Акустические методы исследования скважин Дзюбло Александр Дмитриевич, д. г. -м. н. , проф.
Физические основы акустических методов Акустические методы исследования скважин основаны на изучении полей упругих колебаний в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот, возникающих в результате воздействия на окружающую скважину среду с помощью специального излучателя либо при взаимодействии породообразующего инструмента (долота) с горной породой, либо при циркуляции жидкости и газа через перфорационные каналы или в затрубном пространстве колонны. Так же, как и электрические и радиоактивные методы, акустические методы (АМ) подразделяются на активные и пассивные.
При реализации пассивных методов акустических исследований скважин источником упругих колебаний являются работающее долото и бурильная колонна (при роторном бурении), взаимодействующая со стенкой скважины, поступающие из пласта в скважину газ или газоводяная смесь, циркулирующие в заколонном пространстве флюиды. При изменении упругих колебаний (шумов) с помощью широкополосного приемника в местах притока флюида или затрубной циркуляции наблюдается увеличение амплитуд колебаний в определённом частотном диапазоне. Это позволяет осуществлять литологическое расчленение пород, а также контролировать текущее положение забоя скважины, определять степень износа долота и др.
Скважинный прибор пассивного акустического метода (шумомер) содержит, кроме усилителя, приемник упругих колебаний. Скважинный прибор активного акустического метода, кроме приемника, содержит излучатель упругих колебаний. Регистрируемые колебания имеют более высокие амплитуды по сравнению с пассивной акустикой (шумометрией). В зависимости от мощности, развиваемой излучателем упругих колебаний, выделяют методы искусственных акустических полей большой и малой мощности.
АМ большой мощности позволяет изучать не только акустические характеристики породы, но и возникающие изменения других её свойств – теплопроводности, электропроводности и др. В этом случае принято говорить о нелинейной геофизике. Метод акустических полей малой мощности основан на возбуждении упругих колебаний в скважине и последующей регистрации параметров различных типов волн в системе скважина-пласт. Наиболее информативными параметрами являются время вступления упругой волны, интервальное время, скорость распространения волны, амплитуда и затухание волны.
В зависимости от вида измеряемого параметра говорят об акустическом методе по скорости или затуханию. Применяемые акустические зонды, в зависимости от числа излучателей (источников) и приемников, разделённых акустическими изоляторами, называются одно-, двух-, трёх-, четырёх- и многоэлементными. Информативными параметрами в акустическом методе являются интервальное время ΔТ и коэффициент поглощения энергии упругой волны α.
Схема двухэлементного зонда Акустические зонды: а – двухэлементный; б – трёхэлементный; и траектории прямой гидроволны (Р 0), отражённой волны (Р 0 Р 0), в – четырёхэлементный. головной продольной (Р 0 Р 1 Р 0) и поперечной (Р 0 S 1 Р 0) волн: I – скважина, II – пласт.
Кроме перечисленных волн, на стенке скважины формируются поверхностные волны Рэлея, Стоунли, Лэмба. В зависимости от используемого при АМ типа волны, можно говорить об акустических исследованиях по прямой гидроволне, по отражённым волнам, по преломлённым (или головным) и по поверхностным волнам. Наиболее просто в скважинах регистрируются головные (преломлённые) продольные волны. При достаточной длине зонда они первыми достигают приемника.
Волновые картины в плотных (а) и трещинных (б) породах
Важным преимуществом акустического метода является возможность определения пористости пород, как первичной, так и вторичной – каверновой и трещинной, а также упругих констант горных пород. Данные акустических исследований скважин также играют большую роль при решении вопросов изучения детального строения геологических разрезов в условиях ограниченного бурения.
Образование и распространение продольных и поперечных волн в горных породах Геологическую среду можно рассматривать как непрерывную совокупность частиц, входящих в состав горных пород. Воздействие какой-либо внешней силы на некоторый объём среды приводит к смещению её частиц. Последние приобретают скорость, воздействуют на соседние частицы среды, деформируют её, создают в ней напряжение. Процесс передачи энергии от одних частиц другим, последовательное смещение частиц во времени и пространстве является распространением волны. После прекращения воздействия частицы могут либо вернуться в своё первоначальное положение под действием сил сцепления, либо остаться в новом положении из-за разрушения или уплотнения частиц. Этот процесс называется деформацией.
Деформации делятся на неупругие (необратимые разрушение и уплотнение среды) и упругие (необратимые нарушения не произошли). Акустические волны передают упругие деформации, и поэтому эти волны называются упругими. Упругие деформации разделяются на деформации растяжения или сжатия и деформации сдвига, изменяющие форму без изменения объёма. Среда, в которой нет перехода механической энергии колебаний в тепловую, называется идеально упругой.
Упругие деформации растяжения (а) и сдвига (б)
Механизмы развития упругих деформаций растяжения или сдвига тесно связаны с процессом распространения акустических волн двух типов – продольных и поперечных. Продольная волна распространяется в виде деформаций расширения и сжатия, а поперечная волна – в виде сдвиговых деформаций. Смещение частиц среды в продольной волне происходит по направлению её распространения, а поперечной – в плоскостях, ортогональных к направлению распространения волны. Поверхность, разделяющая область, в которой смещения равны нулю, от области, в которой смещаются частицы среды, называется фронтом волны.
Информационно-измерительные системы акустического метода и решаемые задачи Структура информационно-измерительной системы (ИИС), используемой при акустических исследованиях скважин, включает зонд, подсоединяемый через кабель к наземному регистрирующему устройству. На практике используют несколько модификаций зондов АМ, различающихся количеством излучателей и приемников, а также их взаимным расположением. Для исключения влияния прямого излучения между источником и приемником устанавливают акустические изоляторы. Указанная структура ИИС характерна для активной модификации акустического метода. Зондовый состав ИИС пассивной модификации АМ содержит только приемник упругих колебаний.
Длина зонда является параметром, управляющим волновой картиной, регистрируемой приемником зонда. Выбирая соответствующим образом размер зонда (с учётом диаметра скважины, плотности ПЖ и горной породы), можно исключить или минимизировать интерференцию волн различного типа и тем самым упростить интерпретацию волнового пакета. Установлено, что при длине зонда, превышающей 3 м, можно регистрировать головную волну, параметры которой определяются неизменённой породой.
Схемы двухэлементного (а) и трёхэлементного (б) зондов и траектории прихода монотипной головной волны к приемникам П 1 и. П 2
Особенности структуры информационноизмерительных систем для акустических исследований скважин Особенности структуры акустических ИИС связаны, с одной стороны, с измеряемыми или определяемыми кинематическими и динамическими параметрами упругих волн, а с другой – с решаемыми задачами. При реализации акустического метода основным регистрируемым кинематическим параметром является интервальное время продольных и поперечных волн и динамические параметры – коэффициенты поглощения волн указанного типа и волн Лэмба, а также фазокорреляционные диаграммы (ФКД) и волновые картины (ВК).
Что касается особенностей структуры акустических ИИС, обусловленными решаемыми задачами, то можно назвать такие задачи, как: Ø контроль технического состояния скважин; Ø контроль качества цементирования скважин; Ø состояние цементного камня; Ø акустическая кавернометрия и др.
Кинематические и динамические параметры подвержены влиянию ряда факторов, таких как: Ø вариации диаметра скважины; Ø несоосности скважины; акустического зонда и оси Ø слоистости исследуемого геологического разреза; Ø особенностей литологического строения пластов; Ø типа пустотного пространства и т. д. исследуемой
Более помехоустойчивой и высокоинформативной является модификация акустического метода, основанная на регистрации фазокорреляционных диаграмм, представляющих визуализацию осей синфазности блока волновых картин. При регистрации интервального времени Δt одновременно регистрируют абсолютные значения времён t 1 t 2 прихода упругой волны от излучателя упругих колебаний к первому и второму приемникам. Повторяемость формы кривых используется для контроля качества диаграмм АМ, а также позволяет выявлять припуски циклов, возникающих при разгазировании бурового раствора.
Изучение разреза скважины по данным кавернометрии, акустического метода и потенциалов самопроизвольной поляризации
Известны различные способы регистрации фазокорреляционных диаграмм, например способ модуляции интенсивности (яркости) луча электроннолучевой трубки (ЭЛТ) осциллографа амплитудой положительных полупериодов регистрируемого волнового пакета. Другой способ регистрации ФКД заключается в фиксации каждой второй точки перехода квазисинусоидального акустического сигнала через нулевое значение амплитуды, т. е. один раз за видимый период акустического сигнала.
В некоторых информационно-измерительных системах акустического метода предусмотрена регистрация полной волновой картины и факорреляционных диаграмм. В случае регистрации волновой картины с экрана ЭЛТ регистрируется полная волновая картина каждого канала скважинного прибора, марка синхронизирующего импульса и марки времени через каждые 100 мкс, которые позволяют масштабировать оси времён регистрируемых волновых картин.
Блок-схема регистрации фазокорреляционных диаграмм (а) и форма сигналов (б)
Блок-схема трёхэлементной аппаратуры акустического метода
В цифровых информационно-измерительных системах акустического метода скважинная аппаратура снабжена аналоговым цифровым преобразователем (АЦП). В таких приборах информационные сигналы с приемников поступают в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и передаются из него на поверхность помехозащищённым цифровым кодом в промежутках между циклами. Важная роль в ИИС акустического метода исследования скважин принадлежит излучателям и приемникам упругих колебаний. Излучатели преобразуют электрическую энергию в энергию механических колебаний, а приемники – наоборот, трансформируют энергию упругих колебаний в электрическую. В скважинной аппаратуре используют преимущественно магнитострикционные преобразователи (излучатели), реже – пьезокерамические. В качестве приемников колебаний применяют в основном пьезокерамические, реже – менее чувствительные магнитострикционные.
Магнитострикционный эффект заключается в изменении формы и размеров тела при его намагничивании. Магнитострикционные излучатели генерируют акустические колебания в диапазоне частот 3 -60 к. Гц. Для возбуждения более низкочастотных колебаний необходимо увеличивать размер излучателей, а в более высокочастотном диапазоне возрастает интенсивность токов Фуко, приводящая к снижению эксплуатационных характеристик излучателя. Магнитострикционный эффект зависит от температуры окружающей среды. С ростом температуры он убывает сначала плавно, а после достижения точки Кюри – очень резко.
Преимуществом магнитострикционных излучателей является относительная простота изготовления, прочность, возможность получения высокой удельной мощности. К недостатку можно отнести ограничения по верхнему и нижнему диапазону генерируемых рабочих частот.
В качестве приемников в приборах акустического метода используют пьезокерамические преобразователи. Пьезокерамический эффект заключается в том, что если некоторые кристаллы, например, кварца, турмалина и др. подвергать сжимающим или растягивающим усилиям, то на их гранях формируются электрические заряды. Пьезокерамические приемники чаще всего имеют вид полых цилиндров, дисков или сфер, на внутренней и внешней поверхности которых закреплены электроды. Для защиты приемников от волн-помех в скважинных приборах применяют акустические изоляторы.
Методика акустических исследований скважин Акустические исследования проводят в скважинах, заполненных промывочной жидкостью, которая обеспечивает акустический контакт приемников и излучателей с окружающей скважину средой. Присутствие пузырьков газа в ПЖ приводит к затуханию акустического сигнала, проявляющемуся в уменьшении амплитуды регистрируемых волн. При этом амплитуда волны, приходящая к наиболее удалённому приемнику, может оказаться ниже порога срабатывания измерительной схемы. В этом случае произойдёт регистрация одной из других фаз волнового пакета. Этот эффект известен как проскальзывание цикла.
Важным этапом проведения акустических исследований является выбор параметров ИИС и, в частности, параметров её скважинного прибора. Выбор размера зонда и его базы определяется критерием оптимальности условий выделения информативных волн – монотипных или обменных. Для скважин диаметром 0, 2 -0, 3 м, вскрывающих разрезы, для которых скорость продольной волны превышает 3 км/с, оптимальная длина зонда должна быть не менее 0, 8 м. В отечественных приборах АМ размер зонда составляет 1, 0 -4, 0 м. Оптимальный размер зонда зависит от решаемой задачи и наличия или отсутствия обсадной колонны.
Длина базы зонда у приборов отечественного производства составляет 0, 4 или 0, 5 м. Увеличение базы зонда нецелесообразно, поскольку произойдёт ухудшение вертикальной разрешающей способности метода, а уменьшение приведёт к увеличению погрешности определения интервального времени и коэффициента затухания. Таким образом, с одной стороны в приборах АМ желательно использовать более длинные зонды, однако из-за рассеяния энергии излучателя и уменьшения амплитуды регистрируемого сигнала необходимо увеличивать мощность излучателя, что по техническим причинам не всегда целесообразно.
Выбор преобладающей частоты генерируемых излучателем колебаний определяется решаемой задачей и техническими условиями, например, минимальным диаметром исследуемой скважины. Высокие частоты увеличивают разрешающую способность метода, повышают точность измерений за счёт роста крутизны сигнала (уменьшения видимого периода колебаний), но снижают глубинность метода. Уменьшение рабочей частоты излучателя до 5 -10 к. Гц приводит к росту глубинности АМ, снижению влияния заполняющей скважину ПЖ. С учётом всего этого при исследовании необсаженных скважин и изучения качества цементирования применяют излучатели с рабочей частотой 25 к. Гц, а в обсаженных – более низкочастотные.
Как правило, регистрируют изменение с глубиной таких параметров, как: Ø время вступления волн; Ø интервальное время (разность времён вступления волн на базе зонда); Ø амплитуды разнотипных волн; Ø отношение амплитуд; Ø поглощение волн; Ø полные волновые картины (ВК); Ø фазокорреляционные диаграммы (ФКД).
Определение параметров по данным акустического метода в значительной степени зависит, как и для других методов ГИС, от точности определения границ пласта. Точкой записи у двухэлементного акустического зонда является середина между излучателем и приемником, а трёхэлементного – середина базы (расстояния между одноимёнными элементами). На диаграммах акустического метода пласты характеризуются аномалиями, симметричными относительно середины пласта.
Задачи, решаемые по данным акустического каротажа Ø Выделение коллекторов. Ø Оценка пористости (совместно с чувствительным к изменению пористости). Ø Определение типа вторичной пористости. пустотного методом пространства, ГИС, особенно Ø Определение характера насыщенности. Ø Изучение качества цементирования обсадных колонн. Ø Контроль технического состояния обсадных колонн в процессе эксплуатации. Ø Кавернометрия и профилеметрия скважин.
Обобщённые критерии выделения карбонатных коллекторов с различным типом пустотного пространства: I – плотная монолитная порода; II – коллектор с межзерновой пористостью; III – низкопористый трещинный коллектор; IV – межзерново-трещинный коллектор; V – межзерновокавернозный коллектор; VI – межзерново-кавернознотрещинный коллектор; VII – размытый глинистый пласт; VIII – переслаивание известняков и глин.
Контроль качества цементирования по данным акустического метода: I – АК; II – АКЦ; III – интервалы перфорации; IV – контакт цемента: 1 – хороший; 2 – плохой с породой; 3 – неоднозначный; 4, 5 – плохой с колонной.
Sonic Scanner – 3 Д акустический сканнер 1. 2. 3. 4. 5. P&S – продольные и поперечные волны: Привязка сейсмики, AVO Выделение Анизотропных интервалов: Ориентация максимального горизонтального стресса; Направление распространения трещин ГРП Естественная трещиноватость, ориентация; Заканчивание скважин; Выделение неоднородных интервалов: Кальматация околоскважинной зоны Глубина зоны изменения Трещины бурения Волны Стоунли : Проницаемость Анализ трещиноватости Моделирование механических свойст Устойчивость скважины Планирование ГРП – построение модели роста трещин ГПР Пластовое давление
Sonic Scanner – 3 Д акустический Анализ глубины поврежденной зоны сканнер Анализ анизотропии
FMI - пластовый электрический Разрешающая способность: 5 мм микроимиджер FMI 4 Лапы - 8 Башмаков 192 Элекстрода 192 кривые электрического сопротивления имидж
Применение FMI · Структурный анализ Определение структурных углов падения и азимутов простирания Выявление структурных несогласий, тектонических нарушений и их классификация · Седиментологический анализ Определение направления палеотечений · Сложнопостроенные коллектора Количественная оценка трещиноватости (положение трещин в пространстве, плотность, раскрытость, пористость) Количественная оценка вторичной пористости · Фациальный анализ Определение истинной эффективной толщины в условиях тонкослоистого разреза · Геометрия ствола скважины Определение направления стрессов
FMI - Структурный анализ (Struc. View)
FMI - Седиментационный Анализ (Sedi. View) Определение и классификация элементов залегания пластов дает возможность судить об условиях осадконакопления Sedimentary dip Unconformable Bed boundary 10 cm
FMI - Анализ трещиноватости (месторождение Тимано-Печорского бассейна) Трещиноватость по имиджу Плотность трещин Проводящие трещины по имиджу
FMI - Определение и классификация трещин Морфология Происхождение естественных трещин Открытые Естественные – угол от 60° до 90° Полигональные (Хаотичные трещины) Механические: Гидравлические Вызванные стрессом Частично залеченные Залеченные Трещины растворения
XPT/MDT – замер пластовых давлений Проницаемость по данным CMR (ямк) Подвижность флюида по КПД/КВД Успешный выбор точек для исследований MDT до данным проницаемости прибора CMR (ЯМК)
MDT – гидродинамические исследования анизотропия проницаемости: kv/kh Измерения могут проводиться одновременно с отбором флюида ! Две наиболее оптимальные компановки МДТ для исследования проницаемости и вертикальной анизотропии проницаемости
MDT – отбор проб пластового флюида для анализа PVT
MDT – точечная оценка характера насыщения пласта оптическими анализаторами
USIT – прибор ультразвукового исследования качества цементирования колонн. ФКД Внеш. радиус Индекс цемента Сварные швы Хороший цемент Перфорация • Качество сцепления цементколонна по периметру колонны. • Определение зон плохой цементации; • Определение каналов пустот в цементном камне, по которым возможны заколонные перетоки
Isolation Scanner – оценка легких цементов Затухание волны изгиба Акустический импеданс 53 2/14/2018 SLB
Isolation Scanner - Определение фазового состояния материала в заколонном пространстве Isolation Scanner* (Карта цемента SLG) Два независимых измерения (акустический импеданс и затухание волны изгиба) наносятся на диаграмму для определения фазового состояния материала в заколонном пространстве в одной из 3 -х зон SLG. 54 2/14/2018 SLB
Isolation Scanner Channel Профильный разрез колонны Амплитуда Центрация прибора, ЛМ, ГК Глубина, АО 55 2/14/2018 SLB Внутренний радиус Толщина колонны Сцепление цементного камня с колонной по акустическому импедансу в % Интерпретация качества цемента Карта цемента SLG Акустический импеданс цементного камня
Скачать презентацию Акустические методы исследования скважин Дзюбло Александр Дмитриевич д
Лекция по акустике.pptx