В главе 2 изначально обосновывается применение физического моделирования для изучения волн в скважинах. Показано, что несмотря на отличие затухания и скоростей упругих волн на высоких частотах, используемых в модели, от аналогичных значений, получаемых в натуре на низких частотах, использование высоких частот не представляется помехой. Объясняется это тем, что при моделировании не ставится задача прямого пересчета результатов, применительно к определенной горной породе, а все измерения выполнены в пределах одного частотного диапазона. В то же время на частотах, применяемых в эксперименте, константа поглощения, влияющая на фазовую скорость гидроволн, продолжает оставаться линейной функцией частоты. Т.е. причины изменения фазовой скорости в эксперименте сохранены в соответствии с верхней частью разреза.
Ширина модели не менее 20 см.
В этом случае влияние боковых стенок на упругие волны не будет сказываться.
Строение модели, применяемой для физического моделирования, приведено на Рис. 2.
Модель почти кубической формы, с основанием 29x29 см и высотой 27.5 см состояла из двух слоев. Первый слой плексигласа (полиметилметакрилат), толщиной 3.5 см, выполнял, прежде всего, опорную функцию при изготовлении модели. Основной второй слой модели, мощностью 24 см, был выполнен из гипса. Сквозная скважина, диаметром 1 см, формировалась при заливке жидкой смеси алебастра с водой в форму, в центре который была вертикально закреплена полиэтиленовая трубка, играющая в дальнейшем роль обсадки. Такой способ изготовления ствола скважины исключал возникновения зоны дробления, появляющейся при сверлении (<бурении>) отверстия.
 |
| Рис. 2 Строение модели, применяемой для физического моделирования условий на стенках скважины. |
Форма для заливки модели в дальнейшем играла роль контейнера для препятствия вытекания порового флюида из модели. Таким образом, модель работала при полном водонасыщении.
Большая толщина первого слоя плексигласа позволила разделиться во времени продольной и гидроволне.
С учетом использования излучателя, работающего на центральной частоте 20-25 кГц, размеры модели в длинах волн составили:
| диаметр скважины |
1/3...1/6 λ0 |
| расстояние от скважины до боковых стенок модели |
2...4 λ0 |
| глубина скважины |
4...8 λ0 |
Возможности модели:
Построенная в соответствии с теорией подобия модель позволяет решать широкий круг задач, связанных с моделированием поля упругих волн в скважине, к которым, например, относятся ситуация с забоем, влияние вязкости бурового раствора и т.д.
По скоростям продольных и поперечных волн данная модель соответствует случаю, распространенному в верхней части разреза, когда гидроволна излучает в пространство, так как скорость VT выше, чем скорость VS, например, это соответствует распространенным в верхней части разреза г Москвы юрским глинам.
При условии наличия миниатюрных датчиков модель позволяет производить измерения в скважине по применяемым в натурных исследованиях методикам с постоянной и переменной базой источник-приемник. Доступ к скважине не только со стороны устья, но и со стороны забоя позволяет оставлять пространство между источником и приемником свободным, исключая тем самым влияние корпуса зонда или кабеля.
Модель позволяет насыщать пористую среду различными жидкостями, что может быть использовано, например, для изучения влияния вязкости порового флюида на характеристики упругих волн, например, влияние бурового раствора.
Также она может случить наглядным учебным пособием и основой практикума лабораторной учебной задачи.
Таким образом, разработана и создана физическая модель пористой проницаемой среды со скважиной, по своим геометрическим характеристикам и свойствам материала отвечающая поставленным в работе задачам физического моделирования волновых процессов.
Значительная часть главы 2 посвящена аппаратуре и методикам проведения полевых и лабораторных исследований. Рассматриваются разнообразные излучатели и приемники, а также схемы измерений.
При полевых исследованиях в качестве излучателя применялся спаркер (типа центр расширения), а в качестве приемника - датчики давления на основе пьезокерамики. Основная часть измерений проводилась по так называемой методике потенциального каротажа: излучатель закреплялся неподвижно в одной из точек скважины, приемник с равным шагом двигался вдоль скважины.
В отличие от натурных условий, роль излучателя при моделировании выполнял не точечный источник, а датчик продольных колебаний поршневого типа с центральной частотой ~25 кГц. При условии установки такого излучателя на забое скважины строго по центру, как показано на Рис. 2, и регистрации в скважине, а также при том соотношении спектра используемых частот и диаметра скважины, волну можно рассматривать как плоскую практически в непосредственной близости излучателя. Как показывает теория распространения упругих волн в узких трубах, даже сферическая волна вырождается в практически плоскую уже на расстоянии 1..2 λ.
В естественных условиях такому варианту наиболее соответствует случай падения продольной волны (длинноволновая асимптотика), рожденной точечным источником в скважине или на поверхности у устья, на границу раздела двух сред (здесь аналог граница датчик - модель). Т.е. процесс образования гидроволны в модели должен быть аналогичен процессу образования обменной гидроволны из продольной в реальных условиях.
Тем не менее, тот факт, что излучатель представляет собой твердое тело, может негативно сказаться на волновом поле, например, генерацией <паразитных> волн, но в пределах точности эксперимента они не наблюдались.
Приемником служила миниатюрная сфера из пьзокерамики, диаметром 5 мм.
Измерения проводились как и в натурных исследованиях по методике потенциального каротажа: источник закреплен у забоя скважины, приемник перемещался по скважине с шагом 1 см.
Измерения в модели обсаженной скважины
Роль обсадки выполняла полиэтиленовая трубка с толщиной стенок 1.25 мм, формировавшая ствол скважины при заливке. Таким образом гарантировалось отсутствие полостей между ней и твердой средой. Волновое поле, полученное в модели скважины, представлено на Рис. 3.
 |
Рис. 3 Волновое поле в скважине, обсаженной полиэтиленовой трубкой.
По вертикальной оси расстояние от излучателя, см, по горизонтальной - время, мкс.
Режим индивидуальной нормировки трасс.
|
Измерения в модели скважины с необсаженным стволом
По завершению экспериментов c обсаженным стволом, обсадка была удалена. Измерения проводились по той же схеме. Запись, полученная в открытом стволе, представлена на Рис. 4.
 |
Рис. 4 Волновое поле в скважине с открытым стволом.
Режим индивидуальной нормировки трасс.
|
Случай с <глинистой коркой>
Попытки изготовить реальную глинистую корку путем фильтрации флюида, содержащего глинистые частицы, через стенки скважины оказались неудачными. Получавшаяся пленка оказывалась слишком непрочной и сразу же разрушалась.
Была предпринята попытка создать модель глинистой корки. Ее роль выполняла упругая тонкая резиновая оболочка, прижимающаяся внешним давлением к стенкам скважины. Через специальную конструкцию оболочка соединялась с внешним насосом, создающим небольшое, но достаточное для ее натяжения и прижима к стенкам давление. Приемный кабель перемещался через пробку с сальником, обеспечивающим герметичность конструкции.
Данный вариант наиболее соответствует случаю N3 аппроксимации глинистой корки из работы Максимова Г.А. и Меркулова М.Е. - <упругая оболочка, случайным образом закрепленная на стенках скважины>.
Влияние давления на характеристики приемника изучалось отдельно: при значениях давления, многократно превышающих используемые в эксперименте, отклонений в записи не происходило.
Волновое поле представлено на Рис. 5.
 |
Рис. 5 Волновое поле в скважине с резиновой мембраной.
Режим индивидуальной нормировки трасс.
|
Волновые картины, полученные при измерениях в модели по методике потенциального каротажа, качественно сходны с натурными измерениями: помимо прямой продольной волны, распространяющейся вдоль ствола скважины, наблюдается отчетливая гидроволна, имеющая более высокую амплитуду, превышающую амплитуду P-волн 3-5 раз
Измерение характеристик пористого вещества модели осуществлялось после проведения моделирования на высверленных образцах керна.
Значения параметров приведены в таблице:
| плотность в водонасыщенном состоянии, г/см3 |
1.4 |
| пористость |
0.25 |
| абсолютная проницаемость, мД |
100 |
| скорость VP, м/с |
1260 |
| скорость VS, м/с |
800 |
В конце главы делается оценка погрешностей экспериментов. Показано, что она варьирует от 1...2% до 4...5%.
