Спосіб визначення реологічних властивостей твердо-рідинних середовищ методом багатохвильової свердловинної сейсморозвідки

Изобретение относится к сейсмическим методам поиска и разведки нефтяных и газовых месторождений по комплексу волн различных типов, в частности для изучения стратиграфических, литологических и петрофизических характеристик горных пород трехкомпонентными наблюдениями при вертикальном профилировании скважины (ЗК-ВСП). Известен способ волнового изучения реологических свойств жидких сред, в частности определения значений модулей упругости и коэффициентов динамической вязкости [1]. Он основан на акустическом прозвучивании жидких сред и заключается в возбуждении продольных волн и регистрации колебательных процессов, связанных с их прохождением в жидкости, датчиками давления. Путем обработки амплитуд вычисляются коэффициенты поглощения затухающих колебаний с использованием известных скорости прохождения продольной волны и плотности жидкости, из которых затем определяют суммарное значение коэффициентов объемной и сдвиговой вязкости, а также модуль объемной упругости. Недостатком данного способа является то, что на основе упрощенной модели Навье-Стокса получают только суммарные характеристики реологических параметров, тогда как для нахождения коэффициента объемной вязкости требуется дополнительное определение коэффициента сдвиговой вязкости жидкости вискозиметрическим методом. В связи с этим данный способ не может быть применен для определения реологических параметров твердой среды. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения реологических свойств твердо-жидких сред, основанный на возбуждении сейсмических волн наземными источниками при вертикальном сейсмическом профилировании скважины с регистрацией проходящих волн трехкомпонентными взаиммоортогональными приемниками смещений или напряжений, включающий Обработку кинематических характеристик волнового поля для определения модулей l , m , (коэффициентов Ламе) и других параметров упругости горных пород в около-скважинном пространстве [2]. Недостатком указанного способа является то, что на основе использования упрощенной модели идеальной упругости, неадекватной процессам динамического деформирования горных пород, когда только качественно используются динамические характеристики сейсмических волн, невозможно определять изменения реологических свойств горных пород по глубине скважины. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать способ определения реологических свойств твердо-жидких сред, путем раздельного определения коэффициентов объемной и сдвиговой динамической вязкости горных пород в условиях их естественного залегания, чем обеспечивается повышение достоверности информации о физико-механическом состоянии среды и расширение диапазона измеряемых параметров. Поставленная задача решается тем, что в способе определения реологических свойств твердо-жидких сред, основанном на возбуждении сейсмических волн наземными источниками, вертикальном сейсмическом профилировании скважины с регистрацией проходящих волн трехкомпонентными взаимноортогональными приемниками смещений или напряжений, согласно предложенному изобретению, в околоскважинном пространстве формируют плоскую продольную волну, посредством трехкомпонентных взаимноортогональных приемников смещений или напряжений дополнительно регистрируют динамические характеристики проходящих сейсмических волн, при этом один из приемников ориентируют по нормали к плоскому фронту продольной волны, затем с учетом полученных кинематических характеристик проходящих продольных и поперечных волн вначале производят выделение из зарегистрированных в скважине компонентов проходящей продольной волны монотипных временных сигналов поточечным вычитанием из осевой составляющей (2-компоненты) тангенциальной составляющей (X, Y-компоненты) смещений или напряжений, после чего по прогнозируемым зависимостям производят количественные оценки интегральных динамических параметров монотипных временных сигналов для каждой точки приема и выделенной составляющей плоской продольной волны вдоль ствола скважины, затем производят пересчет интегральных динамических параметров монотипных временных сигналов и кинематических характеристик в дифференциальные с последующим определением упруги х модулей ( l , m ), коэффициентов динамической вязкости ( l * , h ), а также параметров поглощения продольной волны для каждой точки приема вдоль ствола скважины. Способ реализуется на основе реологической модели, объединяющей для изотермического случая деформирования физико-механические свойства упругости и вязкого течения, твердо-жидкой среды. При этом двойственный характер деформирования состоит в том, что при действии равноосных напряжений жесткоподобная составляющая модели отвечает реологическим свойствам пористотекучего элемента среды, состояние которого описывается уравнением для объемных деформаций, удовлетворяющим телу КельвинаФойгта, тогда как при действии одноосного напряжения жесткоподобная составляющая модели идентична реологическим свойствам трещиновато-хрупкого элемента среды, состояние которого описывается уравнением для простого сдвига, удовлетворяющим телу Максвелла. Комбинированная модель деформирования вязкоупругой среды задается уравнениями, которые для прямоугольной системы координат (х1, х2 , х3) характеризуют следующее напряженно-деформированное состояние: s1 > s2 = s3 ; s12 = s23 = s31 = 0 ; e1 ¹ 0 ; e 2 = e3 = 0 , где s1,2,3 - нормальные напряжения; s12 , s 23 , s 31 - касательные напряжения; e 1, 2, 3 - линейные деформации, образуемые в указанной среде плоской продольной волной, и в операторной записи имеют вид: где l = l( x 1 ) , m = m( x 1 ) - упругие модули сжатия и сдвига; l * = l * ( x 1 ) , h = h( x 1 ) - коэффициенты объемной и сдвиговой вязкости соответственно. Из уравнений состояния (1. 2) с учетом уравнения движения ¶s 1,2,3 = r ¶ 2 U1,2,3 , где r = r( x1 ) - плотность, находят уравнения для бегущей в направлении оси OX1 плоской ¶x 1, 2, 3 ¶t 2 продольной волны смещений: 1/ 2 1/ 2 æ l + 2m ö æ l mö где U1,2,3 - смещения; Vp = Vp ( x1 ) = ç - локальная скорость продольной волны; w 0 = ç ç r ÷ ÷ çl * ×h÷ ÷ è ø è ø l + 2m m круговая частота собственных колебаний; a = - сдвиговый коэффициент затухания; b = - объемный l* 2h коэффициент затухания. В рамках корректной постановки нестационарной смешанной задачи на излучение при неоднородных начальных и однородных граничных условиях импедансного типа, удовлетворяющихся при Х1>0 на плоском фронте прямой волны, а также при выполнении условия излучения на бесконечности, методом Фурье находят решения уравнения (3, 4): ( где A0=const; w = w2 - a 2 0 амплитуды: j 0 = arctg ) 1/ 2 - круговая частота затухающи х колебаний; b 0 = 2 w0 b ; B0 = (a 2 + w2 a×w ) 1/ 2 w w w - начальная фаза; k p = k p (x 1 ) = 0 - локальное волновое число; kl = k l( x1 ) = 0 a Vp Vl 1/ 2 ælö коэффициент поглощения; Vl = Vl( x 1 ) = ç ÷ ; і - мнимая единица. Учитывая затем вид решений (5, 6), где çr÷ è ø параметры временно-зависимого множителя U1,2,3(t) постоянны, а параметры пространственно-зависимого сомножителя U1,2,3(х1) непрерывно изменяются в зависимости от x1, представим раздельно соответствующие функции Грина (импульсную характеристику) с переменными (t0-t) и (Х0-X1), где t 0>t>0, X0>X1>0, в виде Согласно заданным условиям распространение плоской продольной волны в сплошной вертикальнонеоднородной среде сопровождается таким напряженно-деформированным состоянием последней, которое вполне однозначно характеризуется уравнениями (3,4). Но наличие в указанной среде цилиндрической скважины, являющейся концентратором напряжений и деформаций, ось которой нормально ориентирована по отношению к плоскому фронту проходящей продольной волны, а также особенности технических условий приема колебаний в скважине требуют переформулировки решений (7, 8) для осесимметричной системы координат ( z, r, j ) и соответствующи х условий приема. Указанная задача для рассматриваемого случая напряженно-деформированного состояния среды при наличии в ней скважины имеет строгое решение, согласно которому можно положить: для осевой (продольной) составляющей U z=U! ; тангенциальной (поперечной) составляющей U j = 2U 2, 3 и радиальной составляющей Ur=0, если наблюдения осуществляются в произвольной точке z>0 вдоль ствола скважины. Однако прохождение физическим сигналом приемников и регистрирующей аппаратуры, а также фильтрующие свойства многослойной вязкоупругой толщи горных пород, которые пересекает скважина, приводят к регуляторным искажениям динамических характеристик сигнала, что возможно прогнозировать на основе теории линейной фильтрации, например, выбрав обобщенную импульсную характеристику искажающей системы в виде: S(t)=tР . е-ht . sinn0t, (9) где S(t)=0 при t > T ; Т - ограниченный временной интервал изменения S(t); h - коэффициент затухания: n0 круговая частота колебаний системы; p ³ 0 . В результате на выходе регистрирующего устройства при выполнении требований взаимной ортогональности приема требуемых составляющих колебаний для произвольной точки z>0 пo глубине скважины имеем: где A = A (h, b, t ) ; B = B(h, a; n 0 w; t ) - амплитудные множители: j 0 - начальная фаза. Из выражения (10) следует, что временной сигнал Uz(t), формируемый проходящей волной во внутренних точках вязкоупругой твердой среды и регистрируемый на осевой составляющей в скважине, представляет собой наложение двух затухающи х колебательных процессов U'(t) м U"(t), совпадающих между собой по форме, но различающихся по амплитуде, временному сдвигу, полярности, частоте и коэффициентам затухания. В то же время сигнал U j (t ) , регистрируемый в той же точке скважины на тангенциальной составляющей согласно (11) характеризуется только одним затухающим колебательным процессом 2U"(t). Отсюда становится возможным выделение монотипных временных сигналов U'(t) и U"(t) для каждой точки приема путем поточечного вычитания из зарегистрированных осевой составляющей (Z-компоненты) тангенциальной составляющей (X, Y-компоненты) смещений с весовым множителем согласно формуле: После выделения монотипных временных сигналов U'(t) и U"(t), динамические параметры которых соответственно определяются реологическими свойствами пористо-текучего и трещиновато-хр упкого элементов среды, заполняющей околоскважbнное пространство, по прогнозируемым зависимостям на основе теории комплексного сигнала м метода наименьших квадратов производят количественные оценки интегральных динамических параметров a , b 0 , w , w 0 и b монотипных временных сигналов для каждой точки приема и выделенной составляющей U'(t), U"(t) плоской продольной волны вдоль ствола скважины одновременно. Полученные сейсмограммы ЗК-ВСП для проходящих продольных и поперечных (обменных) волн подвергают цифровой обработке и интерпретации по кинематическим характеристикам с определением интервальных значений Vp,s, которые при известных плотностях r могут быть пересчитаны в пластовые значения модулей ( ) 2 2 2 упругости (коэффициентов Ламе): l = r Vp - 2Vs , m = rVs где Vp,s - скорости продольной и поперечной воли определяются известными приемами по данным многоволновых скважинных наблюдений, а значения плотности привлекаются из промыслово-геофизических данных (ГГК-П). Затем по известным (10, 11) аналитическим зависимостям производят пересчет интегральных динамических параметров монотипных временных сигналов в дифференциальные (пластовые), из которых с учетом определенных ранее значений l , m вычисляются m l + 2m эффективные значения коэффициентов динамической вязкости по формулам: l* = ; h= . 2a b Одновременно для фиксированной частоты w в пределах ограниченной частотной полосы w £ w0 для гармонических компонент продольной волны из тех же данных (но без привлечения амплитуд) определяются для каждой точки приема интервальные коэффициенты поглощения: Способ реализуется следующим образом. В изучаемую скважину 1 с помощью лебедки 2 на многожильном трос-кабеле 3 опускают многокомпонентное приемное устройство 4, состоящее из специально ориентированных датчиков смещений или напряжений, прижимаемых к стенке скважины в точке наблюдения (фиг. 1а). С помощью наземных источников 5 возбуждений формируют плоскую продольную волну, которая принимается скважинным устройством 4 и регистрируется на магнитном носителе 6. Скважинное устройство специальной конструкции состоит из ориентированных приемников сйещений или напряжений (7, 8). На фиг. 1б представлен схематический горизонтальный разрез глубинного многокомпонентного скважинного устройства, которое представляет собой патрон, в бокових отверстиях которого симметрично расположены и подпружинены последовательно или параллельно соединенные четыре приемника 7, фиксирующие на стенке скважины тангенциальную составляющую U j , а по центру - приемник 8, фиксирующий осевую составляющую Uz, ориентированный ортогонально плоскому фронту проходящей продольной волны. В качестве приемников используются стандартные сейсмоприемники, обеспечивающие неискаженную запись динамических и кинематических характеристик сейсмических волн в скважине. В качестве иллюстрации (на фиг. 2) представлен пример выделения монотипных временных сигналов из интерференционного процесса после цифровой обработки сейсмозаписей проходящей продольной волны, зарегистрированных в одной из точек, ориентированными в пространстве и прижатыми к стенке скважины сейсмоприемниками смещений, когда продольная плоская волна возбуждалась в вязкоупругой твердо-жидкой среде (суглинок) взрывами детонаторов. В том числе на фиг. 2а представлена экспериментальная запись U z(t) для осевой составляющей (Z-компонентов), а на фиг. 2б - аналогичная запись U j (t ) для тангенциальной составляющей (X,Y-компонента) смещений. Результаты выделения монотипных временных сигналов U',"(t) из интерференционного процесса Uz(t) приводятся на фиг. 2 в, г, где 1, 2 - огибающие амплитуд для сигналов в и г, соответственно. После цифровой обработки сейсмозаписей и интерпретации кинематических и динамических параметров монотипных временных сигналов получены следующие величины: Из полученных данных следует, что для глинистых пород наиболее представительными можно считать такие реологические свойства твердо-жидкой среды, как эффективные значения коэффициентов динамической вязкости. Учитывая значительную дифференциацию газонефтяных пластов по реологическим свойствам, способ позволяет по динамическим характеристикам проходящих сейсмических волн устанавливать флюидонасыщенность пористо-трещиноватых пластов, вскрытых разведочной скважиной, а также получать достоверную информацию о физико-механическом состоянии горных пород в околоскважинном пространстве.