Научная статья на тему 'Каротаж рудных скважин с использованием колонны бурильных труб'

Каротаж рудных скважин с использованием колонны бурильных труб Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
441
32
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Козырин А. К., Минцев А. И.

Обобщены результаты теоретических разработок каротажа по методу сопротивлений и электродных потенциалов с использованием колонны бурильных труб, являющиеся продолжением многолетних исследований в области одноэлектродного каротажа на рудных месторождениях, выполняемых на ГФФ УГИ. Описан принцип и теория методов, приведены принципиальные схемы методов и пример их производственного применения. Излагаются соображения о производстве каротажа в процессе бурения рудных скважин.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Well-Logging of Boreholes with the Use of Drill Pipe String

At the Geophysical Department of the Urals School of Mines investigations in the field of one-electrode well-logging has been carried out for a long time. The article presents summarized results of theoretical developments of well-logging by resistivity and electrode potential methods with the use of drill pipe string. Principle and theory of methods are described, principal schemes of methods and the example of their application has been presented. The use of well-logging in drilling of ore bore holes is considered.

Текст научной работы на тему «Каротаж рудных скважин с использованием колонны бурильных труб»

4. Редозубов А. А. К вопросу применения электроразведки в анизотропных породах //Вопросы рудной геофизнки:'Труды Свердл. горного ин-та, вып. 105.—Свердловск, 1973,—С. 18—32.

5. Редозубов А. А., Сысков С. С. Использование анизотропии электропроводности при изучении рудных полей колчеданных месторождении//Геология метаморфических комплексов Урала, вып. 127,—Свердловск: изд. УПИ, 1976,—С. 106—111.

6. Редозубов А. А., Сысков С. С. Методическое руководство по картированию анизотропных пород электроразведкой / Свердл. горный ин-т.—Свердловск, 1989.— 101 е.— Рукопись деп. в ВИНИТИ 15.03.89. № 272—В 89.

7. Шейнманн С. М. Элементы теории электроразведки анизотропных сред//Мат-лы ВСЕГЕИ, Геофизика, 9—10,— М — Л.: Госгеолиздат, 1941,—С. 105—114.

8. Habberjam ti. М. The effects anisotropy on square arrav resistiviti measurements//Geophysical prospecting, vol. 20, 197g, n. 2, pp. 247—269.

УДК 550.837

А. К. Козырин, А. И. Минцев

КАРОТАЖ РУДНЫХ СКВАЖИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОЛОННЫ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

Полноценные поиски и разведка бурением месторождений полезных ископаемых, в частности, медноколчеданных и полиметаллических руд, возможны только с применением геофизических исследований скважин (ГИС) и скважинной геофизики. Основной составной частью ГИС является каротаж — совокупность геофизических методов геологического документирования разрезов скважин, тогда как скважинная геофизика предназначена для исследования околоствольных, междуствольных и подзабойных пространств скважин. Для решения задач каротажа применяют соответствующие комплексы методов. В случае рудных месторождений минимальный комплекс состоит из каротажа по методу сопротивлений и метода электродных потенциалов — МЭП или естественного поля — Г1С.

При проведении геофизических исследований в скважинах или с использованием скважин, как, например, в методе заряда — МЗ, зонды, электроды и приборы опускают в скважины и перемещают в них при помощи геофизических кабелей — КГ. В практике эта операция не так уж редко становится невозможной вследствие обрушения стенок скважины или сильного выполаживания ее ствола, вплоть до отрицательной кривизны. В таких случаях проникнуть в скважину возможно только с помощью колонны бурильных труб. Однако разработанные к настоящему времени способы каротажа на бурильных трубах предназначены лишь для исследования скважин турбинного и роторного бурения в процессе их проводки [9]. При этом беспроводный способ и система с хранением информации в автономном скважинном приборе требуют применения весьма сложной аппаратуры.

Поэтому несколько лет тому назад трест «Уралцветметразведка», на некоторых поисковых и разведочных участках которого сложилась аналогичная описанной ситуация, обратился к кафедре рудной геофизики УГИ с предложением разработать в минимальные сроки максимально простой способ производства каротажа по методу сопротивлений, а также метода заряда [4] для производства исследований в этих технологически сложных условиях. Впоследствии каротаж по методу сопротивлений, для краткости обозначенный КС КБТ [5], был дополнен до минимального комплекса по просьбе того же треста методом электродных потенциалов на бурильных трубах — МЭП КБТ.

Метод КС КБТ был разработан в четырех вариантах, которые далее обозначаются упомянутой аббревиатурой с указанием номера варианта. В КБТ-1 и КБТ-2 по вольт-амперной схеме измеряется сопротивление Rt, колонны бурильных труб, находящейся в буровом рас-

творе, в функции глубины погружения Н точки записи (рис. 1,а). Желательно при этом отключить заземление станка при измерениях. Измерения проводят поточечно при остановке бурового станка, поэтому пра-

* ¿Г

Рис. I. Схемы КБТ:

а — КБТ-1. КБТ-2; б — КБТ-3; я — КБТ-Ч; г - МЭП КБТ.

/ — колонна бурильных труб. 2 — скважина н буровой раствор в ней, 3 — верхняя часть колонны, — нижняя часть колонны, 3 — прибор для измерения разности потенциалов. 6 — источник питания. 7 — прибор для измерения силы тока, 8 — изолирующая штанга. К — ключ для замыкания и размыкания верхней и нижней частей колонны. Д — полупроводниковый диод, П — переключатель направления тока. Р — рессоры, несущие скользящие контакты

вила техники безопасности не нарушаются. В КБТ-1 за точку записи принимают оконечность колонны, а в КБТ-2, КБТ-3 и КБТ-4 — середину нижней ее части, длина которой Д/ заранее принимается в зави-

симости от требуемой детальности расчленения разреза скважины. -._:-это будет ясно из дальнейшего. В К.БТ-3 измерения производят несколько иначе, чем в КБТ-2. Практически измерения ведут как на постоянном, так и на переменном токе. При этом в случае КБТ-3 класс точности измерительного прибора должен быть не ниже 0,05. Измерения на переменном токе, однако, предпочтительней, т. к. при этом влияние промышленных и других помех меньше, чем при измерениях на постоянном токе. Удобно в качестве генераторного устройства использовать аппаратуру АНЧ-1 или АНЧ-3, а для измерений применять цифровые вольтметры типа Щ4313 или другие, подобные им, с небольшими изменениями во входном блоке. На кафедре рудной геофизики была также разработана и построена специальная аппаратура для производства КБТ [8]. Непосредственное использование для каротажа значений невозможно, т. к. кривая /?/.=р (I) совершенно не дифференцирована и представляет собой практически прямую с малым

по абсолютной величине градиентом -<0. Лишь на рудном под-

сечении величина Иь может резко измениться, однако при этом отмечается только верхний контакт подсечения, а последующие рудные подсечения отмечаются все слабее или вообще уже не отмечаются. Несколько лучше рудные подсечения фиксируются в КБТ-1. В этом варианте КБТ кривая пересчитывается в кривую КС по формуле

Рк (1)

где К — величина, аналогичная коэффициенту зонда. Так как прямолинейная колонна бурильных труб может рассматриваться как линейный электрод, поскольку

(2)

где й — диаметр колонны, то без учета границы раздела земля — воздух для вертикальной скважины

К = 2я/- . (3)

1п2 Ий '

Граница раздела земля — воздух увеличивает потенциал колонны, но удвоение для цилиндрического электрода происходит лишь в том случае, когда он располагается на поверхности земли, будучи погружен в нее на половину при йфО. В случае вертикальной скважины с учетом границы раздела земля — воздух имеем [5]:

К= 2^ ■ (4)

\nMld 4 '

Погрешность за счет неучета границы выражается формулой

6% =-—-. (5)

21.

1+1п—/1п

а

Она медленно убывает с ростом £ и невелика. Например, при ¿/¿ = = 500 6=10 %. Поэтому в формуле (1) значение К можно принять по формуле (3), так же, как и по формуле (4). При этом нужно учитывать, что наклоном скважины, согласно лабораторным опытам, выполненным Н. В. Блинковой [1], можно пренебречь, если зенитный угол а ^45°.

Формула (5) показывает, что при касании концом колонны неоднородности сколь угодно высокого сопротивления ее потенциал меняется

кезначительно. Тем более это справедливо при приближении колонны к такой неоднородности. Напротив, проводники будут проявляться резко, теоретически вплоть до рк=0 при удельном электрическом сопротивлении (УЭС) среды р=0. На диаграммах КБТ-1 фиксируется верхний и несколько с меньшей амплитудой нижний контакт первого сверху рудного интервала, но последующие рудные подсечения отмечаются все менее и менее отчетливо. Кривая КБТ-1 на рудовме-щающих горных породах, как и кривая совершенно не дифференцирована и представляет собой прямую линию, наклоненную в противоположную сторону в сравнении с кривой Яг.. Это объясняется тем, что в сравнении с кривой /?£, с увеличением I уменьшается, хотя и весьма медленно, влияние скважины, так, что рк-»-р. Таким образом,

вариант КБТ-1 не решает задачи каротажа, но, как показали А. К. Ко-зырин и Н. В. Блинкова, пригоден для определения среднего УЭС горных пород, слагающих разрез скважины [1], что бывает весьма важно для полевой и скважинной геофизики, в последнем случае — главным образом для оценки размеров рудных тел методом электрической корреляции — МЭК [2].

В КБТ-2, как и в КБТ-1, измеряется сопротивление колонны бурильных труб, но определяется сопротивление /?д, нижней ее части, образующее вместе с сопротивлением /?/ верхней части, длину которой обозначим через / (см. рис. 1а), параллельную цепь. Таким образом,

¿=/+Д/, (6)

а величина выражается формулой

Э- Р)

/?, -- Яг.

В однородной и изотропной среде линейные электроды длиной / и Д/ имеют сопротивления:

= . |П Н1, (8)

= (9)

поскольку справедливо неравенство

/»Д/»</. (Ю)

В силу левой части этого неравенства Я', практически равно Значение /?;, определяется подстановкой в (6) значений сопротивлений, выраженных формулой (8) и формулой

Вычисляя Яд|//?;,. по формуле (1) находим без учета границы раздела земля — воздух

^тарЬ (12)

Т

Аналогичным способом выводится формула для КС с учетом границы

^•стД-- (13)

,п7

Кривые КС КБТ-2 хорошо расчленяют разрез по УЭС, отчетливо выделяют низкоомные, особенно рудные интервалы, в основном сопоставляются с кривыми КС одноэлектродного зонда [1], имеющего размеры Д/ и (I, а, следовательно, с кривыми обыкновенного потенциал-зонда. Основной недостаток КБТ-2 состоит в том, что в случае горных пород очень низкого или очень высокого сопротивления разность 0=/?/ — входящая в знаменатель формул (7), (12) и (13), может лежать за пределами чувствительности прибора, измеряющего потенциал. В определенных условиях при этом КС практически даже при р»0 обращается, как и при р=оо, в бесконечно большую величину. Такое явление может наблюдаться в том случае, когда при перемещении нижней части колонны внутри объекта практически нулевого сопротивления величина /?/#0. Типичным примером является обсаженный интервал скважины, длина которого несколько больше Д/ [3]. Однако, если /?;-»- 0, то /?д/->-0 и, следовательно, рк->-0, если только а — достаточно большая величина. Кроме того, всегда можно различить предельные случаи р=0 и р = оо по форме кривых или КБТ-1. Поэтому на практике кривые КС КБТ-2 всегда при интерпретации результатов рассматривают совместно с кривыми КС КБТ-1 или чаще с кривыми /?,[.. Форма кривых КС КБТ-2 была подробно изучена в случае пластов различного сопротивления А. И. Минцевым [3].

Основные недостатки КБТ-2 обусловлены тем, что верхняя часть колонны и мысленно выделяемая ее нижняя часть образуют единое целое. Для устранения этого недостатка был разработан метод КБТ-3, который конструктивно отличается от КБТ-2 отрезком колонны из изолирующего материала, например, металлопластовой трубы, разделяющей ее верхнюю и нижнюю части (см. рис. Г б). При этом обеспечивается строгость неравенства т. е. неравенство нулю величины а в любых измерительных ситуациях, и, с другой стороны, устраняется влияние взаимоиндукции частей колонны, которое при каротаже в варианте КБТ-2 может неконтролируемо меняться. Таким образом, при измерениях в КБТ-3 значение (^ы вычисляют по формуле

(,4)

а КС — по формуле

Рк=/С-/?д/. (15)

где К следует вычислять без учета границы раздела земля — воздух:

2Л.д/ (1б)

Диаграммы КБТ-3 точно сопоставляются с кривыми КС одноэлектродного зонда, имеющего размеры Д/ и й, поскольку даже при небольшой длине изолирующей штанги будет справедлива теория одноэлектродного каротажа [1]. Вариант КБТ-3 имеет тот очевидный недостаток, что требует при измерениях двух спусков колонны бурильных труб в скважину. Этого недостатка лишен следующий вариант метода — КБТ-4.

В КБТ-4, работающем только на постоянном токе, гальваническое соединение или разъединение осуществляется полупроводниковым диодом, включенным между верхней и нижней частями металлической колонны (см. рис. 1,в). Для управления диодом в схему введен переключатель направления тока. Практически диод должен быть помещен в канал изолирующей штанги. При одном направлении тока измеряют

сопротивление /?,, а при другом — сопротивление Искомое сопротивление #д/ определяют по формуле

= --№

К1 — Кь

где /?в — сопротивление диода.

Так как /?а зависит от силы тока ¡о, проходящего через него, то предварительно для данного диода должен быть снят график /?а = /(/о). Значение 1а определяется по формуле

(18)

Я

д/

{19)

«( — «I,

и 11 ь— потенциал колонны при замкнутых через диод верхней и нижней частей колонны.

Преимущество КБТ-4 перед КБТ-3 состоит в том, что в этом случае достаточно одного спуска колонны в скважину. При этом на каждой точке производится два измерения — /?; и Однако в этом варианте метода возрастает влияние помех от блуждающих токов, естественного поля и вызванных потенциалов. В условиях производства КБТ-4 не применялся, были произведены лишь лабораторные эксперименты и опытные работы в скважинах.

Метод МЭП-КБТ, который необходим в комплексе каротажа для классификации аномалий проводимости на «рудные» и «нерудные», выполняется с простым устройством, которое состоит из трех или четырех скользящих контактов, смонтированных на трех или четырех рессорах [6] соответственно, укрепленных на нижней оконечности колонны бурильных труб, от которой должна быть отсоединена колонковая труба. Потенциал контактного электрода, равный потенциалу колонны, измеряется относительно электрода Ы, установленного как и в случае одноэлектродного варианта МЭП [10], на поверхности земли (см. рис. \,г). Таким образом, электрод М в МЭП КБТ состоит из контактного электрода, площадь которого относительно весьма мала, и колонны бурильных труб, которая одновременно является каналом связи для передачи полезного сигнала. Потенциал бинарного электрода, образующегося при соприкосновении электрода М с рудными подсечениями, зависит при прочих равных условиях от соотношения площади 5, электрода М и активной площади рудного объекта:

5=^-, (19')

поскольку величина фиксируемой разности потенциалов определяется [7] формулой

ди = ьи^ьи*. (20)

1 + 5

В этой формуле \11\ и Д£/2 — соответственно электродные потенциалы электрода М и рудного объекта, измеренные относительно электрода сравнения N.

Поскольку активная площадь колонны бурильных труб весьма значительна, постольку необходимо оценить минимально допустимое значение 52ш1п активной поверхности рудного объекта, при которой он еще может быть выявлен данным методом. При этой оценке следует

исходить из амплитуды /1 кривой МЭП КБТ на рудном полсечен; и уровня электрических помех Дб^ом, на фоне которых она вырисовывается. Можно показать, что

•^гтш = — Г'"^1-

Лтах — л

Входящая в эту формулу максимальная амплитуда

Лтах=ДУ2 — Д^о, (22)

где Аи0 — относительный собственный потенциал зонда МЭП, в данном случае — колонны с контактными электродами. В идеальном слу чае Д£/о=0 и Атак=\и2. Этого значения фактическая амплитуда А достигает при 52->- оо или при 5|->-0. Очевидно рудное тело будет выявляться при достаточно сильной правой части неравенства

Лтзх^Л>Д^ном. (23)

Таким образом,

А = п-\ииом (24)

при п>1. Целесообразно принять п=3. Величина 5| определяется длиной колонны бурильных труб и диаметром последних. Метод МЭП КБТ, как и метод КС КБТ в различных вариантах, опробовался в реальных условиях и получил применение в производстве геофизических работ.

На рис. 2 представлены результаты применения каротажа КС КБТ и МЭП КБТ в производственных условиях и проведено их сравнение с результатами обычного каротажа КС и МЭП. На практике наиболее часто применяется метод КС КБТ-2, так как он дает неплохие результаты и наиболее прост в исполнении, поскольку не требует никаких дополнительных приспособлений к колонне бурильных труб. В рассматриваемом примере работы выполнялись по скв. 2530 Ново-Учалин-ского медноколчеданного месторождения. Из рисунка можно видеть, что кривая КС КБТ-2 хорошо соответствует кривой КС с зондом М1,ОМ9,5А, хотя отрезок Д/=18 м в данном случае и больше размера градиент-зонда. Все основные геоэлектрические особенности разреза скважины подчеркиваются одинаково обеими кривыми КС. То же самое можно сказать и о кривых МЭП КБТ и МЭП: они имеют характерные особенности над рудным интервалом. Нижняя граница сплошного рудного тела, подсеченного скважиной в интервале 940—1090 метров, по результатам каротажа КС не выделяется, так как ниже идут метасоматиты с вкрапленностью руды, но зато по результатам МЭП хорошо фиксируется. Приведенный пример характеризует возможности использования каротажа КБТ в тех случаях, когда традиционные геофизические методы не работают.

Описанные методы каротажа на бурильных трубах являются одно-электродными разновидностями пенетрационного каротажа, рассчитанными на изучение различных рудных скважин, особенно глубоких. Следует подчеркнуть, что разработка метода КС КБТ продолжает многолетние исследования в области одноэлектродного каротажа, выполненные на геофизическом факультете УГИ.

Кроме тех случаев, которые были указаны выше, методы КС КБТ и МЭП КБТ применимы для каротажа слабонаклонных, сильно искривленных или восстающих скважин подземного бурения, а также и в других аналогичных обстоятельствах.

Описанные выше методы наиболее близки к тем видам каротажа, которые разработаны для исследования в процессе бурения скважин нефтяных и газовых месторождений и используют в качестве электри-

12 Заказ 134

177

ческого канала связи колонну бурильных труб. Однако они отличаются от последних с принципиальной, технической и методической точек зрения, а также по области применения, которая была указана выше. Вместе с тем методы КБТ могут быть применены и в процессе бурения

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Каротаж с Ъуримшш т/прими

{'тяйуюш/ каро/паж

КС-КБТ-2 МЭП-КЬТ

KCctJI.DMS.iA МЗЛ

а 1.6 ом

О МО 6№&>

20т ■ +

50 мв

1 [ГТ]2

Рис. 2. Пример практического использования каротажа КБТ:

/ — базальтовый порфирит; 2 —диабазовый порфирит; 3 — туф базальтового порфирита; 4 — серицит-кварцевый метасоматит; 5 — сплошная колчеданная руда

рудных скважин. Действительно, во-первых, понятие «скважина находится в бурении» подразумевает не только сам процесс разрушения ее забоя буровым инструментом, но и неизбежные при этом спуско-подъемные операции, во время которых может выполняться КБТ без так называемых «непроизводительных потерь». Во-вторых, изложенные принципы каротажа на бурильных трубах могут при соответствующей разработке использоваться для исследования скважин в процессе собственно их бурения. Однако эти идеи далеки еще от реализации по ряду причин. В числе их следует обратить внимание на сложный и многообразный состав потенциала колонны бурильных труб иб.т во время бурения скважины. В общем случае

и6. (25)

Где под знаком суммы стоят потенциалы от блуждающих токов, токов утечки электромоторов станка и других источников тока, вызванные, естественные и электродные потенциалы, потенциалы фарадеевского выпрямления, потенциалы гальванокоррозин, потенциалы, связанные с циркуляцией промывочной жидкости и с работой соседнего бурового станка, потенциалы пьезоэффекта и обусловленные вращением бурильных труб в магнитном поле земли, термопотенциалы и т.д. В зависимости от метода один из потенциалов или даже несколько выступают в качестве полезного сигнала, а остальные, таким образом,— как помехи. При изменении метода статус потенциалов меняется. Следует отметить, что на образование термодинамических потенциалов в процессе бурения было обращено внимание, по-видимому, впервые Ю. Ю. и В. Н. Циовкиными, которые также предложили их использовать для каротажа. Естественно, что при спуско-подъемных операциях число слагаемых в формуле (25) уменьшается, и, наоборот, помехи возрастают при работе бурового станка.

Далее наиболее существенным является то, что каротаж в процессе собственно бурения требует разработки и построения сложной техники, которая должна фиксировать измеряемую величину в течение всего времени бурения скважины. Цель такой фиксации и способ ее реализации не вполне ясен. Скорее всего аппаратура должна сигнализировать о встрече буровым инструментом рудного интервала. Однако в таком случае задача может быть решена несравненно проще: для этого достаточно, например, использовать измерение сопротивления цепи колонна бурильных труб — электрод В. Конечно, и в этом случае необходима разработка сигнальной аппаратуры, которая имела бы несколько ступеней срабатывания, прежде всего в зависимости от текстурно-структурных особенностей руд.

В настоящее время на кафедре рудной геофизики УГИ такая методика разрабатывается. Разрабатываются также и другие методы КБТ, в частности ПС — КБТ. К сожалению, сейчас мы не имеем опытно-производственной базы и не контактируем с такими организациями,

которые были бы заинтересованы в этих разработках и могли бы их финансировать.

библиографический список

V. Козырин А. К., Блиикова Н. В. Теория одноэлектродного каротажа |/Геофизические методы поисков и разведки рудных и нерудных месторождений —Све^ддовск, 1984.— С. 30—34.

2. Козырин А. К. Электрическая корреляция разрезов скважин.— М.: Недра, 1985 —136 с.

3. Козырин А. К., Минцев А. И. Методические рекомендации по применению каротажа КС с колонной бурильных труб // Изв. вузов. Геология и разведка, 1988.— Деп. в ВИЭМС 8.09.88 —№ 628 — МГ,— 23 с.

4. Козырин А. К., Минцев А. И., Блинкова Н. В. Метод заряда с использованием колонны бурильных труб//Геофизические методы поисков и разведки рудных месторождений.— Свердловск, 1989 —С. 66—69.

5. Козырин А. К., Минцев А. И. Применение каротажа с колонной бурильных труб в пределах горных отводов горнодобывающих предприятий // Изв. вузов. Горный журнал,— 1989,— № 2.—С. 21—25.

6. Козырин А. К., Циовкина В. Н. Способ каротажа по методу электродных потенциалов на бурильных трубах: ИЛ/ЦНТИ.—№ 439—90,—Свердловск, 1990,—3 с.

7. Козырин А. К. Элементарная теория метода электродных потенциалов//Геофизические методы поисков и разведки рудных и нерудных месторождений.— Свердловск, 1990 — С. 70—73.

8. Минцев А. И. Прибор для выполнения геофизических исследований на постоянном токе в условиях промышленных помех: ИЛ/ЦНТИ.—705—89.— Свердловск, 1989,—4 с.

9. Молчанов А. А. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин,— М.: Недра. 1983,—267 с.

10. Семенов А. С. и др. Метод электродных потенциалов.— М.: Геотехсо, 1951.

12*

179

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.