ИССЛЕДОВАНИЕ  ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ МЕТОДОМ ВЫЗВАННОЙ МИКРО СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Основные технологические решения по системам разработки нефтяных и газовых месторождений обладают своей спецификой, обусловленной особенностями их геологического строения. В практике нефтепромысловой геофизики нередко возникают трудности в определении характера насыщения пластов в сложных геолого-геофизических условиях. Микросейсмические и акустические процессы в осадочной толще, насыщенной нефтью и газом, связаны с неизбежными изменениями геологической среды в процессе разработки залежи и при воздействии на нее различными технологиями.  

В рамках развития научных исследований создана новая инновационная технология, описанная в открытии «Закономерность изменения параметров сейсмоакустической эмиссии горных пород при физическом воздействии», [1] диплом №508:

«В горных породах Земли постоянно и непрерывно происходят обменные процессы накопления и сброса упругой энергии, при этом насыщенность сред несмешивающимися фазами жидкостей, гидрофильной и гидрофобной фазами, определяет обменные процессы, отличные от явлений в других средах по пространственным, временным и энергетическим параметрам. Нефтенасыщенность приводит к появлению межфазных гистерезисных явлений в динамике протекания смачивания, возникающих в результате нелинейного взаимодействия гидрофильной и гидрофобной жидких фаз с поверхностью твердой фазы на молекулярном уровне. Гистерезис обуславливает запаздывание релаксации напряжений, возникающее непосредственно на микроуровнях среды вследствие увеличения работы образования новой поверхности для трещин. В результате перехода запаздывания на более высокие масштабные уровни структуры среды в определенных областях среды возникают временно существующие участки с повышенной плотностью критических дислокаций и напряжением – происходит локальная временная аккумуляция упругой энергии при изменении внешнего поля механических напряжений. Все эти процессы случайны и мультипликативны и протекают в результате естественного изменения полей напряжений как проявления динамических систем. Фрактальная структура горной нефтенасыщенной среды, пространственно–временное подобие развития трещинообразования на различных структурных уровнях вызывает процессы самоорганизации развития трещин с быстрым переходом процесса релаксации с микро на макроуровни. Нефтенасыщенная геологическая среда становится активной по отношению к естественному или внешнему избирательному волновому возмущению и реагирует существенным увеличением энергии эмиссионных излучений с появлением в их спектре низкочастотных гармоник, с амплитудно-временными параметрами, которые соответствуют возникновению самоорганизованной критичности динамических систем». 

Технология позволяет изменить фильтрационные свойства насыщенной пористой среды под действием акустического поля высокой интенсивности, что сопровождаются увеличением ее проницаемости и излучением акустической эмиссии в широком диапазоне частот (от сейсмических до ультразвуковых). Источники излучения микросейсмической и акустической эмиссии (МСАЭ) находятся непосредственно в среде, где происходят обменные процессы накопления и сброса упругой энергии под действием внешнего акустического поля. Исследования основаны на регистрации и анализе вызванной акустической эмиссии в едином цикле: каротаж-воздействие-каротаж, за одну спускоподъёмную операцию малогабаритного геофизического прибора [2,3].

Опытное применение технологии в горизонтальной скважине №1 Прибрежного месторождения при определении нефтенасыщенных интервалов и вызова притока из них позволило установить локализацию и упорядоченность регистрируемых сигналов.

Для определения коллекторов с содержанием углеводородов планировалось проведение ННК, а по результатам интерпретации детальное изучение перспективных интервалов УВ методами ИННК и ВАК в боковом стволе проектного бобриковского горизонта, сложенного теригенно-карбонатными отложениями, представленными чередованием алевролитов, песчаников, аргиллитов и известняков.

Мощность бобриковского продуктивного пласта по разрезу вертикальной скважины всего три метра, а его исследованный горизонтальный участок составил 70 метров под углом 84-88 градусов, в интервале -4270 – -4340 метров.

Технология каротаж-воздействие-каротаж (КВК) включает в себя акустическое воздействие силовым акустическим полем высокой интенсивности и регистрацию вызванной акустической эмиссии непосредственно сразу после его выключения и так для каждой точки интервала исследований.

Выполнение работ по технологии каротаж-воздействие-каротаж (КВК) проведены в семи точках с шагом 10 метров, начиная с -4280м по -4340м.

Область охвата эффективного воздействия на горную породу акустическим полем составляет не менее одного метра в обе стороны от точки установки прибора. Этому объему соответствует область возникновения очагов эмиссии, вызванной акустическим воздействием. Впоследствии, по интервалу исследований были проведены стандартные промыслово-геофизические исследования (ПГИ) в составе: термометрия (Т), барометрия (Д), термокондуктивная дебитометрия (СТИ), влагометрия (ВЛ), гамма каротаж (ГК) и локатор муфт (ЛМ)(Рис. 1).

Рис 1 Результаты сопоставления стандартных ГИС с методом МСАЭ и ПГИ.

Для выполнения технологии использовался программно-аппаратный комплекс МСАЭ 100.43. в составе: скважинный прибор с акустическим излучателем, приемником сигналов акустической эмиссии и измерительными каналами анализа текущего состояния работы пласта со следующими параметрами: измерение температуры; определение температурных аномалий; измерение давления; измерение мощности экспозиционной дозы гамма-излучения горных пород; индикация притока; определение интервалов притока флюида в скважину; определение состава скважинной жидкости; определение положения муфтовых соединений насосно-компрессорных и обсадных труб; определение интервалов перфорации; привязки измеряемых параметров по глубине. Комплекс предназначен для работы с наземной станцией ILS-100. Управление аппаратурой и анализ данных выполняется программой Интенграф 2. Комплекс предназначен для работы в составе с геофизическим подъемником, оборудованным трехжильным геофизическим кабелем длиной до 5000 м.

Из семи точек, выбранных для исследования, увеличение энергии МСАЭ после воздействия на них, было получено только в четырех: -4310, -4320, -4330 и -4340 метров. Реакция этих интервалов свидетельствует об увеличении проницаемости. Интервалы в области точек -4280, -4290 и -4300 метров являются более плотными и (или), возможно, требуют более длительного воздействия на них. При этом верхняя точка -4280 метров находится в интервале глинистой перемычки между продуктивными пластами, вторая точка -4290 метров в начале горизонтального участка продуктивного пласта. В этих точках практически никаких изменений в МСАЭ после воздействия не происходило. В точках -4320 и -4330 метров регистрируются волны микросейсмических событий на протяжении всей записи сигналов после акустического воздействия, где возникают высокочастотные и последующие за ними низкочастотные колебания вызванной МСАЭ. Первые связаны с процессами изменения гидродинамического состояния насыщенной среды на уровне пор и трещин, а вторые колебания связаны с развитием процесса прорыва барьеров фильтрации флюида в пласте (Рис.2).

Рис 2. Сигналы МСАЭ после акустического воздействия в точках остановки прибора.

Расчетные коэффициенты пористости по результатам АК, ГГК и ННК (Рис.1) в точке -4290 м находятся в пределах 12 – 13 %, а в точке -4320 м от 10 до 19 %.  При этом в интервале -4280 м – -4300 м вызванной акустической эмиссии практически не возникает. Это свидетельствует об отсутствии насыщенности пласта углеводородами и, как следствие,  изменении  фильтрации.    В тоже время, в интервале -4320 - -4340 м после воздействия положительная динамика вызванной эмиссии составляет от 11 – до 38 дБ в низкочастотном диапазоне и (6 -18,9) дБ в высокочастотном диапазоне. Наибольшая динамика акустической эмиссии наблюдается в точке -4320 м. В этой точке наблюдаются высокие значения пористости, определенные акустическим и ядерным методами. В этой же точке выделяется приток УВ по методам ПГИ, которые были выполнены после завершения акустического воздействия. Динамика всех геофизических параметров свидетельствует об активизации пласта и увеличения притока. Локальные изменения показаний датчика влагометрии (ВЛ) свидетельствуют о притоке из пласта нефти и газа. Интервал, включающий точки воздействия -4320м и -4330м, оказался наиболее восприимчивым к восстановлению проницаемости путем акустического воздействия, поэтому именно в нем динамика вызванной эмиссии наибольшая. Диаграмма (ВЛ), измеренная после окончания всего цикла акустического воздействия, показывает устойчивое изменение с нижней границы интервала исследования. Об этом же свидетельствует (СТИ) и термометр (Т).

В результате исследования реакции сейсмической эмиссии нефтепродуктивного пласта на вибросейсмическое воздействие, выполненных в Сибирском Отделении РАН под руководством академика Алексеева А. С. [4], было установлено усиление «сейсмической люминесценции» на отдельных частотах, начиная с некоторого порогового значения. Указывается, что частоты пикового усиления сейсмической эмиссии горных пород соответствуют собственным частотам пласта, которые возникают при вибросейсмическом воздействии на них с дневной поверхности. Поскольку в ходе экспериментов использовались низкочастотные сейсмические приемники, диапазон регистрируемых колебаний был ограничен первыми десятками герц.

В наших экспериментах регистрировались сигналы эмиссии продуктивного пласта в диапазоне частот до 20 кГц, при этом распределение пиковых частот в спектре МСАЭ имело характер собственных дискретных частот, характерных для пористых коллекторов и групп «пачек» близко расположенных частот, разделенных между собой зоной «молчания». Первое распределение спектра характерно для пористых коллекторов, второе для коллектора трещиновато-порового типа. Закономерность такого распределения спектров на сейсмических частотах, в данном случае распространялась и на более высокий диапазон частот, который был зарегистрирован скважинным прибором.

Сигнал МСАЭ состоит из начальных высокочастотных микросейсмических импульсов характерных для нефтенасыщенного коллектора, затем повторных импульсов, которые перерастают в низкочастотный сигнал уже сейсмического диапазона с частотой порядка единиц герц (Рис. 2). Физический процесс, при этом, связан с разрушением локальных гидродинамических напряжений в порах под действием акустического поля и кумулятивным развитием процесса локальной фильтрации флюида. Разрушение гидродинамического барьера в акустическом поле способствует фильтрации флюида и возбуждению упругой низкочастотной волны, которая регистрируется акустическим приемником прибора.

Спектры сигналов по протяженности всего интервала исследования после каждого из трех циклов воздействия приведены на Рис. 3, где горизонтальными полосами показаны три спектрограммы после каждого воздействия во всех точках остановки прибора.

Рис 3. Спектрограммы сигналов МСАЭ после акустического воздействия в продуктивном пласте.

Спектрограммы показывают динамику энергии МСАЭ во времени, которая отражает влияние воздействия на становление и релаксацию процессов возникновения источников упругой энергии, связанных с изменением состояния флюидонасыщенной среды. Так в первых двух точках, особенно в самой первой – глинистом пласте, никаких изменений не происходит. По мере продвижения прибора в продуктивный участок пласта, нарастает энергия МСАЭ, которая зависит от фильтрационных свойств в каждой точке воздействия. Величина энергии вызванной МСАЭ и ее спектральный состав связан с насыщенностью и структурой порового пространства.

 Интенсивность цвета гистограммы обозначает амплитуду энергии сигнала МСАЭ после АВ в установленном диапазоне частот, в данном случае 1-5000 Гц. При дальнейшей обработке данных исследования все изменения энергии сигналов МСАЭ сохраняются в виде las файла и выводился на каротажную диаграмму совместно с данными стандартных ГИС (Рис. 1). Спектры сигналов вызванной МСАЭ в трех точках на глубинах 4280м, 4320м и 4330м приведены на Рис. 4. Для удобства анализа диапазон частот разбит на два различных по длине участка спектра. В высокочастотном участке спектра от 150 Гц до 5000 Гц (Рис. 4 а) наиболее полно проявляются фильтрационные свойства трещиноватого коллектора в интервале в области точки -4320м, где спектр сигнала имеет характер в виде повторяющихся  пачек частот. На глубине 4330м спектр имеет равномерный затухающий характер с ростом частоты в низкочастотном участке спектра (Рис. 4б), для этого интервала характерны отдельные пики частот, распространяющиеся до единиц герц, в то же время на глубине  4320м эти пики заметно меньше. Таким образом, интервал в области точки -4320м можно характеризовать как трещиновато-поровый, с хорошими фильтрационными свойствами, что совпадает с результатами контроля притока штатными геофизическими методами (Рис. 1).

Рис 4. Акустические спектры сигналов МСАЭ в точках -4280, -4320 и -4330 метров.

Интервал в области точки -4330 м обладает свойствами коллектора порового типа с хорошей проницаемостью (что подтверждается полученным притоком флюида из пласта), о чем свидетельствует сигнал МСАЭ, который имеет низкочастотные волновые формы, его энергия и параметры притока по данным ПГИ (Рис. 1).

Спектр сигнала МСАЭ в точке -4280м имеет меньшую амплитуду и обладает ярко выраженной структурной закономерностью в виде повторяющихся ряда пиков с постоянным шагом равным примерно 20Гц, т.е. 20, 40, 60, 80, 100, 120Гц и так далее, которые никак не реагируют на акустическое воздействие. Такая информация может служить надежным репером в методе каротажа вызванной МСАЭ для привязки к непроницаемым интервалам и участкам пласта. Вероятно, такая закономерность спектра в глинистом пласте отражает более глобальную закономерность формирования геологической структуры, чем участок продуктивного пласта, обладающего фильтрационно-емкостными свойствами. В динамике флюидного режима залежей находит отражение неустойчивое напряженно-деформированное состояние земной коры и процесс передачи энергии [5].

Спектральный анализ дискретных пиков в области высоких частот (Рис. 2 и Рис. 4), показывает, что процесс фильтрации УВ в пористой среде имеет нестационарный характер, который усиливается при взаимодействии с акустическим полем высокой интенсивности.

Все признаки нелинейности этого процесса содержатся в широком диапазоне спектра сигнала МСАЭ и их можно обнаружить в виде системы генерируемых колебаний с комбинационными частотами, например, как квадратичная нелинейность. При этом выполняется условие резонанса частот и обмен энергией между осцилляторами, в которых энергия возбужденного высокочастотного осциллятора передается двум низкочастотным осцилляторам, или обратный процесс - слияние низкочастотных колебаний. Возникающая при этом акустическая эмиссия представлена как дискретной, импульсной, так и непрерывной шумоподобной компонентой, которая была установлена  ранее на других месторождениях [3], а также подтвердилась при анализе данных эмиссии, полученных на данной скважине. Расхождение расчетных параметров квадратичной нелинейности с экспериментальными спектрами находятся в пределах 1-4 %. Это обстоятельство может служить условием надежного идентификатора геолого-физических параметров объекта для создания интерпретационных моделей решения обратной задачи обнаружения продуктивного пласта.

Результаты

В результате выполненных исследований выявлена высокая эффективность методики регистрации и анализа вызванной микро сейсмоакустической эмиссии в цикле с акустическим воздействием как для стимулирования притока в скважине, так и для оперативной оценки характера насыщенности коллектора.

Определены интервалы пласта, обладающие повышенной проницаемостью в интервале точек записи -4330±1м, -4320±1м и -4340±1м, которые дали приток флюида из пласта.

Определены интервалы с низкими фильтрационными свойствами: -4300±1м, -4290±1м и -4280±1м.

Определены типы коллекторов: порово-трещиноватые в интервале -4320±1м и поровые в интервалах: -4330±1м и -4340±1м.

Получен прирост притока нефти и газа из этих интервалов после акустического воздействия, что отразилось на диаграммах СТИ, ВЛ, термометр и энергии вызванной акустической эмиссии.

Данные спектрального с высоким разрешением анализа вызванной сейсмоакустической эмиссии позволили надежно идентифицировать структуру трещиновато-порового пространства коллектора и получить идентификаторы геологической среды в виде набора нелинейных параметров пригодную для построения интерпретационных моделей.

Для более детального исследования продуктивных интервалов следует выполнять технологию: каротаж-воздействие-каротаж с шагом не более 1-2 метра.

     Выводы

Актуальность и достоверность интерпретации данных КВК-исследований обусловлена тем, что эффекты, наблюдавшиеся в скважине № 1 Прибрежного месторождения, отмечались и при апробация технологии и методических приёмов обработки на ранее проведённых перспективных объектах в различных регионах [ 3, 6, 7].

Имеющийся опыт свидетельствует о том, что эта технология [1] обладает высокой разрешающей способностью и может использоваться для восстановления и увеличения продуктивности добывающих скважин, восстановления проницаемости призабойной и удаленной зоны пласта в условиях сложнопостроенных коллекторов.

Таким образом, создана и опробована  новая технология вызванной микро сейсмоакустической эмиссии, которую можно использовать при инновационном проектировании разработки нефтяных месторождений с системным применением наклонно-направленных,  многозабойных, разветвлённо-горизонтальных скважин.

Литература

1. О.Л.Кузнецов, И.А.Чиркин, В.П.Дыбленко, С.Л.Арутюнов, В.В.Дрягин, Е.Ю.Марчуков, Р.Я.Шарифуллин, И.А.Туфанов, Е.Г.Ризанов, А.Е.Сунцов, С.О.Колигаев.  Закономерность изменения параметров сейсмоакустической эмиссии горных пород при физическом воздействии. Международная ассоциация авторов научных открытий РАЕН. Описание и формула научного открытия диплом № 508, 2018.

2. Дрягин В.В. Сейсмоакустическая эмиссия нефтепродуктивного пласта. Акустический журнал, 2013, том 59, № 6, с. 744–751.

3. Дрягин В.В. Использование вызванной акустической эмиссии коллекторов для обнаружения и извлечения углеводородов. Георесурсы 2018. Т.20. №3. Ч2. с. 246-260 https://doi.org/10.18599/grs.2018.3.246-260

4. Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками. / Отв. Ред. Г.М. Цибульчик.-Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, Филиал «ГЕО» Издательства СО РАН, 2004 .-387с.

5. Казанкова Э.Р., Корнилова Н.В. Структурирование геологической среды на различных уровнях организации // Актуальные проблемы нефти и газа: Науч. сет.изд. 2018. Режим доступа: http://www.oilgasjournal.ru № 1 (20). 15 с. DOI 10.29222/ipng.2078-5712.2018-20. art34

6. Дрягин В.В. Способ определения характера насыщенности коллектора. Патент РФ № 2187636 от 21.02.2001.

7. Pechkov A. A.; Kouznetsov O. L., Dyagin V.V. Acoustic flow stimulation method and apparatus. February 9, 1993 United States Patent № 5,184,678