ИЗМЕРЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ РАДИАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
MEASUREMENT OF PERMEABILITY OF ROCKS BY RESONANT METHOD OF RADIAL VIBRATIONS

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Приоритет настоящей заявки основан на предварительной заявке US 61/020495, поданной 11 января 2008 г., содержание которой во всей полноте в порядке ссылки включено в настоящую заявку.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к методу измерения проницаемости толщ пород.
Уровень техники
При ведении разведочных работ на нефть и газ важно осуществлять точные измерения свойств толщ (пластов) пород. В частности, важно с высокой степенью точности определять различные свойства, чтобы эффективно использовать буровое оборудование.
Обычно для получения доступа к нефти и газу в толще пород бурят скважину. Скважина также обеспечивает доступ для осуществления измерений в толщах пород.
Одним из методов, используемых для осуществления измерений характеристик пластов пород из ствола скважины, является скважинный каротаж. В одном из вариантов осуществления в ствол скважины спускают "каротажный прибор", расположенный на одном конце каротажного кабеля. Каротажный прибор посредством каротажного кабеля передает данные на поверхность для регистрации. Выходные данные каротажного прибора существуют в различных формах и могут именоваться "каротажной диаграммой". Для получения информации о толщах пород осуществляют измерения множества типов. Измерения одного из типов предусматривают определение проницаемости толщи пород.
Проницаемость толщи пород важно знать, поскольку она является показателем способности толщи пород пропускать флюиды, такие как углеводороды. Проницаемость толщи пород можно использовать для определения количества углеводородов, которое может быть извлечено из пласта.
Таким образом существует потребность в методах каротажа проницаемости толщ пород.
Раскрытие изобретения
(1)
В изобретении предлагается способ определения проницаемости пористой среды толщи (пласта) породы, в котором помещают каротажный прибор в ствол пробуренной через пористую среду скважины, который заполнен скважинным флюидом; измеряют давление p акустической волны в стволе скважины вблизи границы между пористой средой и стволом скважины, при этом акустическая волна имеет частоту, близкую резонансной частоте системы, включающей ствол скважины и пористую среду; вычисляют проницаемость на основании давления и предоставляют пользователю данные проницаемости в виде выходных данных.
(1)
Также предлагается устройство для определения проницаемости пористой среды в толще пород, через которую пробурен ствол скважины, имеющее источник акустических волн для генерации вступающей акустической волны в ствол скважины преимущественно в радиальном направлении по отношению к продольной оси ствола скважины, который заполнен скважинным флюидом; приемник акустических волн для приема акустической волны от пористой среды, расположенный в стволе скважины вблизи границы между пористой средой и стволом скважины; и электронный блок для измерения давления p принимаемой приемником акустической волны, которая имеет частоту, близкую резонансной частоте системы, включающей ствол скважины и пористую среду, вычисления проницаемости на основании давления и предоставления пользователю данных проницаемости в виде выходных данных.
(1)
Дополнительно предлагается компьютерный программный продукт, содержащий машиночитаемые команды, хранящиеся на машиночитаемом носителе данных, для определения проницаемости пористой среды в толще пород, через которую пробурен ствол скважины, заполненный скважинным флюидом, при этом продукт содержит команды, при исполнении которых в вычислительном средстве (компьютере) обеспечивается определение резонансной частоты системы, включающей ствол скважины и пористую среду; измерение давления p акустической волны в стволе скважины вблизи границы между пористой средой и стволом скважины, при этом акустическая волна имеет частоту, близкую резонансной частоте системы; вычисление проницаемости на основании давления и предоставление пользователю данных проницаемости в виде выходных данных.
Краткое описание чертежей
Рассматриваемый в качестве изобретения объект конкретно указан и ясно охарактеризован в формуле изобретения, следующей за описанием. Названные выше и другие задачи, признаки и преимущества изобретения будут лучше понятны из следующего далее подробного описания, рассматриваемого в сочетании с сопровождающими его чертежами, на которых сходные элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых:
на фиг.1 проиллюстрирован один из примеров осуществления каротажного прибора в стволе скважины, пробуренной в толще пород,
на фиг.2А и 2Б, в целом обозначенных как фиг.2, представлены особенности акустических волн в толще пород,
на фиг.3 - диаграммы относительного давления на стенку ствола скважины на резонансной частоте и частоте, близкой к резонансной частоте,
на фиг.4 - один из примеров осуществления компьютера, связанного с каротажным прибором, и
на фиг.5 - один из примеров способа измерения проницаемости толщи пород изнутри ствола скважины.
Подробное описание осуществления изобретения
В изобретении предложены методы определения проницаемости пористой среды в толще пород, в которой пробурен ствол скважины. В основу методов положено установление зависимости между проницаемостью и несколькими факторами, такими как пористость пористой среды, скорости распространения звука в среде ствола скважины и в пористой среде, вязкость флюида в среде ствола скважины и пластового флюида и влияние акустической волны, резонирующей в толще пород, на давление пластового флюида. Если эти несколько факторов известны или измерены, можно определить проницаемость. Методы предусматривают использование способа и устройства для определения проницаемости.
Перед тем как перейти к подробному описанию изобретения, будут даны некоторые определения. Термин "проницаемость" относится к способности толщи пород пропускать флюид. Термин "среда ствола скважины" или "скважинный флюид" относится к флюиду, заполняющему ствол скважины. Термин "пористая среда" относится к толще (пласту) пород, которая включает пористую матрицу, заполненную пластовым флюидом. Термин "акустическая система" относится к акустической структуре, образованной пористой средой толщи пород и стволом скважины, заполненным средой ствола скважины. Термин "резонансная частота" относится к частоте акустической волны, которая создается радиальными колебаниями в акустической системе. Радиальные колебания образуются в результате наложения вступающей акустической волны и отраженной акустической волны. Радиальные колебания на резонансной частоте могут именоваться "собственной волной". Обычно амплитуда собственной волны превышает амплитуду вступающей акустической волны или отраженной акустической волны.
Рассмотрим фиг.1, на которой представлен один из вариантов осуществления прибора 10 скважинного каротажа, расположенного в стволе 2 скважины. Ствол 2 скважины пробурен в земной толще 7 и проходит через толщи 4 пород, которые включают различные слои (пласты) 4А-4Е. Каротажный прибор 10 обычно спускают в ствол 2 скважины и извлекают из него с помощью армированного электрического кабеля 6 или аналогичного средства доставки, известного из уровня техники. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.1, показано, что внутри каротажного прибора 10 находится источник 3 акустических волн и акустический приемник 5. На фиг.1 также показан электронный блок 9, находящийся внутри прибора 10. Электронный блок 9 управляет работой источника 3 акустических волн и акустического приемника 5. Кроме того, электронный блок 9 обрабатывает выходные данные акустического приемника 9. Выходные данные используются для определения проницаемости слоя толщи 4 пород.
В некоторых вариантах осуществления в стволе 2 скважины находятся вещества, которые встречаются при ведении разведки на нефть, включая смесь жидкостей, таких как вода, буровой раствор, буровая грязь, нефть и пластовые флюиды, которые свойственны различным толщам пород. Эти вещества именуются средой 8 ствола скважины, показанной на фиг.1. Специалист в данной области техники согласится, что различные структуры, которые могут встречаться под землей, могут именоваться "толщами пород". Соответственно, следует учесть, что, хотя термин "толща пород" в целом относится к интересующим геологическим формациям, используемый в описании термин "толщи пород" может в некоторых случаях включать любые интересующие геологические точки (такие, как район исследований).
С точки зрения настоящего описания предполагается, что ствол 2 скважины является вертикальным, а толщи 4 пород горизонтальными. Вместе с тем идеи настоящего изобретения в равной мере применимы к наклонным или горизонтальным скважинам или слоям 4А-4Е, залегающим под любым произвольным углом.
Идеи изобретения также применимы для каротажа во время бурения (LWD, от английского - logging while drilling) и каротажа в необсаженном стволе скважины и обсаженном стволе скважины (в перфорированной зоне). В случае LWD каротажный прибор 10 может находиться на утяжеленной бурильной трубе. В случае LWD бурение может временно приостанавливаться во избежание вибраций во время использования каротажного прибора 10 для измерения проницаемости слоя толщи 4 пород.
На фиг.2 проиллюстрированы особенности распространения акустических волн в слое толщи 4 пород, например слое 4С (слой 4С используется в качестве примера любого слоя толщи 4 пород). Как показано на фиг.2А, источник 3 акустических волн генерирует вступающую акустическую волну 21 в радиальном направлении (в плоскости X-Y) относительно каротажного прибора 10 (радиальные направления перпендикулярны продольной оси 25, показанной на фиг.2А). Вступающая акустическая волна 21 распространяется через среду 8 ствола скважины и вглубь слоя 4С. Вступающая акустическая волна 21 может частично или полностью отражаться от границы между слоем 4С (пористой средой) и стволом 2 скважины и образовывать отраженную акустическую волну 22. Отраженная акустическая волна 22 может приниматься акустическим приемником 5, расположенным вблизи границы между слоем 4С и стволом 2 скважины. После того как в акустический приемник 5 поступила суммарная величина вступающей акустической волны 21 и отраженной акустической волны 22, электронный блок 9 может обработать соответствующие выходные данные акустического приемника 5. Путем обработки можно определить амплитуду или давление собственной волны.
Существует ряд частот вступающей акустической волны 21 в стволе 2 скважины, на которых отраженная акустическая волна 22 резонирует с вступающей акустической волной 21. Если частота вступающей акустической волны 21 равна резонансной частоте акустической системы (образованной слоем 4С и стволом 2 скважины, заполненным средой ствола скважины), может возникнуть условие резонанса. При возникновении условия резонанса может формироваться собственная волна. Собственная волна формируется в результате наложения друг на друга вступающей акустической волны 21 и отраженной акустической волны 22. Собственная волна формируется, когда вступающая акустическая волна 21 и отраженная акустическая волна 22 обычно совпадают по фазе. Как правило, амплитуда собственной волны превышает амплитуду как вступающей акустической волны 21, так и отраженной акустической волны 22.
1
2
Как показано на фиг.2А, радиус каротажного прибора 10 обозначен как r. Радиус ствола 2 скважины обозначен как r. На фиг.2А также показана гидродинамическая скорость  среды 8 ствола скважины, гидродинамическая скорость  пластового флюида или электролита в слое 4С толщи 4 пород и гидродинамическая скорость  пористой матрицы в слое 4С.
На фиг.2Б проиллюстрирован вид сверху ствола 2 скважины, на котором представлены особенности собственной волны. Как показано на фиг.2Б, собственная волна 23 формируется, когда частота вступающей акустической волны 21 близка резонансной частоте акустической системы (образованной пористой средой слоя 4С и стволом 2 скважины, заполненным средой 8 ствола скважины). Собственная волна 23 распространяется преимущественно радиально (в плоскости X-Y) продольной оси 25 ствола 2 скважины. Для измерения амплитуды или давления собственной волны 23 используется акустический приемник 5.
На фиг.3 проиллюстрированы диаграммы относительного давления на стенку ствола 2 скважины вступающей акустической волны 21 на резонансной частоте и частоте, близкой к резонансной частоте. На диаграмме 31 представлено повышение (или скачок) относительного давления на резонансной частоте 15,41 кГц. На диаграмме 32 представлено повышение (или скачок) относительного давления на частоте 15 кГц, близкой к резонансной частоте. Скачок относительного давления на резонансной частоте превышает скачок относительного давления на частоте, близкой к резонансной частоте, вследствие того, что амплитуда собственной волны 23 превышает амплитуду вступающей акустической волны 21 или отраженной акустической волны 22.
Резонансная частота акустической системы, которая включает среду 8 ствола скважины и пористую среду слоя 4С, может зависеть от вязкости среды 8 ствола скважины. Таким образом, путем изменения вязкости среды 8 ствола скважины можно сместить резонансную частоту акустической системы. Путем смещения резонансной частоты акустической системы можно обеспечить более чувствительный режим определения проницаемости пористой насыщенной среды толщи 4 пород.
Вступающая акустическая волна 21 может генерироваться одним источником 3 акустических волн или множеством источников 3 акустических волн. Вступающая акустическая волна 21 может представлять собой по меньшей мере последовательность импульсов акустических волн или непрерывную акустическую волну. Последовательность импульсов акустических волн позволяет акустическому приемнику 5 и электронному блоку 9 легко отделять вступающую акустическую волну 21 от отраженной акустической волны 22 (когда частота вступающей акустической волны 21 не находится вблизи резонансной частоты) во временной области. Непрерывная акустическая волна может обеспечивать улучшенное отношение сигнал-шум.
Частоту вступающей акустической волны 21 можно изменять с целью определения резонансной частоты по меньшей мере одного из слоев толщи 4 пород. Частоту можно изменять с использованием, по меньшей мере, последовательности импульсов акустических волн (в которой каждый импульс имеет отличающуюся частоту) или непрерывной акустической волны. После достижения резонансного условия формируется собственная волна 23.
Проницаемость пористой насыщенной среды (например, слоя 4С толщи 4 пород) можно определить на основании следующих уравнений. Давление на стенку ствола 2 скважины вследствие амплитуды собственной волны 23 используется в качестве входных данных для определения проницаемости. Также известны или другими способами могут быть измерены другие переменные параметры.
ch
l
0
Характеристическая частота f слоя может быть представлена посредством коэффициента трения χ (также именуемого кинетическим феноменологическим коэффициентом), в результате чего получают уравнение ), в котором η означает вязкость флюида, ρ означает парциальную плотность флюида, ρ означает плотность пористой насыщенной среды (слоя толщи 4 пород), a k означает проницаемость.
В основу теории, описывающей радиальные колебания для измерения проницаемости в пористой среде, которая насыщена пластовым флюидом, положен линеаризованный вариант теории нелинейной фильтрации. В такой теории за основу начального множества дифференциальных уравнений принимают следующие законы сохранения:
закон сохранения полной массы:
законы сохранения энтропии, энергии и количества движения:
первый закон термодинамики:
ik
уравнение, описывающее эволюцию метрического тензора деформаций матрицы g (в котором матрица моделирует пористую среду):
уравнение движения для пластового флюида (или электролита) в пористой среде:
Полная энергия может быть выражена следующим уравнением:
В представленных уравнениях используется следующая нотация:
s
0
ρ, µ, ρ, означают плотность пористой среды, которая насыщена пластовым флюидом, парциальную плотность пластового флюида в порах пористой среды и парциальную плотность пористой среды соответственно; S, E, E означают энтропию, энергию и внутреннюю энергию на единицу объема пористой среды, насыщенной пластовым флюидом, соответственно; u, v означают скорости пористой среды и пластового флюида, содержащегося в пористой среде; µ, T означают химический потенциал и температуру согласно первому закону термодинамики; и  означает инвариантную составляющую количества движения.
Уравнение полной энергии выводят из используемого в теории гидродинамики уравнения энергии, перенесенного на двухскоростную сплошную среду. В правой части уравнения движения для текучей составляющей содержится движущая сила. Эта движущая сила является линейной по отношению к градиентам термодинамических переменных, чьи значения в равновесных условиях являются постоянными в пределах масштаба системы. Физическая сущность этой теории определяется зависимостью потоков от термодинамических переменных и может быть однозначно охарактеризована следующими физическими принципами общего характера: инвариантностью этих уравнений относительно трансформации Галилея, законами сохранения и вторым принципом термодинамики для неравновесных систем. Исходя из этих принципов, можно определить зависимости потоков и сил от термодинамических степеней свободы:
для тензора напряжений (обобщение формул Мурнагана применительно к деформированной пористой среде):
ik
где δ означает символ Кронекера;
для тензора плотностей потока количества движения:
С помощью этого термодинамического уравнения определяют давление:
для потока энергии:
для диссипативной функции:
для термодинамических сил путем ввода кинетических феноменологических коэффициентов χ:
.
В этих уравнениях не учитываются эффекты, связанные с переносами концентраций загрязняющих соединений. В них также не включены кинетические эффекты скалярного и тензорного характера. В потоках с необратимым вектором не принимаются во внимание эффекты удельной теплопроводности. Уравнение состояния можно получить как произвольным путем, так и аппроксимацией Гука путем расширения внутренней энергии согласно термодинамическим степеням свободы до кубических членов последовательности, как это описано в работе A.M.Blokhin и V.N.Dorovsky, "Mathematical modelling in the theory of multivelocity continuum", Нью-Йорк, издательство Nova Science Publishers Inc., 1995 г., стр.192.
В этих уравнениях описана фильтрация электролита (или пластового флюида) в пористой матрице, испытывающей произвольные упругие деформации.
Акустическое поле во флюиде описывается линейными уравнениями, которые задают скорость гидродинамических колебаний во флюиде:
p0
в котором c означает скорость распространения звука во флюиде.
Акустическое поле в пористой среде, которая насыщена пластовым флюидом, можно описать следующими уравнениями:
l
s
0
l
s
1
3
в которых p, p означают парциальные плотности флюида и твердого вещества соответственно; p=p+p, α являются величинами, которые следующим образом заданы тремя модулями упругости λ, µ, α:
3
Эти три модуля упругости λ, µ, α получают согласно приведенным далее формулам с использованием акустических скоростей, измеренных на высокой частоте:
p1
p2
t
в которых c означает первую продольную скорость пористой среды, c означает вторую продольную скорость пористой среды, а c означает общую скорость пористой среды.
В дальнейшем при указании граничных условий для приведенных выше уравнений заключенные в скобки показатели степени соответствуют значениям, относящимся к флюиду (или среде 8 ствола скважины) (0) и пористой среде (1):
1) на поверхности источника, который возбуждает колебания во флюиде в стволе 2 скважины:
2
2) на границе ствола 2 скважины и пористой среды (толщи 4 пород) (r=r, смотри фиг.2А):
0
u,v
в которых d означает пористость пористой среды, а φ означают потенциалы, которые задают скорость радиальных колебаний среды:
Составляющие тензоров напряжений и давлений определяют посредством скоростей смещения в общей форме следующим образом:
С целью определения проницаемости k приведенная выше система уравнений (Уравнения с (1) по (39)) может быть решена с использованием вычислительных методов численного анализа, известных специалистам в области численного анализа.
Обычно в приборе 10 скважинного каротажа предусмотрены возможности адаптации, которые могут быть необходимы для обеспечения работы во время бурения или по завершении процесса бурения.
Рассмотрим фиг.4, на которой проиллюстрировано устройство для реализации идей изобретения. Показанное на фиг.4 устройство содержит компьютер 40, связанный с прибором 10 скважинного каротажа. Обычно компьютер 40 содержит компоненты, необходимые для обеспечения обработки данных в режиме реального времени, поступающих от прибора 10 скважинного каротажа. Примеры компонентов включают без ограничения по меньшей мере один процессор, среду для хранения, память, устройства ввода, устройства вывода и т.п. Поскольку эти компоненты известны специалистам в данной области техники, они подробно не представлены в изобретении.
Обычно некоторые из идей изобретения приводят к виду алгоритма, который хранится на машиночитаемом носителе. Алгоритм реализуется компьютером 40 и обеспечивает операторов желаемыми выходными данными. Выходные данные обычно генерируются в режиме реального времени.
Каротажный прибор 10 может использоваться для обеспечения осуществляемых в режиме реального времени измерений проницаемости пористой среды толщ 4 пород. В контексте настоящего изобретения генерация данных "в режиме реального времени" означает генерацию данных со скоростью, которая применима или приемлема для принятия решений в течение или одновременно с такими процессами, как добыча, экспериментальные работы, проверка и исследования или эксплуатация других типов, которые могут быть выбраны пользователем или оператором. Соответственно, следует признать, что термин "в режиме реального времени" следует интерпретировать в контексте изобретения, и он необязательно означает мгновенное получение данных или предполагает какую-либо периодичность сбора и получения данных.
При реализации идей изобретения может осуществляться контроль качества данных на высоком уровне. Например, контроль качества может достигаться известными методами итеративной обработки и сравнения данных. Соответственно, предусмотрено, что могут использоваться дополнительные поправочные коэффициенты и другие особенности обработки в режиме реального времени. Пользователь преимущественно может применять к данным желаемый допуск на контроль качества и тем самым устанавливать равновесие между скоростью получения данных и степенью качества данных.
На фиг.5 представлен один из примеров способа 50 измерения проницаемости пористой среды толщ 4 пород. При осуществлении способа 50 (на шаге 51) помещают каротажный прибор 10 в ствол 2 скважины, которая пробурена через пористую среду. Затем (на шаге 52) измеряют давление акустической волны в стволе 2 скважины, заполненном средой 8 ствола скважины, вблизи границы между пористой средой и стволом 2 скважины. На шаге 52 акустическая волна имеет частоту, близкую к резонансной частоте пористой среды. Акустической волной может являться собственная волна 23. Далее (на шаге 53) вычисляют проницаемость на основании давления. Кроме того, (на шаге 54) проницаемость в виде выходных данных предоставляют пользователю.
Для обеспечения идей изобретения могут использоваться различные компоненты для анализа, включая цифровые и(или) аналоговые системы. Например, цифровые и(или) аналоговые системы могут использоваться в электронном блоке 9. Система может иметь такие компоненты, как процессор, запоминающая среда, память, устройство ввода, устройство вывода, канал связи (проводной, беспроводной, гидроимпульсный, оптический или иной), пользовательские интерфейсы, программу системы программного обеспечения, процессоры обработки сигналов (цифровой или аналоговой) и другие подобные компоненты (такие, как резисторы, конденсаторы, индукторы и другие) для обеспечения работы устройства и способов анализа, описанных в изобретении, любым из различных путей. Считается, что идеи изобретения могут, но не обязательно должны, быть реализованы в сочетании с набором выполняемых компьютером команд, хранящихся на считываемом компьютером носителе, включая память (ПЗУ, ОЗУ), оптические (ПЗУ на компакт-дисках) или магнитные (диски, жесткие диски) носители или носители любого другого типа, при считывании которых компьютер осуществляет способ согласно настоящему изобретению. Эти команды могут обеспечивать работу оборудования, управление, сбор и анализ данных и другие функции, которые сочтут важными для системы ее разработчик, владелец, пользователь или другие лица, помимо описанных в изобретении функций.
Кроме того, для осуществления особенностей описанных в изобретении идей могут использоваться или быть предусмотрены различные иные компоненты. Например, для обеспечения различных рассмотренных в изобретении особенностей или иных функций за рамками описания может использоваться источник питания (например, по меньшей мере одно из следующего: генератор, источник дистанционного питания и батарея), охлаждающее устройство, нагревательное устройство, источник движущей силы (такой, как сила поступательного движения, сила тяги или вращающая сила), датчик, передатчик, приемник, приемопередатчик, контроллер, усилитель, электрическое устройство или электромеханическое устройство.
При обозначении элементов изобретения используется неопределенный артикль. Подразумевается, что артикль означает наличие одного или нескольких элементов. Подразумевается, что термины "включающий" и "имеющий" являются инклюзивными, то есть допускающими наличие дополнительных элементов, помимо тех, которые перечислены.
Хотя изобретение описано со ссылкой на примеры осуществления, подразумевается, что специалисты в данной области техники могут внести в него различные изменения и заменить его элементы эквивалентами, не выходящими за пределы объема изобретения. Кроме того, могут быть внесены многочисленные усовершенствования с целью адаптации идей изобретения к конкретному прибору, ситуации или материалу, не выходящие за пределы объема изобретения. Таким образом подразумевается, что изобретение не ограничено описанными частными вариантами осуществления в качестве лучшего способа, предусмотренного для воплощения настоящего изобретения, а включает все варианты осуществления, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения.