Спосіб визначення параметрів приповерхневих гірських порід в зонах аерації і повного водонасичення комплексом радіоактивного каротажу

Реферат: Спосіб визначення параметрів приповерхневих гірських порід в зонах аерації і повного водонасичення комплексом радіоактивного каротажу включає визначення пористості гірських порід за допомогою нейтрон-нейтронного каротажу разом з гамма-каротажем для врахування зв'язаної води в глинах (пористість за ННК+ГК), визначення пористості за допомогою гаммагамма-каротажу (пористість за ГГК). Істинну пористість порід в інтервалі зони аерації визначають як середнє арифметичне зважене значення позірних пористостей за ННК+ГК і за ГГК з відповідними емпіричними ваговими множниками, а в зоні повного водонасичення пористість визначають як середнє арифметичне значення пористостей за ННК+ГК і за ГГК. UA 114871 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРИПОВЕРХНЕВИХ ГІРСЬКИХ ПОРІД В ЗОНАХ АЕРАЦІЇ І ПОВНОГО ВОДОНАСИЧЕННЯ КОМПЛЕКСОМ РАДІОАКТИВНОГО КАРОТАЖУ UA 114871 U UA 114871 U 5 10 15 20 25 Корисна модель належить до галузі інженерно-геофізичних свердловинних досліджень гірських порід і призначена для визначення петрофізичних (інженерно-геологічних) параметрів порід в зоні аерації і в зоні повного водонасичення за допомогою комплексу методів радіоактивного каротажу (РК) - гамма-каротажу (ГК), нейтрон-нейтронного каротажу (ННК), гамма-гамма-каротажу (ГГК). Основні області застосування корисної моделі - дослідження піщано-глинистих порід (найбільш розповсюджених на території України) на будівельних майданчиках, а також при сейсмічному мікрорайонуванні площ для спорудження найважливіших об'єктів. Корисна модель призначена для отримання вздовж свердловинного розрізу наступних інженерно-геологічних параметрів: пористості, вологості, коефіцієнта водонасиченості, а також густини порід і їх глинистості до глибини кількох десятків метрів. Для таких глибин характерні дві ділянки розрізу: зона аерації, в якій пори приповерхневих порід частково заповнені повітрям, а решта об'єму пор - вологою, і зона повного водонасичення. При цьому каротажні дослідження зазвичай виконують в обсаджених сухих свердловинах (стальна колона має закритий кінець). Як найближчий аналог вибрано комплекс методів радіоактивного каротажу ГК, ННК, ГГК [1, 2], які є широкорозповсюдженими при визначенні петрофізичних та інших параметрів нафтогагазових колекторів в обсаджених і необсаджених свердловинах. Гамма-каротаж (ГК) використовують для літологічного розчленування розрізу, а також для оцінки глинистості порід, вмісту глинистих мінералів, водневого індексу глин і глинистих мінералів [3]. Наявність зони аерації практично не впливає на показання ГК. Нейтрон-нейтронний каротаж (ННК) вважають способом визначення пористості і вологості. Фактично це справедливо тільки для водонасичених неглинистих порід. При наявності глинистих мінералів, які містять зв'язану воду, способом визначення пористості і вологості в зоні повного водонасичення служить комплекс (ННК+ГК). Тут ГК використовують для визначення об'ємної глинистості з метою врахування хімічно зв'язаної води, що міститься в глинистих мінералах. В зоні повного водонасичення пористість і вологість за комплексом ННК+ГК визначають за формулою [1]: 30  knn   knn  clayK clay п п (1) де k nn   - загальна пористість (або вологість) за ННК+ГК; п 35 k nn - пористість за ННК ("нейтронна" пористість, яку отримують за градуювальною п залежністю показань даного приладу від водонасиченої пористості неглинистої породи (наприклад, "чистого" пісковика); clay - водневий індекс глинистих мінералів;  K clay - об'ємний вміст глинистих мінералів. 40 45 Недоліком комплексу ННК+ГК є те, що в зоні аерації, де кількість водню в порах зменшена, цим комплексом неможливо визначити істинні пористість і вологість, а також зв'язаний з ними коефіцієнт водонасиченості. Пористість за ННК в зоні аерації є позірною - вона занижена тим сильніше, чим менша вологість при більшій пористості. Гамма-гамма-каротаж (або густинний каротаж) є способом визначення густини порід за відповідною градуювальною залежністю для приладу ГГК. Густина породи однозначно зв'язана з пористістю, тому ГГК часто також називають способом визначення пористості.  Водонасичену пористість k п гірських порід за допомогою ГГК визначають через вимірювану густину породи як [2]  kп  50 s    s   w , (2) де   - густина породи, яку отримують за градуювальною залежністю конкретного приладу ГГК при заданих умовах вимірювань;   - густина твердої фази породи;  w - густина порової води. 1 UA 114871 U 5 10 15 20 Для піщано-глинистих порід визначення пористості і вологості за ГГК має ті переваги, що густина твердої фази з достатньою точністю апріорі відома (густина скелетних зерен і глинистого матеріалу близькі за величиною), тому пористість і вологість за ГГК в зоні повного водонасичення практично не залежить від вмісту хімічно зв'язаної води. Недоліком ГГК (як індивідуального способу) є те, що в зоні аерації зменшується загальна густина породи, тому в цій зоні тільки за даними ГГК істинну пористість і вологість визначити неможливо. Пористість за ГГК в зоні аерації є позірною - вона завищена тим сильніше, чим менша вологість при більшій пористості. Задачею корисної моделі є визначення ряду інженерно-геофізичних параметрів приповерхневих гірських порід: пористості, вологості (водовмісту), коефіцієнта водонасиченості разом з супутніми параметрами густини та глинистості, а також оцінка рівня (глибини знаходження) фунтових вод, за яким розрізняється зона аерації і зона повного водонасичення. В основу корисної моделі поставлена задача отримання параметрів приповерхневих порід вздовж свердловинного розрізу, що охоплює зони аерації і повного водонасичення, шляхом комплексного використання радіоактивних методів - гамма-каротажу, нейтрон-нейтронного каротажу і гамма-гамма-каротажу разом з апріорними даними (зокрема, літотип досліджуваної породи, густина твердої фази, водневий індекс глинистих мінералів та ін.) Поставлена задача вирішується здійсненням наступних дій. 1. Визначення істинної пористості вздовж свердловинного розрізу. 1.1. Отримання пористості за ННК+ГК: - за даними ННК отримують нейтронну пористість k nn ; п - за допомогою ГК [3] отримують об'ємну глинистість K  і об'ємний вміст глинистих shale мінералів K  ; clay - використовуючи апріорні дані про водневий індекс глинистих мінералів, отримують 25 поправку clayK  до нейтронної пористості за рахунок хімічно зв'язаної води; clay - згідно формули (1) визначають k nn   - пористість за ННК+ГК. п 1.2. Отримання пористості за ГГК: - за даними ГГК отримують загальну густину породи   ; - використовують апріорні значення густин твердої фази породи  s і води  w ; 30 35 40  - згідно формули (2) визначають k п - пористість за ГГК. 1.3. Встановлення границі між зоною аерації і зоною повного водонасичення (оцінка рівня ґрунтових вод (РГВ) через закриту стальну колону): - будують діаграми пористості за ННК+ГК і за ГГК; - в зоні аерації пористості за ННК+ГК і за ГГК є позірними: за ННК+ГК істинна пористість занижена, а за ГГК - завищена; - глибину, на якій сходяться діаграми пористості за ННК+ГК і за ГГК, фіксують як границю між зоною аерації і зоною повного водонасичення. 1.4. Визначення істинної пористості в зоні аерації. Істинну пористість в зоні аерації визначають як середнє арифметичне зважене позірних пористостей за ГГК і за ННК+ГК:  k па  1k па   2k nn   , 1  2  1 , па 45 (3) де вагові множники 1  0,65 ,  2  0,35 отримані емпірично на основі аналізу та співставлення лабораторних і каротажних даних. 1.5. Визначення істинної пористості в зоні повного водонасичення. В цій зоні пористості за ГГК і за ННК+ГК є істинними в межах експериментальних і методичних похибок кожного з методів РК. Однак розходження між пористостями за ГГК і за ННК+ГК можуть бути значними (до кількох процентів), тому доцільно брати їх середнє арифметичне значення: 50 k пв    1  k пв  k nn   . пв 2 (4) 2 UA 114871 U 2. Визначення істинної вологості вздовж свердловинного розрізу. 2.1. Об'ємну вологість в зоні аерації визначають як середнє арифметичне зважене позірних пористостей за ГГК і за ННК+ГК:  WVa  1k па  2k nn   , 1  2  1 , па (5) 5 10 де вагові множники 1  0,10 , 2  0,90 отримані емпірично на основі аналізу та співставлення лабораторних і каротажних даних. 2.2. Об'ємна вологість в зоні повного водонасичення співпадає з відповідною пористістю за РК (формула (4). 3. Визначення коефіцієнта водонасиченості 3.1. Коефіцієнт водонасиченості визначається як відношення об'ємної вологості до пористості: Sw  WV kп . 15 (6) 3.2. В зоні аерації коефіцієнт водонасиченості, формулами (6), (5) і (3): S Wа   1k па   2k nn   па .  1k па   2k nn   па S wa , визначають у відповідності з (7) 3.3. В зоні повного водонасичення коефіцієнт водонасиченості, згідно з пунктами 1.5 і 2.2, 20 S wв  1. 25 30 35 40 45 50 (8) Конкретна реалізація запропонованого способу продемонстрована на прикладі вимірювань приладами ННК, ГК і ГГК в обсадженій свердловині; досліджуваний розріз піщано-глинистих порід охоплює як зону аерації, так і зону повного водонасичення. Результати вимірювань і їх інтерпретації представлені на графічному зображенні. Позначення на графічному зображенні: ------ - РГВ - рівень ґрунтових вод; 1 - діаграма гамма-каротажу (ГК); 2 - діаграма гамма-гамма-каротажу (ГГК); 3 - діаграма нейтрон-нейтронного каротажу (ННК); 4 - K shale - об'ємна глинистість на основі ГК; 5 -   - загальна густина породи за ГГК; 6 - пористість за ННК+ГК: в зоні аерації позірна, в зоні повного водонасичення істинна; 7 - пористість за ГГК: в зоні аерації позірна, в зоні повного водонасичення істинна; 8 - істинна пористість: - в зоні аерації - середня арифметична зважена (формула (3)); - в зоні повного водонасичення - середня арифметична (формула (4)); 9 - об'ємна вологість в зоні аерації (вище лінії рівня фунтових вод (РГВ) і в зоні повного водонасичення (нижче лінії РГВ); 10 - S w - коефіцієнт водонасиченості; о - експериментальні точки, отримані за даними лабораторних досліджень зразків порід, взятих вздовж свердловинного розрізу. Результати інтерпретації даних РК згідно з запропонованим способом визначення параметрів, представлені на графічному зображенні (зокрема, хороша збіжність з даними незалежних експериментальних досліджень), переконливо свідчать про ефективність і технологічність даного способу. Технічний результат, що досягається при здійсненні корисної моделі, - збільшення інформативності комплексу методів РК, підвищення оперативності, достовірності і точності визначення параметрів порід в свердловинному розрізі, що містить зону аерації і зону повного водонасичення - пористості, вологості, коефіцієнта водонасичення, густини і глинистості порід, а 3 UA 114871 U також значне здешевлення отримання інженерно-геологічних параметрів порівняно з методами відбору зразків породи і їх лабораторним дослідженням. 5 10 Джерела інформації: 1. Интерпретация результатов геофизических исследований нефтяных и газовых скважин. Справочник. Под ред. В.М. Добрынина. - М.: Недра, 1988. - 476 с. 2. Определение емкостных свойств и литологии пород в разрезах нефтегазовых скважин по данным радиоактивного и акустического каротажа. Головацкая И.В., Гулин Ю.А., Еникеева Ф. X. и др. - Калинин, 1984. - 112 с. 3. Патент України на винахід № 109230 UA. Спосіб визначення параметрів глинистості гірських порід комплексом радіоактивного каротажу. Бюл. № 14 від 27.07.2015. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 1. Спосіб визначення параметрів приповерхневих гірських порід в зонах аерації і повного водонасичення комплексом радіоактивного каротажу, що включає визначення пористості гірських порід за допомогою нейтрон-нейтронного каротажу разом з гамма-каротажем для врахування зв'язаної води в глинах (пористість за ННК+ГК), визначення пористості за допомогою гамма-гамма-каротажу (пористість за ГГК), який відрізняється тим, що істинну пористість порід в інтервалі зони аерації визначають як середнє арифметичне зважене значення позірних пористостей за ННК+ГК і за ГГК з відповідними емпіричними ваговими множниками, а в зоні повного водонасичення пористість визначають як середнє арифметичне значення пористостей за ННК+ГК і за ГГК. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що вологість порід в зоні аерації визначають як середнє арифметичне зважене значення позірних пористостей за ННК+ГК і за ГГК з іншими емпіричними ваговими множниками, а в зоні повного водонасичення вологість покладають рівною пористості. 3. Спосіб за пп. 1 і 2, який відрізняється тим, що коефіцієнт водонасиченості порід в зоні аерації визначають як відношення вологості до пористості, а в зоні повного водонасичення коефіцієнт водонасиченості прирівнюють одиниці. Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4