Нелинейные свойства вибросейсмических волновых полей и их использование для прогнозирования коллекторских свойств резервуаров

Глава 1. Состояние проблемы. Предпосылки исследования нелинейных эффектов в геологической среде в присутствии залежей УВ.

В первой главе приведен обзор теоретических и экспериментальных исследований нелинейных эффектов, возникающих в реальной геологической среде. Дано описание различных видов нелинейности, рассмотрен ряд физико-математических моделей среды, объясняющие ее нелинейность. Приведены основные уравнения линейной и нелинейной теории распространения волн, дан анализ истории развития нелинейного подхода, его современного состояния и обоснованы цели и задачи диссертационной работы.

Линейно - упругое приближение, положенное в основу традиционной сейсморазведки, уже давно не удовлетворяет потребностям развития новых методов изучения земных недр сейсмическим способом. Альтернативным путем развития сейсморазведки является создание методов, базирующихся на принципиально новых физических моделях реальных сред, учитывающих сейсмическую нелинейность коллекторов нефти и газа.

Обратимся к опыту более ранних работ и выделим результаты, позволяющие точнее и полнее сформулировать задачи и пути настоящего исследования.

Впервые теория распространения сейсмических волн в пористых средах с упругим скелетом и вязким заполнителем была предложена в 40-х годах Я.И. Френкелем. Впоследствии она была развита и дополнена в работах М. А. Био.

Достаточно полный и комплексный анализ процессов, протека ющих в насыщенных проницаемых средах, сделан В. Н. Николаевс ким. Разработанная им обобщенная теория распространения упругих волн получила в литературе название теории Френкеля - Био - Николаевского. В последующие годы она интенсивно развивалась и дополнялась.

Однако в ней не учитывался ряд нелинейных проявлений реальной геологической среды (неравномерности фильтрации жидкости в поровом пространстве, возможного взаимодействия волн). Совпадения с экспериментом либо отсутствовали вовсе, либо были очень неоднозначными.

Важнейшим положением этой теории для данной работы является утверждение о возникновении в многофазной среде особых, дополнительных к обычным продольным и поперечным, колебаний. Способность среды генерировать колебания говорит о ее сейсмической активности, а активность - одно из непременных свойств нелинейных сред, следовательно, переход к нелинейности, как к базовой парадигме - один из перспективнейших путей развития теории.

Из элементарной теории нелинейной акустики следует, что в акустически-нелинейной среде должны возникать волны кратных, комбинационных (суммарных и разностных) частот и не выполняться принцип пропорциональности.

Однако классическая акустика описывает волновые поля в средах без сдвиговых деформаций. Чтобы перейти к геологическим средам необходимо рассматривать теории распространения волн в твердых телах, например, базирующиеся на пятиконстантной теории упругости. Свойства изотропного твердого тела во втором приближении определяются в этих теориях пятью постоянными, из которых две являются линейными - это константы Ламе - модули всестороннего сжатия и сдвига, а три - нелинейными.

Так, например, на базе пятиконстантной теории А. В. Николаевым, В.В. Кузнецовым, О. Б. Хаврошкиным, И. А. Бересневым, Г. М. Шалашовым, Б. Я. Гуревичем и др. показана возможность выхода достаточно интенсивного направленного излучения волн разностных частот на дневную поверхность и доказано количественно, что это излучение может нести информацию о вполне определенном участке геологического разреза. Взаимодействие продольных волн в силу этих особенностей может быть использовано для исследовательских работ.

А.Л. Литвин и И.Д. Цванкин изучали процессы отражение и преломления плоских волн на границе линейной и нелинейной упругих сред. Экспериментально было доказано, что отношения модулей упругости третьего порядка к модулям упругости второго порядка варьируются от десятков для однородных материалов до десятков тысяч для реальных горных пород. Показано, что благодаря перепаду модулей третьего порядка на границах раздела в линейно-упругой среде возникают плоские отраженные продольные и поперечные волны, подчиняющиеся закону Снеллиуса.

Результаты ряда исследований (например, Сибиряков Б.П., Корнеев В. и др.) в области нелинейной сейсмики показывают, что наиболее ярко нелинейные сейсмические эффекты должны проявляться в микронеоднородных, многокомпонентных, трещиноватых горных породах.

В большинстве работ выделяются исходные, начальные причины нелинейности: нелинейность уравнений теории упругости, реальные физические свойства геологических сред (например, отклонения закона Гука от линейного), особенность конструкции вибрационных источников сейсмических колебаний и способов передачи нагрузок среде.

Нелинейность, связанную с точным выражением тензора деформаций, принято называть геометрической.

Нелинейность, присущую обобщенному закону Гука, т.е. обусловленную нелинейной зависимостью напряжений и деформаций, называют физической. Этот тип нелинейности непосредственно связан с такими характеристиками горных пород, как неоднородность, трещиноватость, пористость, водо-нефте-газонасыщенность и с особенностями поведения реального материала при деформировании. Экспериментальными исследованиями установлено, что физическая нелинейность играет определяющую роль в формировании сейсмических волновых полей в реальных средах.

К механической нелинейности отнесены явления, возникающие при взаимодействии рабочей плиты вибратора с грунтовым полупространством.

Нас интересуют физические свойства реальных сред и их влияние на нелинейные эффекты, поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать только физический вид нелинейности, выделяя его проявления в регистрируемых волновых полях.

Несомненным достоинством процитированных выше работ является то, что в них развит физико-математический аппарат предсказания нелинейных сейсмических свойств в геологических средах и показано, что для них справедливы основные закономерности общей нелинейной акустики:

1. В коэффициентах степенных рядов решений волновых уравнений появляются вторая и выше степени исходной амплитуды, т.е. сигнал, прошедший через среду нелинеен относительно амплитуды в источнике.

2. В нелинейном процессе в геологической среде кроме исходной частоты ω появляются еще и кратные ей частоты 2 ω, 3 ω...

3. Если исходный сигнал включает набор частот, например, [sinω₁t + sinω₂t], ω₁ >= ω₂, то в среде возникают еще и частоты (ω₁-ω₂) и (ω₁+ω₂). Это так называемые комбинационные частоты или волны взаимодействия.

Однако параметры, которыми аппроксимируются свойства среды, в том числе упругие модули высших порядков, не всегда однозначно "привязаны" к каким-либо конкретным и важным с практической точки зрения свойствам этих сред. Для того, чтобы наполнить теорию реальным геологическим смыслом, необходимо ее экспериментальная проверка.

Эксперименты, направленные на проверку принципа сейсмической суперпозиции (ПСС), утверждающего, что два малых колебания, приходящие в одну точку среды, накладываются друг на друга без нелинейного взаимодействия, показали, что, в действительности волны в реальной геологической среде взаимодействуют. Так, например, волны комбинационных частот впервые наблюдались Роллингсом в 1964 году. В последствии их существование фиксировали Зарембо и Красильников в 1971 г., Джонсон и Шанклэнд в 1987, 1989, Николаев А.В., Береснев И.А., Соловьев В.С., Гуревич Б.Я., Гущин В.В., Шалашов Г.М., Робсман В.А. и многие другие.

Группа экспериментов, направленная на проверку принципа сейсмической пропорциональности (ПСП), утверждающего, что при увеличении мощности источника происходит пропорциональное увеличение амплитуды колебаний в различных точках регистрации, так же показала его несоблюдение. В действительности же, проявление нелинейных эффектов должно зависеть от амплитуды волны, возбуждаемой вибратором. Следовательно, изменение сигнала в приемнике непропорционально увеличению сигнала в источнике. В результате экспериментов, проведенных ИФЗ РАН под руководством Николаева А.В., было заключено, что с ростом мощности излучения происходит процесс насыщения амплитуды регистрируемого сигнала; увеличение мощности приводит к опережающему росту кратных гармоник.

Для количественной характеристики физической нелинейности твердых тел вводят величину, называемую параметром нелинейности. Он может быть выражен следующей формулой: K = ρv(Δv/ΔP) где ρ - плотность, Δv - изменение скорости, ΔР - изменение давления.

В этом выражении отражен тот факт, что степень зависимости местной скорости продольной волны от прилагаемого к середе напряжения является фактором, однозначно определяющим величину параметра нелинейности. Это понятно, т.к., чем сильнее эта зависимость, тем больше отличаются друг от друга скорости волны в зонах сжатия и разрежения, и, следовательно, тем сильнее ее нелинейные искажения. В линейной среде этой зависимости не существует.

Все оценки параметра нелинейности геологических сред, приведенные в различных исследованиях, сходятся вокруг значений К ~= 10³-10⁴.

Процессам нелинейного искажения сейсмических сигналов всегда противостоит диссипация энергии и дисперсия. Диссипация энергии стремится снизить нелинейные искажения. Количественную оценку соотношения этих факторов проводили в своих работах И.А. Береснев, А.В. Николаев и Соловьев В.С. Из полученной ими оценки следует, что нелинейные эффекты в сейсмической волне могут успешно конкурировать с диссипативными факторами и нарастать до ощутимых величин.

Итак, количественный анализ известных экспериментальных фактов и общих представлений о состоянии и структуре геологической среды на разных глубинах приводит нас к выводу о том, что нелинейные явления должны оказывать значительную роль в формировании сейсмических волновых полей.

Существует множество моделей, объясняющих регистрацию нелинейных эффектов. Среди них самые известные модели - это:

1. Модели, учитывающие фазовые переходы газ - жидкость - газ в насыщающих горную породу флюидах при распространении в них слабых возмущений.

2. Модели, учитывающие нелинейный характер деформации трещинных сред.

3. Концентрация напряжений на границах зерен и возникновение внутренних осцилляций в неоднородных средах.

4. Модели, учитывающие, рассогласованное движение скелета и флюида в поле сейсмических волн и возникающие при этом дополнительные силы.

Все из перечисленных выше моделей и ряд других имеют право на существование. Однако ни одна из них не может сама по себе объяснить весь комплекс наблюдаемых нелинейных явлений. Важно отметить то обстоятельство, что все эти модели так или иначе базируются на микронеоднородности, многофазности, проницаемости изучаемой среды, что и делает перспективным использование нелинейных эффектов в сейсморазведке при поиске месторождений УВ.

Выводы:

В результате обзора теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что реальная геологическая среда может проявлять нелинейные свойства. Определены основные проявления нелинейности реальной геологической среды: генерация гармоник, генерация волн комбинационных частот, непропорциональное изменение сигнала в приемнике при увеличении сигнала в источнике.

Уровень зарегистрированных нелинейных эффектов достаточно высок. Параметр нелинейности, определенный в различных экспериментах, имеет значения 10³-10⁴. На величину нелинейных эффектов влияет присутствие пор, разуплотненных зон, трещин, флюидонасыщенности.

Вместе с тем выявлена общая практически для всех работ направленность на доказательство "теоремы существования", т.е. на решение вопросов о линейности/нелинейности среды в целом.

Отсутствовали специальные исследования нелинейности в присутствии резервуаров нефти и газа, хотя и было неоднократно указано как в теоретических, так и в экспериментальных работах, что уровень нелинейных эффектов особенно высок в пористых, проницаемых, флюидонасыщенных средах.

Подобные направленные исследования позволили бы получать дополнительную информацию о породах-коллекторах, повысить достоверность и эффективность прогноза залежей УВ сырья.

Поэтому целью этой работы явилось восполнение отсутствующих исследований, а именно, исследование нелинейных эффектов на различных месторождениях УВ, на основе постановки и проведения комплекса полевых работ.

Для подобных полевых экспериментов необходим источник колебаний, позволяющий генерировать различные по форме, амплитуде, длительности и спектральному составу сейсмические сигналы. Сигналы должны быть строго устойчивыми и контролируемыми. Всем перечисленным требованиям удовлетворяет виброисточник, поэтому в качестве базовой методики полевых исследований была выбрана вибрационная сейсморазведка.