esetében a leggyakrabban alkalmazott technika az un. rotary fúrás, amelynél a fúrószár végén a forgó mozgást végző görgős fúrófej (bit) zúzza össze a kőzeteket (2.1. ábra). A törmeléket (cuttings) általában a száron keresztül érkező speciális összetételű fúróiszap (drilling mud) szállítja a felszínre a száron kívüli un. gyűrűstérben.

Ahogy mélyül a fúrás, a fúrótorony segítségével emelik be az újabb csőtoldást. A teljes fúró szerelvényt a csatlakozó forgató rudazattal forgatják a speciálisan kialakított un. forgatóasztalnál. A befogás módja és a fúrószerelvény felfüggesztése a forgatás mellett a fúrószerelvény lefelé haladását is lehetővé teszi. A szerelvényhez csatlakozik az iszap folyamatos cirkulációját biztosító rendszer. A fúróiszap funkciója sokrétű. A furadék elszállítása mellett hűti a fúrófejet és könnyíti a fúrást. Sűrűsége (ρm) által meghatározott hidrosztatikai nyomása () ellensúlyozza az átfúrt rétegek pórusnyomását és biztosítja a fúrás falának stabilitását. Ebben szerepe van további adalékanyagoknak, melyek kialakítják az iszap un. tixotróp tulajdonságát, az áramlás mentes állapotban történő „bedermedést”.

Általában a fúróiszap hidrosztatikus nyomása kismértékben nagyobb az átfúrt rétegek pórusnyomásánál. Így permeábilis rétegeknél az iszap folyékonyabb frakciója (iszapfiltrátum) bejuthat a permeábilis kőzet pórusterébe. Túlzottan nagy hidrosztatikus nyomásnál a kőzet hidraulikusan akár repedhet is, a pórusnyomásnál kisebb nyomásnál viszont a pórustér kitöltő fluidum áramlik be a fúrólyukba, illetve megszűnhet a lyukfal stabilitása. Repedéses zónáknál vagy alacsony nyomású formációknál iszapveszteség léphet fel.

A fúrás helyzetét koordinátáival adjuk meg, ferdített vagy vízszintes fúrás esetén a fúrás térbeli helyzetét, trajektóriáját is rögzítik pl. a mért mélység függvényében megadott koordinátákkal vagy térszögekkel (azimut, inklináció).

A fúrás esetén mélység referenciapontként – koordinátával és tengerszint feletti magassággal (eleváció) megadva – egy felszíni pontot jelölnek meg (pl. forgató asztal, forgató rúd befogási hely un. kelly bush).



2.1. ábra. Fúróberendezés felépítése, fontosabb részei.

A fúrás és szelvényezés során az adatrögzítés „mélység” függvényében történik. A mélység ilyenkor a fúrási trajektória mentén mért távolság a felszíni referencia ponttól (measured depth: md). A mért mélység (2.2. ábra) átszámítható valós (tvd: true vertical depth), tengerszinttől számított mélységre (sstvd). Az esetleges lyukferdeségre a rétegvastagságok megadásánál is tekintettel kell lenni.



2.2. ábra. Mélység skálák a fúrási és szelvényezési műveleteknél.

Az utóbbi időben a ferdített fúrások száma – a nagyobb költségek ellenére is – kitermelési és környezetvédelmi szempontok miatt megnövekedett. Az alacsony permeabilitású tárolók kitermelése gyakran vízszintes fúrások segítségével történik (rétegrepesztéses technika alkalmazásával).

A legmélyebb fúrások (Kola-félsziget) 12 km-nél is mélyebbek. Az olajiparban a fúrások jellemző mélysége (szénhidrogén ablaktól függően) 1-3 km, de Magyarországon is vannak 4 km-nél mélyebb kutatófúrások (Makói-árok)

1. 2.1. Fúrólyuk átmérő

A fúrások átmérőjét a fúrófej átmérője (névleges lyukátmérő: bit size) határozza meg. Az olajipari gyakorlatban ez általában 6”-10” között változik. A kútkiképzési tervnek megfelelően a felszíntől lefelé haladva – stabilitási okokból - csökkenő fúrólyuk átmérőket alkalmaznak. A fúrási, szelvényezési és kútképzési műveletek szakaszosan követik egymást, így érik el a tervezett mélységet. A geofizikai mérések esetében az egyik zavaró tényező maga a fúrólyuk. Értékét a lyukhatás korrekciók miatt, illetve a benne rejlő információ miatt szelvényként is rögzítik (caliper). A névleges lyukátmérőtől való eltérésnek többféle oka lehet, de gyakran litológiai okokra vezethető vissza és a fúrólyukfal instabilitását jelzi.

Permeábilis zónáknál a formációba beszűrődő fúróiszap nagyobb szemcséjű frakciója a lyukfalon iszaplepényt (mudcake) képez, mely lyukátmérő csökkenést okoz. Más esetben vízre duzzadó agyagok okozhatnak lyukátmérő csökkenést, bár sokkal gyakoribb, hogy az eredeti rétegvíztől eltérő tulajdonságú fúróiszap hatására az agyagréteg fellazul és lyukbővület un. kaverna keletkezik. Ugyancsak lyukbővület (wash out) keletkezik a repedezett, mechanikailag kevésbé állékony, repedezett kőzeteknél, vagy kioldódás miatt pl. evaporit rétegeknél. Deformálható kőzetréteg a liosztatikus nyomás hatására szintén okozhat átmérő csökkenést, ahogy a furadék felhalmozódása is nem megfelelő cirkuláció esetén.



2.3. ábra. Lyukbőség szelvény (baloldali sáv - CAL) a permeábilis részen iszaplepény indikációkkal, agyagos részeken kavernákkal. Jobb oldalon a lyukbőségmérő karos szonda látható

A lyukfalon kialakulhat repedésrendszer a fúrástechnológia következtében is. Ezek általában hosszanti repedések, amelyek ott alakulnak ki ahol fúróiszap nyomása és a kőzettestben uralkodó nyomástér szuperpozíciójának eredményeként (Kirsch-egyenletek) a fúrólyuk peremi régiójánál fennáll a nyíró és normális feszültségekre a kőzetre vonatkozó törési kritérium. Ha a környező kőzettestben a fúróiszap hidrosztatikus túlnyomása által létrehozott húzófeszültség kellően nagy, akkor a legnagyobb horizontális feszültség irányába (a legkisebb feszültség ellenébe) vékony határozott kontúrral rendelkező repedés nyílik (drilling induced fracture). Ha a kőzetben uralkodó horizontális nyomástér dominál, akkor a legkisebb főfeszültség irányában alakulhat ki összetett repedésrendszer un. breakout (2.4. ábra). Ez utóbbi viszonylag széles mélyedés lehet, mely a lyukátmérő szelvényen lyukbővületként is jelentkezhet.

A lyukátmérő mérése kinyíló karú szondával (kettő vagy több karral) történik (2.3. ábra).



2.4. ábra. Lyukfaldeformációk keletkezése horizontálisan inhomogén feszültségtérben

2. 2.2. Elárasztás

Ha a fúróiszap hidrosztatikus nyomása meghaladja a pórustér nyomását, akkor az iszapfiltrátum – az iszap egy frakciója – permeábilis formáció átfúrásakor beáramlik a pórustérbe, a fúrólyuk környezetéből részben vagy egészben kiszorítva az eredeti pórustartalmat. Ennek hatására un. elárasztott zóna jön létre, mely jórészt a fluidum cserének köszönhetően eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkezik, mint az elárasztás régióján kívüli érintetlen zóna. Az elárasztott zóna radiális kiterjedése jellemzően 0.1 – 1.0 m között van. Ennek megfelelően kell a szondák, szondakombinációk radiális kutatási mélységét tervezni. Az elárasztás folyamatát általában a fúrólyuk falán az iszap szilárd frakciójából képződő un. iszaplepény képződése zárja le. Alacsony permeabilitású kis porozitású közeg esetén az iszaplepény képződése lassú folyamat, ilyenkor az elárasztott zóna radiális kiterjedése nagyobb lehet. Az iszapösszetétel megfelelő beállításával általában törekszenek az elárasztási folyamat mérséklésére, amely így a réteg későbbi termeltetését segíti. Bizonyos modellezéseknél az elárasztott zónát kiöblített (teljes fluidum csere) és átmeneti zónára osztják.

Az elárasztás bizonyos mértékig „szimulálja” fordított irányban a termelés folyamatát, így az elárasztott zóna víztelítettsége (Sxo) és az érintetlen zóna víztelítettségének (Sw) különbsége információval szolgál a szénhidrogén kitermelhető hányadáról (SChm).






(2.1.)



2.5. ábra Permeábilis, szénhidrogén tartalmú rétegnél kialakult elárasztott zóna radiális szaturációs profilja, a fúrólyuktól indulva. (Swi) a maradék víztelítettséget jelöli.

Az elárasztás folyamatát a Buckley-Leverett egyenlet írja le, amely lamináris kétfázisú áramlást vizsgál porózus közegben. Az anyagmérleg egyenletből kiindulva az i-edik pórusfolyadék összetevőre:






(2.2.)

alakú egyenlet írható fel, ha a folyadékokat összenyomhatatlannak tekintjük. Az egyenlet szerint adott térfogat pórusterében levő folyadék szaturációjának (Si) időbeli változását a beáramló folyadék lokális mérlege, azaz az áramlás (qi az i-edik összetevő Darcy-sebessége) térbeli változása határozza meg. A Darcy-sebesség több fázis esetén is közelítőleg kifejezhető a Darcy-törvény segítségével:


,

(2.3.)

ahol:

k : a permeabilitás,

ki : az i-edik fázis relatív permeabilitása,

ηi: az i-edik fázis viszkozitása.

Kétfázisú esetet vizsgálva felírhatjuk, hogy a teljes áramlásra vonatkozó Darcy-sebesség:




.

(2.4.)

Mindkét fázissal kifejezve a nyomásgradienst a következő egyenlet kapható:


.

(2.5.)

Bevezetve a következő függvényt, amely a Darcy-sebességeket a relatív permeabilitáson keresztül összeköti a szaturációkkal:


.

(2.6.)

Ezt visszaírva az eredeti egyenletbe, megkapjuk az S1 telítettség időbeli alakulását meghatározó egyenletet, amennyiben a Darcy-sebesség ismert:


.

(2.7.)

A határon – a fúrólyuk falánál – csak fúróiszap áramlik be, a nyomásviszonyoknak megfelelően, ezzel mind határfeltétellel megoldható a fenti egyenlet és számítható az adott szaturációval jellemezhető elárasztási front időbeli terjedése. A fúrási művelet és a szelvényezés között több óra is eltelhet, amely hatással lehet az elárasztás mélységére.



Yüklə 0,93 Mb.

Dostları ilə paylaş:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2022
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə