Mélyfúrási geofizika Balázs László Mélyfúrási geofizika

3. 2.3. Hőmérséklet és nyomásviszonyok

A fúróiszap nyomását a pórusnyomásnak megfelelően kell beállítani. Ha a pórusfolyadék viseli a litosztatikai nyomás egy részét, túlnyomásos zóna jön létre. A litosztatikai nyomás a rétegek sűrűségének integráljával fejezhető ki:

.

(2.8.)

A fúróiszap megfelelő hidrosztatikai nyomását a sűrűséget növelő adalékokkal (pl. barit) érik el. A litosztatikai nyomás jellemző gradiense 22-26 MPa/km míg a hidrosztatikai nyomásé 10 MPa/km.

2.6. ábra. A meghatározó nyomás trendek, a tároló rétegek pórusnyomás-trendje a kettő között helyezkedik el.

A fúrásokban elvégzett nyomásmérések érzékenyek a kitöltő folyadék sűrűségváltozásaira és áramlására. A rétegnyomásokra következtethetünk az un. teszteres mérések adataiból és a kútfejnyomás adatokból. A teszter speciális folyadék-mintavevő eszköz, amely adott helyen rétegfolyadék nyomásának mérésére is alkalmas. A rétegnyomások alakulása megszabja a lehetséges kitermelés módját. A nyomásviszonyokra – különösen az un. differenciális nyomásra –, mely a szemcsék kontaktusát megszabja, több kőzetfizikai paraméter különösen érzékeny (pl. akusztikus terjedési sebesség, hővezetés stb.). Jellemző pórusnyomás a szénhidrogén-tároló rétegeknél (10-30 MPa)

A hőmérsékleti profil szintén lényeges információkat hordoz. Referenciaként vehető a helyi geotermikus gradienssel számítható érték. Elsősorban a gáz és vízáramlások okozhatnak anomáliákat, így az említett áramlások felderíthetők. A hőmérséklet és nyomásviszonyok meghatározzák a pórus fluidumok oldhatóságát, sűrűsségét, rétegvizek esetén a hőmérséklet hatással van pl. az iontranszportra és ezen keresztül az kőzetek fajlagos ellenállásra. Több mélyfúrás-geofizikai mérés esetében hőmérsékleti korrekciót kell alkalmazni, illetve bizonyos szondatípusok felhasználása adott hőmérséklet felett korlátozott. A geotermikus kutatások esetében alapvető szelvénytípus. A hőmérsékleti viszonyok és hőtörténet határozza meg az un. szénhidrogén ablakot. A szénhidrogén fúrások jellemző talphőmérséklete 100-150 C a mélység függvényében.

A hőmérsékletmérés geofizikai szondákban nagyon kis hőtehetetlenségű szenzorral valósítható meg.

4. 2.4. Mud-log és fúrás közbeni információk

A fúrási műveletek során is olyan információkhoz juthatunk, melyek a későbbiekben segíthetik a petrofizikai értelmezést. A fúrás során több paramétert is rögzítenek, melyek kőzettani információkat hordozhatnak.

A fúróhaladás – adott nyomaték és fordulatszám mellett - nyilvánvalóan függ a kőzet mechanikai tulajdonságaitól, repedezettségétől, szilárdágától.

2.7. ábra. Egy fúrási művelet főbb paramétereinek időfüggése, követhetők a fúrási periódusok.(WOH : weight on the hook, RPM: rotation per minute, Torque: nyomaték)

A fúrás folyamán a felszínre áramló fúróiszap elemzése (fúróiszap szelvényezés) szintén sok hasznos információt adhat. Erre – a fúrás mellett - külön labor települ, mely az iszap és a felhozott fúrási törmelék főbb jellemzőit analizálja. A labor mérések eredményeinek összessége az iszapparaméterek mélység szerinti ábrázolása (mud-log). Az eredményeket az iszap áramlási sebességének ismeretében közelítőleg mélységhez lehet kötni, bár nem zárható ki, hogy a fúrás felsőbb részeiből is válik le törmelék, illetve magasabban fekvő rétegekből kerül rétegtartalom a feláramló iszapba, így az információ bizonytalansága nagyobb, mint a geofizikai szondázásoké.

Fontosabb rögzített mennyiségek:

• 
  iszap forgalom
  
• 
  iszap veszteség (repedések, kisnyomású zónák indikációja)
  
• 
  kőzettörmelék összetétele
  
• 
  gáz mennyisége
  
• 
  gáz összetétele (C1:metán, C2:Etán…C7-ig osztályba sorolással, gázkromatográfiás elemzéssel)
  
• 
  iszap ph (pl.CO₂, H₂S belépés indikátora lehet)
  
• 
  iszap sűrűség
  
• 
  iszap hőmérséklet
  
• 
  UV fluoreszcencia (olaj nyomok kimutatására)
  
• 
  CaCO₃ tartalom
  

2.8. ábra. Mud-log eredmény egy gáztárolónál (Geomega Kft. 2009). Jól látható a furadék alapján valószínűsíthető réteghatárok, illetve a valós gáz belépési pontok (FG). A furadék összetétel és a gáztartalom is relatív egységekben szerepel.

A gáztartalom megítélése gyakorlatot kíván és nem mindig dönthető el pontosan, hogy a mud-log szelvényen megjelenő gázcsúcsok valóban a kitermelhető gáz indikációi lennének. Gáz indikációkat okozhatnak különböző, fúrószár mozgatási műveletek, melynek következtében lokális nyomásváltozások történhetnek vagy iszaplepény sérülés, amely a fúrás valamely szakaszán gázbelépéssel járhat (TG: trip gas, CG: connection gas).

Az azonosított természetes gáz csúcsok (FG), azok melyek valóban gáztartalmú formációra utalnak. A gázbelépés még ilyenkor is kötődhet impermeábilis gáztartalmú agyagokhoz. Megjegyezzük, hogy a gázbelépés függvénye az iszap hidraulikus nyomásának is, a pórusnyomásnál jóval nagyobb iszapnyomásoknál a gázbelépés kisebb.

A felhabosodással járó nagymennyiségű gáz belépése (gas kick) viszont figyelmeztető jel a fúrás biztonsága szempontjából.

A furadék összetétele és a karbonát-tartalom a későbbi litológia becslésnél segíthet, a mud-log szelvényen litológiai oszlopként láthatjuk.

5. 2.5. Magmintavétel

Speciális és igen drága fúrási technológiával, kőzetmagot lehet venni a harántolt rétegekből. A magminta ezután közvetlenül vizsgálható labormérésekkel. Megmérhető rajta valamennyi kőzetfizikai tulajdonság és mérhető az összetétel, porozitás, permeabilitás és szénhidrogén-tartalom. Ezek segítségével pontosíthatók a félempirikus kőzetfizikai egyenletek paraméterei. Leggyakrabban porozitás és permeabilitás méréseket végeznek (un. poroperm adatok), a permeabilitás becslése a konvencionális szelvényekből meglehetősen bizonytalan, így labormérések alapján állítanak fel lokális regressziós összefüggést a porozitás függvényében. A magmintavétel nem teszi fölöslegessé a geofizikai szelvényezést. A szondák által látott tartomány nagyobb, az eredmény reprezentatívabb és információt kaphatunk az elárasztott zóna határán túlról is. Az un. magnyereség gyakran nem 100%, azaz a mintavételi szakaszon a vett kőzetoszlop nem teljes pl. repedezett szakaszok jelenléte miatt.

2.9. ábra. Magminták

Megjegyezzük, hogy lehetőség van az un. oldalfal magminta-vevővel utólagos mintavételre is.

6. 2.6. Rétegvizsgálat

A réteg produktivitása, nyomása vizsgálható teszteléssel (DST - drill stem test). A művelet során két tömítéssel elzárt tartományban termeltetik a produktív réteget (2.10. ábra). Elemezhető a folyadék összetétel (szénhidrogén és vízhozam). A hozamok a relatív permeabilitás értékek segítségével összeköthetők a szaturáció értékekkel. A vízmintavétel, a rétegvíz összetételének elemzése, rétegvíz fajlagos ellenállásának meghatározása hozzájárulhat a hatékonyabb kőzetfizikai inverzióhoz, különösen a szénhidrogén szaturáció becsléshez.

2.10. ábra. Réteg tesztelése (DST)
3. fejezet - Geofizikai szelvényezés

A geofizikai szondákkal (3.2. ábra) végzett mérések – szelvényezés – célja a minél részletesebb információgyűjtés az átfúrt kőzetrétegekről. Ennek érdekében a lehető legtöbb fizikai térrel leképezzük a vizsgált kőzettartomány fizikai tulajdonságait.

A méréseket a fúrás mélyítését követően a lehető legrövidebb időn belül elvégzik, általában kombinált szondákkal, többféle méréstípus összevonásával.

3.1. ábra. Mélyfúrás geofizikai szelvényezés.

A mérést megelőzően a szondákon felszíni kalibrációs méréseket hajtanak végre, majd a szelvényező mérő kocsiról kábelen keresztül juttatják a szondát a kívánt mélységbe (3.1. ábra). A kábel biztosítja a szondák mérőberendezéseinek tápellátását és az adatforgalmat is.

Legtöbb esetben a mérést felfelé vontatva hajtják végre, az adatokat a kábel mentén mérhető „mélység” (md) szerint mintavételezve és rögzítve. A mintavételi köz 0.1 - 0.2 m, de bizonyos szelvények esetében 1-2 mm (képalkotó mérések, dőlésmérés). Legtöbb mérés folyamatos vontatás mellett történik. A kábelnyúlást a mélységértéknél utólag korrigálják.

Az eltérő szondakombinációkkal végrehajtott mérések között kismértékű mélységeltolódások lehetnek, szondamegszorulások stb. miatt, amelyet az adatok előfeldolgozásánál korrigálni kell (un. mélységegyeztetés).

3.2. ábra. Geofizikai szondák. (centralizált és falhoz szorított eszközök)

3.3. ábra. Az első szelvényezés eredménye (Schlumberger, 1927)

Azokban az esetekben, ahol az utólagos szelvényezés nehezen kivitelezhető (pl. tengeri fúrások, vízszintes fúrások) speciális kiképzésű fúróberendezésen a fúrófej mögött helyezik el a mérőberendezést (MWD - Measure While Drilling). Ferdített fúrásokban, ahová a szonda nehezen juttatható le kábelen, a szondát cső segítségével tolják a mérendő szakaszig (PCL – pipe conveyed logging).

A szonda érzékelői a mesterséges vagy természetes forrással kialakuló fizikai mezők mérésével képezi le a kút környezetet, a kőzetfizikai jellemzők eloszlását. Az alkalmazott fizikai tér jellege és mérőberendezés kialakítása (pl. forrás érzékelő távolság) határozza meg a kutatási tartományt (S), ahonnan az adott mérés típus még képes információt hozni. Ez a mért érték (M) megváltozásával jellemezhető, ha adott térbeli pont környezetében levő kőzetfizikai jellemzőt (k(r)) megváltoztatjuk.

.

(3.1.)

Ha ez a megváltozás kevéssé érzékeny a környezet kőzetfizikai jellemzőinek eloszlására, akkor un. differenciális geometriai faktor (g) függvény adható meg, amely térkép szerűen mutatja a szonda térbeli érzékenységét.

.

(3.2.)

Ennek segítségével – hengerkoordinátákban (r,z) – radiális érzékenységet és kutatási mélységet definiálhatunk a differenciális geometriai faktor z-szerinti kiintegrálásával. Mivel a fúrás okozta hatások (pl. elárasztás) esetében a radiális kiterjedés döntő, a szonda kombinációk megtervezésében a radiális karakterisztikának (R(r)) nagy jelentősége van.

.

(3.3.)

A szelvényezés során a másik jellemző inhomogenitás a rétegzettség, emiatt a mérés vertikális felbontóképessége is lényeges. Ez jellemezhető a vertikális karakterisztika bevezetésével:

.

(3.4.)

Finom vertikális felbontás gyorsan lecsengő Z(r) karakterisztikával érhető el. A radiális kutatási mélység javítása a forrás-érzékelő távolság növelésével általában a vertikális felbontás rovására mehet. Negatív és pozitív forrású fizikai mezők esetén megvalósítható a mérés fókuszálása, mely során a kutatási mélység a vertikális felbontás romlása nélkül javítható többlet jelenergia alkalmazása mellett.

A fenti karakterisztikák alapján a szondákat úgy tervezik, hogy a radiális inhomogenitások (elárasztás) kielégítő pontossággal felderíthetők legyenek, és ha az alkalmazott fizikai tér jellege megengedi, akkor legyen információ a fúrás által nem háborgatott érintetlen zónáról is (elektromos módszerek).

3.4. ábra. Egyes geofizikai méréstípusok jellemző radiális kutatási mélysége

A mérés esetlegességének hatásait igyekszenek csökkenteni pl. megfelelő hidraulikus karok segítségével biztosítják a szonda centralizált elhelyezkedését. Kis – néhány cm-es kutatási mélység esetén un. falhoz szorított eszközöket alkalmaznak ugyancsak hidraulikus karok segítségével, biztosítva a fúrólyuk zavaró hatásának csökkentését. (3.2. ábra)

Más esetekben a forrás eleve fókuszálható és irányfüggővé tehető, így felhasználható irányfüggő mérésekre (NMR szonda, azimutális laterolog, dipol gerjesztésű akusztikus mérések stb.).

Cased-hole méréseknél további zavaró inhomogenitást jelentenek a kútkiképzés elemei (béléscső, termelőcső, cementezés, perforációk stb.)

Ahogy a felszíni geofizikai módszerek közegmodelljeinél is szokás, a kőzetfizikai jellemzők eloszlását (elárasztás, fúrólyuk, rétegzettség, iszaplepény stb.) kévés paraméterrel jellemezhető egyszerűsített eloszlással írjuk le. A probléma egyszerű megoldhatósága érdekében általában konstans fizikai jellemzőkkel leírható tartományokra bontjuk a teret.

3.5. ábra. Leggyakoribb lépcsőfüggvény modellek a nagyobb léptékű inhomogenitások leírására.

A több paraméterrel jellemezhető modell paraméterei, többféle kutatási mélységgel jellemezhető szonda mérése alapján határozható meg. Az inverzió első lépéseként a fenti közegmodellek paramétereit határozzuk meg, amely a kőzetfizikai paraméterek közelítő eloszlását adja.

.

(3.5.)

Ez általában a mért értékek (fi) és az elméletileg számolt mérési érték (f_i^T) valamilyen távolság (D) definíción alapuló funkcionál (Q1) eloszlás paraméterek (p) szerinti minimalizálásával történik.

A hagyományos megközelítésnél külön végzik el az egyes inhomogenitásoktól származó korrekciókat (lyukhatás korrekció, elárasztás korrekció, réteghatár korrekció). Megjegyezzük, hogy a szondatervezésnél gyakran az is fontos vezérlőelv, hogy az említett zavaróhatások minimálisak legyenek.

A modell tartományaira ekvivalens kőzetfizikai paramétereket kapunk, melyekből az inverzió 2. lépéseként a Q2 funkcionál hasonló minimalizálásával a kőzetjellemzőit (k) határozzuk meg.

.

(3.6.)

A távolság definíció a valószínűségi modelltől függ. Elvileg a két lépés összekapcsolható.

Az adott mélységintervallumban levő mérési pontokat az inverzió szempontjából kezelhetjük együtt, hogy a vertikális és radiális inhomogenitások hatását együtt, egy modellben vegyük figyelembe, ilyenkor ekvivalens rétegjellemzőket határozunk meg. Az ipari gyakorlatban gyakoribb, hogy a kiértékelés mélységpontonként történik, a vertikális inhomogenitások hatásának elhanyagolásával. A réteghatár vagy vékonyréteg effektusok ilyenkor torzíthatják az eredményeket, viszont képet kaphatunk a finomabb rétegen belüli változásokról.

A gyors kiértékelések általában mélységpontonkénti direkt módszerek alkalmazásával történik.

1. 3.1. Adatrögzítés-adatkezelés

Legtöbb méréstípus esetében egy látszólagos kőzetfizikai paramétert rögzítenek mélységpontonként. Ezeket általában standard fejléccel ellátott, standard formátumú text-fájlban (LAS – Logging ASCII) tárolják.

A mérések feldolgozásának megkezdése előtt fontos ellenőrizni az eszközök kalibrációjára vonatkozó információkat és az ismétlő méréseket.

A mérések fejlécében találjuk meg a mérés szempontjából lényeges kútparamétereket (talphőmérséklet, iszapsűrűség, iszapellenállás stb.) Az előfeldolgozás során kell kiszűrni a különböző zajokat és zavarokat (pl. a túlzott lyukbővületek zavaró hatását).

Bizonyos méréstípusok – képalkotó eljárások (FMI, BHT), dőlésmérés, teljes akusztikus hullámkép mérés, NMR – esetében minden mérésponthoz nagyobb adatrendszer tartozik. Ezeket leggyakrabban un. LIS vagy DLIS formátumban rögzítik.

4. fejezet - Egyenáramú fajlagos ellenállásmérések

A kőzettestek, üledékek fajlagos ellenállásának mérésére irányuló elektromos mérések a mélyfúrásokban végzett geofizikai mérések estében kiemelten fontos szerepet töltenek be. Megfelelő elektróda rendszerrel viszonylag nagy radiális kutatási mélység (1-2 m) érhető el, így a mérés a fúrás által nem bolygatott zónáról is hozhat információt.

A fajlagos ellenállás esetében a kőzetmátrix és az elektrolitikusan vezető pórusvíz, illetve a szénhidrogének között van jelentős kontraszt. Így az elektromos módszerek érzékenyek a porozitásra, pórusszerkezetre, a víztelítettségre és a pórusvíz ionkoncentrációjára is, így a szénhidrogén kutatás igen fontos eszközei. A fúrólyuktól távoli zóna víztelítettségének meghatározásához az egyetlen eszköz.

Az egyenáramú mérések során a szonda testen elhelyezkedő valamilyen aktív – árambebocsátó – elektróda rendszer által létrehozott potenciáltér értékeit mérjük mérőelektródákkal. (Valóságban nem potenciálmérés történik, hanem feszültségmérés egy kellően távoli referencia ponthoz képest.) A mért érték normálásával, azaz az un. szonda állandóval való szorzásával kapjuk a látszólagos fajlagos ellenállást (Ra). Az elektródelrendezéstől függő szondaállandó (K) a homogén térbeli mért potenciál értéket a homogén tér fajlagos ellenállásává transzformálja.

Az egyenáramú elektromos mérések fő célja elsősorban a harántolt rétegek fajlagos ellenállásának (Rt – un. „true resistivity”) meghatározása. Elárasztott, permeábilis rétegeknél ezen kívül a radiális fajlagos ellenállás eloszlás, azaz kialakult radiális fajlagos ellenállás profilt leíró modell paramétereinek meghatározása (4.1. ábra).

Az Rmf fajlagos ellenállású iszapfiltrátum permeábilis kőzetbe való belépésével jellegzetes radiális fajlagos ellenállás profil jön létre, melyet az ionkoncentráció és szaturáció eloszlás alakít ki, és amelyet általában lépcsőfüggvénnyel közelítünk. A modellben az ekvivalens elárasztott zóna ellenállása Rxo, az elárasztás ekvivalens átmérője (D). Az iszapfiltrátumnál nagyobb só koncentrációjú rétegvízzel telített réteg esetén a profil csökkenő is lehet. Az Rt modellparaméter az inverzió további menetében az Sw meghatározásának legfontosabb bemenő paramétere, míg az elárasztott zóna fajlagos ellenállásából Sxo becsülhető. Az elárasztás miatt a különböző kutatási mélységű elektromos mérések eredményei között általában elválás látható.

 

4.1. ábra. Radiális fajlagos ellenállás profil elárasztott zóna esetén (folytonos vonal) és az ekvivalens modell profil.

1. 4.1. Direktfeladat

Az inverzióhoz elengedhetetlen direktfeladat-megoldáshoz az elektromos potenciálra (U) vonatkozó Laplace-Poisson egyenlet kell megoldani az elektróda elrendezés által meghatározott forráseloszlásra a modelltér felett. Mivel az áramforráson kívül az áramsűrűség divergenciája mindenhol zérus:

.

(4.1.)

A σ(r) a vezetőképesség térbeli eloszlása a kőzetmodell. Peremfeltételként vagy a potenciál függvényt adjuk meg a határon (Dirichlet-probléma), vagy az áramsűrűséget (Neumann-probléma). A források is illeszthetők peremfeltételként vagy beírhatók 4.1. egyenletbe inhomogén tagként.

Ha a vezetőképesség legalább tartományonként állandó, akkor a 4.1. egyenletből kiemelhető és a Laplace-egyenlethez jutunk:

.

(4.2.)

Ha térfogati áramforrás van a vizsgált tartományon:

.

(4.3.)

A megoldásnál kihasználjuk a közegmodell és forrásmodell szimmetriáit.

A Laplace-egyenlet homogén térre könnyen megoldható, véve a gömbi-koordinátarendszerre megadott alakját:

.

(4.4.)

A centrumban elhelyezett I áramforrás körül a fenti egyenletből kétszeres r-szerinti integrálással jutunk a homogén térbeli megoldáshoz:

.

(4.5.)

Egy L távolságú mérő elektród esetében 4.5. egyenlet átrendezésével látható, hogy a szondaállandó:

.

(4.6.)

A szuperpozíció elv alapján a fenti képlettel már definiálható tetszőleges számú pontforrás terében végzett mérésre a látszólagos fajlagos ellenállás és a kapcsolódó szondaállandó.

A méréseket általában hengerszimmetrikus közegmodell esetére kell szimulálnunk. A Laplace-egyenlet hengerszimmetrikus formája (r,z,φ koordinátákra):

.

(4.7.)

Ennek általános megoldását a változók szétválasztásával kereshetjük: alakban. Ekkor a parciális differenciálegyenlet három közönséges differenciálegyenletre esik szét:

,

(4.8a.)

,

(4.8b.)

,

(4.8c.)

ahol k, m integrálási állandók. A 4.8.c. egyenlet Bessel-féle differenciálegyenlet, melynek megoldásai a k-ad rendű Bessel-függvények. Az általános megoldás a Laplace-egyenletet kielégítő ortogonális és teljes függvénybázison így:

.

(4.9.)

A megoldásként felírt Bessel-Fourier transzformáltban szereplő függvényegyütthatók (Ak(m) és Bk(m)) a határfeltételekből határozhatók meg. Látható, hogy az integrálási állandók is fizikai értelmet nyernek, térfrekvenciaként kezelhetjük őket. A határfeltételek a potenciál és az áramsűrűség normális komponensének folytonossága. Legtöbb esetben a megoldásnak nincs szögfüggése így a megoldás alakja egyszerűbb lehet:

.

(4.10.)

A megoldásnak ez a formája az integrandusban szereplő monoton tag változója (exponenciális), azaz z-szerint határfeltételek kezelésére alkalmas, pl. a merőlegesen harántolt réteghatárok kezelésére. Ha a változók szétválasztásánál megváltoztatjuk m2 előjelét, akkor másfajta ortogonális rendszerben (módosított Bessel-függvényekkel) fejthetjük ki az általános megoldást. Szög szerint szimmetrikus esetben:

.

(4.11.)

Ebben az esetben K0 és I0 monotonitása miatt az r változó szerinti határfeltételek kezelhetők könnyebben, tehát ez a forma lesz alkalmas az elárasztás és fúrólyukhatás leírására.