Карота́ж (франц. carottage – отбор бурового керна), комплекс методов, основанных на измерении физических полей в буровых скважинах с целью изучения горных пород, вскрытых скважиной. К основным задачам каротажа относятся изучение геологического разреза скважины, выделение пластов полезного ископаемого и оценка содержания в них полезных компонентов. Геофизические исследования скважин (ГИС), существенной частью которых является каротаж, позволяют проводить эти работы, значительно сократив объём отбора керна. Комплекс каротажных методов, применяемых в нефтяных и газовых скважинах, называют промысловой геофизикой.

Исторический очерк

Первые температурные измерения в нефтяных скважинах Азербайджана и Дагестана были выполнены в 1906–1916 гг. Д. В. Голубятниковым. Широкое применение каротажа связано с деятельностью К. Шлюмберже и Э. Шлюмберже, которые в 1926–1931 гг. провели измерения электрического сопротивления методами электрического каротажа.

В 1933 г. В. А. Фок решил задачу распределения электрического поля в скважине; используя это решение, Л. М. Альпин рассчитал палетки (собранные на одном листе кривые измеряемых параметров в зависимости от электрических свойств пород), которые легли в основу метода бокового каротажного зондирования (БКЗ). Дальнейшее развитие теории электрического каротажа и разработка способов практического применения метода БКЗ были выполнены С. Г. Комаровым и В. Н. Дахновым, а также американским геофизиком Г. Арчи.

В 1933–1934 гг. группа российских геофизиков (Г. В. Горшков, Л. М. Курбатов, А. Г. Граммаков, В. А. Шпак) разработала гамма-каротаж, основанный на измерении естественной радиоактивности горных пород. В 1941 г. Б. М. Понтекорво предложил нейтронный каротаж. В 1946–1948 гг. американский геофизик Х. Г. Долль предложил электрический каротаж с фокусировкой тока (боковой каротаж), индукционный каротаж и зонды для микроэлектрического исследования скважин. В 1938–1939 гг. Г. Арчи и В. Н. Дахнов установили зависимость электрических свойств пород от их пористости (закон Арчи – Дахнова).

Оборудование для проведения акустического каротажа впервые было создано в США в 1948 г. (Humble Oil and Refining Company); в СССР разработка акустического каротажа началась в 1953–1955 гг.

Методика проведения каротажа

При каротажных исследованиях в скважину спускают на лебёдке скважинный прибор, оборудованный датчиками физических параметров. Скважинный прибор соединён с регистрирующей аппаратурой, расположенной на поверхности, специальным каротажным кабелем, обеспечивающим электроснабжение прибора и передачу сигналов датчиков. Средства телеметрии позволяют одновременно передавать на поверхность большое количество сигналов по одной жиле кабеля. Технические средства проведения каротажа (лебёдка с кабелем, контрольно-измерительная аппаратура, скважинные приборы и зонды), размещённые на автомобиле, вездеходе и др., называют каротажной станцией. При измерениях в горизонтальных скважинах скважинный прибор крепится на бурильных трубах и с их помощью перемещается вдоль скважины. В этом случае скважинный прибор действует автономно (без каротажного кабеля) и снабжается не только датчиками физических параметров, но также источниками питания и регистрирующим устройством.

При каротаже буровых скважин измеряются такие физические параметры горных пород, как удельное электрическое сопротивление, естественная радиоактивность, скорости распространения упругих волн, магнитные свойства, температура и др. Соответственно различают электрический каротаж, радиоактивный каротаж (ядерно-физические методы каротажа), акустический каротаж, каротаж магнитной восприимчивости, термокаротаж и др.

Электрический каротаж подразделяют на несколько основных модификаций, в которых определяют различные характеристики электрического поля. В методе самопроизвольной поляризации измеряют электрические потенциалы, самопроизвольно возникающие в скважине; в методе сопротивлений определяют удельное электрическое сопротивление горных пород. При проведении работ применяют зонды электрического каротажа, содержащие токовые и измерительные электроды: первые используют для пропускания электрического тока в горные породы, пересечённые скважиной, вторые – для измерения потенциала или напряжённости электрического поля. В методе бокового каротажа применяют зонды с фокусировкой тока в направлении пластов, пересечённых скважиной.

В индукционном каротаже электрические токи в горных породах возбуждают при помощи генераторной катушки, питаемой переменным током (без гальванического контакта электродов с горными породами). При помощи измерительной катушки, соосной с генераторной, измеряется напряжённость магнитного поля токов в породе, величина которой определяется электропроводностью горных пород. В высокочастотном индукционном каротажном изопараметрическом зондировании (ВИКИЗ) применяются трёхкатушечные зонды разной длины, содержащие одну генераторную катушку и две измерительные катушки. В этом случае измеряется разность фаз между двумя точками на оси скважины, определяемая электропроводностью горных пород. В диэлектрическом каротаже поле в скважине возбуждается генераторной катушкой, питаемой переменным током значительно более высокой частоты. В этом случае также измеряется разность фаз между двумя точками на оси скважины, определяемая диэлектрической проницаемостью горных пород. В каротаже магнитной восприимчивости измеряется возникающая в катушке электродвижущая сила, величина которой зависит от магнитной восприимчивости горных пород.

Ядерно-физические методы каротажа сводятся либо к измерению естественной радиоактивности горных пород (гамма-каротаж), либо к определению интенсивности воздействия на горные породы потоков гамма-квантов (гамма-гамма-каротаж) или нейтронов (нейтронный каротаж). Интенсивность естественного гамма-излучения горных пород измеряется с помощью скважинных радиометров. При гамма-гамма-каротаже в корпус скважинного прибора помещают зонд, состоящий из источника гамма-квантов и детектора, разнесённых по оси скважины. Изучается рассеянное горными породами гамма-излучение, интенсивность которого зависит от плотности пород. Зонд нейтронного каротажа включает источник быстрых нейтронов и детектор (гамма-квантов или медленных нейтронов). Нейтроны, испускаемые источником, бомбардируют стенку скважины, замедляются при соударениях и захватываются ядрами атомов. Захват нейтрона сопровождается испусканием гамма-излучения. Наиболее интенсивно нейтрон замедляется в среде с большим содержанием водорода. Поскольку водород содержится в пластовой воде и углеводородах, заполняющих пустотное пространство горной породы, нейтронный каротаж является одним из основных методов определения пористости пород-коллекторов.

Пористость горных пород оценивают также при помощи акустического каротажа. Зонд акустического каротажа содержит источники и приёмники упругих колебаний, расположенные на корпусе скважинного прибора и разнесённые по оси скважины. Измеряется время пробега упругой волны от источника до приёмника (в буровом растворе и по стенке скважины), а также амплитуда волны. Время пробега определяется скоростью распространения упругих колебаний в горных породах. Характер изменения амплитуд с удалением от источника позволяет оценить степень затухания упругих волн при их распространении в горных породах. Скорости упругих волн определяет и сейсмический каротаж. В этом случае источник упругих колебаний располагается на поверхности, а сейсмоприёмники – на различной глубине в скважине.

В нефтяных и угольных скважинах проводят газовый каротаж для определения нефтегазоносности пласта или оценки загазованности угольного пласта. Определяется количество и состав газа, попавшего в промывочную жидкость (буровой раствор) при разбуривании пласта. Для описания состава и строения горных пород, пройденных скважиной, при газовом каротаже также изучают шлам. Проведение механического каротажа (регистрации зависимости ряда параметров, характеризующих режим бурения скважины, от глубины скважины) позволяет интерпретировать данные газового каротажа и изучить геологический разрез скважины.

К каротажу скважин относится также регистрация падения пластов (наклонометрия), диаметра (кавернометрия) и искривления (инклинометрия) скважины и другие виды контроля технического состояния скважины. Скважинные приборы на каротажном кабеле используются для различных технологических операций: отбора образцов горных пород и пластового флюида из стенок скважины, перфорации обсадных колонн и др.

Результаты измерений в скважине представляются в виде каротажных диаграмм, отражающих зависимость различных физических параметров от глубины скважины. Обработка и интерпретация каротажных диаграмм проводится либо непосредственно при записи каротажных кривых, либо в обрабатывающем центре после проведения каротажа.

Выбор того или иного метода каротажа определяется поставленной задачей, характером геологического разреза (сложенного, например, терригенными или карбонатными горными породами), наличием обсадной колонны и типом скважины (разведочная или эксплуатационная).

Использование каротажа

На угольных месторождениях методы каротажа применяются для литологического изучения разрезов скважин, выделения пластов углей, оценки их зольности (несгораемого остатка), определения мощности и строения пластов. Мощность угольных пластов мала, поэтому используются микрометоды каротажа и электрический каротаж с фокусировкой тока. Особенно эффективно угольные пласты выделяют по данным плотностного гамма-гамма-каротажа и акустического каротажа, поскольку плотность углей существенно меньше плотности окружающих пород.

На рудных месторождениях выявление руд и их количественная оценка проводятся ядерно-физическими методами каротажа, а также методами электрического каротажа (для выделения сульфидных и магнетитовых руд, обладающих электронной проводимостью) и каротажа магнитной восприимчивости (для магнетитовых руд). Редкоземельные элементы и марганец характеризуются высокими сечениями захвата нейтронов, поэтому оценка этих месторождений проводится по данным нейтронного каротажа. Содержание алюминия в бокситах выявляют по данным нейтронного каротажа: измеряют интенсивность гамма-излучения распада изотопа ²⁸Al, образующегося в результате радиационного захвата тепловых нейтронов ядрами стабильного изотопа ²⁷Al. Содержание вольфрама и многих других элементов оценивают с помощью рентгенорадиометрического каротажа. В скважинах урановых месторождений ведущим методом является гамма-каротаж.

Наибольшее развитие методы каротажа получили при исследованиях в нефтяных и газовых скважинах, где они применяются на всех этапах геологоразведочных работ. Интерпретация каротажных диаграмм позволяет выделить пласты-коллекторы, способные содержать и отдавать углеводороды, определить мощности этих пластов, их пористость и проницаемость. В частности, для оценки содержания углеводородов в пласте применяются методы электрического и индукционного каротажа. В пустотах (порах, кавернах и трещинах) пласта-коллектора содержится смесь нефти, газа и пластовой воды. Электрической проводимостью в этой смеси обладает только пластовая вода, поэтому с увеличением содержания углеводородов в пласте его удельное электрическое сопротивление увеличивается. Содержание воды в горных породах оценивают также методом диэлектрического каротажа. Пористость пласта-коллектора определяется по данным акустического каротажа, различных модификаций ядерно-физического каротажа и каротажа самопроизвольной поляризации. В последнем методе пористость оценивается по диффузионно-адсорбционным свойствам пластов-коллекторов. В эксплуатационных нефтяных и газовых скважинах методами каротажа проводится контроль разработки месторождения, например контроль положения контакта между водой и нефтью в нефтяном пласте.

Методы каротажа широко применяются в гидрогеологии и инженерной геологии при поисках и разведке подземных вод, контроле и охране окружающей среды, решении проблем мелиоративной и шахтной гидрогеологии, исследовании грунтов и донных отложений (при строительстве мостов, железных и шоссейных дорог, плотин, крупных зданий и др.). Роль каротажных исследований особенно возросла в связи с необходимостью построения цифровых геологических и гидродинамических моделей месторождений.