Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Изучение распространения упругих волн в средах с цилиндрической симметрией методами лабораторного моделирования

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Изучение распространения упругих волн в средах с цилиндрической симметрией методами лабораторного моделирования"

00348178Б

На правах рукописи

Ошкин Александр Николаевич

ИЗУЧЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН В СРЕДАХ С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ СИММЕТРИЕЙ МЕТОДАМИ ЛАБОРАТОРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2009

003481786

Работа выполнена на кафедре сейсмометрии и геоакустики геологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

доцент Владов Михаил Львович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник, Алешин Александр Степанович

кандидат физико-математаческих наук Логинов Константин Иванович

Ведущая организация: ОАО "Институт Гидропроект"

Защита состоится 18 ноября 2009 года в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.64 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, зона «А», Геологический факультет, аудитория 308

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (ГЗ МГУ, зона «А», 6 этаж)

Автореферат разослан 16 октября 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета:

0/ Никулин Б. А.

Общая характеристика работы.

Актуальность

Актуальность настоящей диссертационной работы определяется возрастающей в последние годы необходимостью производить инженерно-геологические изыскания при строительстве особо важных сооружений и дальнейшем мониторинге состояния массива пород, на котором располагается сооружение.

Весьма важным является изучение верхней части разреза для дальнейшего учета ее влияния на характеристики упругих волн, получаемых при проведении глубинных сейсмических работ, нацеленных, как для изучения регионального строения, так и для поиска и добычи полезных ископаемых.

Здесь хорошо себя зарекомендовали разнообразные сейсмические методы, отдельную группу которых представляет сейсмоакустический каротаж в водонаполненных скважинах с источником типа центр расширения и приемниками давления, преимущество которых подчеркивается легкостью и мобильностью современной применяемой аппаратуры.

Специфика работы во флюидонаполненных скважинах позволяет генерировать особый тип волны, называемой гидроволной (Т-волна), изучение характеристик которой позволяет перейти не только к скоростям поперечных Б-волн и как следствие к прочностным параметрам, но и к таким характеристикам разреза как проницаемость.

Однако возникает ряд трудностей, встречающихся повсеместно, при проведении исследований в скважинах.

В данной работе рассмотрены следующие особенности строения неглубоких водонаполненных скважин:

1. Наличие обсадки скважины.

2. Глинистая корка на внутренней поверхности скважины.

При бурении неглубоких скважин обсадка применяется достаточно часто. При этом известно, что она оказывает существенное влияние на гидроволны. В отличие от стальных труб, практически полностью «закрывающих» горные породы от гидроволны, пластмассовая обсадка с одной стороны позволяет получать характеристики свойства затрубного пространства, с другой стороны, ее воздействие на характеристики волнового поля заметно и требует отдельного изучения.

Кроме обсадной колонны, искажающее влияние на волновое поле оказывают и другие факторы устройства скважины, среди которых важную роль играют глинистые корки, которые с одной стороны способствуют сохранению ствола скважины, а с другой стороны нарушают гидрообмен и представляют собой цилиндрический слой, влияние которого также необходимо учесть.

В области нефтегазовой сейсморазведки эти вопросы прорабатываются и имеют свое решение, которое трудно приложить к условиям ВЧР.

Исходя из вышесказанного, намечается ряд нерешенных вопросов, связанных с изучением поведения гидроволн в различных условиях. Решение этих вопросов позволит повысить достоверность получаемых упругих характеристик грунтового массива и в целом эффективность сейсмоакустики при наблюдениях в неглубоких водонаполненных скважинах при использовании источников типа центр расширения и приемников давления

Цель работы

Цель работы - изучение и учет влияния обсадки и глинистой корки на поле гидроволн при работах с приемниками давления методом физического моделирования.

Основные задачи

Для достижения обозначенной цели необходимо было решить ряд задач:

1. Создание аппаратурного комплекса для проведения ультразвуковых исследований в модели скважины.

2. Создание модели скважины в безграничном твердом проницаемом пространстве с учетом выполнения в ней условия длинноволновой асимптотики для гидроволн.

3. Учет влияния мягкой обсадки (трубы из разнообразных пластмасс) на кинематику гидроволны при работе в неглубоких водонаполненных скважинах приемниками давления (гидрофонами).

Решение задачи осуществляется методами физического моделирования в лаборатории с привлечением данных натурных исследований.

4. Экспериментальная проверка влияния тонкой эластичной непроницаемой мембраны на стенках водонаполненной скважины (глинистая корка) на динамические и кинематические характеристики упругих волн в ней. В частности, возможность изучения пористости и проницаемости околоскважинного пространства с использованием гидроволн.

Решение задачи осуществляется методами физического моделирования в лаборатории с привлечением данных натурных исследований.

Научная новизна

1. Разработаны и обоснованы оригинальные технология создания моделей и техника эксперимента, позволяющие получать волновые картины, подобные результатам полевых измерений.

2. Впервые проведен лабораторный эксперимент по моделированию условий на внутренней поверхности скважины в рамках длинноволнового приближения.

3. Впервые получен способ введения поправок в наблюденные значения скоростей продольных и поперечных волн при наличии пластиковой обсадки в скважинах.

Практическая значимость

Изучение прочностных характеристик массива является одной из первостепенных задач на подготовительных этапах строительства и дальнейшего мониторинга геологической обстановки вокруг сооруженного объекта, а сведения о проницаемых свойствах горных пород позволяют реконструировать гидрогеологическую обстановку изучаемого участка, что в свою очередь позволяет осуществлять более надежную оценку его пригодности для строительства, например, выделять участки с повышенной оползневой опасностью. Помимо этого, изучение проницаемости неглубоких скважин может производиться для целей поиска и добычи артезианских вод.

Изучение таких посторонних факторов, как пластиковая обсадка и глинистая корка, влияющих на измеряемые при проведении сейсмоакустического каротажа параметры волнового поля, позволит уточнить полученные данные о массиве, а также расширить диапазон возможных условий для применения метода.

Вторым аспектом является возможность моделирования, получения наглядных волновых картин в заданных геологических и инженерно-геологических условиях. Крайне высокая неоднородность и нелинейные свойства верхней части разреза плохо поддается математическому описанию и сильно меняется даже в пределах одного участка исследований. Поэтому математическое моделирование здесь крайне затруднено, в то время как физический эксперимент позволяет более надежно смоделировать ситуацию.

Наконец, наглядность физической модели и процессов распространения упругих волн в ней позволяют использовать ее в учебном курсе, посвященном лабораторным измерениями и основам физического моделирования.

Защищаемые положения

1. Создан аппаратурный цифровой комплекс для проведения лабораторных исследований и физического моделирования на основе пьезоизлучателей и приемников давления.

2. Разработана техника создания модели скважины с управляемыми свойствами и методика ультразвуковых измерений на ней позволяют формировать и регистрировать волновое поле давления, подобное получаемому в натурных экспериментах.

3. По результатам проведенных лабораторных экспериментов определены поправки за влияние обсадной колонны на кинематику гидроволн в скважине.

4. Изучены динамические и кинематические характеристики гидроволны в присутствии проницаемой зоны.

5. Разработанные комплекс и техника лабораторного эксперимента обладают большой наглядностью, быстро конструируются и могут быть использованы в учебном процессе.

Апробация результатов исследований и публикации

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 работа в издании, рекомендованном ВАК РФ и 1 учебное пособие, рассчитанное на магистрантов 1 г.о. и посвященному вопросам лабораторных исследований и физическому моделированию. Основные положения диссертационной работы были представлены на международных конференциях «Инженерная геофизика -2006» и БАвЕ «Санкт-Петербург 2008». А также на Российской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Планета земля: актуальные вопросы геологии глазами молодых ученых и студентов", 2009 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация включает введение, три главы, заключение и список литературы, состоящий из 68 наименований. Объем работы составляет 117 страниц. Материалы диссертации проиллюстрированы 48 рисунками.

Благодарности

Работа выполнена на кафедре Сейсмометрии и Геоакустики Геологического факультета Московского университета имени М.В. Ломоносова в период обучения в аспирантуре под руководством доктора физ.-мат. наук, профессора Владова М.Л., принимавшего непосредственное участие в получении полевых материалов, которому автор выражает свою искреннюю благодарность.

Автор выражает безмерную благодарность и признательность доктору физ.-мат. наук, профессору Калинину В.В., консультировавшего по вопросам, касающихся практически всех направлений, охваченных данной работой.

В разное время и в разных формах автор пользовался поддержкой коллектива кафедры сейсмометрии и геоакустики, которым выражает свою признательноть. Помощь оказывали: канд. физ.-мат. наук Степанов П.Ю, канд. геол.-мин. наук Шалаева Н.В., канд. геол.-мин. наук Стручков В.А., принимавший непосредственное участие при выполнении всех полевых наблюдений, а также аспирант Турчков A.M., предоставивший программное обеспечение, применявшееся при обработке данных лабораторных измерений.

Автор также выражает свою благодарность Ивановой Е.В. за участие в оформлении рукописи и сопутствующей документации.

Содержание работы

Введение

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, изложена новизна и практическая значимость и приводятся защищаемые положения.

Глава 1. Обзор и анализ теоретических и практических исследований влияния проницаемой зоны и различных условий в стволе скважины на поле волн давления. Некоторые аспекты физического моделирования в лаборатории.

При рассмотрении типов упругих волн, изучаемых при исследовании флюидонаполненных скважин, необходимо отличать два подхода: высокочастотная асимптотика (или коротковолновой предел) и низкочастотная асимптотика (или длинноволновой предел). Различие подходов определяется отношением Ш, где X - длина волны, ad- диаметр скважины. Низкочастотная асимптотика подразумевает, что дайна упругой волны много больше радиуса скважины. Учитывая тот факт, что на данный момент наиболее распространенными являются скважины, диаметром 10-30 см, условие X » d выполняется на частотах от первых килогерц и ниже (сейсмический и сейсмоакустический диапазон).

В диссертационной работе рассматривается низкочастотная асимптотика. Расчеты опираются на данные, полученные с использованием электроискрового источника типа спаркер и приемников давления, позволяющих регистрировать частоты, достигающие нескольких килогерц. В этом случае влияние скважины на распространение продольных и поперечных волн пренебрежительно мало. Процессы распространения объемных волн описываются теми же законами, что

и в случае с однородным полупространством или иной аппроксимацией реальной геологической среды в отсутствии скважины.

В случае флюидонаполненной скважины по границе скважинный флюид -твердая среда распространяются волны Стоунли. В англоязычной литературе они часто называются трубными Т-волнами (tube-waves), в русскоязычной же трубные волны Стоунли принято называть гидроволнами. Характеристики гидроволн зависят, как от свойств флюида, так и от модуля сдвига околоскважинного пространства.

В случае длинноволнового приближения скорость распространения гидроволны в необсаженной скважине в непроницаемых породах будет выражаться зависимостью:

при наличии обсадной колонны, с условием проскальзывания на контакте с горной породой (т.е. в отсутствии цементации):

в то же время наличие проницаемой зоны (в отсутствии обсадки) влияет следующим образом:

Здесь а - внешний радиус трубы, b - внутренний, Е - модуль Юнга материала трубы, р - плотность флюида, В - объемный модуль упругости флюида, ¡1 - модуль сдвига горной породы, си - круговая частота, а Z -импеданс стенки скважины, через которую протекает флюид, зависящий от пористости и проницаемости породы. Приведенные зависимости были выведены Дж.Э. Уайтом.

Для случая скважины с обсадной колонной Крауклис П.В. и Бураго H.A. показали, что тип контакта, а также свойства обсадки в соотношении со свойствами горных пород могут существенным образом изменять характер воздействия на свойства гидроволны.

Влияние проницаемости породы на характеристики гидроволны объясняется тем фактом, что при своем движении по стволу скважины гидроволна «закачивает» скважинный флюид в околоскважинное пространство. При наличии глинистой корки возникает препятствие этому перетоку, что опять же проявляется, в характеристиках гидроволны.

Зависимость фазовой скорости гидроволны от проницаемости для низкоскоростной породы, типичной для верхней части разреза, при фиксированных прочих параметрах приведена на Рис. 1 (условие открытого ствола).

5 800 -5

600 -400 -

Условные обозначения

-0.1 дарси

— - - — - 1 дарси

- - - 10 парси

————— 0 дарси

400 600

Г. Гц

Рис. 1 Зависнмостьфазовой скорости гидроволны от проницаемости горных пород.

Рассчитанные графики показывают существенное уменьшение скорости гидроволны в случае проницаемой среды. Наибольший эффект наблюдается на частотах до 100 - 200 Гц, наиболее часто встречаемых при исследованиях методом сейсмоакустического каротажа в неглубоких водонаполненных скважинах.

Таким образом, теоретические расчеты показывают применимость сейсмоакустических исследований для определения проницаемости горных пород, в особенности, в верхней части разреза. Несмотря на это, в малоглубинной сейсморазведке гидроволну используют лишь для геологического расчленения разреза и определения прочностных характеристик околоскважинного пространства, опираясь на выражение (*). При этом учета поправок за влияние обсадной колонны не производится.

В главе также для сравнения рассматривается поведение упругих волн в скважине в случае высокочастотной асимптотики. Показано существенное отличие поведения, как объемных волн, так и гидроволн.

В классическом методе акустического каротажа, работающем в рамках коротковолнового приближения, регистрируются головные волны типа РРР и РБР, накладывающие ограничение скорости в изучаемом околоскважинном пространстве не ниже скорости упругих волн во флюиде (условие образования головной волны), что делает его часто неприменимым в низкоскоростной верхней части разреза.

В пределе, когда частота Я—»да, скорость гидроволны стремится к скорости волны Стоунли, распространяющейся по плоской границе жидкость - твердое тело, что существенным образом влияет на ее свойства.

9

Так как решение задач диссертационной работы осуществлялось методами физического моделирования, большая часть главы 1 посвящена основам физмоделирования и в частности теории подобия.

Физическое моделирование подобно численному позволяет изучить реальный объект в рамках той или иной теории, верифицировать ту или иную физическую модель, описанную в рамках математических процедур, ведь известно, что степень достоверности математической модели определяется точностью аппроксимации и проделанных математических выкладок.

Физическое моделирование в своей основе опирается на теорию подобия. Показано, что при сохранении физических характеристик, таких как проницаемость и пористость (в диапазоне, встречающемся в реальных коллекторах), а также приблизительного соотношения скоростей в скважинном флюиде, обсадке и околоскважинном пространстве, для выполнения критериев теории подобия и длинноволнового приближения достаточно создать модель, в которой сохраняется отношение длин волн к геометрическим размерам в натуре

Л кат ^мол

и в модели: г21« —А

^нат "мод

Представлены также различные способы физического моделирования.

Последний раздел главы посвящен описанию теоретических и практических работ различных авторов, по схожей с данной диссертацией тематике.

Рассмотрены натурные эксперименты Риггса, проведенные в скважине, обсаженной стальными трубами. В работах Крауклиса П.В. показано, что тип контакта обсадки с породой (цементированный или нет), а также соотношение скоростей в обсадке и породе, существенным образом влияют на поведение гидроволн. Показано, что стальная обсадка в высокоскоростных породах дает существенно иной результат, нежели мягкая пластмассовая незацементированная обсадка в низкоскоростных.

Приведен пример использования физической модели (построенной по тем же принципам, что и модель в данной работе) для определения влияния проницаемости на характеристики гидроволн. Показано, что полученные данные весьма точно описываются в рамках применяемых теорий.

Приведены примеры физического моделирования в скважине с проницаемой областью (Владов М.Л.). Показано, что амплитуды гидроволн резко уменьшаются при прохождении через сильно проницаемую зону.

Рассмотрена теоретическая работа Максимова Г.А. и Меркулова М.Е., посвященная математическому описанию глинистой корки. Авторы предлагают три способа математического представления глинистой корки:

1. Слой сильновязкой жидкости, который находится в пористой проницаемой среде пласта.

2. Упругая оболочка вблизи стенок скважины.

3. Упругая оболочка, случайным образом закрепленная на стенках скважины (в дальнейшем в работе использована именно эта модель как наиболее близкая).

Зависимость волнового числа от частоты для последнего случая выражается следующим уравнением:

гЛ.

^ ш % ь ^мс+К^КоШ^оЬК^П )

где Шмс =

г ЦД\ г5 М</ЕБУ

жесткость оболочки, А

-толщина оболочки, Е -модуль Юнга, а - коэффициент Пуассона, т = 5 = —, I - среднее расстояние между закреплениями, О - дисперсия, р° - начальная

плотность флюида, со - скорость звука в нем, z= ш Ь, г/ - динамическая

л/ к0 К/

вязкость флюида, т0 - пористость, к0 - проницаемость, К,- - модуль объемного сжатия флюида, КокК,- функции Макдональда.

Фазовая скорость вычисляется Уг{ш) =

Несмотря на большой объем проделанной работы, ввиду отсутствия экспериментальных данных, авторы не смогли ответить на вопрос, как же именно ведет себя глинистая корка в скважине.

В заключительной части первой главы формируются цели и задачи работы.

Глава 2. Разработка и создание измерительных инструментов, физических моделей и методик измерений в лаборатории

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.

Далее формируются свойства модели, необходимые для правильного эксперимента:

1. Соотношение скоростей: Ут < К? троаы ■

Данный случай соответствует ситуации, распространенной в скважинах в верхней части разреза. Особенность такого соотношения заключается в том, что гидроволна при распространении по скважине излучает энергию в виде поперечных волн в пространство.

2. Однородность и изотропность.

3. Абсолютная проницаемость 50 мД и выше (соответствует сильно проницаемым породам и хорошим коллекторам).

4. Открытая пористость 0.1 -0.8

5. Диаметр скважины -10 мм

При использовании в эксперименте излучателей с центральной частотой 25 кГц при выбранных скоростях упругих волн такой радиус будет отвечать условию длинноволнового приближения. Уменьшение радиуса невозможно в связи ограничением на размеры имеющегося приемника давления.

6. Высота модели не менее 20 см.

Условие продиктовано необходимостью надежного выделения на записи гидроволн и их разделения во времени с продольными.

7. 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 29*29 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

расстояние от скважины до боковых стенок модели 2.. .4 Хо глубина скважины 4... 8 Хо

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, распространенном)' в верхней части разреза, когда гидроволна излучает в пространство, так как скорость Ут выше, чем скорость

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 источиик, 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 А.

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,

По вертикальной оси расстояние от излучателя, см, по горизонтальной - время, мкс. Режим индивидуальной нормировки при отображении трасс.

Измерения в модели скважины с необсаженным стволом

По завершению экспериментов с 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 отображения 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 №3 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 отображения 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 амплитуд)', превышающую амплитуду Р-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 Ур , м/с 1260

скорость , м/с 800

В конце главы делается оценка погрешностей экспериментов. Показано, что она варьирует от 1... 2% до 4... 5% .

Глава 3. Анализ и сравнение волновых полей в модели с теоретическими расчетами и реальными данными

В главе 3 производится сопоставление волнового поля, получаемого в модели с полем, полученным в натуре. Анализ делается на основе качественного сравнения поведения амплитуд в зависимости от расстояния от точки излучения, а также путем сравнения ширины спектра гидроволны. Оказалось, что по этим параметрам гидроволна в лабораторном эксперименте не отличается от гидроволны в реальных скважинах. Отличие наблюдается лишь для продольных волн, однако это объясняется различием принципов действия излучателей, применяемых в лаборатории и в поле. Полоса частот, в которой сосредоточена основная энергия гидроволны составляет 10-45 кГц. Но даже для наиболее высокочастотных составляющих выполняется условие длинноволнового приближения.

Анализ данных в случае с обсаженным стволом производился путем сравнения измеренной в эксперименте скорости гидроволны и рассчитанной по формуле (**). Расчетное значение составило 876 м/сек, в то время как прямые измерения дали цифру 850 м/сек. Разница составила 2.6% что не превышает точности измерений (5%).

Согласно приведенной зависимости, скорость гидроволны в обсаженной скважине не зависит от частоты, что подтвердили измерения скорости в узкой полосе частот при различных центральных частотах.

В случае с открытым стволом и упругой мембраной также сравнивались расчетные и измеренные скорости. Так как согласно (***) и (****) скорость зависит от частоты, были выполнены измерения скорости на записях, к которым применялась узкополосная фильтрация. Полоса частот, в которой сосредоточена энергия гидроволны, составляет 10-45 кГц, поэтому был выбран узкополосный фильтр, шириной 1.5-2 кГц, центральная частота которого перемещалась в диапазоне 20-32 кГц с шагом 1 кГц, для разделения отдельных составляющих гидроволны.

Рассчитанные зависимости фазовой скорости и измеренные в узком спектральном окне, представлены на Рис. 6. Для сравнения приводятся расчетные данные для непроницаемой среды.

Отклонение измеренных данных от рассчитанных правее частот 20 кГц не превышает 3.7%, что находится ниже точности измерений. Однако левее точки 20кГц разброс достигает 9%. Что, по всей видимости, отчасти связано с ошибками эксперимента, хотя причина столь значительного разброса остается пока неясной. Гипотетической причиной такого поведения могло оказаться влияние изменения фазовой характеристики используемого фильтра. Также

может оказывать влияние тот факт, что в той полосе частот, где происходит существенный разброс значений скорости, значения амплитудного спектра составляют менее 50% от значения на максимальной частоте.

800 1

850 -,

750

700

400 ! X

500

460

Условны* обозначения! Теория (резиновая пленка) Узкополосная фильтрация (резинова пленка] Теория (открытый ствол) Узкополосная фильтрация (открытый стеог) Без фильтрации (резиновая пленка) Непроницаемая среда

.1

350

300

0

10 15 20 25 30 36 40 Г, «ГЦ

Рис. 6 Вычисленные фазовые скорости гидроволны в моделях скважины с открытым стволом и упругой мембраной и сравнение с теоретическими расчетами. Вертикальная пунктирная линия ограничивает область хорошего соответствия с теорией.

Измерения на модели показали, что выбранный для моделирования частотный диапазон оказался слишком высок для уверенного и надежного выявления эффектов, связанных с проницаемостью - полученные значения находятся на участке графика, где значения Ут в проницаемой среде всего 2.53% отличаются от таковых в непроницаемой среде.

В этом частотном диапазоне обнаружить разницу между открытым стволом и стволом с тонкой резиновой пленкой не представляется возможным.

В данном случае выбор ограничивался возможностями аппаратуры. Однако при большей проницаемости частотный диапазон около 25 кГц оказывается достаточно низким для надежного выявления эффектов, связанных с ней.

На Рис. 7 представлены зависимости скорости Ут от частоты при различных проницаемостях. Из рисунка видно, что при проницаемости 1 Д различие скоростей в пределах частотного диапазона 19-35 кГц велико, и на частоте 25 кГц составляет около 8%. Кроме того, наклон кривой достаточен,

чтобы однозначно определить проницаемость по измерениям фазовой скорости гидроволны.

О 6 10 15 20 25 30 35

Г. «Гц

Рис. 7 Поведение графика фазовой скорости при большей проницаемости

В заключении главы 3 производится вывод поправочного коэффициента за влияние обсадки, а также приводится пример применения этого коэффициента для реальных данных и рекомендации по измерению значения модуля Юнга обсадки.

Из выражения (**) можно вывести значение модуля сдвига затрубного пространства:

_ / 1 1 \ -1 еп —, или в более применимой на практике форме:

^ в) 2 Ь

V]) 21, —; где А - толщина обсадки, V/- скорость продольных волн в скважинном флюиде.

Определение модуля Юнга материала обсадки возможно с помощью ультразвуковых исследований, через скорости У? и У5.

Здесь следует обратить внимание на следующий факт: измерение необходимо производить на наиболее низких ультразвуковых частотах, в десятки кГц. Лабораторные эксперименты показали, что многие полимерные вещества, к которым также относится полиэтилен, могут проявлять существенно иные упругие свойства на частотах от десятков килогерц и выше.

Учет поправки осуществлялся на примере данных, полученных на геофизическом полигоне Александровка в скважине глубиной 20 м, обсаженной полиэтиленовыми трубами.

Разрез представлен тремя геологическими слоями, являющимися суглинками с различным содержанием песчаных частиц. Разделение на геологические слои производилось по результатам отбора керна и подтверждалось расчленением разреза по данным сейсмоакустических исследований.

Расчет значений модуля сдвига и скорости по нему представлен в таблице:

Ут, м/сек по пластам без поправки> МПа А с поправкой) МПа без поправки^ м/сек с поправкой^ м/сек

370 140 80 260 200

410 180 120 290 240

370 150 90 260 200

Приведенные результаты показывают существенное отклонение рассчитанной скорости поперечных волн с обсадкой и без нее, подтверждая таким образом необходимость введения поправки за обсадку.

Заключение

Заключение сформулировано в виде выводов:

1. Изучение волновой картины, полученной в лаборатории, подтвердило сходство характеристик гидроволны в модели и в натуре: визуальное, поведение амплитуд и ширина спектров.

2. Физический эксперимент позволил выбрать из различных теоретических представлений о поведении волнового поля в обсаженной скважине вариант, соответствующий пластиковой обсадной колонне с проскальзыванием на контакте - случае, распространенном при строительстве неглубоких скважин.

Данный факт, ранее не доказанный практически, позволяет производить сейсмоакустические исследования в скважинах, обсаженных пластиковыми трубами - необходимо лишь знать толщину обсадки и модуль Юнга материала, который можно определить на месте, используя компактную переносную аппаратуру для ультразвуковых исследований.

3. В случае открытого ствола в пористой среде полученные результаты также хорошо соотносятся с теоретическими расчетами. Тот факт, что полученные значения отличаются от расчетов для непроницаемой породы, свидетельствует о возможности обнаружения влияния проницаемости на характеристики гидроволн в лаборатории. Однако для более надежного изучения

эффектов, связанных с проницаемостью, при данном частотном диапазоне необходимо создать модель с большей проницаемостью.

4. При аппроксимации глинистой корки моделью непроницаемой упругой мембраны на используемых частотах при проницаемости 100 мД и толщине пленки 0.25 мм не удалось обнаружить ее влияния на результаты.

Видимо на этих частотах силы инерции, препятствующие прогибанию пленки, оказались настолько малы, что она фактически работает как неупругая безмассовая оболочка.

В этой ситуации на этой частоте имеет место малое проникновение флюида в пористое пространство

5. Хорошее совпадение теоретических и измеренных значений свидетельствует об адекватности созданной модели и правильности технологии ее создания, а также о правильности методик измерений на ней.

Это позволяет использовать данную модель (или построенные по той же технологии модели) для изучения различных вопросов, связанных с распространением гидроволн волн в скважинах. В качестве примера актуальных задач можно привести продолжение данной работы - более полное изучение вопросов влияния проницаемости и условий на стенках скважины, изучение так называемой среднечастотной асимптотики.

6. Полученный опыт создания и работы с моделями скважин, а также сами модели будут использованы в рамках учебного курса по изучению ультразвуковых методов в лаборатории, для проведения практикумов и наглядной демонстрации.

Публикации по теме диссертации

1. Владов М.Л., Ошкин А.Н. Ультразвуковые источники и приемники поперечных колебаний, Разведка и охрана недр, 12. 2006.

2. Ошкин А.Н., Корост Д.В. Источники и приемники поперечных колебаний для лабораторных ультразвуковых исследований, 2-я Международная научно-практическая конференция «Инженерная геофизика - 2006», тезисы докладов.

3. Владов М.Л., Ошкин А.Н. Опыт использования сейсмоакустических исследований водонаполненных скважин в составе инженерно-геологических изысканий, ЕАОЕ, Международная конференция «Санкт-Петербург 2008», тезисы докладов.

4. Ошкин А.Н. «Миоговолновая сейсморазведка. Ультразвуковые исследования в лаборатории», М.: Издательство МГУ, 2008. Учебное пособие.

5. Владов М.Л., Ошкин А.Н. Изучение влияния условий на внутренней поверхности флюидонаполненной скважины на поле волн давления в ней методами физического моделирования, Российская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Планета земля: актуальные вопросы геологии глазами молодых ученых и студентов", 2009 г., тезисы докладов.

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологического ф-та МГУ Тираж ¡00 экз. Заказ № ^

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Ошкин, Александр Николаевич

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Обзор и анализ теоретических и практических исследований влияния проницаемой зоны и различных условий в стволе скважины на поле волн давления. Некоторые аспекты физического моделирования в лаборатории.

1.1 Теоретические основы скважинных наблюдений.

1.1.1. Упругие волны в скважине. Низкочастотная асимптотика.

Объемные волны.

Гидроволны.

1.1.2. Упругие волны в скважине. Высокочастотная асимптотика.

Объемные волны.

Гидроволны.

1.1.3. Источник в скважине с приемником и источник вне скважины

1.1.4. Применение гидроволны при исследовании скважин. Нерешенные задачи

1.2. Физическое моделирование, как способ решения задачи о волновом поле в скважине. Теоретические основы.

1.2.1. Некоторые элементы теории подобия.

1.2.2. Способы создания физических моделей.

Двумерные модели, примеры их применения.

Трехмерные модели, примеры их применения.

1.3. Теоретические, лабораторные и натурные исследования в рамках задач о волновом поле в скважине.

1.3.1. Влияние обсадной колонны.

1.3.2. Проницаемость и гидроволны. Лабораторные эксперименты.

1.3.3. Влияние глинистой корки. Три модели.

1.4. Постановка задачи.

Глава 2. Разработка и создание измерительных инструментов, физических моделей и методик измерений в лаборатории.

2.1 Обоснование применимости метода физического моделирования для решения поставленных задач.

2.1.1. Геометрические размеры.

2.1.2. Высокочастотный диапазон изучаемых упругих колебаний.

2.2 Модели.

2.2.1. Требуемые свойства материала модели.

2.2.2. Ограничения на геометрические размеры модели.

2.2.3. Выбор материала модели.

2.2.4. Геометрия модели.

2.2.5. Моделирование ситуаций на внутренней поверхности скважин

2.2.6. Возможности модели.

2.3 Устройства возбуждения и приема колебаний.

2.3.1. Аппаратура для полевых исследований.

2.3.2. Аппаратура для лабораторных исследований.

Источники и приемники продольных колебаний.

Источники и приемники поперечных колебаний.

Датчики давления на основе пьезокерамики.

Устройства генерации сигналов, усилители и АЦП, применяемые в лаборатории.

2.4 Методики измерений.

2.4.1. Методика полевых наблюдений в скважинах.

2.4.2. Методика измерений в лаборатории на модели.

Измерения в обсаженной скважине.

Измерения в открытом стволе.

Случай с «глинистой коркой».

Попытка изготовить реальную глинистую корку.

Измерение параметров модели.

2.5. Оценка погрешностей измерений.

2.6. Выводы.

Глава 3. Анализ и сравнение волновых полей в модели с теоретическими расчетами и реальными данными.

3.1 Сравнение волнового поля в модели скважины и в натуре.

3.2. Вариант обсаженной скважины.

3.3. Вариант скважины с открытым стволом.

2.3 Вариант скважины с тонкой упругой мембраной.

3.5 Практические результаты работы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Изучение распространения упругих волн в средах с цилиндрической симметрией методами лабораторного моделирования"

На настоящее время основной объем проводимых сейсмических исследований занимают исследования с поверхности. Такие измерения имеют два принципиальных недостатка, один из которых связан с тем, что поле упругих волн подвергается влиянию толщи пород над искомым горизонтом или объектом, а другой вызван строением верхней части разреза. Приповерхностная часть геологического разреза сильно неоднородна по всем четырем координатам, в пространстве и во времени, и обладает заметными или даже гигантскими нелинейно-упругими свойствами и резковыраженной частотной зависимостью акустических свойств.

При работе с поверхности, изучается уже сформированное особенностями изучаемой среды волновое поле, таким образом, на плечи обработчика и интерпретатора ложится необходимость расшифровки причин возникновения той или иной волны на общей записи. Этих недостатков лишены наблюдения во внутренних точках среды -скважинах.

При проведении исследований в скважине появляется возможность изучать процесс формирования волнового поля, одновременно выделять и изучать волны разных типов и классов (прямые, отраженные, кратные, преломленные, продольные, поперечные, гидроволны, обменные), образовавшиеся под влиянием изучаемой среды. При этом происходит точная геометрическая привязка особенностей волнового поля по глубине.

Расположение источника и приемников на одной линии наблюдения (в случае излучения в той же скважине), приводит к тому, что измеряется не кажущаяся скорость распространения упругой волны, а истинная. Этот факт делает волновое поле более наглядным и простым для интерпретации.

Наблюдения во внутренних точках среды для изучения геологического строения района впервые были применены в 1913 г. Фессенденом [60].

На практике же широко стали применяться в 50-х - 60-х годах прошлого столетия. Разработка Гальпериным Е.И. метода вертикального сейсмического профилирования ВСП [15,16] и его бурное развитие в 70-х годах сделали наблюдения в скважинах обязательной стадией при проведении исследований по изучению геологического строения среды.

Однако метод ВСП с использованием прижимных сейсмоприемников, показывающий прекрасные результаты при работе в многокилометровых скважинах, в неглубоких (от первых десятков до первых сотен метров) скважинах, предназначенных для инженерных целей, сталкивается с рядом трудностей. Это и низкое качество исполнения скважины - часто отсутствует обсадка и положение и прижим многокомпонентного зонда зачастую невозможно контролировать, это и работа в низкоскоростных и сильнонеоднородных горизонтах (глины, суглинки, супеси, пески).

Применение акустического каротажа (АК) в неглубоких скважинах также встречает затруднение, порой неразрешимые: в стандартной методике АК осуществляется регистрация головных волн типа РРР для измерения скоростей продольных и PSP для скоростей поперечных волн. В то же время, если скорость упругой волны в окружающем пространстве ниже, чем скорость продольной волны во флюиде, то обмена не происходит, соответственно, метод не работает.

В подавляющем большинстве случаев скорости поперечных волн в верхней части разреза меньше 1500 м/сек - скорости упругой волны в воде. Таким образом, АК для изучения поперечных волн в малоглубинных скважинах не может применяться, так как не образуется головная волна на границе вода — окружающее пространство. А тот факт, что зачастую и скорости продольных волн опускаются до значений 1500 м/сек и ниже, делает неприменимым метод АК в принципе.

Этих недостатков лишен метод сейсмоакустического каротажа с использованием пьезоприемников давления - гидрофонов - и точечного источника типа сосредоточенной силы.

Такие источники как пневмопушка и электроискровый источник возбуждают широкополосные колебания с центральными частотами в сотни герц - первые килогерцы. С одной стороны это достаточно высокие частоты для разрешения геологических слоев в десятки сантиметров (Рис. 9), с другой стороны, упругие волны все еще распространяются согласно теории длинноволнового приближения (при работе в скважинах диаметром 10-20 см), а, стало быть, не требуется высокоскоростного разреза в отличие от АК.

Отказ от прижимных сейсмоприемников в пользу датчиков давления позволил решить сразу два недостатка стандартных методик ВСП: отсутствие прижима понижает время скважинных работ и позволяет регистрировать сигнал как есть, без влияния контакта, с другой стороны, отсутствие прижима позволяет работать на более высоких частотах, недоступных прижимным приемникам.

В данной работе будут приводиться примеры- скважинных наблюдений с использованием в качестве излучателя электроискрового источника типа спаркер [25]. Современные приборы данного типа позволяют в широких пределах регулировать параметры запасаемой энергии от единиц джоулей до сотен килоджоулей (которая трансформируется в акустическую энергию с КПД несколько процентов). При этом пиковые мощности могут достигать десятков и сотен киловатт, а величины развиваемых давлений могут достигать сотен и тысяч атмосфер в непосредственной близости от области излучения. Излучатель не содержит подвижных и дорогих частей, а небольшие габариты позволяют его размещать в любой точке скважины, производя наблюдения с потенциальной (один из элементов системы источник-приемник неподвижен, в то время-как другой с равномерным шагом движется по скважине) и дифференциальной расстановками (источник и приемник на неизменном расстоянии друг от друга движутся по скважине).

Одним из главных недостатков сейсмоакустического каротажа является сложность и неконтролируемость возбуждения поперечной волны одиночным электроискровым источником. Здесь хочется отметить, что автору известно о выпускаемых некоторыми фирмами электроискровых излучателях направленного действия, генерирующих поперечную волну, однако на практике подобные конструкции им не применялись, а в публикуемой литературе данных об использовании таких излучателей найти не удалось.

Специфика работы во флюидонаполненных скважинах позволяет генерировать особый тип волны, называемой гидроволной, изучение характеристик которой позволяет перейти не только к скоростям S-волн [13], но и к таким характеристикам разреза как проницаемость.

Однако возникает ряд трудностей, встречающихся повсеместно, при проведении исследований в скважинах.

В данной работе рассмотрены такие как:

1. Наличие обсадки скважины.

2. Глинистая корка на внутренней поверхности скважины.

При бурении неглубоких скважин обсадка применяется достаточно часто. При этом известно, что она оказывает существенное влияние на гидроволны. По результатам полевых исследований известно, что в случае обсадки стальными трубами, характеристики гидроволны практически не зависят от свойств разреза.

Очевидным образом оптимальным случаем является отсутствие обсадки и вообще каких-либо препятствий для обмена флюидом между скважиной и грунтовым массивом. Среди этих двух полярных случаев обсадка пластмассовая трубами является промежуточным вариантом. С одной стороны она позволяет получать характеристики свойства затрубного пространства, с другой стороны, ее воздействие на характеристики волнового поля заметно и требует отдельного изучения.

Кроме обсадной колонны, искажающее влияние на волновое поле оказывают и другие факторы устройства скважины, среди которых важную роль играют глинистые корки, которые с одной стороны способствуют сохранению ствола скважины, а с другой стороны нарушают гидрообмен и представляют собой цилиндрический слой, влияние которого также необходимо учесть.

Глинистая корка образуется при фильтрации флюида, содержащего взвешенные частицы глины, через поры коллектора. Это может происходить, как при намеренной кольматации пор, например, для укрепления ствола открытой скважины, так и непреднамеренно. В этом случае глина может попасть в буровой раствор при прохождении глиносодержащих слоев горных пород, как правило, представленных в верхней части разреза.

В области' нефтегазовой сейсморазведки эти вопросы прорабатываются и имеют свое решение, которое трудно приложить к условиям ВЧР.

Исходя из вышесказанного, намечается ряд нерешенных вопросов, связанных с изучением поведения гидроволн в различных условиях. Решение этих вопросов позволит повысить достоверность получаемых упругих характеристик грунтового массива и в целом эффективность сейсмоакустики при наблюдениях в неглубоких водонаполненных скважинах при использовании источников типа центр расширения и приемников давления [25].

В настоящей работе решение обозначенных проблем осуществляется методами физического моделирования [12]. К сожалению, в настоящее время количество задач, решаемых численными методами, непропорционально велико по сравнению с задачами, решаемыми прямыми физическими измерениями. Связано это с доступностью ЭВМ и разнообразием программного обеспечения для проведения вычислений вкупе с относительной простотой проведения численного эксперимента. Однако считать численное моделирование панацеей от всех проблем неверно.

Уместно упомянуть, что теоретические расчеты волновых задач основаны на уравнениях, которые только приближенно соответствуют реальной сейсмической среде, являются нулевым приближением. Закон Гука, например, играющий фундаментальную роль в динамической теории упругости, является далеко не абсолютным законом в том виде, в каком он используется. Здесь берут обычно только первые члены разложения в ряд. Учет последующих членов разложения может привести к новым результатам [22,36].

Несоответствие идеально упругой линейной модели среды, обычно применяемой при описании горных пород в математических задачах, и реальной среды, в которой проводятся геофизические наблюдения, подтверждается большим количеством публикаций на тему нелинейных свойств горных пород [19, 20, 42, 49, 50]. Лишь совокупность математической модели с физическим экспериментом может дать наиболее полное и точное представление волновой картины в изучаемом геологическом объекте.

Экспериментальные исследования можно поделить на две большие группы: полевые измерения и лабораторное моделирование. Помимо различия масштабов^ физическое моделирование в лаборатории выгодно отличается от полевых наблюдений тем, что свойства среды могут быть изучены прямыми измерениями, а не косвенными. Кроме того, в полевом эксперименте всегда присутствуют неизвестные «слагаемые» в виде неполностью изученной среды, неоднородностей массива и т.д. Материал, полученный в лабораторном эксперименте, обладает большей» достоверностью.

Физическое моделирование неразрывно связано с техникой, лабораторных измерений. В1 настоящее время разработаны установки, позволяющие производить измерения в широком* диапазоне частот, контролируя различные параметры, такие как характеристики порового пространства, заполнение флюидом, давление, температура. Здесь следует упомянуть, что надо проводить тестирование используемой аппаратуры, так как автору известен случай*.несоответствия заявленных характеристик ультразвуковой части прибора для измерения различных петрофизических характеристик в воссозданных пластовых условиях.

В' работе представляются результаты физического моделирования задач по изучению влияния глинистой корки и обсадки из низкоскоростного материала на характеристики гидроволны (низкочастотная > асимптотика), опирающегося на математические выкладки и численные модели ряда авторов [40, 51].

В связи с этим выдвигаются»защищаемые положения:

1. Создан аппаратурный цифровой комплекс для проведения лабораторных исследований и физического моделирования на основе пьезоизлучателей и приемников давления.

2. Разработана техника создания модели скважины с управляемыми свойствами и методика ультразвуковых измерений на ней позволяют формировать и регистрировать волновое поле давления, подобное получаемому в натурных экспериментах.

3. По результатам проведенных лабораторных экспериментов определены поправки за влияние обсадной колонны на кинематику гидроволн в скважине.

4. Изучены динамические и кинематические характеристики гидроволны в присутствии проницаемой зоны.

5. Разработанные комплекс и техника лабораторного эксперимента обладают большой наглядностью, быстро конструируются и могут быть использованы в учебном процессе.

Научная новизна работы:

1. Разработаны и обоснованы оригинальные технология создания моделей и техника эксперимента, позволяющие получать волновые картины, подобные результатам полевых измерений.

2. Впервые проведен лабораторный эксперимент по моделированию условий на внутренней поверхности скважины в рамках длинноволнового приближения.

3. Впервые получен способ введения поправок в наблюденные значения скоростей продольных и поперечных волн при наличии пластиковой обсадки в скважинах.

Практическая значимость:

Изучение прочностных характеристик массива является одной из первостепенных задач на подготовительных этапах строительства и дальнейшего мониторинга геологической обстановки вокруг сооруженного объекта, а сведения о проницаемых свойствах горных пород позволяют реконструировать гидрогеологическую обстановку изучаемого участка, что в свою очередь позволяет осуществлять более надежную оценку его пригодности для строительства, например, выделять участки с повышенной оползневой опасностью.

Весьма важным является изучение верхней части разреза для дальнейшего учета ее влияния на характеристики упругих волн, получаемых при проведении глубинных сейсмических работ, нацеленных, как для изучения регионального строения, так и для поиска и добычи полезных ископаемых.

Помимо этого, изучение проницаемости неглубоких скважин может производиться для целей поиска и добычи артезианских вод.

Доступ непосредственно к изучаемым горизонтам, точная привязка по глубине, возможность перехода от характеристик упругих волн к прочностным характеристикам среды делают сейсмоакустические исследования неглубоких водонаполненных скважин удобным и недорогим инструментом изучения массива для целей инженерной геологии.

Изучение таких посторонних факторов, как пластиковая обсадка и глинистая корка, влияющих на измеряемые параметры волнового поля, позволит уточнить полученные данные о массиве, а также расширить диапазон возможных условий для применения метода.

Вторым аспектом является возможность моделирования, получения наглядных волновых картин в заданных геологических и инженерно-геологических условиях. Крайне высокая неоднородность и нелинейные свойства верхней части разреза плохо поддается математическому описанию и сильно меняется даже в пределах одного участка исследований. Поэтому математическое моделирование здесь крайне затруднено, в то время как физический эксперимент позволяет более надежно смоделировать ситуацию.

Наконец, наглядность физической модели и процессов распространения упругих волн в ней позволяют использовать ее для целей обучения основам физического моделирования.

Автором данной работы разработан, изготовлен и настроен аппаратурно-методический комплекс для проведения физического эксперимента в лаборатории; разработана и создана модель скважины, произведены все лабораторные эксперименты, связанные, как с изучением волнового поля в скважине, так и с изучение характеристик модели.

Автор принимал участие в получении и обработке большого количества полевых данных, на которые ссылается в тексте, и в ходе производственных изысканий сталкивался с проблемами, решаемыми в работе.

Ниже приводится аналитический обзор литературы, посвященный вопросам распространения упругих волн и в частности гидроволны в скважинах с различными свойствами окружающего пространства, а также вопросам физического моделирования в лаборатории, на основании которого сформулированы цель и задачи данной работы. I I

I ,

I (

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Ошкин, Александр Николаевич

Заключение

1. Изучение волновой картины, полученной в лаборатории, подтвердило сходство характеристик гидроволны в модели и в натуре: визуальное, поведение амплитуд и ширина спектров.

2. Физический эксперимент позволил выбрать из различных теоретических представлений о поведении волнового поля в обсаженной скважине вариант, соответствующий пластиковой обсадной колонне с проскальзыванием на контакте — случае, распространенном при строительстве неглубоких скважин.

Данный факт, ранее не доказанный практически, позволяет производить сейсмоакустические исследования в скважинах, обсаженных пластиковыми трубами - необходимо лишь знать толщину обсадки и модуль Юнга материала, который можно определить на месте, используя компактную переносную аппаратуру для ультразвуковых исследований.

3. В случае открытого ствола в пористой среде полученные .результаты также хорошо соотносятся с теоретическими расчетами. Тот факт, что полученные значения отличаются от расчетов для непроницаемой породы, свидетельствует о возможности обнаружения влияния проницаемости на. характеристики гидроволн в лаборатории. Однако для более надежного изучения эффектов, связанных с проницаемостью, при данном частотном диапазоне необходимо создать модель с большей проницаемостью.

4. При аппроксимации глинистой корки моделью непроницаемой упругой мембраны на используемых частотах при проницаемости 100 мД и толщине пленки 0.25 мм не удалось обнаружить ее влияния на результаты.

Видимо на этих частотах силы инерции, препятствующие прогибанию пленки, оказались настолько малы, что она фактически работает как неупругая безмассовая оболочка.

В этой ситуации на этой частоте имеет место малое проникновение флюида в пористое пространство

5. Хорошее совпадение теоретических и измеренных значений свидетельствует об адекватности созданной модели и правильности технологии ее создания, а также о правильности методик измерений на ней.

Это позволяет использовать данную модель (или построенные по той же технологии модели) для изучения различных вопросов, связанных с распространением гидроволн волн в скважинах. В качестве примера актуальных задач можно привести продолжение данной работы - более полное изучение вопросов влияния проницаемости и условий на стенках скважины, изучение так называемой среднечастотной асимптотики.

6. Полученный опыт создания и работы с моделями скважин, а также сами модели будут использованы в рамках учебного курса по изучению ультразвуковых методов в лаборатории, для проведения практикумов и наглядной демонстрации.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Ошкин, Александр Николаевич, Москва

1. Аверко Е.М., Максимов Л.А. Моделирование сейсмических полей и способов их обработки. Новосибирск.: Наука, 1984г.

2. АкиК., Ричарде П. Количественная сейсмология. М.: 1983.

3. Боков П.М., Ионов A.M. О возбуждении гидроволны в скважине внешним точечным изотропным источником.: Акустический журнал, 2001, том 47, №6, с.746-750.

4. Бондаренко А.Н, Кондратьев А.И., Луговой В.А. Тонкопленочный самоустанавливающийся емкостный преобразователь ультразвуковых сигналов.: ПТЭ, №2, 1988, с. 197-199.

5. Бреховскш Л.М. Подводная акустика. М.: изд-во Мир, 1970.

6. Бураго Н.А., Крауклис П.В. Амплитуды и скорости гидроволн в обсаженных скважинах, в кн. Изучение горных пород акустическим методом., М., 1978.

7. Вахромеев Г.С., Ерофеев Л.Я., Канайкин B.C., Номоконова Г.Г. Петрофизика: Учебник для вузов. Томск: из-во Том. Ун-та, 1997. 462 с.

8. Верховский A.M. Лабораторная сейсмическая модель среды, содержащей флюидонасыщенный слой песчаника.: Геология и геофизика, 2002, т.43, №9, с.873-881.

9. Викторов И. А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука, 1981.

10. Владов М.Л. Сейсмоакустические многоволновые исследования в водонаполненных скважинах с помощью электроискрового источника упругих волн.: Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Москва, 2003.

11. Владов М.Л., Мозганова А.В., Шалаева Н.В. Определение параметров поглощения сейсмических волн в породах верхней части разреза.: Вестн. Моск. Ун-та, сер.4. Геология. 2003. №5.

12. Владов М.Л., Огикин А.Н. Опыт использования сейсмоакустических исследований водонаполненных скважин в составе инженерно-геологических изысканий, EAGE, Международная конференция «Санкт-Петербург 2008», тезисы докладов.

13. Владов M.JL, Ошкин А.Н. Ультразвуковые источники и приемники поперечных колебаний. Разведка и охрана недр. 12, 2006, 5-8.

14. Гальперин Е.И. Вертикальное сейсмическое профилирование. 2-е изд., доп. и перераб. М., Недра, 1982. 344 с.

15. Гальперин Е.И. Вертикальное сейсмическое профилирование: опыт и результаты. М., Наука, 1994. 320 с.

16. Горбацевич Ф.Ф. Акустополярископия горных пород. Изд-во Апатиты, 1995 г.

17. Горяинов Н.Н. Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии. М.: Недра.

18. Зайцев В.Ю., Назаров В.Е. О линейной частотной зависимости коэффициента поглощения упругих волн в микронеоднородных твердых телах.: Акустический журнал, 1999, том 45, №5, с.622-627.

19. Зайцев В.Ю., Назаров В.Е., Таланов В.И. Экспериментальное исследование самовоздействия сейсмоакустических волн.: Акустический журнал, 1999, том 45, №6, с.799-806.

20. Зарембо Л.К., Красильников В.А., Введение в нелинейную акустику. Звуковые и ультразвуковые волны большой интенсивности. М., изд-во «Наука», 1966.

21. Ивакин Б.Н. Методы моделирования сейсмических волновых явлений. М.: изд-во Наука. 1969 г. 288 с.

22. Ионов A.M., Максимов Г.А. О возбуждении гидроволны в скважине внешним сейсмическим источником.: Акустический журнал, 1999, том 45, №3, с.354-362.

23. Исакович М.А., Общая акустика. Учебное пособие. М., изд-во «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1973.

24. Калинин А.В., Калинин В.В., Владов М.Л., Мусатов А.А., Пивоваров Б.Л., Шалаева Н.В., Стручков В.А. Электроискровый источник упругих волн для целей наземной сейсморазведки. М.: Изд-во МГУ, 1989г.

25. Караев Н.А., Козлов Е.А., Караев Г.Н., Лукашин Ю.П., Прокатор О.М., Семенов В.М. Физическое моделирование порово-трещинных объектов. Технология сейсморазведки, №1,2009.

26. Караев НА., Лукашин Ю.П., Прокатор О.М., Семенов В.П. Физическое моделирование трещиноватых сред. Технология сейсморазведки, №1, 2009.

27. Кирпичев М. В. Теория подобия. М., Изд-во АН СССР, 1953.

28. Клей К, Медвин Г. Акустическая океанография, М., Из-во Мир, 1980.

29. Константинов Б.П. Гидродинамическое звукообразование и распространение звука в ограниченной среде. Л., изд-во Наука, 1974.

30. Крауклис П.В., Крауклис Л.А. Волновое поле точечного источника в скважине, в кн. Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. вып.ХУТ, 1976, с. 41-53.

31. Крауклис JI.A., Крауклис П.В. Кинематика и динамика гидроволны, распространяющейся в обсаженной зацементированой скважине, в кн. Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. XIX, 1979, с.91-98.

32. Крауклис П.В., Крауклис JI.A. О дисперсии гидроволн в цилиндрическом кольце.: В кн. Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. XVI, 1976.

33. Крауклис П.В., Крауклис JI.A., Бураго Н.А. Затухающие волны при двухслойной обсадке скважины, в кн. Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. XX, 1981.

34. Крендалл КБ. Акустика. М.: изд-во Книжный дом «ЛИБКОРОМ», 2008.

35. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ. для вузов. В 10 т. Т. VII. Теория упругости. — 5-е изд., стереот. —М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2003. —264 с.

36. ЛайтхиллДж. Волны в жидкостях. М., Мир, 1981.

37. Луговой В.А., Трог^енко В.П. Высокостабильный емкостный преобразователь ультразвуковых сигналов.: ПТЭ, №2, 1988, с. 194-195.

38. Максимов Г.А., Ионов A.M. О граничном условии на дне скважины при моделировании прямых задач вертикального сейсмического профилирования.: Акустический журнал, 1998, том 44, №4, с.510-518.

39. Максимов Г.А., Меркулов М.Е. Влияние 'глинистой корки на распространение гидроволн в скважине. Акустический журнал, 2002, том- 48, №2, с.224-238.

40. Мясников В.И. Физические основы подводной акустики. М., изд-во «Советское радио», 1955.

41. Назаров В.Е., Радостин А.В., Степанянц Ю.А. Экспериментальное исследование самовоздействия акустических волн в системах с диссипативной нелинейностью.: Акустический журнал, 2001, том 47, №6, .с.830-835.

42. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. М.: Изд-во МГУ, 1981г.

43. Ошкин А.Н. Ультразвуковые исследования в лаборатории. Учебное пособие. М.; Из-во МГУ, 2008.

44. Ошкин А.Н., Корост Д.В. Источники и приемники поперечных колебаний для лабораторных ультразвуковых исследований, 2-я Международная научно-практическая конференция «Инженерная геофизика 2006», тезисы докладов.

45. Панкова С.Д., Тужилкин Ю.И. Об ошибках в определении амплитуды и времени прихода импульсов при неполном их разрешении.: Акустический журнал, 2002, том 48, №3, с.406-411.

46. Пузырев Н.Н. Поперечные и обменные волны в сейсморазведке. М.: Недра, 1967г.

47. Петрашенъ Г.И., Рудаков А.Г. О недопустимых искажениях законов природы в фундаментальных задачах технологической сейсморазведки.: Технология сейсморазведки №1, 2009.

48. Рудеико О.В., Робсман В.А. Нелинейные процессы в средах с акустическим гистерезисом и проблемы динамического взаимодействия свай и грунтового основания.: Акустический журнал, 2004, том 50, №6, с.836-843.

49. Руденко О.В. Гигантские нелинейности стуктурно-неоднородных сред и основы методов нелинейной акустической диагностики. УФН, т.176,№1,стр 77-108, 2006.

50. Уайт Дж.Е. Возбуждение и распространение сейсмических волн. М.: Недра, 1986 г.

51. Шериф Р., ГелдартЛ. Сейсморазведка. Том 2.: Мир, 1987, 400 с.

52. Biot М.А. Propogation of elastic waves in a cylindrical bore containing a fluid. J.Appl. Phys., 23, 1952;

53. Biot M.A. Theory of propagation of elastic waves in a fluidsaturated porous rock, I. Low-frequency range. J. Acoust. Soc. Am., 28, pi68-178, 1956

54. Biot M.A. Theory of propagation of elastic waves in a fluidsaturated porous rock, II: Higher frequency range. J. Acoust. Soc. Am., 28, pi79-191, 1956.

55. Chang S.K., Liu H.L., Johnson D.L. Low-frequency tube wave in permeable rocks. Geophysics. Vol.53, No4 (April 1988); p.519-527.

56. Chen G. Comparison of 2-D numerical viscoelastic waveform modeling with ultrasonic physical modeling.: Geophysics, vol.61, no.3 (may-june 1996); p.862-871.

57. Cheng C.H., Jinzhong Z, Bums D.R. Effects of in-situ permeability on the propagation of Stoneley (tube) waves in a borehole. Geophysics, vol.52, no.9 (September 1987); p.1279-1289.

58. Daniel A. Ebrom, John A. McDonald, Seismic Physical Modeling. Society Of Exploration Geophysicists; 1ST edition (January 1, 1994).

59. Fessenden R.A. Methods and apparatus for locating ore bodies. U.S. Patent 1,240, 328, September 18, 1917.

60. Kazuhiko Tezuka, С. H. (Arthur) Cheng, X M. Tang Modeling of low-frequency Stoneley-wave propagation in an irregular borehole. Geophysics, vol. 62, no. 4 (july-august 1997); p. 1047-1058.

61. Lang S.W., Kurkjian A.L., McClellan J.H., Morris C.F., Parks T.W. Estimating slowness dispersion from arrays of sonic logging waveforms. Geophysics, vol. 52, no. 4 (April 1987); p. 530-544.

62. Paillet F.L., White J.E. Acoustic modes of propogation in the borehole and their relationship to rock properties. Geophysics, vol.47, no.8 (august 1982); p.1215-1228.

63. Riggs E. D. Seismic wave types in a borehole. Geophysics, vol. XX, no.l (January 1955), p. 53-67.

64. Sharpe J.A. The production of elastic waves by explosion pressures, part I and II, Geophysics, 7, 1942.

65. Tang X.-M., Cheng A. Quantitative borehole acoustic methods. Gulf Professional Publishing, 2004.

66. Toksdz M.N., Johnson D.H., Timur A. Attenuation of seismic waves in dry and saturated rocks: I. Laboratory measurements.: Geophysics, vol.44, no.4 (april 1979), p.681-690.

67. White J.E. Elastic waves along a cylindrical bore. Geophysics, vol.XXVII, no.3 (June, 1962), p.327-333.

68. White J.E., Sengbush R.L. Velocity measurements in nearsurface formations. Geophysics, 18,1953.

69. Winkler K. W., Liu H., Johnson D.L. Permeability and borehole Stoneley waves: Comparison between experiment and theory. Geophysics, 1989, v54. p. 66-75.