ОБЪЕМНАЯ ПЛАСТИНЧАТАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМ МИКРОВКЛЮЧЕНИЙ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
3D LAMINATED MODEL OF MICROINCLUSION SYSTEMS FOR ULTRASONIC MODELLING AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Предлагаемое изобретение относится к области ультразвукового сейсмического физического моделирования для решения прямых и обратных задач сейсморазведки и направлено на создание объемной порово-трещинной физической модели.
В сейсморазведке наиболее первостепенным и сложным объектом поисков нефтяных месторождений являются трещинные и пористые коллекторы, определяющие запасы углеводородов. При этом основными источниками информации, с которыми может быть связан прогноз о положении и направлении развития трещиноватости и пористости среды с диагностикой флюидонасыщения пород коллекторов, является совокупность кинематических и динамических признаков зондирующих сейсмических сигналов, включая сведения о распределении отношения скоростей, поляризации и декременте затухания продольных и поперечных волн. Не отрицая положительной роли сейсмических методов в решении проблемы поиска коллекторов, следует отметить, что нередко интерпретация данных сейсморазведки приводила к получению неоднозначных результатов. Поэтому создание объемных трещинных и порово-трещинных физических моделей, более адекватных реальным объектам, и установление на их основе признаков обнаружения и диагностики типа и состава коллекторов методами сейсморазведки с тестированием на моделях применяемых на практике технологий представляет особый интерес при решении нефтепоисковых задач.
3
Известны объемные физические модели (Гик Л.Д. Физическое моделирование распространения сейсмических волн в пористых и трещиноватых средах // Геология и геофизика, 1997, т.38, №. 4, с.804-815), имитирующие трещиноватость и пористость коллекторов. Общим для известных моделей является создание пор путем распределения в эпоксидной смоле акустически контрастных материалов, как, например, пенопластовой крошки размером 4,4 мм, резиновых включений, легкоплавких кристаллов гипосульфита и пр. Недостатком этих моделей является отсутствие возможности имитации гидравлически связанной пористости.
Наиболее близкой к предлагаемой является объемная пластинчатая физическая модель (Гик Л.Д., Брылкин Ю.А., Орлов Ю.А, Бобров Б.А. Изучение на физических моделях влияния трещиноватости горных пород на сейсмическое волновое поле // Геология и геофизика, 1994, т.35, вып.5, с.150-160), имитирующая горные породы с направленной трещиноватостью. Модель представляет собой находящийся в состоянии сжатия пакет плексигласовых пластин, толщиной много меньшей длины волны зондирующего сигнала (1 мм). Пустотные прослои, имитирующие трещины между пластинами, образуются при определенных режимах сжатия пакета пластин и обусловлены неодинаковостью толщины пластин в результате технологических факторов изготовления пластинчатого материала. В зависимости от степени сжатия пластин изменяются величина и раскрытость имитируемых трещин. Исследованиями, проведенными как с сухими, так и с флюидонасыщенными трещинами при различных режимах сжатия от 0,5 до 4,0 МПа, показано, что пластинчатая модель обладает свойством трансверсально-изотропной среды со случайно распределенными трещинами. На основе экспериментальных данных исследованы волновые эффекты, формируемые вертикальной трещиноватостью, и установлены признаки ее диагностики. Отмечая достоинства предложенного способа моделирования, основанного на использовании пластинчатой модели, и полученные при этом положительные результаты исследований трещиноватых систем, следует отметить недостатки предложенной конструкции пластинчатой модели, которые заключаются в том, что параметры трещиноватости остаются неконтролируемыми, при этом отсутствует гидравлическая связь между трещинами. С этим связана недостаточная адекватность модели реальному объекту изучения среды, что ограничивает возможности физического моделирования при изучении эффекта проницаемости коллекторов.
Ставится задача разработки объемной физической модели гидравлически связанной порово-трещинной системы с заданными варьируемыми параметрами трещинной пористости, более приближенной к реальному геологическому объекту, а также способа изготовления модели.
Для решения поставленной задачи разработана объемная пластинчатая модель системы микровключений для ультразвукового моделирования, которая представляет собой находящийся в состоянии сжатия газо- или флюидонасыщенный пакет сверхтонких сплошных упругих пластин одинакового размера, толщина которых по крайней мере на порядок меньше длины волны зондирующего сигнала. В пластинах модели выполнены микроотверстия, имитирующие поры, расположенные в произвольном порядке, но различно в разных пластинах. На поверхности пластин произвольно расположены наплывы, образующиеся в результате нанесения на них и застывания жидких капель из того же материала, что и пластины. В сжатом состоянии между соседними пластинами остается зазор, имитирующий «раскрытость» протяженных трещин с шероховатыми стенками (о раскрытости и шероховатости трещин см. Козлов Е.А.. Модели среды в разведочной сейсмологии. - Тверь: ГЕРС, 2006, 480 с.). Отверстия в пластинах и зазоры между ними имитируют открытую (гидравлически связанную) систему пор и трещин в горных породах. Величина зазоров определяется заданной раскрытостью имитируемых трещин горных пород. Путем варьирования высоты наплывов возможно изменение величины зазора между пластинами.
Способ изготовления объемной порово-трещинной модели для ультразвукового моделирования включает сборку пакета сверхтонких сплошных упругих пластин одинакового размера, толщина которых, по крайней мере, на порядок меньше длины волны зондирующего сигнала. В пластинах выполняют микроотверстия, расположенные произвольно, но различно в разных пластинах. На поверхности пластин между порами произвольно располагают наплывы, образующиеся в результате нанесения на них и застывания жидких капель из того же материала, что и пластины, полученных в результате его растворения. После сжатия пакета пластин в направлении, перпендикулярном плоскости пластин, из-за наличия наплывов между соседними пластинами остается зазор, имитирующий раскрытость протяженных трещин с шероховатыми стенками. Отверстия в пластинах и зазоры между ними имитируют открытую (гидравлически связанную) систему пор и трещин в горных породах. Путем варьирования высоты наплывов возможно изменение трещинной пористости модели с заполнением пустотного пространства газом или жидким флюидом.
На фиг.1 приведено схематическое изображение объемной пластинчатой модели, имитирующей гидравлически связанный порово-трещинный объект.
(а) - пакет тонких пластин в сборе.
(б) - схематическое изображение фрагмента разреза пакета тонких (0,8 мм) пластин с наплывами на поверхности, образовавшимися в результате нанесения на пластины и застывания жидких капель из того же материала. Затененные участки соответствуют положению гидравлической связи пор и трещин.
(в) - фрагмент увеличенного фотоизображения пластины с наплывами и порами. Диаметр пор - 0,8 мм.
На фиг.2 приведены записи волнового поля в системе Fz-Uz (а) и схема наблюдений на линейном профиле (б) при просвечивании двух контактирующих блоков. Слева порово-трещинный блок (блок 1), характеризуемый шероховатыми стенками при величине коэффициента трещинной пористости Ктп=2,5% и коэффициенте матричной пористости Кмп=2%, справа - пористый блок (блок 2) с тем же значением коэффициента матричной пористости Кмп=2%.
На фиг.3 приведены записи поперечных волн в системах Fx-Ux, Fy-Uy и соответствующие графики скорости Vs-волн на линейном профиле вдоль оси симметрии трещиноватости при просвечивании порово-трещинного блока 1 с трещинами, имеющими шероховатые стенки (см. рис.2), при величине коэффициента трещинной пористости Ктп=2,5%.
a) Fx-Ux - компонента; (б) Fy-Uy - компонента; (в) графики скорости Vs-волн.
На фиг.4 приведена запись волнового поля в системе Fz-Uz (а) и схема наблюдений (б) на дуговом профиле при просвечивании двух контактирующих блоков. Слева порово-трещинный блок, характеризуемый шероховатыми стенками при величине коэффициента трещинной пористости Ктп=2,5% и коэффициенте матричной пористости Кмп=2%, справа - пористый блок с тем же значением коэффициента матричной пористости Кмп=2%.
На фиг.5 приведены графики угловых изменений декрементов поглощения η(α) и скорости Р-волны при просвечивании флюидонасыщенных порово-трещинного и пористого блоков (фиг.4).
Приведем конкретный пример модели и полученные результаты наблюдений волнового поля.
Испытуемая порово-трещинная модель собрана из пакета тонких пластин плексигласа толщиной 0,8 мм, существенно меньшей длины волны зондирующего сигнала (λ=40 мм). В пластинах высверлены микроотверстия (⌀=0,2 мм), расположенные произвольно, но различно в разных пластинах, имитирующие матричную пористость. В промежутках между порами на поверхности пластин плексигласа расположены одинакового размера наплывы из того же материала (фиг.1). Пакет пластин размером 120×160×60 мм находится в состоянии сжатия в направлении, перпендикулярном плоскости пластин. При сборке пластин в пакет между пластинами остается промежуток, определяемый высотой наплыва. Этот промежуток имитирует шероховатую «трещину» с раскрытием, близким к высоте наплыва (15, 30 и 50 мк). Пустоты моделей полностью флюидонасыщены маслом.
Наблюдения проведены при пересечении профилем контактирующих блоков - порово-трещинного и пористого, при одинаковом значении коэффициента матричной пористости Кмп=2%.
На фиг.2 приведены результаты физического моделирования в системе Fz-Uz и схема наблюдения на линейном профиле вдоль оси симметрии трещиноватости при просвечивании порово-трещинного блока 1 (Ктп=2,5%, Кмп=2%) и пористого блока 2 с таким же значением Кмп=2%. Отмечаются значительные расхождения в характеристиках наблюдаемых волновых картин (фиг.2в), соответствующих контактирующим блокам. При практически полном совпадении кинематических характеристик Р-волны установлены значительные расхождения в значениях амплитуд для различных блоков, связанные с преобладающим влиянием трещинной пористости на возрастание декремента поглощения в первом блоке. Значительные различия в наблюдаемых волновых картинах связаны со структурой поля поперечных волн. Существенным при просвечивании порово-трещинного блока является наблюдаемый на записи (система Fz - Uz) «рисунок» поля, показывающий эффект расщепления поперечной волны, что является важнейшим признаком трансверсально-изотропной среды.
Для иллюстрации разделения поперечных волн по признаку поляризации на фиг.3 приведены записи Fx-Ux - и Fy-Uy - компонент волнового поля. На компоненте Fx-Ux (горизонтальная компонента вдоль профиля) и Fy-Uy (горизонтальная компонента поперек профиля) в наблюдаемом поле поперечных волн достаточно четко проявился важнейший волновой диагностический признак трещиноватости - различие скоростей поперечных SH- и SV-волн. С учетом положения линии профиля относительно оси симметрии трещиноватости наблюдаемые на записях особенности поперечных волн отвечают известным теоретическим представлениям о волновом поле анизотропных сред. Эффект расщепления состоит в том, что поперечная волна при распространении через анизотропный блок разделяется в блоке на две поперечные волны, одна из которых поляризована параллельно трещинам, а вторая - перпендикулярно им, причем первая распространяется быстрее второй. На компоненте Fx-Ux (фиг.3а), ориентированной в направлении трещиноватости, наблюдается запись поперечной SH-волны. Существенно иная картина наблюдается на записи Fy-Uy-компоненты (фиг.3б). Порово-трещинному блоку соответствует четкий эффект запаздывания поперечной SV- волны по отношению к волне SH. Запаздывание указывает на реальность эффекта расщепления поперечной волны. Наблюдаемые аномальные характеристики волнового поля адекватны условиям трансверсально-изотропной среды. В соответствии с теоретическим положением на приведенном графике (фиг.3в) скорость SH-волны убывает в направлении оси симметрии трещиноватости, а SV-волны, наоборот, возрастает. Анализ полученных записей позволяет прийти к выводу, что исследуемая пластинчатая модель с наплывами адекватна порово-трещинному объекту с гидравлически связанными трещинами и порами. Важно отметить, что основной вклад в волновое поле вносят размеры шероховатости контактов пластин, параметры которых могут быть заданы. Различие во времени регистрации SH- и SV-волн может быть важным параметром, по которому возможно оценивать емкостные характеристики шероховатой трещиноватости.
Оценка емкостных характеристик порово-трещинных моделей может быть дана и по результатам наблюдений продольной волны. На фиг.4 приведена запись волнового поля в системе Fz-Uz на дуговом профиле при просвечивании двух контактирующих блоков. Слева порово-трещинный блок, характеризуемый коэффициентом трещинной пористости Ктп=2,5% и коэффициентом матричной пористости Кмп=2%, справа - пористый блок с тем же значением коэффициента матричной пористости Кмп=2%. Отмечаются значительные различия в наблюдаемых волновых картинах, соответствующих контактирующим блокам. Порово-трещинный блок по отношению к пористому характеризуется значительными угловыми изменениями характеристик продольной и поперечной волн. На приведенных графиках наблюдаются значительные различия угловых изменений декрементов поглощения η(α) и скорости Р-волны при просвечивании флюидонасыщенных порово-трещинного и пористого блоков (фиг.5), отличающихся в два раза значением трещинной пористости. Наблюдаемые различия в значениях угловых изменений декремента поглощения между порово-трещинным и пористым блоками могут рассматриваться в качестве примера возможности диагностики параметров емкостных характеристик трещин в порово-трещинных моделях.
Предложенная конструкция модели раскрывает новые возможности физического моделирования полей Р- и S-волн в порово-трещинных средах с параметрами, произвольно варьируемыми в заданных пределах.
Для изготовления объемной порово-трещинной пластинчатой модели с гидравлически связанной пористостью и шероховатой трещиноватостью необходимо произвести следующие операции.
1. В пластинах выполняют микроотверстия заданного размера, расположенные произвольно, но различно в разных пластинах, так что отверстия имитируют изолированную пористость горных пород. Микроотверстия могут быть, например, высверлены. В этом случае на пластинах могут образоваться заусеницы, высота которых не должна быть выше заданной высоты наплывов. Уменьшить высоту до допустимого уровня (не более высоты наплывов) можно путем шлифовки пластин.
2. На поверхность пластин произвольно между порами наносят жидкие капли из того же материала, образованные в результате его растворения. Высота наплывов после застывания регулируется экспериментально и определяется плотностью раствора и величиной капли. Система отверстий и наплывов имитирует открытую (гидравлически связанную) систему пор и протяженные трещины с шероховатыми стенками.
3. Собирают пакет из сверхтонких сплошных упругих пластин одинакового размера, толщина которых по крайней мере на порядок меньше длины волны зондирующего сигнала.
4. Сжимают пакет пластин в направлении, перпендикулярном плоскости пластин, с заполнением порового пространства газом или флюидом (заполняющим газом может быть и воздух).
В данном примере использовались упругие пластины из плексигласа. Для образования наплывов плексиглас растворялся в дихлорэтане, который с помощью шприца наносился на поверхность пластин.
Для изготовления модели могут быть использованы и другие материалы, например поликарбонат или капролактан.
Предложенная ультразвуковая физическая модель наиболее реалистично обеспечивает подобие геологическим моделям нефтегазовых коллекторов и отличается от известных моделей возможностью имитации порово-трещинной системы с заданными параметрами шероховатой трещиноватости и возможностью управления параметрами гидравлически связанной трещинной пористости с произвольно меняемым типом насыщения порового и межпорового пустотного пространства.
Имитируется открытая пористость: отдельные изометричные поры оказываются гидравлически связанными друг с другом через посредство трещин, а трещины, т.е. шероховатые поверхности отдельных пластин, оказываются гидравлически связанными друг с другом через посредство пор. Важно отметить, что при заданных параметрах изометричной пористости путем изменения толщины наплывов можно варьировать величину «трещинной» пористости при различных значениях коэффициента изометричной пористости. С учетом того, что моделирование можно проводить при различных видах наполнителя пор и трещин, предложенная модель дает возможность имитации широкого набора реальных порово-трещинных объектов, при этом можно изменять как величину трещинной пористости, так и период шероховатости путем варьирования высоты наплывов и густоты пор. Среда оказывается дренированной, что позволяет менять характер насыщения от одного цикла экспериментов к другому и тем самым имитировать сейсмический мониторинг эксплуатируемого коллектора (так называемая «4 D-сейсморазведка»).
Предложенный способ изготовления модели достаточно прост в осуществлении и предоставляет возможность широкого варьирования параметров трещиноватости и пористости реальных сред, которые имитируют модели, для широкого использования при решении как научно-исследовательских, так и прикладных методических задач на этапе проектирования и выполнения сейсморазведочных работ.