ОБЪЕМНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМ МИКРОВКЛЮЧЕНИЙ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
THREE-DIMENSIONAL PHYSICAL MODEL OF MICROINCLUSION SYSTEMS FOR ULTRASONIC MODELLING AND METHOD OF MAKING SAID MODEL

Предлагаемое техническое решение относится к области ультразвукового сейсмического физического моделирования и направлено на создание объемных физических моделей трещинных объектов с заданными параметрами трещин и с произвольным их распределением в среде для решения прямых и обратных задач сейсморазведки.
В сейсморазведке наиболее первостепенным и сложным объектом поисков нефтяных месторождений являются трещинные и порово-трещинные коллекторы, определяющие запасы углеводородов. При этом основным источником информации, с которым может быть связан прогноз о положении и направления развития трещиноватости с диагностикой флюидонасыщения пород коллекторов, является совокупность кинематических и динамических признаков регистрируемых зондирующих сейсмических сигналов, включая сведения о распределения отношения скоростей, поляризации и декременте затухания продольных и поперечных волн. Поэтому создание объемных трещинных и порово-трещинных физических моделей и установление на их основе признаков обнаружения и диагностики типа и состава коллекторов методами сейсморазведки с тестированием на моделях технологий, применяемых при решении нефтепоисковых задач, является актуальной задачей.
Известна объемная физическая модель системы микровключений для ультразвукового моделирования (J.S.Rathore и др. «Р- and S-wave anisotropy of a synthetic sandstone with controlled crack geometry». Geophysical Prospecting. 1995 г., №43. C.711-715), представляющая собой набор одинаковых по упругим характеристикам сплошных упругих слоев из смеси песка и эпоксидной смолы, толщина которых не более длины волны зондирующего сигнала; между слоями эпоксидной смолы в растворенном состоянии помещены металлические диски из материала, который в процессе химической реакции при застывании смолы растворялся (leach) с образованием пустот, имитирующих трещины в межслойном пространстве. Описан способ изготовления модели, включающий последовательную заливку слоев с наложением на них металлических дисков. Этот способ позволяет формировать модели трещиноватости трещинных объектов с заданной геометрией трещин. Недостатком этой модели является то, что трещины с контролируемыми геометрическими параметрами характеризуются одинаковой направленностью, что ограничивает возможности физического моделирования при изучении волновых полей в случае трещинных коллекторов с произвольной ориентацией трещин. Кроме того, ограничены возможности заполнения пор заданным флюидом.
Ставится задача разработки объемной физической модели трещинных систем с возможностью варьирования геометрических параметров трещин и с произвольной ориентацией их в пространстве, более приближенной к реальным геологическим объектам, с обеспечением различных режимов флюидонасыщения, а также способа изготовления модели, что позволит расширить диапазон исследований волновых признаков диагностики трещиноватых коллекторов.
Для решения поставленной задачи предлагается объемная физическая модель для ультразвукового моделирования систем микровключений, выполненная из застывшего упругого изотропного материала, в который включен набор элементарных модулей микровключений, имитирующих трещины, при этом элементарные модули микровключений представляют собой совмещенные пластины, склеенные по периметру, с газо- или флюидонасыщенным зазором заданной величины между ними. Модули выполнены из материала, плотность которого и скорость распространения в котором упругих колебаний отличаются соответственно от плотности материала модели и скорости распространения в нем упругих колебаний на величины, не превышающие погрешность измерений.
Способ изготовления объемной физической модели для ультразвукового моделирования систем микровключений, имитирующих трещины, включает последовательную заливку слоев упругого изотропного материала, в каждый слой которого до застывания помещаются элементарные модули микровключений, имитирующих трещины, причем элементарные модули микровключений располагают в слое упругого изотропного материала с заданными распределением и ориентацией их в пространстве и изготавливают из совмещенных упругих пластин, которые склеивают между собой по периметру, а заданную величину зазора между двумя пластинами, имитирующую раскрытость трещины, обеспечивают степенью сжатия пластин до склеивания при заданных режимах газо- или флюидонасыщения.
Заданное распределение и ориентацию элементарных модулей в пространстве можно обеспечить, в частности, следующим образом. Их располагают в шаблонах с углублениями, соответствующими заданным ориентации и распределению в данном слое так, что элементарные модули выступают за поверхность шаблона. При формировании каждого слоя материал заливают на высоту, превышающую высоту выступа модулей из шаблона, до застывания материала слоя накладывают на него шаблон с расположенными в нем элементарными модулями, снимают шаблон, оставляя модули в материале так, что они выступают за его поверхность, после застывания материала доливают слой тем же материалом до полного закрытия элементарных модулей и до застывания долитого материала накладывают на него шаблон, соответствующий следующему слою.
В основу способа положена идея создания отдельных модулей сверхтонких трещин с газо- либо флюидонасыщением, которые «собираются» в однородной упругой среде в любых наперед заданных конфигурациях.
Отдельная трещина заданного размера и формы имитируется зазором между двумя совмещенными одинакового размера тонкими пластинами, толщиной много меньше длины волны, которые под давлением в совмещенном положении склеиваются между собой по периметру. Величина пустотного прослоя между пластинами, имитирующего трещину, определяется степенью сжатия пластин. Зазор между пластинами, имитирующий раскрытость трещин, может быть сухим (газонаполненным) либо заполненным флюидом. Пластины, зазор межу которыми имитирует трещину, должны незначительно отличаться по упругим характеристикам (плотности и скорости распространения волн) от однородной среды, в которую они «встраиваются». Объемная физическая модель формируется путем включения в однородную упругую среду набора трещин с широкой вариацией параметров, собранных в наперед заданные композиции при заданной форме объекта, имитирующего коллектор.
Предложенная модель может быть использована, в частности, в составе комбинированной модели по патенту РФ №2407042.
На фиг.1 приведены этапы создания модели с микровключениями, имитирующими трещины:
а) элементарный модуль, представляющий собой совмещенные пластины плексигласа, склеенные по периметру, зазор между которыми имитирует трещину;
б) шаблон со вставленными в его углубления элементарными модулями, имитирующими трещины;
в) фотография модели, выполненной из эпоксидной смолы, на которой видны торцевые части микровключений, имитирующих трещины, просвечивающие сквозь смолу.
На фиг.2 приведена схема модели с изображением системы микровключений, имитирующих трещины одинакового размера (10×10 мм), и схема азимутального просвечивания модели.
а) вид сверху;
б) разрез модели по линии АБ; 1 - проекции элементарных модулей первого слоя заливки;. 2 - проекции элементарных модулей второго слоя;
в) схема азимутального просвечивания; И - источники возбуждения упругих колебаний; Р - регистраторы упругих колебаний;
На фиг.3 приведено сопоставление записей продольной волны при азимутальном просвечивании моделей:
а) выполненных из эпоксидной смолы с включениями сплошных элементов из плексигласа толщиной 2 мм;
б) с включением элементарных модулей, составленных из совмещенных и склеенных по периметру пластин плексигласа толщиной 1 мм, имитирующих систему сухих трещин;
в) то же, но при флюидонасыщении элементарных модулей, имитирующих систему флюидонасыщенных трещин;
г) график угловых изменений декремента поглощения η(φ), соответствующий продольной волне при просвечивании дисковых моделей с сухими трещинами.
На фиг.4 приведена схема модели, представляющей собой блок эпоксидной смолы, в который «впаяны» элементарные модули, имитирующие сухие вертикальные микротрещины.
а) вид сверху;
б) сечение модели по линии АБ;
в) схема просвечивания.
На фиг.5 приведено сопоставление волновых полей при прямом просвечивании модели при различных углах φ облучения трещин относительно оси симметрии трещинности и соответствующие схемы просвечивания. Наблюдения проведены в различных режимах вибровозбуждения модели при различных углах φ облучения трещин относительно оси симметрии трещиноватости.
1, 2, 3 - полоса вибраций 40-250 кГц;
4, 5, 6 - полоса вибраций 40-80 кГц.
Для изготовления модели системы микровключений необходимо произвести следующие операции.
1. Две сплошные полосы заданной ширины из упругого материала, толщина которых по крайней мере на порядок меньше длины волны зондирующего сигнала, попарно совмещают, обеспечивая зазор, соответствующий заданной раскрытости планируемых трещин.
2. Пространство между пластинами заполняют газом или флюидом (заполняющим газом может быть и воздух).
3. Совмещенные пластины сжимают в направлении, перпендикулярном плоскости пластин, до уровня заданного раскрытия имитируемых трещин.
4. Боковые части пластин склеивают клеем, не отличающимся по упругим параметрам от материала пластин. Например, можно склеивать растворенным материалом пластин.
5. Склеенные пластины разрезают на отдельные элементы по заданному размеру имитируемых трещин и эти элементы склеивают по оставшейся несклеенной части периметра.
6. Полученные модули в соответствии с заданным их распределением и пространственной ориентацией «впаивают» последовательно в каждый слой однородного изотропного упругого материала до его застывания.
Заданное распределение и ориентацию элементарных модулей в пространстве можно обеспечить, в частности, следующим образом.
1. Изготавливают шаблон, в который в заданных композициях вставляют подготовленные элементарные модули, имитирующие трещины, так что они выступают за поверхность шаблона. Ориентация модулей в пространстве и их наклон могут варьироваться. Их расположение может быть как упорядоченным, так и неупорядоченным.
2. При формировании каждого слоя материал заливают на высоту, превышающую высоту выступа элементарных модулей из шаблона.
3. До застывания материала слоя накладывают на него шаблон с расположенными в нем элементарными модулями, затем снимают шаблон, оставляя модули в материале так, что они выступают за его поверхность.
4. После застывания материала доливают слой тем же материалом до полного закрытия элементарных модулей.
5. До застывания долитого материала накладывают на него шаблон, соответствующий следующему слою.
6. Процедура послойного «впаивания» элементарных модулей повторяется до достижения заданной «толщины» модели.
Для обоснования предложенного способа были проведены наблюдения на модели, изготовленной из эпоксидной смолы с включением элементарных модулей из плексигласа. Получены следующие результаты.
p
s
p
s
3
3
Оценка «фоновой» составляющей волнового поля. С учетом небольших различий в значениях акустической жесткости упругих характеристик тонких пластин плексигласа (V=2,5 км/с, V=1,25 км/с, (ρ=1,2 г/см), путем склеивания которых имитировались трещины, и эпоксидной смолы (вмещающая среда) (V=2,4 км/с, V=1,20 км/с, (ρ=1,25 г/см) сделано предположение о слабом влиянии плексигласа на волновое поле. Для оценки величины волнового «фона», создаваемого пластинами, зазоры между которыми имитировали трещины, были получены записи поля продольных волн при азимутальном просвечивании дисковых моделей размера R=120 мм, ΔН=30 мм, выполненных из однородной эпоксидной смолы, в которую в количестве 240 были впаяны сплошные пластины плексигласа, толщина которых (2 мм) была увеличена вдвое по отношению к пластинам, совмещением которых имитировались трещины. Как видно на фиг.3а, угловые изменения времени распространения и амплитуды продольной волны при повороте зондирующего луча практически не наблюдаются. По существу дисковая модель с включениями сплошных пластин плексигласа может быть отождествлена с однородной изотропной моделью. Полученные данные позволяют сделать вывод о низком уровне фоновой составляющей волнового поля, формируемого пластинами плексигласа, помещенными в эпоксидную смолу.
Газонаполненные и флюидонасыщенные трещины. Практически не наблюдаемый уровень фоновой составляющей волнового поля, создаваемого включениями пластин плексигласа в эпоксидную смолу, дает основание заключить, что волновые эффекты, наблюдаемые при просвечивании системы микровключений, составленной из совмещенных и склеенных между собой пластин плексигласа, сформированы на трещинах, параметры которых зависят от величины зазора между пластинами и его наполнением. Наблюдениями на дисковых моделях (фиг.2) диаметром 120 мм и толщиной 30 мм, изготовленных из эпоксидной смолы с прямоугольными одинаково ориентированными микровключениями в количестве 240, имитирующими трещины (фиг.2в), при значениях коэффициентов трещиноватости Кт=0,08 и трещинной пористости Ктп=0,004 получены и сопоставлены записи в случае газонаполненных и флюидонасыщенных пустот имитируемых трещин путем прямого просвечивания дисковых моделей с поворотом системы излучение - прием с шагом через 5 градусов. При изменении направления распространения зондирующего луча относительно оси симметрии включений в случае газонаполненных пустот на записи Р-волны (фиг.3в) наблюдается значительное снижение амплитуды записи первой волны. Количественные характеристики параметра поглощения (рассеяния) волнового поля на модели, имитирующей трещинность, представлены на графике угловых изменений декремента поглощения продольной волны η(φ) (фиг.3г). С увеличением азимутального угла φ наблюдается резкое уменьшение значения декремента поглощения η в диапазоне углов 40°-90°. Эффект углового изменения декремента поглощения при распространении через систему сухих трещин подтверждается также увеличением видимого периода колебаний продольной волны с возрастанием угла поворота системы излучение - прием. Относительно высокие значения декремента поглощения продольной волны в направлении оси симметрии трещиноватости связаны с тем, что сейсмическая волна не проникает внутрь трещин и на перераспределение энергии волнового поля относительно оси симметрии трещин влияет не раскрытость трещин, а эффективная поверхность трещин, определяющая величину эффекта рассеяния волнового поля на микровключениях, имитирующих пустые трещины.
В отличие от модели с сухими трещинами в модели с флюидонасыщенными пустотами при одинаковых прочих параметрах трещинности на приведенной записи (фиг.3в) при прямом просвечивании модели угловые изменения амплитуды записи Р-волны не наблюдаются. Известно, что при флюидонасыщении трещин в связи с резким уменьшением анизотропии среды нивелируются кинематические и динамические характеристики волнового поля при распространении через трещиноватые системы. В рассматриваемом примере в связи с малой величиной раскрытости трещин (менее 0,01 мм), как и следовало ожидать в случае флюидонасыщения пустот трещин, угловые изменения амплитуды записи Р-волны практически не наблюдаются.
Анизотропия трещинного блока.
На фиг.4 приведена схема просвечивания модели, представляющей собой блок эпоксидной смолы, в который «впаяны» сухие микротрещины размером 10×10 мм с раскрытостью менее 10 микрон в количестве более 1800, композиционно образующие цилиндрическую модель трещиноватости радиусом 125 мм и высотой 80 мм, характеризуемую коэффициентом объемной плотности трещин Ктр=0,057 и трещинной пористостью не более 0,5%. Источники и регистраторы виброизлучения, расположенные на противоположных сторонах модели, перемещались одновременно. На фиг.5 приведено сопоставление записей волнового поля, полученных при различных углах наклона зондирующего луча относительно оси симметрии трещин и при разных частотах возбуждения упругих колебаний. В первом ряду приведены записи зондирующего луча в секторе углов φ до 15°, приближенных к оси симметрии трещиноватости. Наблюдаемая на верхних рисунках запись волнового поля характеризуется высокой интенсивностью, слабым увеличением времени регистрации и уменьшением амплитуды записи Р-волны при смещении зондирующего луча к середине трещинной модели. При просвечивании блока под углом зондирующего луча 45° по отношению к оси симметрии трещиноватости по мере перемещения зондирующего луча к центру блока наблюдается значительное уменьшение интенсивности записи Р-волны при переходе от вмещающей среды к трещиноватому блоку. Существенным является смещение спектра Р-волны в область низких частот. При облучении трещин в направлении, близком к оси симметрии трещиноватости, интенсивность волнового поля уменьшается в несколько раз, при этом в еще большей степени спектр Р-волны смещается в область низких частот.
Таким образом, можно заключить, что при облучении трещинного блока отмечается закономерное изменение динамических характеристик волнового поля в зависимости от угла поворота зондирующего луча относительно оси симметрии трещинности - высокие значения амплитуды записи Р-волны в направлении трещин и значительное падение интенсивности (в 10 раз) в сторону оси симметрии трещинности. На фоне резких различий в форме, амплитуде и видимой частоте зондирующего сигнала наблюдаются изменения времени вступления Р-волны. Подобная волновая картина, наблюдаемая при различных азимутальных углах просвечивания трещиноватой системы и обусловленная упорядоченным распределением микровключений, имитирующих трещины, вполне объяснима. Прежде всего, наблюдаемое в кинематике волнового поля чрезвычайно слабое проявление скоростной анизотропии связано с очень низкими значениями объемной трещинной пористости модели. Наблюдаемое запаздывание Р-волны в условиях практически нулевой пористости модели и при этом значительное падение интенсивности записи связано с рассеянием волны на поверхности трещин. Наблюдаемые волновые эффекты свидетельствуют о волновой анизотропии облучаемой трещинной модели, которая четко проявилась в динамических характеристиках записи и является признаком прогноза направления распространения трещиноватости. Приведенные результаты физического моделирования, полученные на физических моделях, могут служить основанием подтверждения адекватности предложенного способа создания искомых трещинных физических моделей с возможностью различного наполнения трещин.
Предложенная модель расширяет возможность имитации широкого набора реальных трещинных объектов, подобных геологическим моделям нефтегазовых коллекторов, и отличается от известных моделей возможностью имитации трещинной системы заданной формы и с произвольной их ориентацией в пределах системы. Важно отметить возможность изменения геометрических параметров и раскрытости трещин при различном флюидонаыщении пустотного пространства.
Предложенный способ изготовления модели достаточно прост в осуществлении и предоставляет возможность варьирования параметров, которые имитируют модели, для широкого использования при решении как научно-исследовательских, так и прикладных методических задач на этапе проектирования и выполнения сейсморазведочных работ.