О некоторых механизмах возбуждения геоакустических шумов

При разведке и эксплуатации нефтегазовых залежей в породах-коллекторах, вмещающих толщах, вскрытых скважинами, возникают геоакустические шумы (ГАШ). Они отражают разнообразные и сложные процессы в толще пород, околоскважинном объеме. Правильно л поставленная шумометрия является мощным диагностическим инструментом. Породы в осадочной толще можно рассматривать как систему, включающую твердый скелет и заполняющую по крайней мере, 3-х компонентную среду (нефть, вода, газ), находящуюся в термодинамическом равновесии. Бурение скважин и их использование для извлечения нефти, газа раз личными технологическими приемами приводит к нарушению этого состояния, что сопровождается усилением действовавших и возникновением новых механизмов генерации акустических колебаний, которые регистрируются по разрезам, вскрытым скважинами. Остановимся теперь на физических основах информативности ГАШ. Каждая из компонент составляющих систему (твердый скелет, нефть, вода, газ) может быть источником акустических колебаний.

1.Обратимся прежде всего к твердой части породы. Ее отличительные признаки - дискретная гетерогенная структура с порами, трещинами и напряженное состояние с локальными перенапряжениями на неоднородностях, дефектах. Своеобразие сочетания такой структуры и распределения напряжений приводит к квазистабильному состоянию, к состоянию, когда при литостатических давлениях до 100 МПа и выше, породы реагируют на ничтожно малые деформации порядка 10-7м (земные приливы), 10-10м (собственные колебания Земли) акустической и электромагнитной активностью, что свидетельствует о микроразрушениях, возникновении новых дефектов, трещин. Как показывает шумометрия глубоких и сверхглубоких скважин аномально высокими значениями шума выделяются структуры повышенной нарушенности, трещиноватости и динамической активности. К таким структурам относится большинство пород-коллекторов. Существенную роль в активизации деформационных процессов, а следовательно ГАШ, играет насыщенность пород флюидами, что обусловлено снижением прочности пород за счет уменьшения внутреннего трения, электрохимических процессов и других факторов. Разбуривание нефтегазовых площадей и эксплуатация нефтегазовых залежей нарушает сложившуюся схему распределения давлений, флюида, газонасыщенности пластов, температур. В результате возрастает динамика скелета и, как следствие, проницаемость коллекторов, и акустической шумности, характеристики которой могут нести информацию об эффективности техногенных воздействий. На основе обобщения результатов лабораторных и натурных исследований разработана модель возбуждения ГАШ в дискретной, напряженно-деформированной среде для получения некоторых оценок при воздействии на пласты.

2. Насыщающие пласт флюиды и газы не только влияют на акустическую активность твердой части пласта, но в свою очередь могут генерировать акустические колебания, когда возникает дегазация флюидов и фильтрационный поток становится неустойчивым с пульсациями скорости и давления, что соответствует переходу числа Рейнольдса через критическое значение.

Оно не имеет универсального значения и может находится в пределах от нескольких десятков до тысяч, в зависимости от условий фильтрации и свойств флюида или газа. При, числах Рейнольдса больших критического движение быстро приобретает сложный и запутанный характер со все меньшими масштабами турбулентности, возмущения взаимодействуют друг с другом, приводя как к упрощению, так и усложнению движения. Сейчас нет исчерпывающей теории возникновения турбулентности в различных типах течений. Допускаемые уравнениями движения моды возмущений обладают разными масштабами, т.е. расстояниями, на которых заметно меняется скорость пульсаций. Чем меньше масштаб движений, тем больше градиенты скорости и тем сильнее оно тормозится вязкостью. Остановимся теперь на некоторых параметрах развитой турбулентности, которая может встречаться на практике при затрубных перетоках, негерметичности обсадной колонны, в перфорированных интервалах, в пластах с интенсивным газовыделением. По мере возрастания числа Рейнольдса сначала появляются крупномасштабные пульсации, затем их масштаб уменьшается. Крупномасштабные обладают наибольшими амплитудами. Их скорость сравнима с изменениями Δν средней скорости на протяжении 1 основного масштаба турбулентности. Частоты этих пульсаций имеют порядок V/1. Мелкомасштабные пульсации, соответствующие большим частотам, имеют значительно меньшие амплитуды. Имеется как бы непрерывный поток энергии от малых частот к большим. Этот поток диссипируется в самых высокочастотных пульсациях. Порядок величины пульсации давления в области турбулентного движения . Наряду с пространственными масштабами представляют интерес временные характеристики пульсаций – частоты. Нижний порог частотного спектра турбулентных движений находится на частотах V/1, верхний определяется частотами

где - λ0 внутренний масштаб турбулентности, который определяет порядок величины масштабов наиболее высокочастотных пульсаций в потоке. Приведенные здесь общие характеристики турбулентного потока раскрывают один из механизмов генерации колебаний в околоскважинной среде и тем самым диагностические возможности ГАШ.

3. Теперь о механизме, связанном с дегазацией флюида. Если пластовое давление совпадает с давлением насыщения флюида газом, то жидкость находится в насыщенном состоянии. Движение газожидкостных систем в пористой среде сопровождается фазовыми переходами, которые влияют на характеристики фильтрации. Фазовые переходы происходят при изменении давления (процесс изотермический). Движение выделенного объема жидкости в пористой среде связано с изменением давления в нем и, соответственно, происходит выделение газа из жидкости. Темп изменения давления, а значит, и темп выделения газа, зависит от скорости движения в коллекторе. Давление может изменяться также в каждой точке во времени. В общем случае для одномерного потока:

Из термодинамики известно, что процесс фазовых превращений можно считать равновесным, если . При больших значениях  процесс неравновесный и количество новой фазы определяется не только значением давления, но и скоростью его изменения. Для нефтегазовых систем неравновесный характер фазовых превращений проявляется при

Рассматривая радиальный поток, получим, что  наибольшее значение имеет вблизи скважины, т.е. в призабойной зоне может быть неравновесный процесс разгазирования нефти, порождающий упругие колебания. В процессе дегазации также выделяют докавитационный (пульсация пузырьков преимущественно без схлопывания) и кавитационный режимы. Процесс дегазации происходит вплоть до установления нового значения равновесной концентрации. Практически всякая жидкость содержит газ в растворенном виде и в виде пузырьков. Растворимость основного компонента природного газа - метана в пластовой воде во много раз меньше его растворимости в нефти. При больших гидростатических давлениях, количество растворенного газа в нефти в 10-100 раз больше, чем в воде. Поведение жидкости и газа можно оценить на примере одиночного пузырька. В жидкости, находящейся под давлением Р0, на пузырек газа радиусом г действуют следующие силы: гидростатическое давление Р0,силы поверхностного натяжения , стремящиеся сжать, и давление газа Рг, пара Рп, противостоящие сжатию.

Результирующее давление:

Р = Рг + Рп – Р0 – 2

При Р>0 увеличиваются, а при Р<0 уменьшаются размеры пузырька. При достаточном количестве маленьких пузырьков газа, дегазация жидкости может происходить за счет их слияния. В зависимости от газового фактора, вязкости, поверхностного натяжения и сжимаемости нефти могут дегазироваться как лучше, так и хуже воды. Большую роль играет разность пластового давления P0 и давления насыщения. Если эта разность соответствует давлению метастабильной зоны, то дегазация и кавитация в нефти возможны при малой интенсивности сторонних воздействий. Рассмотренные процессы имеют нестационарный, колебательный характер, являются физической предпосылкой большого информативного потенциала ГАШ для решения наиболее существенных и сложных задач на всех стадиях геологоразведочных и эксплуатационных работ.

Аппаратура

BN-4002D - регистратор акустических шумов в скважинах с выводом сигналов в цифровом виде для оперативной обработки и визуализации данных на персональном компьютере NOTE BOOK в процессе измерений.

Аппаратура РДА-3 (регистратор динамической активности трехкомпонентный) с чувствительностью, позволяющей регистрировать сейсмоакустический отклик геосреды на деформации порядка 10-7 – 10-11 м, была разработана в Институте геофизики УрО РАН В.А.Фадеевым. (Рис. 3)Ó.

Аппаратура РДА-3 состоит из скважинного прибора и наземного пульта. В скважинном приборе размещены: пъезодатчики-акселерометры (вертикальный и два горизонтальных, расположенных под углом 90°) предварительный усилитель, калибровочный генератор, коммутационное устройство и стабилизатор питания. Скважинный прибор соединяется с наземным пультом трехжильным бронированным каротажным кабелем, по которому осуществляется питание прибора, управление режимами его работы и передача информации.

Предусмотрено три режима работы скважинного прибора:

• регистрация сигналов с последовательным опросом датчиков X,Y,Z;

• калибровка электрического тракта канала;

• контроль уровня собственных шумов электрического тракта. В скважинном приборе установлены пьезодатчики, имеющие одинаковый коэффициент преобразования в пределах 5-10 мкВ с/мм.

Акустические сигналы поступают в наземный пульт через блок управления режимами работы аппаратуры и после усиления могут разделятся фильтрами на три полосы частот: 20-100 ; 100-500 и 500-2000 Гц. В автоматическом режиме измерения могут проводится в любом из пяти временных циклов: 20; 10; 5; 2.5 и 1.25 минуты. За цикл измерения наблюдается прохождение режимов от записи калибровочного сигнала до регистрации ГАШ вертикальным датчиком Z. Для любого из пяти временных циклов соотношение по времени следующее:

Тк: Тш: Тх: Ту: Tz = 1: 1: 6: 6: 6,

то есть длительность измерения компонент (Tx, Ty, Tz) в 6 раз больше контрольно-проверочных параметров.

Аппаратура РДА-3 позволяет проводить измерения в скважинах при давлении свыше 60 МПа и температуре до +125 °С.

Заключение

Целесообразность применения данного метода в геофизике позволят решать проблемы самого разного характера.

Изучение характеристик техногенных сейсмических шумов (ТСШ) необходимо, прежде всего, для разработки методик исключения их влияния или учета в случае невозможности подавления шумов аппаратурными средствами. Информация об амплитудных, частотных и временных характеристиках ТСШ, традиционно рассматриваемых как помехи, позволяет оценить не только уровень шумов экзогенного происхождения, но может использоваться при изучении природы сейсмоакустических шумов Земли.

Актуальность проблемы изучения сейсмоакустических шумов (САШ) Земли обусловлена получением принципиально новой информации о геологическом строении земной коры, характере протекающих в ней процессов и их активности, в также выявлением возможностей практического использования шумов при решении задач рудной и нефтяной геофизики.

По сейсмоакустической эмиссии (САЭ) оценивают удароопасность пород, контролируют состояние массива пород и процессы разрушения. Метод на основе изучения спектра сигналов САЭ успешно применяется для прогноза обрушений на калийных рудниках. При исследовании сейсмоакустического критерия выбросоопасности на угольных шахтах было отмечено, что в периоды формирования выбросоопасной ситуации частота спектрального максимума сигналов снижается. Эти и другие примеры, которые показывают, что возможности регистрации САЭ могут успешно применяться для решения горно-геологических задач.

В настоящее время в ведущих геофизических службах мира получил распространение шумовой каротаж. Разработаны методики, скважинная аппаратура и ведутся исследования с целью контроля за разработкой газовых и нефтяных месторождений.

Список литературы

Монахов Ф.И. «Низкочастотный сейсмический шум Земли». М., Наука, 1997.

Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. «Явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов Земли». М., ВНИЦПИ, 1984.

Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. «Аппаратура и методы для исследований слабых сейсмических эффектов» М., 1978 – Деп. ВИНИТИ, № 2919.

Каррыев Б.С. «Исследования высокочастотных сейсмических шумов Ашхабадского сейсмоактивного района». Автореферат. М., ИФЗ АН СССР, 1984.

Дьяконов Б.П., Иваев А.Т., Улитин Р.В. «Об усилении циклических изменений физических характеристик горных пород в земной коре» Докл. АН СССР, 1985. Т. 282. Н.

Сероглазов Р.Р. «О воздействии короткопериодных деформаций на высокочастотные микросейсмы. Вулканология и сейсмология». 1993.

Черепанцев А.С. «Связь параметров высокочастотного сейсмического излучения с динамикой геофизической среды» Автореферат. Кондидатская диссертация. М. МГУ. 1991.

Гордеев Е.Н., Салтыков В.А., Синицин В.И., Чебров В.Н. «Первые результаты исследования высокочастотного сейсмического шума на Камчатке. Вулканология и сейсмология». 1991.

Гальперин Е.Н., Ситников А.В., Кветинский С.И. Опыт и результаты экспериментального изучения высокочастотных сейсмических шумов. Изв. АН СССР. Физика Земли. 1989.

Дергачев А.А., Данциг Л.Г., Бортников П.Б. Сейсмические шумы в районе Новосибирска. Геология и геофизика. 1984.

Коридалин В.Е., Кузьмина И.В., Осика В.И., Попов Е.И., Токмаков В.А. Сейсмические шумы индустриального города. Докл. АН СССР 1985. Т. 280. № 5.

Агиенко В.А., Турок В.А., Мелузин А.А., Юрьев А.В. Контроль сейсмоакустической эмиссии удароопасного участка горных пород СУБРа. Сб. Геофизические основы контроля напряжения в горных породах. Новосибирск. 1983.

Медведев И.И., Жихарев С.Я. Прогноз обрушений на калийных рудниках с помощью сейсмоакустического метода. Сб. Горная геофизика. Батуми.1985.

Векслер Ю.А., Шакиров А.Т., Лагутин С.В., Бекбулатов Т.А. Критерий оценки выбросоопасных угольных пластов. Сб. Горная геофизика. Тбилиси. 1989. ч.1.

Бакланов И.В. «Деформирование и разрушение породных массивов». М.Недра.1988.

Алексеев А.Д., Недодаев Н.В. «Предельное состояние горных пород». Киев, Наукова Думка, 1982.

Борисов А.А. «Механика горных пород и массивов». М., Недра, 1980.

Приложение 1

Таблица 1

 

Диформирующие процессы	Период Т.с	Относительные деформации	Нагрузка дин/см2
Сейсмические волны от землетрясений	10-2 – 102	10(-6)-(-9)	102-5
Собственные колебания Земли	102 - 104	10(-8)-(-11)	101-3
Лунно-солнечные приливы	105 – 104	10(-7)-(-8)	103-4
Штормовые микросейсмы	2 – 10	10(-9)-(-12)	101-2

Таблица 2

 

Источники колебаний	Расстояние до пункта регистрации	Амплитуда смещений, Мкм	Частота, Гц
Компрессорные установки	100 – 400 м	50	2 – 3
То же	10 – 15 км	0,4	2 – 3
Другие промышленные установки	0 – 400 м	1 – 10	2 – 50
Транспорт (грунтовая дорога)	50 м	0,5 – 3	1,5 – 30
Транспорт (асфальтовая дорога)	I7 м	6	3 – 30
То же в метро	на глубине 17 м	1 – 3	3 – 30
Самолеты	высота 800 – 1000 м	0,5	2 – 8
Микросейсмический фон (техногенным)	10 – 20 км	0,03 – 0,15	2 – 8
Естественные микросейсмы		0,2 – 0,6	0,07 – 0,25
Промышленные взрывы	300 км	1 – 2	2 – 4
Землетрясения	500 – 1000 км 1000 – 2000 км 3000 км	3 I 80	0,5 – 1 0,5 – 1 0,05 – 0,1

Таблица 3

Рекомендации по оценке состояния кровли в калийных рудниках

Преобладающая частота, КГц	Вероятность событий, %	Состояние кровли
До 1,5	100	Массив и кровля устойчивы
1,5 – 2,0	87	Прогиб кровли без образования трещин
2,0 – 2,2	92,5	Мелкие отслоения и трещины в кровле
2,2 – 2,5	82,7	Интенсивное (со звуком) газовыделение из дренажных шпуров
2,5 – 3,0	89,2	Начинающееся разрушение кровли, предшествующее динамическому явлению

 

[1] Монахов Ф.И. «Низкочастотный сейсмический шум Земли». М., Наука, 1997 – с. 96.

[2] Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. «Явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов Земли». М., ВНИЦПИ, 1984 – с.14-18.

 

[3] Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. «Аппаратура и методы для исследований слабых сейсмических эффектов» М., 1978 – Деп. ВИНИТИ, № 2919 – с. 48, 78.

[4] Каррыев Б.С. «Исследования высокочастотных сейсмических шумов Ашхабадского сейсмоактивного района». Автореферат. М., ИФЗ АН СССР, 1984 – с. 23.

Ó См. приложение 1.

[5] Дьяконов Б.П., Иваев А.Т., Улитин Р.В. «Об усилении циклических изменений физических характеристик горных пород в земной коре» Докл. АН СССР, 1985. Т. 282. Н. С. 34 – 37.

[6] Сероглазов Р.Р. «О воздействии короткопериодных деформаций на высокочастотные микросейсмы. Вулканология и сейсмология». 1993. с. 69 – 75.

[7] Черепанцев А.С. «Связь параметров высокочастотного сейсмического излучения с динамикой геофизической среды» Автореферат. Кондидатская диссертация. М. МГУ. 1991 с.44.

[8] Гордеев Е.Н., Салтыков В.А., Синицин В.И., Чебров В.Н. «Первые результаты исследования высокочастотного сейсмического шума на Камчатке. Вулканология и сейсмология». 1991. с. 104 – 111.

[9] Гальперин Е.Н., Ситников А.В., Кветинский С.И. Опыт и результаты экспериментального изучения высокочастотных сейсмических шумов. Изв. АН СССР. Физика Земли. 1989. с. 99 – 109.

[10] Дергачев А.А., Данциг Л.Г., Бортников П.Б. Сейсмические шумы в районе Новосибирска. Геология и геофизика. 1984. с. 77 – 80.

[11] Коридалин В.Е., Кузьмина И.В., Осика В.И., Попов Е.И., Токмаков В.А. Сейсмические шумы индустриального города. Докл. АН СССР 1985. Т. 280. № 5. с. 1094 – 1097.

* См. приложение 1.

[12] Агиенко В.А., Турок В.А., Мелузин А.А., Юрьев А.В. Контроль сейсмоакустической эмиссии удароопасного участка горных пород СУБРа. Сб. Геофизические основы контроля напряжения в горных породах. Новосибирск. 1983. с 73 –76.

[13] Медведев И.И., Жихарев С.Я. Прогноз обрушений на калийных рудниках с помощью сейсмоакустического метода. Сб. Горная геофизика. Батуми.1985. с. 265.

* См. приложение 1.

[14] Векслер Ю.А., Шакиров А.Т., Лагутин С.В., Бекбулатов Т.А. Критерий оценки выбросоопасных угольных пластов. Сб. Горная геофизика. Тбилиси. 1989. ч.1. с. 42- 44.

[15] Бакланов И.В. «Деформирование и разрушение породных массивов». М.Недра.1988.

[16] Алексеев А.Д., Недодаев Н.В. «Предельное состояние горных пород». Киев, Наукова Думка, 1982, с. 197.

Ó См. приложение 2.

Ó См. приложение 2.

[17] Борисов А.А. «Механика горных пород и массивов». М., Недра, 1980.

Ó См. приложение 2.