Обследование скважин на воду геофизическими методами

Водозаборные скважины должны оставаться работоспособными в течении многих лет. Поэтому при их строительстве большое внимание уделяется надёжности конструкции. Колонна обсадных труб предназначена как раз для того, чтобы максимально снизить воздействие окружающих пород на скважину. При этом обсадные трубы решают и другие задачи: предохраняют скважину от обрушения и загрязнений, а также обеспечивают экологическую безопасность, изолируя слои пород для исключения межпластовых перетоков.

Несмотря на все принятые меры, риск повреждения обсадной колонны остаётся всегда. Точно предсказать поведение геологических пластов невозможно. Всегда могут возникнуть различные осложнения. Также при бурении скважины может быть нарушена технология. Не обнаруженный своевременно брак обсадной трубы со временем может привести к аварии.

Водозаборная скважина очень дорогостоящее сооружение. Недёшево обходится и проведение её ремонта. В случае сложных аварий иногда даже принимается решение о ликвидации скважины, считая, что её ремонт обойдётся дороже бурения новой.

В такой ситуации определение фактического состояния работающей скважины стало очень важным. Эти работы выполняются в профилактических целях, а также в случае уточнения различных характеристик скважины при появлении первых признаков её неправильной работы.

Определить состояние обсадной колоны работающей скважины достаточно сложно. На поверхности это можно сделать простым визуальным осмотром. А на глубине состояние скважины определяют геофизическими методами исследования скважин. Обычно специалисты для сокращения пользуются аббревиатурой ГИС. Эти же методы позволяют определить характеристики геологических пород, через которые пробурена скважина. Проще говоря, буровикам геофизические методы исследования предоставляют информацию о состоянии скважины, а геологам – о состоянии прилегающих пород.

ГИС разделяются на два вида: скважинную геофизику и каротаж.

Разница для неспециалиста совсем небольшая. Геофизика исследует породы, находящиеся на большом удалении от ствола скважины. Каротаж – это, так сказать, местные исследования пород. Радиус исследуемых слоёв при каротаже составляет не более 2 метров. Поэтому часто вместо длинного термина говорят просто «каротаж». Любопытно, что своё название метод получил от английского слова «морковка» - именно её напоминает форма первого глубинного зонда.

ГИС проводят скважинными приборами, специально сконструированными для этих целей. Каждый прибор разрабатывался для работы на каком-то одном физическом принципе.

В общем, все эти принципы предполагают одно – послать какой-то воздействующий сигнал и исследовать реакцию окружающей среды на этот сигнал. Больше всего это напоминает всем известный эхолот, где исследуется отраженное эхо, полученное от специально сгенерированного звукового воздействия.

После получения ответной реакции на воздействие, этот ответ сравнивается с данными лабораторных исследований всех известных пород, на которые было произведено такое же воздействие. На этом сравнении и делают вывод о состоянии пород или скважины.

Разработаны и успешно применяются несколько методов ГИС. Наибольшее распространение получили некоторые из них. Ниже коротко рассмотрены их принципиальные схемы.

Самым востребованным является метод электрического каротажа. Геологи считают, что данные, полученные с применением этого метода являются наиболее достоверными. Электрический каротаж определяет изменения электрических полей различных пород. На устье скважины устанавливается один стационарный электрод, а в скважину спускают с небольшой скоростью другой электрод. При этом делается постоянный замер разности потенциалов.

Полученные в результате электрического каротажа данные анализируются интерпретаторами.

Сравнительный анализ достаточно точно укажет на состояние пород, окружающих скважину. При этом определяются некоторые их характеристики: химический состав, плотность, наличие примесей и величина удельного электрического сопротивления.

Метод электрического каротажа широко применяется в геологоразведке. Очевидно, что гораздо проще определить характер горной породы, находящейся на большой глубине, таким инструментальным методом, чем тратить огромное количество времени на сбор образцов, находящихся на поверхности. Для разведочных исследований также крайне важно то, что электрический каротаж способен определить границы слоёв геологических слоёв.

Разновидностью электрического каротажа является боковое зондирование. Метод применяют, используя результаты, полученные от нескольких приборов, спущенных в скважину одновременно. Каждый зонд фиксирует свои характеристики породы, отличающиеся уровнем измеряемого электрического сопротивления геологических пород. По полученным данным строятся криволинейные графики изменения параметров породы на разной глубине. Графики интерпретируют, сравнивая с базовыми эталонными данными.

Данный метод используется для уточнения полученных ранее данных. Отметим, что боковое зондирование точно определяет глубину проникновения бурового раствора в слой породы.

Ещё одной разновидностью электрического каротажа является индукционный способ. Метод основан на измерении электрических характеристик пластов индукционными катушками, которые делают замеры магнитного поля. Три таких катушки размещены в скважинном зонде. Одна из них генерирует поле, вторая выполняет фокусировку, а третья улавливает и фиксирует полученные сигналы. Физический смысл этого метода достаточно сложен. Он основан на возникновении вихревых токов и электродвижущей силы, возникающих в геологических породах в результате воздействия магнитных полей, индуцируемых прибором. Очевидно, что в разных породах величина ЭДС тоже будет различной. Данные опять сравнивают с эталонными, интерпретируют и получают достаточно точный результат.

Индукционный каротаж характерен тем, что зонду не требуется прямой контакт со стенками скважины.

Магнитный способ геофизических исследований основан на изменении индуктивного сопротивления катушки в зависимости от магнитного поля геологических пород. В глубинном зонде размещают катушку индуктивности со специальным ферромагнитным сердечником. Чаще всего этот метод применяют для исследования горных пород, имеющих природные магнетические свойства.

Если все предыдущие методы так или иначе основаны на электрических или магнитно-электрических принципах, то метод термического каротажа основан на простейшем замере температуры на разных глубинах в скважине. В скважину спускают специально сконструированный термометр, который фиксирует малейшие изменения температурного режима. Сопоставляя температурные показатели на разных участках скважины, можно сделать выводы о целостности обсадной колонны, расположении зацементированных участков, а также о состоянии горных пород.

Упомянутый выше принцип эхолота практически реализован в сейсмо-акустическом методе каротажа. В этом методе измеряется скорость прохождения звуковых импульсов, которые меняются в зависимости от плотности породы. Так как скорость прохождения звуковых колебаний через различные типы геологических пород давно измерена, то сравнивая полученные данные с табличными, можно определить вид породы. Сейсмо-акустический метод имеет разновидности. В частности, могут использоваться несколько источников сигнала или устанавливают много приёмников. Генерируемые при этом сигналы различаются по частоте, амплитуде и мощности. Так увеличивают зоны исследования глубинных слоёв.

При каротажных исследованиях используется также замер уровня естественной радиоактивности различных геологических пород. В данном случае измеряют гамма-составляющую этого излучения. Суть достаточно проста. В скважину спускают специально сконструированный очень точный радиометр, который регистрирует все изменения радиоактивного поля. Породы отличаются уровнем излучаемой ими радиации. Замеры идут практически на фоновом, еле улавливаемом уровне. При прохождении некоторых пород, например, известняка, такой метод малоэффективен.

Так как все породы имеют в своём составе радиоактивные элементы, то замеряя уровни гамма-излучений отдельных участков, и опять-таки сравнив их с имеющимися данными, делают выводы о состоянии проходимых пород.

Описанные выше методы ГИС отнюдь не являются единственными. Каждый из способов имеет свои достоинства и эффективен в отдельных случаях. Геофизики предпочитают применять сразу несколько методов при исследовании конкретной скважины. Это позволяет получить точную картину геологических слоёв, находящихся в зоне скважины.

Современные цифровые технологии широко применяются при геофизических исследованиях скважин. Сегодня программисты создали программы, моделирующие трёхмерное изображение слоёв, через которые проходит ствол скважины. Для этого все, полученные в результате полевых исследований данные, загружаются в компьютер. Программа анализирует их и создаёт объёмное изображение всех геологических слоёв. Ещё недавно о таком можно было только мечтать!