Интеграция спектрометрического гамма-каротажа (LWD) и углубленного анализа шлама: результаты, синергия и перспективы для оперативной геологической интерпретации

В настоящее время при строительстве скважин недостаточно внимания, на наш взгляд, уделяется геолого-геохимическим исследованиям бурового шлама. Этому способствуют высокий уровень развития технологий каротажа в процессе бурения, оперативно предоставляющих актуальные данные с забоя, а также факторы, осложняющие процесс интерпретации исследований по шламу, так как здесь играют роль применение долот истирающего типа и сложность состава бурового раствора с добавлением органических веществ и углеводородов. Тем не менее существуют ситуации, когда информация, содержащаяся в шламе, становится незаменимой. Среди них выделяются случаи: возникновения серьезных осложнений при проходке ствола скважины, грозящих прихватом инструмента; наличия сложных профилей и больших проложений стволов скважин; высоких температур в скважинах

(более 150° C); повышенного содержания сероводорода; отсутствия необходимого оборудования для каротажа.

Следует отметить, что «стандартные» методы геолого-геохимического анализа шлама недостаточны в условиях дефицита каротажных данных. Для достижения необходимой информативности применяют технологии углубленного анализа, позволяющие гораздо точнее охарактеризовать горные породы. Примеры таких методик включают рентгеновский анализ минерального состава и химического состава породы, исследование органического вещества методом пиролиза. Несмотря на то, что подобные процедуры традиционно проводятся в лабораторных условиях, современные тенденции указывают на стремление приспособить сложное оборудование для работы непосредственно на буровой площадке. Такой подход позволяет получать исчерпывающие геохимические и минералогические данные практически в режиме реального времени. Од-

Работа лицензирована в соответствии с CC BY 4.0. Чтобы просмотреть копию

этой лицензии, посетите

нако качество получаемой информации зависит от правильного отбора и подготовки образцов шлама, а также точной корреляции глубины отбора пробы с соответствующими пластами разреза. Использование методов углубленного анализа шлама в реальном времени обеспечивает ряд преимуществ, включая верификацию данных каротажа, раннюю оценку характеристик продуктивных пластов и повышение эффективности буровых операций. (Кашин, 2024; Кашин, Немцов, 2024).

Углубленный анализ шлама

В рамках проведенных исследований был изучен химический и минеральный состав проб бурового шлама в лаборатории Пермского государственного национального исследовательского университета. Для определения химического и минерального состава проб были выполнены следующие виды работ:

• -    рентгенофлуоресцентный анализ химического состава шлама (на макро- и микрокомпоненты);

• -    масс-спектрометрический с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) анализ c определением содержаний U, Th, Gd;

• -    определен общий (валовый) минеральный состав шламов дифрактометрическим методом;

• -    определен минеральный состав глинистой фракции шламов дифрактометрическим методом;

• -    определен минеральный состав тяжелой фракции шламов (акцессорных минералов);

• -    проведены диагностика и определение химического состава радиоактивных минералов (циркона, монацита и др.) микрозон-довым методом под электронным микроскопом (выполнены пробоподготовка – отобраны зерна циркона, монацита и др. из тяжелой фракции минералов).

Таким образом, по данным рентгенофлуоресцентного и масс-спектрального с индуктивно связанной плазмой анализов выявлены пробы бурового шлама карбонатного и алюмосиликатного состава. Наибольшая концентрация радиоактивных элементов установлена в пробах алюмосиликатного состава.

По данным рентгенофазового анализа, минеральный состав карбонатной толщи представлен преимущественно кальцитом и доломитом. Среди минералов-примесей в карбонатной толще присутствуют галит, кварц и альбит. Терригенная толща имеет полевошпат-слюдисто-кварцевый минеральный состав с существенным содержанием каолинита. Среди минералов-примесей в терригенной толще присутствуют соли (галит и сильвин), сульфиды (пирит), в небольшом количестве кальцит и доломит. На дифрактограммах бурового шлама терригенного состава зафиксирован высокий фон спектра, который свидетельствует о наличии рентгеноаморфного вещества, предположительно, железосодержащего состава (гидрогетит), о чем также свидетельствует повышенное содержание в этих пробах оксидов железа.

По данным электронно-микроскопических исследований и электроннозондового микроанализа, в пробах бурового шлама были выявлены минеральные формы, предположительно, содержащие элементы-носители радиоактивных изотопов. Торий и редкоземельные элементы зафиксированы в слюдах, в частности в гидрослюде, зернах циркона, которые были встречены как в терригенных отложениях, так и в карбонатных. Наибольшие содержания тория и редкоземельных элементов установлены в терригенной толще. Уран был установлен в зернах циркона и органическом веществе. Наибольшая концентрация урана в рассеянном виде и в органическом веществе встречена в карбонатной толще, в терригенной толще уран фиксируется во всех интервалах в небольшом количестве, предположительно, также в органическом веществе и акцессориях (чаще цирконе). Калий является составной частью полевых шпатов, сильвина и слюд. Рубидий сосредоточен в основном в слюдах, полевых шпатах и сильвине. Стронций часто является элементом-примесью в кальците и слюдах (в биотите).

В составе изученных проб бурового шлама зафиксировано присутствие радиоактивных элементов, которые концентрируются в минералах-носителях и органическом веществе. Минералами-носителями радиоактивных элементов являются циркон, слюды.

Наибольшие концентрации радиоактивной минерализации зафиксированы в пробах шлама терригенного состава.

Анализ шлама в комплексе с СГК

Прямое сопоставление минеральных моделей глинистой части породы, полученных по СГК (прибор АИНК-73С-2, обработка в программе СГК-ЛПСТ), с результатами лабораторного анализа шлама (химического и минерального) показывает хорошее совпадение (подтверждение на визейских терригенных отложениях описано ниже). Это дополняет ранее доказанную корреляцию СГК с РСА керна (Некрасов, 2021; Некрасов, 2022). При должном методическом обеспечении метод СГК позволяет определять количество и минеральный состав глинистой части породы, а также выявлять дополнительные коллекторы в мало- и безглинистых породах, радиоактивность которых не связана с глиной. Все это вместе и при реализации метода СГК в составе LWD-комплекса открывает перспективу совместной обработки данных обоих методов в режиме реального времени при бурении.

Одной из основных решаемых таким комплексом задач является привязка по глубине результатов оперативного геохимического анализа выносимого на поверхность при бурении шлама. Комплексирование СГК с геохимией шлама в перспективе позволит прямо во время бурения осуществлять надежное прослеживание границ пластов, что особенно важно при бурении горизонтальных участков, а также выполнять оценку характеристик коллектора.

Комплексирование методов СГК-LWD и углубленного анализа шлама

Интеграция СГК в составе LWD-комплекса результатов углубленного исследования шлама не является простым суммированием данных, а создает эффект синергии, обеспечивающий взаимную верификацию и повышение надежности получаемой информации. Например, лабораторный анализ минерального (РСА) и химического

(РФА) состава глинистой фракции в шламе служит независимым физико-химическим подтверждением результатов интерпретации данных СГК, которые могут быть получены не только при каротаже на кабеле, но непосредственно в процессе бурения в режиме LWD. Это критически важно для подтверждения достоверности и внедрения отечественного метода СГК-LWD в промышленную практику. Данные по шламу, особенно минералогия глин, предоставляют дискретные, но высоконадежные «опорные точки» по составу. Они используются для калибровки алгоритмов интерпретации в программе СГК-ЛПСТ и оперативного контроля качества данных СГК-LWD в сложных геологических или технических условиях бурения, минимизируя риски ошибок. Тем временем непрерывные данные СГК-LWD в указанном комплексировании являются основой для определения и коррекции глубин и могут быть нормированы на опорные данные геохимии для получения непрерывных результатов интерпретации свойств и состава породы.

Совместное использование непрерывных данных СГК (радиоактивность, спектры) и дискретных, но детальных данных по элементному и минеральному составу из шлама (РФА, РСА, TOC/пиролиз) в перспективе позволит строить обоснованные минеральные модели геологического разреза в режиме, близком к реальному времени. Консолидация методов напрямую способствует достижению главной цели - существенному повышению уровня и достоверности геологической информации, получаемой непосредственно в процессе бурения. Это позволяет геологам и буровикам оперативно реагировать на изменения разреза. На сегодня готовность технологии можно описать следующим образом: интегрированный в стандартный LWD-комплекс метод СГК находится на этапе промышленного опробования, а для шлама реализована схема непрерывного отбора с расфасовкой проб по 2-5-метровым интервалам. Это позволило определить необходимое пространственное разрешение и оценить возможности оперативного поступления материала для анализа (рис.).

Рис. Пример сопоставления результатов определения минерального и химического состава радиоактивной части породы по СГК и по шламу, визейские терригенные и карбонатные нефте- и водо-насыщенные породы, скважина 1, месторождение Н

Результаты и перспективы развития

Как сказано выше, сегодня активно ведутся реализация и апробация комплексного подхода, объединяющего СГК-LWD и углубленный анализ шлама. Как наглядно продемонстрировано на рис., результаты интерпретации данных СГК-LWD (обработанных в СГК-ЛПСТ) показывают хорошее соответствие результатам лабораторного определения минерального состава глин по буровому шламу. На полях 9 и 10 заливками показана минеральная модель радиоактивной части породы, фиолетовыми и красными линиями – то же, но по результатам РСА шлама.

Как можно видеть, количество и состав глин хорошо совпадают по обоим методам. Это важное достижение, впервые подтверждающее применимость и надежность методики интерпретации СГК для определения глинистого состава не только по керну, но и по шламу – материалу, доступному в процессе бурения любой скважины. Таким образом, отработана технология и оценена ее эффективность для применения в производстве.

Приборная реализация метода СГК-LWD создана в ООО НПФ «ВНИИГИС-ЗТК», модуль применяется в составе буровой компоновки и использует электромагнитный канал связи для оперативной передачи данных на поверхность. Кроме модуля СГК в состав компоновки могут быть включены другие методы ГИС (БК, ИК, ГГК-П, ГК, ННКт, Инклинометрия и др.), что позволяет повысить информативность интерпретации данных, как это было показано в (Некрасов, 2021; Некрасов, 2022).

Отборы шлама производились в непрерывном режиме с расфасовкой проб по интервалам 2 м для последующего углубленного геохимического и минералогического анализа. Дополнительный контроль и верификация на этапе внедрения осуществляются путем сопоставления СГК-LWD с кривыми СГК на кабеле, зарегистрированном в открытом стволе и/или в колонне. На данный момент продолжаются опытно-промышленное опробование СГК-LWD и оптимизация технологии проведения работ на скважине, а также методики и алгоритмов совместной обработки данных СГК и геохимии шлама.

Следует отметить, что получаемые данные довольно разнородные, могут иметь нелинейные взаимные связи, что может затруднять и замедлять их комплексную оперативную обработку и интерпретацию обычными методиками. Такие сложные задачи в перспективе могут решаться с использованием методов машинного обучения и искусственных нейронных сетей (Некрасов, Кузин, 2022; Максимович, Кашин, 2024).

Выводы

• 1.    Сопоставление минеральных моделей радиоактивной части пород, полученных с помощью спектрометрического гамма-каротажа, с результатами лабораторного минералогического (РСА) и химического (РФА) анализа бурового шлама продемонстрировало хорошее совпадение. Это экспериментально подтверждает достоверность интерпретации данных СГК для определения состава глинистой части не только по керну, но и по шламу – материалу, оперативно доступному при бурении любой скважины.

• 2.    Минимизация рисков ошибок осуществляется за счет консолидации методов СГК и углубленного анализа шлама. Это создает синергетический эффект и позволяет взаимно верифицировать исследования. Данные по шламу (особенно минералогия глин) могут служить «опорными точками» для самонастройки алгоритмов интерпретации СГК и наоборот. Кроме того, непрерывные данные СГК будут являться основой для привязки шлама по глубине.

• 3.    Технологическая реализация находится на стадии опытно-промышленного опробования скважинного прибора. Разрабатываются подходы и решения для совместной регистрации и обработки данных СГК-LWD и РСА/РФА шлама. Отработана методика непрерывного отбора шлама с расфасовкой проб по 2-метровым интервалам, обеспечивающая необходимое пространственное разрешение для корреляции с данными СГК-LWD.

• 4.    Дальнейшее развитие технологии требует оптимизации методик полевых работ и главным образом совершенствования алгоритмов совместной обработки и интерпретации разнородных данных (СГК-LWD, геохимия шлама, другие ГИС). Учитывая сложность и потенциально нелинейный характер взаимосвязей, эффективное решение этой задачи видится в применении методов машинного обучения и искусственных нейронных сетей.

• 5.    Все это, в случае успешного внедрения СГК-LWD и непрерывного автоматизированного исследования шлама, позволит непосредственно во время бурения получать непрерывные модели свойств и состава породы в реальном времени.

• 6.    При должном методическом обеспечении описанный комплекс поможет определять правильные глубины у количественных данных минерального состава радиоактивной части породы. Это, в свою очередь, позволит выявлять дополнительные коллекторы в малоглинистых и безглинистых породах, чья радиоактивность не связана с глинистыми минералами. Также внедрение такого комплекса будет способствовать решению таких важных задач, как надежное оперативное прослеживание границ пластов в горизонтальных скважинах; предварительная оценка свойств и насыщенности коллекторов; точный выбор интервалов отбора керна, определение оптимальных мер по завершению скважины.