Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Изменение спектров затухания акустических волн в песчаных коллекторах при различных степенях флюидонасыщенности и микронеоднородности проницаемости

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Изменение спектров затухания акустических волн в песчаных коллекторах при различных степенях флюидонасыщенности и микронеоднородности проницаемости"

На правах рукописи

ГОЛИКОВ НИКИТА АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИЗМЕНЕНИЕ СПЕКТРОВ ЗАТУХАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ПЕСЧАНЫХ КОЛЛЕКТОРАХ

I

ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СТЕПЕНЯХ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННОСТИ И МИКРОНЕОДНОРОДНОСТИ ПРОНИЦАЕМОСТИ

< : . I

.' / .■ ;

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0 —

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук Машинский Эдуард Иннокентьевич.

Официальные оппоненты:

Оболенцева Ирина Романовна, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник Лаборатории многоволновой сейсморазведки ИНГГ СО РАН;

Подбережный Максим Юрьевич, кандидат физико-математических наук, петрофизик НК «Салым Петролеум Девелопмент».

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья» (СНИИГГиМС, г.Новосибирск).

Защита состоится 18 декабря 2013 г. (среда) в 9:30 на заседании диссертационного совета Д003.068.03 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения РАН, в конференц-зале.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу:

пр-т Акад. Коптюга, 3, Новосибирск, 630090, ИНГГ СО РАН; Факс: (383) 333-25-13, 330-28-07 E-mail: NevedrovaNN@ipgg.sbras.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНГГ СО РАН. Автореферат разослан 15 ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.г-м.н., доцент

H.H. Неведрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования - спектры затухания акустических волн в образцах песчаных коллекторов на предмет определения их изменения в зависимости от степени флюидонасыщенности и микронеоднородности проницаемости.

В процессе поиска месторождений нефти и газа важным этапом является прогнозирование наличия и состояния углеводородов в резервуаре и последующее уточнение границ газонасыщенных интервалов коллектора. Современный подход к решению этих задач состоит в использовании спектральных характеристик сейсмических сигналов, прошедших через исследуемый интервал разреза. Известно, что в процессе распространения упругих волн в пористых средах, к которым относятся песчаные коллектора нефти и газа, происходит взаимодействие флюида со стенками пор коллектора, что обусловливает частотную дисперсию скорости и поглощение энергии волн наряду с потерями в твердом скелете, жидкой и газообразной фазах породы. Связь изменения кинематических и динамических характеристик (в частности спектральных) акустического сигнала с состоянием и фильтрационно-емкостными свойствами пород дает принципиальную возможность восстановления характеристик породы при интерпретации данных акустических измерений. Развитие данного метода сдерживаются отсутствием единой теоретической модели распространения акустических волн в микронеоднородных средах с переменной газонасыщенностью, что приводит к несогласованным между собой выводам, полученных на основе разных моделей. Расчеты, выполненные на основе различных физических моделей, показывают, что степень флюидонасыщенности по-разному влияет на скорости и частотно-зависимое затухание акустических волн. Экспериментальных же данных, позволяющих обосновать выбор в пользу той или иной модели, в настоящее время недостаточно. Экспериментальные исследования затухания акустических волн направлены, в основном, на измерение декремента затухания (или обратной добротности) в узком частотном диапазоне. В то же время из теории распространения акустических волн в насыщенных пористых средах известно, что использование релаксационных спектров затухания может существенно повысить степень достоверности определения петрофизических характеристик коллекторов нефти и газа при обработке данных акустических измерений. Немногочисленные известные из публикаций эксперименты подтверждают, что спектры затухания изменяются сложным образом, что приводит к неоднозначной оценке соотношения затухания продольных и поперечных волн, измеренных на фиксированной частоте.

Кроме того, известные модели недостаточно полно учитывают сложность строения пористых сред, обуславливающую микронеоднородность петрофизических характеристик породы, в частности, проницаемость. В теоретических расчетах пористая среда рассматривается как однородная. Микронеоднородность проницаемости как ключевой петрофизической характеристик породы, не учитывается. Результаты исследования горных пород методами капилляриметрии показывают, что диапазон диаметров поровых каналов, определяющих суммарную проницаемость, может быть широким и порода однородна только в среднем по объему. Экспериментальные исследования влияния микронеоднородности проницаемости на релаксационные спектры затухания можно проверить расчетами, например на основе решений уравнений теории Био.

Актуальность исследования определяется необходимостью экспериментальных исследований процессов распространения акустических волн в песчаных частично насыщенных коллекторах с использованием новых методик и современной цифровой аппаратуры..

Цель исследования - повышение качества и надежности определения фильтрационно-емкостных свойств и флюидонасыщенности песчаных коллекторов на основе экспериментального исследования изменения спектров затухания акустических волн при различной степени флюидонасыщенности, исследование влияния микронеоднородности проницаемости на релаксационные спектры затухания акустических волн.

Задачи исследования:

1. Экспериментально исследовать изменения спектров затухания акустических волн в ультразвуковом диапазоне частот в зависимости от степени флюидонасыщенности песчаных пород с различными петрофизическими свойствами.

2. Установить влияние неоднородности проницаемости песчаных коллекторов на спектры затухания ультразвуковых волн на основе теории Био.

Фактический материал, методы исследований и аппаратура

Теоретической основой экспериментальных исследований являются теория распространения акустических волн в упругих и микронеоднородных средах - теория Френкеля-Био, теория «локальных потоков» и др.

Основной метод исследования - лабораторный эксперимент по изучению скоростей и спектров затухания акустических волн на образцах песчаников с различными петрофизическими свойствами. Датчики ультразвуковых волн и генератор возбуждающих импульсов, входящие в

состав установки, модернизированы соискателем для получения широкополосного сигнала. Сигнал с приемника ультразвуковых колебаний регистрировались цифровым осциллографом. Для измерения затухания использовался метод сравнения с эталоном, который включает: проведение акустических измерений на эталонном и исследуемом образце, обработку зарегистрированных сигналов с вычислением скоростей акустических волн и спектров затухания. Частичная водонасыщенность создавалась центрифугированием образцов при различных скоростях вращения центрифуги.

Расчет спектров затухания с учетом микронеоднородности проницаемости проводился с использованием решений уравнений теории Био и опубликованных данных о петрофизических характеристиках и строении порового пространства коллекторов А10 Тянского месторождения нефти.

Защищаемые научные результаты:

1. Экспериментально установлено:

- влияние степени водонасыщения песчаных коллекторов на акустические параметры проявляется в увеличении отношения спектра затухания продольных к спектру затухания поперечных волн с уменьшением степени водонасыщенностия;

- существуют две группы песчаников, различающиеся зависимостью скоростей продольных волн от степени водонасыщенности: для песчаников 1-й группы эта зависимость близка к положительной линейной, у песчаников 2-й - зависимость существенно нелинейная.

2. Объемная неоднородность проницаемости песчаных коллекторов, проявляется в виде изменения величины и ширины релаксационного пика и его смещения в область более низких частот, которое возрастает с увеличением степени микронеоднородности проницаемости породы.

Научная новизна и личный вклад:

1. Адаптация методики определения декремента затухания акустических волн к определению релаксационных спектров затухания потребовала расширения частотного диапазона измерений акустического сигнала, что было достигнуто уменьшением длительности сигнала с помощью следующих приемов:

- подбором длительности возбуждающего импульса;

— применением длинного демпфера для исключения влияния волны, отраженной от дальнего конца демпфера;

- использованием свинца в качестве протектора, что одновременно обеспечило стабильность контакта датчика с образцом.

2. Экспериментальными исследованиями и расчетами установлено:

- спектры затухания акустических волн трансформируются при изменении степени флюидонасыщенности, что указывает на изменение распределения времен релаксации и, возможно, механизмов релаксации;

- два вида песчаника различаются линейной и нелинейной зависимостью скорости продольной волны от степени флюидонасыщенности;

- расчеты релаксационных спектров затухания упругих волн с использованием решения уравнений теории Био, данных капилляриметрии и петрофизических характеристик образцов песчаных коллекторов показали, что частота максимума затухания сдвигается в область низких частот, следовательно, спектр волны будет более высокочастотным.

Научная и практическая значимость

— использованная методика является вкладом в развитие методической составляющей экспериментальных исследований по определению петрофизических характеристик пород;

— учет трансформации релаксационных спектров затухания и изменения распределения времен релаксации повысит качество построения петрофизических моделей горных пород;

— применение отношения спектра затухания продольной волны к спектру поперечной волны в совокупности с коэффициентом Пуассона увеличит степень надежности выделения газонасыщенных интервалов песчаных коллекторов;

— учет микронеоднородности проницаемости пористых сред значительно повысит степень достоверности расчета релаксационных спектров затухания акустических волн.

Апробация работы

Основные результаты были представлены на конференциях и конгрессах: Международный научный конгресс «ГЕС)-Сибирь-2011» (Новосибирск, 2012), Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2012» (Новосибирск, 2012), Конференция БРЕ «Петрофизика XXI / РейорЬузкв XXI» (Тюмень, 2012).

Полученные научные результаты изложены в 5 публикациях: 1 монография, 4 статьи в российских рецензируемых научных журналах, рекомендованных Перечнем ВАК (3 - Технологии сейсморазведки, 1 -Каротажник).

Благодарности

Автор выражает благодарность научному руководителю д.г.-м.н. Э. И. Машинскому за плодотворное сотрудничество, а также д.т.н. И.Н. Ельцову, д.т.н. Ю.И. Колесникову, д. ф-м. н Б.П. Сибирякову, д.г.-м.н. И.Р. Оболенцевой, к.г.-м.н. Л.М. Дорогиницкой за полезные советы и обсуждения.

Автор благодарит коллектив лаборатории за помощь в выполнении экспериментальных работ.

Автор выражает благодарность Самойловой В.И. за помощь в редактировании диссертации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения с общим объемом 84 страницы, содержит 36 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 93 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлены объект и предмет исследования, отражена актуальность, сформулирована цель и задача диссертации, приведены защищаемые результаты и их научная новизна.

В первой главе изложен анализ результатов теоретических и экспериментальных работ в области исследований частотной зависимости затухания продольных и поперечных волн в песчаных коллекторах.

Теоретические исследования

Как известно, теоретические основы распространения упругих волн в пористых средах были заложены [Био 1956а, 1956Ь] и развиты его последователями [Косачевский, 1959; Николаевский, 1963; 1970; Рахматулин, 1956; Бакулин, 1998; Оеейэта, 1961].

В процессе распространения упругих волн в пористых средах происходит перемещение флюида относительно стенок пор коллектора, сопровождающееся вязким трением, возникают сейсмоэлектрические явления, а также, вследствие различия термодинамических свойств флюида и твердой фазы, создается разность температур и происходит теплообмен между фазами.

Перечисленные явления обусловливают частотную дисперсию скорости и поглощения энергии волн наряду с потерями в твердом остове, твердой, жидкой и газообразной компонентах породы. Характер релаксационного спектра затухания и дисперсия упругого модуля (и соответственно скоростей продольных и поперечных волн) определяются типом выбранной модели вязкоупругой среды.

Наиболее востребованными на сегодня теориями распространения акустических волн в частично насыщенных пористых средах являются теория фрагментарного насыщения (Rock Physics Model) и теория локальных перетоков («squirt flow» и «local flow») [Dvorkin and Nur, 1993; Dvorkin et al., 1999]. Затухание в частично-насыщенной породе обусловлен локальным течением флюида в межзерновом пространстве между его мягкими и жесткими частями [Mavko, Dvorkin and Walls, 2005]. Распределение флюида в объеме породы задано в виде периодических или произвольных «фрагментов» (patchy). В работе Мюллера и Гуревича [Muller and Gurevich, 2004] показано, что с использованием такого типа насыщения для различных частот можно получить различные формы зависимостей затухания от степени водонасыщенности.

Таким образом, частотная дисперсия упругого модуля и инверсной добротности может указывать на величину и степень насыщения породы. Наиболее близко соответствующей реальным свойствам среды и применяемой в настоящее время является модель стандартного линейного тела (или стандартного неупругого тела - в более поздней трактовке).

В модели стандартного неупругого тела затухание Q'1 определяется следующим выражением [Dvorkin et al., 2003; Mavko et al., 1998]:

где со - круговая частота; тг = l/2nfr - время релаксации; fr - частота релаксационного максимума (критическая частота); Д - релаксационная сила, зависящая от величины упругих модулей в низкочастотном и высокочастотном приближениях.

Формула (1) описывает классический дебаевский пик с максимумом, определяемом следующими выражениями:

! _ Ми-Мг ! _ Сц-Сг пл

Чр-тах - 4s-max ~ ■ )

где Mr, Gr и Ми, Gu - релаксированный и нерелаксированный упругие модули продольной и поперечной волн, соответственно.

Сложность в применении этих теорий состоит в том что, для проведения точных расчетов необходимы априорные знания некоторых параметров, таких как проницаемость, характеристическая длина (squirt-flow) и пространственные масштабы неоднородности.

Приведенные на рисунке 1 и 2 примеры расчетов по моделям фрагментарного насыщения и локального потока показывают, что вид зависимости принципиально различен для разных моделей и определяется параметрами модели.

Water Saturation (%)

Рисунок 1. Зависимость затухания Р-волн от степени водонасыщенности для разных частот в модели фрагментарного насыщения [Hardy, 2003]

18

WATER SATURATION, S

w

Рисунок 2. Зависимость затухания Р-волн от степени водонасыщенности для разных частот в модели локального потока [Taylor and Knight, 2003] Теоретические работы по изучению изменения скоростей продольных и поперечных волн в породах с водно-газовым насыщением в акустическом диапазоне частот были выполнены с использованием

уравнения Био-Гиртсма и Доменико [Biot, 1956; Domenico, 1974; Geertsma and Smit, 1961]. Было показано, что с увеличением величины насыщения Sw скорость продольной волны Vp линейно уменьшается, а затем при величине насыщения, близкой к полному, резко возрастает. Скорость поперечной волны Vs слабо уменьшается во всем диапазоне величин насыщения.

Переход к более реальной модели микронеоднородной среды (patchy) показывает принципиально новый характер изменения скорости волны: скорость продольной волны монотонно увеличивается, а скорость поперечной волны уменьшается с увеличением насыщения во всем диапазоне величин Sw [Aljarrah F., 2009; Muller and Gurevich, 2004]. На рисунке 3 показаны различные зависимости скоростей от степени насыщения и частоты.

Water Saturation (%)

Рисунок 3. Зависимость скорости Р- волн от частоты и степени водонасыщенности в модели фрагментарного насыщения [Hardy, 2003]

Экспериментальные исследования

Экспериментальные измерения затухания продольных и поперечных волн в образцах пород-коллекторов нефти и газа проводились многими исследователями. Изучалось изменение кинематических и динамических параметров распространяющихся волн под влиянием горного и пластового давлений, степени их флюидонасыщения и типа флюида. При расчетах декрементов затухания неявно предполагалась их независимость от частоты в диапазоне измерения.

Дисперсия скорости волн и пиковый (нелинейный) характер релаксационных спектров получен в широком частотном диапазоне в различных горных породах [Tutuncu et al., 1994; Faul et al., 2004; Jackson et al., 2004; Mashinskii, 2008; Breitzke et al., 1996].

Экспериментов по одновременному исследованию влияния частоты и степени флюидонасыщенности на скорости и затухание акустических волн проводилось сравнительно немного на ограниченном количестве образцов, что обусловлено большими техническими трудностями.

На рисунках 4 и 5 показаны результаты исследования влияния насыщенности на затухание акустических волн в песчаных коллекторах в диапазоне частот 16 - 784 Гц [Gautam, 2003].

Теоретические расчеты, выполненные на основе разных моделей, показывают, что флюидонасыщенность по-разному влияет на скорость и частотно-зависимое затухание акустических волн, что вызывает неоднозначность в оценке степени водонасыщенности.

Экспериментальные исследования также показывают, что для

песчаников численное значение Qp / Qs' не всегда может указывать на

контрастную (или газ или вода) степень насыщения, так как для различных частот в исследуемом диапазоне эта величина сильно изменяется. Это обстоятельство делает неоднозначной оценку степени

водонасыщенности по единичной числовой величине Qp / Qs' .

В развитие этого подхода для преодоления указанной неоднозначности в оценке предложено использовать отношение частотных зависимостей затухания продольных и поперечных волн

бр'СО / Qs' (/) = полученных в некотором частотном

диапазоне. Отношение спектров затухания по сравнению с простым отношением величин обратных добротностей является более информативной характеристикой.

Log ,o Frequency

-♦- 1cc butane (10% butane+90% brine) 85% brine saturated+15% (water vapour+air)1 -*h2cc butane (20% butane+80% brine)_-*- Butane saturated_

Рисунок 4. Спектры затухания продольных волн для различного типа флюидонасыщения в диапазоне частот 16 - 784 Гц [ваШат, 2003]

Log 10 Frequency

-♦- 1cc butane (10% butane+90% brine) -»-85% brine+15%( water vapour+air) -э-2сс butane (20% butane+80% brine) Butane saturated_

Рисунок 5. Спектры затухания поперечных волн для различного типа флюидонасыщения в диапазоне частот 16 - 784 Гц [Gautam, 2003]

Глава 2 посвящена методике исследование изменения спектров затухания акустических волн образцах песчаника при различной степени флюидонасыщенности. Использовался метод сравнения с эталоном на проходящих волнах, предложенный в работе [ТокБог а1 а]., 1979]. Адаптация этого метода заключалась в расширении частотного диапазона акустического сигнала и изменении способа обработки зарегистрированных сигналов с целью получения релаксационных спектров затухания.

Измерения проводились на установке СССМЮ-90, позволяющей моделировать условия, близкие к условиям естественного залегания горных пород.

Для уменьшения длительности сигнала и расширения частотного спектра импульса применялись следующие приемы: демпфирование колебаний, возбуждение импульсом длительности четверть периода колебаний, выбор свинца в качестве материала протектора.

Экспериментальные исследования проводились на собранной автором коллекции образцов песчаников с различными фильтрационными и литологическими свойствами. Диапазон изменения пористости составляет от 5,9% (неколлектор) до 21,4%, проницаемость изменяется от 0,01 мД (непроницаемый песчаник) до 176 мД.

Для создания переменной водонасыщенности первоначально полностью водонасыщенные образцы центрифугировались на разных скоростях вращения ротора с сушкой образцов на завершающем этапе. Измерения проводились после каждого шага центрифугирования.

Использованная методика позволила исследовать изменение релаксационных спектров затухания и скоростей Р- и Б-волн в зависимости от степени водонасыщенности.

По изменению скорости продольных волн в зависимости от степени водонасыщенности выделены две группы песчаников. Песчаники первой группы характеризуются близкой к линейной зависимостью скорости Ур от водонасыщенности (рис. 6), зависимость для второй группы существенно нелинейная (рис. 7)

3400 -I-I-1-т-г-

0 20 40 60 80 100

Эуу, %

Рисунок 6. Зависимость скорости продольной волны от степени водонасыщения в песчаниках I группы. Шифр кривых - номер образца

в!*, %

Рисунок 7. Зависимость скорости продольной волны от степени водонасыщения в песчаниках II группы. Шифр кривой - номер образца

Анализ результатов изучения спектров затухания продольных и поперечных волн, показал, что совместное использование спектров затухания в виде отношение /?(/) = (¿р1/!!;;1 в большинстве случаев позволяет устранить неоднозначность разделения водо- и газонасыщенных песчаников. На рисунке 8 приведены графики зависимости /?(/) для различных степеней водонасыщенности Бы. Из графиков видно, зависимость й(/) для ¿м^О, расположена выше остальных, что дает возможность выделения этого состояния. Таким

образом, увеличение степени водонасыщения проявляется в увеличении отношения спектра затухания продольных волн к спектру поперечных во всем исследованном диапазоне частот.

0,3 0,4 0,5

Частота, МГц

Рисунок 8. Отношение спектров затухания продольной и поперечной волн при различной степени водонасыщенности образца № 10716. Шифр кривой -водонасыщенность

В главе 3 приведены обоснование влияния неоднородности проницаемости горных пород на релаксационные спектры затухания и результаты численных расчетов этого влияния.

Приближенные решения уравнений теории Био для волн первого рода относительно времен релаксации приводят к выражению, типичному для модели стандартного линейного тела, а именно:

д _ Р1Р2 Кпр

р к„л'

(3)

т = {кпр£ + р2(1-2к4)}^, (4)

где в и г времена релаксации в модели стандартного линейного тела,

Кп - пористость, К„р — проницаемость среды,

Р1 ~ Р1О- ~ Кп) - эффективная плотность скелета,

р = р1(1 — Кп) + р2Кп - средняя плотность среды

Р}- плотность скелета, р2 - плотность флюида;

г] — вязкость флюида,

М, С и Н - модули теории Био, выражающиеся через упругие модули скелета, флюида и фильтрационно-емкостные параметры среды.

Круговая частота релаксационного максимума со = 2к/ определяется в этом случае как соотношение

со , = А

Ä. РгК

(5)

где А — коэффициент, зависящий от упругих параметров сред.

В теории Био среда является однородной по объему и частота релаксации является единичным числом. В среде с дискретным набором частот релаксации, затухание вычисляют по формуле [Anderson, 1989; Зайцев и др., 2009]:

■ Дт£,

(6)

порового

1+(й)Т ;)2

В работе [Дорогиницкая и др., 2007] структура пространства описана в виде распределение пор по размеру.

На рисунке 9 показаны использованные в расчетах распределения пор по размеру для разных групп коллектора. ? 0,016

0,012 ■

0,008 ■

о с с

0,004 ■

0,001

0,01

100

1000

0,1 1 10 Диаметр пор, мкм

Рисунок 9. Осредненные распределения диаметров поровых каналов коллекторов

различных групп

В теории Био время релаксации пропорционально проницаемости, а проницаемость единичного капилляра пропорциональна квадрату его диаметра и распределение частот релаксации совпадает распределением размеров пор.

На основе этих допущений проведены расчеты спектра затухания для двух теоретических распределений времен релаксации и для распределений размеров пор четырех групп коллектора с учетом и без учета неоднородности проницаемости

Результаты расчетов показывают (рис.10), что неоднородность проницаемости проявляется в расширении пика релаксационного спектра в сторону низких частот и увеличению самого максимума эти эффекты растут с увеличением степени неоднородности.

Частота, Ги,

Рисунок 10. Релаксационные спектры затухания в породах с теоретическим распределением времен релаксации приразличной ширине распределений

Изменение спектров затухания в песчаных коллекторах качественно совпадает с изменением спектров в среде с теоретическим распределением неоднородностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Известные методики измерения петрофизических характеристик и затухания акустических волн способом сравнения с эталоном адаптированы для исследования изменения релаксационных спектров затухания при распространении в частично водонасыщенных образцах горных пород.

Экспериментальное исследование проведены на образцах песчаных коллекторов пласта Ю1 Харампурского месторождения с различными петрофизическими характеристиками. Обнаруженное изменение релаксационных спектров затухания при изменении степени водонасыщенности указывает на изменение распределения времен релаксации, а отношение спектра затухания продольных к спектру затухания поперечных волн может служить критерием разделения газо- и водонасыщенных интервалов коллектора. Обнаружено, что зависимость скорости продольной волны от степени водонасыщенности может быть нелинейной для некоторых песчаников.

Расчеты релаксационных спектров затухания упругих волн с использованием решения уравнений теории Био, данных капилляриметрии и петрофизических характеристик образцов песчаных коллекторов показали, что частота максимума затухания сдвигается в область низких частот. Эффекты увеличиваются с увеличением степени неоднородности.

Для оценки степени неоднородности проницаемости предложено и использовано распределение пор по размерам, полученное методом ртутной капилляриметрии.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монография

Дорогиницкая Л.М. Количественная оценка добывных характеристик коллекторов нефти и газа по петрофизическим данным и материалам ГИС. / Л.М. Дорогиницкая, Т.Н. Дергачева, А.Р. Анашкин, А.И. Колыванов, C.B. Кушнарев, Л.Д. Худякова, Е.А. Романов, H.A. Голиков, С.Н. Мелкозерова - Томск: STT, 2007. - 278 с.

Статьи в журналах, доклады на конференциях и конгрессах

1. Машинский, Э.И. Влияние водонасыщения на релаксационные спектры затухания акустических волн в горных породах / Э.И. Машинский, H.A. Голиков // Технологии сейсморазведки.-2011. - № 1— С. 66-71. (Рек. перечнем ВАК).

2. Голиков, H.A. Релаксационные пики затухания Р- и S- волн в сухих и водонасыщенных породах при гидростатическом давлении / Н. А. Голиков, Э.И. Машинский, Д.А. Медных //VII Международный научный конгресс «ГеоСибирь-2011», (Новосибирск, - 19-29 апреля 2011 г.) -Новосибирск, 2011. - С. 84-91.

3. Голиков, Н. А. Скорости акустических волн в породах-коллекторах различной пористости, проницаемости и степени водонасыщения / Н. А. Голиков, Э. И. Машинский // Каротажник. - 2012. - № 3. - Вып. 213. - С. 100-110. (Рек. перечнем ВАК).

4. Голиков, Н. А. Расчеты релаксационных спектров затухания продольных волн с учетом распределения пор по размерам / Н. А. Голиков, Э. И. Машинский // Технологии сейсморазведки. - 2012. — №1. -С. 30-36. (Рек. перечнем ВАК).

5. Голиков, H.A. Влияние дисперсии фильтрационно-емкостных свойств пород на релаксационные спектры затухания упругих волн / Н. А. Голиков, Э. И. Машинский // VIII Международный научный конгресс «ГеоСибирь-2012», (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.), Новосибирск, 2012.-С. 195-200.

6. Голиков H.A. Исследование спектров затухания продольных и поперечных волн при изменении степени водонасыщенности в терригенных коллекторах Западной Сибири/ H.A. Голиков // Техническая конференция SPE "Петрофизика XXI", (Тюмень, 5-7 июня 2012 г.) - Тюмень, 2012.

7. Машинский, Э.И. Затухание продольных и поперечных УЗ волн в полно и частично газо- и водонасыщенных песчаниках-коллекторах под давлением / Э.И. Мащинский, H.A. Голиков // Технологии сейсморазведки. -2012. - № 4. - С. 22-28. (Рек. перечнем ВАК).

_Технический редактор Т.С. Курганова_

Подписано в печать 06.11.2013 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме

_Печ.л. 0,9. Тираж 100. Зак. № 99_

ИНГГ СО РАН, ОИТ 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Голиков, Никита Александрович, Новосибирск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ НЕФТЕГАЗОВОЙ ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКИ ИМ. А.А. ТРОФИМУКА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

04201453693

На правахрукопи^и

ГОЛИКОВ НИКИТА АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИЗМЕНЕНИЕ СПЕКТРОВ ЗАТУХАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ПЕСЧАНЫХ КОЛЛЕКТОРАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СТЕПЕНЯХ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННОСТИ И МИКРОНЕОДНОРОДНОСТИ ПРОНИЦАЕМОСТИ

25.00Л 0 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д. г.- м. н. Машинский Э.И.

НОВОСИБИРСК 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................3

Глава 1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЗАТУХАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН.........10

1.1. Теоретические модели частотной зависимости затухания упругих

волн в пористых средах...........................................................10

1.2. Экспериментальные исследования..............................................19

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ

СПЕКТРОВ ЗАТУХАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ПЕСЧАНЫХ КОЛЛЕКТОРАХ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННОСТИ................................29

2.1. Методика проведения экспериментов, аппаратура и оборудование........................................................................29

2.2. Петрофизические характеристики исследуемых образцов песчаных коллекторов.............................................................41

2.3. Зависимость скоростей продольных и поперечных волн от степени флюидонасыщенности для песчаников различных типов.................43

2.4. Изменение спектров затухания акустических волн в песчаниках

при различной степени флюидонасыщенности.............................47

Глава 3. РАСЧЕТ СПЕКТРОВ ЗАТУХАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

С УЧЕТОМ МИКРОНЕОДНОРОДНОСТИ ПРОНИЦАЕМОСТИ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ БИО................................................59

3.1. Постановка задачи.................................................................59

3.2. Обоснование фактора микронеоднородности проницаемости...........61

3.3. Изменение релаксационных спектров затухания волн в средах

с неоднородной проницаемостью................................................67

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................73

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................75

ВВЕДЕНИЕ

Объект исследования - спектры затухания акустических волн в образцах песчаных коллекторов на предмет определения их изменения в зависимости от степени флюидонасыщенности и микронеоднородности проницаемости.

В процессе поиска месторождений нефти и газа важным этапом является прогнозирование наличия и состояния углеводородов в резервуаре и последующее уточнение границ газонасыщенных интервалов коллектора. Современный подход к решению этих задач состоит в использовании спектральных характеристик сейсмических сигналов, прошедших через исследуемый интервал разреза. Известно, что в процессе распространения упругих волн в пористых средах, к которым относятся песчаные коллектора нефти и газа, происходит взаимодействие флюида со стенками пор коллектора, что обусловливает частотную дисперсию скорости и поглощение энергии волн наряду с потерями в твердом скелете, жидкой и газообразной фазах породы. Связь изменения кинематических и динамических характеристик (в частности спектральных) акустического сигнала с состоянием и фильтрационно-емкостными свойствами пород дает принципиальную возможность восстановления характеристик породы при интерпретации данных акустических измерений. Развитие данного метода сдерживаются отсутствием единой теоретической модели распространения акустических волн в микронеоднородных средах с переменной газонасыщенностью, что приводит к несогласованным между собой выводам, полученных на основе разных моделей. Расчеты, выполненные на основе различных физических моделей, показывают, что степень флюидонасыщенности по-разному влияет на скорости и частотно-зависимое затухание акустических волн. Экспериментальных же данных, позволяющих обосновать выбор в пользу той или иной модели, в настоящее время недостаточно. Экспериментальные исследования затухания акустических волн направлены, в основном, на измерение декремента

затухания (или обратной добротности) в узком частотном диапазоне. В то же время из теории распространения акустических волн в насыщенных пористых средах известно, что использование релаксационных спектров затухания может существенно повысить степень достоверности определения петрофизических характеристик коллекторов нефти и газа при обработке данных акустических измерений. Немногочисленные известные из публикаций эксперименты подтверждают, что спектры затухания могут изменяться сложным образом, что приводит к неоднозначной оценке соотношения затухания продольных и поперечных волн, измеренных на фиксированной частоте.

Кроме того, известные модели недостаточно полно учитывают сложность строения пористых сред, обуславливающую микронеоднородность петрофизических характеристик породы, в частности, проницаемость. В теоретических расчетах пористая среда рассматривается как однородная. Микронеоднородность проницаемости, как ключевой петрофизической характеристики породы, не учитывается. Результаты исследования горных пород методами капилляриметрии показывают, что диапазон диаметров поровых каналов, определяющих суммарную проницаемость, может быть широким и порода является однородной только в среднем по объему. Влияние микронеоднородности проницаемости на релаксационные спектры затухания можно проверить расчетами, например на основе решений уравнений теории Био.

Актуальность исследования определяется необходимостью экспериментальных исследований распространения акустических волн в песчаных частично насыщенных коллекторах с использованием новых методик и современной цифровой аппаратуры.

Цель исследования - повышение точности и надежности определения фильтрационно-емкостных свойств и флюидонасыщенности песчаных коллекторов на основе экспериментального исследования изменения спектров затухания акустических волн при различной степени флюидонасыщенности,

исследование влияния микронеоднородности проницаемости на релаксационные спектры затухания акустических волн.

Задачи исследования:

1. Экспериментально исследовать изменения спектров затухания акустических волн в ультразвуковом диапазоне частот в зависимости от степени флюидонасыщенности песчаных пород с различными петрофизическими свойствами.

2. Установить влияние неоднородности проницаемости песчаных коллекторов на спектры затухания ультразвуковых волн на основе теории Био.

Фактический материал, методы исследований и аппаратура

Теоретической базой экспериментальных исследований являются теория распространения акустических волн в упругих и микронеоднородных средах -теория Френкеля-Био, теория «локальных потоков» и др.

Основной метод исследования - лабораторный эксперимент по изучению скоростей и спектров затухания акустических волн на образцах горных пород. Измерения проводились на восьми образцах песчаников с различными петрофизическими свойствами из пласта Ю] Харампурского нефтегазового месторождения на установке ССО-60-90, разработанной в СНИИГГиМСе, позволяющей моделировать на образце пластовые условия. Приемник и источник ультразвуковых волн, входящие в состав установки, модернизированы соискателем для получения широкополосного сигнала. Для возбуждения сигналов использовалась промышленная электронная аппаратура, модернизированная соискателем. Сигналы с приемника ультразвуковых колебаний регистрировались цифровым осциллографом. Из известных сегодня лабораторных методов измерения затухания, использовался метод сравнения с эталоном, который включает: проведение акустических измерений на эталонном и исследуемом образце, обработку зарегистрированных сигналов с вычислением скоростей акустических волн и спектров затухания. Частичная

водонасыщенность создавалась центрифугированием образцов при различных скоростях вращения центрифуги.

Расчет спектров затухания с учетом микронеоднородности проницаемости проводился с использованием решений уравнений теории Био и фактических данных о петрофизических характеристиках и строении порового пространства коллекторов Аю Тянского месторождения нефти. Этот метод численного моделирования включает: расчет параметров модели Био по скоростям акустических волн в насыщенной и сухой породе, измерение петрофизических характеристик образцов, расчет плотности распределения времен релаксации с использованием данных ртутной капилляриметрии, расчет спектров затухания акустических волн для теоретической и фактической функции плотности времен релаксации.

Защищаемые научные результаты

1. Экспериментально установлено:

- влияние степени водонасыщения песчаных коллекторов на акустические параметры проявляется в увеличении отношения спектра затухания продольных к спектру затухания поперечных волн с уменьшением степени водонасыщенности;

- существуют две группы песчаников, различающиеся зависимостью скоростей продольных волн от степени водонасыщенности: для песчаников 1-й группы эта зависимость близка к положительной линейной, у песчаников 2-й -зависимость существенно нелинейная.

2. Объемная неоднородность проницаемости песчаных коллекторов проявляется в виде изменения величины и ширины релаксационного пика и его смещения в область более низких частот, которое возрастает е увеличением степени микронеоднородности проницаемости породы.

Научная новизна и личный вклад

1. Адаптация методики определения декремента затухания акустических волн к определению релаксационных спектров затухания потребовала расширения частотного диапазона измерений акустического сигнала, что было достигнуто уменьшением длительности сигнала с помощью следующих приемов:

- подбором длительности возбуждающего импульса;

- применением длинного демпфера для исключения влияния волны, отраженной от дальнего конца демпфера;

- использованием свинца в качестве протектора, что одновременно обеспечило стабильность контакта датчика с образцом.

2. Экспериментальными исследованиями и расчетами установлено:

- спектры затухания акустических волн трансформируются при изменении степени флюидонасыщенности, что указывает на изменение распределения времен релаксации и, возможно, механизмов релаксации;

- два вида песчаника различаются линейной и нелинейной зависимостью скорости продольной волны от степени флюидонасыщенности;

- расчеты релаксационных спектров затухания упругих волн с использованием решения уравнений теории Био, данных капилляриметрии и петрофизических характеристик образцов песчаных коллекторов показали, что частота максимума затухания сдвигается в область низких частот, следовательно, спектр волны будет более высокочастотным.

Научная и практическая значимость

- использованная методика является вкладом в развитие методической составляющей экспериментальных исследований по определению петрофизических характеристик пород;

- учет трансформации релаксационных спектров затухания и изменения распределения времен релаксации повысит качество построения петрофизических моделей горных пород;

- применение отношения спектра затухания продольной волны к спектру поперечной волны в совокупности с коэффициентом Пуассона повысит степень надежности выделения газонасыщенных интервалов песчаных коллекторов;

- учет микронеоднородности проницаемости пористых сред значительно повысит степень достоверности расчета релаксационных спектров затухания акустических волн.

Использование разработанной методики имеет экономический эффект, так как существенно повышает качество построения модели нефтегазового коллектора при выделении газонасыщенных интервалов по результатам интерпретации данных акустических методов разведки.

Апробация работы

Основные результаты были представлены на конференциях и конгрессах: Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2011» (Новосибирск, 2012), Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2012» (Новосибирск, 2012), Конференция БРЕ «Петрофизика XXI/ РеиорЬ^юй XXI» (Тюмень, 2012).

Полученные научные результаты изложены в 8 публикациях, из которых 1 монография, 4 - статьи в российских рецензируемых научных журналах, рекомендованных Перечнем ВАК, 3 - материалы конференций и международных конгрессов.

Благодарности

Автор _выражает благодарность научному руководителю д.г.-м.н. Э. И. Машинскому за плодотворное сотрудничество, а также д.т.н. И.Н. Ельцову, д.т.н. Ю.И. Колесникову, д. ф-м. н. Б.П. Сибирякову, д.г.-м.н. И.Р.

Оболенцевой, за полезные советы и обсуждения. Автор благодарит коллектив лаборатории за помощь в выполнении экспериментальных работ^

Автор благодарит В.И. Самойлову за помощь в оформлении диссертации.

Глава 1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЧАСТОТНОЙ

ЗАВИСИМОСТИ ЗАТУХАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

1.1 Теоретические модели частотной зависимости затухания

упругих волн в пористых средах

Как известно, теоретические основы распространения упругих волн в пористых средах были заложены [Био 1956а, 1956Ь] и развиты его последователями [Косачевский, 1959; Николаевский, 1963; 1970; Рахматулин, 1956; Бакулин, 1998; веетша, 1961].

Согласно этой теории, породы-коллекторы представляют собой двухфазную среду, твердая фаза которой состоит из отдельных частиц, упакованных давлением вышележащих толщ, и образует твердый остов, обладающий упругими свойствами, отличными от свойств материала частиц. Система сообщающихся пор, пронизывающих остов породы, обусловливает огромную площадь соприкосновения фаз, которая является поверхностью их взаимодействия.

В процессе распространения упругих волн в пористых средах происходит перемещение флюида относительно стенок пор коллектора, сопровождающееся вязким трением, возникают сейсмоэлектрические явления, а также, вследствие различия термодинамических свойств флюида и твердой фазы, создается разность температур и происходит теплообмен между фазами.

Перечисленные явления обусловливают частотную дисперсию скорости и поглощения энергии волн наряду с потерями в твердом остове, твердой, жидкой и газообразной компонентах породы.

Дальнейшее развитие теории связано с введением новых механизмов потерь энергии распространяющихся волн, за счет введения в уравнения Био комплексных параметров учитывались потери от движения частиц скелета в

точках контакта [Stoll and Kan, 1981; Turgut and Yamomoto, 1990; Bakulin and Molotkov, 1998].

Учет зависимости вязких потерь от частоты при движении жидкости относительно скелета предложен в работе [Johnson et al., 1994]. Другие модели пористой среды, отличающиеся от модели Био, предлагались в работах [Акуленко, Нестерова, 2005; Артикова, 1987; Edelman and Wilmanski, 2002].

Наиболее востребованными на сегодня теориями распространения акустических волн в частично насыщенных пористых средах являются теория фрагментарного насыщения (Rock Physics Model) и теория локальных перетоков («squirt flow» и «local flow») [Dvorkin and Nur, 1993; Dvorkin et al., 1999]. Согласно этим теориям, распространяющаяся в частично или полностью насыщенной породе волна вызывает колебательное течение порового флюида относительно скелета породы. Распределение флюида в виде периодических или произвольных «фрагментов» (patchy) позволяет установить сходимость экспериментальных результатов с теоретическими положениями. В работе Мюллера и Гуревича [Muller and Gurevich, 2004] показано, что с использованием такого типа насыщения для различных частот можно получить различные формы зависимостей затухания от водонасыщенности. Установлено соответствие этих зависимостей с полученными экспериментальными данными. Анализ этих кривых проведен совместно с рассмотрением частотных зависимостей затухания (релаксационных спектров затухания).

Таким образом, частотная дисперсия упругого модуля и инверсной добротности может указывать на величину и степень насыщения породы. Дефект упругого модуля определяется величинами низкочастотного (релаксированного) и высокочастотного (нерелаксированного) модулей или иначе модулей низкочастотного и высокочастотного предела. Предполагается, что различие между «пустой» и насыщенной породой определяется различием между релаксированным и нерелаксированным модулями. Как известно, дисперсия упругого модуля связана с поглощением через соотношение Крамерса-Кронига. Характер релаксационного спектра затухания и дисперсия

упругого модуля определяются типом выбранной модели вязкоупругой среды. Наиболее близко отражающей реальные свойства среды и применяемой в настоящее время является модель стандартного линейного тела (или стандартного неупругого тела - в более поздней тр�