СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДОЖИДКИХ СРЕД Российский патент 1994 года по МПК G01V1/40 G01V1/00 

Изобретение относится к сейсмическим методам поиска и разведки нефтяных и газовых месторождений по комплексу волн различных типов, в частности для изучения стратиграфических, литологических и петрофизических характеристик горных пород трехкомпонентными наблюдениями при вертикальном профилировании скважины (ЗК-ВСП).

Известен способ волнового излучения реологических свойств жидких сред, в частности определения значений модулей упругости и коэффициентов динамической вязкости [1]. Он основан на акустическом прозвучивании жидких сред и заключается в возбуждении продольных волн и регистрации колебательных процессов, связанных с их прохождением в жидкости, датчиками давления. Путем обработки амплитуд вычисляются коэффициенты поглощения затухающих колебаний с использованием известных скорости прохождения продольной волны и плотности жидкости, из которых затем определяют суммарные значения коэффициентов объемной и сдвиговой вязкости, а также модуль объемной упругости.

Недостатком данного способа является то, что на основе упрощенной модели Навье-Стокса получают только суммарные характеристики реологических параметров, тогда как для нахождения коэффициента объемной вязкости требуется дополнительное определение коэффициента сдвиговой вязкости жидкости вискозиметрическим методом. В связи с этим данный способ не может быть применен для определения вязкоупругих параметров твердой среды.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения реологических свойств твердожидких сред, основанный на возбуждении сейсмических волн наземными источниками при вертикальном сейсмическом профилировании скважины с регистрацией проходящих волн трехкомпонентными взаимно ортогональными приемниками смещений или напряжений, включающий обработку кинематических характеристик волнового поля для определения модулей λ, μ (коэффициентов Ламе) и других параметров упругости горных пород в околоскважинном пространстве [1].

Недостатком указанного способа является то, что на основе использования упрощенной модели идеальной упругости, неадекватной процессам динамического деформирования горных пород, когда только качественно используются динамические характеристики сейсмических волн, невозможно определить изменения реологических свойств горных пород по глубине скважины.

Целью изобретения является повышение достоверности информации о физико-механическом состоянии среды и расширение диапазона измеряемых параметров путем раздельного определения коэффициентов объемной и сдвиговой динамической вязкости горных пород в условиях их естественного залегания.

Цель достигается тем, что в околоскважинном пространстве формируют плоскую продольную волну, посредством приемников смещения или напряжения регистрируют динамические характеристики проходящих сейсмических волн, при этом один из приемников ориентируют по нормали к плоскому фронту продольной волны, затем с учетом полученных кинематических характеристик проходящих продольных и поперечных волн производят цифровую обработку и интерпретацию динамических характеристик продольных волн, для чего вначале производят выделение из зарегистрированных в скважине компонентов проходящей продольной волны монотипных временных сигналов путем поточечного вычитания из осевой составляющей (Z-компоненты) тангенциальной составляющей (X,Y-компоненты) смещений или напряжений с весовым множителем, учитывающим действие ствола скважины, после чего по прогнозируемым зависимостям последовательно производят количественные оценки интегральных динамических параметров монотипных временных сигналов для каждой точки приема и выделенной составляющей плоской продольной волны вдоль ствола скважины, затем по известным аналитическим зависимостям производится пересчет интегральных динамических параметров монотипных временных сигналов и кинематических характеристик в дифференциальные (пластовые) с последующим определением таких физико-механических параметров горных пород, как упругие модули (λ,μ), коэффициенты динамической вязкости (λ*,η), а также параметры поглощения продольной волны - парные коэффициенты и декременты поглощения, добротности для каждой точки приема вдоль ствола скважины.

Способ реализуется на основе реологической модели, объединяющей для изотермического случая деформирования физико-механические свойства упругости и вязкого течения твердожидкой среды. При этом двойственный характер деформирования состоит в том, что при действии равноосных напряжений жидкоподобная составляющая модели отвечает реологическим свойствам пористотекучего элемента среды, состояние которого описывается уравнением для объемных деформаций, удовлетворяющим телу Кельвина-Фойгта, тогда как при действии одноосного напряжения жесткоподобная составляющая модели идентична реологическим свойствам трещиновато-хрупкого элемента среды, состояние которого описывается уравнением для простого сдвига, удовлетворяющим телу Максвелла. Комбинированная модель деформирования вязкоупругой среды задается уравнениями, которые для прямоугольной системы координат (Х₁, Х₂, Х₃) характеризуют напряженно-деформированное состояние: σ₁ > σ₂=> σ σ₁₂ = σ₂₃ = σ₃₁ = 0; ε₁≠ 0; ε₂=ε₃ = 0, где σ_1,2,3 - нормальные напряжения; ε_1,2,3 - линейные деформации, образуемые в указанной среде плоской продольной волной, и в операторной записи имеют вид
σ₁= +λ^* + ; (1)
σ_2,3= +λ^*, (2) где λ=λ(x₁),μ=μ(x₁) - упругие модули сжатия и сдвига;
λ^*=λ^*(x₁),η=η(x₁) - коэффициента объемной и сдвиговой вязкости соответственно. Из уравнений состояния (1,2) с учетом уравнения движения = ρ , где ρ= ρ(x₁) - плотность, находятся уравнения для бегущей в направлении оси ОХ₁ плоской продольной волны смещений: U₁= V + U₁; (3) + λ^* + λ U_2,3 = 0, (4) где U_1,2,3 - смещения; V_p = V_p(x₁) = - локальная скорость продольной волны; ω_o= · - круговая частота собственных колебаний; α = - сдвиговый коэффициент затухания; β = - объемный коэффициент затухания.

В рамках корректной постановки нестационарной смешанной задачи на излучение при неоднородных начальных и однородных граничных условиях импедансного типа, удовлетворяющихся при Х₁ > 0 на плоском фронте прямой волны, а также при выполнении условия излучения на бесконечности методом Фурье находятся решения уравнений (3, 4):
( где А_о}C const;
ω=(ω_o²-α²)^1/2 - круговая частота затухающих колебаний;
β_o = ;
B_o = - амплитуды;
ϕ_o = - arctg - начальная фаза;
k_p= k_p(x₁) = - локальное волновое число;.

k_λ = k_λ(x₁) = - коэффициент поглощения;
V_λ = V_λ(x₁) =
i - мнимая единица.

Учитывая затем вид решений (5, 6), где параметры временно-зависимого множителя U_1,2,3(t) постоянны, а параметры пространственно-зависимого сомножителя U_1,2,3(X₁) непрерывно изменяются в зависимости от Х₁, представим раздельно соответствующие функции Грина (импульсную характеристику) с переменными (t_o - t) и (Х₀ - Х₁), где t_o > t > 0, X₀ > X₁ > 0, в виде
(7)
(8)
Согласно заданным условиям распространение плоской продольной волны в сплошной вертикально-неоднородной среде сопровождается таким напряженно-деформированным состоянием последней, короче вполне однозначно характеризуется уравнениями (3, 4. Но наличие в указанной среде цилиндрической скважины, являющейся концентратором напряжений и деформаций, ось которой нормально ориентирована по отношению к плоскому фронту проходящей продольной волны, а также особенности технических условий приема колебаний в скважине требуют переформулировки решений (7, 8) для осесимметричной системы координат (Z, r, ϕ) и соответствующих условий приема. Указанная задача для рассматриваемого случая напряженно-деформированного состояния среды при наличии в ней скважины имеет строгое решение, согласно которому можно положить для осевой (продольной) составляющей U_z = , тангенциальной (поперечной) составляющей U_ϕ = 2 и радиальной составляющей U_r = 0, если наблюдения осуществляются в произвольной точке z > 0 вдоль ствола скважины.

Однако прохождение физическим сигналом приемников и регистрирующей аппаратуры, а также фильтрующие свойства многослойной вязкоупругой толщи горных пород, которые пересекает скважина, приводят к регулярным искажениям динамических характеристик сигнала, что возможно прогнозировать на основе теории линейной фильтрации, например, выбрав обобщенную импульсную характеристику искажающей системы в виде
S(t) = t^Pe^-ht sin(n_ot), (9) где S(t) = 0 при |t| > T:T - ограниченный временной интервал изменения S(t);
h - коэффициент затухания;
n_o - круговая частота колебаний системы;
p ≥ 0.

В результате на выходе регистрирующего устройства при выполнении требований взаимной ортогональности приема требуемых составляющих колебаний для произвольной точки z > 0 по глубине скважины имеем

где А = А(h,β ,t); B=B(h, α,n_o, ω,t) - амплитудные множители;
ϕ_o^I - начальная фаза.

Из выражения (10) следует, что временной сигнал U_z(t), формируемый проходящей волной во внутренних точках вязкоупругой твердой среды и регистрируемый на осевой составляющей в скважине, представляет собой наложение двух затухающих колебательных процессов U'(t) и U''(t), совпадающих между собой по форме, но различающихся по амплитуде, временному сдвигу, полярности, частоте и коэффициентам затухания. В то же время сигнал U_ϕ(t), регистрируемый в той же точке скважины на тангенциальной составляющей согласно выражению (11), характеризуется только одним затухающим колебательным процессом 2U''(t). Отсюда становится возможным выделение монотипных временных сигналов U'(t) и U''(t) для каждой точки приема путем поточечного вычитания из зарегистрированных осевой составляющей (Z-компоненты), тангенциальной составляющей (Х, Y-компоненты) смещений с весовым множителем согласно формуле U′(t) = U_z(t) - U_ϕ(t) , тогда как U″(t) = U_ϕ(t) .

После выделения монотипных временных сигналов U'(t) и U''(t), динамические параметры которых соответственно определяются реологическими свойствами пористо-текучего и трещиновато-хрупкого элементов среды, заполняющей околоскважинное пространство, по прогнозируемым зависимостям на основе теории комплексного сигнала и метода наименьших квадратов производят количественные оценки интегральных динамических параметров α,β_o,ω,ω_oиβ и монолитных временных сигналов для каждой точки приема и выделенной составляющей U^I(t), U^II(t) плоской продольной волны вдоль ствола скважины одновременно.

Полученные сейсмограммы 3К-ВСП для проходящих продольных и поперечных (обменных) волн подвергают цифровой обработке и интерпретации по кинематическим характеристикам с определением интервальных значений V_р,s, которые при известных плотностях ρ могут быть пересчитаны в пластовые значения модулей упругости (коэффициентов Ламе): λ= ρ(V_p²-2V_s²),μ=ρV_s², где V_p,s - скорости продольной и поперечной волн определяются известными приемами по данным многоволновых скважинных наблюдений, а значения плотности ρ привлекаются из промыслово-геофизических данных (ГГК-П). Затем по известным (10, 11) аналитическим зависимостям производят пересчет интегральных динамических параметров монотипных временных сигналов в дифференциальные (пластовые), из которых с учетом определенных ранее значений λ,μ вычисляются эффективные значения коэффициентов динамической вязкости по формулам λ^*= ; η = . Одновременно для фиксированной частоты в пределах ограниченной частотной полосы ≅ ω_o для гармонических компонент продольной волны из тех же данных (но без привлечения амплитуд) определяются для каждой точки приема интервальные коэффициенты поглощения: () = , () = декременты поглощения U′() = , U″() = и добротности Q′ = , Q″ = . .

Способ реализуется следующим образом. В изучаемую скважину с помощью лебедки на многожильном трос-кабеле опускают многокомпонентное приемное устройство, состоящее из специально ориентированных датчиков смещений или напряжений, прижимаемых к стенке скважины в точке наблюдения.

С помощью наземных источников возбуждений формируют плоские продольные волны, которые принимаются скважинным устройством и регистрируются на магнитном носителе.

В качестве приемников используются стандартные сейсмоприемники, обеспечивающие неискаженную запись динамических и кинематических характеристик сейсмических волн в скважине.

В качестве иллюстрации на фигурах представлен пример выделения монотипных временных сигналов из интерференционного процесса после цифровой обработки сейсмозаписей проходящей продольной волны, зарегистрированных в одной из точек, ориентированными в пространстве и прижатыми к стенке скважины сейсмоприемниками смещений, когда продольная плоская волна возбуждалась в вязкоупругой твердожидкой среде (суглинок) взрывами детонаторов. В том числе на фиг. 1 представлена экспериментальная запись U_z(t) для осевой составляющей (Z-компонента); на фиг.2 - аналогичная запись U_ϕ(t) для тангенциальной составляющей (Х, Y-компонента) нормальных смещений. Результаты выделения монотипных временных сигналов U′^, ′′(t) из интерференционного процесса U_z(t) приводятся на фиг.3,4.

После цифровой обработки сейсмозаписей и интерпретации кинематических и динамических параметров монотипных временных сигналов получены следующие величины: V_p = 450 м/с; V_s = 245 м/c; ρ = 1,8x10³кг/м³; λ+2μ = 3,64 ^. 10⁸ Па; μ = 1,08x10⁸; n_o = 2 π 103 р.с^-1; n_o + ω = 2 π ^. 112 с^-1; р = 2; h + β_o = 778 с^-1; h + α = 1058 с^-1; ω = =2π 9р с^-1; α-β_o= 280 с^-1; = = 1,42; α =947 с^-1; β_o = 667 с^-1; ω = 2 πx151 р.с^-1; β = 1349 с^-1; λ* = 2,7 10⁵ Па с; η = 5,7 10⁴ Па с; h = 498 с^-1. При = 2 π 9р.с^-1 имеем α′() = 8,9 10^-2м^-1; α″() = 12,5x10^-2 м^-1; v'(()) = 0,05; v''(()) = 0,04; Q' = 0,7; Q ''= 0,5. Из полученных данных следует, что для глинистых пород наиболее представительными можно считать такие реологические свойства твердожидкой среды, как эффективные значения коэффициентов динамической вязкости.

Учитывая значительную дифференциацию газонефтяных пластов по реологическим свойствам, способ позволяет по динамическим характеристикам проходящих сейсмических волн устанавливать флюидонасыщенность пористо-трещиноватых пластов, вскрытых разведочной скважиной, а также получать достоверную информацию о физико-механическом состоянии горных пород в околоскважинном пространстве.

Использование: в сейсмических методах поиска и разведки нефтяных и газовых месторождений по комплексу волн различных типов, в частности при изучении стратиграфических, литологических и петрофизических характеристик горных пород трехкомпонентными наблюдениями при вертикальном сейсмическом профилировании скважины. Сущность изобретения: в околоскважинном пространстве формируют плоскую продольную волну. Посредством приемников смещения или напряжения регистрируют динамические характеристики проходящих сейсмических волн, при этом одни из приемников ориентируют по нормали к плоскому фронту продольной волны. Затем с учетом полученных кинематических характеристик проходящих продольных и поперечных волн производят цифровую обработку и интерпретацию динамических характеристик продольных волн. Для этого вначале производят выделение из зарегистрированных в скважине компонентов проходящей продольной волны монотипных временных сигналов путем поточечного вычитания из осевой составляющей Z-компоненты тангенциальной составляющей X, Y-компоненты смещений или напряжений. После этого производят пересчет интегральных динамических параметров монотипных временных сигналов и кинематических характеристик в дифференциальные (пластовые) с последующим определение упругих модулей (λ,μ) , коэффициентов динамической вязкости (λ^*,η), а также параметров поглощения продольной волны для каждой точки приема вдоль ствола скважины. 4 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДОЖИДКИХ СРЕД, основанный на возбуждении сейсмических волн наземными источниками, вертикальном сейсмическом профилировании скважины с регистрацией проходящих волн техкомпонентными взаимно ортогональными приемниками смещений или напряжений и обработке кинематических характеристик волнового поля, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности информации о физико-механическом состоянии среды и расширения диапазона измеряемых параметров путем раздельного определения коэффициентов объемной и сдвиговой динамической вязкости горных пород в условиях их естественного залегания, в околоскважинном пространстве формируют плоскую продольную волну, дополнительно регистрируют динамические характеристики проходящих сейсмических волн, при этом один из приемников ориентируют по нормали к плоскому фронту продольной волны, затем с учетом полученных кинематических характеристик проходящих продольных и поперечных волн вначале производят выделение из зарегистрированных в скважине компонентов проходящей продольной волны монотипных временных сигналов поточечным вычитанием из осевой составляющей Z-компоненты тангенциальной составляющей X, Y-компоненты смещений или напряжений, после чего по прогнозируемым зависимостям производят количественные оценки интегральных динамических параметров монотипных временных сигналов для каждой точки приема и выделенной составляющей плоской продольной волны вдоль ствола скважины, затем производят пересчет интегральных динамических параметров монотипных временных сигналов и кинематических характеристик в дифференциальные с последующим определением упругих модулей λ , μ коэффициентов динамической вязкости λ^* , η а также параметров поглощения продольной волны для каждой точки приема вдоль ствола скважины.