Акустический каротаж скважин

метки: Скважина, Каротаж, Акустический, Среда, Волна, Упругий, Изменение, Низкопористый

Одно из важнейших направлений геофизических исследований скважин (ГИС) – акустический каротаж (АК).

Значимость акустического каротажа при строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин трудно переоценить. В период становления и развития акустического каротажа (60-80 гг. XX века) существовала некая недооценка его важности, например, в сравнении с сейсмическими исследованиями, имеющие тот же физический базис. Сейсмическим исследованиям в силу их глобальной значимости обеспечен государственный приоритет в развитии и оснащении. Скважинные же акустические исследования оказались «в тени» и долгое время велись без цифровой регистрации и обработки возбуждаемых волновых сигналов. Хотя при этом некоторые задачи, например, такие, как акустический контроль цементирования (АКЦ) обсадных колон нефтеносных и газовых скважин, представляли и представляют исключительную важность. Надлежащее их решение является не только условием успешной добычи нефти и газа, но и условием обеспечения экологической безопасности территории разрабатываемых нефтяных и газовых месторождений и их окрестностей.

Цель: рассмотреть акустический каротаж как один из методов решения задач геологии и геофизики.

Задачи: изучить физические основы метода, аппаратуру, способы интерпретации данных и оценить значение для геофизики в целом.

ОБЬЕКТЫ И ЗАДАЧИ АК

Существует ряд значимых задач акустического каротажа, требующих точного решения, например, параметризация данных сейсмических исследований, литологическое расчленение разреза, периодический контроль состояния цемента за колонами при эксплуатации скважин.

Максимальную эффективность добычи нефти и газа, экологическую безопасность разрабатываемых месторождений обеспечивает надежная гидродинамическая изоляция затрубья нефтегазовых скважин, что достигается в первую очередь высоким качеством их цементирования. Эффективность акустических методов для контроля качества цементирования нефтегазовых скважин и состояния цементного камня обоснованна работами Б.И. Крипченко; П.А. Прямова; М.А. Сулейманова, Г.М. Перцева, А.М. Маломожнова, В.Н. Служаева и др. [1]

Разведочным бурением и испытанием мощных низкопористых толщ установлена перспективность разработки месторождений с низкопористыми сложно построенными и трещинными коллекторами. Благодаря трещиноватости, пронизывающей толщи пород, эти месторождения обладают зачастую аномально высокими добычными характеристиками. Пример успешной разработки низкопористых залежей нефти – Уньвинское месторождение, открытое в 1981 году. Выявить низкопористые коллекторы стандартным комплексом геофизических исследований скважин затруднительно. Южной опытно-методической партии (г. Душанбе), выполненных в 80-х годах XX века, установлена возможность выделения сложнопостроенных коллекторов и изучения их строения методами акустического широкополосного каротажа (АКШ), акустического телевизора, каротажа по полной энергии волнового сигнала. Но реализовать потенциал этих методов возможно только применением цифровой регистрации и обработки волновых сигналов акустического каротажа и данных акустического телевизора. [1]

Геофизические методы исследования горизонтальных скважин Федоровского ...

... скважин, добыто свыше 430 млн. тонн нефти и более 50 млрд. м3 газа. Из 10 скважин получено по 1 млн. и более тонн сырья. И все-таки падение уровня добычи – удел всех месторождений, ... ГИС в горизонтальной части ствола скважины и ее скорейшего внедрения в практику работ на Федоровском месторождении является давно назревшей и актуальной проблемой. Настоящий дипломный проект составлен с использованием ...

Владение программными средствами обработки волновых сигналов (ВС) позволило реализовать современные технологии выявления низкопористых трещенных и сложнопостроенных коллекторов, контроля качества и глубины щелевой гидропескоструйной перфорации и другие.

Свободное управление характеристиками программно-управляемых регистраторов ВС, использование возможности разработанных программных средств позволили создать новые виды акустических исследований, например, как глубинное акустическое зондирование подскважинного и околоскважинного пространства, реализовать межскваженное прозвучивание и др.

Одним из ведущих методов изучения разрезов скважин является акустический метод, основанный на измерении параметров упругого волнового поля в скважине на малых фиксированных базах (0,1-10 м) в звуковом (0,5-20 кГц) и ультрозвуковом (25 кГц-2 мГц) диапозонах частот.[2] Метод предназначее для непосредственного изучения акустических параметров волнового поля горных пород, пересеченных скважинами, а так же для изучения характеристик акустических сигналов, связанными с различными неоднородностями, возникающими в затрубном пространстве скважин. Акустичкские параметры горных пород функционально связанны с их физико-механическими свойствами, пористостью, структурными особенностями и характером насышения.

Метод акустического каротажа в настоящее время широко используется в различных областях геофизических исследований — сейсмической разведке, разведочной и промысловой геофизике, инженерных изысканиях.

Сущность акустического каротажа сводится к возбуждению в скважине упругих колебаний, которые распространяются по горным породам и принимаются одним или более приемниками, расположенными в той же скважине. Зная расстояние между приемниками (базу), по времени прихода первых вступлений определяют скорость распространения упругих колебаний. Конструктивно излучатель и приемники объединены в одном скважинном снаряде, перемещаемом по скважине. Обычно упругие колебания звукового или ультразвукового диапазона частот возбуждаются в виде импульсов конечной длительности, частота следования которых связана со скоростью перемещения снаряда. Суммируя данные о скоростях в отдельных точках, получают скоростной разрез вдоль всей скважины.

В настоящее время помимо кинематических параметров упругих волн, возбужденных в скважине, изучается и динамика их. По типу регистрируемых параметров и основным целям и назначению можно выделить три основные модификации акустического каротажа:

Геофизические исследования скважин

... каротажа и методы скважинной геофизики. Каротаж предназначен для изучения пород непосредственно примыкающих к стволу скважины ... скважин комплексом физических характеристик, таких, как удельное электрическое сопротивление, радиоактивность, теплопроводность изучаемых сред, скорость распространения упругих волн ... оси скважины. Заключается в исследовании разрезов скважин набором зондов разного размера. По ...

• а) непрерывный, или точечный, АК для детального изучения скоростных характеристик пород, вскрытых скважинами;

• б) АК по затуханию упругих волн для определения поглощения, зон трещиноватости и т. п.;
• в) АК цементного кольца для контроля технического состояния скважин. Более подробно особенности каждой из этих модификаций будут рассмотрены ниже.

Буровая скважина с помещенным в нее акустическим зондом, с неоднородными стенками и буровым раствором является более сложной системой, чем те идеализированные модели, для которых исследованы решения волновых уравнений. Помимо этого, излучаемый импульс при акустическом каротаже обычно имеет сложный спектральный состав. Волновой фронт импульса в непосредственной близости от излучающего элемента также не является ни плоским, ни сферическим. Все это вместе взятое значительно усложняет задачу теоретического рассмотрения волновых процессов в скважине.

Однако для правильной интерпретации данных АК, оценки его возможностей и в особенности для конструктивных расчетов акустических зондов полезно привести некоторые сведения из теории распространения упругих волн, пусть даже в идеализированных системах, указав, в чем состоит эта идеализация.

На рис. 1 схематично изображены три типа излучателей: цилиндрический, плоский (могут быть магнитострикционными, индукционными или пьезокерамическими) и точечный (например, электрогидравлический).

Два первых излучателя (а и б) могут

Рис. 1. Схематическое изображение трех типов излучателей.

а — цилиндрический, б — плоский, в — точечный.

1 — излучатели (стрелками показано направление излучения); 2 — цилиндрическая оболочка, заполненная жидкостью;3— буровой раствор; 4 — стенки скважин; 5 — электрические проводники; р-с. — волновое сопротивление среды.

не иметь защитной цилиндрической оболочки 2, т. е. будут соприкасаться излучающей поверхностью непосредственно с жидкостью, заполняющей скважину. В системах, изображенных на рис. 1, излучающей поверхностью является оболочка 2, возбуждаемая цилиндром (а) или плоским излучателем (б), эквивалентным сектору цилиндра, или точечным излучателем (в).

При акустическом каротаже обычно применяются частоты

10—75 кГц, длины волн соответственно составляют 15—2 см при возбуждении в воде (буровом растворе), заполняющей скважину. Отношение преобладающих длин волн к периметру скважины может меняться от 0,01 до 0,5.[1]

Для выяснения физической сущности метода акустического каротажа рассмотрим в общих чертах особенности распространения звуковых колебаний сначала без учета влияния защитных оболочек и в безграничной однородной среде.

Воздействие внешних сил на некоторую область упругой среды приводит к смещению частиц и местному изменению объема. В силу действия закона неразрывности возникшая деформация передается соседним частицам, также отклоняющимся от равновесного состояния с некоторым запаздыванием. Изменение объема частиц приводит к изменению плотности и давления в среде.

Обычно в акустике рассматривают малые изменения объема среды, когда относительное изменение плотности может быть принято численно равным относительному изменению объема. Это равенство нарушается в ближней зоне источников возбуждения, однако при достаточном удалении оно выполняется, и, с известной степенью приближения, могут быть применены математический аппарат и выводы линейной акустики.

Датчики давления (3)

... качестве измерительных элементов деформационных манометров и измерительных преобразователей давления, разрежения и перепада давлений ... длина проводника, S — сечение,? — плотность проводника. 2. Жидкостные датчики Принцип действия ... прибора перемещаются пропорционально изменению измеряемого давления, поэтому манометр имеет ... элемента. Под действием давления среды, сообщающийся с внутренней ...

Смещение частиц и связанное с этим изменение давления происходят в определенных направлениях с образованием по принципу Гюйгенса — Френеля фронта волны, все частицы которого имеют синфазное смещение.

В безграничной и идеальной жидкости (т.е все касательные напряжения равны нулю, а движение жидкости рассматривается как адиабатическое) акустическое поле полностью может быть описано уравнениями:

(1.1)

где р — давление сил упругости, называемое акустическим давлением,

скалярная функция, являющаяся потенциалом скорости;

• колебательная скорость;
• ;
• — плотность жидкости;
• К— модуль объемной упругости, имеющий размерность давления.

Уравнение (1.1) с известными и можно преобразовать к одному уравнению, содержащему только одну неизвестную [2]

функцию:

(1.2)

где ; — оператор Лапласа, для декартовой системы координат х, у, z

Акустическое поле, описываемое уравнением (1.2), является безвихревым, так как.

Для реальных жидкостей, обладающих вязкостью и теплопроводностью, волновое уравнение для потенциала скоростей имеетвид [2]:

(1.3)

Где — кинематическая вязкость; ( — динамическая вязкость. Для упругой изотропной и однородной среды уравнение движения может быть получено в векторном виде:

• где — вектор смещения; — относительное изменение объема.

Для декартовой системы координат

Анализ уравнения (1.4) показывает, что оно описывает распространение двух типов колебаний [2]: продольных ср, связанных с объемным расширением в твердой среде, и поперечных св, связанных с вращением, распространяющихся в безграничной упругой изотропной среде со скоростями

=; (1.5)

(1.6)

При рассмотрении деформации растяжения обычно вводят понятие коэффициента растяжения, обратная величина которого называется модулем Юнга (Е),

(1.6)

Отношение продольного сжатия к поперечному растяжению называется коэффициентом Пуассона (),

Из уравнений (1.7) и (1.8) легко получить следующие соотношения:

Рассмотрим решения волновых уравнений для трех случаев распространения упругих волн в пространстве, которые могут наблюдаться при различных конструкциях приемных и излучающих систем при АК:

1. Плоские волны — распределение давления, скорости и плотности зависит только от одной координаты.

2. Сферические волны — распределение давления, скорости и плотности зависит от расстояния до центра источника, а поле упругих волн обладает сферической симметрией.