В.Ф. Козяр, Д. В. Белоконь, Н.В. Козяр, Н.А. Смирнов
НПЦ "Тверьгеофизика", ВНПФ "ГеоГЕРС"
АКУСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИНАХ - СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
(Обзор отечественных и зарубежных источников информации)
| СОДЕРЖАНИЕ |
| Введение |
| 1. Упругие волны, распространяющиеся в скважине и околоскважинном пространстве. Информативные волны |
| 2. Скважинные приборы акустического каротажа |
| 2.1. Приборы массового применения для исследований открытых скважин |
| 2.2. Скважинные приборы для регистрации полных волновых пакетов |
| 2.3. Скважинные приборы акустической цементометрии |
| 2.4. Основные конструктивные элементы измерительных зондов |
| 2.5. Передача первичных данных из скважинных приборов в компьютеризированные цифровые каротажные лаборатории |
| 2.6. Поверка и калибровка приборов АК |
| 3. Решение геологических задач |
| 3.1. Литологическое расчленение пород |
| 3.2. Определение пористости пород с использованием измеренных значений Dtp |
| 3.3. Определение пористости пород с использованием интервального времени Dts поперечной волны |
| 3.4. Оценка трещиноватости и напряженного состояния пород по данным дипольного зонда |
| 3.5. Выделение проницаемых, в том числе трещиноватых, пород по параметрам волны Стоунли |
| 3.6. Оценка характера и коэффициентов насыщенности коллекторов |
| 4. Решение инженерных задач в обсаженных скважинах |
| 4.1. Определение характеристик пород для расчета параметров гидроразрывов пластов |
| 4.2. Выделение интервалов напряженного состояния пород и потенциальных участков разрушения обсадных колонн |
| 5. Оценка качества цементирования обсадных колонн |
| 6. Другие виды акустических измерений и воздействий на горные породы в нефтегазовых скважинах |
| 6.1. Акустическая шумометрия |
| 6.2. Акустическое воздействие на продуктивные пласты (интенсификация дебитов) |
| 6.3. Локация подземных выработок и кавернометрия |
| 6.4. Межскважинное прозвучивание |
| 7. Заключение |
| 8. Литература |
После появления на рубеже 60-70-х годов серийных отечественных приборов акустического каротажа (АК) объемы применения метода в стране быстро стабилизировались и составили в конце 80-х годов 8-10% от общего объема ГИС [33]. В условиях применения аналоговой измерительной техники и ручной обработки данных для решения разнообразных задач использовались преимущественно характеристики продольной (Р) головной волны. Эта волна фиксируется в первых вступлениях регистрируемых сигналов АК и не искажена интерференцией с другими, более медленными волнами Значения ее скорости v распространения (интервального времени Dt = 1/ v), амплитуд А и эффективного затухания а широко применялись для расчленения разрезов скважин, определения коэффициентов Кп пористости пород с межзерновыми порами и выделения на этой основе гранулярных коллекторов, оценки качества цементирования обсадных колонн.
На уровне лабораторных и опытных скважинных работ в те годы изучались возможности применения для решения геолого-технических задач характеристик других, помимо продольной, типов волн поперечной S, Лэмба L, Стоунли St, отраженных и т.д. Объемы таких исследований в России ограничивались единицами, в лучшем случае десятками скважин в год. За рубежом комплексное применение характеристик Р, S, L, St волн стало обычным явлением с начала 80-х годов [131], с момента широкого применения цифровой техники при производстве ГИС. В те же годы начались исследования по изучению горных пород методом АК через обсадную колонну [115, 58, 56, 29].
В 80-х годах ведущие зарубежные фирмы применили высокочастотные приборы (сканеры) для детального изучения строения стенок скважин и обсадных колонн. В открытых скважинах первоочередными задачами стало расчленение тонкочередующихся пород и идентификация трещинно-каверновых коллекторов в уплотненных и заглинизированных разрезах В обсаженных скважинах их преимущество заключается в детальной оценке технического состояния обсадной колонны и цементного камня, в том числе в выделении в цементе вертикальных каналов и интервалов газонасыщенного (вспученного) цемента Появились акустические шумомеры для определения интервалов поступления пластовых флюидов в скважину и их затрубных перетоков. Многочисленные опытные образцы таких приборов, а иногда и серийные приборы (например, акустический "телевизор" [САТ-1], индикатор шума [АКШ]) появились в те же годы в СССР. Несмотря на положительные результаты исследований, эти приборы не нашли массового применения вследствие изъянов, присущих аналоговым системам измерений, и невостребованности производством в условиях заранее запланированных схем эксплуатации, выбраковки и ликвидации скважин.
Состояние разработок и применения отечественных приборов АК изменилось в 90-е годы после появления в России доступной цифровой вычислительной техники. Несмотря на обвальное сокращение финансирования НИОКР, объемов бурения и ГИС, почти одновременно были испытаны несколько типов приборов АК с антеннами приёмников для исследований разрезов открытых и обсаженных скважин [9, 52, 61], акустической цементометрии [42, 53] и АК-сканеров [68]. Схемотехнические решения этих приборов близки к уровню зарубежных образцов. Ещё более многочисленны попытки модернизации приборов предыдущего поколения (АКВ-1, АКШ, АК-4, МАК-5, АК-П и др.) с целью цифровой регистрации полных волновых сигналов. Попытки базировались на оснащении приборов телеметрическими системами, позволяющими изменять режимы работы измерительных зондов, и оцифровке сигналов АК на дневной поверхности с помощью управляющей ЭВМ.
С развитием технических средств АК постоянно увеличивалось количество геологических и технических задач, решаемых в открытых и обсаженных скважинах, и качество самих решений. При изучении геологических разрезов - это литологическое расчленение и расчет упругих (прочностных) свойств пород, локализация трещинных зон, трещин гидроразрывов и интервалов напряжённого состояния пород, определение коэффициентов межзерновой и вторичной (трещинно-каверновой) пористости коллекторов и характера их насыщенности, выделение проницаемых интервалов в чистых и глинистых породах, расчет синтетических сейсмограмм и интеграция данных АК с наземными и скважинными сейсмическими данными. Технические задачи в обсаженных скважинах включают в себя выявление нарушений обсадных колонн (порывов, смятий, коррозии), оценку заполнения затрубного пространства цементом и степени его сцепления с колонной и породами, обнаружение в цементном камне вертикальных каналов и зон вспученного (газонасыщенного) цемента, определение интервалов поступления в скважину пластовых флюидов и их заколонных перетоков, интенсификацию дебитов.
В аналоговой технике для решения далеко не всех перечисленных задач предназначались отдельные приборы АК, например, приборы для исследований открытых скважин (СПАК, АКШ, АКВ, АК-4 и др.) и для оценки качества цементирования обсадных колонн (АКЦ, МАК-2;3 и др.). Для приборов массового применения такое разделение функций сохранилось и с переходом на цифровую технику. Теперь это связано с нежеланием использовать универсальные, более сложные и дорогие приборы для решения простых задач или со специфичной конструкцией отдельных приборов, например, сканера с электронной коммутацией неподвижных преобразователей. Приборы универсального назначения обеспечивают регистрацию полных волновых сигналов, содержащих информацию обо всех типах волн, распространяющихся в данных условиях измерений. С их помощью почти с равным успехом решается большинство перечисленных выше геологических и технических задач. Хотя конструкции большинства таких приборов обеспечивают их работоспособность в составе комбинированных сборок, сложность и высокая цена ограничивают их применение решением задач, не имеющих других вариантов решения в конкретных геолого-технических условиях.
1. УПРУГИЕ ВОЛНЫ, РАСПРОСТРАНЯЮЩИЕСЯ В СКВАЖИНЕ И ОКОЛОСКВАЖИННОМ ПРОСТРАНСТВЕ. ИНФОРМАТИВНЫЕ ВОЛНЫ
Необходимость возврата к обсуждению такой, казалось бы, изученной темы обусловлена неоднозначностью идентификации (расшифровки) той части волнового пакета АК, которая следует буквально после первого колебания поперечной волны. При невозможности полной идентификации этой части пакета все колебания относят к псевдорэлеевским волнам ( рис. 1 ,а). Основание такого решения заключается в том, что скорости поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки скважины и составляющих эту часть волнового пакета, только не намного меньше скорости vs поперечной волны (0,9 vs для волны Рэлея) или стремятся к ней (волна Лява в обсаженной зацементированной скважине). Иногда в пакете "псевдорэлеевских" волн выделяют интервал времени, в котором возможны колебания волны Стоунли [88, 120, 131]. Другие авторы выделяют в этом временном интервале на частотах больше 1 кГц фазу Эйри (Airy phase), скорость которой равна 0,6-0,85 vж[126].
Как было отмечено в [39], поверхностная волна, распространяющаяся вдоль цилиндрической границы, носит множество названий: Лэмба, гидроволны, водной волны, низкоскоростной водной волны, нулевой нормальной волны, Лэмба-Стоунли. В этой же работе было предложено рассматривать эту волну в скважинах большого диаметра (l/rС<1) как (поверхностную) волну Стоунли, условия распространения которой аналогичны плоской границе двух сред, а в скважинах малого диаметра (l/rс>1) - как (нормальную) волну Лэмба, которая распространяется в столбе жидкости, играющем роль волновода. Авторы предлагают именовать эту волну волной Лэмба-Стоунли. Примерно такое же определение волны дается в работе [24], в которой низкочастотная волна поименована волной Лэмба. Отметим лишь, что в первоисточниках, давшим им эти названия, волны Лэмба и Стоунли имеют совершенно разную физическую основу (нормальная и поверхностные волны соответственно), а волна Лэмба охарактеризована как присущая только твердым телам ограниченных размеров (стержень, пластина) со свободными поверхностями.