OSNOVI GEOFIZIČKOG KAROTAŽA

1. OSNOVI GEOFIZIČKOGKAROTAŽA Treće predavanje Proces invazije u bušotini Karotaž sopstvenog potencijala (SP)

2. PROCES INVAZIJE U BUŠOTINI Procesom bušenja remeti se stanje stenskih masa i raspored fluida u njima. Ove promene značajno utiču na rezultate geofizičkih merenja u bušotini. Poznavanje uticaja bušotine (na stenske mase i fluide u njima) omogućava pravilnu obradu i interpretaciju rezultata geofizičkih karotažnih merenja.

3. Za vreme bušenja, hidrostatički pritisak stuba isplake u bušotini je veći od slojnog pritiska (pritiska fluida u formaciji). Na taj način se sprečava erupcija bušotine. Razlika u pritiscima stuba isplake u bušotini i fluida u formaciji dovodi do prodiranja isplake u formaciju, odnosno do potiskivanja filtrata isplake u poroznu i permeabilnu formaciju. Ova pojava predstavlja proces invazije u bušotini.

4. Model pribušotinske zone Na slici je prikazan vertikalni presek okoline bušotine. Sloj sa kolektorskim svojstvima, značajne poroznosti i debljine, nalazi se između dva nepropusna sloja (glina, lapor, šejl).

5. Oznake veličina: r - specifična elekrtična otpornost (SEO), S - zasićenje fluidima, h - debljina sloja, d - prečnik bušotine. Oznake indeksa: m - isplaka, mc – kolač isplake, mf - filtrat isplake, w - slojna voda, xo - isprana zona, t - ispitivani sloj, s - okolni slojevi.

6. Čvrste čestice iz isplake deponuju se na zidu bušotine, formirajući kolač isplake. Kolač isplake obično ima malu permeabilnost. Kada se formira, kolač isplake znatno smanjuje dalje prodiranje filtrata isplake u formaciju, odnosno cirkulaciju fluida između bušotine i formacije. Sastav, debljina i propusnost kolača isplake najviše zavise od prirode isplake i uslova bušenja.

7. Usled prodora filtrata isplake u formaciju u zoni blizu kanala bušotine, veći deo slojne vode i deo ugljovodonika bivaju potisnuti (isprani). Ova zona se naziva isprana zona. Isprana zona može da sadrži samo filtrat isplake, a u slučaju da je prethodno sadržala ugljovodonike, sadrži i rezidualne ugljovodonike.  

8. Dalje od bušotine, pomeranje slojnih fluida, potisnutih filtratom isplake je manje i tu se stvara prelazna (tranzitna) zona. Prelazna zona sadrži i filtrat isplake i slojne fluide. Isprana i prelazna zona zajedno čine zonuinavazije (zonu prodiranja filtrata isplake).

9. Širina isprane i prelazne zone (zone invazije) zavisi od: • tipa i svojstava isplake, • vrste fluida u formaciji, • poroznosti formacije, • permeabilnosti formacije, • razlike u pritiscima između • stuba isplake u bušotini i • fluidau formaciji, • brzine infiltracije filtrata • isplake, • vremena tokom koga je • formacija bila pod • dejstvomisplake, itd.

10. Proces infiltracije se razlikuje kod formacija sa međuzrnskom (intergranularnom) poroznošću u odnosu na formacije sa pukotinskom poroznošću. Kod formacija sa međuzrnskom poroznošću, ako formacija sadrži samo vodu, filtrat isplake potiskuje vodu u horizontalnom pravcu. Neposredno uz zid bušotine, filtrat isplake, praktično, potpuno istiskuje slojnu vodu. Isprana zona se, u ovom slučaju, najčešće prostire do udaljenosti od 7-8 cm od zida bušotine.

11. Kod čvrstih, ispucalih formacija propusnost se često naglo menja po dubini, a širina zone invazije varira, u zavisnosti od propusnosti delova formacije. U ispucalim (frakturiranim) formacijama, filtrat isplake se lako probija kroz pukotine do velikih udaljenosti od bušotine (duboka invazija), potiskujući vodu formacije. Sa druge strane, prodiranje filtrata isplake u neraspucalu sredinu je minimalno. Pošto je pukotinska poroznost mala, samo će mala količina ukupnog slojnog fluida biti istisnuta filtratom isplake. U ovom slučaju ne postoji prava isprana zona, niti prava prelazna zona.

12. poroznost (%) di - prečnik invazije, dh - prečnik bušotine 5-10 di= 10 dh 10-15 di= 5 dh 15-20 di= 3 dh 20 di= 2 dh Po pravilu, što je manja poroznost formacije, to je invazija dublja.

13. U kolektorima nafte i gasa, gde je mobilnost ugljovodonika veća od mobilnosti vode (zbog razlike u relativnoj permeabilnosti, nafta i gas se potiskuju brže od slojne vode), između isprane zone i neporemećene zone formira se cilindrični pojas - zona anulusa, sa visokim zasićenjem slojnom vodom. Zona anulusa se javlja u većini formacija sa visokim zasićenjem naftom i gasom. Uticaj anulusa na geofizička karotažna merenja zavisi od širine zone i zasićenja zone slojnom vodom, u odnosu na zasićene vodom neporemećene zone. Zona anulusa isčezava vremenom.

14. Deo formacije koji se nalazi iza zone invazije, do koga ne dopire filtrat isplake i koji sadrži samo slojne fluide, naziva se neporemećena zona (netaknuta ili nekontaminirana zona). Ova zona ima svojstva, koja je formacija imala pre bušenja.

15. Raspored zona oko bušotine je simetričan u slučaju kada je bušotina upravna na slojeve (međuzrnske poroznosti), koje preseca. U slučaju da bušotina preseca sloj pod oštrim uglom, raspored zona je znatno kompleksniji (širina zona oko bušotine je različita u različitim delovima sloja).

16. ELEKTRIČNI KAROTAŽNI SISTEMI Braća Šlumberže (Schlumberger) su 1927. godine uvela novu metodu geofizičkih merenja u bušotinama na naftnim poljima u Francuskoj, koju su nazvali “električno jezgrovanje”.

17. Prvi put su izvedena tačkasta električna merenja u bušotini, u cilju određivanja specifične električne otpornosti (SEO) stena. Merenje je izvršeno spuštanjem niza od 3 elektrode, na relativno bliskom rastojanju, na određena mesta u bušotini. U sledeće četiri godine, slična merenja su izedena u bušotinama u Venecueli, Oklahomi, Rumuniji i Rusiji. Uskoro su električna merenja u bušotini postala praksa širom sveta. Do danas je razvijen veliki broj metoda električnih karotažnih merenja.

18. KAROTAŽ SOPSTVENOG POTENCIJALA (SP) Sopstveni potencijal (SP) u bušotini je slučajno otkriven 1928. godine, a pojavio se kao potencijal koji je prouzrokovao smetnje pri merenjima prvim karotažnim električnim mernim uređajima. Tokom merenja u Rumuniji, inženjeri firme “Schlumberger” su potvrdili postojanje prirodnog električnog potencijala u bušotinama, čija vrednost zavisi od litološkog sastava stena, kao i svojstava fluida, koji se nalaze u pornom prostoru stena. Ubrzo je otkrivena praktična primena rezultata merenja sopstvenog potencijala. Katotaž sopstvenog potencijala predstavlja jedan od geofizičkih karotažnih postupaka, koji se najduže primenjuje u kontinuitetu.

19. Mernja Karotažom sopstvenog potencijala se vrše istovremeno sa merenjima drugim geofizičkim karotažnim uređajima. Osnovna svrha merenja sopstvenog potencijala je prikupljanje informacija o mineralizaciji podzemne vode u poroznim i permeabilnim stenama. Sopstveni potencijal (SP) ne predstavlja parametar stene, već pojavu koja se prvenstveno javlja u samoj bušotini, kao rezultat međusobnog dejstva filtrata isplake, porne vode i glina (šejla). Električno polje je prirodno, a ne veštački izazvano. Sopstveni potencijal (SP) predstavlja razliku električnog potencijala (električni napon) između pokretne elektrode u bušotini i fiksne (referentne) elektrode na površi terena (obično u se smešta u bazen isplake).

20. Merenja sopstvenog potencijala se vrše kontinuirano. Izmereni potencijal je relativan i prikazuje se u funkciji dubine. Skala krive SP-a je data u milivoltima (mV) i ima “pokretnu” nultu tačku. Naspram glinovitih (šejlovitih) formacija, kriva SP-a ima trend prave linije, koja se naziva “linija glina” ili “linija šejla” i kojoj se dodeljuje nulta vrednost sopstvenog potencijala. Kriva sopstvenog potencijala

21. Vrednost sopstvenog potencijala je pozitivna (kriva SP-a ima otklon u desno od “linije glina”), kada je elektroda u bušotini na većem potencijalu u odnosu na referentnu elektrodu, a negativna (kriva SP-a ima otklon u levo od “linije glina”), kada je elektroda u bušotini na manjem potencijalu u odnosu na referentnu elektrodu. Smer odstupanja od linije glina zavisi, uglavnom, od odnosa saliniteta filtrata isplake i slojne vode, tj. od onosa vrednosti njihovih specifičnih električnih otpornosti (rmf / rw). Kada se vrše merenja sopstvenog potencijala, isplaka mora da bude provodna (mineralizovana), a SEO filtrata isplake treba da bude različita od SEO slojne vode (rmf rw).

22. Priroda sopstvenog potencijala u bušotini Bušotinski uređaj za merenje sopstvenog potencijala predstavlja najednostavniju karotažnu sondu, koju čini samo jedna olovna elektroda (druga elektroda je na površi terena). Ovim geofizičkim karotažnim uređajem se, međutim, mere parametri električnog polja, nastalog kao posledica složenih fizičko-hemijskih procesa, koji se odvijaju u formacijama. Pravilna interpretacija krive SP-a zavisi od poznavanja njegovog porekla, kao i od poznavanja svojstava formacije i isplake, koja utiču na stvaranje sopstvenog potencijala. Vrednosti sopstvenog potencijala predstavljaju sumu dva potencijala – elektohemijskog i elektrokinetičkog (potencijal elektrofiltracije).

23. Elektrohemijski potencijal Elektrohemijski potencijal čini više komponenti, od kojih su najvažnije mebranski (šejl) potencijal i potencijal difuzije. Membranski (šejl) potencijal Membranski potencijal nastaje kada su dva rastvora različite mineralizacije, odnosno koncentracije jona soli, razdvojena polupropusnom membranom. Jedan od rastvora je jače mineralizovana slojna voda, a drugi slabo mineralizovan filtrat isplake, na primer.

24. Pretpostavimo da u rastvorima postoje samo joni natrijuma (Na+) i hlora (Cl–). Glina (šejl) se ponaša kao polupropusna katjonska membrana, zato što na površi minerala glina postoji višak negativnog naelektrisanja. To znači da glina propušta jone Na+, a ne propušta jone Cl–. Kretanje jona Na+ iz jače mineralizovane slojne vode, kroz glinu, u slabo mineralizovan filtrat isplake, uslovljava pojavu membranskog potencijala. Na kontaktu membrane i slojne vode (rastvora više koncentracije jona) stvara se višak negativnog naelektrisanja, dok se na kontaktu membrane i filtrata isplake (rastvora niže koncentracije jona) formira višak pozitivnog naelektrisanja.

25. Membranski potencijal (Esh) dat je izrazom: , gde K1 predstavlja koeficijent koji zavisi od temperature, Aw je jonska aktivnost slojne vode, a Amf je jonska aktivnost filtrata isplake. Pošto i jonska aktivnost i specifična električna otpornost (SEO) rastvora zavise od koncentracije jona u rastvoru, dati izraz može da se aproksimira izrazom: , gde rmf predstavlja SEO filtrata isplake, a rw je SEO slojne vode.

26. Potencijal difuzije Potencijal difuzije nastaje na kontaktu dva rastvora različite koncentracije jona, kao što su slojna voda i filtrat isplake (kontakt netaknute zone i zone invazije, na primer), pri čemu joni, u procesu difuzije, prelaze iz rastvora više koncentracije u rastvor niže koncentracije. Pokretljivost jona natrijuma (Na+) i hlora (Cl–) je različita, te oni ne prelaze istom brzinom iz jednog u drugi rastvor.Joni Cl– su znatno pokretljiviji od jona Na+, tako da će se u rastvoru niže mineralizacije (filtrat isplake) stvoriti višak negativnog naelektrisanja, dok će u rastvoru više mineralizacije (slojna voda) zaostati višak pozitivnog naelektrisanja.

27. Ovakav raspored jona uslovljava pojavu potencijala difuzije (EL), koji je dat izrazom: , gde K2 predstavlja koeficijent koji zavisi od temperature, Aw je jonska aktivnost slojne vode, a Amf je jonska aktivnost filtrata isplake. Prethodni izraz može da se aproksimira izrazom: , gde rmf predstavlja SEO filtrata isplake, a rw je SEO slojne vode.

28. Elektrohemijska komponenta sopstvenog potencijala (Ec) predstavlja zbir membranskog potencijala (Esh) i potencijala difuzije (EL): , gde K predstavlja koeficijent koji zavisi od temperature. Dati izraz može da se aproksimira izrazom: . Vrednost koeficijenta K na različitim temperaturama formacije (Tf) može da se proceni na osnovu empirijskog izraza: .

29. Mineralizacije slojne vode i filtrata isplake mogu da budu različite. Postoje tri opšta slučaja: 1) rmfrw Ec 0 - SP ima negativnu vrednost, otklon krive SP levo od bazne linije glina; 2) rmfrw Ec = 0 - SP je nula, kriva SP je na baznoj liniji glina; 3) rmfrw Ec 0 - SP ima pozitivnu vrednost, otklon krive SP desno od bazne linije glina. Slojna voda najčešće sadrži NaCl, kao dominantnu so. Kada su u slojnoj vodi prisutne i druge soli, izrazi za Ec, Esh i EL moraju da se koriguju.

30. Elektrokinetički potencijal Elektrokinetički potencijal(potencijal filtracije)se javlja kada filtrat isplake prodre u formaciju i potisne slojnu vodu (i ostale fluide u formaciji), usled razlika u pritiscima stuba isplake u bušotini i fluida u formaciji. Kretanje mineralizovanog rastvora uslovljava pojavu elektrokinetičkog potencijala. Kada se čvrsta faza i tečna faza (rastvor) nađu u kontaktu (pri invaziji filtrata isplake, na primer), na njihovoj granici se stvara potencijal, koji može da bude posledica adsorpcije jona iz rastvora na granici, pod dejstvom hemijskih sila iz čvrstog tela ili može da nastane kao produkt disocijacije (razlaganja) na dodirnoj površi čvrstog tela, pri čemu pozitivni ili negativni joni iz čvrste faze (stene) teže da pređu u rastvor. Elektrokinetički potencijal može se javlja u poroznim i permeabilnim formacijama, ali i u slabopropusnim formacijama.

31. Statički sopstveni potencijal Uređaj za merenje sopstvenog potencijala registruje razliku potencijala u stubu isplake. Razlike potencijala u glini ili šejlu (VS) i peščaru (Vb) redukuju vrednost razlike potencijala u stubu isplake (Vm). Ako bi u bušotini postojao hipotetički izolatorski čep, koji bi sprečio strujni tok kroz peščar, glinu ili šejl i isplaku, bio bi uspostavljen teorijski potencijal – statički sopstveni potencijal.

32. Kako hipotetički čep sprečava tok fluida, kao i strujni tok, ne bi došlo do pojave elektrokinetičkog potencijala. U realnim uslovima, koji vladaju u bušotini, elektrohemijske pojave uslovljavaju nastanak strujnog toka kroz kroz peščar, glinu ili šejl i isplaku.

33. Statički sopstveni potencijal (SSP) predstavlja sumu razlika potencijala u glini ili šejlu (VS), peščaru (Vb) i stubu isplake (Vm): SSP = Vm + VS + Vb . Primenjujući Omov zakon (V = ir), dobija se: SSP = irm + irS + irb = i (rm + rS + rb) , gde jei- jačina električne struje, rm- električni otpor isplake, rS - električni otpor šejla, rb- električni otpor peščara. Karotažom sopstvenog potencijala meri se komponenta Vm, čija će vrednost biti približna vrednosti SSP, ukoliko druge dve komponente imaju malu vrednost. To je moguće naspram sloja velike debljine i niske vrednosti SEO, kada isplaka ima visoku vrednost SEO.

34. Faktori koji utiču na rezultate merenja sopstvenog potencijala u bušotini Na rezultate merenja sopstvenog potencijala u bušotini utiču brojni faktori, kao što su prečnik bušotine, električna otpotnost isplake i slojne vode, gustina i sastav isplake, invazija isplake, debljina kolača isplake, prisustvo ugljovodinaka, temperatura u bušotini, temperatura formacija, debljina slojeva, instrumentalne smetnja, itd. Svi ovi faktori moraju da se uzmu u obzir pri interpretaciji rezultata merenja sopstvenog potencijala.

35. Povećanprečnik bušotineutiče na smanjenje vrednosti sopstvenog potencijala. Sopstveni potencijal opada i sa povećanjem dubine invazije isplake. Debljina sloja bitno utiče na oblik krive SP-a. Kod permeabilnih slojeva velike debljine, maksimalna vrednost sopstvenog potencijala registruje se ubrzo nakon što se pređe granica glina (šejl) – permeabilni sloj, a bliska je vrednosti statičkog sopstvenog potencijala. Za tanke permeabilne slojeve, koji se nalaze između dva sloja šejla, sopstveni potencijal dostiže maksimalnu vrednost na sredini sloja, a ta vrednost je obično mnogo manja od SSP-a i zavisi od debljine sloja. Prisustvo ugljovodinika u poroznim i permeabilnim formacijama povećava vrednost SEO formacije, a smanjuje vrednost sopstvenog potencijala.

36. Salinitet slojne vode se, generalno, povećava sa povećanjem dubine, mada postoje izuzeci u nekim stratigrafskim kompleksima i zonama natpritiska. Prisustvo glina (šejla) u peščaru i drugim poroznim i permeabilnim formacijama utiče na smanjenje vrednosti sopstvenog potencijala, u odnosu na vrednost sopstvenog potencijala, koja se registruje naspram “čistih”, nezaglinjenih formacija. Instrumentalne smetnje mogu da nastanu kao posledica lošeg položaja elektrode na površi terena, magnetizacije kabla i niza drugih faktora.

37. Interpretacija karotaža sopstvenog potencijala Pomeranje “linije glina” sa dubinomprouzrokovano je promenema električnih svojstava glina (šejla), usled povećanja temperature formacije i stepena kompakcije slojeva sa dubinom. Na ovu pojavu mogu da utiču i povećanje saliniteta slojne vode, kao i povišen sadržaj peska u glini (šejlu). Oblik krive SP-a zavisi, pre svega, od debljine slojeva i odnosa SEO isplake i SEO slojne vode. Kod debelih homogenih permeabilnih slojeva, kod kojih postoji izražen kontrast između SEO slojne vode i SEO isplake, prelaz između permeabilnog i neperemeabilnog sloja je oštar, a sopstveni potencijal brzo dostiže maksimalnu vrednost blisku vrednosti SSP-a. Kada je kontrast između SEO slojne vode i SEO isplake mali, prelaz između permeabilnog i neperemeabilnog sloja je blaži, te je teže odrediti granice sloja.

38. Testerast oblik krive SP-ase javlja u permeabilnim slojevima velike debljine, u kojima postoje brojni tanki nepropusni proslojci. Pri invaziji slabo mineralizivane isplake dolazi do “nagomilavanja” filtrata isplake ispod nepermeabilnih zona, a slojna voda se akumulira u donjim delovima permeabilnih zona. Sopstveni potencijal je redukovan u gornjem delu permeabilne zone, dok u donjem delu ima punu vrednost, što krivoj SP-a daje testerast oblik. Formacije visoke SEO, niske poroznosti i permeabilnosti, kao što su kompaktni krečnjaci, dolomiti i anhidriti, karakterišu krive SP-a specifičnog oblika.

39. Primena karotaža sopstvenog potencijala Karotaž sopstvenog potencijala ima široku primenu i uvek se koristi u kombinaciji sa drugim karotažnim sondama. Prikazane su osnovne primene Karotaža sopstvenog potencijala. a) Određivanje debljine slojeva Prevojne tačke na krivoj SP-a predstavljaju kontakt permeabilnog i nepermeabilnog sloja, te se koriste za određivanje granica slojeva i njihove debljine. Korišćenjem podataka drugih geofizičkih karotažnih merenja mogu da se procene efektivne debljine slojeva zasićenih vodom ili ugljovodonicima, koje se, zajedno sa drugim podacima, koriste za proračun rezervi ležišta vode ili ugljovodonika.

40. b) Geološka korelacija i elektrofacijalna analiza Krive SP-a sa više bušotina mogu da se primene kod korelacije slojeva. Oblik krive SP-a može da ukaže na brzinu kojom je došlo do taloženja (distribucija materijala po veličini zrna) i tip sredine u kojoj su nastali sedimenti (dubina i salinitet vode). Na osnovu oblika krive, njenog nagiba i envelope koja obavija više slojeva u paketu, može da se odredi da li je sredina nastala regresionim ili transgresionim procesima (različit raspored materijala pri povlačenju ili nadiranju mora).

41. Može da se vrši i analiza sedimentacionih sekvenci različitih depozicionih sredina (npr. oblik krive ukazuje na to da li je granica pesak - glina (šejl) postepena ili oštra, što ukazuje na uslove koji su vladali - prekide u sedimentaciji, brzinu transgresije i regresije). Podaci merenja sopstvenog potencijala, zajedno sa podacima dobijenim na uzorcima jezgrovanog materijala i podacima dobijenim primenom drugih geofizičkih karotažnih metoda, mogu da se primene za sedimentološku analizu depozicionih sredina.

42. c) Procena specifične električne otpornosti (SEO) slojne vode Za procenu SEO slojne vode (rw) na dijagramu SP-a treba da se odabere debeo (4.5 - 6 m) permeabilan sloj niske SEO, sa što manjim prisustvom glina ili šejl komponente. Nakon toga se odredi bazna linija glina (šejla) i maksimalno odstupanje sopstvenog potencijala od ove linije. Ukoliko ne postoji dovoljno debeo sloj, izvodi se korekcija sopstvenog potencijala za debljinu sloja pomoću odgovarajućeg nomograma. Prihvatajući aproksimaciju da je SSP = Ec (SSP - statički sopstveni potencijal, Ec - elektrohemijska komponenta sopstvenog potencijala), SEO slojne vode (rw) može da se proceni iz izraza: rw = rmf 10SSP/K gde je rmf– SEO filtrata isplake, K – koeficijent koji zavisi od temperature. 

43. d) Procena zapreminskog učešća glina ili šejl komponente Procena zapreminskog učešća glina ili šejl komponente (Vsh), na osnovu rezultata merenja sopstvenog potencijala, izvodi sekorišćenjem izraza: Vsh = 1- (SP/SSP) gde je SSP - statički sopstveni potencijal, SP - registrovana vrednost sopstvenog potencijala na profilu bušotine.

44. Procena zapreminskog učešća glina ili šejl komponente (Vsh) ),na osnovu rezultata merenja sopstvenog potencijala, preporučljiva je u glinovitim i šejlovitim formacijama niske SEO (kada je šejl strukturnog ili laminarnog tipa - dispergovani šejl smanjuje permeabilnost i poroznost, a time povećava SEO formacije). Metoda ne daje dobre rezultate: - kada je SEO filtrata isplake približno jednaka SEO slojne vode, - kada su slojevi male debljine i visoke SEO, - u zonama zasićenim ugljovodonicima, - pri visokim vrednostima elektrokinetičkog potencijala, - kada je uticaj invazije filtrata isplake na rezultate merenja veliki.

45. Hvala na pažnji!

46. Da li ima pitanja?