Особенности акустических зондов
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 3
1. Основные факторы, определяющие удельное сопротивление горных пород в их естественном залегании. 4
2. Линейный коэффициент ослабления гамма-излучения и его значение для типичных горных пород. 7
3. Особенности акустических зондов. 11
4. Характерные признаки терригенных, карбонатных и гидрохимических отложений на диаграммах геофизических методов. 16
5. Способы выделения карбонатных коллекторов с вторичной пористостью 20
6. Испытатели пластов на кабеле — устройство, назначение, решаемые задачи 22
7. Как геофизическими методами определить место прихвата бурового инструмента в скважине. 25
8. Типы перфораторов, которые применяются для продуктивных горизонтов в нефтяных и газовых скважинах. 27
9. Какие геофизические методы эффективны при контроле обводнения нефтяных пластов в скважинах, обсаженных стальными трубами? Газовых пластов?. 30
Выводы.. 33
Список использованных источников. 34
Введение
Нефть и газ имеют особое значение в развитии народного хозяйства и наряду с продуктами их переработки являются не только высококалорийным топливом, но и ценнейшим сырьем для химической промышленности.
Единственным действенным средством поисков, разведки и эксплуатации месторождений нефти и газа служит глубокое бурение. Принципиальное отличие глубокого бурения на нефть и газ от других видов бурения, и, в первую очередь, от геологоразведочного на твердые полезные ископаемые, можно видеть не только в глубине, но и в целом ряде особенностей технологического процесса сооружения скважин. Справедливо отмечают, что бурение нефтяных и газовых скважин – это строительство сложного, капитального инженерно-технического сооружения в земной коре.
|
|
|
Промысловой геофизикойназывают группу методов геофизического исследования нефтегазовых скважин.
В целом геофизические методы исследования скважин (ГИС) – область геофизики, в которой исследования, основанные на изучении естественных и искусственных физических полей во внутрискважинном, околоскважинном и межскважинном пространствах, используются для геологического изучения разрезов, пройденных скважинами. В силу сложившейся практики к ГИС относят также изучение технического состояния скважины, опробование пластов, отбор проб, перфорацию (создание каналов в обсадной колонне) и торпедирование (взрывные работы в скважине).
Конструкцию скважины разрабатывают и уточняют в соответствии с
конкретными геологическими условиями в заданном районе. Она должна обеспечить выполнение поставленных задач, т.е. достижение проектной
|
|
|
глубины, вскрытие нефтегазоносной залежи и проведения всего намеченного комплекса работ в скважине, включая ее использование в системе разработки месторождения.
Конструкция скважины зависит от сложности геологического разреза, способа бурения, назначения скважины, способа вскрытия продуктивного горизонта и других факторов.
Геофизические исследования скважин делятся на две весьма обширные группы методов – методы каротажа и методы скважинной геофизики. Каротаж предназначен для изучения пород, непо-средственно примыкающих к стволу скважины (радиус исследова-ния 1–2 м). Часто термины каротаж и ГИС отождествляются, однако ГИС включает также методы, служащие для изучения межскважинного пространства, которые называют скважинной геофизикой.
1. Основные факторы, определяющие удельное сопротивление горных пород в их естественном залегании
Несмотря на зависимость удельного электрического сопротивления от множества факторов и широкий диапазон изменения у разных пород, основные закономерности УЭС установлены достаточно четко.
Изверженные и метаморфические породы характеризуются высокими сопротивлениями (от 500 до 10000 Омм). Среди осадочных пород высокие сопротивления (100 - 1000 Омм) у каменной соли, гипcов, известняков, песчаников и некoторых других. Обломочные осадочные породы, как правило, имеют тем большее сопротивление, чем больше размер зерен, составляющих породу, т.е. зависят прежде всего от глинистости. При переходе от глин к суглинкам, супесям и пескам удельное сопротивление изменяется от долей и первых единиц омметров к первым десяткам и сотням oмметров.
|
|
|
Величина диэлектрической проницаемости меняется от нескольких единиц (у сухих осадочных пород) до 80 (у воды) и зависит, в основном, от процентного содержания воды и от минералогического состава породы. У изверженных пород ε меняется от 5 до 12 единиц, у осадочных - от 2-3 (у сухих) до 16-40 (у полностью насыщенных водой пород).
Магнитная проницаемость большинства пород равна магнитной проницаемости воздуха. Лишь у ферромагнетиков относительная магнитная проницаемость может возрастать до 10 единиц.
Естественная электрохимическая активность горных пород характеризует возникшие в горных породах электрические поля под действием ряда физико-химических процессов. К числу таких процессов относятся: диффузионные, диффузионно-абсорбционные фильтрация пластовых вод в пористой среде, окислительно-восстановительные реакции, происходящие на контакте ионных и электронных проводников.
|
|
|
Диффузионная активность. На границе соприкасающихся водных растворов электролитов с различной концентрацией происходит диффузия ионов в направлении меньших концентраций. Анионы и катионы электролита, обладая различной подвижностью, создают асимметрию в распределении зарядов. В менее концентрированном растворе накапливается избыток зарядов со знаком более подвижного иона. И, наоборот, в более концентрированном растворе создается избыток зарядов со знаком менее подвижного иона. Вследствие этого возникает диффузионное электрическое поле, противодействующее дальнейшему процессу диффузии и разделение зарядов. В результате взаимодействия двух противоположно направленных процессов устанавливается равновесие, при котором перемещение зарядов диффузией компенсируется обратным переносом их электрическим током.
Величина электрохимической активности (коэффициент α) меняется от -(10-15) мВ у чистых песков, близко к нулю у скальных пород, возрастает до +(20-40 мВ) у глин и до сотен милливольт для руд с электронопроводящими минералами (сульфиды, графит, антрацит). В целом α зависит от многих природных факторов (минерального состава, глинистости, пористости, проницаемости, влажности, минерализации подземных вод и др.).
Удельное электрическое сопротивление нефтей достигает 1016 Ом.м. Диэлектрическая постоянная равна 2. Электрическое сопротивление залежей нефти и газа нефтегазоносных пластов может превосходить сопротивление водоносных пластов в 100 раз и более. Наиболее вероятная величина считается равной 10.
Месторождения нефти и газа характеризуются повышенной поляризуемостью пород, как в области залежи, так и выше нее. Это связано с наличием пирита, образовавшегося благодаря сложным взаимодействиям залежей нефти и газа с вмещающими породами. Поляризуемость пород в контуре залежи может увеличиваться по сравнению с законтурной залежью до 5-7 раз. Отмечено, что для нефтяных месторождений поляризуемость выше чем у газовых.
Наибольшей поляризуемостью отличаются руды с электронной проводимостью (сульфиды, сульфосоли, некоторые самородные металлы, отдельные окислы, графит, антрацит). Природа этих потенциалов связана с так называемой концентрационной и электродной поляризацией рудных минералов. Коэффициенты поляризуемости до 2-6% наблюдаются над обводненными рыхлыми осадочными породами, в которых имеются глинистые частицы. Поляризуемость их обусловлена деформациями внешних обкладок двойных электрических слоев, возникающих на контакте твердой и жидкой фазы. Большинство изверженных, метаморфических и осадочных пород, насыщенных минеральной водой, слабо поляризуются (меньше 2%). Удельное сопротивление осадочных горных пород, не содержащих большого количества примесей рудных минералов, изменяется в широко диапазоне (рис. 1.1) и зависит от:
1) удельного сопротивления насыщающих породу водных растворов (пластовые воды);
2) процентного содержания водных растворов и углеводородов в породе;
3) текстурных особенностей породы [1].
Удельное электрическое сопротивление пластовых вод зависит от концентрации, состава растворенных солей и температуры.
Пластовые или поровые воды, определяющие проводимость большинства горных пород, представляют собой сложные растворы электролитов, состоящие из трех и более компонентов. Наиболее распространенными солями являются хлориды натрия, кальция и магния. Реже встречаются сульфатно-натриевые воды и еще реже – гидрокарбонатно-натриевые.
Концентрация солей в природных водах весьма разнообразна и изменяется от единиц до 300 г/л. Удельное электрическое сопротивление в таких растворов тем ниже, чем выше концентрация солей с и температура t.
Рисунок 1.1 – Зависимость удельного сопротивления водных растворов от их концентрация (С).
Буровые растворы, заполняющие скважину как в процессе бурения, так и в момент проведения геофизических исследований, представляют собой водную суспензию. Различают удельное сопротивление бурового раствора р и его фильтрата – той воды, в которой взвешены минеральные частички. Величина р зависит от концентрации солей в фильтрате, температуры и плотности бурового раствора.
Нефть и газ не являются проводниками электрического тока. Заполняя поры горной породы, они увеличивают ее удельное сопротивление по сравнению с сопротивлением породы, полностью насыщенной водой. В нефтегазоносной породе проводником электрического тока служит минерализованная вода, находящаяся в порах вместе с нефтью или газом. Количеством этой воды и характером ее распределения в порах определяется величина удельного сопротивления нефтегазоносной породы.
2. Линейный коэффициент ослабления гамма-излучения и его значение для типичных горных пород
Если представить эксперимент по передаче энергии, где моноэнергичное гамма-излучение коллимируются в узкий пучек и попадает на детектор после прохождения через поглотитель переменной толщины, то результом будет обычное экспоненциальное ослабление гамма-излучения. Каждый из процессов взаимодействия убирает фотон гамма-излучения из пучка либо за счет поглощения, либо за счет рассеяния в сторону от направления к детектору, что можно охарактеризовать постоянной вероятностью появления этих эффектов на единицу длины пути в поглотителе. Сумма этих вероятностей – это просто вероятность на единицу длины пути того, что фотон гамма-излучения выбыл из потока:
μ = τ (фотоэффекта) + σ (Комптоновского рассеяния) + κ (образование пар)
и это называют линейным коэффициентом ослабления. В этом случае число провзаимодействоваших фотонов I вычисляется исходя из числа фотонов, попавших на детектор без поглотителя I0.
Рисунок 2.1 – Экспоненциальная кривая ослабления для гамма-излучения измеренная при условиях с "хорошей геометрией".
Фотоны гамма-излучения можно также охарактеризовать значением их длины свободного пробега λ, определяемом как среднее расстояние в поглотителе, пройденном до взаимодействия. Его значение может быть получена из:
То есть это просто аналог линейного коэффициента ослабления. Типичные значени λ колеблются от нескольких мм до десятков см в твердых телах при основных энергиях гамма-излучения.
Использование линейного коэффициента ослабления ограничено фактом, что он меняется в зависимости от плотности поглотителя, даже если материал поглотителя одинаков. Поэтому, намного более широко используется массовый коэффициент ослабления, который определен как:
где ρ - плотность среды. Для заданной энергии гамма-излучения массовый коэффициент ослабления не меняется от физического состояния поглотителя. Например, он будет тем же самым для воды, независимо, представлена ли она в виде жидкости или пара. Массовый коэффициент ослабления в составном веществе или смеси элементов можно вычислить из соотношения:
где wi представляет собой вес элемента i в составе или смеси wi.
Свойства горных пород, связанные с присутствием в них радиоактивных элементов, проявляют себя естественным образом, без воздействия извне. Если же породу облучать каким-либо видом радиоактивного излучения, то проявится другая группа её свойств, связанная с реагированием породы на это излучение. Эксперименты показывают, что при этом изменяется и порода, и излучение, т. е. имеет место взаимодействие. Со стороны излучения основным качеством, влияющим на его взаимодействие с породой, является энергия. Она в ходе взаимодействия радиоактивных частиц с породой изменяется (теряется), характер взаимодействия меняется, что вынуждает горную породу проявлять в ходе взаимодействия уже качественно иные свойства.
В разведочной геофизике для оценки состава пород по их взаимодействию с радиоактивным излучением используются преимущественно два вида частиц: нейтроны и гамма-кванты. Это связано с повышенной способностью данных незаряженных частиц проникать в глубь породы, а также со сравнительно простым способом получения источников гамма- и нейтронного излучения. Рассмотрим свойства горных пород, связанные с их взаимодействием с нейтронами и гамма-квантами.
Нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов горной породы, гамма-кванты – с ядрами, атомами и электронами. Взаимодействие носит статистический характер, т. е. на конкретном участке породы оно может произойти или не произойти, проявиться в том или ином качестве. Важно оценить степень возможности каждого вида взаимодействия, влияния на неё состава породы и свойств частиц.
Пусть на плоскую поверхность породы падает параллельный пучок частиц, поток которых обозначим No (рис. 2.2).
Рисунок 2.2 – К объяснению закона ослабления излучения
Частицы, проходя через горную породу, могут с ней взаимодействовать: изменить свое направление движения (рассеяться) или поглотиться. Поток частиц, не взаимодействовавших с горной породой на расстоянии х от её поверхности, обозначим N, а число взаимодействующих частиц на следующем малом отрезке dx обозначим dN. Тогда очевидно соотношение
,
где m имеет смысл вероятности взаимодействия частицы с породой на единичном расстоянии. Поскольку в ходе взаимодействия теряется энергия частиц, т. е. происходит ослабление излучения, m называют линейным коэффициентом ослабления.
Интегрирование этого выражения приводит к закону ослабления излучения в породе.
Коэффициент ослабления зависит от свойств (энергии) излучения, от свойств атомов в горной породе, а также от количества последних в единице объема породы. Удобно использовать в качестве параметра величину, зависящую от меньшего числа переменных. Таким параметром является сечение взаимодействия d, связанное с m простым соотношением:
,
где п – число атомов (ядер) в единице объема породы.
Если взаимодействие происходит с электронами, то справедливо выражение:
,
где z – порядковый номер элемента, равный числу электронов в атоме.
Сечение взаимодействия имеет смысл вероятности взаимодействия нейтрона (гамма-кванта) с атомом (ядром, электроном), находящимся в единичном объеме. Оно имеет размерность площади и может быть представлено как часть единичной поверхности, которая оказывается «непроходимой» для частицы. Порядок сечения взаимодействия составляют 10-28 м2. Эта величина принята в качестве внесистемной единицы измерения сечений взаимодействия и называется барном.
Таблица 2.1 – Гамма-параметры горных пород и минералов
Как видим, вероятность взаимодействия нейтронов и гамма-квантов с породой зависит от её плотности.
Поскольку в формулу коэффициента ослабления плотность входит линейно, то отношение 
не зависит от плотности и называется массовым коэффициентом ослабления [2].
Особенности акустических зондов
Акустический каротаж предназначен для регистрации полного волнового сигнала, фазо-корреляционной диаграммы, получения кинематических и динамических параметров продольных, поперечных и Лэмба - Стоунли волн. Измерение кинематических параметров головных упругих волн производится по компенсационной схеме, исключающей влияние скважины. Максимальная вертикальная разрешающая способность метода – 40 см. Глубинность исследования около 40 см. В отличии от обычного акустического каротажа, волновой акустический каротаж – это метод, оперирующий с параметрами не только продольной волны, но и других упругих волн, распространяющихся в скважине. К этим волнам, прежде всего, относится поперечная волна, в которой колебания среды, окружающей скважину, происходят перпендикулярно направлению распространения волны – так называемые колебания сдвига.
Типовые условия применения: в необсаженных скважинах, заполненных любой негазированной промывочной жидкостью на водной или нефтяной основе.
Акустический зонд – устройство для измерения звукового давления в заданной точке пространства. При измерении параметров звукового поля могут возникать искажения из-за различия между плотностью и скоростью распространения звука в материале приемника и в среде. Их можно уменьшить, используя приемники с малыми по сравнению с длиной волны исследуемого излучения размерами. Однако такие приемники весьма малочувствительны и поэтому непригодны для измерения слабых сигналов. Кроме того, часто необходимо знание структуры звукового поля в объеме, малом по сравнению с размерами приемника (например, при исследовании слуха, турбулентности и др.). Наконец, в ряде случаев приемник нельзя непосредственно поместить в измеряемое звуковое поле вследствие разрушающего воздействия среды на приемник (высокая температура, химическая агрессивность, кавитационная эрозия и т. д.). Во всех этих случаях применяется акустичекий зонд, представляющий собой узкий звукопровод, один конец которого вводится в исследуемую область звукового поля, а другой соединяется с приемником, обладающим требуемыми чувствительностью и частотной характеристикой. В зависимости от условий измерений звукопроводы могут быть выполнены либо в виде трубки, заключающей в себе столб газа или жидкости, либо в виде твердого стержня, изолированного от окружающей среды, например, газовой рубашкой, что гарантирует поступление в приемник энергии только из исследуемой области поля.
Рисунок 3.1 – Схема акустического зонда: А - латунная трубка; В- резиновая трубка; С - жгут из шерстяных ниток; D - капсюль конденсаторного микрофона; Е - воздушный звукопровод.
Для создания в акустических зондах бегущей волны, что исключает резонансные явления и позволяет работать в широком диапазоне частот, необходимы специальные меры. Так, в акустическом зонде, предназначенном для работы в воздухе, в диапазоне слышимых частот (рисунок 3.1), звукопровод из металлической трубки переходит в мягкую (например, резиновую) трубку того же диаметра, заполненную по всей длине для увеличения затухания звукопоглощающим материалом. При длине резиновой трубки 3 м практически обеспечивается отсутствие частотных искажений в диапазоне 50 – 6000 Гц (отклонения не превышают 2,5 дБ). Конденсаторный микрофон устанавливается сбоку вблизи стыка трубок. В ультразвуковых акустических зондах, (рисунок 3.2) для достижения должного затухания металлический волновод 1 длиной 1,5 м покрыт чехлом 2 из вибро- и звукопоглощающего материала (например, резины или полистирола); приемный элемент 4 в виде цилиндрика из пьезоэлектрической керамики одет на звукопровод неподалеку от входного сечения.
Рисунок 3.2 – Схема ультразвукового зонда: 1 - звукопровод (металлический стержень); 2 - изолирующая трубка; 3 - воздушный зазор; 4 - приёмный пьезоэлектрический элемент; 5 - вывод к усилителю; 6 - акустическая длинная линия с затуханием.
Применение эффекта
Аппаратура со сравнительно коротким акустическим зондом и с хорошей акустической изоляцией волны по корпусу прибора используется при исследовании открытого ствола с целью определения упругих свойств горных пород и обсаженных скважин для определения качества цементирования. Выбор наружного диаметра широкополосных акустических излучателей и диаметра корпуса прибора, равных 73 мм, обусловлен часто возникающей необходимостью проведения исследований через буровой инструмент, перекрывающий верхнюю часть разреза с неустойчивыми породами. Универсальность такой аппаратуры для исследования открытого ствола скважины и в режиме съема данных при таком диаметре прибора позволяет часто за один рейс выполнить акустический каротаж нижнего интервала, а затем съем данных в верхнем обсаженном интервале скважины. Это особенно выгодно при исследовании скважин, у которых верхний интервал обсажен 5-дюймовой колонной [3].
Реализации эффекта
Уровнемеры ЗОНД-3М предназначены для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня различных жидких сред, сыпучих и кусковых материалов, если скорость изменения уровня среды не превышает 0,5 см/с.
Рисунок 3.3 – Уровнемер ЗОНД-3М
Уровнемеры состоят из акустического преобразователя (в дальнейшем — АП) и преобразователя передающего измерительного модернизированного (в дальнейшем — ППИ-М), соединенных между собой трехжильным кабелем длиной до 500 метров.
Выпускаются в следующих исполнениях:
* ЗОНД-3М — пылеводозащищенное;
* ЗОНД-3М-В — взрывозащищенное;
* ЗОНД-3М-К — защищенное от высокоагрессивной среды.
Относительная погрешность:
± 0,3% — при измерениях уровня светлых фракций нефтепродуктов и спиртов (для уровнемеров в комплекте с АП-7ВЭ);
± 0,5% — при измерении уровня жидких сред для уровнемеров в комплекте с АП-7Т, АП-7ВТ, а также — в волноводе для уровнемеров в комплекте с АП-3Т, АП-6Т, АП-6Э, АП-6ВТ, АП-6ВЭ, АП-9Т, АП-9КТ и АП-91Т;
± 1,0% — при измерениях уровня жидких сред без волновода;
± (1,5-3,0)% — при измерениях уровня сыпучих и кусковых материалов.
Зонд акустического каротажа имеет полноволновой тип. Акустический каротаж по дельта-Т может быть произведен при последующей обработке полноволнового акустического файла. Каротаж по дельта-Т является мерой времени вертикального пробега, которое является обратной величиной к вертикальной скорости слоев, смежных с буровой скважиной. Действительно, акустический каротаж регистрирует скорость в слоях, непосредственно смежных с границей буровой скважины. Эта скорость, измеряемая на месте, обеспечивает данные конкретной литологии. На это значение также влияют жидкости в толщах и их насыщенность, структурные особенности, выветривание и содержание сланца. Очевидно, сильное влияние оказывает пористость. Дельта-Т обычно измеряется в микросекундах на фут (µ s/ft). Кроме индикации прочности пород, основная роль акустического каротажа обеспечивает меру пористости через такие отношения как Средняя Формула Времени Wylie. Точное обнаружение поперечных (S) и продольных (P) волн имеет интересную геотехническое применение через отношение между S и P волнами, из которого можно вычислить коэффициент Пуассона. Можно вычислить и другие свойства инженерные параметры, такие как модуль сдвига, модуль объёмного сжатия и модуль Юнга. Угольные пласты хорошо видны на диаграммах акустического каротажа из-за их аномально низкой скорости. Информация в полноволновой форме может использоваться для генерации диаграмм каротажа акустического ослабления, что обычно известно как диаграмма контроля качества цементирования скважины. Аномалии вызывают ослабление акустического сигнала и появятся на диаграмме акустического каротажа как отклонение от нормального уровня. Зоны трещиноватости обозначаются, когда вступление S-волны сильно уменьшено с или без соответствующего изменения в сигнале P-волны.
Применение прибора АК-73ПМ:
*литологическое расчленение разреза;
*определение упругих свойств пород;
*определение пористости коллекторов в комплексе с методами ЭК, РК;
*корреляция с сейсмическими данными.
Применение прибора АВАК-11:
*литологическое расчленение разреза;
*определение коэффициента и типа пористости пород;
*расчет модулей упругости горных пород;
*оценка акустической анизотропии и фильтрационных свойств прискважинной зоны;
*определение коэффициента анизотропии и направления напряжения вокруг скважины;
*определение высоты трещины в околоскважинном пространстве после проведения гидроразрыва пласта (ГРП).
Принципиальная конструкция модуля АК-73ПМ
Измерительный зонд содержит два излучателя И1, И2 и два приёмника П1, П2 упругих колебаний, разделённых акустическими изоляторами и размещённых на противоположных концах зонда. Пары излучателей и приёмников образуют две измерительные базы со встречными системами наблюдения - компенсированный зонд.
Принципиальная конструкция модуля АВАК-11
Измерительный зонд включает в себя: блок излучателей и два блока приёмников, разделённые акустическими изоляторами. Блок излучателей содержит три монопольных излучателя ИМ1, ИМ2, ИМ3 и два дипольных в одном поперечном сечении ИД1, ИД2 (кросс-диполь). ИМ1 - кольцевой магнитострикционный, основная частота излучения 20 кГц; ИМ2 - поршневой магнитострикционный, основная частота 8 кГц, телесный угол диаграммы направленности на уровне 0.5ч 60°; ИМ3 - поршневой магнитострикционный, основная частота 2.5 кГц, ИД1, ИД2 - пьезокерамические, основная частота излучения 4кГц. Блоки приёмников выполнены идентично, и каждый содержит по одному монопольному приёмнику ПМ1 и ПМ2 и по два дипольных приёмника ПД1 и ПД2 (кросс-диполи).
Технические особенности:
Прибор АК-73ПМ:
*исследования в скважинах диаметром от 100 до 360 мм;
*формула измерительного зонда: П20.4П11.0И10.4И2 или П20.4П13.0И3;
*спектр излучаемых частот на уровне 0.5:15-30 кГц для И1, И2 и 6 - 22 кГц для И3; буровой геофизический горный
*возможно проведение спуско-подъемных операций через буровой инструмент;
*возможность работы в составе модульной сборки.
Прибор 4АК-Д:
*исследования в скважинах диаметром от 100 до 300 мм;
*формула измерительного зонда: П20.4П11.0И10.4И2 или П20.4П13.0И3;
*спектр излучаемых частот на уровне 0.5:15-30 кГц для И1, И2 и 6 - 22 кГц для И3;
*возможно проведение спуско-подъемных операций через буровой инструмент;
*возможность работы в составе модульной сборки.
Обозначение прибора:
АК - акустический каротаж
АВАК - аппаратура волнового акустического каротажа
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 1645; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!