Карота́ж (, от carotte — морковь, с которой подразумевается сходство каротажного зонда) — самая распространённая разновидность геофизических исследований скважин.
Процесс каротажа — это спуск в скважину специального прибора с его последующим подъёмом. Прибор именуется геофизическим зондом. Цель каротажа — детальное исследование строения разреза скважины. Для исключения погрешности глубины основные измерения снимаются с прибора в процессе его подъёма, но некоторые параметры измеряют уже при спуске.
У метода небольшой радиус исследования вокруг скважины (от нескольких сантиметров до нескольких метров), но он имеет высокую детальность, позволяющую не только определить с точностью до сантиметров глубину залегания пласта, но даже характер изменения самого пласта на всей его небольшой толщине. У каротажа существует очень много разновидностей, что обусловлено многообразием методов наземной геофизики, для каждого из которых разработан аналогичный «подземный» вариант. Более того, существуют и специальные виды каротажа, не имеющие аналогов в наземной геофизике. Поэтому методы каротажа различают по природе изучаемых ими физических полей: электрические, ядерные и другие.
История методов и предпосылки
Собственно геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых создавались с целью не производить дорогостоящее бурение скважин, а ограничиваться лишь наземными исследованиями. Тем не менее, зачастую без бурения скважин на исследуемом участке обойтись невозможно, так как скважина является источником керна — образцов горной породы, извлечённых с помощью бурового инструмента на поверхность. В то же время, отбор керна и его сохранение в первозданном виде при доставке в лабораторию сам по себе является дорогим процессом. По этой причине возникла необходимость бескернового исследования скважин. Дополнительным стимулом к этому послужило то, что многие скважины бурятся на хрупких и сыпучих породах, где керн невозможно поднять на поверхность. В конечном счёте, каротаж применяют и для тех скважин, у которых уже был извлечён керн, это позволяет получить от скважины ещё больше информации, оправдывая силы, потраченные на её строительство.
Для каждого вида наземной геофизики был разработан его вариант, пригодный для аналогичного исследования в стеснённых условиях скважины. Прежде всего были применены методы электроразведки. За одну спускоподъёмную операцию проводят исследования сразу несколькими различными методами, результаты которых интерпретируют совместно. Причиной является влияние самой скважины на показания приборов, а также много иных факторов.
В русский язык термин «каротаж» пришёл из французского, где словом la carotte («морковь») на жаргоне буровиков назывался образец керна. Специалистов, занимающихся отбором керна, в шутку называли «морковниками». Это же слово во французском языке имеет и второй смысл — мелкое мошенничество. Первые методики каротажа не отличались точностью и зачастую себя не оправдывали, поэтому специалистов-каротажников называли мошенниками не только в шутку. Благодаря этому термин «каротаж» сперва прижился во французском языке, а затем распространился в остальных. Со временем в немецком языке термин был заменён на Bohrlochmessung, в английском — на well logging, а в самом французском языке теперь применяют термин des diagraphies, но в России остался старый термин.
Более того, с данным термином стали прочно ассоциироваться сами геофизические исследования скважин, хотя они, в общем случае, включают в себя ещё и операции в скважине, и скважинную геофизику.
Впервые термин и саму методику в употребление ввели братья (основатели знаменитой нефтесервисной компании Schlumberger). В их модификации использовался электрический каротаж, а основной областью были поиски угольных пластов. Со временем методы каротажа стали использоваться и на рудных месторождениях, но основное применение затем нашли на нефтяных и газовых. На сегодняшний день в этой отрасли стоимость каротажа не превышает 4 % от стоимости буровых работ, обеспечивая при этом большую часть получаемой информации.
Первыми геофизическими исследованиями в России были геотермические исследования в скважинах, выполненные 1906 году Д. В. Голубятниковым
Общие сведения
Для проведения каротажных работ в скважину опускают геофизический зонд, содержащий всё необходимое оборудование. Часть получаемой информации сразу передаётся на поверхность по геофизическому кабелю, который является и каналом передачи данных, и электрическим проводником от источника питания, и держит на себе вес прибора. При этом некоторая часть информации может всё же быть записана в памяти самого зонда и получена уже после извлечения зонда на поверхность. По техническим причинам любой каротаж по скважине проводят снизу вверх, сначала опуская зонд на необходимую глубину, а лишь затем, медленно поднимая его, производят регистрацию сигналов.
Так лучше удаётся выдерживать постоянную скорость перемещения зонда, в то время как при спуске зонд может застревать в скважине (прихватываться). Однако это не мешает незначительные измерения иногда проводить и при спуске зонда (плотномер, термометрия). В случае слишком большой скорости передвижения зонда по скважине, аппаратура может просто не успевать измерять даже большие аномалии. В то же время слишком низкая скорость подъёма зонда приводит к увеличению времени проведения каротажных работ, а значит — к увеличению стоимости работ в целом.
Ввиду того, что реальная скважина, в отличие от идеальной, никогда не бывает прямой, а также имеет непостоянный радиус, возникают технические сложности с точным определением текущей глубины зонда. По этой причине текущую глубину измеряют сразу несколькими способами: так называемым локатором муфт (ЛМ), с помощью которого регистрируют муфты, которыми соединяются трубы, опущенные в скважину счётчиком магнитных меток на геофизическом кабеле, каждая из которых расположена на расстоянии 10 метров от предыдущей (для сверки каждые 100 метров размещают двойную метку) В реальных ситуациях счётчиком могут быть пропущены некоторые магнитные метки, а локатор может не заметить одну из муфт, однако их совместное использование позволяет нивелировать данные ошибки и достаточно точно привязать положение зонда к верной глубине.
Одним из недостатков методики является то, что на показания зонда влияет сама скважина: металлические стенки скважины оказывают влияние на магнитные измерения зонда, являются хорошим проводником, затрудняя электрические измерения, а также мешают непосредственному исследованию затрубного пространства, препятствуя применению многих других методов буровой раствор, которым заполнена скважина, в большом количестве содержит воду, что затрудняет использование методов, регистрирующих водородосодержание нефти, так как вода бурового раствора тоже содержит атомы водорода, а также соли хлора с большим сечением захвата нейтронов и глинистые частицы, имеющие естественное гамма-излучение на практике также встречается несогласованность действий буровиков, создавших скважину, с геофизиками, производящими в ней измерения. При производстве буровых работ буровикам выгодней и безопасней работать на утяжелённом буровом растворе, содержащем увеличенную долю глинистых частиц. Однако эти же частицы оседают на стенках скважины, создавая толстую глинистую корку, сквозь которую в будущем не смогут пробиться измеряемые геофизические поля
Для увеличения информативности одной спуско-подъёмной операции в одном геофизическом зонде могут расположить сразу несколько приборов. Бывают случаи, когда приборов больше, чем может поместиться в одном зонде, или же эти приборы могут быть несовместимы между собой и их нельзя размещать в одном зонде. Тогда в скважину могут опустить и не один зонд, а связку из нескольких, размещённых друг за другом. Кроме того, к зонду может прикрепляться так называемая «коса». Внешне она представляет собой сравнительно короткий кабель, на котором подобно гирлянде размещены датчики, но при этом снятая информация от них поступает на основное оборудование, размещённое в корпусе зонда.
В зависимости от каротажного метода может потребоваться либо центровка зонда по оси скважины (в этом случае зонд не должен касаться стенок скважины), либо наоборот — плотное прижатие зонда к стенке. В обоих случаях результат достигается с помощью рессор, размещённых снаружи корпуса. Для центровки на корпус крепятся четыре рессоры, размещённые в плане крестообразно, для прижатия к стенке скважины достаточно одной рессоры, размещённой сбоку.
Методы электрического каротажа
Электрический каротаж является переработкой полевых электроразведочных работ, применительно к стеснённым условиям в скважине. В общих чертах работа сводится к пропусканию тока через два или более электродов с последующим измерением каких-либо электрических параметров: силы тока, разности потенциалов, частоты, диэлектрической проницаемости и т. п. Именно различием измеряемой величины и обусловлено многообразие методов электрического каротажа. Также эти различия обусловлены, например, конфигурацией опускаемых в скважину электродов, то есть их взаимным расположением друг по отношению к другу.
Группа методов кажущегося сопротивления собственно КС — кажущееся сопротивление с нефокусированными зондами. Самый распространённый метод данной группы, являющийся скважинным аналогом метода электрического профилирования в электроразведке резистивиметрия. С помощью этого метода измеряют удельное электрическое сопротивление жидкости, заполняющей в данный момент скважину. Жидкость может быть представлена как буровым раствором (его сопротивление заранее известно), так и пластовыми флюидами (нефть, пресная или минерализованная вода), а также их смесью БКЗ — боковое каротажное зондирование. Данный метод является скважинным аналогом метода вертикального электрического зондирования в электроразведке микрокаротаж — разновидность КС с зондами очень малого размера, вплотную прижимаемыми к стенкам скважины. С помощью данного метода, преимущественно, ищут только коллекторы по скважине БК — боковой каротаж. Отличие от классического КС заключается в фокусировке тока зондом МБК — микробоковой каротаж. Отличие данного метода от микрокаротажа заключается в фокусировке тока зондом
Методы токового каротажа В группе токового каротажа возможно создание самых различных концепций и их модификаций, однако на практике применяют лишь МСК (метод скользящих контактов) для исследования скважин на рудных месторождениях и БТК (боковой токовый каротаж) для исследования угольных скважин.
Группа электромагнитных методов Основное преимущество данной группы методов заключается в том, что их возможно использовать в сухих скважинах, не заполненных токопроводящим буровым раствором. Кроме того, его возможно применять и в скважинах, заполненных буровым раствором на основе нефти, которые тоже не проводят постоянный электрический ток. Встречаются следующие разновидности: ИК — индукционный каротаж. При проведении используют сравнительно низкие частоты — до 200 кГц индукционный каротаж на высоких частотах, результаты которого зависят как от электропроводности пород, так и от их диэлектрической проницаемости: ВМП — волновой метод проводимости с частотой 1-5 МГц ВДК — волновой диэлектрический каротаж с частотой до 60 МГц ВЭМКЗ - высокочастотное электромагнитное каротажное зондирование ВИКИЗ — высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование. Метод является аналогом БКЗ, но вместо постоянного тока используется переменный
Группа методов электрохимической активности ПС — метод самопроизвольной поляризации, также известный как метод потенциалов самопроизвольной поляризации. Является скважинным аналогом метода естественного поля в электроразведке ЭК — электролитический каротаж. Скважинный аналог метода вызванной поляризации в электроразведке МЭП — метод электродных потенциалов. Данный метод существует исключительно в скважинном варианте и не имеет аналогов в полевой электроразведке
Методы радиоактивного каротажа