CERCETAREA FORAJELOR DE APĂ PRIN MĂSURĂTORI SPECIFICE GEOFIZICII DE SONDĂ

 

THE WATER WELLS INVESTIGATION THROUGH SPECIFICALLY WELL LOGGING MEASUREMENTS

 

Gigi Paul DRAGOMIR

 (Hidrogeologia, Rev. Asoc. Hidrogeolog. din Rom., Vol. 5, Nr. 1, Pag 41-49, 2003)

 Abstract

 Cuvinte cheie

 Introducere

 Cadrul general

 Descrierea aparaturii şi a metodei

 Identificarea limitelor geologice

 Identificarea fracturilor

 Investigarea filtrelor şi coloanelor

 Concluzii

 Bibliografie

 

Abstract

The caliper tool is providing a continuos log of the well diameter, both in the open hole and casings. Apart of diameter of borehole, the volume is calculated and printed in the same time with caliper log. Other applications of caliper log consist in identification of hard and soft formations, location of cracks, fractures, caves, investigation of casings, and corrections of other logs affected by borehole diameter. The caliper is an unsophisticated tool, usually having 3 or 4 arms, the more arms the more accurate the measurement. The tool is calibrated, allowing the display of log in linear metric or imperial units. The caliper is a useful first log to determine the borehole condition before running more costly probes or those containing radioactive sources. The information presented in this paper is collected in Libya, where in the last years a big hydrogeological project had been developed. The name of this project is Great Man Made River, and includes a few perimeters spread all around the country. Thousands of wells will be pumped to deliver water on the Mediterranean coast, through a very complicated system of different diameter pipes. Due to the mechanical differences between hard and soft formations, when the rock bit is drilling them, they respond in different ways. The soft formations, like claystones or marls are making rather big caves, while hard formations, like sandstones, are steady, keeping a good geometry of borehole. In this way is quite facile to identify their limits on the caliper log. In hydrogeology, when the borehole is drilled in hard, steady formations, like usually quartzite sandstones are, the afflux of water is made mainly through fractures and cracks (secondary porosity). These fractures are evident on the caliper log, in the open hole identifying the places from where the water is coming and giving hints to where to install the screens, if required. The caliper log should be easily used to identify the integrity of casings and screen liners, to tell if they are bent or broken and like collar casing locator, in the same time caliper tool checking the bottom of the well, to find if there is any undesirable sediment. So, although the caliper log seems to be a rather banal geophysical method, there are situations when the information provided are unique and really important.

Cuvinte cheie

Acvifer, aerlift, bentonită, carotaj electric, cavernă, coloană filtrantă, diagrafie geofizică, electro-conductivitate, locator de mufe, pietriş mărgăritar, porozitate, PS, reper geofizic, rezistivitate, şiul coloanei, tubaj.

Introducere

Problemele care pot apărea la interpretarea diagrafiei geofizice, executată pentru forajele de apă, sunt soluţionate, de obicei, de interpretatori autorizaţi, care se află la distanţă faţă de sondă, furnizând răspunsurile, în cel mai bun caz la câteva zile de la înregistrarea curbelor. În această situaţie apare ca evidentă necesitatea furnizării unor răspunsuri imediate, de către hidrogeologul de sondă care trebuie, pe cât posibil, să aibă şi cunoştinţe de geofizică. În această idee, acest articol îşi propune să furnizeze câteva indicii de interpretare a unei curbe foarte simple, cavernometria, atât hidrogeologului cât şi geofizicianului, operator sau interpretator.

Mai mult decât atât, cavernometria este o măsurătoare simplă şi nu neapărat foarte scumpă, în contextul general al măsurătorilor de geofizică de sondă. În şantier, este bine ca hidrogeologul sau inginerul de foraj să ceară înregistrarea diagrafiilor de care are nevoie şi să nu lase la latitudinea societăţii de geofizică înregistrarea, pentru investigarea forajului hidrogeologic, a unor curbe elaborate şi scumpe, când de cele mai multe ori o cavernometrie însoţită de un electric şi un PS pot furniza informaţii preţioase.

În cazul câmpurilor mari de foraje se poate proceda la înregistrarea diagrafiei geofizice complexe pentru forajele de explorare sau pentru alte câteva foraje judicios alese sau răspândite uniform în cadrul perimetrului, pentru toate celelalte foraje putându-se executa doar măsurători de cavernometrie, în felul acesta realizându-se economii materiale şi de timp importante.

Cadrul general

Datele utilizate la elaborarea acestei lucrări provin în întregime din observaţii şi măsurători efectuate în puţuri din Libia, dar ele se pot extrapola şi la alte perimetre care au condiţii asemănătoare, din Libia, România sau alte ţări. De aceea vom arunca o scurtă privire asupra cadrului general de desfăşurare al lucrărilor.

În ultimii ani, în Libia, s-a desfăşurat un proiect hidrogeologic fără precedent, prin executare a mii de foraje, în general în inima Saharei, din care se pompează deja, sau se vor pompa în viitorul apropiat cantităţi impresionante de apă, printr-un sistem complicat de conducte către localităţile de pe coasta Mării Mediterane şi către alte localităţi ale ţării.

Proiectul poartă numele de "Great Man Made River", pe scurt GMR şi are mai multe perimetre răspândite de-a lungul şi de-a latul ţării. Unul din perimetre, asupra căruia vom face referiri în acest articol, este numit "East Jabal Hashouna" şi este situat undeva în mijlocul Libiei, la cca. 200km nord de localitatea Sabha. Perimetrul este vast, cu mult peste 10 mii de kilometri pătraţi şi are în jur de 310 puţuri săpate la 4-600m, din care se va pompa cu cca. 60-80 l/s pentru fiecare. Acviferul care face obiectul exploatării este cantonat în gresii cambrian-ordoviciene (formaţiunea de Hashouna), având nivelul hidrostatic pe la 100-150 de metri de la sol şi electro-conductivitatea apei destul de mare între 1.5 şi 2.5 mS/cm (mineralizaţia totală între 900 şi 1500mg/l).

Gresiile cambrian-ordoviciene au o porozitate primară, situată undeva în jurul valorii de 20%, dar pe lângă aceasta se individualizează şi o porozitate secundară, generată de fracturi şi falii, mai ales aceasta din urmă fiind responsabilă de circulaţia apei în cadrul acviferului.

Gresiile sunt totdeauna cuarţoase, curate, consolidate, fără intercalaţii argiloase, alcătuind o stivă destul de omogenă, fără contraste de proprietăţi fizice. Formaţiunea acviferă are în acoperiş depozite cretacice, formate în principal din gresii cuarţoase, marne, argile şi calcare şi repauzează peste fundamentul precambrian, constituit din granite.

Construcţia generală a găurii de sondă prevede săparea şi echiparea puţului în două etape distincte. Mai întâi, pentru primii aproximativ 250m se sapă cu diametru mare, 24 inch, această secţiune echipându-se cu o coloană specială, de 16 inch, făcută dintr-un material plastic anume, armat cu fibră de sticlă şi numit GRP (Glass Reinforced Plastic), care are rolul de a izola formaţiunea neproductivă şi de a constitui casa pompei submersibile, atât în timpul testării hidrogeologice cât şi în timpul exploatării. Desigur, coloana de GRP se cimentează.

Apoi, sub şiul coloanei de 16 inch (GRP) se deschide orizontul productiv, până la adâncimea de 4-600m, săpându-se cu sape cu role de 14 3/4 sau 12 1/4 inch, de obicei până la interceptarea fundamentului granitic, sau dacă testele hidrologice sunt bune chiar mai sus. Aceasta este secţiunea productivă a puţului şi în cele mai multe cazuri, datorită faptului că gresiile în care este săpată sunt consolidate şi stabile, nu se tubează.

Totuşi au fost situaţii, în aproximativ 15% din puţuri, când au avut loc colapsuri sau prăbuşiri în secţiune productivă, devenind necesară introducerea unei coloane filtrante de tip Johnson de 8 5/8 inch, confecţionată din oţel inoxidabil. În alte situaţii, foarte puţine, când fundamentul granitic a fost prea sus, în jur de 350m, şi gaura avea probleme de stabilitate, s-a renunţat la filtrele Johnson, realizându-se coloana filtrantă prin practicarea de orificii şi fante direct în corpul coloanei de plastic de 16 inch (GRP). Această din urmă metodă aminteşte de o practică curentă în România, când coloana filtrantă se realizează prin şliţuirea burlanelor de PVC.

Descrierea aparaturii şi a metodei

Cavernometrul (sau caliper după cum este denumit în literatura anglo-ameri-cană), este un instrument folosit în practica geofizicii de sondă pentru măsurarea diametrului în foraje, atât pe gaură liberă cât şi în tubaje. Cunoscând diametrul, cu aparatura modernă, care este complet digitală, se calculează imediat volumul găurii, care apare pe acelaşi grafic, sincron, cu diagrama de cavernometrie. Importanţa calculării volumului găurii de sondă apare ca evidentă în activitatea de foraj, mai ales la calculul volumelor de materiale care de obicei se introduc în spaţiul inelar dintre burlane sau filtre şi gaura liberă (ciment, pietriş mărgăritar, bentonită, etc).

Diagrama de cavernometrie se mai foloseşte la diferenţierea formaţiunilor mai tari faţă de cele moi, la localizarea fisurilor, fracturilor, cavernelor, la inspectarea coloanelor oarbe sau filtrante, ca locator de mufe sau pentru identificarea eventualelor spărturi şi deformări ale acestor coloane, de asemenea folosindu-se la calcule de compensare pentru alte măsurători geofizice care pot fi influenţate de diametrul găurii de sondă (rezistivitate, porozitate, densitate, etc). Câteva din aceste aplicaţii vor fi detaliate şi în această lucrare.

Cavernometrul este un instrument relativ simplu, putând avea un număr variabil de braţe, în funcţie de necesităţile pentru care este proiectat. Foarte uzual este cavernometrul cu trei braţe, care se mişcă împreună, în funcţie de variaţiile de diametru ale puţului. Mişcarea braţelor este transmisă unui potenţiometru din interiorul electrodei, care transformă diferenţele de diametru identificate de braţe în diferenţe de potenţial, prelucrate de un microprocesor şi transmise computerului de la suprafaţă. Instrumentul se calibrează, citirile de diametru putându-se realiza în inch sau milimetri. De asemenea închiderea şi deschiderea braţelor se acţionează de la suprafaţă, permiţând lansarea electrodei la talpă cu braţele închise, deschiderea acestora pentru înregistrare şi realizarea de repetări.

În afară de cavernometrul cu trei braţe se mai foloseşte şi acela cu patru braţe, care este un instrument care are practic două cavernometre în aceeaşi electrodă, având două perechi ortogonale de braţe, cele două braţe ale fiecărei perechi mişcându-se împreună, dar fiecare pereche de braţe, notate de obicei perechea X şi perechea Y se mişcă independent una faţă de alta şi acţionează doi potenţiometri diferiţi, în acest fel putându-se pune în evidenţă excentricitatea găurii de sondă.

Cavernometria este întotdeauna prima operaţie în suita de măsurători geofizice, pentru a controla integritatea şi diametrul forajului înainte de a lansa instrumente mai complicate şi mai scumpe sau electrode care au ataşate surse radioactive. Înregistrarea propriu-zisă se face totdeauna de jos în sus, altfel este greu de presupus că electroda se duce la talpă cu braţele deschise, putându-se înţepeni în orice moment.

Identificarea limitelor geologice

În anumite situaţii, stiva de roci, datorită diferenţelor de tărie şi competenţă, se cavernează în mod diferit în momentul penetrării ei de către sapa de foraj. Dacă pachetele de roci, cu proprietăţi diferite aparţin orizonturilor stratigrafice diferite, limitele acestora se pot pune în evidenţă numai cu ajutorul cavernometriei. Acest fapt este ilustrat în Figura 1, unde într-o suită de trei foraje, dispuse linear, la 1.5km unul de altul, formaţiunile cretacice alcătuite din marne şi argile moi sunt evident cavernate pe când gresiile cuarţoase cambrian-ordoviciene, aparţinând Formaţiunii de Hashouna şi care cantonează acviferul productiv, fiind mai tari, nu se cavernează, diagrama de cavernometrie, pentru acestea, apărând aproape rectilinie, situându-se în jurul valorii de 24 inch, care de altfel este diametrul sapei.

Limita geologică este situată în jur de 162m şi din moment ce Cretacicul poate cantona acvifere locale, cu ape sărate, ce pot contamina acviferul productiv, se va izola prin tubare. Este de remarcat structura quasi-orizontală din această zonă, limita geologică situându-se la aceeaşi adâncime în cele trei puţuri (F 278, F 279, F 280), deşi între ele sunt 1.5km. Sensibilitatea curbei de cavernometrie a fost aleasă între 10 şi 40 inch, iar curbele au fost înregistrate cu cavernometrul de 3 braţe, dar cu instrumente diferite, de aceea în F 278 dechiderea maximă a braţelor este de aproape 40 inch pe când în F 280 este de doar 35 inch.

Astfel de aluri particulare ale anumitor curbe, funcţionează ca repere geofizice inconfundabile şi foarte uşor de observat, odată ce a fost identificată semnificaţia acestora. Astfel de repere geofizice sunt frecvent întâlnite şi pe diagrafii realizate în România, pe curbele de rezistivitate de data aceasta, folosite la identificarea anumitor strate de cărbune, atât în Valea Jiului cât şi în Bazinul Olteniei.

Realizarea Figurii1, ca şi a celorlalte două care însoţesc acest articol, a avut la bază datele înregistrate la sondă cu echipament şi software de tip Robertson Geologging. Această firmă de echipament geofizic de sondă, proiectat pentru substanţe solide sau hidro, se găseşte în Marea Britanie. Softul în care se lucrează pe teren este numit PCL2 (Personal Computer Logging), şi deşi operează sub DOS, în felul acesta nefiind foarte prietenos, este un soft puternic, care permite o serie întreagă de facilităţi la înregistrare şi la prelucrarea primară a datelor.

Identificarea fracturilor

Pentru exemplificarea celor ce vor fi enunţate în acest paragraf se vor face referiri la Figura2, care a fost realizată prin suprapunerea a două curbe de cavernometrie, înregistrate în acelaşi foraj (F 358), cu cavernometrul cu 4 braţe, prima înregistrare fiind făcută după aerlift şi cea de-a doua după testarea realizată cu pompa submersibilă. De fiecare dată s-a calculat şi volumul, care apare, de asemenea pe diagramă. Desigur, fiind vorba de cavernometrul cu 4 braţe, fiecare pereche de braţe este notată X şi Y, deci practic pe diagramă, în afară de curbele de volum care sunt distincte, apar 4 curbe, cumva suprapuse, două (caverno X şi Y) înregistrate, după cum am mai spus, după aerfilt şi celelalte două, după pompa submersibilă. În acest foraj, ca şi în multe altele din perimetrul considerat, secţiunea productivă a puţului, săpată în gresii cuarţoase consolidate, nu se tubează şi nu se echipează cu filtre.

S-a preferat această prezentare grafică, prin suprapunerea celor două cavernometrii şi nu prin alăturarea lor, de exemplu, pentru a pune în evidenţă micile diferenţe care apar şi care sunt determinate de trasee diferite pe care le iau braţele cavernometrului pe pereţii găurii sau de modificări generate în timpul pompării. Cele două perechi de braţe ale cavernometrului urmează trasee care nu se suprapun ceea ce arată că gaura este excentrică, secţiunea orizontală fiind elipsoidală. De asemenea, zonele cuprinse în interiorul diagramei, au intensităţi de culoare diferite, după cum cele două perechi de braţe, la prima şi la a doua înregistrare au urmat acelaşi traseu, sau perechea X a urmat traseul perechii Y şi invers, sau traseele au fost complet diferite.

Zonele de fractură se individualizează în jurul adâncimilor de 270, 342, 362 şi 413m. La partea superioară a diagramei, între 257 şi 259m, se observă o zonă rectilinie, în jurul valorii de 16 inch, (la porţiunea inferioară a coloanei de GRP, încă vizibilă la adâncimea de 260m) cu aspect pseudo-cavernos. Afluxul de apă în foraj se face cu precădere prin zonele de fractură, după cum au arătat testele hidrogeologice de pompare şi după cum s-a pus în evidenţă şi prin măsurători geofizice realizate cu flow-metrul (instrument capabil să detecteze curgerea de apă în foraje).

Trebuie subliniat faptul că datorită omogenităţii litologice a stivei de gresii cuarţoase în zona productivă, celelalte măsurători geofizice, dar mai ales rezistivitatea, porozitatea dar şi gamma natural nu relevă prea multe aspecte concrete, în acest fel cavernometria devenind curba de bază pentru informaţii legate de hidrogeologie. Astfel, pentru puţurile în care a fost necesară instalarea filtrelor, poziţionarea acestora s-a făcut mai ales ţinând cont de zonele de fractură identificate pe curba de cavernometrie.

Cele două curbe de volum, care pornesc de la zero la talpă şi cresc progresiv până în jurul valorii de 30m3, deşi pornesc împreună, până la urmă ajung să aibă o mică diferenţă de 0.3m3, generată de modificările induse în timpul pompării cu pompa submersibilă, care deşi cel puţin teoretic nu ar mai trebui să scoată nisip, în practică cantităţile de nisip evacuate sau care cad la talpă sunt notabile, determinând în acest fel şi creşterea de volum menţionată.

Trebuie spus că realizarea Figurii 2 a fost posibilă cu un software specific pentru interpretări şi prezentări de măsurători geofizice numit WellCAD, un soft versatil şi foarte puternic, cu extrem de multe facilităţi, care acceptă importul de date din PCL2 sau alte aplicaţii, ca fişiere ASCII şi care desigur operează sub Windows. WellCAD-ul se poate copia de pe Internet, dar din păcate, pentru a lucra are nevoie de un dongle (o protecţie pentru soft care se ataşează la portul paralel, care se livrează de către proiectant, contra cost). Desigur, există şi versiunea Demo, dar care nu permite salvarea şi printarea diagrafiilor.

Investigarea filtrelor şi coloanelor

Pentru investigarea filtrelor şi coloanelor în forajul hidrogeologic, cele mai sigure şi moderne metode sunt cele optice, de tipul televiziunii în foraje (CCTv - Close Circuit Television). Dar aceste metode sunt scumpe, aparatura este delicată şi nu la îndemâna oricui. În aceasă situaţie cele mai facile metode de invesigare a coloanelor oarbe sau filtrante rămân măsurătorile de cavernometrie. În Figura 3 sunt reliefate două exemple de cavernometrie în filtre.

În partea stângă a figurii este prezentată o cavernometrie realizată în coloană de GRP de 16 inch, unde pe lângă burlane oarbe, care apar netede pe diagramă, sunt şi filtre obţinute prin perforarea materialului plastic ce alcătuieşte coloana. Acestea apar pe diagramă zimţuite, ca nişte dinţi de ferăstrău. Fiecare bucată de GRP, oarbă sau filtrantă are în jur de 5 metri lungime, între ele fiind perfect vizibile mufele (308.8, 314.3, 320.0, 325.7m etc). Pentru ca toate aceste detalii să fie vizibile pe diagramă, atât scara verticală dar mai ales sensibilitatea (scara orizontală), trebuiesc mult amplificate. Această cavernometrie a fost realizată cu cavernometrul de 3 braţe, în puţul 171.

Spre deosebire de aceasta, în puţul 359, (partea dreaptă a Fig. 3), s-a realizat o cavernometrie de 4 braţe, (caverno X şi Y), în filtre Johnson de 8 5/8 inch, manufacturate din oţel inoxidabil. Se observă că cele două perechi de braţe ale cavernometrului de 4 braţe, calcă pe aceeaşi urmă, cu toată sensibilitatea mărită, (5-10 inch), cum este şi normal, coloana filtrantă fiind circulară, în felul acesta orice ovalizare accidentală putând fi pusă în evidenţă. Şi pe această diagramă se observă cum cavernometrul a funcţionat ca locator de mufe (de obicei mufele coloanelor fiind puse în evidenţă prin carotaj magnetic), acestea apărând clar la 306.4, 324.4, 330.4m etc. Între 312.0 şi 319.0m este un burlan orb, al cărui diametru este puţin mai mare (0.5 inch), decât al tuturor celorlalte bucăţi, care apar în figură şi care sunt filtre. De fiecare dată în spatele coloanei filtrante se introduce pietriş mărgăritar, iar la partea superioară aceasta se cimentează.

În acelaşi timp cu investigarea coloanelor, la acelaşi marş se face şi un control de talpă pentru a fi identificate eventuale cantităţi de sediment care ar putea proveni din timpul pompării şi care ar putea obtura partea inferioară a coloanelor filtrante. Dacă sedimentul apare, situaţie de altfel frecvent întâlnită, el trebuie îndepărtat prin introducerea garnituirii de foraj pentru aerlift.

Concluzii

După cum s-a putut vedea din toată această expunere, deşi la o primă vedere cavernometria poate părea o metodă banală, la marginea metodelor geofizice, ea se dovedeşte totuşi extrem de utilă în multe situaţii în forajul hidrogeologic. Datorită diferenţelor de tărie ale stivelor de roci, sub acţiunea sapei de foraj, diferite pachete de roci se pot caverna în mod diferit, iar dacă ele aparţin orizonturilor stratigrafice diferite, limitele acestora se pot pune foarte uşor în evidenţă cu ajutorul cavernometriei, mai mult decât atât, se pot stabili repere geofizice pe diagramă, cu ajutorul cărora limitele geologice se pot pune uşor în evidenţă şi în forajele ulterioare, ştiindu-se exact cum să se întocmească programul de tubare şi cimentare.

Identificarea fracturilor şi a fisurilor este o altă aplicaţie directă a cavernometriei, iar când pe aceste fracturi are loc afluxul de apă în foraj, punerea lor în evidenţă este cu atât mai importantă, atât atunci când gaura rămâne liberă, cât şi atunci când se echipează cu filtre, desigur filtrele fiind, cu precădere, amplasate în dreptul fracturilor.

Cavernometrul se mai foloseşte cu succes şi la investigarea coloanelor de orice fel atât oarbe, cât şi filtrante, punâdu-se în evidenţă eventuale imperfecţiuni ale acestora, totodată putând fi folosit şi ca locator de mufe.

Deci cavernometria îşi are rolul său distinct în cadrul măsurătorilor geofizice, furnizând informaţii preţioase pentru forajul hidrogeologic, este o metodă ieftină şi nesofisticată, fiind înregistrată separat, dacă este cazul sau la inaugurarea sesiunii de măsurători geofizice, fiind interpretată de sine stătător, sau contribuind, prin calcule de compensare, la interpretarea altor curbe.

 

Bibliografie

  1. Robertson Geologging Ltd. - PCL2 Software. Operating Manual - 1996
  2. Schlumberger - Log Interpretation Principles - 1991
  3. WellCad - Advanced Loging Technology. User's guide - 1996