Информационно-измерительная система спектрального анализа сигналов скважинной волновой акустики для оценки физико-механических свойств горных пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Муравьев, Сергей Анатольевич

• Муравьев, Сергей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Муравьев, Сергей Анатольевич

Введение

1 Общие сведения о волновом акустическом методе

1.1 Методология волнового акустического каротажа.

1.2 Состав и особенности аппаратуры акустического метода.

2 Математическая модель объекта исследования

2.1 Некоторые модели горных пород.

2.2 Перспективы практического применения теории М.А. Био

3 Интерпретация спектров акустических сигналов

3.1 Алгоритм определения физических характеристик объекта ^ исследования.

3.2 Применение алгоритма для анализа промысловых данных.

3.3 Лабораторное исследование физических свойств керна.

4 ИИС спектрального анализа акустических сигналов

4.1 Обзор существующих решений.

4.2 Структурная схема информационно-измерительной системы . 108 Заключение 121 Литература 123 Приложение 1 130 Приложение 2 132 Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-измерительная система спектрального анализа сигналов скважинной волновой акустики для оценки физико-механических свойств горных пород»

Эффективность работы компаний нефтегазовой отрасли во многом зависит от уровня развития применяемых геофизических информационно-измерительных систем (ИИС) и лежащих в их основе физических методов получения информации. В настоящее время одним из ведущих методов скважинной геофизики является акустический метод, объемы применения которого составляют около 10% от общего объема ГИС [1].

Современные ИИС волнового акустического каротажа (ВАК) позволяют решать широкий круг геолого-технических задач, как-то:

• литологическое расчленение разреза скважины,

• оценка пористости и трещиноватости пород,

• локализация интервалов их напряженного состояния,

• выявление зон нарушений обсадных колонн.

В то же время, существует ряд актуальных задач самостоятельно не решаемых применением акустического метода:

• выделение мелких литологических комплексов,

• количественная и качественная оценка насыщения коллекторов,

• выделение проницаемых интервалов по параметрам продольной и поперечной акустических волн.

Представляется, что решение указанных задач требует внедрения новых подходов к интерпретации данных и построению аппаратуры акустического метода.

Одним из перспективных направлений в области расширения возможностей ВАК является применение методов спектрального анализа измерительных сигналов, по образцу других областей науки и техники. Кроме того, частотный способ обработки геофизической информации в ряде случаев позволяет устранить некоторые из недостатков, присущих временному способу [2].

Широкое внедрение методов спектрального анализа в течение долгого времени сдерживается отсутствием обоснованной физической модели волновых процессов, протекающих в пористых средах, подходящей для интерпретации спектров акустических сигналов. Создание и дальнейшее развитие такой модели, а также построение на ее основе аппаратуры акустического метода представляется актуальной научно-практической задачей. Решению этой проблемы, разработке принципов устройства методической и аппаратной составляющих ИИС спектрального анализа акустических сигналов, посвящена настоящая диссертация.

В соответствии со сказанным выше, основными задачами диссертации являются:

• Развитие спектрального направления в описании волновых процессов, протекающих в насыщенных пористых средах.

• Проведение лабораторных и моделирование натурных акустических измерений.

• Разработка структурной схемы ИИС, реализующей предложенный метод интерпретации спектров акустических сигналов.

Диссертация состоит из введения и четырех глав.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Муравьев, Сергей Анатольевич

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [3-7]. По результатам 1 и 2 главы опубликована работа [3]. Результаты второй главы докладывались на 7 и 8 всероссийских конференциях молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам нефтяной и газовой промышленности «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 25-28 сентября 2007 г. и 6-9 октября 2009 г.), а также в докладе на 8 всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (1-3 февраля 2010 г.). По результатам 3 и 4 главы опубликованы работы [4-6]. Для решения задачи определения параметров среды по данным акустических измерений разработана программа, реализующая метод оптимизации Пауэлла (Приложение 2). С ее использованием получены результаты третьей главы.

Заключение

По мнению автора, результаты настоящей работы обладают практической значимостью и имеют следующие перспективы для дальнейшего развития:

1. Необходимо исследовать возможность расчета термоупругой компоненты коэффициентов поглощения волн.

2. Полученные для амплитуд спектров сигналов неравенства (3.4, 3.5) могут быть использованы в качестве основы компьютерной программы оценки качества исходных данных ВАК.

3. Представляется перспективным проследить связь значений введенных поправок с типом порового флюида.

В заключение приведем основные результаты диссертации.

1. Разработана математическая модель распространения акустических волн в насыщенной пористой среде, позволяющая получить информацию о новых физических характеристиках пласта (вязкость порозаполнителя, средний размер пор, степень сцементированности и др.), не исследуемых традиционным волновым акустическим методом. Большое число оцениваемых параметров позволяет, в целом, увеличить информативность результатов скважинных акустических исследований.

2. Показано, что амплитуды сигналов соседних равноудаленных приемников акустического зонда, расположенного против однородного пласта подчиняются определенным неравенствам. Полученные соотношения могут служить критерием выбора полосы анализируемых частот для спектров акустических сигналов, а также применяться для контроля качества первичной измерительной информации.

3. Разработана компьютерная программа, реализующая решение задачи оценки физических свойств горных пород по спектрам акустических сигналов.

4. Получены результаты практического применения предлагаемого метода интерпретации измерительной информации на примере данных промысловых акустических измерений. По результатам сопоставления рассчитанных и ожидаемых значений параметров пород сделан вывод об их хорошем согласовании.

5. Проведены лабораторные акустические измерения на кернах пород. Полученные результаты подтвердили возможность применения метода к интерпретации данных не только промысловых, но и лабораторных ультразвуковых измерений.

6. На основе проведенного анализа особенностей архитектуры современных ИИС акустического каротажа разработана структурная схема системы, ориентированной на исследования сигналов, как во временной, так и в частотной областях. Представленная ИИС обладает рядом преимуществ перед существующими системами и реализует изложенный в работе спектральный метод обработки измерительной информации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Муравьев, Сергей Анатольевич, 2010 год

1. Козяр В.Ф., Белоконь Д.В., Козяр Н.В., Смирнов H.A. НТВ «Каротажник» № 063 // Тверь: Изд. АИС.

2. Иванов В.Н., Карус Е.В., Кузнецов O.JI. Акустический метод исследования скважин //М., «Недра», 1978.

3. Моисеенко A.C., Муравьев С.А. Информационнно-измерительная система спектрального анализа акустических сигналов. // М., ОАО «ВНИИОЭНГ», ж.-л. «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», 1/2008.

4. Муравьев С.А. Спектральный анализ акустических сигналов, регистрируемых многоэлементными скважинными зондами. // М., ОАО «ВНИИОЭНГ», ж.-л. «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», 9/2009.

5. Муравьёв С.А. О применении теории М. А. Био к вопросам спектрального анализа сигналов волнового акустического каротажа. // Электронный журнал "Техническая акустика", http://ejta.org, 2009, 9.

6. Моисеенко A.C., Муравьев С.А. Интерпретация спектров сигналов скважинной волновой акустики //М. ЕАГО, ж.-л. «Геофизика», 1/2010.

7. Моисеенко A.C., Стрельченко В.В., Орлов Л.И., Муравьев С.А. «Устройство для акустических исследований скважин» // Патент РФ №57360.

8. Rambow F., Foggio R. Transducer system for use with borehole televiewer logging tool. // Пат. № 5212353 США, МКИ GO 1 VI/40.

9. Weido V.C. Acoustic borehole televiewer. // Пат № 5179541. США, МКИ G01V1/40.

10. Rorden L.H. Borehole liquid acoustic wave transducer. // Пат. №5263768 США, МКИ G01V1/40.

11. Махов А.А., Ягодов Г.Н. Магнитострикционный преобразователь аппаратуры акустического каротажа. // А.С. SU № 1473863 А 1, МКИ В06В1 1/08 (СССР), Бюл. №15, 1989.

12. Bakemjian B.Y. Malti directional assemblies for sonic logging. // Пат. 4184562 США, MKHG01V1/40.

13. Medlin W.L., King G.A. Borehole acoustic transmitter. // Пат. №4890687 США, МКИ G01V1/40.

14. Maki V.E. Focused planar transducer. // Пат. № 5044462 США, МКИ G01V1/40.

15. Ohya S., Ogura K., Jmai T. The suspension PS velocity logging system. // 16th Annual Offshore Technol. Conf. in Houston, Texas, 1984, May 7-9. Proc. V.I. P. 291-298.

16. Angona F.A., Zemanek J. Shear wave acoustic logging system. // Пат. 4649525 США, МКИ GO 1VI/40.

17. Chung J.Y., Chen S.T. Method and apparaturs for multipole acoustic wave generation. // Заявка Великобритании № 2158581, МКИ G01V1/40.

18. H.A. Смирнов, Е.И. Богданов Акустический изолятор. // а. с. №1770928, МКИ G01V1/40 (СССР).

19. Lester R.A., Wilkinson G.J. Acoustic isolator for a borehole logging tool. // Пат. № 5229553 США, МКИ G01V1/40.

20. Halliburton. Open hole logging. // Equipment. V. 2 of 2.

21. Д.В. Белоконь, А.П. Грузомецкий, В.Ф. Козяр и др. Телеметрическая линия связи в программно-управляемых геофизических скважинных приборах. // НТВ "Каротажник". Тверь: ГЕРС. 1996. Вып. 22. С. 18-31.

22. Лаптев В.В., Коровин В.М., Иванов В.Я. Комплексная аппаратура "ВАР-ТА" для оценки качества цементирования скважин и технического состояния обсадных колонн. //НТВ "Каротажник". Тверь: ГЕРС. 1998. Вып. 42. С. 32-40.

23. Добрынин В.М., Городнов А.В., Черноглазов В.Н. Новая технология определения текущей нефтенасыщенности. // НТВ "Каротажник", Тверь ГЕРС 1996 Вып. 29 С. 57-67.

24. Cheng С.Н. Elastic wave propagation in a fluid-filled borehole and synthetic acoustic logs. // Geophysics. 1981. V. 46. № 7. P. 1042-1053.

25. Cheng C.H. et.al. Effects of in situ permeability on the propagation of Stoneley (tube) waves in a borehole. // Geophysics. 1987. V. 52. № 9. P. 1279-1289.

26. Minear J.W., Fletcher C.R. Full-wave acoustic logging. // CWLS- SPWLA 24th Annual Symposium in Calgary, 1983, June, paper EE. P. 1-13.

27. Уайт Дж.Э. Возбуждение и распространение сейсмических волн. // М. «Недра», 1986.

28. Ляв А.Е. Математическая теория упругости. М., ОНТИ, 1935.

29. Hashin Z., Shreikman S. Note on a variational approach to the theory of composite elastic materials. // J. Franklin Inst., 271, 336-341, 1961.

30. Френкель Я.И. К теории сейсмических и сейсмоэлектрических явлений во влажной почве. // Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз., 1944. Т. VIII, №4 с.133-149.

31. Цвиккер К., Костен К. Звукопоглощающие материалы. // М., изд-во иностр. лит., 1952.

32. Gassman F. Elastic waves through a packing of spheres. // Geophysics, 16 and 18, 1951.

33. Biot M.A. Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid. Low-frequency range. // Journal of the Acoustical Society of America, 28(2), 168-178, 1956.

34. Biot M.A. Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid. Higher-frequency range. // Journal of the Acoustical Society of America, 28(2), 179-191, 1956.

35. Biot M.A. Mechanics of deformation and acoustic propagation in porous media //Journal of Applied Physics, 33, 1482-1498, 1962.

36. Plona Т. Observation of a Second Bulk Compressional Wave in a Porous Medium at Ultrasonic Frequencies. // Applied Physics Letters, 36, 259-251.

37. Косачевский Л.Я. О распространении звуковых волн в двухкомпонентных средах. // ПММ, 1959. Т. XXIII № 6 с. 1115-1123.

38. D.L. Johnson, J. Koplik, R. Dashen // Theory of dynamic permeability and tortuosity in fluid-saturated porous media. // J. Fluid Mech., 176:379, 1987.

39. J.-F. Allard and Y. Champoux New empirical equations for sound propagation in rigid frame porous materials. // J. Acoust. Soc .Am., 91:3346-3353, 1992.

40. Tsiklauri D., Beresnev I. Properties of Elastic Waves in a Non-Newtonian Fluid Saturated Porous Medium // Transport in Porous Media 53: 39 50, 2003.

41. Tsiklauri D. Phenomenological model of propagation of the elastic waves in a fluid-saturated porous solid with non-zero boundary slip velocity. // J. Acoust. Soc. Am., 112, 843-849, 2002.

42. J.G. Berryman Confirmation of Biot's theory. // Appl. Phys. Lett. 37, 382-384, 1980.

43. J.G. Berryman Seismic wave attenuation in fluid-saturated porous media. // J. Pure Appl. Geophys. (PAGEOPH) 128, 423-432, 1988.

44. J.G. Berryman Long-wavelength propagation in composite elastic media I. Spherical inclusions. //J. Acoust. Soc. Am. 68, 1809-1831 (1980).

45. J.G. Berryman, Long-wavelength propagation in composite elastic media II. Ellipsoidal inclusions. //J. Acoust. Soc. Am. 68, 1820-1831 (1980).

46. Николаевский B.H., Басниев K.C., Горбунов A.T„ Зотов Г.А. Механика насыщенных пористых сред. //М., «Недра», 1970.

47. Е. Detournay, Alex H.D. Cheng Fundamentals of Poroelasticity. // Comprehensive Rock Engineering, Pergamon Press, p. 113-171, 1993.

48. M.A. Biot, D.G. Willis The elastic coefficients of the theory of consolidation. // J. Appl. Mech., p. 594, 1957.

49. Wissa A.E. Pore Pressure Measurement in Saturated Stiff Soils. // J. Soil Mech. Fdns. Div., Am. Soc. Civ. Engrs. 95 (SM4), 1063-1073, 1969.

50. Laurent de Ryck Acoustical Characterization of Microscopically Inhomogeneous Porous Materials //PhD, Katholieke Universiteit Leuven, 2008.

51. R.J.S. Brown. Connection between formation factor for electrical resistivity and fluidsolid coupling factor in biot's equations for acoustic waves in fluid-filled media. // Geophys., 45:1269-1275, 1980.

52. K. L. Williams, D.R. Jackson, E.I Thorsos Comparision of sound speed and attenuation measured in a sandy sediment to predictions based on the Biot theory of porous media. // IEEE J. Oceanic Eng., vol 27 pp. 413-428, July 2002.

53. Stoll R.D. Acoustic waves in ocean sediments. // Geophys., vol .42 no 4, pp. 715-725, 1977.

54. Stoll R.D. Marine sediment acoustic. // J. Acoust. Soc. Am., 1985, V.77 №5 p.1789-1799.

55. Dvorkin J., Nur A. Dynamic poroelasticity: A unified model with the squirt and the Biot mechanisms. // Geophysics, 1993. V. 58 №4 p. 524-533.

56. Nagy P.B., Adler L., Bonner P.B. Slow wave propagation in air-filled porous materials and natural rocks. // Appl. Phys. Lett. 1990. v. 56. №25 p.2504-2506

57. King M.S. Wave velocities in rocks as a function of changes in overburden and pore fluid saturations. // Geophysics, 31, 50 — 73, 1970.

58. Johnson D.L., Hemmic D.L., Kojima H. Probing porous media with first and second sound. // J. Appl. Phys. 1994 v. 76 p. 104-125.

59. Pride S.R., Gangi A.F., Morgan F.D. Deriving the equations of motion for porous isotropic media. // J. Acoust. Soc. Am. 92, 3278-3290, 1992.

60. L. De Ryck, J.P. Groby, P. Leclaire Acoustic wave propagation in a microscopically inhomogeneous porous medium saturated by a fluid. // K.U. Leuven, Labaratorium voor Alcoestik en Termishe Fysica, 2008.

61. Berryman J.G., Thigpen L. Extensions of Biot's Theory of Poroelasticity to Complex Porous Media. // Proceedings of the Second International Symposium on Physics and Chemistry of Porous Media, Schlumberger-Doll Research, October 15-17, 1986, p. 209-228.

62. Kenneth W. Winkler and William F. Murphy Acoustic Velocity and Attenuation in Porous Rocks. // Rock Physics and Phase Relations a handbook of physical constants, Am. Geoph. Union, 1995.

63. T. Bourbie, O. Coussy, and B. Zinszner Acoustics of Porous Media. // Gulf Publishing, Houston, 1987.

64. Николаевский B.H. Механика пористых и трещиноватых сред. // М., 1984.

65. Булатова Ж.М., Волкова Е.А., Дубров Е.Ф. Акустический каротаж. // JI. «Недра», 1970.

66. K.L. Williams, D.R. Jackson, E.I. Thorsos Comparision of sound speed and attenuation measured in a sandy sediment to predictions based on the Biot theory of porous media. // IEEE J. Oceanic Eng., vol. 27 p. 413-428, July 2002.

67. R. Stoll Acoustic waves in ocean sediments. // Geophys., vol .42 no 4, p. 715725, 1977.

68. Steven G. Schock A Method for Estimating the Physical and Acoustic Properties of the Sea Bed Using Chirp Sonar Data. // Journal of Oceanic Engineering, vol. 29, 2004.

69. R.T. Bachman Acoustic and physical property relationships in marine sediments. // J. Acous. Soc. Am., v.2 no 2 pp. 616-621, 1985.

70. L.J. Poppe, A.H. Eliason, J.J. Fredericks, R.R. Rendigs, D. Blackwood, and C. F. Polloni USGS east-coast sediment analysis Procedures, database, and georeferenced displays. // U.S. Geological Survey Open File Rep. 00-358, 2000.

71. Флоренский П.В., Милосердова JI.B., Балицкий В.П. Основы литологии. // Учебное пособие. М., РТУ Нефти и газа им. И.М.Губкина, 2003 105 с.

72. Mavko, G., Mukerji, Т., Dvorkin, J. The rock physics handbook. // Cambridge Univ. Press, 1998.

73. William D. McCain Properties of Petroleum Fluids. (2nd edition) // PennWell, 2008.

74. Robb G.B.N. The in situ compressional wave properties of marine sediments. // University of Southampton, Faculty of Engineering, Science and Mathematics, Institute of Sound and Vibration Research, PhD Thesis, 233 p., 2004.

75. Mayer L., Kraft B. Measurement of in situ Acoustic Properties for the ONR Geoclutter Program. // Center for Coastal and Ocean Mapping University of New Hampshire, Durham, N.H. 03824.

76. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. // М., «Мир», 1975.

77. Chabot L. Single-Well Imaging Using Full-Waveform Sonic Data. // PhD, University of Calgary, 2003.

78. Химическая энциклопедия (в 5 томах). // М., «Советская энциклопедия», 1988.

79. Jeremic M.L. Strata mechanics in coal mining. // Taylor and Francis Ltd, 1985.

80. HDR Engineering Inc. Handbook of public water systems. (2nd edition)//New York, Wiley, 2001.

81. Bell F.G. Engineering properties of soils and rocks. (4th edition) // New York, Wiley, 2000.

82. Schlumberger. Wireline Services Catalog (Сервисный каталог по каротажным работам). //Houston. June (русск. яз.) 1995.

83. Peter A. Franaszek A DC-Balanced, Partitioned-Block, 8В/10В Transmission Code. // IBM Journal of Research and Development, № 27 (5), 1983.