Развитие технологий акустических исследований в нефтегазовых скважинах (стр. 1 )

На правах рукописи

ЖУЛАНОВ ИВАН НИКОЛАЕВИЧ

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ АКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИНАХ

Специальность 25.00.16 – Горнопромышленная и нефтегазопромысловая

геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Пермь - 2007

Работа выполнена в «Геофизика», и в Горном институте УрО РАН

Научный консультант: доктор геолого-минералогических наук,

профессор, заслуженный деятель науки РФ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

член-корреспондент РАН

Ведущая организация: Научно-производственная фирма (НПФ)

«Геофизика» (г. Уфа)

Защита состоится «____» __________ 2007 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д004.026.01 при Горном институте УрО РАН г. Пермь ул. Сибирская, 78а

тел./

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Горного института УрО РАН.

Автореферат разослан «____» _____________ 2007 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

к. г.-м. н., доцент

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Одно из важнейших направлений геофизических исследований скважин (ГИС) – акустический каротаж (АК). В период становления и развития акустического каротажа во второй половине ХХ века существовала некоторая недооценка его важности, например, в сравнении с сейсмическими исследованиями, имеющими ту же физическую основу. Сейсмическим исследованиям в силу их глобальной значимости обеспечен государственный приоритет в развитии и оснащении средствами регистрации и обработки сейсмических сигналов. Скважинные же акустические исследования оказались в тени, хотя некоторые задачи, решаемые с помощью только продольных волн, например, такие как акустический контроль цементирования (АКЦ) нефтяных и газовых скважин, представляют исключительную важность. Надлежащее их решение является не только условием успешной добычи нефти и газа, но и условием обеспечения экологической безопасности территорий разрабатываемых нефтяных и газовых месторождений.

В 60-80 гг ХХ-го века в ряде районов страны (Афгано-Таджикская, Прикарпатская, Соликамская впадина, Восточное Предкавказье и т. д.) открыты ряд месторождений нефти, приуроченных к низкопористым пластам. Их продуктивность определялась наличием сложнопостроенных коллекторов и развитых трещинных систем. Стандартный комплекс ГИС не эффективен для их выявления. Перспективны для их выделения в 1-ю очередь акустические методы, обладающие в сравнении с методами ГИС более широким спектром возможностей, например, скважинное телевидение, акустический широкополосный каротаж, глубинное акустическое зондирование и др.

На этапе развития и становления (60-80 гг. ХХ-го века) акустические исследования отличала ограниченность возможностей. Имевшиеся оборудование и технологии работ (исследования открытого ствола, контроль цементирования) позволяли регистрировать на фотоносители только параметры продольных волн. Дополнительно с помощью устройств типа регистратора «Штиль» при выполнении научных и опытно-методических исследований могли регистрироваться на фотоносители фазокорреляционные диаграммы и волновые сигналы. Эти данные обрабатывались вручную с целью построения параметров поперечных и гидравлических волн. Работы отличали низкая оперативность, недостаточные точность и качество получаемых данных. Тем не менее, результаты регистрации и обработки волновых сигналов и фазокорреляционных диаграмм, полученные соискателем при опытно-методических работах по опробованию аппаратуры АКН-1 ( гг.) на территории Соликамской впадины, указали на перспективность применения широкополосного каротажа для выявления сложнопостроенных коллекторов.

Разработанные в конце 80-х годов рядом научных институтов (ВНИИНПГ, г. Уфа; ВНИИЯГГ, г. Москва) и геофизических предприятий (например, ) аппаратурно-программные комплексы регистрации и обработки волновых сигналов, построенные на устаревшей элементной базе, не получили широкого распространения из-за ограниченности возможностей.

Таким образом, информационный потенциал акустических методов в целом по России на начало 90-х оставался нереализованным. Это создавало проблемы с качеством и уровнем решения научно-исследовательских и производственных задач и, соответственно, с развитием новых направлений акустических исследований в России, и в том числе, в Пермском крае.

Цель работы - создание и совершенствование высокоразрешающих средств акустических исследований, реализация с их помощью возможностей существующих и разработанных акустических методов для изучения свойств и строения околоскважинного пространства, контроля состояния обсаженных скважин и разработка на этой основе новых технических и технологических решений, способствующих научно-техническому прогрессу в промысловой геофизике.

Задачи исследований

1. Разработка высокоразрешающих средств акустических исследований для изучения строения и свойств околоскважинного пространства и контроля состояния обсаженных скважин.

2. Создание комплекса методов исследований низкопористых карбонатных разрезов для выделения коллекторов, изучения их строения и выявления закономерностей развития трещиноватости пород.

3. Совершенствование методов определения состояния и свойств околоскважинного пространства для обеспечения надёжного контроля качества щелевой гидропескоструйной перфорации (ЩГПП).

4. Разработка новых методов и приемов оценки состояний пород и цементного камня за колоннами при различных конструкциях крепления ствола скважин в интервалах нефте-газонасыщенных и водорастворимых (соли, гипсы и др.) пород.

Основные защищаемые положения

1. Комплекс акустических методов исследований, позволяющий посредством определения и сопоставления коэффициентов радиальной и осевой неоднородности околоскважинного пространства выделять низкопористые коллекторы и уточнять их строение.

2. Закономерности развития трещиноватости, на основе которых трещинные зоны выявляются уже только по данным стандартного комплекса геофизических исследований скважин.

3. Технология обработки полных волновых сигналов, регистрируемых в интервалах щелевой гидропескоструйной перфорации, позволяющая методом мониторинга определить местоположение щелевых резов и установить их глубину.

4. Методы обработки результатов акустических исследований, посредством которых определяются состояние цемента за колоннами при различных конструкциях крепления скважин и состояние водорастворимых пород (солей) за двумя колоннами.

Научная новизна

1.  Показано, что характер затухания средних амплитуд волнового сигнала позволяет выделять кавернозно-трещинные и трещинные зоны и давать оценку потенциальной продуктивности низкопористых нефтегазоносных толщ.

2.  Доказано, что если в низкопористой карбонатной толще безглинистых пород при бурении скважины формируется зона интенсивных вертикальных набуренных желобов, то всегда существуют две зоны субвертикальной и наклонной макротрещиноватости, которые размещены соответственно над и под зоной вертикальных набуренных желобов.

3.  Установлено, что метод радиального зондирования позволяет построить кривую коэффициента радиальной неоднородности околоскважинного пространства и выделить при комплексировании с акустическим каротажом по приточным зонам интенсивную субвертикальную и вертикальную трещиноватость.

4.  Впервые показано, что каждый прибор скважинного акустического каротажа имеет свой формфактор, учитывающий рабочую частоту, диаметры прибора и скважины и позволяющий подбором прибора согласно его оптимальных значений существенно повысить качество регистрируемых в скважинах кинематических и динамических параметров.

5.  Доказано, что сжатие волнового сигнала на входе аналого-цифрового преобразователя посредством управления его амплитудой (уменьшение, увеличение) в N раз, позволяет расширить динамический диапазон регистрируемых волновых сигналов в 2 раз при сохранении разрядности цифровых отсчётов амплитуд.

Практическая ценность и реализация работы 

На основе каротажных регистраторов «Триас» разработаны и изготовлены регистраторы волновых сигналов (РВС) на магнитную ленту ( гг.), позднее (1996 г.) модернизированных для регистрации цифровых массивов ВС непосредственно на персональный компьютер. Эти РВС использовались (с 1991 по 2003 гг.) для решения широкого круга научных и производственных задач. С 1996 по 2004 гг. на основе современных промышленных АЦП серии ЛА-2, ЛА-2ТМ разработаны и применялись и «Геофизика» для решения научно-исследовательских и опытно-производственных задач ряд всё более совершенных регистраторов волновых сигналов и снимков САТ [1, 3, 25].

В период гг. последовательно разработаны четыре версии программных средств обработки волновых сигналов и данных САТ: «Экспресс», «WSPS», «ГИС-Акустика» и «ГИС-АКЦ». «ГИС-АКЦ» используется по настоящее время для решения как научных, так и производственных задач акустических исследований [1, 11, 18, 23, 24].

Применением разработанных средств регистрации и обработки волновых сигналов сокращены временные и экономические затраты на производственные работы, многократно повышено качество акустического каротажа. Опробованы новые виды акустических исследований: волновая шумометрия, глубинное дальнее (до 100 м, 1998 г.) и ближнее (до 3 м, 2003 г.) АК-зонди-рование околоскважинного пространства, межскважинные исследования (2003, 2006 гг.), реверберационный каротаж (2005 г.) и т. д. [1].

В период с гг. разработаны, отлажены и внедрены в и «Геофизика» технологии: 1) выделения в низкопористых карбонатных разрезах продуктивных зон; 2) контроля состояния цементного кольца за колоннами при строительстве и эксплуатации скважин; 3) контроля местоположения и глубины щелевой гидропескоструйной перфорации [1, 16, 18].

Апробация и реализация работы

Основные результаты исследований докладывались на Всероссийских научно-технических конференциях и совещаниях: «Изучение рифогенных структур геофизическими методами» (Пермь, 1981); «Применение геофизических методов при решении инженерно-геологических и экологических задач» (Пермь, 1994); «Новые сейсмоакустические технологии исследования нефтегазовых скважин» (Тверь, 1997); «Пути реализации нефтегазового потенциала ХМАО» (Ханты-Мансийск, 2004), на Международных научно-практических конференциях: «Перспективы развития геофизических методов в XXI веке» (Пермь, 2004); «Передовые технологии строительства и ремонта скважин» (Пермь, 2005).

За совершенствование аппаратуры САТ и за участие в разработке РД «Методическое руководство по применению скважинного акустического телевизора и интерпретации получаемых данных» автор награжден медалью ВДНХ (Москва, 1979).

Автор участвовал в разработке РД «Технология проведения исследований и интерпретации данных акустической цементометрии в кондукторах, технических и эксплуатационных колоннах при двухколонных конструкциях скважин», разработанных ВНИИНПГ (Уфа, 1988).

Результаты, полученные соискателем при применении акустического телевизора САТ-2, использованы при составлении РД «Методические рекомендации по использованию пластовой наклонометрии и скважинного акустического телевизора САТ‑2 для выделения трещинных коллекторов и определения элементов залегания пластов» (1989 г.).

Выполнены опытно-методические работы по 14 темам. Результаты при завершении каждой темы докладывались и обсуждались на Ученых советах ВНИИ нефтепромысловой геофизики (ВНИИНПГ, г. Уфа, гг.), на научно-технических совещаниях ( гг.). Отчеты по ОМР хранятся в Росгеолфонде (г. Москва), Уральском территориальном геологическом фонде (г. Екатеринбург) [1].

Разработанные с участием автора программы «ГИС-Акустика», «ГИС-АКЦ» внедрены на геофизических предприятиях Западной Сибири (, трест «Сургутнефтегеофизика», , и др.) и восточноевропейской части России (, «Геофизика», , ) и др. [1, 9, 27 ].

Публикации. По теме диссертации напечатана монография, опубликовано 29 печатных работ, в том числе 15 - в ведущих рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК, получены три авторских свидетельства на программные продукты обработки волнового сигнала АК (№ № № ), один патент (№ 000).

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 249 наименований. Объем работы - 199 страниц, включая пять таблиц и 51 рисунок.

Исходные материалы и личный вклад автора. Диссертация отражает результаты исследований, полученные автором в ходе опытно-методических и научно-исследовательских работ, выполненных в -ка» ( гг.) и «Геофизика» ( гг.).

Разработка средств цифровой регистрации и программных средств обработки данных акустических методов, а также разработка новых методов и технологий акустических исследований, теоретические и экспериментальные исследования выполнялись под руководством и с непосредственным участием автора. Представленные в диссертации данные получены при непосредственном участии автора в полевых и интерпретационных работах.

Автором совместно с программистами , и последовательно разработаны четыре рабочих версии программных комплексов обработки волновых сигналов АК: «Экспресс», «WSP», «ГИС-Акустика» и «ГИС-АКЦ» [1,17,18,19].

Работа выполнена благодаря консультациям и поддержке доктора геолого-минералогических наук . Автор выражает ему искреннюю признательность.

Благодарность за конструктивные советы при обсуждении результатов работ автор приносит доктору технических наук, профессору .

Автор искренне признателен за поддержку в развитии традиционных и продвижении новых акустических методов исследований в Пермском крае.

Автор благодарен кандидату геолого-минералогических наук - за участие в оформлении результатов работ; , , - за помощь в обработке и интерпретации полученных данных; , , - за участие в разработке регистраторов волновых сигналов АК трёх уровней, оригинальных скважинных акустических приборов и выполнение скважинных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ

АКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Скважинные акустические методы возникли в 50-х годах как средство решения относительно простых задач, таких как литологическое расчленение разреза, параметризация данных сейсмических исследований, контроля наличия цемента за колонной. Позднее с помощью акустических методов решался уже более широкий круг задач акустических исследований скважин (например, определение упругих свойств пород, выявление низкопористых кавернозно-трещинных коллекторов, контроль цементирования обсадных колонн и др.). Появились специальные методы (акустическое телевидение, акустический широкополосный каротаж и т. д.), обозначилась специализация направлений исследований.

Период 70-80 гг. XX века характеризовался открытием в ряде районов страны (Восточное Предкавказье, Припятская впадина, Соликамская впадина, и др.) месторождений нефти и газа, приуроченных к низкопористым отложениям с коллекторами сложного строения. Стандартный комплекс геофизических исследований скважин не способен выделять низкопористые кавернозно-трещинные коллекторы. Работами , , (1978), (1981), , (1985), , (1991) показана возможность решения этой задачи акустическими методами.

Максимальную эффективность добычи нефти и газа и экологическую безопасность разрабатываемых месторождений обеспечивает надёжная гидродинамическая изоляция затрубья нефтегазовых скважин, что достигается в первую очередь высоким качеством их цементирования. Работами (1978, 1988), (1981,1984,1995), (1970, 1981, 1984) обоснована необходимость использования акустических методов для контроля качества цементирования нефтегазовых скважин.

Таким образом, повышение эффективности акустических методов для выявления низкопористых коллекторов и для контроля качества цементирования, их совершенствование и развитие являются важными задачами скважинных акустических исследований.

Для Пермского края изучение и совершенствование двух рассмотренных направлений акустических исследований актуально по двум причинам: 1) открытие ряда высокопродуктивных залежей нефти, приуроченных к низкопористым карбонатным отложениям со сложным строением коллекторов; 2) расположение ряда нефтяных месторождений на территории Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС).

При строительстве нефтяных скважин на ВКМКС применяется специальная двухколонная конструкция (техническая + эксплуатационная колонны) крепления ствола в интервалах солей и специальные технологии цементирования колонн. Это требует совершенствования техники и методики акустического контроля цементирования при строительстве скважин и обеспечения должного уровня акустического контроля состояния цементного кольца за двумя колоннами в ходе их эксплуатации.

Таким образом, выделяются, по крайней мере, два принципиально различных по строению объекта акустических исследований:

1)  вскрытые скважиной низкопористые карбонатные потенциально продуктивные отложения с трещинными или сложнопостроенными коллекторами, отличающиеся разрывностью, неоднородностью свойств карбонатных пород как в радиальном направлении, так и вдоль оси скважины по всей её окружности;

2)  обсаженные скважины (с одно - и двухколонными конструкциями крепления пород и др.), отличающиеся радиальной неоднородностью и имеющие при одноколонной конструкции три плотные среды (стальную или стеклопластиковую колонну, цементное кольцо, околоскважинную среду), а при двухколонной - пять плотных сред.

Объекты отличаются по содержанию и свойствам, и объединяет их только одно – гетерогенность (неоднородность) изучаемых сред. Для изучения и количественной оценки свойств этих объектов необходима разработка специальных акустических методов, приёмов и, в целом, современной технологии исследований. Эта технология должна включать в себя цифровую регистрацию первичных данных (волновых сигналов, снимков САТ) и их обработку современными, легко адаптируемыми к решению новых задач акустических исследований, программными средствами.

Модель 1-го объекта, методы изучения, условия исследований

Объект – околоскважинная среда, низкопористые проницаемые за счёт трещиноватости и кавернозности карбонатные породы, отличающиеся разрывностью и неоднородностью свойств, как в радиальном направлении, так и вдоль оси скважины (рис. 1.1).

Перспективны для изучения степени неоднородности околоскважинной среды два известных акустических метода: сква-жинный акустический телевизор (САТ) и акустический каротаж на преломленных волнах (АКпв). САТ регистрирует на снимках кавернозность и трещиноватость среза пород, вскрытых скважиной.

По АКпв регистрируются кинематические и динамические параметры продольных, поперечных волн и гидроволн, полные энергии волновых сигналов, и по их показаниям возможна в той или иной мере оценка степени неоднородности околоскважинной среды, обусловленной трещиноватостью и кавернозно - Рис. 1.1. Модель 1-го объекта

тью пород. Применяемые типы аппаратуры: акустическая широкополосная – приборы типа АКШ, АКВ и т. д. и приборы типа МАК-2, позволяющие регистрировать характеристики продольных, поперечных волн, гидроволн и полные энергии волновых сигналов.

Радиальная глубинность изучения околоскважинной среды ограничена для акустических методов на преломленных волнах половиной длины зондирующей акустической волны (не более 0.7 м при частоте сигнала fраб=10 кГц; 0.5 м – при fраб=16-20 кГц), включая измерения характеристик среды по полной энергии ВС.

Влияние скважинной среды на определяемые акустические параметры (интервальные времена и затухания продольных, поперечных волн и гидроволн) нивелируется двухзондовой конструкцией зонда. Априори полагаем соосными прибор и скважину за счёт центрирования прибора на оси скважины.

Описание объекта 2-го рода (обсаженная скважина).

Методы и условия исследований

Объект представляет собой скважину с цементированной обсадной колонной и отличается радиальной неоднородностью акустических свойств. Содержит три среды - стальную (иногда стеклопластиковую) колонну, цементное кольцо и околоскважинную среду (породу) и имеет две границы между средами: колонна – цемент и цемент – порода (рис. 1.2).

Промышленно применяются для контроля цементирования в ходе строительства скважин и оценки состояния цемента за колонной при их эксплуатации приборы акустического контроля цементирования (АКЦ) интегрального типа ряда МАК и другая аппаратура. Регистрируются кинематические и динамические параметры продольных волн по колонне и по породе.

По параметрам продольных волн по колонне (интервальные времена и затухания) определяются:

1)  на этапе цементирования – качество цементирования обсадной колонны;

2)  при эксплуатации скважин – состояние контакта цемент-колонна.

По параметрам волн по породе (интервальные времена) при сопоставлении с данными, полученными в открытом стволе, может оцениваться суммарное качество контактов колонна – цемент и цемент – порода. На регистрируемые параметры волн по породе влияют:

1)  степень концентричности всех сред;

2)  физико-механические свойства цементного камня;

3)  состояние контактов на границах: цемент-колонна и цемент-порода.

Априори полагаем соосными прибор и обсадную колонну за счёт жёсткого центрирования скважинного прибора. Соосность же колонны и стенки скважины обеспечивается только в местах расположения центрирующих колонну фонарей. Даже при качественном цементировании физически возможно только частичное соответствие определяемых динамических параметров (амплитуд, энергий) акустических сигналов, зарегистрированных в открытом и обсаженном стволе. Совпадение кинематических параметров продольных волн, регистрируемых в открытом и обсаженном стволе, достигается при условии плотного контакта цемента с колонной и породой.

Влияние скважинной среды на определяемые акустические параметры (интервальные времена и затухания продольных волн по колонне) нивелируется двухзондовой конструкцией зонда.

В рамках 2-ой модели возможны выявление и количественная оценка:

1) степени неоднородности объектов природного происхождения, описанных в 1-ой модели и представляющих собой трещинные и кавернозные породы;

2) глубины и объёмности объектов искусственного происхождения типа щелевых резов, прорезанных в околоскважинной среде посредством гидропескоструйной перфорации.

Первые могут быть пропущенными продуктивными объектами, вторые - выполняются специально для увеличения нефтеотдачи продуктивных пластов или приемистости нагнетательных скважин.

Описание объектов 2-го рода в варианте двухколонной конструкции

и условия исследований

Объекты представляют собой интервалы нефтяной скважины с двухколонной конструкцией крепления ствола (на территории ВКМКС это интервалы солевых отложений). Благодаря конструкции крепления (эксплуатационная колонна + техническая колонна) отличаются радиальной неоднородностью акустических свойств. Интервал скважины с двумя зацементированными колоннами, содержит пять сред: скважинный раствор, 1-ю стальную колонну, 1-е цементное кольцо, 2-ю стальную колонну, 2-е цементное кольцо и околоскважинную среду. Содержит четыре границы между средами: 1-я колонна – цемент, цемент – 2-я колонна, 2-я колонна – цемент и цемент – порода.

По параметрам продольных волн по колонне (интервальные времена и затухания) определяются:

1)  на этапе строительства скважины – качество цементирования технической и эксплуатационной колонн;

2)  в ходе эксплуатации скважин – состояние контакта цемент-колонна с эксплуатационной колонной.

О требованиях к осесимметричности объектов исследований

и скважинных приборов

Поскольку рассматриваемые объекты измерений (скважина, обсадные колонны) и инструменты измерений (скважинные приборы) – осесимметричны, условиями корректности измерений являются: 1) соосность скважинного прибора и скважины (открытый ствол); 2) соосность скважинного прибора и 1-й колонны (обсаженная скважина). Требования к величине допустимого предельного смещения (ДПС) осей объекта и инструмента измерений определяем в 1/8 длины акустической волны в скважинном растворе. ДПС составляет при частотах зондирования: 12 кГц (АКШ) – 1.5 см; 16 кГц (МАК-2) – 1.2 см; 30 кГц (АКТАШ) – 0.6 см. Соосность достигается жёстким центрированием приборов в скважине или в колонне и её уровень определяется конструкцией центраторов и прибора, наклоном скважины и степенью ответственности геофизика-оператора.

При исследованиях в обсаженных скважинах точность измерений акустических характеристик пород максимальна при: 1) соосности колонны и ствола скважины (одноколонные конструкции); 2) соосности обеих колонн и ствола скважины (двухколонная конструкция); 3) предельной прочности цемента и плотных контактах цемента на всех границах.

Выбор направлений развития акустических исследований

Для выбора направлений исследований рассмотренных выше объектов изучен уровень научно-исследовательских, опытно-методических и производственных работ в различных регионах страны.

Проблемы выделения низкопористых трещинных и трещинно-каверноз-ных коллекторов изучались в научных институтах (ВНИИЯГГ, г. Москва; ВНИИГИС, г. Тверь; ВНИИНПГ, г. Уфа и др.). Разработан ряд видов широкополосной акустической аппаратуры на преломленных (дважды) волнах (АКН-1, АКШ, АКВ и др.) и отражённых волнах (скважинный акустический телевизор).

Практическая эффективность этих видов аппаратуры изучалась на низкопористых объектах севера Пермской области. Испытан и применяется с 1979 года с высокой эффективностью на нефтяных месторождениях скважинный акустический телевизор (САТ) [21-25]. Автором установлено, что с помощью САТ успешно выявляются трещинные и сложно-построенные зоны и дифференцируется их строение. В период с 1982 по 1985 год под руководством и с участием автора опробована широкополосная акустическая аппаратура АКН-1 и получен эффект выделения проницаемых низкопористых зон по амплитудам волн Лэмба-Стоунли. С 1989 года для определения упругих свойств пород успешно применялась аппаратура АКШ.

Из числа новых методов наибольший практический интерес для применения в Пермской области представлял метод выявления низкопористых проницаемых зон, основанный на регистрации и обработке полной энергии волнового сигнала (, 1991 г.).

По результатам проведённых работ выбраны в качестве основных акустических методов выделения низкопористых коллекторов: 1) скважинный акустический телевизор как средство выявления трещинных зон; 2) метод выделения проницаемых (сложнопостроенных) зон, реализуемый обработкой полного волнового сигнала. Недостатки первого метода – нулевая глубинность, малая разрешающая способность по выделению трещин (раскрытие более 3 мм), недостатки второго – малая глубинность (до 0.5 м), невозможность дифференциации выделенных зон по их строению (трещины, кавернозность) и выделения субвертикальной и вертикальной трещиноватости.

Очевидно, перспективны и необходимы акустические методы, реализующие глубинность исследований до нескольких метров от оси скважины и позволяющие выделять в её окрестностях интенсивную субвертикальную и вертикальную макро - и микротрещиноватость. Именно благодаря присутствию субвертикальной и вертикальной макро - и микротрещиноватости мощные низкопористые толщи могут быть резервуарами нефти, газа.

Проблемы акустического контроля цементирования (АКЦ) нефтегазовых скважин изучались рядом научных институтов (ВНИИКРнефть, г. Краснодар; ВНИИГИС, г. Октябрьский; ВНИИНПГ, г. Уфа). Разработан ряд приборов АКЦ однозондовых: АКЦ-1, АКЦ-4 и т. д. (70-е годы) и двухзондовых: АКЦ-НВ, СПАК-6, ЦМГА-2, МАК-1, МАК-2 (80-92 гг.).

В период с 1979 по 1991 гг. на территории ВКМКС под руководством автора проведены опытно-методические работы с однозондовой (АКЦ-4) и двухзондовой аппаратурой АКЦ-НВ, СПАК-6, МАК-1, ЦМГА-2, МАК-2, в том числе, при двухколонных конструкциях крепления скважин.

В результате проведенных работ внедрена в производственный комплекс исследований в обсаженных скважинах на территории ВКМКС двухзондовая аппаратура акустического контроля цементирования МАК-2, отвечающая требованиям: а) количественной оценки качества цементирования; б) осесимметричности скважинного прибора и обсадной колонны.

Основная проблема акустических исследований (научных, опытно-мето-дических и производственных) от момента их возникновения (50-е гг.) и до начала 90-х гг. – отсутствие точного и высокоразрешающего инструмента акустических исследований, т. е. средств цифровой регистрации и программ обработки первичной информации (волновых сигналов, видеоизображений стенки скважины).

Таким образом, основные направления работ можно сформулировать следующим образом:

1)  совершенствование акустических исследований посредством разработки, создания и внедрения средств цифровой регистрации и обработки первичной информации (волновых сигналов, видеоизображений);

2)  разработка комплекса акустических методов для выделения и изучения строения низкопористых коллекторов, выявление закономерностей развития и размещения трещинных зон в низкопористых карбонатных разрезах, определение глубины щелевых резов после щелевой гидропескоструйной перфорации;

3)  совершенствование акустического контроля качества цементирования обсадных колонн при строительстве и эксплуатации нефтяных скважин.

Глава 2. РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ РЕГИСТРАЦИИ

И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Анализ состояния акустических исследований второй половины 80-х годов показал, что, в отличие от сейсмических, в области скважинных акустических исследований в СССР нет промышленно производимых средств цифровой регистрации и обработки волновых сигналов. Опытные образцы регистраторов «АРАКС» (ВНИИНПГ, г. Уфа), «Пласт-5» (ВНИИЯГГ, г. Москва), «Снеги» (г. Тюмень), «Курсор» (г. Нижневартовск) существовали в единичных экземплярах, имели ограниченные возможности и были непригодны к широкому применению.

С середины 80-х годов в работали компьютерные технологии на базе микроЭВМ ВТ-20 для обработки аналоговых кривых геофизических методов. В конце 80-х реализован следующий этап развития компьютерных технологий - созданы компьютизированные рабочие места на базе персональных компьютеров РС-АТ. С их помощью разрабатывались программы обработки данных геофизических исследований скважин (ГИС). В том числе, в 1990 г. по техническому заданию соискателя начата разработка средств обработки волновых сигналов акустического каротажа [3, 25].

Благодаря развитию цифровой техники и компьютерных технологий стало возможным создание цифровой технологии акустических исследований. Её 1-ая часть – цифровая регистрация волновых сигналов в полевых условиях, а вторая, завершающая – обработка волновых сигналов на компьютизированных рабочих местах. Главное условие эффективности этой технологии – возможность оперативной адаптации средств регистрации и обработки под любые новые задачи и под любые виды акустических исследований.

Разработка средств цифрой регистрации волновых сигналов

Эффективность цифровой технологии акустических исследований определяется качеством регистрации первичных данных, позволяющим обеспечить при их обработке предельную точность определения широкого комплекса первичных данных – кинематических и динамических параметров акустических волн (продольных, поперечных, гидроволн, волн по колонне и по породе) и других параметров.

Обеспечить достаточные качество и точность, получаемых при обработке интерпретационных параметров (затуханий, интервальных времен) возможно при регистрации волновых сигналов в динамическом диапазоне 60 дБ с шагом дискретизации 2 мкс. Временное окно должно гарантировать неискажённую регистрацию полного комплекса акустических волн, возбуждаемых в скважине, например, аппаратурой типа МАК-2 (зонд И1.0П0.5П) и др. Минимальное время пробега продольных волн Tp для 1-го зонда, достижимое только в высокоскоростных разрезах (DTp=150 мкс/м), составляет величину не менее 200 мкс. При этом погрешность определений Tp для 1-го зонда не превышает 1%. И в итоге погрешность определений времен пробега в любых разрезах для обоих зондов не превышает 1.5%, а погрешность определений интервальных времён продольных волн не превышает 2%. Соответственно, погрешность определений интервальных времён остальных типов волн будет существенно меньше.

Для оценки качества цементного камня за колоннами значим диапазон изменений затуханий волн по колонне от 0 до 30 дб/м. Допустимый динамический диапазон регистрации амплитуд волновых сигналов по зондам – не менее 60 дб. Этот критерий выбора амплитудного диапазона регистрации ВС при АКЦ работоспособен при длине второго зонда скважинного прибора не более 1.6м, иначе измерения затуханий волн по колонне при их значениях более 30 дБ/м становятся некорректны (см. гл.5).

Выбранные параметры регистрации обеспечили точное решение задач: а) контроля цементирования скважин; б) определения параметров продольных и поперечных волн, средних амплитуд и энергий волнового сигнала.

Разработка и совершенствование аппаратуры цифровой регистрации данных акустических исследований выполнены в три этапа:

1-й этап - разработка регистратора волновых сигналов (РВС) на основе промышленного каротажного регистратора каротажных кривых «Триас».

Автором предложена и реализована схема регистрации массивов ВС дополнительно к массивам каротажных кривых. Блочная схема РВС представлена на рис. 2.1.

Массивы каротажных кривых считывались и обрабатывались как обычно производственными службами, а массивы ВС – специальной группой анализа качества и обработки ВС. Внедрение схемы параллельной регистрации массивов каротажных кривых и ВС позволило на большом количестве материалов (около 300 скважин) с 1991 по 1995 гг. отладить современные технологии акустического контроля цементирования и исследований открытого ствола и обучить производственные службы приёмам обработки данных [1, 3, 25].