CC BY
93
УДК 550.34.038
А.К. Троянов, Ю.Г. Астраханцев, Н.И. Начапкин, С.К. Епископосова Институт геофизики УрО РАН, Екатеринбург
СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ГЕОСРЕДЫ
(АКУСТИЧЕСКАЯШУМОМЕТРИЯ) В НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИНАХ
В отличие от известного в отечественной и мировой практике метода скважинной шумометрии при измерении САЭ в скважинах используется трехкомпонентная система ортогонально расположенных датчиков-акселерометров, жестко скрепленных с корпусом скважинного прибора. Эта система датчиков регистрирует микровибрации среды в вертикальном и горизонтальном направлениях. Кроме того, по соотношению сигналов с трех датчиков в разных полосах частот можно получать информацию, выраженную в более чем 20 расчетных параметрах САЭ.
Применительно к задачам, решаемым нефтепромысловой геофизикой, метод дает как дополнительную информацию, подтверждающую результаты интерпретации стандартных методов ГИС, так и новую, например, о движении флюида или газа по не вскрытому перфорацией пласту-коллектору, о характере насыщенности планируемых к перфорации пластов и др.
Внедрение в практику промысловой геофизики трехкомпонентного геоакустического каротажа стало возможным благодаря созданию аппаратурно-программной базы метода. Учитывая современные требования, предъявляемые к геофизическим исследованиям газовых и нефтяных скважин, была разработана специальная цифровая аппаратура с регистрацией и обработкой информации на персональном компьютере. Графическое представление полученной информации возможно с использованием стандартных программ, работающих с LAS - файлами. Обработка результатов измерений сводится к получению двух групп информативных параметров САЭ: измеренных и расчетных. Измеренные параметры - это акустические сигналы с трех датчиков в четырех полосах частоти выраженные в единицах регистрируемых ускорений мм/с2.
Расчетные параметры представляют отношения амплитуд зарегистрированных тремя датчиками сигналов в разных полосах частот.
Сейсмоакустическая эмиссия (акустический шум) в скважине и околоскважинном пространстве зависит от геолого-технических, гидрогеологических и геолого-тектонических процессов. Появление высокочастотного акустического сигнала в толще осадочных пород, как правило, связано с процессами флюидогазодинамики. Из опубликованных данных известно, что при движении потока жидкости через перфорационные отверстия и нарушения в трубах, а также по разрушенному цементному кольцу, кавернозным и трещиноватым средам спектр шума излучается в диапазоне частот 1-2 кГц, а при фильтрации потоков в пористых коллекторах спектр имеет высокочастотные составляющие в диапазоне 2-8 кГц. Исследования зависимости интенсивности акустического шума от величины расхода жидкости через заколонное пространство или дефект в колонне показало, что спектр шумового сигнала от дефекта негерметичности
обсадной колонны имеет резко выраженные максимумы, при этом высокочастотная составляющая акустических сигналов увеличивается с возрастанием расхода жидкости.
Спектры акустических сигналов производимых водой и воздухом, продавливаемыми при различных градиентах давлений в лабораторных условиях через специальные моделирующее устройство, по опубликованным данным с увеличением градиента давления расширяются, а максимумы перемещаются в направлении возрастания частот. В диапазоне 1 кГц спектр указывает на существование потоков с турбулентной характеристикой, поэтому двухфазный поток в этом случае не отличим от однофазного.
Флюиды и газы, насыщающие пласт-коллектор, могут генерировать акустические колебания, когда возникает дегазация флюидов и фильтрационный поток становится неустойчивым, с пульсациями скорости и давления, что соответствует переходу числа Рейнольдса через критическое значение. Число Рейнольдса не имеет универсального значения и может находиться в пределах значений от нескольких десятков до тысяч в зависимости от условий фильтрации и свойств флюида или газа. При числах Рейнольдса, превышающих критические значения, движение быстро приобретает сложный и запутанный характер со все меньшими масштабами турбулентности, возмущения взаимодействуют друг с другом, приводя как к упрощению, так и усложнению движения. Сейчас нет исчерпывающей теории возникновения турбулентности в различных типах течений. Допускаемые уравнениями движения моды возмущений обладают разными масштабами, то есть расстояниями, на которых заметно меняется скорость пульсаций. Чем меньше масштаб движений, тем больше градиенты скорости и тем сильнее они тормозятся вязкостью.
Остановимся на некоторых параметрах турбулентности, которая может встречаться на практике при затрубных перетоках, негерметичности обсадной колонны, в перфорированных интервалах, в пластах с интенсивным газовыделением. По мере возрастания числа Рейнольдса сначала появляются крупномасштабные пульсации, затем их масштаб уменьшается. Крупномасштабные обладают наибольшими амплитудами. Их скорость сравнима с изменениями средней скорости на протяжении основного масштаба турбулентности. Мелкомасштабные пульсации, соответствующие большим частотам имеют значительно меньшие амплитуды.
Рассмотренные выше процессы имеют нестационарный колебательный характер и могут рассматриваться в качестве физической предпосылки большого информационного потенциала акустических шумов для решения соответствующих задач на месторождениях углеводородов.
Измерения геоакустических шумов сопряжены с рядом требований к аппаратуре.Разработанная в Институте геофизики УрО РАН цифровая аппаратура обладает чувствительностью, позволяющей регистрировать акустический отклик геосреды на деформации порядка 10-8 —10-11 м. Регистрация САЭ осадочных пород осуществляется тремя ортогонально расположенными датчиками-акселерометрами типа ДНЗ (преобразователь
пьезоэлектрический виброизмерительный). В скважинном приборе устанавливаются датчики с коэффициентами преобразования по напряжению не менее 6-10мкВ -с2 /мм. Амплитудный уровень САЭ в разных полосах частот представляется в единицах регистрируемого ускорения мм / с2. Запись сигналов с трех направлений стала возможной благодаря слабой поперечной чувствительности датчиков (относительный коэффициент поперечного преобразования не более 4-10 %). Поперечная чувствительность датчика-акселерометра определяется его максимальной чувствительностью к колебаниям в направлении, перпендикулярном его главной оси, т. е. параллельном поверхности, на которой он установлен. Дополнительным благоприятным фактором для разделения сигналов с трех направлений является малая амплитуда микровибраций геосреды. Таким образом, в скважине на заданной глубине фиксируются сигналы с трех направлений, что дает возможность для их сравнения по амплитуде в разных полосах частот.
Информация с приборов поступает на последовательный порт персонального компьютера. Разработаны программы ввода информации и вывода ее на монитор ПК. Информация выводится в 3 окна различного цвета. В первое окно выводятся значения измеренных в данной точке параметров САЭ, во второе окно - средние значения за 10-20 измерений в данной точке. Третье окно используется для индикации движения скважинного прибора от одной до другой точки измерений по стволу скважины. На монитор также выводятся значения естественной радиоактивности и глубина точки записи. Программа позволяет работать с фиксированным шагом измерений, задаваемым оператором, или с использованием датчика глубин.
Информация поступает в оперативную память и после окончания измерений записывается на диск с этикеткой, содержащей номер скважины, исследуемый интервал, шаг измерений, дату проведения исследований и другие данные. После записи на диск производится расчет измеренных параметров с учетом сигнала калибровки и коэффициентов преобразования датчиков. Выходная информация представляется в виде четырех LAS-файлов. Первый файл содержит всю первичную информацию, зарегистрированную ПК. Во второй файл заносятся осредненные за 10-20 измерений параметры X, Y, Z на разных частотах и данные каротажа естественной радиоактивности в точке наблюдений. Расчетные параметры Ml, M2,Nx,Ny,Nz,G\,G2
находятся в третьем файле. Четвертый файл содержит среднеквадратичные отклонения измерений. Графическое представление полученной информации возможно с использованием стандартных программ, работающих с LAS-файлами.
Отличительная особенность измерений САЭ - использование трехкомпонентной системы ортогонально расположенных датчиков-акселерометров, жестко скрепленных с корпусом скважинного прибора. Это позволяет не только регистрировать акустические шумы в горизонтальном и вертикальном направлениях, но и получать по соотношению сигналов с трех
датчиков в разных полосах частот новую дополнительную информацию, выраженную в более чем 20 информативных параметрах.
Шаг измерений в каждом конкретном случае определяется условиями поставленной задачи и варьируется в широких пределах. В продуктивной толще для выделения тонких пропластков его можно уменьшать до 0,5 м. Время записи в точке определяется режимом работы аппаратуры и зависит от времени успокоения скважинного прибора при остановке на заданной глубине. Время успокоения визуально контролируется на персональном компьютере и колеблется в пределах 5-10 с. Общее время нахождения прибора в заданной точке не превышает 1 мин.
Применительно к задачам исследований скважин на месторождениях углеводородов физический смысл использования того или иного информативного параметра САЭ (акустических шумов) и его последующая интерпретация на качественном уровне сводятся к следующему.
1. Наличие амплитудных аномалий в диапазоне частот 100-500 Гц (параметры Н1 и 71) характеризует движение флюида в вертикальном или горизонтальном направлениях, а также динамическую активность осадочной толщи пород.
2. Амплитудные аномалии высокочастотных акустических сигналов (параметры Н2 и 22) отражают наличие и движение газа или флюида с газовым фактором, при этом увеличение сигнала компоненты 2, по сравнению с горизонтальными, свидетельствует о вертикальном движении газа или газожидкостной смеси.
3. Расчетные параметры G=Z/H позволяют в комплексе с другими параметрами акустических сигналов определить интервалы заколонных перетоков газа или газожидкостной смеси.
4. При слабом движении газа или газожидкостной смеси по пласту, когда не наблюдаются интенсивные амплитудные аномалии сигналов с горизонтальных датчиков, применение параметра М=Х^ в разных полосах частот позволяет зафиксировать это движение, если Х^ не равно единице.
5. Превышение величины отношения № = Н2/Н1 (№ = 22/21) уровня 0.8 указывает на наличие нефти за обсадной колонной с газовым фактором от
-5
15 до 50 м /т и более.
Рис. 1. Диаграммы распределения измеренных параметров геоакустических сигналов. I -литологическая характеристика: ПГ - песчаник глинистый, ПЛОТ - плотные породы; 11-характер насыщенности пластов: НГ - нефтегазонасыщенный, Н - нефтенасыщенный
В качестве примера приведем результаты исследования в интервале продуктивного пласта ПК19-20 на Барсуковском нефтяном месторождении скв.3110, куст 43-А. На рис. 1, 2 приведены литологическая характеристика исследуемого интервала (колонка I) и характер насыщенности пластов-коллекторов, определенный по стандартному комплексу ГИС 03.08.90 года.
Рис. 2. Диаграммы расчетных параметров
Как видно из рис. 1, некоторые участки нефтенасыщенных коллекторов за прошедшее время обводнились и по сотоянию на 20.04.97 г. по данным 3 -компонентного геоакустического каротажа отмечаются кривыми с низким слабодифференцированным амплитудным уровнем. Фактически нефтегазонасыщенный интервал выделяется интенсивными аномалиями параметров акустических шумов. Этот интервал ограничен кровлей и подошвой плотных пород, представлен глинистым песчаником и по параметрам метода соответствует движению нефти с газовым фактором. Подтверждением этому являются аномалии № и №, которые также соответствуют нефти с газовым фактором (рис. 2). Графики расчетных параметров G1 и G2 указывает на отсутствие заколонных перетоков, графики М1 и М2 отражают интенсивность движения флюида по отдельным участкам исследуемого интервала пласта.
К настоящему времени данным методом исследовано более 200 скважин, включая 5 горизонтальных на месторождениях Удмуртии, Пермского Прикамья, Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого автономных округов Западной Сибири, Казахстана, Украины, Татарстана, Ставропольского края, Астраханской области и других регионов.
Созданный и используемый в настоящее время аппаратурнопрограммный комплекс с методическим обеспечением исследований позволяет включить трехкомпонентный геоакустический каротаж в состав стандартных методов ГИС.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант 05 - 05 -65177 .
© А.К. Троянов, Ю.Г. Астраханцев, Н.И. Начапкин, С.К. Епископосова, 2007
