Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние методов и аппаратуры виброакустических исследований нефтяных и газовых скважин ...11
1.1. Вибрационная диагностика 11
1.2. Современное состояние виброакустических исследований скважин 14
1.3. Возможности использования виброакустических сигналов для решения технологических и геологических задач бурения 16
1.4. Информационно-измерительные комплексы виброакустических исследований скважин 21
1.4.1. Структурные схемы информационно-измерительных систем для измерения вибросигналов. 22
1.4.2. Аппаратура "мгновенного каротажа" снап-лог. 25
1.4.3. Аппаратура виброакустического каротажа с радиоканалом (авак-рк) 29
1.4.4. Система виброакустического вертикального сейсмического профилирования в процессе бурения (всп пб) 31
1.4.5. Телеметрическая система для исследования вибраций бурильной колонны при электробурении . 36
1.4.6. Телеметрические системы для определения механических свойств горных пород с установкой датчика вибраций над бурильным инструментом 39
1.5. Математические модели образования виброакустических сигналов в процессе взаимодействия бурильного инструмента с разбуриваемой горной породой 42
1.5.1. Генерация виброакустических сигналов в колонне бурильных труб. 43
1.5.2. Временные характеристики виброакустических сигналов при единичном акте вдавливания зубца в породу. 45
1.5.3. Аналитическое исследование математических моделей образования и передачи сигналов вибрации по каналу связи забой-устье. 50
1.6. Выводы 57
Глава 2. Математическая модель прогнозирования твердости горных пород по временным и частотным характеристикам вибросигналов 59
2.1. Математическая модель работы долота как генератора прямоугольных импульсов 59
2.2. Механические свойства горных пород и их влияние на временные и частотные характеристики вибросигналов 63
2.2.1. Экспериментальные исследования влияния твердости горных пород на спектральные характеристики вибросигналов в кернах. 65
2.2.2. Параметр "кажущейся " твердости и его влияние на характеристики виброакустических сигналов. 83
2.3. Упрощенная электродинамическая модель работы бурильного инструмента .90
2.4. Применение математической модели для прогнозирования твердости горных пород впереди забоя бурящейся скважины 95
2.4.1. Математическая модель дляучастка перехода глина-известняк. 96
2.4.2. Математические модели для переходных участков гипотетической скважины 106
2.5. Алгоритм интерпретации данных вибро акустического каротажа в процессе бурения с целью прогнозирования механических свойств горных пород 112
2.6. Выводы 115
Глава 3. Скважинные экспериментальные исследования 117
3.1. Автономный измерительно-вычислительный комплекс с установкой датчиков вибрации на вертлюге 117
3.2. Информационно-измерительная система прогнозирования твердости горных пород 120
3.3. Блок измерения вибросигналов как подсистема станции СГТ-микро 124
3.4. Прогнозирование твердости горных пород в разрезах бурящихся скважин месторождения харьяга 127
3.5. Выводы 140
Заключение 141
Список использованной литературы
- Современное состояние виброакустических исследований скважин
- Телеметрическая система для исследования вибраций бурильной колонны при электробурении
- Механические свойства горных пород и их влияние на временные и частотные характеристики вибросигналов
- Блок измерения вибросигналов как подсистема станции СГТ-микро
Введение к работе
Актуальность темы.
Одним из важных резервов увеличения производительности труда, повышения качества управления технологическим процессом бурения скважин и увеличения эффективности геолого-разведочных работ на нефть и газ является создание и внедрение в практику информационно-измерительных систем (ИИС), функционирующих непосредственно в процессе бурения скважин. Применение подобных ИИС позволяет проводить геолого-технологический контроль бурящихся скважин, в ходе которого производится непрерывное измерение, регистрация и обработка на ЭВМ геофизических и геохимических параметров, а также параметров режимов бурения.
Используемые системы геолого-технологического контроля позволяют решать такие важные геологические задачи, как литологическое расчленение разреза скважин, выделение коллекторов и определение характера их насыщения, прогнозирование зон с аномально высокими пластовыми давлениями и другие. Дополнительно к этим задачам, системы геолого-технологического контроля также должны обеспечивать решение задач оптимизации процесса проводки скважин, предупреждения аварийных ситуаций и осложнений бурения.
В настоящее время отмечается интенсивное развитие систем геолого-технологического контроля по пути разработки и усовершенствования аппаратурного состава, алгоритмов и программ обработки данных на основе использования как традиционных, так и новых источников информации. Большая заслуга в развитии теории и практики систем геолого-технологического контроля принадлежит O.K. Ангелопуло, П.В. Балицкому, Е.Н. Браго, И.Л. Гурееву, В.Н. Дахнову, В.Е. Копылову, О.Л. Кузнецову, А.З. Левицкому, Э.Е. Лукьянову, А.М. Мелик-Шахназарову,
И.Г. Мельникову, А.С. Моисеенко, В.Д. Неретину, Л.И. Орлову, В.Н. Рукавицину, В.В. Стрельченко, Л.В. Чекалину и др. [50, 52, 57].
Одним из новых перспективных методов исследования скважин в процессе бурения, получившим развитие в нашей стране и за рубежом [6, 12, 16, 18, 22, 26, 43, 47, 52, 59, 65, 66, 103] является виброакустический каротаж (ВАК), использующий в качестве источника возбуждения упругих волн виброакустические сигналы, возникающие при взаимодействии породоразрушающего инструмента с разбуриваемой горной породой. Каналом связи "забой-устье" для системы ВАК является сама бурильная колонна, что позволяет осуществлять привязку регистрируемых наземных данных к процессам на забое практически в реальном масштабе времени.
Высокая информативность параметров виброакустических сигналов позволяет использовать их для решения широкого ряда задач технологического и геологического характера:
определение нагрузки на долото и скорости вращения бурильного инструмента;
определение текущих координат долота в процессе бурения;
выделение продуктивных пластов;
- геологическое расчленение разреза бурящейся скважины.
Несмотря на очевидные преимущества метода ВАК, в современных
информационно-измерительных комплексах виброакустического каротажа характеристики вибросигналов в большей степени используются для оценки технологических параметров бурения, и практически не используются для решения задач литологического расчленения разрезов. Однако, в работах [22, 25, 26, 40, 52, 65, 69] представлены результаты исследований, позволяющих утверждать, что временные и спектральные характеристики виброакустических сигналов отражают также влияние механических свойств горных пород, в частности, твердости.
Учитывая, что прогнозирование свойств горных пород впереди забоя бурящейся скважины является одной из важнейших задач геолого-технологического контроля и позволит не только определить момент подхода породоразрушающего инструмента к участкам разреза, которые могут вызвать осложнения процесса бурения, но и оптимизировать сам процесс бурения, появляется возможность использования характеристик виброакустических сигналов для осуществления оперативного достоверного прогнозирования механических свойств горных пород.
Для решения задачи прогнозирования литологического разреза, в частности, прогнозного определения механических свойств горных пород необходимо разработать математическую модель образования виброакустических сигналов на забое бурящейся скважины, информационные параметры которых зависят от твердости как разбуриваемого пласта, так и пласта лежащего ниже забоя. На основе этой модели должны быть созданы алгоритм прогнозирования свойств горных пород и соответствующее аппаратурное обеспечение.
Включение подсистемы прогнозирования механических свойств горных пород в состав станций геолого-технологического контроля существенно повышает их эффективность, увеличивая достоверность определения осложнений процесса бурения и его оптимизации. Результаты комплексной интерпретации измерительной информации, получаемой совместно с данными от других технологических подсистем увеличивают надежность определения механических свойств горных пород скважины. Таким образом, разработка математических моделей, алгоритмов и соответствующей аппаратуры прогнозирования механических свойств горных пород бурящейся скважины является актуальной задачей.
Цель работы и задачи исследования.
Целью исследования в диссертационной работе является разработка информационно-измерительной системы прогнозирования твердости горных
пород бурящейся скважины по амплитудно-частотным характеристикам сигналов вибраций верха бурильной колонны.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
Анализ существующих математических моделей образования вибросигналов и информационно-измерительных систем виброакустических исследований скважин.
Исследование временных и спектральных характеристик виброакустических сигналов в образцах горных пород различной твердости.
Разработка информационной модели прогнозирования твердости горных пород по спектральным характеристикам виброакустических сигналов.
Разработка алгоритма прогнозирования механических свойств горных пород по амплитудно-частотным характеристикам вибросигналов.
Разработка информационно-измерительной системы для прогнозирования твердости горных пород в скважине в процессе бурения.
Научная новизна.
Исследованы амплитудно-частотные характеристики вибросигналов в разбуриваемых горных породах, которые позволили определить диапазон частот, пригодный для прогнозирования твердости пластов.
Введен параметр "кажущейся" твердости, используемый для оценки динамики частотных характеристик виброакустических сигналов на границах смежных пластов в скважине.
Исследован характер изменения частотных характеристик вибросигналов на границах пластов различной литологии.
Разработана математическая модель прогнозирования твердости горных пород по спектральным характеристикам вибросигналов.
Разработан алгоритм прогнозирования механических свойств
горных пород по спектральным характеристикам виброакустических сигналов.
Практическая ценность диссертационной работы.
Применение разработанной математической модели и алгоритма измерения и обработки виброакустических сигналов существенно повышает качество получаемых данных по оценке прогнозирования механических свойств горных пород бурящейся скважины, что позволяет увеличить технологическую и экономическую эффективность процесса бурения.
Реализация результатов работы.
Разработанные аппаратурный комплекс информационно-
измерительной системы и методика обработки виброакустических сигналов были положены в основу создания патента на полезную модель устройства для прогнозирования литологического разреза скважины в процессе бурения.
Промысловая апробация этой информационно-измерительной системы проводилась на скважинах месторождения Харьяга республики Коми. При этом была показана высокая оперативность и достоверность построения литологических разрезов скважин, а также, учитывая результаты прогнозирования механических свойств горных пород ниже забоя, была обеспечена поддержка технологических параметров бурения на оптимальном уровне.
Основные положения, выносимые на защиту.
Экспериментальные и аналитические зависимости амплитудно-частотных характеристик виброакустических сигналов от твердостей горных пород для нефтяных и газовых месторождений.
Характер изменения спектральных характеристик виброакустических сигналов на границах пластов различной литологии.
Электродинамическая модель бурильного инструмента как генератора прямоугольных импульсов виброакустических сигналов, параметры которых связаны с твердостью горных пород.
Информационная модель прогнозирования твердости горных пород по спектральным характеристикам виброакустических сигналов.
Алгоритм прогнозирования механических свойств горных пород по амплитудно-частотным характеристикам вибросигналов.
Информационно-измерительная система для прогнозирования литологического разреза скважины в процессе бурения.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на семинарах кафедры Информационно-измерительные системы РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, на Пятой научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (Москва, 2003 г.), на Пятой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности в России "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 2003 г.), на Первой научной конференции аспирантов, молодых преподавателей и сотрудников вузов и научных организаций "Молодежная наука - нефтегазовому комплексу" (Москва, 2004 г.).
Публикации.
В процессе написания диссертационной работы автором были опубликованы результаты промежуточных исследований в журналах:
Жуков А.М., Козюра А.Н., Моисеенко А.С., Стрельченко В.В. Устройство для прогнозирования литологического разреза скважины в процессе бурения. Патент на полезную модель №32825, опубл, 24.04.2003.
Козюра А.Н., Командровский В.Г., Моисеенко А.С. О виброакустическом исследовании скважин как сложных систем.
//Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. -2003. №1.- С. 17-20.
Козюра А.Н. Виброакустический каротаж для прогнозирования механических свойств горных пород в процессе бурения скважин. //Технологии нефти и газа. - 2004. №5. - С. 61-64.
Козюра А.Н., Моисеенко А.С. Информационно-измерительные системы пассивной скважинной акустики: Тез. докл. Пятой научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России". — М.: РГУ нефти и газа, 2003. - 34 с.
Козюра А.Н. Математическая модель процесса вибраций верха бурильной колонны: Тез. докл. Пятой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности в России "Новые технологии в газовой промышленности". - М: РГУ нефти и газа, 2003. - 42 с.
Козюра А.Н. Прогнозирование твердости горных пород впереди забоя бурящейся скважины: Тез. докл. Первой научной конференции аспирантов, молодых преподавателей и сотрудников вузов и научных организаций "Молодежная наука - нефтегазовому комплексу". - М.: РГУ нефти и газа, 2004. - 22 с.
Современное состояние виброакустических исследований скважин
Не менее широкий круг задач решается при помощи виброакустических сигналов и в процессе геофизических исследований скважин. Одним из наиболее перспективных современных способов исследования скважин в процессе бурения является метод виброакустического каротажа, основанный на регистрации и анализе характеристик упругих колебаний (вибраций), возникающих на забое скважины в процессе бурения при взаимодействии породоразрушающего инструмента с горной породой и распространяющихся по буровым трубам к дневной поверхности.
Исследования природы возникновения вибросигналов и разработка аппаратуры сейсмоакустических (геоакустических, виброакустических) методов каротажа в процессе бурения широко проводились и проводятся в таких российских организациях, как ВНИИБТ, ВНИИЯГТ, Тюменнефтегеофизика, РГУ нефти и газа им. И.М Губкина, ТНГУ, Саратовнефтегеофизика, а также в ряде стран за рубежом - фирмой СНАП во
Франции, США и других странах. Большой вклад в эти исследования был внесен учеными В.П. Балицким, П.В. Балицким, Э.Е. Лукьяновым, А.С. Моисеенко, А.Г. Пальчиком, В.Н. Рукавицыным, В.В. Стрельченко и др.
Этими и другими исследователями был установлен ряд причин возникновения упругих колебаний на забое скважины, среди которых выделяются колебания колонны, возникающие вследствие волнообразной поверхности забоя; вращение долота; перекатывание шарошек по забою скважины; колебания давления промывочной жидкости; собственные колебания бурильной колонны; скачкообразный характер разрушения горной породы; удары долота о забой и т.п.
Характеристики возникающих на забое упругих колебаний также определяются многими факторами — типом долота, частотой вращения бурильной колонны или вала турбобура, осевой нагрузкой, износом долота, физико-механическими свойствами разрушаемой породы.
Виброакустические сигналы могут использоваться для решения широкого ряда как технологических, так и геологических задач [50, 52].
Среди решаемых технологических задач выделяют: 1. Определение текущих координат долота в процессе бурения. 2. Определение интервалов прихвата бурильного инструмента. 3. Определение частоты вращения (динамики взаимодействия) и нагрузки на долото при турбинном бурении. 4. Определение степени износа долота. 5. Изучение вибрационных явлений в отношении их разрушительного действия на элементы бурового оборудования, а также для определения передаточных функций бурильной колонны как канала связи.
К решаемым геолого-геофизическим задачам относятся:
1. Изучение скоростей распространения упругих волн для построения геоакустической модели среды с целью уточнения структурных построений литологического разреза по данным сейсморазведки.
2. Литологическое расчленение разреза пройденных отложений и выделение продуктивных пластов, предварительная оценка характера их насыщения и коллекторских свойств до образования зоны глубокого проникновения фильтрата в пласт, а также зоны вокруг скважины с градиентом горного давления и физико-механических свойств. Для повышения эффективности решения геолого-геофизических задач в процессе бурения весьма желательно комплексировать их с анализом образцов горных пород и данными механического каротажа.
Исследовательские работы по изучению применения виброакустических (геоакустических, сейсмоакустических) методов в процессе бурения проводятся по двум направлениям:
1. Изучение акустических полей, возникающих в процессе бурения (проводимые с целью пеленгации забоя наклонно-направленной скважины по шуму работающего долота).
2. Технология измерения и обработка сигналов вибраций верхней части бурильной колонны, проводимые с целью получения информации о состоянии и динамике работы породоразрушающего инструмента, а также о характере проходимых долотом пород.
Телеметрическая система для исследования вибраций бурильной колонны при электробурении
В данной технологии, в отличие от указанных ранее, информативными для решения технологических и геологических задач считают колебания, обусловленные воздействием зубьев шарошки на породу. Колебания, вызываемые другими источниками - ударами долота о забой, колебаниями бурильной колонны, циркуляцией промывочной жидкости - считаются помехами и для решения задач не рассматриваются. При этом комбинированный полезный сигнал лежит в полосе частот 0,9 - 500 Гц и имеет амплитуду ОД - 500 мкм.
По своим характеристикам квазигармонические колебания, возбуждаемые долотом, аналогичны колебаниям от вибрационных источников типа "вибросейс", применяемых в профильной сейсморазведке. В качестве "свип-сигнала" в данном случае используются сигналы от работающего долота, т.е. породоразрушающий инструмент рассматривается как вибрационный источник третьего класса. При этом стабильность спектра опорного сигнала на различных глубинах была доказана проведенными опытно-методическими работами [52].
Геологические задачи, решаемые технологией ВСП ПБ, можно разделить на три группы [64, 65]:
1. Навигационные: - определяются пространственные координаты бурильного инструмента (глубина, удаление, угол, азимут) и траектория ствола скважины.
2. Технологические: - оценка состояния бурильного инструмента, т.е. степени износа долота (пример решения данной задачи проиллюстрирован рис. 1.8); - оценка литологии разбуриваемых пород (на рис. 1.9 показаны возможности системы в данной области); - прогноз прихватов породоразрушающего инструмента.
3. Прогнозирование геологического строения околоскважинного пространства: - уточнение структурного плана; - выделение коллекторов в целевых интервалах разреза; - прогноз коллекторских свойств выделенных объектов (оценка мощностей продуктивных пластов, эффективных мощностей, нефтегазонасыщенности и т.д.); - оптимизация размещения эксплуатационных скважин на кусте.
На рис. 1.10 приведена схема регистрации сигналов при работах ВСП ПБ, из которой видно, что в данной технологии источником информации служат не только колебания верха бурильной колонны, но и колебания, улавливаемые датчиками, особым образом установленными на дневной поверхности.
Для выделения полезных сигналов на фоне разнообразных помех используется свертка (корреляция) опорного сигнала, снимаемого с вертлюга бурильной установки, с сигналами, зарегистрированными наземной расстановкой. Для повышения отношения сигнал/помеха производится процедура накапливания. "Опорный" сигнал снимается специально разработанным датчиком вибраций (ДВ). Полученные данные обрабатываются в дальнейшем специальным комплексом программ.
Описанная технология виброакустического вертикального сейсмического профилирования в процессе бурения обладает рядом неоспоримых преимуществ, к которым можно отнести [52, 64]: снижение вероятностей аварийных ситуаций за счет уменьшения количества спусков геофизических приборов в скважину; возможность получения временных разрезов высокого разрешения; независимость работ по технологии ВСП ПБ от термодинамических условий в скважинах, а также эффективность технологии при проводке наклонно-направленных, горизонтальных и разведочных скважин. Для более полного использования возможностей данной технологии и получения максимального геолого-экономического эффекта целесообразно совмещать технологию ВСП ПБ с компьютерной технологией геолого-технологических исследований скважин (11 И).
Согласно проведенным авторами работы [78] исследованиям в одной из скважин Саратовского Поволжья, сейсмоакустические сигналы, зарегистрированные на поверхности, позволили осуществить прогноз геологического разреза впереди забоя скважины, а также произвести контроль текущего положения забоя скважины в пространстве. Совместное же использование данных регистрации упругих колебаний в верхней части бурильной колонны методом ВАК и с помощью регистрирующей группы сейсмоприемников вблизи устья скважины позволило значительно повысить достоверность литологического расчленении разреза в околоскважинном пространстве на основе взаимной корреляции данных ВАК и ВСП ПБ, а также установить корреляционные связи с физическими свойствами горных пород.
На рис. 1.8 показаны спектральные характеристики вибрационных сигналов долота в начале бурения и через пробуренный интервал 59 м. Существенный износ долота отразился более чем двукратным снижением уровня спектральных характеристик сигналов вибрации.
На рис. 1.9 представлены спектральные характеристики вибраций долота при бурении граничных интервалов глина-песчаник и песчаник-глина на различных глубинах. Как видно из рисунка, разделение пород по литологическим типам может производиться по преобладающей частоте максимумов спектральных характеристик сигналов вибраций, а также по наличию и уровню дополнительных максимумов спектров. Так, для участка песчаник-глина нахождение бурильного инструмента в пласте глин отражено максимумом спектра на частоте 140 Гц, а для песчаника - 80 Гц.
Механические свойства горных пород и их влияние на временные и частотные характеристики вибросигналов
К механическим свойствам горных пород относят свойства, определяющие поведение пород в процессе их деформации. Одним из основных показателей механических свойств горных пород, наряду с прочностью, упругостью и пластичностью, является твердость - главная прочностная характеристика при разрушении горных пород в процессе бурения. На основе этой характеристики устанавливаются критерии для определения осевых нагрузок на долото, а также при выборе рациональных типов долот и забойных двигателей [3].
Твердость рш (кгс/мм2, кг/мм3, МПа) - свойство материала оказывать сопротивление внедрению в него другого тела. При бурении данный показатель принимается за меру прочности и характеризуется как местная прочность на вдавливание.
Твердость как один из показателей механических свойств горных пород определяется методом вдавливания штампа, разработанным Л.А. Шрейнером.
В соответствии с ГОСТ 12288-66 [1], твердость по штампу рш (предел местной прочности горной породы по штампу) есть отношение нагрузки на штамп, при которой прекращаются пластические деформации, завершающиеся хрупким разрушением породы, к площади штампа: Рш= (2-11) где Рыж - нагрузка, соответствующая пределу прочности на вдавливание, кгс; Fui - рабочая поверхность штампа, мм . Динамической твердостью называют твердость, определяемую при больших скоростях деформации.
Параметр твердости горных пород в качестве основного прогнозируемого параметра при проведении виброакустических исследований скважин был выбран исходя из того, что: прогнозирование оценок показателей твердости необходимо в целях поддержки технологических параметров на оптимальном уровне в продолжение всего процесса бурения. Своевременное регулирование нагрузки на долото, скорости вращения долота и других параметров в случае предполагаемого изменения твердости нижележащих пород позволяет повысить эффективность процесса бурения и избежать аварийных ситуаций. параметры твердости горных пород позволяют определить литологический разрез вдоль скважин и выделить перспективные для разработки пласты нефти или газа [20].
В соответствии с предположением о возможной связи параметров виброакустических колебаний с твердостью горных пород, автором были проведены исследования влияния механических свойств горных пород на амплитудно-частотные характеристики акустических сигналов в кернах. Изучение свойств горных пород проводилось при помощи специально разработанной установки, основанной на применении пары: излучатель колебаний - приемник колебаний. В установке в качестве источника и приемника механических колебаний использовались пьезоэлементы, преобразующие электрические сигналы в механические колебания, и наоборот.
Схема установки представлена на рис. 2.2. Из рисунка видно, что в рассматриваемой установке предусматривалась двусторонняя установка пьезоэлементов по отношению к исследуемому керну горных пород (рис. 2.2, а) и односторонняя установка пьезоэлементов, при которой регистрация амплитудно-частотных характеристик вибросигналов осуществлялась в керне пород с одним значением твердости (рис. 2.2, б), в керне, состоящем из двух смежных участков с одним и вторым значениями твердости (рис. 2.2, г) и в керне со вторым значением твердости (рис. 2.2, в). а) / з Р. Л Рис. 2.2. Установка с использованием пьезокерамических элементов. Здесь, 1 - массивное основание; 2 - неподвижный держатель; 3 — подвижный держатель; 4 — диэлектрическая подложка; 5 — пьезоэлементы; 6 — исследуемый керн с одним значением твердости; 7 - исследуемый керн с другим значением твердости.
Методика экспериментов, проводимых на этой установке, заключалась в подаче на ее вход электрических гармонических сигналов различных частот одинаковой амплитуды и измерении цифровым вольтметром (ЦВ) амплитуд выходных сигналов, соответствующих входным частотам сигналов. Рабочий диапазон электронного генератора звуковых колебаний, подключаемого ко входу установки, составил 0 — 5 кГц. Структурная схема экспериментальной установки показана на рис. 2.3, где исследуемый образец керна играет роль полосового фильтра.
Для постановки экспериментов по получению амплитудно-частотных характеристик сигналов в горных породах были использованы образцы кернов глины, гранита, доломита, известняка, песчаника и глинистого сланца месторождения Харьяга (республика Коми). По результатам амплитудно-частотных характеристик сигналов в кернах были получены косвенные данные об их литологическом строении и твердости.
Ранее подобные исследования проводились Ю.П. Каратаевым [44] при изучении амплитудно-частотных характеристик в образцах кернов, через которые прокачивался флюид. Объектом исследований выступали акустические шумы, возникающие при прокачивании газа через поровое пространство специально подготовленного (высушенного) керна и измерявшиеся на его выходе. На рис. 2.4 представлена упрощенная схема измерительной установки.
Блок измерения вибросигналов как подсистема станции СГТ-микро
С другой стороны, в ходе аналитических и экспериментальных исследований авторами работы [26] было установлено, что радиус распространения упругих колебаний бурильного инструмента, в том числе, определяется литологическими особенностями горных пород и может составлять от десятков сантиметров до одного метра в зависимости от твердости пород. Логично предположить, что при нахождении в этом радиусе пород разной твердости, они все в той или иной степени окажут влияние на амплитудно-частотную характеристику регистрируемых виброакустических сигналов. При этом можно утверждать, что по мере приближения бурильного инструмента к подошвенной породе, лежащей ниже забоя, она все более будет влиять на амплитуду и частоту измеряемого сигнала. Это влияние определяет возможность прогнозирования приближения бурильного инструмента к пласту» лежащему глубже исследуемого, а также определения значения твердости этого нижележащего пласта.
Пример возможности подобного прогноза показан на рис. 2.14, где приведены граничные спектральные характеристики вибросигналов в песчанике и глине, записанные с интервалом 20 м на скважине № 41 "Касимовской" площади. Здесь, пунктирной линией обозначена амплитудно-частотная характеристика сигналов в глине, а сплошной - в песчанике.
Как видно из рис. 2.14, значение "характеристической" частоты песчаника составляет 3 кГц, а глины — 3,2 кГц. При продвижении бурильного инструмента от пласта песчаника к пласту глины, максимум спектральной характеристики вибросигналов в разбуриваемой горной породе будет смещаться с 3 кГц до 3,2 кГц, что позволит, находясь в верхнем пласте песчаника, по частотному сдвигу максимума спектральной характеристики предположить тип породы пласта, лежащего ниже разбуриваемого. Как видно из рис. 2.14, определение механических свойств горных пород может производиться по спектральным характеристикам только в ограниченном частотном диапазоне, в данном случае 2,8 - 3,6 кГц, так как амплитудно-частотные характеристики пород песчаника и глины ниже и выше этого частотного диапазона практически повторяют друг друга и отличаются только значениями амплитуды.
Опираясь на полученные результаты и проведенные исследования, было сделано предположение о том, что на определенных приграничных участках смежных пластов с различной твердостью происходит влияние акустических свойств обоих пластов на параметры виброакустических сигналов. Так как акустические свойства пластов связаны с их твердостью, то оценку этого влияния предложено производить при помощи вводимого параметра "кажущейся" твердости рк, который изменяется по определенному закону в определенных граничных интервалах и равняется истинной (табличной) твердости рщ в тех пластах, где возможное влияние акустических параметров нижележащих и вышележащих пластов незначительно. В области геофизических исследований скважин имеются прецеденты использования "кажущихся" параметров, например величины "кажущего" электрического сопротивления, успешно используемой для определения удельного электрического сопротивления горных пород при приведении электрического каротажа [20]. Измеряемая здесь разность потенциалов при постоянной силе тока питания позволяет рассчитывать электрическое сопротивление горных пород, которое при нахождении измерительного зонда в однородной среде равно удельному сопротивлению, а при нахождении в неоднородной - "кажущемуся" сопротивлению горных пород.
Экспоненциальный вид зависимости параметра "кажущейся" твердости от глубины распространения, определяемого по характеристикам виброакустических сигналов, был выбран, исходя из проводимых автором аналогий распространения акустических и сейсмических сигналов в расстоянии от источника излучения [26].
Система уравнений для определения "кажущейся" твердости в двух смежных пластах будет иметь вид Лл-А-А- - "" 1} , / /„. ,, .,, А, = А-й 4--" /. / /, где pKh Рк2 — "кажущаяся" твердость соответственно разбуриваемого и нижележащего пластов, кгс/мм ; р} , р2 — истинная или табличная твердость разбуриваемого и нижележащего пластов, кгс/мм ; / - текущая глубина, на которой в данный момент находится породоразрушающий инструмент, м; /;, 12 — граничные значения переходного интервала, на протяжении которого виброакустические сигналы испытывают влияние механических свойств двух смежных пластов, м; 1 — значение глубины, на которой находится действительная граница двух смежных пластов, м; а/, а — коэффициенты, определяемые исходя из характера влияния механических свойств горных пород на вибросигналы, м"
