Bigarm_Model

План работ ИГФ на 2004 г. по Интеграционному проекту СО РАН № 129.
Разработка методов и технических средств для изучения нелинейных упругих
свойств геологических сред.
1. Обоснование.
Нелинейность упругих параметров горных пород наиболее эффективно проявляется
при прохождении через них бигармонических упругих волн. Если упругие характеристики
породы нелинейны, то две близкие по частоте упругие волны, взаимодействуя между
собой, создадут ряд комбинационных волн, важнейшей из которых является волна
разностной частоты ( ВРЧ ), т.к. в отличие от других комбинационных волн она
распространяется с малым затуханием. Амплитуда ВРЧ пропорциональна степени
нелинейности породы и произведению амплитуд первичных бигармонических волн.
Следовательно, для изучения нелинейных параметров пород необходимы излучатели
интенсивных бигармонических волн, предназначенных для работы как на поверхности,
так и в условиях скважин. Такие излучатели могут быть созданы на основе серийной
пьезокерамики. Технология изготовления бигармонических пьезоизлучателей для
поверхностных условий в Институте геофизики освоена. Поверхностные излучатели
испытаны и эффективность их доказана. Подобные излучатели могут быть использованы
для мониторинга опасных горных и геологических объектов.
Выполненными ранее в ИГФ работами доказано, что сухие и водонасыщенные
неконсолидированные грунты существенно ( более, чем в 10 раз ) отличаются по степени
нелинейности.
В 2003 г. в рамках настоящего проекта на физической модели была экспериментально
изучена степень нелинейности сухого и флюидонасыщенного пористого
консолидированного образца. В результате было показано, что в флюидонасыщенных
породах ( подобных нефте - газовым коллекторам ) нелинейные эффекты проявляются
значительно сильнее, чем в сухих ( амплитуда ВРЧ в первых в 2,3 раза больше, чем в
сухих, при одинаковых условиях облучения их бигармоническими волнами ).
В течение 2004 г. планируется создать лабораторную установку для изучения
нелинейных параметров пористых пород в околоскважинном пространстве при облучении
их бигармоническими волнами из скважины.
Для этого необходимо:
- изготовить физическую модель скважины и околоскважинного объема пористой среды;
- разработать и изготовить действующую модель скважинного пьезокерамического
излучателя бигармонических волн;
- произвести экспериментальную оценку эффективности работы созданного излучателя;
- выполнить на этой установке цикл измерений с целью экспериментального сравнения
степени нелинейности сухих и водонасыщенных пород в околоскважинном объеме;
- на основе полученных данных составить проект технического задания на разработку
опытного образца скважинного пьезоизлучателя бигармонических волн.
2. Календарный план.
2.1. Разработка и изготовление скважинного пьезокерамического
излучателя
- март-апрель 2004 г.
2.2. Разработка и изготовление измерительной аппаратуры
- май-июнь
2.3. Разработка, изготовление и монтаж лабораторной установки - июль-август
2.4. Цикл измерений нелинейных параметров сухих и
водонасыщенных пород в околоскважинном объеме
- сентябрь-октябрь
2.6. Обработка результатов, составление отчета и проекта ТЗ
- ноябрь-декабрь
Ответственный исполнитель проекта
к.т.н.
Егоров Г. В.
3. Смета расходов. (тыс. руб.)
1
2
3
4
5
6
Оплата труда
Прочие
расходные
материалы
Приобретение
оборудования
Командировки
Прочие текущие
расходы
ИТОГО
код
110110
110350
I кв.
40
-
II кв.
40
10
III кв.
20
10
IV кв.
10
2003 г.
100
30
240120
-
-
-
-
-
110400
111040
-
50
10
10
-
10
60
40
100
50
10
200
Ответственный исполнитель проекта
С.н.с., к .т.н.
Г.В. Егоров
Справка о расходовании средств Институтом геофизики СО РАН
по интеграционному проекту № 129 в 2003 году
Всего сумма в год
110100
110200
110350
110400
111040
200 000 руб.
73 638
26 362
30 000
10 000
60 000
Координатор проекта
в.н.с., д.т.н.
Исполнитель проекта
с.н.с., к. т. н.
Главный бухгалтер ОИГГМ СО РАН
В. И. Юшин
Г. В. Егоров
А. В. Сухорукова
Информационный отчет по интеграционному проекту №129
“ Разработка методов и создание уникального комплекса приборов и оборудования для
моделирования и натурных исследований нелинейных деформационно-волновых
процессов в блочных массивах горных пород” за 2004 год.
Ранее выполненными теоретическими и экспериментальными исследованиями, в том
числе и в рамках настоящего проекта, было показано, что как неконсолидированные, так и
консолидированные пористые водонасыщенные породы по степени нелинейности
упругих свойств резко (в несколько раз) отличаются от таких же сухих пород.
На основании этих данных возникает возможность выделять газонефтяные коллекторы
(ГНК) по параметру упругой нелинейности, так как они представляют собой насыщенные
флюидом пористые породы, и их необходимо выделять на фоне пород, не содержащих
флюида.
Для реализации этой идеи необходимо осуществить облучение изучаемой геологической
среды бигармоническими волнами источником, находящимся внутри обсадной трубы
нефтяной скважины. Между тем, известно, что такая труба представляет собой
резонансный фильтр, который пропускает только колебания определенных частот (труба
диаметром 150мм имеет резонанс на частоте около 11кГц). Волны таких высоких частот
из-за их сильного затухания в среде не могут распространяться на нужные расстояния. По
этой причине возбуждение волн низких частот находящимся в трубе источником
практически невозможно.
Для решения этой трудной задачи нами предложен метод, который в течение отчетного
2004 года был экспериментально проверен на специально созданной лабораторной
установке.
Суть эксперимента состоит в следующем.
В трубе диаметром 150мм помещен пьезокерамический излучатель бигармонических
волн, работающий одновременно на двух частотах f1=3292Гц и f2=3025Гц, разностная
частота их df=267Гц. Труба вместе с излучателем имеет резонанс в диапазоне частот от
9кГц до 10кГц. При работе излучателя на двух вышеуказанных частотах стенки трубы
радиально колеблются на кратных бигармонических частотах 3f1=9876Гц и 3f2=9075Гц,
разностная частота которых F=3df=3f1-3f2=801Гц. Радиальные колебания стенки трубы
регистрируются пьезодатчиком смещения, аналогичным звукоснимателю для
долгоиграющих пластинок.
Вышеуказанная труба проходит в центре тонкостенного бака диаметром 700мм и
высотой630мм, который заполнен речным песком и залит водой до полного насыщения.
Пористость полученной таким образом околоскважинной среды составила около 27%.
В середине высоты бака по его радиусу от стенки трубы до внешней стенки бака
размещены с шагом 2,5см 10 пьезодатчиков давления, которые измеряют волновой
процесс в среде.
В итоге эксперимента получен следующий главный результат.
Высокочастотные бигармонические волны, возбуждаемые колеблющейся стенкой
трубы, в среде быстро затухают. Датчики давления регистрируют в околоскважинной
среде практически только сигнал разностной частоты 801Гц с максимальным значением
амплитуды на расстоянии 10-12 см от стенки трубы, вблизи которой амплитуда этого
сигнала уменьшается в 3 раза. Этот факт свидетельствует о том, что сигнал разностной
частоты возникает не на границе труба-среда, а на некотором расстоянии от этой границы,
то есть в околоскважинном объеме среды вследствие нелинейности ее упругих свойств.
Волна разностной частоты несет информацию о степени нелинейности среды и может
распространяться из-за своей низкочастотности на значительные расстояния.
Из полученного результата следуют несколько выводов:
- предложенный метод позволяет по новому физическому параметру - параметру упругой
нелинейности дифференцировать геологические породы в околоскважинном
пространстве;
- используя нелинейные свойства среды можно создать скважинный источник
низкочастотных сейсмических волн для обсаженных скважин, что ранее было серьезной
проблемой;
- такие источники могут быть использованы для межскважинного просвечивания,
обратного вертикального сейсмопрофилирования, а также других подобных задач;
- используя бигармонический метод возбуждения низкочастотных колебаний в
околоскважинной среде, можно облучать значительно больший объем пространства с
целью повышения нефтеотдачи добывающих скважин;
- бигармоническое облучение среды с регистрацией сигналов разностных частот в
оползнеопасных районах позволит следить за водонасыщенностью грунтов.
Отв. исполнитель проекта:
с.н.с. лаб.558 Института Геофизики СО РАН
к.т.н.
Егоров Г.В.
Нелинейное возбуждение упругих волн в околоскважинном пространстве
Г.В. Егоров
Институт геофизики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия
С использованием нелинейных свойств среды осуществлено возбуждение упругих волн в околоскважинном
объеме источником, находящимся внутри обсадной трубы скважины. В трубе в диапазоне ее резонанса
возбуждались бигармонические радиальные колебания, которые в водонасыщенном речном песке
генерировали упругую волну разностной частоты.
1. Введение
Изучение нелинейных упругих свойств геологических сред с целью их практического
использования вызывает все больший интерес, что отражено в посвященной этому
вопросу литературе /1-4/.
В частности, выполненными нами ранее теоретическими и экспериментальными
исследованиями было показано, что, как неконсолидированные (грунты), так и
консолидированные (песчаники), пористые флюидонасыщенные породы по степени
нелинейности своих упругих свойств резко (в несколько раз) отличаются от таких же
сухих пород /5-7/.
Газонефтяные коллекторы (ГНК) представляют собой пористую флюидонасыщенную
среду, которую необходимо выделять на фоне пород, не содержащих флюида. Поэтому
появляется возможность дифференцировать ГНК по параметру упругой нелинейности.
Для реализации этой идеи необходимо осуществить облучение изучаемой геологической
среды бигармоническими волнами источником, находящимся внутри обсадной трубы
скважины. Между тем, известно, что такая труба представляет собой резонансный фильтр,
который пропускает только колебания определенных частот (стальная труба диаметром
150мм имеет резонанс на частоте около 11кГц). Волны таких высоких частот из-за их
сильного затухания в среде не могут распространяться на нужные расстояния, а
возбуждение волн низких частот находящимся в трубе источником практически
невозможно.
Для решения этой задачи нами был предложен метод, который экспериментально
проверен на специально созданной лабораторной установке. Описанию и результатам
проведенного эксперимента и посвящена настоящая статья.
2. Описание установки
Эксперимент проводился на лабораторной установке, изображенной на рис.1.
На сварном постаменте установлен тонкостенный бак из оцинкованного железа
диаметром 700мм и высотой 630мм. В центре бака помещена труба диаметром 150мм с
толщиной стенки 7мм и общей длиной 1м так, что ее концы на 20см выступают выше
верхней кромки бака и ниже его днища. До уровня высотой 600мм бак заполнен речным
песком и залит до полного насыщения водой. Пористость полученной таким образом
околоскважинной среды составила, примерно, 27%.
Внутрь трубы опущены два пьезокерамических излучателя И1 и И2 и две опорных
массы М1 и М2, связанных между собой шарнирными упорами.
Винтовым домкратом через три отрезка бревен Б система, состоящая из излучателей и
опорных масс, расперта между полом и потолком помещения. Расположенные в плане
(показано вверху рис.1) симметрично под углом 120 град. друг к другу шарнирные упоры
с неконтролируемым усилием упираются во внутреннюю стенку трубы. Труба фактически
висит на этих упорах и контактирует только со средой в баке и через изолирующую
вставку из пористой резины с днищем бака. Через эти же упоры осевые колебания
излучателей И1 и И2 преобразуются в радиальные колебания трубы, амплитуда которых
регистрируется пьезодатчиком смещения, аналогичным звукоснимателю для
долгоиграющих пластинок. К одному концу датчика, имеющего размеры 0,8*3*18мм и
состоящего из двух тонких пьезопластин, наклеенных на металлическую основу,
приклеена игла. Эта игла внедрена в шайбу из линолеума, прижатую к трубе ввернутым в
ее стенку винтом (показано вверху рис.1). Так как датчик преобразует в электрическое
напряжение изгибные деформации его металлической основы, то амплитуда напряжения
на его выходе пропорциональна амплитуде радиальных колебаний стенки трубы.
В середине высоты бака (рис.1) по его радиусу от стенки трубы до внешней стенки бака
в заткнутом пробками полихлорвиниловом шланге размещены с шагом 2,5см 10
цилиндрических пьезодатчиков давления, которые измеряют волновой процесс в среде.
Физические размеры датчиков давления указаны на рис.1. Конец шланга с датчиками
давления выводится через отверстие в боковой стенке бака. Этот конец акустически
изолирован от стенки вставкой из пористой резины, аналогичной упомянутой выше.
Для ослабления акустического контакта между днищем бака и постаментом помещены
два слоя мягкого линолеума.
3. Эксперименты с импульсными и бигармоническими воздействиями на среду
Измерения процессов, происходящих в среде, осуществлялись в следующем порядке.
1. На излучатели И1 и И2 подавалось напряжение прямоугольной формы с частотой
25Гц. От каждого из фронтов этого прямоугольного импульса в среде возникало малой
интенсивности волновое поле, по которому, однако, была оценена скорость продольной
волны, составившая величину порядка 700м/с . По теоретическим оценкам, приведенным
в /5/, такой скорости продольной волны должна соответствовать пористая
флюидонасыщенная среда с высокой степенью нелинейности упругих свойств.
2. Затем, по показаниям датчика смещения определялась резонансная частота
радиальных колебаний трубы, нагруженной изнутри излучателями, а извне средой, при
подаче на излучатели напряжения, изменяющегося по частоте от 6 до 12 кГц. Оказалось,
что этот резонанс находится в диапазоне частот 9-10 кГц.
3. Каждый излучатель состоит из 20 пьезошайб, половина из которых может
возбуждаться на одной частоте, а другая половина на другой частоте. Тем самым в трубе
возбуждаются бигармонические радиальные колебания, которые по форме представляют
собой классические биения двух близких по величине частот с переменной амплитудой на
разностной частоте.
Эксперимент проводился при следующих условиях. На излучатели подавалось
напряжение прямоугольной формы с частотами f1=3292Гц и f2=3025Гц. Их разностная
частота df=f1-f2=267Гц. Представляющая собой идеальные биения сумма
синусоидального аналога этих частот представлена на рис.2-А.
При этом в трубе, как показывает датчик смещения, возникают радиальные колебания с
кратными исходным частотами 3f1=9876Гц и 3f2= 9075Гц, разностная частота которых
F=3df=3f1-3f2=9876-9075=801Гц. Этот процесс показан на рис.2-Б, и из него видно, что в
спектре радиальных колебаний трубы отсутствуют колебания исходных частот. Это
доказывает, что труба пропускает только сигналы с частотами, находящимися в диапазоне
ее резонанса.
4. Процесс, изображенный на рис.2-Б, был пропущен через настроенный на разностную
частоту фильтр с резонансом на частоте 800Гц и полосой прозрачности 100Гц. При этом
оказалось, что амплитуда сигнала разностной частоты на его выходе составила менее 2%
от амплитуды бигармонического сигнала на его входе. Это подтверждает практическое
отсутствие в спектре радиальных колебаний трубы сигнала разностной частоты, а
вышеуказанные 2% могут быть связаны с влиянием среды, в которой и возникают
колебания разностной частоты.
5. В следующем эксперименте излучатели возбуждались на частоте 800Гц напряжением
прямоугольной формы такой же величины, как и в п.3. При этом труба колеблется на
частоте своего резонанса, а амплитуда этих колебаний трубы оказалась в 4 раза меньше,
чем это фиксировалось в эксперименте п. 4. Фильтрация этого процесса вышеуказанным
фильтром (с резонансом на 800Гц и полосой прозрачности 100Гц) показала, что
амплитуда исходной частоты (800Гц) на выходе фильтра имела величину менее 7% от
амплитуды на его входе. Причем, и эту часть энергии исходной частоты можно объяснить
недостаточной акустической изоляцией между днищем бака и постаментом. Однако, если
сравнивать амплитуду сигнала разностной частоты этого эксперимента с амплитудой
радиальных колебаний трубы в эксперименте п. 3, то и она оказывается меньше 2% от
величины последней.
Этот эксперимент, как и эксперимент п. 3, доказывает, что удары по трубе с любыми
частотами, не совпадающими с ее резонансом, не могут привести к эффективному
возбуждению в ней радиальных колебаний.
6. В следующем эксперименте, как и в п.3, излучатели возбуждались прямоугольной
формы напряжением с частотами f1=3292Гц и f2=3025Гц. На стенке трубы датчиком
смещения регистрировались бигармонические радиальные колебания трубы, показанные
на рис.2-Б.
А что же при этом происходит в среде?
Датчиками давления в среде регистрируется преимущественно сигнал с частотой 801Гц,
т. е. волна разностной частоты (ВРЧ). Высокочастотные бигармонические волны,
возбуждаемые в среде колеблющейся стенкой трубы, быстро затухают. На расстоянии
более 7см от трубы их уже не видно на фоне ВРЧ, максимум амплитуды которой
находится на расстоянии около 10см от стенки трубы (процесс показан на рис.2-В).
Зависимость амплитуды ВРЧ от расстояния до стенки трубы приведена на рис.3, из
которого видно, что у стенки трубы амплитуда ВРЧ в три раза меньше ее максимального
значения. А это доказывает, что ВРЧ возникает не на границе труба-среда, а на некотором
расстоянии от этой границы, т. е. в околоскважинном объеме среды вследствие
нелинейности ее упругих свойств.
В соответствии с ранее опубликованными теоретическими и экспериментальными
данными /5/ левая нисходящая ветвь кривой рис.3 должна исходить из начала координат, а
правая ветвь по законам геометрической сейсмики при цилиндрической симметрии
должна уменьшаться обратнопропорционально квадрату радиуса. В целом эти принципы
приблизительно соблюдаются (кривая на рис.3), а отклонения экспериментально
полученных значений можно объяснить интерференцией ВРЧ из-за отражений от
внешней стенки бака и, возможно, от стенки трубы.
Волна разностной частоты несет информацию о степени нелинейности
околоскважинной среды и может распространяться из-за своей низкочастотности на
значительные расстояния. Амплитуда ВРЧ пропорциональна величине нелинейного
параметра среды, квадрату амплитуды первичных бигармонических колебаний, и
существенно зависит от их затухания в среде /5/. В средах с меньшим затуханием
высокочастотных бигармонических волн объем среды, в котором происходит их
взаимодействие, будет увеличиваться (максимум кривой рис.3 будет отодвигаться
вправо).
Если частоту одной из первичных бигармонических волн фиксировать, а частоту другой
плавно менять, приближая по значению к первой, то в среде возникнет ВРЧ переменной
частоты. В настоящем эксперименте в околоскважинной среде успешно возбуждались
волны в диапазоне частот от 100Гц до 1000Гц. Это означает, что для регистрации ВРЧ в
различных точках среды можно использовать высокопомехоустойчивые методы,
разработанные для вибрационной сейсморазведки.
4. Заключение
Из совокупности всех полученных выше экспериментальных данных можно сделать
следующие основные выводы:
- предложенный и экспериментально проверенный метод позволяет с уверенностью
утверждать, что по новому физическому параметру- параметру упругой нелинейности
можно выделять в околоскважинном пространстве флюидосодержащие геологические
породы;
- используя нелинейные свойства среды можно создать скважинный источник
низкочастотных сейсмических волн для обсаженных скважин, что ранее было серьезной
проблемой;
- такие источники могут быть использованы для межскважинного просвечивания,
обратного сейсмопрофилирования, а также других подобных задач;
- используя бигармонический метод возбуждения низкочастотных колебаний в
околоскважинной среде, можно облучать значительно больший объем пространства в
широком диапазоне частот с целью повышения нефтеотдачи добывающих скважин;
- бигармоническое облучение среды с регистрацией сигналов разностных частот позволит
следить за водонасыщенностью грунтов в оползнеопасных районах.
Работа выполнена при финансовой поддержке СО РАН (интеграционный проект №129,
2003, 2004 г.г.), гранта Президента РФ по поддержке научных школ №НШ-1302. 2003.5
(школа академика С.В. Гольдина), и гранта РФФИ №
Автор выражает благодарность своему коллеге В.М. Носову за активное содействие
выполненной работе.
Литература
1. Khan T., McGuir S. Can we use dynamic elastic nonlinearity measurements of rocks to map
reservoir properties ? // Oil & Gas Journal. – Sept. 10, 2001.
2. Johnson P. A., Shankland T.J., O Connell R.J. , Albight J.N. Nonlinear generation of elastic
waves in crystalline rock // J. Geophys. Res.- 1987.-V.92.-B5.-P.3597-3602.
3.Зименков С.В., Назаров В.Е. Нелинейное распространение акустических волн в горных
породах // Физика Земли. – 1994.-№5.-С. 62-64.
4. Жуков А.П. , Шнеерсон М.Б. Адаптивные и нелинейные методы вибрационной
сейсморазведки. Москва, Недра.-2000. 98с.
5. Егоров Г.В. Нелинейное взаимодействие продольных сейсмических волн в пористых
флюидонасыщенных средах // Геология и геофизика.-1995.-Т.36- №5.- С.110-117.
6. Егоров Г.В., Носов В.М., Маньковский В.В. Экспериментальная оценка нелинейных
упругих параметров сухой и флюидонасыщенной пористой среды // Геология и
геофизика.-1999.-Т.40.-№3.-С.457-464.
7. Егоров Г.В. Нелинейные упругие эффекты в сухом и водонасыщенном пористом
консолидированном образце // Физическая мезомеханика.-2004.-Т.7.-№1.-С.57-61.
1.2
1
0.8
Теор.
0.6
эксп
0.4
0.2
0
0
10
20
30
Рис.3. Зависимость амплитуды ВРЧ от расстояния.