Содержание к диссертации
Введение
1 Общие сведения о волновом акустическом методе 9
1.1 Методология волнового акустического каротажа 9
1.2 Состав и особенности аппаратуры акустического метода 18
2 Математическая модель объекта исследования 27
2.1 Некоторые модели горных пород 27
2.2 Перспективы практического применения теории М.А. Био . 49
3 Интерпретация спектров акустических сигналов 61
3.1 Алгоритм определения физических характеристик объекта Л1 исследования
3.2 Применение алгоритма для анализа промысловых данных 76
3.3 Лабораторное исследование физических свойств керна 90
4 ИИС спектрального анализа акустических сигналов 101
4.1 Обзор существующих решений 101
4.2 Структурная схема информационно-измерительной системы . 108
Заключение 121
Литература 123
Приложение 1 130
- Состав и особенности аппаратуры акустического метода
- Перспективы практического применения теории М.А. Био
- Применение алгоритма для анализа промысловых данных
- Структурная схема информационно-измерительной системы
Введение к работе
Эффективность работы компаний нефтегазовой отрасли во многом зависит от уровня развития применяемых геофизических информационно-измерительных систем (ИИС) и лежащих в их основе физических методов получения информации. В настоящее время одним из ведущих методов скважинной геофизики является акустический метод, объемы применения которого составляют около 10% от общего объема ГИС [1].
Современные ИИС волнового акустического каротажа (ВАК) позволяют решать широкий круг геолого-технических задач, как-то: литологическое расчленение разреза скважины, оценка пористости и трещиноватости пород, локализация интервалов их напряженного состояния, выявление зон нарушений обсадных колонн.
В то же время, существует ряд актуальных задач самостоятельно не решаемых применением акустического метода: выделение мелких литологических комплексов, количественная и качественная оценка насыщения коллекторов, выделение проницаемых интервалов по параметрам продольной и поперечной акустических волн.
Представляется, что решение указанных задач требует внедрения новых подходов к интерпретации данных и построению аппаратуры акустического метода.
Одним из перспективных направлений в области расширения возможностей ВАК является применение методов спектрального анализа измерительных сигналов, по образцу других областей науки и техники. Кроме того, частотный способ обработки геофизической информации в ряде случаев позволяет устранить некоторые из недостатков, присущих временному способу [2].
Широкое внедрение методов спектрального анализа в течение долгого времени сдерживается отсутствием обоснованной физической модели волновых процессов, протекающих в пористых средах, подходящей для интерпретации спектров акустических сигналов. Создание и дальнейшее развитие такой модели, а также построение на ее основе аппаратуры акустического метода представляется актуальной научно-практической задачей. Решению этой проблемы, разработке принципов устройства методической и аппаратной составляющих ИИС спектрального анализа акустических сигналов, посвящена настоящая диссертация.
В соответствии со сказанным выше, основными задачами диссертации являются:
Развитие спектрального направления в описании волновых процессов, протекающих в насыщенных пористых средах.
Проведение лабораторных и моделирование натурных акустических измерений.
Разработка структурной схемы ИИС, реализующей предложенный метод интерпретации спектров акустических сигналов.
Диссертация состоит из введения и четырех глав. В первой главе обозначен объект исследования - вскрытая скважиной насыщенная флюидом горная порода. В рамках идеализированной модели упругой изотропной среды показана связь его физических характеристик с параметрами акустических волн. Автором подчеркивается, что развитие волновой акустики включает в себя не только методическую, но и аппаратную составляющие. В связи с чем, приводятся основные сведения об аппаратуре акустического метода, рассматриваются конструктивные особенности ее основных компонентов, а также трудности, возникающие при проектировании таких систем. В частности указывается, что существующие модификации ВАК требуют передачи на поверхность большого количества информации, что приводит к вынужденному снижению скорости каротажа и ухудшению разрешающей способности метода по глубине.
Во второй главе рассматриваются три математические модели объекта исследования, показана их эволюционная и аналитическая связь. В качестве обобщенной теоретической основы изысканий предлагается теория М.А. Био распространения акустических волн в насыщенных жидкостью пористых средах. Представлены дополнительные сведения о рассматриваемых характеристиках объекта исследования, приведены методики оценки некоторых из них, их типовые значения. Отдельно рассмотрены условия применения теории, сделан вывод о ее применимости к задаче оценки свойств слаботрещиноватых коллекторов с преимущественно межзерновым типом пор.
Автором предлагаются дополнения к теории М.А. Био, учитывающие существенные особенности реальных сред и флюидов, а также общие трудности непосредственного применения изложенных в работах М.А. Био аналитических выкладок. С учетом предлагаемых изменений рассматриваются аналитические выражения, связывающие поведение передаточной функции исследуемого участка пласта со спектральными оценками регистрируемых сигналов. Приводятся волновые картины, полученные в ходе численного моделирования влияния различных горных пород на спектр акустического сигнала.
В третьей главе рассмотрен алгоритм определения физических характеристик объекта исследования по спектрам сигналов, зарегистрированных аппаратурой ВАК. Автором выведены соотношения для амплитуд спектров сигналов соседних, равноудаленных от излучателя приемников акустического зонда. Сделан вывод о возможности применения полученных соотношений в качестве критерия оценки эффективной ширины спектра измерительного сигнала.
Для реализации алгоритма автором предлагается применять численные методы условной оптимизации - в частности, метод Пауэлла с наложенными на значения характеристик пород ограничениями, представленными в виде неравенств. Для каждого параметра подробно рассмотрены ожидаемые интервалы изменения и вероятные значения, используемые в качестве начальной точки вычислительного процесса.
Алгоритм определения физических характеристик объекта исследования был реализован в виде компьютерной программы (Приложение 2), с помощью которой проводились эксперименты по интерпретации данных акустических измерений. Приводятся результаты сравнения полученных программой и справочных данных. По результатам сравнения установлено, что рассчитанные и справочные значения физических характеристик пород, как для промысловых данных, так и в случае лабораторного эксперимента, в целом хорошо согласуются между собой. Результаты проведенных экспериментов подтверждают целесообразность применения методов спектрального анализа для расширения возможностей ВАК. Актуальным представляется аппаратная реализация предлагаемых решений в составе нового вида аппаратуры акустических исследований скважин.
В четвертой главе рассматриваются основные особенности архитектуры современных ИИС волнового акустического каротажа на примере систем MAC и DSI. Показано, что предлагаемая ведущими зарубежными производителями аппаратура, с одной стороны - решает широкий круг геологических задач, с другой - предназначена для исследования характеристик сигналов преимущественно во временной области, а также имеет определенную избыточность и высокую сложность внутренней организации.
По результатам проведенного исследования архитектуры зарубежных систем предлагаются две структурные схемы ИИС, предназначенной для анализа геофизической информации как во временной, так и в спектральной областях. Разрабатываемая система рассчитана на исследования необсаженных скважин с целью оценки физико-механических свойств горных пород и наполняющих их флюидов по характеристикам продольной и поперечной акустических волн на основе рассмотренного в настоящей работе алгоритма интерпретации спектров регистрируемых акустических сигналов. Система отвечает большинству предъявляемых к современной аппаратуре требований, способна решать широкий круг геологических задач и имеет меньшую, по сравнению с зарубежными ИИС, сложность внутренней организации.
Научная новизна работы:
Представлена математическая модель распространения акустических волн в насыщенной пористой среде, позволяющая получить информацию о новых физических характеристиках пласта (вязкость порозаполнителя, средний размер пор, степень сцементированности и др.), не исследуемых традиционным волновым акустическим методом. Большое число оцениваемых параметров позволяет, в целом, увеличить информативность результатов скважинных акустических исследований.
Предложенная математическая модель может служить методологической основой ИИС акустических исследований скважин, ориентированной на спектральный анализ первичных измерительных данных. В работе приводится ее структурная схема.
Установлены неравенства для амплитуд спектров сигналов равноудаленных от источника колебаний приемников акустического зонда, расположенного против исследуемого однородного пласта. Полученные соотношения могут служить критерием выбора полосы анализируемых частот для спектров акустических сигналов.
С применением численных методов разработаны алгоритм и компьютерная программа решения задачи оценки физических характеристик исследуемого пласта по спектрам регистрируемых акустических сигналов.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [3-7] и представлялись в докладах на 7 и 8 всероссийских конференциях молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам нефтяной и газовой промышленности «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 25-28 сентября 2007 г. и 6-9 октября 2009 г.), а также в докладе на 8 всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (1-3 февраля 2010 г.).
На защиту выносятся:
Аналитические выражения, представляющие математическую модель распространения колебаний в пористой среде, позволяющую оценить влияние пород осадочного комплекса на спектр акустического сигнала. Математическая модель включает в себя критерий выбора эффективной ширины спектра измерительного сигнала.
Результаты экспериментов по практическому применению предлагаемого метода для оценки физических характеристик горных пород по спектрам акустических сигналов.
Структурная схема ИИС скважинных акустических исследований, ориентированной на спектральный анализ регистрируемых сигналов.
Состав и особенности аппаратуры акустического метода
Современная аппаратура акустического каротажа состоит из скважинной и наземной части. Скважинная часть предназначена для сбора геофизических данных, наземная - для записи и последующей обработки информации. Наземная часть (каротажная лаборатория) содержит цифровой регистратор и вычислительное устройство, управляющее процессом сбора и сохранения информации, поступающей от скважинного прибора. Линией связи последнего с дневной поверхностью служит многожильный каротажный кабель, причемданные по нему могут передаваться как в цифровом, так и в аналоговом виде. Скважинные измерительные приборы (зонды) акустического каротажа (рис. 1.4) составляют излучатели и приёмники упругих колебаний, в совокупности обеспечивающие необходимое для измерений соотношение информационных сигналов и шума, а также акустическая развязка (акустический изолятор) между ними, препятствующая распространению помехи по корпусу зонда.
Непременными атрибутами измерительных зондов и приборов акустического каротажа в целом являются центрирующие устройства, обеспечивающие соосное расположение зонда и исследуемой скважины. В зависимости от назначения скважинного прибора, решаемых с его помощью задач и условий эксплуатации перечисленные элементы зонда основаны на разных принципах работы, обладают различным конструктивным исполнением и эксплуатационными характеристиками. Лидирующие позиции в области разработки и производства аппаратуры метода занимают компании Schlumberger Technology Corporation, Ezzon Production Research Company, Mobil Oil Corporation, Atlantic Richfield Company и др. [1].
В качестве материалов для изготовления акустических излучателей (рис. 1.5) в последнее время все чаще применяют пьезокерамику, несмотря на ее более низкую, сравнительно с магнитострикционными материалами, прочность. Приёмники упругих колебаний выполняют только из пьезокерамики. Это тем более относится к акустическим сканерам, в которых один и тот же преобразователь выполняет функции излучателя и приёмника. Такой преобразователь имеет, как правило, форму вогнутого пьезоэлектрического диска [8, 9]. Реже в приборах массового применения предлагается использовать преобразователи, работающие на других принципах, например, электродинамические [10], широко применяемые в зондах для исследования низкоскоростных разрезов.
Традиционно в скважинных приборах акустического каротажа используются излучатели с диаграммами направленности, близкими по форме к сферической, что обусловлено необходимостью возбуждения головных продольной и поперечной волн в широком диапазоне критических углов. Такие излучатели выполняются в форме сфер и пустотелых цилиндров либо в форме двух магнитострикционных колец с общей обмоткой, включённой таким образом, чтобы магнитные потоки в кольцах были направлены в разные стороны.
В связи с растущей востребованностью измерений параметров поперечной и поверхностных волн в приборах акустического каротажа всё чаще появляются монопольные излучатели направленного действия [11-13]. Их выполняют в двух вариантах: в виде колец, размещённых вдоль оси измерительного зонда и возбуждаемых с временной задержкой, чтобы обеспечить создание диаграммы направленности, вытянутой вдоль оси скважины [14] и в форме поршневых преобразователей с активными элементами, выполненными из пьезокерамических столбиков или магнитострикционных стержней и излучающих энергию вдоль оси прибора. Для формирования диаграммы направленности, обращенной к стенке скважины, и уменьшения интенсивности прямой волны по корпусу приборамежду поршнем и приёмником размещают отражатель. Сочетание разночастотных и направленных излучателей, приёмных антенн, в том числе фазированных, позволяет получить максимально эффективные монопольные измерительные зонды. С их помощью в открытых и обсаженных скважинах получают волновые пакеты продольной, поперечной и Стоунли волн с максимально возможным отношением "сигнал-помеха". Для измерения параметров поперечной волны в низкоскоростных разрезах востребованы дипольные преобразователи.
Основными типами дипольных преобразователей в скважинных приборах являются электродинамические [15] и пьезокерамические [16]. Реже их изготавливают из магнитострикционных материалов [17]. Эффективность дипольного преобразователя определяется соотношением дипольной и монопольной составляющих в общем сигнале. Монопольная компонента обусловлена неидеальной симметрией диполя и колебаниями, вызванными реакцией несущей конструкции. Идеальным диполем является излучатель, состоящей из двух пьезокерамических пластин, возбуждаемых противофазно [16]. Однако высокая добротность и малые относительные деформации пьезокерамических пластин не обеспечивают достаточную для приборов акустического каротажа мощность излучения на низких (менее 3 КГц) частотах. Поэтому для возбуждения низкочастотных колебаний предложено конструировать диполи на основе электродинамических преобразователей, КПД которых ниже, чем у пьезокерамических. Построение магнитострикционного диполя основано на противоположной по знаку стрикции пермендюра и никеля. Принципиально такие диполи можно сконструировать, но строгую симметрию обеспечить трудно, и, следовательно, не удаётся добиться приемлемого соотношения амплитуд поперечной и Стоунли волн, распространяющихся с близкими скоростями.
В качестве акустических изоляторов применяются самые разнообразные конструкции, например, отрезок каротажного кабеля, использующийся в серийных скважинных приборах АКШ, АК-П, АКМ. В опытных образцах прибора АКАС акустический изолятор представляет собой цепь, собранную из отдельных колец. Такие изоляторы подавляют волну, распространяющуюся по корпусу скважинного прибора, в ущерб центровке измерительного зонда. Более жёсткие изоляторы, наоборот, позволяют поднять уровень полезных сигналов за счёт центровки прибора в скважине и развязки электроакустических преобразователей с корпусом зонда [18, 19].
Перспективы практического применения теории М.А. Био
Для применения методов спектрального анализа при интерпретации сигналов ВАК необходимо каким-либо образом связать спектр сигнала и физические свойства объекта исследования. Учитывая обобщенный характер изложенных выкладок, основой такой взаимосвязи может служить теория М.А. Био с рядом дополнений, устраняющих некоторые трудности, возникающие при ее практическом применении. Так, рассмотренные выше соотношения не могут быть использованы для непосредственных вычислений в силу неясности величины pi2 - действительно, для трех неизвестных руд РІ2,Р22 определено только два выражения (2.33, 2.34). Однако приемлемое решение этой задачи было найдено Дж. Берриманом - в работе [42] автор предложил усреднить форму зерен скелета шаром, что в итоге приводит к следующим соотношениям:
Здесь Та= f — рассмотренная выше извилистость каналов, т,р/ - удельная масса частиц, колеблющихся в жидкости, причем для сферических частиц т = 0,5. В той же работе было предложено оценивать извилистость каналов по формуле:
Следует также отметить, что выбранная М.А. Био реологическая модель порозаполнителя - ньютонова жидкость, во многих случаях не соответствует флюидам, насыщающим горные породы. Проблеме поиска более адекватной модели посвящены работы Д. Циклаури и др. [40, 41]. В качестве решения было предложено перейти к модели жидкости Максвелла, в большей степени соответствующей множеству реальных флюидов (в частности, нефти). Отталкиваясь от предположения о том, что скорость течения жидкости вблизи границы каналов отлична от нуля (рис. 2.11) и используя результаты, полученные Дель Рио и др. [59], авторами работы [40] был предложен более обобщенный вид функции отклонения (рис. 2.10): где Я - число Деборы, которое отражает текучесть материала и пропорционально отношению характерного времени протекания вязких эффектов ко времени релаксации среды. Параметр Я характеризует систему с точки зрения вязкоупругих взаимодействий [40]:
Из рис 2.10 следует, что при Я —» оо обе функции практически совпадают, при Л — 0 наблюдается колебательный характер в поведении функции F2(k, X), что приводит к некоторому разбросу в зависимостях скоростей и коэффициентов поглощения продольной и поперечной волны от частоты колебаний.
Следует сделать ряд замечаний относительно представленных результатов. Во-первых, обобщенное выражение (2.70) для функции отклонения было получено совместным решением уравнения непрерывности, лианеризованного уравнения моментов и реологического уравнения Максвелловской жидкости в случае цилиндрической геометрии пор. Причем, выбор типа геометрии не столь существенен, как может сперва казаться: как показал Джонсон [60], отклонения от выбранной геометрии не сильно влияют на результат и чем больше флюид соответствует модели ньютоновой жидкости, тем меньше такое влияние. Во-вторых, предполагается, что сдвиговой компонентой для жидкости можно пренебречь. Прайд [61] показал, что такое предположение справедливо для ньютоновой жидкости при условии
Нетрудно видеть, что в диапазоне акустических частот (до 1 МГц) и воды неравенство (2.71) выполняется для большинства пород. В работе [40] показано, что хотя в случае жидкости Максвелла действующее значение вязкости меньше абсолютного значения, неравенство (2.71) также выполняется.
Формально, рассмотренные выше соотношения позволяют перейти к непосредственному вычислению значений скоростей и коэффициентов поглощения волн по известным характеристикам материалов. Однако многочисленные эксперименты, проведенные in situ, показали существенное расхождение измеренных и рассчитанных значений коэффициентов поглощения и наоборот, достаточно хорошее согласование значений скоростей волн. В попытке преодолеть обозначенные несоответствия, предлагаются различные теоретические подходы. Так, авторами работы [62] предложено рассматривать объемные и сдвиговые модули, а также плотности динамических компонент в качестве комплексных величин, зависящих от частоты колебаний. В то же время, в статье [63] предлагается домножить значение рассчитанного коэффициента поглощения на f" в связи с неоднородностью распределения проницаемости по объему породы.
В рассмотренной выше теории М.А. Био основной причиной диссипации энергии колебаний является вязкое трение, возникающее вследствие взаимного движения скелета и флюида, при этом другие механизмы поглощения не учитываются. Однако как указано в работе [2], такой подход вполне допустим для воды, поскольку оказывается возможным пренебречь термоупругой составляющей поглощения, в то время как для нефти ее необходимо учитывать. Кроме того, существуют и другие механизмы поглощения энергии [27], многие из которых воздействуют одновременно: проскальзывание на контактах зерен, несовершенство кристаллической решетки, неоднородность фаз и т.д. Каждая из перечисленных причин может доминировать в зависимости от степени насыщения породы, величины внешнего давления, частоты сигнала и др. Однако преимущественно считается, что для горных пород, находящихся в естественных условиях залегания, основным механизмом поглощения выступает вязкое трение [64]. Обзор разнообразных причин поглощенияэнергии колебаний и оценку их влияния на распространение волн представлен
Применение алгоритма для анализа промысловых данных
Основная цель такого исследования - подтверждение применимости предлагаемого алгоритма для решения задач интерпретации спектров реальных акустических сигналов распространяющихся вдоль скважины и околоскважинного пространства. Задачей исследования является количественная оценка физических характеристик образующей пласт горной породы и насыщающего ее флюида, оценка адекватности полученных значений.
В качестве исходного материала были взяты данные акустических измерений проводившихся в открытом стволе скважины одного из нефтяных месторождений Тимано-Печорской нефтегазовой провинции. Аппаратура акустического каротажа была представлена прибором ВАК-8 (рис. 3.6), позволяющим измерять параметры продольной, поперечной и Стоунли волн в любых типах пород в открытых и обсаженных скважинах. корпуса на котором расположены З излучателя (один монопольный и два дипольных). Зонд приемников конструктивно аналогичен зонду излучателей. На его корпусе размещены 16 (8 монопольных и 8 дипольных) приемников. Работа аппаратуры основана на возбуждении импульсов упругих колебаний и последующем их приеме и регистрации после прохождения исследуемой среды.
Расстояние между излучателем и первым приемником (зондовое расстояние) составляет 2 м, расстояние между соседними приемниками (измерительная база) составляет 0,1 м. Первая группа из восьми приемников входит в состав монопольного зонда, две группы из четырех приемников в состав дипольных зондов. Дипольные зонды расположены в плоскостях ортогонально расположенных относительно друг друга. Излучатели с приходом сигнала о прохождении прибором кванта глубины возбуждают импульсы упругих колебаний, которые распространяются в исследуемой среде, принимаются приемниками и преобразуются в электрический сигнал. Электрический сигнал в скважинном приборе преобразуется в цифровой код и передается по каналу связи в наземный модуль, устанавливаемый в регистратор и далее в бортовой компьютер. Обработка полученной информации до производится специальными программами после завершения каротажа.
Данные, выбранные для исследования (рис. 3.7), соответствуют глубине около 2220 м. Причем, по данным ряда геофизических методов (в частности, волнового акустического каротажа) известно, что в этом интервале разрез скважины пересекает пласт слабонефтенасыщенного известняка. Значения скоростей продольной и поперечной волны в этом пласте составляют 4200 м/с и 2800 м/с соответственно.
Отправной точкой исследования являются дискретизированные волновые картины, зарегистрированные тремя приемниками акустических колебаний (№ 2, 3, 4; приемнику №2 соответствует глубина 2220,16 м). После разделения во времени последних, имеем шесть временных рядов, попарно соответствующих продольной и поперечной волнам (рис. 3.8). Применив к ним преобразование Фурье, получим спектры соответствующих сигналов (рис. 3.9, 3.10).
Исходя из состава полученных спектров и изложенного в работе критерия (3.5), были установлены следующие эффективные области частот: для продольной волны - 8-13 КГц, для поперечной - 12-17 КГц. Внутри каждого диапазона равномерно по частоте были выбраны 18 точек, для которых рассчитывались значения коэффициентов поглощения и расхождения энергии волны по фронту (рис. 3.11). По фазовым спектрам сигналов, согласно (3.6), вычислялись скорости распространения волн. Рассчитанные таким образом значения параметров продольной и поперечной волны приведены в табл. 3.6.
Далее по рассчитанным данным были определены средние значения показателя расхождения энергии п: для продольной волны - 0,55, для поперечной — 1,2. Средние значения коэффициентов поглощения и скоростей волн использовались в качестве исходных данных программы совместной минимизации рассмотренных в работе функционалов невязок рассчитанных и измеренных значений параметров (Приложение 2). Для полученного набора данных процедура оптимизации запускалась из трех начальных точек. Результаты работы программы сведены в табл. 3.7. Для сравнения, в табл. 3.8 представлены типовые значения скоростей волн и ряда физических свойств известняка, взятые из работы [74].
Как следует из табл. 3.7, наибольший разброс среди полученных значений наблюдается для объемных и сдвиговых модулей среды, наименьший - для коэффициентов извилистости и пористости, плотности флюида.
По результатам проведенного эксперимента (табл. 3.7) установлено, что образующая порода имеет небольшую пористость (7-9 %), плотность около 2,4 т/м , среднюю степень сцементированности (а = 0,65) и предположительно насыщена нефтью (ju = 0,036 Пас). Сравнив рассчитанные значения (табл. 3.7) плотности, пористости и упругих модулей породы со справочными данными для известняка (табл. 3.8), можно сделать вывод об их хорошем согласовании. Таким образом, полученные значения в целом подтверждают априорную геофизическую информацию об исследуемом интервале разреза скважины.
С целью применения раздельной по каждому типу волн оптимизации функционалов невязок измеренных и рассчитанных значений параметров среды, автором был проведен еще один эксперимент на основе сведений, заимствованных из работы [79]. В данном случае измерения проводились в необсаженной скважине 8-23-23W4, расположенной в районе «Blackfoot field» провинции Альберта в Канаде. Аппаратура акустического каротажа была представлена системой DSI компании Шлюмберже, позволяющей измерять параметры продольной, поперечной и Стоунли волн в любых типах пород. Глубинная часть аппаратуры (рис. 3.12) содержит один монопольный излучатель с диапазоном рабочих частот 8-30 КГц и два дипольных излучателя, обладающих равномерной частотой преобразования в диапазоне 0,1-5 КГц. Восемь приёмников, удалённых от излучателей на 2,74 и 3,4 м, общие для монопольных и дипольных зондов. Каждый из них состоит из четырёх гидрофонов, расположенных под углом 90 друг к другу. Одновременное включение всех четырёх гидрофонов позволяет получить общую равномерную диаграмму направленности, которая соответствует монопольному приёмнику. Поперечное включение гидрофонов, расположенных по диагонали, соответствует образованию двух ортогонально расположенных дипольных приёмников. Расстояние между соседними (по оси скважины) приёмниками составляет 0,152 м. Прибор позволяет вести одновременно запись волновых картин по всем восьми каналам приема, причем интервал дискретизации может быть 10 мс при выборке из расчета 512 точек на одну волновую картину [1].
Базовой точкой прибора, по отношению к которой рассматривают параметры сигнала, является середина отрезка между 4-м и 5-м приемниками, удаленная на 3,28 м от источника колебаний. Набор волновых картин, зарегистрированных прибором против исследуемого участка пласта, представлен на рис. 3.13.
Структурная схема информационно-измерительной системы
Проектируемая информационно-измерительная система предназначена для исследования открытого ствола скважины с целью оценки физико-механических свойств горных пород и наполняющих их флюидов по характеристикам продольной и поперечной акустических волн на основе представленного в работе метода интерпретации спектров акустических сигналов.
Основными требованиями, предъявляемыми к таким системам, традиционно являются: широкий круг решаемых геологических задач высокие метрологические характеристики возможность работы в неблагоприятных геологических условиях возможность интеграции с другими ИИС Учитывая большой объем измерительной информации, следует дополнительно выделить требования к увеличению скорости передачи данных по каротажному кабелю, уменьшению объема передаваемой информации и времени проведения измерений. Необходимо отметить, что совместная реализация всех перечисленных требований является трудновыполнимой задачей, одним из решений которой может быть проектирование нескольких возможных режимов работы измерительной системы, в зависимости от приоритета тех или иных решаемых задач.
Определим основные геологические задачи, для решения которых предназначена предлагаемая ИИС: итологическое расчленение разреза скважины по рассчитанным значениям объемных и сдвиговых модулей, коэффициента извилистости, плотности породы; оценка степени сцементированности горных пород по рассчитанному значению коэффициента эффективного напряжения; определение характера насыщения коллекторов по рассчитанным значениям модуля всестороннего сжатия, плотности и вязкости флюида; оценка значений коэффициента пористости и проницаемости среды; выделение перспективных интервалов в т.ч. по рассчитанным значениям коэффициента извилистости и среднего радиуса каналов пор. В табл. 4.1 представлен список оцениваемых спектральным методом физических характеристик горных пород и геологические задачи, для решения которых они могут применяться. Отталкиваясь от приведенного списка, выделим группы сопутствующих геофизических методов, информация от которых может использоваться для уточнения полученных значений: ядерно-физические методы - могут применяться для оценки коэффициента пористости пород, характера насыщения коллекторов и выделения перспективных интервалов; электрические методы - могут применяться для расчленения разрезов скважин по данным удельного и кажущегося сопротивлений пород, оценки значений коэффициента пористости и проницаемости среды; термические методы - могут применяться для выделения перспективных интервалов; индукционные методы - могут применяться как для литологического разделения разреза, так и для выделения перспективных интервалов. Рассмотрим подробно первый (упрощенный) вариант структуры информационно-измерительной системы (рис. 4.3). Следуя традиционному подходу к проектированию геофизической измерительной аппаратуры, предлагаемая система состоит из наземной и скважинной части. Последняя предназначена для сбора, а также предварительной обработки информации и представляет собой компенсированный акустический зонд с антенной из трех пьезокерамических приемников (1-3). Выбранное число приемников, по сравнению с рассмотренными ранее системами, позволяет с одной стороны, реализовать изложенный в настоящей работе метод спектральной интерпретации регистрируемых акустических сигналов, с другой — снизить сложность аппаратной части системы. В то же время, для сохранения возможности корреляционной обработки данных во временной области (когерентность - «интервальное время-время») их число может быть увеличено, как это сделано в рассмотренных выше системах. Причем, для повышения общей надежности, введение механических элементов в конструкции приемников акустических сигналов представляется нежелательным. В этом смысле, устройство приемной части рассмотренной ранее системы DSI может рассматриваться в качестве возможной конструктивной основы антенны приемников акустических сигналов.
Работа системы основана на возбуждении, приеме и последующем спектральном анализе импульсов упругих колебаний, создаваемых пьезокерамическими монопольным (7) и дипольным (8) излучателями. Наличие дипольного излучателя расширяет условия применения системы на случай низкоскоростного разреза. Одним из требований, предъявляемым к этим блокам является их достаточная широкополосность, поскольку от эффективной ширины спектра сигнала зависит надежность результатов оптимизации. Для выполнения этого требования вместо отдельного излучателя (7, 8) возможно использование пары излучателей под верхний и нижний диапазон рабочих частот. Однако такое техническое решение, несомненно, приведет к увеличению сложности аппаратной части системы.
Поскольку из двух одновременно может быть задействован только один излучатель, сигнал на каждый из них поступает от общих цифро-аналогового преобразователя (18), ФНЧ (17) и усилителя мощности (13) через блок электронной коммутации (12), команды на который поступают с шины управления скважинного прибора.
Акустические сигналы, зарегистрированные приемниками (1-3) после прохождения через полосовые фильтры (4-6) поступают на входы малошумящих усилителей (9-11) с изменяемым коэффициентом усиления и далее подаются на выделенные аналого-цифровые преобразователи (14-16).
