Сейсмоакустические многоволновые исследования в водонаполненных скважинах с помощью электроискрового источника упругих волн

Глава 4. Волновое поле электроискрового источника при каротажных наблюдениях и межскважинных просвечиваниях в реальных средах и при физическом моделировании.

В этой главе показано, что источник типа центра расширения на основе электроискрового разряда в водонаполненной скважине в реальной среде генерирует волновое поле, которое состоит из волн различных типов и эти волны несут информацию о разрезе, что это волновое поле поддается регистрации и эта информация с учетом разнообразных, в том числе и мешающих, факторов может быть извлечена из записей.

Поскольку такой источник создает импульс давления в скважине, заполненной жидкостью, то и прием колебаний естественно осуществлять с помощью приемников давления. При этом, в отличие от случая использования приемников скорости смещения прижимного типа, отсутствуют потери и искажения принимаемого сигнала за счет несовершенного контакта приемника со средой. Однако в этом случае возникает необходимость рассматривать сложное поле упругих волн давления в скважине и околоскважинном пространстве. Последнее обстоятельство, несмотря на чрезвычайную сложность волнового поля и зависимость его характеристик от ряда факторов, не всегда поддающихся учету, несет в себе предпосылки для расширения информативности каротажа скважин и межскважинных просвечиваний за счет вовлечения в анализ неиспользуемых при традиционном подходе динамических и кинематических характеристик волн разных типов.

Несмотря на то что поле импульсного источника давления в скважине уже много лет является объектом интенсивных исследований как в теоретическом, так и в экспериментальном плане, многие разделы этих исследований представляются недостаточно разработанными и дискуссионными. В особенности это касается приложения исследований к решению практических задач сейсмометрии скважин. Не всегда удается воспользоваться результатами теоретических расчетов для прогнозирования данных экспериментов, и наоборот, не всегда наблюдаемые явления поддаются численному моделированию. Лишь при сравнительно небольших энергиях разряда, в первые джоули, когда размеры парогазовой полости на порядок меньше диаметра скважины, можно воспользоваться разложением волнового поля с учетом влияния цилиндрической полости на формирование упругих волн.

В случае использования больших энергий разряда, когда на формирование парогазовой полости существенное влияние оказывают стенки скважины, их геометрия и физические свойства, на расстояниях в первые длины волн от источника вообще не представляется возможным пользоваться линейным приближением динамической теории распространения волн. Даже на больших удалениях от излучателя в качестве собственного источника колебаний следует рассматривать некоторый эффективный объем среды, включающий в себя излучающее устройство и интервал скважины вместе с околоскважинным пространством. Очевидно, что в этом случае, во-первых, все составные элементы этого эффективного объема будут ответственны за характеристики возбуждаемого поля, а во-вторых, воспользоваться линейным приближением можно будет лишь на расстояниях, многократно превышающих размеры этого эффективного объема. Рассчитать заранее размеры этой области и учесть ее влияние на формирование волнового поля не представляется возможным аналитически. Можно лишь опытным путем определить минимальное расстояние от излучателя, где изменение динамических характеристик волн начинает подчиняться законам геометрической сейсмики. Тем не менее, приведенные в 1 и 2 главах примеры теоретических расчетов во многих случаях хорошо описывают кинематику регистрируемых волновых картин, позволяют прогнозировать частотный состав и соотношения наиболее интенсивных частей волнового поля, по крайней мере на уровне импульсных сейсмограмм. В полном соответствии со своими предпосылками теоретические расчеты лучше всего отражают ситуацию, когда маломощный источник колебаний может рассматриваться как точечный и расположен в скважине, пробуренной в однородной толще. На практике подобная ситуация встречается, например, при работах в мощной песчано-глинистой водонасыщенной толще, где пренебрежимо малы контрасты акустических жесткостей между пластами.

В диссертации рассмотрены сравнительные кинематические и динамические характеристики объемных волн и гидроволн в реальных средах. Показано влияние акустической жесткости разреза на соотношение этих характеристик.

Различные типы пород - песчано-глинистые и карбонатные - характеризуются и разнотипными волновыми картинами. Тем не менее, можно выделить на записях волновых картин поля давлений, возбужденного с помощью электроискрового источника, две наиболее ярко выраженные особенности, различающиеся по кинематическим, динамическим признакам и спектральному составу: Р-волну (продольную) и Г-волну (гидроволну). Соотношение характеристик этих двух частей поля и определяет динамический и частотный диапазоны сейсмических записей.

Р-волны. Прямая продольная волна имеет объемную природу. Доказательством этому служат результаты наблюдений на одинаковых глубинах в скважине с излучателем и в соседней. Очевидно, что с точки зрения интенсивности, формы и скорости распространения наблюдается одна и та же волна, а измерения проводятся фактически в разных точках фронта. Таким образом, можно сделать вывод, что с позиций Р-волны, начиная с расстояния в первые длины волн, излучатель можно считать источником типа центра расширения в однородной среде, а собственно скважина в формировании поля объемных волн не принимает участия. Иными словами, прямая продольная волна при каротаже и просвечивании имеет одну и ту же природу, может быть идентифицирована на соответствующих записях, "не замечает" скважины и ведет себя так, как будто источник и приемник представляют собой точки в сплошной среде.

Влияние окружающих скважину пород на амплитуду и спектральный состав продольных волн можно проиллюстрировать следующим примером. Измерения в песчано-глинистых и карбонатных породах показали, что на расстоянии 10 м от излучателя, при неизменной электрической энергии возбуждения, равной 180 Дж, амплитуда прямой продольной волны в карбонатах на порядок меньше (0,15 Па против 1,5 Па), тогда как центральная частота в карбонатах больше лишь на 12-15%. Скорость продольной волны в песчано-глинистых отложениях колеблется в пределах 500-2000 м/с, а в карбонатах, залегающих близко к поверхности и довольно сильно разрушенных, - около 3500 м/с.

Уменьшение интенсивности продольных волн вдоль ствола скважины происходит быстрее, чем обусловленное только сферическим расхождением фронта и сопровождается сдвигом спектра волн в низкочастотную область. Отметим, что в карбонатных породах при увеличении расстояния до источника от 10 до 50 м после введения коррекции за расхождение амплитуда продольной волны уменьшилась в 4 раза, а центральная частота упала с 850 до 250 Гц, то есть в 3,4 раза. Примерно такая же картина наблюдается и в песчано-глинистых отложениях с той лишь разницей, что в зоне малых скоростей падение амплитуды и центральной частоты с расстоянием происходит еще быстрее. По-видимому, причины затухания в карбонатах и песчано-глинистых отложениях не полностью одинаковы. В карбонатах некоторая доля энергии волны рассеивается на локальных неоднородностях, кавернах, карстовых пустотах, областях трещиноватости и границах между литологическими разностями, тогда как в песчано-глинистых породах роль этого фактора сильно уменьшена.

Г-волны. В соответствии с моделью поршневого движения давление в скважине определяется только вертикальной координатой точки наблюдения Z и моментом времени t и не зависит от радиальной координаты точки наблюдения внутри скважины. Для маломощного электроискрового источника выполняется условие >> d, где - длина волны, равная в среднем 1 - 5 м, a d - диаметр исследуемых скважин, лежащий в интервале 0,07-0,3 м.

Основной особенностью кинематики гидроволны является низкая скорость распространения в сравнении с продольными волнами. Так, в зоне малых скоростей, сложенной мергелистым щебнем, рыхлыми суглинками, болотными отложениями, скорость распространения Г-волн лежит в пределах 100-500 м/с в то время как скорость продольных волн лежит в пределах 250 - 1500 м/с. В песчано-глинистых породах скорость Г-волны колеблется в широких пределах (200-1000 м/с) в прямом соответствии с колебаниями динамического модуля сдвига породы, как это следует из теоретических представлений, изложенных в главе 1. Наибольших значений скорость гидроволн достигает в карбонатных породах с жестким скелетом и соответственно большим модулем сдвига. Здесь скорость Г-волн может приближаться к своему пределу и достигает значений 1400 м/с.

Таким образом, на кинематической схеме волнового поля в скважине от электроискрового источника фазовый годограф прямой Г-волны представляет собой ломаную линию, которую можно продолжить (по крайней мере, теоретически) до точки возбуждения упругих волн.

В работе приведены экспериментальные данные, которые с одной стороны, подтверждают теоретические предпосылки об информативности кинематики гидроволн для расчленения разреза по сдвиговым свойствам и чувствительности динамики к акустической жесткости разреза, а с другой стороны, приводят к несогласию с теоретическими представлениями об уменьшении интенсивности гидроволны по мере удаления от источника колебаний. Согласно теории Уайта, изменение интенсивности при перемещении приемника в породы с иными упругими свойствами должно быть пропорционально отношению скоростей гидроволн в этих литологических разностях. На приведенных кривых это предположение не выполняется - амплитуда убывает быстрее, чем отношение скоростей гидроволн. Поскольку, при теоретических расчетах не принималось во внимание затухание гидроволн, можно предположить, что "добавка" в убывании амплитуды связана именно с этим явлением, причем в глинах затухание больше, чем песчаниках.

Основной динамической особенностью Г-волн на записях является их высокая интенсивность и большой видимый период в сравнении с прямыми продольными волнами. Лишь в случае сильного водонасыщения окружающих скважину рыхлых пород, в "низкоскоростном" разрезе, где скорость поперечных волн ниже значения скорости продольных волн в скважинной жидкости, интенсивность гидроволн может стать сравнимой и даже несколько ниже интенсивности продольных волн, в основном же она много больше.

Абсолютные значения давления, развиваемого в гидроволне на расстоянии одной ее длины волны при энергии разряда 0,2-1 кДж, для ЗМС - 0,002-0,006 МПа; для песчано-глинистых отложений - 0,4-1 МПа; для плотных песчаников и карбонатов - до 5 МПа.

Наряду с высокой интенсивностью одним из основных достоинств гидроволн при низкочастотном импульсном возбуждении является специфическая волновая форма. Как правило, это две-три положительные и отрицательные фазы давления с центральными частотами: для ЗМС 100-150 Гц; для песчано-глинистых отложений до 500 Гц. Причем, если интенсивность гидроволн обусловлена как величиной P(t), так и сдвиговыми характеристиками пород в околоскважинном пространстве и плотностью жидкости, то форма гидроволны определяется только видом функции P(t).

Следовательно, если интенсивность гидроволн от низкочастотного импульсного источника зависит как от условий возбуждения, так и от условий распространения волны и приема, то форма гидроволны определяется только условиями возбуждения. Однако многочисленные эксперименты показали, что интенсивность и форма гидроволны не остаются неизменными вдоль ствола скважины по мере удаления приемника от источника.

Особенный интерес с точки зрения изучения характеристик разреза представляет совместный анализ параметров прямых объемных волн и гидроволн. С помощью отношения характеристик двух типов волн можно описывать среду в околоскважинном пространстве, выделять типы сред по эти отношениям, например, переход от неводонасыщенного разреза к водонасыщенному и т.д.

Таким образом, представленные в этой главе результаты экспериментов указывают на необходимость рассмотрения вопроса о затухании объемных волн и гидроволн, его причинах и значимости каждой из причин в общем процессе.

Изменения, которые претерпевает импульсная волна при распространении в однородной поглощающей среде, можно учесть, если в волновом уравнении положить скорость или волновое число комплексными:

K(j )= ( )+j /v( ), где - частотно-зависимое поглощение; - фазовая скорость; - круговая частота. Влияние поглощения в этом случае может быть охарактеризовано как действие фильтра с частотной характеристикой

, где z - пройденное в среде расстояние. В области времени действие такого фильтра может быть описано импульсной характеристикой поглощения

.

Зависимость задается либо теоретически, либо на основании экспериментальных определений. Основные результаты экспериментов сводятся к тому, что: 1) в диапазоне частот от долей Герца до сотен килогерц зависимость для большинства горных пород является весьма близкой к линейной; 2) значения константы для горных пород заключаются в интервале (0,l -20)^.10^-6 с/м; 3) чем больше поглощение в среде, тем меньше скорость распространения в ней упругих волн. Зона малых скоростей - область максимальных значений параметра поглощения в разрезе.

Определения поглощения проводились методом построения линейной регрессии логарифма отношения модулей спектров импульсов, прошедших разный путь в среде. Получены параметры поглощения продольных волн в различных породах и слоях разреза.

При анализе затухания гидроволн рассмотрено влияние вязкого трения о стенки скважины, поглощения в околоскважинном пространстве, проницаемости вмещающих пород и поглощения в заполняющей скважину жидкости.

Степень влияния каждого из перечисленных факторов неодинакова и существенным образом зависит от частотного состава возбуждаемых гидроволн, а также от характеристики жидкости и околоскважинного пространства.

В диссертации приведены примеры результатов натурных и лабораторных экспериментов по выяснению роли каждого фактора в общем процессе затухания гидроволн и результаты конкретных определений параметров поглощения гидроволн в различных средах.

По результатам проведенного анализа затухания гидроволн, возбуждаемых электроискровым источником малой мощности в реальной среде, сделаны следующие выводы.

1. Основным фактором, определяющим потери энергии при распространении гидроволн в условиях приповерхностного разреза, является поглощение в околоскважинном пространстве, и оно близко по величине параметра затухания к поглощению поперечных волн.

2. Проницаемые зоны c мощностью, меньшей длины гидроволны, будут выделяться на записях каротажа на постоянных базах в виде резкого, возможно в несколько раз, падения амплитуды гидроволны в области проницаемой зоны, и этот факт можно использовать для выделения проницаемых зон в разрезе.

Направлением дальнейших исследований может быть поиск экспериментальной зависимости изменения интенсивности гидроволны вблизи проницаемой зоны от типа проницаемой зоны, параметра проницаемости и собственно значения давления в гидроволне.

3. Особый случай, нуждающийся в дополнительном исследовании, представляют собой скважины, заполненные густым буровым раствором. Здесь возможны значительные потери энергии гидроволны на распространение в собственно растворе. Необходим учет свойств раствора при расчетах динамического модуля сдвига в околоскважинном пространстве. Особое внимание необходимо уделить буровым растворам с потенциальными лиофильными свойствами, например, бентонитом.

4. Высокая чувствительность динамики и кинематики поперечных волн к изменениям сдвиговых характеристик в разрезе, позволяет использовать параметр затухания гидроволны в качестве дополнительного и надежного индикатора этих изменений.

При наличии границ в разрезе, пересекаемом скважиной, на записях появляются новые типы волн - результаты отражения и обмена продольных объемных волн и гидроволн. В работе проведен анализ результатов многочисленных экспериментов в различных разрезах, изучены характеристики и поведение волн каждого типа с целью вовлечения их в процесс описания параметров разреза.

Приведенные в диссертации расчеты и эксперименты объясняют возможное отсутствие или крайне малую интенсивность на записях отраженных продольных волн. Малая интенсивность отражений является результатом совместного действия двух факторов: преобладания границ второго рода между слоями в приповерхностной части разреза и относительного высокочастотного возбуждения продольных волн с помощью электроискрового источника.

Гораздо более выраженными динамически являются обменные гидроволны, порожденные падением продольной волны на границу сред, пересекаемую скважиной. В зависимости от свойств разреза обменные волны могут составлять заметную часть волнового поля в скважине. На оси времени обменные гидроволны занимают положение между порождающей их прямой продольной волной и прямой проходящей гидроволной, как правило, образуя интерференционную картину.

Годографы обменной гидроволны начинаются от места ее образования по глубине и от годографа вступлений прямой продольной волны по времени, продолжаясь с наклоном, соответствующим скорости распространения гидроволн выше и ниже границы раздела, где эта обменная волна образовалась.

Частотный состав обменной гидроволны определяется как частотной характеристикой скважины, так и частотным составом продольной

волны (а не проходящей гидроволны). Вследствие этого частотный состав обменной гидроволны занимает промежуточное положение между двумя основными волнами - продольной и гидроволной. Высокая относительно продольной волны интенсивность обменной гидроволны можно объяснить тем, что площать фронта гидроволны определяется только диаметром скважины, т.е. она может быть много меньше площади зоны Френеля для больших относительно длины волны расстояний между источником и приемником.

По своей природе обменная гидроволна близка к каналовой волне, ее фронт не расходится и переносимая ею энергия не велика.

Помимо образования обменных гидроволн, наличие границы раздела выражается в том, что образуются отраженные гидроволны.

Практическое значение отраженные от границ гидроволны могут иметь лишь в тех случаях, когда удается продлить их годограф до годографа прямой гидроволны, найти глубину их образования и таким образом "привязать" границу. Однако если граница настолько резка, что образуются отраженные гидроволны, то естественно ожидать образования в ней более высокочастотных, с меньшей длительностью импульса обменных гидроволн в первых вступлениях и по ним осуществлять привязку.

На основе проведенных в процессе выполнения работы полевых и лабораторных экспериментов получены зависимости и результаты, помогающие описать процесс распространения гидроволн в водонаполненных скважинах, учесть влияние каверн и инструментов:

• процесс отражения от границ слоев и неоднородностей - приборов и концов скважины зависит сложным и неоднозначным образом от перепада акустических свойств между слоями, размеров и материала неоднородностей, частотного состава и абсолютной величины возбуждаемого импульса давления;
• размеры объектов, вызывающих появление на записях интенсивных гидроволн могут быть в несколько раз меньше преобладающей длины волны, что, с одной стороны говорит о дифракционной природе появляющихся вторичных волн, а с другой стороны, о высокой чувствительности процесса образования вторичных гидроволн в скважине с излучателем;
• на записях следует ожидать появление энергетически ярко выраженных отражений гидроволн от концов скважины, где коэффициент отражения особенно на низких частотах может достигать по модулю "1".

Единственная динамически выраженная волна-помеха обычно наблюдается в карбонатном "жестком" разрезе в интервале времен между прямой продольной волной и прямой гидроволной при наличии механически нагруженного излучателем кабеля, проходящего мимо приемника. Представляется, что эта волна может быть предметом дальнейшего изучения, так как поведение ее кинематических и динамических характеристик весьма похоже на поведение характеристик поперечной волны в слоистом разрезе.

В работе отдельно рассмотрены вопросы просвечивания необсаженных скважин и с различными вариантами обсадки.

Волновое поле в скважине с приемником при просвечивании в отсутствие обсадки стальными трубами имеет более узкие динамический, частотный диапазоны и меньший набор волн разной природы, чем волновое поле в скважине с источником.

Динамика первых вступлений в слоистом разрезе может определяться вторичными обменными гидроволнами сравнительно большей интенсивности и несколько более низкочастотными, чем прямые продольные волны. Вторичные гидроволны могут служить надежным индикатором границ между слоями с различными свойствами в разрезе.

Комбинация наблюдений в каждой из двух необсаженных скважин с межскважинным просвечиванием дает исходный материал для кинематической томографии с привязкой к особенностям разреза вдоль стволов скважин и оценкой анизотропных свойств в межскважинном пространстве, но напрямую не может служить для динамической томографии из-за возможных искажений динамики продольных волн в первых вступлениях обменными гидроволнами.

Выводы.

1. Совокупность кинематических и динамических характеристик прямых продольных волн, гидроволн, обменных и отраженных гидроволн позволяет расчленять верхнюю часть разреза по значениям скоростей распространения продольных и поперечных волн, а также по параметрам поглощения продольных волн и гидроволн с точностью не хуже 5 - 8% . Эти характеристики можно увязать с такими свойствами пород как трещиноватость, проницаемость и водонасыщенность. При этом получаемые характеристики среды относятся к объему околоскважинного пространства радиусом от оси скважины не менее /2 по продольной волне и гидроволне с разрешающей способностью по вертикали не хуже первых десятков сантиметров.

2. Отношение скоростей продольных волн и гидроволн и их амплитуд с учетом расхождения объемной волны надежно коррелируется с типом пород и степенью их консолидации в околоскважинном пространстве.

3. Показана возможность определения параметра поглощения продольных волн по записям волн давления при возбуждении электроискровым источником.

4. Основным фактором, определяющим потери энергии при распространении гидроволн в условиях приповерхностного разреза, является поглощение в околоскважинном пространстве, и оно близко по величине параметра затухания к поглощению поперечных волн.

5. Использование свободно перемещающихся по стволу скважины источника и приемника для определения параметров поглощения продольных волн и гидроволн с является оптимальным.

6. Независимые данные кавернометрии или (и) поведение характеристик продольных объемных волн позволяет контролировать или учесть такие мешающие факторы, способные маскировать эффекты проявления в волновом поле границ, ослабленных зон, проницаемых зон и т.д., какими являются каверны и другие локальные изменения диаметра скважины.

7. Необходимо учитывать плотность и вязкость бурового раствора во избежание ошибок в результатах при расчетах динамического модуля сдвига в околоскважинном пространстве и параметра поглощения гидроволн.

8. Волновое поле продольных проходящих волн в соседней необсаженной или обсаженной пластиковой трубой скважине может быть осложнено в первых вступлениях более интенсивной и низкочастотной обменной гидроволной, порожденной падающей продольной волной на границы слоев и другие неоднородности приствольной зоны.