Содержание к диссертации
Введение
1. Возможности и развитие АГДМ исследований 9
1.1. АГДМ исследования газовых скважин 18
1.1.1. Определение дебита при аварийном фонтанировании 18
1.1.2. Определение параметров пластов и скважин по данным акустических исследований 19
1.2. АГДМ исследования пористых сред 27
2. Исследование взаимозависимостей между параметрами пористой среды и характеристиками ее микроструктуры 34
2.1. Зависимость фильтрационных парметров пористых сред от средних размеров пор 35
2.2. Влияние структуры пористой среды на ее фильтрационные и коллекторские свойства 44
3. Акустико-гидродинамические методы исследования пористых сред 48
3.1. Основы возникновения аэродинамических шумов . 48
3.1.1. Классификация аэродинамических сигналов 51
3.1.2. Переход ламинарного течения газа в турбулентное при фильтрации в идеальном грунте и пористой среде 53
3.2. Методика проведения акустико-гидродинамических исследований кернов 55
3.2.1. Задачи, решаемые методами акустико-гидродинамических исследований кернов 55
3.2.2. Стенд для проведения акустико-гидродинамических исследований кернов 56
3.2.3. Методика обработки результатов агд исследовании кернов 62
3.2.4. Результаты агд исследований кернов 65
3.2.5. Установление зависимостей между акустическими и гидродинамическими параметрами при фильтрации газа в пористых средах и капиллярах 83
3.2.6. Разработка математической модели для определения гидродинамических параметров кернов по данным об их микрострукуре 99
4 . Акустико-гидродинамические исследования скважин 111
4.1. Общая характеристика аппаратуры агк-1м 115
4.2. Акустические исследования газовых скважин 120
4.2.1. Интерпретация данных комплексных исследований скважин 120
Выводы 137
Список использованой литературы 139
Приложение ...152
- Определение параметров пластов и скважин по данным акустических исследований
- Зависимость фильтрационных парметров пористых сред от средних размеров пор
- Основы возникновения аэродинамических шумов
- Стенд для проведения акустико-гидродинамических исследований кернов
Введение к работе
Актуальность работы
Эффективная разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений связаны с проблемой получения и интерпретации информации о процессе фильтрации газа в пластах. Исследование этих процессов позволило группе ученых во главе с профессором Коротаевым Ю.П. определить оптимальные энергосберегающие технологические режимы работы скважин. Эти режимы обеспечивают безаварийную работу скважин в течение всего периода разработки.
Существенное влияние на процессы разработки месторождений оказывают условия движения газа и жидкости в призабойной зоне и параметры пласта. Поэтому более точное определение режимов работы и параметров пласта и скважин является актуальной проблемой. Это требует разработки и внедрения новых методов исследования пластов и скважин.
Одним из направлений являются акустико-гидродинамические методы исследования пластов и скважин (АГДМ).
Впервые этот метод был предложен в 1964г. Ю.П. Коротаевым для измерения дебитов аварийных фонтанов, а затем был применен для определения интервалов притока газа и оценки параметров пласта.
Принципиальным АГДМ от акустического каротажа и акустического воздействия является не только то, что в первом случае создаются искусственные колебания, а во втором исследуются естественные с широкой полосой спектра, но и то, что в этом случае интенсивность естественного акустического поля существенно меньше, чем при искусственном воздействии.
Сущность АГДМ состоит в комплексном измерении гидродинамических и естественных акустических характеристик аэродинамического шума,
возникающего при движении флюида в скважине и призабойной зоне пласта для определения параметров потока и пористой среды.
Сегодня актуально применение АГДМ для определения работающих интервалов на месторождениях и ПХГ, для диагностики ствола скважины, и в том числе для определения газонасыщенности при движении газожидкостных смесей в стволе скважины.
Новым направлением в исследовании процессов фильтрации в пористой среде являются АГДМ исследования кернов, которые позволяют определять ряд дополнительных параметров, которые другими методами получить затруднительно.
Таким образом АГДМ исследований наряду с определением условий генерации шумов при фильтрации выполняются высокоточные измерения гидродинамических параметров в широком диапазоне изменения скоростей фильтрации, что позволяет определить границы применимости закона Дарси и установить зависимость параметров акустических шумов с микростуктурой пористой среды и её макрохарактеристиками. Исходя из этого, можно сказать, что АГДМ исследования представляют большой научный и практический интерес.
Цель диссертационной работы
Создание методики комплексных акустико-гидродинамических исследований пористых сред, основанной на использовании высокочастотного акустического сигнала в звуковом диапазоне частот, возникающего при фильтрации флюида.
Основные задачи исследований
1. Проведение прецизионных экспериментальных АГДМ исследований пористых сред.
2. Установление взаимозависимости между фильтрационно-коллекторскими
свойствами пористой среды и её микроструктурой.
Усовершенствование методики проведения акустико-гидродинамических исследований на основании использования высокоточных акустических приборов.
Создание методики АГДМ исследований пористых сред и скважин.
Создание стенда для проведения АГДМ исследований кернов и прибора для проведения промысловых исследований скважин.
Методы решения поставленных задач
Поставленные задачи решены путем:
акустико-
акустико-с целью
1. Проведения прецизионных экспериментальных
гидродинамических исследований кернов;
2. Проведения прецизионных экспериментальных
гидродинамических исследований течений в капиллярах, создания модели течений газа в пористых средах;
3. Математического моделирования течений газа в капиллярах.
Научная новизна работы
Разработана математическая модель для определения гидродинамических характеристик пористых сред по данным об их микроструктуре и определение микроструктуры по данным АГДМ;
Установлена зависимость между частотной характеристикой излучаемых
акустических шумов и геометрическими размерами капилляров;
Создан прибор для промысловых исследований скважин и проведены его испытания на стенде;
Разработаны методические рекомендации по интерпретации результатов АГДМ исследований.
Практическая значимость
1. Усовершенствована методика проведения прецизионных лабораторных
исследований пористых сред АГДМ;
2. Результаты работы могут быть использованы для уточнения
фильтрационных и коллекторских свойств газоносных пород и интерпретации результатов исследований скважин;
Данная работа может использоваться при составлении лабораторного практикума и факультативных курсов по дисциплине «Физика нефтяного и газового пласта»;
Результаты диссертационной работы могут быть использованы при
чтении курса лекций студентам РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:
1. На Второй Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и
студентов по проблемам газовой промышленности России, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, г. Москва, 1997г.
2. На Третьей Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и
студентов по проблемам газовой промышленности России, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, г. Москва, 1999г.
На международной конференции «Актуальные проблемы и новые технологии освоения месторождений природных газов в XXI веке», п. Ямбург, 2002г.
На Пятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и
студентов по проблемам газовой промышленности России, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, г. Москва, 2003г.
5. На шестой научно-технической конференции, посвященной 75-лет ию
Российского Государственного Университета нефти и газа им. И.М.
Губкина, Москва, 2005г.
На научном семинаре кафедры РиЭГиГКМ РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.
На курсах по повышению квалификации работников нефтяной и газовой промышленности, при УИЦ РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Текст диссертации изложен на 171 страницах и содержит 65 рисунков и 33 таблиц. Библиографический список использованной литературы состоит из 169_ наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю,
профессору [Коротаеву Ю.П.[ и ведущему научному сотруднику Иванову Д.И. за помощь в процессе работы над диссертацией, а так же профессору Басниеву К.С. и профессору Сомову Б.Е. за поддержку и ценные советы.
1. ВОЗМОЖНОСТИ И РАЗВИТИЕ АГДМ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для эффективного освоения газовых месторождений, задания и поддержания оптимальных технологических режимов работы скважин необходимо знание коллекторских и фильтрационных свойств газоносных пород. Повышение газоотдачи залежей и расширение объемов добычи газа из низкопроницаемых коллекторов связано с созданием и внедрением новой методики комплексного проектирования разработки месторождений. Актуальными остаются исследования процессов фильтрации в пористых средах и влияния различных факторов на эти процессы. Уточнение законов фильтрации и параметров пористой среды, таких как проницаемость и макрошероховатость, связано с совершенствованием методики проведения экспериментов и расширением круга измеряемых параметров, влияющих на исследуемые процессы.
Это требует разработки и внедрения новых методов исследования пластов и скважин, а также контроля за режимами эксплуатации. В качестве наиболее перспективных, в последние годы находят широкое применение акустические методы.
Акустические методы могут быть подразделены на два типа: первые -основанные на искусственном возбуждении импульсов упругих колебаний, вторые - акустико-гидродинамические, основанные на измерении и исследовании естественных акустических шумов, возникающих при движении флюидов.
Широкое применение получил акустический каротаж в звуковой и ультразвуковой модификациях, позволяющий осуществлять контроль за техническим состоянием скважин, определять пористость и насыщение газоносного пласта. Акустический каротаж характеризуется еще и тем, что интенсивность искусственно возбуждаемых импульсов упругих колебаний не превышает 0,1 кВт/м [ПО].
Другим направлением акустических исследований являются акустико-гидродинамические исследования пластов и потоков флюида при движение газа: на устье, в скважине и пласте (шумометрия скважин). Для решения этих задач был создан акустико-гидродинамический метод, состоящий в измерении акустических характеристик или шумовых эффектов, возникающих в процессе турбулентного движения газа или жидкости в пласте и скважине.
Изучение естественных звуковых процессов, возникающих при движении газа и газожидкостных смесей в пористых средах и скважинах, позволило создать новое направление в науке - газодинамическую газонефтепромысловую акустику, открывающую большие возможности и позволяющую на принципиально новой основе рассматривать и исследовать процессы добычи, исследования скважин и разработки месторождений. [16].
Большую роль в развитии первого направления, разработки аппаратуры и внедрении методик, сыграли коллективы ученых академии наук и министерства геологии СССР.
Акустическим каротажем (АК) называют методы изучения свойств горных пород по результатам измерений в скважине характеристик упругих волн ультразвуковой (выше 20 кГц) и звуковой частоты. При АК в скважине возбуждаются упругие колебания, которые распространяются в ней и в окружающих породах и воспринимаются приемниками, расположенными в той же скважине. По типу регистрируемых параметров выделяют следующие основные модификации акустического каротажа: акустический каротаж по скорости; акустический каротаж по затуханию; волновой акустический каротаж и др. Каротажи по скорости и затуханию составляют стандартный АК и проводятся обычно одновременно. Данные АК используют для расчленения разреза, выделения нефтегазовых и водонасыщенных коллекторов, трещиноватых и кавернозных зон, оценки пористости,
трещиноватости и физико-механических свойств пород, а также для контроля за техническим состоянием скважин. По диаграммам АК вычисляют средние пластовые скорости, что сокращает объем экспериментальных сейсмических исследований в районе проведения сейсморазведки. [109].
Для сложнопостроенных коллекторов в работах О.Л. Кузнецова и др. [72,110,111] дана методика оценки коэффициента пористости при совместной обработке методов АК, НГК и ГГК.
В трудах В.Н. Ивакина, Е.В. Каруса и О.Л. Кузнецова показана целесообразность применения широкополостного акустического каротажа по затуханию Р и S волн для оценки характера насыщения однородных и малоглинистых теригенных коллекторов.
Акустический каротаж (АК) широко применяется для исследований скважин, как в нашей стране, так и зарубежом. Многие геофизические компании включают АК в стандартный каротаж пористости и оценки технического состояния скважин.
В развитие второго - акустико-гидродинамического метода (АГДМ) исследований пористых сред и скважин большой вклад внесла группа ученых под руководством профессора Ю.П. Коротаева.
Принципиальным отличием акустико-гидродинамического метода исследования (АГДМ) от акустического каротажа и акустического воздействия является не только то, что в первом случае создаются искусственные колебания, а во втором исследуются естественные с широкой полосой спектра, но и то, что в этом случае интенсивность естественного акустического поля существенно меньше, чем при искусственном воздействии. Интенсивность естественного акустического поля применительно к условиям работы скважин и призабойной зоны пласта значительно меньше, чем 1 Вт/м , и уменьшается с ростом давления.
В связи с отсутствием в достаточном объеме соответствующей аппаратуры АГДМ имеет пока ограниченное применение. Длительное время исследования по указанным направлениям волновых технологий проводились ВНИГРИ, ВНИИнефтью, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, ВНИИГазом, ВНИИЯГТ и др. Однако на данном этапе требуется дальнейшее развитие основных закономерностей распространения акустических полей в пористых средах применительно к разработке газовых и газоконденсатных месторождений. Сложность проблем теоретического и практического характера обусловлена также нелинейным воздействием упругого поля на горные породы. [81].
Сущность АГДМ состоит в комплексном измерении гидродинамических и естественных акустических характеристик (интенсивности и спектра частот) аэродинамического шума, возникающего при движении флюида в скважине и призабойной зоне пласта для определения параметров потока и пористой среды (проницаемости, пористости, макрошероховатости и др.).
Применение АГДМ началось с измерения дебитов газовых и газоконденсатных скважин акустическими приборами [93,97]. Достоинством этого метода измерений является то, что он позволяет измерять не только общий дебит скважины, но и расходы отдельных компонентов: газа и жидкости, а также получать информацию о наличие в потоке песка. Этот метод является практически единственным при измерении дебитов аварийных горящих и негорящих фонтанов. М.А. Бабаловым, с помощью АГДМ были измерены дебиты аварийно-фонтанирующих скважин на целом ряде месторождений.
С помощью АГДМ был определен дебит аварийного фонтана на месторождении Урта-Булак, равный 18 миллионов м /сут., ликвидация которого оказалась возможной только с помощью ядерного взрыва,
осуществленного в пробуренной наклоннонаправленной скважине. [95].
Дальнейшее развитие АГДМ получил после создания глубинного акустического прибора - шумомера, спускаемого в скважину. Исследования с помощью АГДМ показали его большие возможности по четкому выделению работающих интервалов пласта и распределению дебитов газа между ними. Анализ результатов исследований АГДМ скважин позволяет обнаруживать места интенсивного притока газа, интервалы выноса жидкости из пласта, условия барботажа, а также перетоки и утечки газа.
Кроме того, имеется возможность отбивки каждой муфты в насосно-компрессорных трубах и положения башмака колонны обсадных труб. Количество газа из каждого пропластка определялось по проценту площади акустического всплеска от общей площади.
Представляет интерес определение условий и интервалов разрушения призабойной зоны и количество выносимых частиц породы. Для этой цели эффективно использовать те же акустические методы. При выносе песка происходит соударение частиц с пьезокерамическим датчиком и на его выходе возникает импульс напряжения. Таким образом можно определять дебиты, которые гарантируют износостойкость элементов оборудования.
Сегодня актуально применение АГДМ определения работающих интервалов на различных месторождениях и ПХГ.
Анализ результатов применения АГДМ по определению работающих интервалов пласта показал, что, во-первых, они фиксируются с помощью АГДМ только после превышения критической скорости фильтрации, сопровождаемого нарушением линейного закона Дарси и возникновением акустического шума и, во-вторых, как правило работающие интервалы составляют только небольшую часть вскрытой толщины пласта и представляются в виде отдельных всплесков акустической интенсивности. Первоначально акустически начинают проявляться пропластки,
приуроченные к интервалам, характеризующимся наименьшим значением критического числа Рейнольдса.
С ростом дебитов увеличивается число работающих интервалов, и спектральная характеристика представляется уже в виде сплошной кривой повышенной интенсивности шума. Первоначально исследовался весь спектр частот. В последующем было установлено, что основная акустическая мощность при истечении газа из пористой среды относится к ультразвуковому спектру частот, а истечение газа из перфорационных каналов - к звуковому диапазону частот.
Ю.П. Коротаевым, СП. Сибиревым и др. исследователями был создан глубинный акустический прибор с двумя отдельными акустическими датчиками для измерения звукового и ультразвукового диапазона частот. Такой подход позволил по интенсивности шума в звуковом диапазоне частот определять дебит газа из каждого перфорационного отверстия, а по характеристике шума в ультразвуковом диапазоне судить о параметрах пористой среды. Проводя АГДМ исследования на различных режимах работы скважин, имеется возможность судить об изменении дебита в каждом перфорационном отверстии или отдельных интервалах пласта. [100].
В то же время с помощью АГДМ оценить работающие интервалы пласта возможно только в том случае, когда в последних создаются условия для возникновения аэродинамического шума при Q>QKp , т.е. при наличии вихревого потока на забое или в призабойной зоне пласта. При этом, как показал анализ проведенных исследований, условия и акустические характеристики являются различными для скважин с открытым забоем и при наличии перфорации. Если в первом случае относительно просто можно судить по АГДМ о параметрах пористой среды, то во втором случае необходимы разработка и создание специальной методики их определения путем выделения ультразвуковой составляющей. Еще одним направлением
применения АГДМ является диагностика ствола скважины, и в том числе, определение газонасыщенности при движении газожидкостных смесей в стволе скважины.
В настоящее время эти исследования интенсивно развиваются в США. Р. Мак Кинли, Д. Робинсоном, Бауэром и др. исследователями проводились работы по определению дифференциальных дебитов из различных пропластков, а Миландом, Берри, Болдуином - по определению малой локализации утечек газа и жидкости [164], и выделению интервалов поступления твердых частиц породы из пласта.
Оценка дебита газа из перфорационного отверстия, экспериментально, по шуму струи получена Р. Мак Кинли. Теоретически, исходя из уравнения излучения звука в окружающую среду, с учетом ряда упрощений, получена зависимость звукового давления от расхода и плотности газа.
Е.Ф. Афанасьевым рассмотрена генерация звука в насыщенной флюидом пористой среде. Из решения волнового уравнения для динамики насыщенных пористых сред получено, что при ламинарном режиме фильтрации источники звука не проявляют себя. Таким образом, звук аэродинамического происхождения, генерируемый насыщенной флюидом пористой средой, происходит только при вихревом течении.
АГДМ исследования скважин в России начал применяться значительно раньше чем в США. [77]. Проведенные Ю.П. Коротаевым, Ю.И. Бородиным и К.Л. Грдзеловой [97] и в США Бритом и Р. Мак Кинли [159,165] исследования АГДМ ствола скважины показали, что для эмульсионного течения характерны частоты 300-700 Гц., для четочного - 200 Гц., при частотах свыше 1000 Гц. двухфазный поток практически не отличается от однофазного.
Применение АГДМ исследования скважин значительно расширяет возможности получения дополнительной информации о параметрах пластов
и скважин [85,86,100]. АГ ДМ послужил основой для совершенствования методики гидродинамических исследований скважин, более точного определения коэффициента фильтрационного сопротивления и обоснования и установления оптимального энергосберегающего режима их работы [86,88]. Применяя при АГДМ в глубинном акустическом приборе, спускаемом в скважину, специальные акустические датчики по измерению количества песка, имеется возможность установить количество и интервалы его выноса. Такие исследования проводились СП. Сибиревым и др. [100].
По предложению Ю.П. Коротаева в ГАНГ им. И.М. Губкина разработана информационно- управляющая система непрерывного контроля и управления технологическим режимом работы скважин, основанная на акустических измерениях, проводимых на устье и передаваемых по радиоканалу со скважины на УПКГ (данные о дебите газа, давлении, температуре и количестве жидкости в газе и выносимого песка).
В качестве дальнейшего развития предложенной системы контроля состояния скважин предложено осуществлять контроль за межколонным давлением и вибрацией на устье скважин. Предварительные экспериментальные исследования по этому вопросу на скважинах Карачаганакского месторождения выполнены К.Л. Грдзеловой и Л.Б. Габелко, которые были продолжены на Уренгое О.В. Ермолкиным, СП. Сибиревым и А. Епифановым. Предполагаем, что это даст возможность судить не только о вибрации устьевого оборудования и фонтанных труб, но и о деформации обсадных колонн при различных режимах эксплуатации скважин, а также о других параметрах. Это позволяет инструментально определять технологический режим с учетом ограничения на надежность работы скважин. При решении этого вопроса предполагается использовать результаты, полученные для контроля забойных параметров, используя ствол скважины как канал связи. [100,101]. В настоящее время испытаны три
модификации системы контроля технологического режима работы скважин: первое - с периодическим измерением показаний на скважине; вторая - с запоминанием измеряемых параметров в течение двух месяцев; и третье - с передачей информации по заданной программе по радиоканалу на УКПГ. Эти работы активно развиваются группой ученых под руководством профессора О.В. Ермолкина. [88,100].
В последнее время развитие АГДМ было связано с исследованием фильтрационных процессов и создания АГДМ исследования пористых сред.
Ранее проведенные акустико-гидродинамические исследования пористых сред выполнялись на различных экспериментальных установках, разработанных под руководством Ю.П. Коротаева. В этих исследованиях участвовали: К.Л. Грдзелова, Л.Б. Габелко, А.П. Иванчук, Н.И. Родичев.
Проведя анализ этих исследований было выяснено, что для успешного применения АГДМ необходимо провести углубленные лабораторные исследования на кернах, позволяющие устанавливать зависимости параметров акустических шумов, возникающих в процессе фильтрации (их интенсивности и спектрального состава) с микростуктурой пористой среды и её макрохарактеристиками. Также хочется отметить, что проведенные ранее исследования, в силу объективных причин, были выполнены с недостаточной точностью и однозначно интерпретировать полученные данные затруднительно.
Таким образом и процессе АГД исследований наряду с определением условий генерации шумов при фильтрации и распространением акустических волн в пористых средах необходимо выполнять высокоточные измерения гидродинамических параметров в широком диапазоне изменения скоростей фильтрации, чтобы надежно определять границы применимости закона Дарси и в дальнейшем вносить коррективы при выборе технологических режимов работы скважин.
Определение параметров пластов и скважин по данным акустических исследований
В условиях аварийного фонтанирования определение дебита скважины обычными методами невозможно. Ю.П. Коротаевым предложен акустический способ определения дебита, основанный на взаимосвязи гидродинамических параметров струи газа с акустическими характеристиками звукового давления, создаваемого этой струей. Для определения зависимости между дебитом струи газа и шумом, генерируемым при истечении струи в атмосферу, были проведены эксперименты. В результате обработки данных экспериментов получены зависимости 1 = 1 (Q) для горящих скважин и негорящих струй на различных расстояниях от устья до точки измерения и при разных дебитах. Предельная относительная погрешность при вычислении по этой формуле не превосходит 7%. При определении дебита аварийно-фонтанирующей скважины по звуковому давлению необходимо установить характер истечения: дозвуковой (статическое давление на срезе выходного устройства равно атмосферному), или звуковой (статическое давление на срезе 10 Мпа). Это необходимо сделать, поскольку в указанных двух областях действуют различные закономерности. В результате изучения звукового давления (шума) горящих струй были получены зависимости вида I = I(Q) (см. рис. 1.1.-6). Для холодных струй были получены другие зависимости вида I = I(Q) (см. рис 1.1.-а). Сравнение уровня звукового давления І в какой-нибудь выбранной точке измерения показывает, что при одинаковых режимах истечения (Q = const, d = const) шум горящих струй всегда выше шума холодных струй. Глубинные исследования скважин проводятся с помощью глубинного шумомера. Для исследования скважин АГДМ был разработан акустико-гидролинамический прибор - глубинный шумомер. На рис. 1.2. приведена схема взаимодействия турбулентной струи газа из перфорационного отверстия с чувствительным элементом глубинного шумомера. Для глубинных шумомеров пригодны стандартные геофизические станции. отверстия с датчиком глубинного шумомера. В глубинном шумомере были установлены три датчика для получения информации в ультразвуковом и низкочастотных диапазонах. Находясь в стволе работающей скважины, чувствительный элемент шумомера реагирует на звуковое излучение, создаваемое потоком газа. Реакцией чувствительного элемента (пьезодатчика) является электрический сигнал, поступающий в электронный блок предварительного усиления и далее по кабелю на поверхность. Области с наиболее развитой турбулентностью генерируют звук большей интенсивности. Такими областями в работающей скважине являются места сообщения скважины с пластом. Поэтому при прохождении глубинным шумомером газоотдающих интервалов сигналы, вырабатываемые чувствительным элементом, резко увеличиваются по амплитуде.
В качестве наземной панели используются измеритель шума и вибраций типа ИШВ-1 или вольтметр. При замере акустического шума можно снимать значения интенсивности в общей полосе частот, так называемую линейную интенсивность 1лин. Встроенные в прибор активные фильтры позволяют фиксировать интенсивность шума в диапазоне частот 31-8000Гц. Шумограмма записывается на фоторегистратор и магнитофонную ленту. Одновременно проводится прослушивание скважины с помощью магнитофона. Запись на магнитофонную ленту позволяет многократно воспроизводить ее, А также проводить анализ шумограмм, полученных при исследовании скважин, в лабораторных условиях. В результате каждого испытания скважины строится диаграмма с записью изменения интенсивности шума в диапазоне глубин, соответствующих местонахождению газоносного пласта.
Принимая площадь всех аномалий шума за единицу и вычисляя долю площади каждой аномалии от суммарной, можно оценить дебит скважины из каждого работающего пропластка в соотношении, равном соотношению площадей аномалий.Исследования скважин АГДМ проводились на Шебелинском, Оренбургском, Уренгойском и др. месторождениях, а также на Щелковском и Калужском ПХГ. С помощью АГДМ определяли: газонасыщенность в стволе скважины; установление зон перетока газа в работающих и остановленных скважинах; межколонные перетоки газа, интервалы и количество выносимого песка, энергосберегающий дебит.
Зависимость фильтрационных парметров пористых сред от средних размеров пор
При проектировании и эксплуатации газовых месторождений коллекторские и фильтрационные свойства пород, как правило, определяются на основании интегральных характеристик, связанных со средними размерами каналов пористой среды или эффективным диаметром образующих скелет породы частиц [151]. Основными показателями этих свойств являются следующие: 1. Пористость, характеризуемая коэффициентом полной (абсолютной) пористости равным отношению суммарного объема пор образца Vn к объему всего образца V: Vn т= — " V Фильтрационные свойства породы в большей мере определяются коэффициентом открытой пористости - то, равным отношению объема открытых, сообщающихся пор к объему образца. В дальнейшем в данной работе рассматривается только этот коэффициент пористости. 2. Проницаемость характеризует способность пористых сред пропускать флюиды. Для оценки проницаемости используется линейный закон фильтрации Дарси, согласно которому скорость фильтрации в пористой среде пропорциональна градиенту давления: v = — = - gradP (2.1.) F ju v где v - скорость фильтрации - объемный расход флюида,? - площадь фильтрации, к - коэффициент проницаемости пористой среды, Р-динамическая вязкость флюида. Для керна длиной L , при перепаде Р -Р давления ДР = Р, - Р2 gradP = ——-. Среднее давление по длине 1-і Рг±Р, керна Рср = 2 . Считая, что объемный расход газа связан с давлением по закону Бойля-Мариотта, при этом давлении расход равен: _2Л р,-р2 Q = где Qo - расход газа при атмосферном давлении Р0. В этом случае проницаемость можно определить по формуле: K = 1ML go (2.2.) F р?-р22 к J Прямой зависимости между проницаемостью и пористостью не существует, однако ее можно выразить через средний гипотетический размер пор [103,151]. Если пористую среду представить в виде системы прямых цилиндрических трубок одинакового радиуса R и длиной L, то в соответствии с законом Пуазейля: е = Л (2.3.) где п- число пор на единицу площади фильтрации, R - средний радиус пор, F - площадь фильтрации, АР-перепад давления, /и - коэффициент динамической вязкости, L - длина образца пористой среды. Коэффициент пористости такой среды: Vmp nFnR2L _2 т = —- = — = плк VooP FL Подставляя это значение в формулу (1.3), получим: Є = (2.4.) По закону Дарси этот расход равен: S = (2.5.) JUL Приравнивая правые части выражений (2.4.) и (2.5.), получим связь проницаемости пористой среды с ее пористостью и средним размером пор: mR2 к = 8 Таким образом усредненный радиус пор можно определить по формуле: R = J— (2.6.) V т Для реальных пористых сред вводится структурный коэффициент характеризующий отличительные особенности строения порового пространства. Для зернистых пород структурный коэффициент можно приблизительно определить по эмпирической формуле [151]: 0.5035 р=—— т Таким образом, для реальных пористых сред, усредненный гипотетический диаметр поровых каналов может быть рассчитан по формуле: / = 5.72-0.5035- - (2.7.) V т Справедливость этой формулы проверялась в данной работе для ряда кернов путем сравнения результатов расчетов с данными ртутной порометрии, заимствованными из работы [49]. полученные результаты приведены в таблице 2.1. Таблица 2.1. Расчетные значения средних диаметров пор. N керна К m dmax dcp мд. % мкм. мкм. 45-180 53.50 22.5 16.0 142.2 7-73 0.07 5.8 0.4 21.3 7-205 4.50 16.4 8.0 57.5 2973 270.00 16.1 200.0 453.8 Как видно из этой таблицы, результаты расчетов по формуле (2.7.) дают для средних диаметров завышенные значения, превышающие максимальные диаметры пор, полученные методом ртутной порометрии. С учетом этого, формула (2.7.) была скорректирована и получена новая формула, позволяющая получить более точные результаты для рассматриваемой группы кернов: d = 5.6 0.05- (2.8.) V т Если пористость исследуемого образца неизвестна, то ее можно определить с использованием этой формулы, если известны результаты гидродинамических исследований хотя бы для одного из режимов фильтрации. Разработан алгоритм выполнения таких расчетов. Исходные данные для расчетов получены для одной группы кернов экспериментально акустико-гидродинамическим методом на лабораторном стенде, а для другой группы, для которой имелись данные по ртутной порометрии, расчетным путем по математической модели, приведенной в следующих отделах данной работы. Расчеты выполнялись по следующему алгоритму: Задаются значения проницаемости -К [мД], градиента давления Р -Р з gradP = ——-, [мПа/м] и соответствующего расхода газа через керн -Q [м /с], Li для одного из режимов, близкого к критическому, в пределах справедливости закона Дарси. Задается также некоторое исходное значение пористости, например ш=0.1. Далее по формуле (2.8.) рассчитывается усредненное значение диаметра пор -с![мкм]. В соответствии с уравнением для определения расхода газа на ламинарном режиме, через капилляр такого же диаметра, рассчитывается скорость газа: Значения коэффициентов, входящих в уравнение (2.9.) были подобраны эмпирически, так, чтобы результаты расчетов минимально отличались от экспериментально полученных данных. Количество гипотетических пор, которое было в образце, если бы они все имели одинаковые диаметры, определяется как частное от деления расхода газа через образец на расход газа через одну пору:
Основы возникновения аэродинамических шумов
Аэродинамические процессы играют большую роль в современной науке и технике. Как правило, всякое течение газа или жидкости сопровождается звуковым или ультразвуковым полем. Это звуковое поле можно классифицировать следующим образом: 1. Звук, происходящий из-за периодического выпуска газа в атмосферу. Типичным примером источника такого звука является сирена. Составляющие этого сигнала могут встретиться при работе ротационных воздуходувок и турбин, различных гидравлических машин объемного действия и т. п. 2. Звук, возникающий из-за образования вихрей у твердых границ потока. К этой категории относится вихревой сигнал, образующийся при срыве вихрей, сопровождающих обтекание тел, и сигнал пограничного слоя, образующийся за счет турбулентности потока у стенок канала или поверхности обтекаемого тела. 3. Звук турбулентного характера, возникающий вдали от твердых границ при перемешивании потоков, движущихся с различными скоростями. Эти сигналы преобладают при выбросе сжатого воздуха и пара в атмосферу. 4. Звук, возникающий из-за периодических изменений давления на лопатках машин вследствие неоднородности потока, поступающего на рабочее колесо, и вследствие пульсации давления в среде. 5. В потоке, движущемся со сверхзвуковой скоростью, возможно возникновение нескольких типов аэродинамических сигналов, обусловленных наличием ударных волн. 6. Неустойчивые типы течений (поверхность раздела между подвижным и неподвижным воздухом вблизи резонатора, тонкая струя, набегающая на препятствие) в ряде случаев служат причиной возникновения звука с дискретным частотным спектром, если есть механизм регулирования частоты колебаний в виде резонатора или механической колебательной системы. 7. Горение также может служить источником звука из-за того, что в объеме, где оно происходит, могут возникнуть управляющие акустические процессы, а при отсутствии таких процессов доминирует звук, обусловленный турбулизацией потока и флюктуациями плотности газов. 8. Возможны совместные аэродинамические и механические процессы, приводящие к появлению звука. Подобные явления в аэродинамике называются флаттером. 9. Капельным жидкостям присущ особый вид звукообразования-кавитационный шум, возникающий из-за потери жидкостью прочности на разрыв при уменьшении в ней давления ниже определенного предела и возникновении полостей, заполненных парами жидкости и растворенными в ней газами, при схлопывании которых возникает звуковой импульс. В широком классе аэродинамических источников звука встречаются колебания неустойчивых поверхностей раздела слоев жидкости в горле резонатора или ламинарных свободных струй. Эти источники используются в музыкальных инструментах (органная труба, флейта, свисток) и в технике для возбуждения мощных звуковых и ультразвуковых колебаний. Ы Теоретические и экспериментальные исследования перехода ламинарного течения в турбулентное показали, что в начальный момент в потоке возникает несколько колебаний в одной плоскости (волны Толмина), которые перерастают в более сложные трехмерные движения (волны Бення-Линя). Эти волны разрушаются мелкомасштабными пульсациями (зона вторичной неустойчивости), которые переходят в пятна Эммонса и турбулизуют все течение [162-166].
Зарубежными учеными проводились исследования образования широкополостного акустического поля в идеальном грунте, состоящем из капилляров диаметром от 0,4-0,9мм. В результате проведенных экспериментов было доказано, что ламинарная струя не изучает звука. При увеличении перепада давления в модели между входом и выходом появляется звуковой сигнал, имеющий хорошо фиксируемую спектральную плотность с дискретной частотой в области 5,ЗкГц. Дальнейшее увеличение расхода азота приводит к увеличению общего уровня звукового давления во всей полосе частот от 1 до ЮОкГц и постепенному росту максимальной амплитуды в сторону увеличения частоты[165]. С целью переноса данных, полученных на идеальном грунте, на фильтрационные процессы, происходящие в реальных газоносных породах, изучалось акустическое поле образцов горных пород, с помощью высокоточных анализаторов спектра. При движении струи газа через керн появляются первые признаки акустического излучения, причем частота увеличивается с увеличением скорости потока. Здесь основное влияние на разрушение ламинарного потока оказывают мелкомасштабные возмущения. Начальный участок породы излучает акустические колебания, которые многократно отражались от металлической поверхности входной камеры, предварительно турбулизуют поток газа, и влияют на процессы фильтрации, чего не происходит в природных условиях. Эксперименты, проводимые на капиллярах, исключали влияние микрогеометрии обтекаемой поверхности, поэтому переход от ламинарного потока к турбулентному не происходит за счет пограничного слоя, а был связан с внутренним диаметром, длиной капилляра, перепадом давления и скоростью потока. С целью более детального изучения влияния акустических колебаний в пористой среде были проведены эксперименты на установке «спектр-2». Получены результаты звукового давления в широком диапазоне частот от 1 до 200кГц. Процессы, сопровождающиеся подобными волновыми процессами, относятся к классу «газоструйных излучателей ультразвука». Изучение влияния широкополостного ультразвукового поля УЗП, образовавшегося при фильтрации газа из продуктивной толщи, нужно начинать с определения частотных зон в этом излучении, которые максимально воздействуют на гидрогеологические и гидродинамические процессы, происходящиеи при добыче газа. Появление ультразвукового излучения в эксплуатационных скважинах может вызвать ряд нежелательных эффектов, приводящих к более быстрому подтягиванию газоводяного контакта — ГВК в продуктивных пластах. Причина подобного явления была замечена Тейлором и Спроулем, которые сделали попытку объяснить действие ультразвука на процессы добычи. Механизм излучения акустических волн в газонасыщенных породах, образующихся при фильтрации, имеет вихревую структуру звука в зоне устойчивой турбулизации потока. Это позволяет воспользоваться теорией Рэлея, который установил, что частота вихревого звука равна частоте образования вихрей. [53].
Стенд для проведения акустико-гидродинамических исследований кернов
Измерения должны выполняться с высокой точностью. Поэтому к экспериментальной установке и измерительным приборам предъявляются повышенные требования. Экспериментальная установка для проведения гидродинамических исследований должна соответствовать следующим требованиям: - максимально возможная герметизация рабочей камеры и связанных с ней полостей, заполненных фильтруемым газом; - должна быть предусмотрена возможность обжима исследуемого образца пористой среды, предотвращающая неконтролируемые перетоки газа; - учитывая, что исследования проводятся в широком диапазоне изменения расходов газа требуется наличие измерительных приборов, обеспечивающих высокую точность измерений при расходах газа в диапазоне от 0.5 до 25 см /с; - должна быть предусмотрена возможность тестирования установки для проверки ее герметичности и калибровки измерительных приборов. Помимо гидродинамических исследований кернов необходимы приборы для измерения интенсивности акустических шумов, возникающих при фильтрации и определения их спектрального состава. Желательно, чтобы экспериментальная установка была оснащена автоматизированной измерительной системой, обеспечивающей получение большого объема измеряемых параметров с высокой точностью. В состав системы должны входить: - датчики для измерения давления в камерах высокого и низкого давления, класса точности не хуже 0,5, с электрическим выходным сигналом; - прибор для измерения малых расходов газа в диапазоне от 0.2 до 25 см /с, с электрическим выходным сигналом, газодинамическое сопротивление прибора не должно превышать 100 мм. вод. ст., допустима его работа в периодическом режиме; - микропроцессорный контроллер для сопряжения измерительных приборов и ЭВМ, преобразующий информацию с датчиков и управляющий работой системы. Помимо измерения основных параметров фильтрации, необходимо контролировать температуру и барометрическое давление окружающей среды. Экспериментальные исследования должны носить комплексный характер. Поэтому наряду с установкой для гидродинамических исследований кернов нужно иметь комплект аппаратуры для определения порового состава образцов породы, их физико-химических свойств и т.п. Необходимо оборудование для подготовки образцов к исследованию.
Для определения фильтрационных характеристик образцов пористых сред (кернов), и уточнения закона фильтрации, используется стенд, на котором газ пропускается через исследуемый образец, и измеряются давления в камерах на входе и выходе керна, а также расход газа. По измеренным параметрам рассчитываются фильтрационные параметры пористой среды. Для проведения акустико-гидродинамических исследований, т.е. изучения характера и природы возникающего при фильтрации акустического шума в камере над исследуемым образцом устанавливается микрофон, фиксирующий шум.
Конструкция стенда для АГДМ исследований показана на рис. 3.2. -ж—і—U4-I/5 /в Схема стенда для проведения АГДИ кернов. 1-компрессор; 2,4,7-вентили; 3,6,15-манометры; 5,16-регулировочные вентили; 8-рессивер; 9-камера; 10,14-акустические фильтры; 11-кернодержатель; 12-керн; 13-микрофон; 17-измеритель расхода; 18-усилитель; 19-анализатор спектра. Компрессор - 1 накачивает воздух в рессивер - 8, создавая давление 6-8 атмосфер. Вентиль -2 служит для устранения утечек после отключения компрессора. Давление в рессивере контролируется манометром - 3. Рессивер снабжен запорным вентилем - 7. Через входной вентиль - 4 газ поступает на регулировочный игольчатый вентиль - 5. Далее газ поступает в камеру - 9 в которую установлен керн -12 в кернодержателе -11. Давление перед керном измеряется образцовым манометром - 6. Газ из камеры за керном -14 через регулировочный вентиль -16 поступает на измеритель расхода -17. Давление на выходе из керна контролируется образцовым манометром -15. Для изучения характера и природы возникающего в процессе фильтрации акустического шума в камере над исследуемым образцом-14 установлен микрофон - 13. Сигнал от микрофона по герметически заделанному в заглушку проводу поступает на широкополостныи усилитель - 18, с выхода которого он поступает на анализатор спектра - 19. Для устранения побочных шумов, возникающих в процессе эксперимента и уменьшения акустического резонанса в камерах под керном -9 и над керном -14 устанавливаются акустические фильтры. В процессе проведения АГД исследований давление и расходы газа изменяются в широких пределах. Для обеспечения высокой точности измерений предусмотрена возможность подключения различных типов измерительных приборов. Вместо образцовых манометров 6 и 15 могут быть использованы водяные манометры, измеряющие малые давления перед и за керном с точностью до 1 мм. в. ст. Предусмотрена возможность подключения и дифференциального манометра, измеряющего непосредственно градиент давления на керне. Для измерения расходов газа с высокой точностью разработан специальный прибор.
Похожие диссертации на Создание методики акустико-гидродинамических исследований пористых сред и скважин
