7.4.1. Общая характеристика сейсмоакустических методов
7.4.1. Общая характеристика сейсмоакустических методов
Методы ГИС, основанные на изучении упругих волн, распространяющихся в скважине, околоскважинном и межскважинном пространствах, называют сейсмоакустическими. Связь параметров упругих волн с литологией, пористостью, характером насыщения, текстурно-структурными и механическими свойствами пород, с состоянием обсадной колонны скважины обусловливает применение сейсмоакустических методов для решения широкого круга задач на всех этапах горно-геологического процесса.
Сейсмоакустические методы можно разделить на методы, основанные на изучении естественных и создаваемых искусственно упругих волн.
К первым методам относят, например:
• акустическую шумометрию — изучение интенсивности шумов, возникающих в пластах, в стволе скважины и за обсадной колонной при движении газа, нефти и воды. Метод применяют для выделения интервалов притоков газа и жидкости в скважину, интервалов перетоков газа за обсадной колонной, выявления типа флюидов, поступающих из пласта;
• акустический каротаж в процессе бурения, основанный на измерении параметров вибраций колонны бурильных труб. Этот метод рассмотрен в 7.6.1.
Основное распространение получили методы второго типа, т. е. изучающие искусственно созданные упругие волны. По дистанции (расстоянию) между источниками и приемниками упругих колебаний их можно разделить на две группы:
• сейсмические методы, к которым относят межскважинное прозвучивание и скважинную сейсморазведку, с дистанцией, меняющейся от нескольких десятков метров до нескольких километров. При межскважинном прозвучивании в одной из скважин возбуждают упругие колебания, которые далее регистрируют в другой скважине или нескольких скважинах. В скважинной сейсморазведке основное применение получил метод вертикального сейсмического профилирования (ВСП). При ВСП группой расположенных в скважине приемников регистрируют упругие волны, вызванные приповерхностным взрывом или наземным вибрационным источником;
• акустические методы, среди которых выделяют непосредственно акустический каротаж (АК) и акустический каротаж на отраженных волнах (АКОВ), дистанция не превышает нескольких метров. В обоих случаях источники и приемники упругих волн располагаются в одной и той же скважине. Однако при АК изучают волны, распространяющиеся вдоль скважины, а в АКОВ — отраженные от стенки скважины.
Основы теории упругости изложены в главе 4.
В общем случае зонд АК является многоэлементным прибором, так как может состоять из нескольких излучателей (максимум 3–5) и приемников (может быть более 32). Знакомство с АК удобно начать с простейшего двухэлементного зонда (на практике его не применяют).
Двухэлементный зонд. Принципиально зонд состоит из одного излучателя (И) и одного приемника (П) упругих (акустических) колебаний (рис. 7.22 а). Излучатель и приемник центрированно располагают в скважине с помощью центраторов. Для защиты приемника от прямой волны от излучателя, распространяющейся по корпусу прибора, между излучателем и приемником обычно располагают акустический изолятор, исключающий распространение акустических волн по корпусу прибора. Зонд обозначают последовательно как ИLП, где L — расстояние в метрах между центрами излучателя и приемника, называемое длиной зонда (например, И1,0П).
Рис. 7.22. Двух- (а), трех- (б) и четырехэлементные (в) зонды
Как известно, волну можно представить в виде суперпозиции гармонических колебаний (волн), каждая со своей акустической энергией. Зависимость акустической энергии от частоты есть спектр волны. Различные волны, возникающие в скважине и рассмотренные ниже, имеют свои характерные частоты. Чтобы волна данного типа возникла в скважине, соответствующая частота должна содержаться в спектре импульса излучателя. В этой связи в современных приборах применяют излучатели с широким спектром.
В процессе каротажа излучатель периодически, через одинаковые промежутки времени генерирует короткие акустические импульсы. Импульсы в системе «скважина — околоскважиное пространство» порождают различные волны, которые воспринимаются приемником. Так как продолжительность импульсов и временнЫе интервалы между ними малы, акустический каротаж можно проводить на больших скоростях (700–1500 м/ч).
Регистрируемая волновая картина в АК. Основные типы волн, которыми представлен приемный сигнал в открытой скважине при отсутствии каверн, — это волны водные, головные, или преломленные, и Лэмба — Стоунли (рис. 7.23).
Рис. 7.23. Теоретические волновые картинки, зарегистрированные
приемниками, расположенными на расстояниях 2,0 и 2,5 м от излучателя
Прямая водная волна — волна, распространяющаяся напрямую от излучателя до приемника по жидкости. Ее обозначают Р0. В жидкости распространяются только продольные волны. Существуют также водные волны, многократно отразившиеся от стенки скважины и корпуса прибора. Их образование можно понять на основе представлений геометрической оптики. Когда прямая волна (Р0) от излучателя в виде луча падает под каким-нибудь углом на стенку скважины, она порождает отраженную волну (P0P0) (рис. 7.24). Эта отраженная волна в свою очередь, отражаясь от корпуса прибора, порождает новую отраженную волну (Р0 Р0 Р0) и т. д. Водные волны распространяются со скоростью волны в скважинной жидкости (VP0).
Головные (преломленные) волны образуются наряду с отраженными волнами при определенных углах их падения на стенку скважины (см. 4.2.3). Известно, что волна, падающая на стенку скважины, образует в породе помимо отраженной две преломленные волны: продольную и поперечную. Угол преломления продольной волны определяется в соответствии с законом Снеллиуса как sin(θ0)/sin(θ1) = VP0/VP1, где θ0, θ1 — углы падения и преломления соответственно, отсчитываемые от вертикали к поверхности; VP1 — скорость продольной волны в породе. В скважине всегда VP1 > VP0, поэтому найдется такой критический угол падения (θ0′), для которого угол преломления θ1 = 90°. Следовательно, при угле падения (θ0′) преломленная волна будет скользить по стенке скважины со скоростью VP1. В принципе, такую преломленную волну можно рассматривать теперь как падающую из породы на стенку скважину. Тогда, согласно закону Снеллиуса, она, скользя по стенке скважины, будет все время излучать энергию в скважину в виде продольной волны под тем же углом θ0′. Итак, головная волна, обозначаемая как P0P1P0 и называемая также монотипной головной, является волной поверхностного типа. Ее путь изображен на рис. 7.24, сама волна представлена на рис. 7.23. Волна P0P1P0 появляется на приемнике раньше волн других типов. Головная поперечная волна образуется подобно головной продольной волне. Условие VS > VP0, где VS — скорость поперечной волны в породе, является обязательным для ее образования. Это условие на практике выполняется не всегда. Если VS > VP0, то такую породу называют жесткой, иначе — мягкой. Головную поперечную волну обозначают P0SP0 и называют также обменной головной, она изображена на рис. 7.23. Волна P0SP0 приходит на приемник после волны P0P1P0, так как всегда VP1 > VS.
Рис. 7.24. Схематичное изображение траекторий различных волн
в системе «скважина —пласт»:
I — скважина; II — пласт
Волна Лэмба — Стоунли подобно головным волнам является волной поверхностного типа. В отечественной литературе ее также часто называют волной Лэмба, гидроволной, трубной волной. Волна имеет плоский, перпендикулярный стенке скважины фронт. Скорость волны Лэмба — Стоунли несколько меньше скорости VP0. Волну обозначают как St, L, L–St или St–L. Она изображена на рис. 7.23. В проницаемых пластах волна затухает значительно сильнее других волн. Эта объясняется тем, что часть энергии волны Лэмба–Стоунли тратится на энергию колебаний, возникающих между скелетом породы и флюидом из-за вязкости пластового флюида. Такие колебания порождают так называемую продольную волну второго рода (P2), распространяющуюся со скоростью VP2, во много раз меньшей VP1. Наличие волны второго рода подтверждено экспериментом, при этом волну P1 следует рассматривать как обычную продольную волну. В непроницаемых пластах волна Лэмба — Стоунли распространяется с очень слабым затуханием.
На практике наиболее информативными волнами являются головные и волна Лэмба — Стоунли. Так как эти волны распространяются с различными скоростями, то, чтобы они обогнали друг друга на волновой трассе, необходимо выбирать правильную длину зонда (обычно достаточно 3 м). Для регистрации монотипной головной волны длина зонда должна быть не менее 1 м.
При наличии промежуточного слоя (глинистая корка, высококачественная обсадка скважины) распространяются те же типы волн и волны, связанные с колебаниями в промежуточном слое. Волны в промежуточном слое быстро затухают и практически не доходят до приемника.
Трехэлементный зонд. Двухэлементный зонд позволяет измерить скорости распространения головных волн и, следовательно, оценить скорости VP1 и VS, однако его использование требует знания скорости акустической волны в скважинной жидкости. Это усложняет аппаратуру и приводит к дополнительным погрешностям. Поэтому на практике применяют трехэлементные зонды: два приемника П1 и П2 (рис. 7.22 б), между которыми помещают акустический изолятор. Расстояние между приемниками (B) называют базой зонда. Зонд обозначают ИLП1BП2 или П1BП2LИ. Типичный зонд, применяемый в АК, — И2,2П10,4П2. Существуют также четырехэлементные зонды, представляющие собой комбинацию двух трехэлементных зондов (рис. 7.22 в). Их обозначают И1LП1RП2LИ2, например И11,0П10,5П21,0И2.
Рассмотрим способ оценки скоростей головных волн на примере монотипной волны. Его поясняет рис. 7.25 а. Пусть на приемник П1 волна придет за время t1, а на приемник П2 — за время t2. Так как в скважине волна пройдет одинаковое расстояние, а в породе — разные, отличные на B, то VP1 = B/(t2 – t1). На практике определяют обратную величину ∆tP1 = 1/VP1 в мкс/м (1 мкс = 10–6 с), называемую интервальным временем, т. е. временем распространения волны в среде на расстояние 1 м. Аналогично измеряют интервальное время (∆tS = 1/VS) обменной головной волны. Интервальные времена и скорости называют кинематическими параметрами волны. На диаграммах обычно представляют интервальные времена.
Такой способ оценки позволяет определять скорости в случае, когда в процессе каротажа зонд пересекает границу пластов, т. е. излучатель находится на уровне нижнего пласта, а приемники — на уровне верхнего пласта (см. рис. 7.25 а). Действительно, головная преломленная волна сначала побежит по нижнему пласту, пересечет границу и продолжит путь по верхнему пласту. Однако только в верхнем пласте волна пройдет разные расстояния, отличные на B, и, несмотря на то что времена прихода t1 и t2 будут другими, их разность будет зависеть также только от скорости в верхнем пласте.
Рис. 7.25. Трехэлементный зонд и схематическая траектория
головной волны (а); теоретическая кривая АК (б)
Диаграмма кривой интервального времени для однородного пласта, залегающего среди отличных от него двух однородных пластов, представлена на рис. 7.25 б. Она является симметричной. Границы пластов отмечаются посередине аномалии, и точку записи зонда относят к середине между приемниками. Соответственно, база зонда определяет разрешающую способность определения границ. Наличие каверн, в которых диаметр скважины отклоняется от номинального диаметра на величину, сопоставимую с длиной продольной волны в буровом растворе, искажает кривую интервального времени. В интервалах таких каверн количественно интерпретировать результаты АК невозможно.
Исходя из закона уменьшения амплитуды затухающего гармонического сигнала, оценивают затухание волн по формуле α = (1/R)ln(A1/A2) (м–1), где A1 и A2 — соответственно амплитуды волн для первого и второго приемников, определяемые, например, по первому периоду волны. Амплитуды и затухания называют динамическими параметрами волн.
Акустический каротаж, применяемый для определения скоростей и затухания головных волн, именуют также акустическим каротажем на головных волнах.
Радиус исследования АК по кинематическим и динамическим параметрам головных волн составляет несколько десятков сантиметров, причем методы, основанные на определении динамических параметров, в принципе, более глубинны. Необходимо отметить, что глубинность исследования зависит также от частоты излучения. С ростом частоты глубинность уменьшается.
Скорость и затухание волны Лэмба — Стоунли определяют аналогично.
Виды записи при АК. В зависимости от решаемой задачи и аппаратурных возможностей регистрируют: 1) полные волновые трассы (см. рис. 7.23), которые содержат максимальный объем информации. Каждую волновую трассу записывают с фиксированным шагом по времени (шаг дискретизации), равным 2,5 или 4 мкс; 2) интервальное время (∆tP1) и затухание (αP1) для головной продольной волны, при необходимости интервальные времена и затухания головной поперечной волны и волны Лэмба — Стоунли. По волновым трассам строят фазокорреляционные диаграммы (ФКД), являющиеся помехозащищенными и наглядными видами записи. Для их построения в настоящее время применяют метод переменной плотности (рис. 7.26). Чем темнее (плотнее) запись, тем выше амплитуда соответствующей волны, т. е. тем меньше ее затухание. Фазокорреляционная диаграмма позволяет на качественном уровне судить о скорости и затухании волн, решая, таким образом, различные геологические задачи. Так, на рис. 7.26 в интервале ниже линии а залегает плотный пласт, между линиями б и в, где амплитуда волн падает, а время до их прихода возрастает, находится, вероятно, наиболее проницаемая часть коллектора.
Рис. 7.26. Пример диаграммы ФКД
Задачи, решаемые акустическим каротажем. С помощью АК решают большой круг задач. Рассмотрим некоторые из них.
Литологическое расчленение разрезов. Оно основывается на дифференциации горных пород по скоростям и частично по затуханиям. Так, скорость и затухание продольной волны в неуплотненных глинах — 1800–3000 м/c и 2,0–3,0 м–1; в неуплотненных песчаниках — 2600–4000 м/c и 0,7–2,3 м–1; в уплотненном песчанике — 3300–5500 м/c и 0,2–0,3 м–1; в нетрещиноватом известняке — 3800–6000 м/c и 0,3–0,7 м–1 и т. д. Для сравнения скорость в скважинной жидкости около 1500 м/c, нефти — 1000–1300 м/c, в воздухе при нормальных условиях — 330 м/c.
Оценка пористости коллекторов основывается на эмпирическом уравнении среднего времени (уравнение Уайли): ∆t = ∆tСК(1 – kП) + ∆tЖkП, где ∆t, ∆tСК, ∆tЖ — соответственно интервальные времена продольных волн в породе, скелете (матрице) породы и пластовом флюиде; kП — коэффициент пористости. Значения ∆tСК определяют на керне из скважины. При необходимости в уравнение вносят поправку за пластовое давление, насыщение, а в терригенных коллекторах при наличии глинистости уравнение несколько модифицируют, внося поправку за глинистость, используя, например, данные гамма-каротажа или метода ПС.
Оценка типа порового пространства коллекторов. В породах с преимущественно горизонтальными трещинами наиболее сильно затухают поперечные головные волны, а также нарушается фазовая корреляция на ФКД. Волны, появляющиеся на трещинах, секут оси равных фаз ФКД под различными углами.
Оценка характера насыщения. В случае высокопористых (kП > 25 %) водо- (ВП), нефте- (НП) и газонасыщенных (ГП) пластов скорости и затухания головных волн оказываются разными. Характер насыщения часто удается определить по следующим признакам: VP1,ВП > VP1,НП > VP1,ГП, αP1,ВП < αP1,НП < αP1,ГП и VS,ВП < VS,НП < VS,ГП, αS,ВП > αS,НП > αS,ГП.
Оценка проницаемости коллекторов (способность фильтровать через себя флюид) на основе параметров волны Лэмба — Стоунли.
Оценка прочностных свойств горных пород. Знание скоростей (VP1 и VS) совместно со значением плотности породы (σ), определенной по ГГК-П (см. 7.3.2), позволяет оценить деформационно-упругие свойства горных пород с помощью, например, модуля Юнга (E) и коэффициента Пуассона (ν): E = 2σ VS2(1 + µ); ν = (0,5VP12 – VS2)/(VP12 – VS2).
Выявление рудоконтролирующих зон основывается на том, что эти зоны во многих случаях характеризуются повышенной трещиноватостью, наличием участков дробления и разрывных нарушений. Указанные эффекты приводят к резкому снижению скоростей головных волн, значительному их затуханию, потере фазовой корреляции на ФКД.
Получение данных для интерпретации материалов сейсморазведки. Решение этой задачи заключается в построении геоакустической модели среды. Модель содержит вертикальный годограф продольной волны, в благоприятном случае — годограф поперечной волны, диаграммы пластовых скоростей, плотностей и некоторых других параметров. Вертикальный годограф рассчитывают по формуле
где ∆H — интервал проведения акустического каротажа; ti — интервальные времена в точках, расположенных друг от друга на расстоянии ∆z; t0 — время распространения волны от устья скважины до глубины H начала интервала исследования, определяемое с помощью скважинной сейсморазведки.
Оценка качества крепления скважины основана на изучении волн, распространяющихся в колонне, цементном камне и горных породах. Среди всех методов каротажа АК обладает наибольшей чувствительностью к качеству сцепления или жесткости контакта на границе «колонна — цемент» или «цемент — порода».
7.4.3. Акустический каротаж на отраженных волнах
При акустическом каротаже на отраженных волнах АКОВ применяют излучатели с рабочей частотой от 200 кГц до 1–2 МГц (1 МГц = 106 Гц) и изучают волны, отразившиеся от стенки скважины или неоднородностей прискважинного пространства небольшой толщины. В качестве источника и приемника упругих колебаний могут использовать обычно один и тот же преобразователь типа таблетки, выполненный из пьезоэлектрика. Один торец таблетки жестко связан с корпусом прибора, другой — излучает импульс колебаний перпендикулярно стенке скважины и далее регистрирует отраженную волну. Таким образом, преобразователь работает в режиме излучения-приема. По окружности прибора могут располагатся несколько таких преобразователей.
Основной модификацией АКОВ является скважинное акустическое телевидение (САТ). Оно предназначено для детального исследования стенок необсаженных и обсаженных скважин. Свое название метод получил из-за результатов измерения, которые выглядят как телевизионная картинка (рис. 7.27). Такой вид картинки обусловлен высокой рабочей частотой преобразователей, заключенной в интервале 1–2 МГц, и, соответственно, малой длиной волны, излучаемой в скважинную жидкость (7,5–15 мм). Это позволяет по амплитуде отраженного сигнала установить в необсаженных скважинах наличие и местоположение трещиноватых, кавернозных и слоистых пород и т. д., а в обсаженных скважинах оценить состояние обсадной колонны (разрывы, смятия и т. п.), число и местоположение перфорационных отверстий, т. е. отверстий, проделанных в обсадной колонне для извлечения пластового флюида.
Рис. 7.27. Выделение интервала износа обсадной колонны
(компания «Тюмень-промгеофизика»)
Другая модификация метода АКОВ рассмотрена в 7.7.2.
Недостатком метода является сильное затухание высокочастотных волн в случае вязкого бурового раствора и при наличии газа в скважинной жидкости.
7.4.4. Вертикальное сейсмическое профилирование
Метод ГИС, основанный на изучении поля сейсмических волн, вызванных приповерхностным источником упругих волн, называют вертикальным сейсмическим профилированием (ВСП). В качестве источника можно использовать взрыв заряда, который закладывают в соседнюю скважину небольшой глубины (первые десятки метров); вибрационные или ударные передвижные установки. При работе на корабле применяют пневмопушку, использующую энергию сжатого воздуха. Источник может располагаться непосредственно около устья скважины или на небольшом удалении от устья. Используемый диапазон рабочих частот — от 5 до 500 Гц. Для приема волн в скважину помещают зонд, состоящий из нескольких приемников, регистрирующих, как и в АК, все упругие волны. При этом стремятся зарегистрировать все волны, возбужденные источником, что позволяет получить значительно более полную информацию о разрезе.
Аппаратура ВСП является многоканальной, т. е. одновременно проводит запись сейсмотрасс со всех приемников. В последнее время все чаще применяют трехкомпонентные приемники, регистрирующие три составляющие вектора смещений стенки скважины. Для этого приемники специальным образом прижимают к стенке и для получения ориентированных в пространстве сейсмограмм применяют приборы, снабженные датчиками ориентации. Это помогает выделять, например, трещиноватые зоны. Таким образом, аппаратура ВСП по своим параметрам в принципе мало отличается от применяемой при наземных наблюдениях. Отличия связаны с работой в условиях ограниченных габаритов, высоких температур и давлений, что присуще скважинам.
В процессе ВСП источник периодически возбуждают, а зонд перемещают по скважине. Прямая волна от источника, претерпев многочисленные преломления и отражения, достигает приемников, в результате получают набор волновых картинок — сейсмограмму (рис. 7.28). Схему образования регистрируемых волн поясняет рис. 7.29. На рисунке изображены три пласта с горизонтальными границами I, II и III. Ось симфазности OABC — по существу годограф прямой проходящей волны (продольной или поперечной). Оси синфазности АО′, ВА′О″, СВ′А″О′″ — годографы отраженных волн. Точки пересечения осей синфазности прямых и отраженных волн соответствуют отражающим границам. Видно, что таким образом удается не только выделить пласты, определяемые границами I и II, но и прогнозировать геологический разрез ниже забоя скважины (граница III). Пересечения типа О′К–КК′ соответствуют волнам-помехам (кратным волнам). Такие пересечения удается идентифицировать, так как они относятся к тем же глубинам, что и пересечения прямых и отраженных волн. Пластовые скорости определяют по наклонам осей синфазности. В общем случае источник порождает не только продольную, но и поперечную волну, и на границах наряду с монотипными возникают обменные волны, поэтому реальные сейсмотрассы достаточно сложны (см. рис. 7.28).
Рис. 7.28. Сейсмограмма ВСП
Рис. 7.29. Принципиальная схема образования волн при ВСП
Разрешающая способность метода ВСП лежит в диапазоне между каротажем и данными наземной сейсморазведки. При обработке и интерпретации результатов ВСП используют, в общем, те же методы, что и в сейсморазведке, полагая, что среда под источником близка к горизонтально-слоистой. В результате геоакустическая модель разреза, полученная по данным каротажа (в частности АК), оказывается увязанной с данными ВСП, которые, в свою очередь, увязываются с данными наземной сейсморазведки.
Основные задачи, решаемые методом ВСП: литолого-стратиграфическое расчленение разреза; определение пластовых скоростей; выяснение природы волн, зарегистрированных при наземной сейсморазведке и их литолого-стратиграфическая привязка; изучение геометрии границ в пространстве около скважины; прогнозирование геологического разреза ниже забоя скважины.