СПОСОБ ВИБРАЦИОННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
METHOD OF VIBRATION SEISMIC SURVEY

Изобретение относится к геофизическим методам исследования геологической среды и предназначено, главным образом, для поисков и разведки месторождений нефти, а также для увеличения нефтеотдачи залежей нефти на этапе эксплуатации месторождений.
Вибрационная сейсморазведка (вибросейсморазведка) основывается на протяженном во времени возбуждении колебаний, которое может быть реализовано в виде квазигармонических переменных по частоте нагрузок, при которых точки среды совершают вынужденные колебания в соответствии с частотой приложения внешней нагрузки.
Метод управляемого виброакустического воздействия на продуктивные нефтенасыщенные пласты разрабатывается с 1970-х годов. В настоящее время он широко апробирован в различных сейсмогеологических условиях для интенсификации скважинной добычи углеводородов. Существует много экспериментальных работ, свидетельствующих о том, что воздействие на нефтенасыщенный пласт с частотами, близкими к резонансным частотам нефтяной залежи, увеличивает приток нефти к исследуемой скважине и уменьшает ее обводненность (Алелюхин и др., 2004; Жуков и др., 2011; Барабанов, 2013). Интенсивность низкочастотного вибросейсмического воздействия на нефтяные залежи с земной поверхности составляет менее 10 Вт/см, что на несколько порядков меньше удельной акустической мощности, необходимой по данным лабораторных экспериментов для влияния на физические процессы в пористых флюидонасыщенных средах. Несоответствие результатов натурных и лабораторных испытаний, а также качественный характер представлений о механизме взаимодействия вибросейсмических колебаний малой интенсивности с нефтяной залежью предопределили экспериментальный характер работ по созданию эффективного способа вибрационной обработки нефтепродуктивных пластов с земной поверхности.
Вначале нефть из коллектора добывается благодаря тому, что первичное давление в нем является более высоким, чем действие комплексных сил прилипания флюида к пористой среде. Когда в процессе добычи давление понижается, достигается точка равновесия, в которой силы адгезионного взаимодействия являются более значительными, чем остаточное давления в продуктивном пласте. При этом большая часть нефти все еще остается в коллекторе. Считается, что в среднем оно может достигать 85% нефти, которая находилась в коллекторе первоначально. Поэтому целью всех разрабатываемых способов является увеличение добычи нефти, связанное с преодолением сил сцепления в коллекторе.
Одной из основных причин этих сил сцепления является смачиваемость коллектора. Она влияет на его капиллярное давление, его относительную проницаемость и другие свойства. В случае, когда порода не проявляет никакого сильного сродства относительно любого флюида, считают, что ее смачиваемость должна быть нейтральной или промежуточной.
Опыт работы с виброисточниками, накопленный в результате проведения множества исследований, привел к заключению о том, что они должны быть надежными, недорогостоящими, долговечными и синхронизируемыми с собственной частотой геологических формаций. Было установлено, что эффективная собственная частота колебаний залежи находится обычно в диапазоне от 0.5 до 5 Гц и может обеспечивать звуковое давление порядка от 2 до 20 МПа в зависимости от давления, преобладающего в коллекторе (Янтурин и др., 1986). Вместе с тем оказалось, что частота собственных (доминантных) колебаний может достигать 100 Гц, и в качестве примера приводилось бразильское нефтяное месторождение, где при данной частоте давление составляло 1.67 МПа. В литературе приводятся данные о доминантных частотах, расположенных практически во всем рабочем диапазоне частот, используемом в вибрационной сейсморазведке (Барабанов, 2013).
Было подтверждено, что вибрации обеспечивают достижение различных эффектов в флюидах, содержащихся в формациях. Вибрации освобождают когезионные и адгезионные связи, а также большую часть капиллярных сил, позволяя тем самым углеводородам протекать через формацию. Вибрации, которые распространяются внутри нефтяного коллектора в виде упругих волн, будут изменять угол контакта между формацией и флюидами и снижать коэффициент гидравлического сопротивления. Таким образом, будет иметь место более свободное течение флюида в направлении скважины.
Механизм влияния сейсмического воздействия на природный коллектор нефтяных месторождений представляет собой сложную цепочку взаимосвязанных процессов (Алелюхин и др., 2004). Сейсмическое воздействие приводит к возбуждению слабых электромагнитных полей в насыщенных пористых средах. Наиболее интенсивные поля генерируются в поле поперечных волн путем периодических смещений двойного электрического слоя вдоль поверхности минеральный скелет - жидкость. Это проявляется в виде изменения эффективного краевого угла смачивания. При благоприятных обстоятельствах электромагнитные возмущения могут изменять смачиваемость природного коллектора в сторону ее большей нейтральности.
Известен способ увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора и устройство для его осуществления (патент РФ № 2097544). В этом способе одновременно воздействуют на геологическую формацию упругими звуковыми волнами и электрическим нагревом. Для этого в скважине над нефтяным коллектором предварительно создают изоляционный мост путем выполнения полости вырезанием части обсадной колонны и заполнением этой полости изолирующим материалом. Подачу электрического тока к нефтяному коллектору осуществляют по части обсадной колонны, расположенной ниже изоляционного моста через закрепленные на вибраторе механические или гидроприводные соединители от вибратора или по электрическому проводнику, связывающему вибратор с гидропроводными соединителями, расположенными над изоляционным мостом. Электрический ток к вибратору или к гидропроводным соединителям, расположенным над изоляционным мостом, подают по электрическому кабелю, эксплуатационной колонне или изолированной обсадной колонне. Используют различные типы вибраторов. Этот способ создает вибрации формаций в нефтяном коллекторе с частотой, наиболее приближенной к собственной частоте формаций для уменьшения адгезионных сил между формациями и нефтью. Недостатком данного способа является сложность используемых в нем устройств и самой по себе технологии, предполагающей вторжение в процесс эксплуатации скважин оборудованием стандартного типа.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ разработки обводненного нефтяного месторождения (патент РФ № 2197603), включающий вскрытие пласта по меньшей мере одной нагнетательной и одной эксплуатационной скважинами, определение местонахождения одного или более обводненного участка месторождения с неподвижной нефтяной фазой и сейсмическое воздействие на пласт по меньшей мере от одного источника колебаний. Отличия этого способа состоят в том, что в нем проводят построение диаграммы направленности излучения источника колебаний по поперечным волнам, определяют по ней области максимальных амплитуд поперечных волн, а источник колебаний устанавливают таким образом, чтобы граница обводненного участка месторождения с неподвижной нефтяной фазой и перфорированный интервал эксплуатационной скважины одновременно находились в области максимальных амплитуд поперечных волн, при этом сейсмическое воздействие осуществляют до необратимых изменений естественного электрического потенциала или его порового давления или скачкообразных изменений его относительных фазовых проницаемостей.
Недостатки прототипа состоят в следующем:
1. В нем совершенно не учитывается собственная (доминантная) частота колебаний нефтяной залежи.
2. Пространственная диаграмма направленности виброисточника требует пространственных наблюдений в окрестности источника, что неизбежно усложняет технологию проведения работ.
3. Область максимальных амплитуд поперечных волн определить так, чтобы она совпадала с границей обводненного участка, в условиях сложно построенных сред практически невозможно, поскольку для этого необходимо провести детальнейшие многоволновые исследования методом ВСП в окрестности скважины, которые усложняют и удорожают проведение работ предлагаемым способом.
4. Виброисточники поперечных волн работают крайне неустойчиво при их продолжительной работе, необходимой для вибровоздействия на пласт. Между зубьями (грунтозацепами) платформы и грунтом в процессе возбуждения колебаний возникает люфт. Он опасен в том случае, когда его величина больше, чем амплитуда свободного перемещения опорной плиты вибратора, в результате чего плита начинает касаться грунта. Поскольку при заданной силе перемещение опорной плиты зависит от частоты, то влияние люфтов по-разному сказывается в начале и в конце сеанса вибрации источника. Проскальзывание опорной плиты смещает частотный спектр поперечных волн в сторону понижения и тем самым ухудшает параметры виброисточника, первоначально настроенного на какую-либо фиксированную частоту.
Цель предлагаемого способа вибрационной сейсморазведки - расширение ее функциональных возможностей.
Поставленная цель достигается тем, что в способе вибрационной сейсморазведки, включающем возбуждение сейсмических колебаний виброисточниками, расположенными в приповерхностной зоне, при помощи непрерывного или монохроматического свип-сигнала и регистрации колебаний сейсмоприемниками, установленными в приповерхностной зоне или в скважине, многократно возбуждают колебания путем чередования широкополосных и монохроматических свип-сигналов, при этом после регистрации сигналов от широкополосного свип-сигнала выделяют резонансные сейсмические колебания, сформированные нефтяной залежью, после чего возбуждают монохроматические колебания на выделенной резонансной частоте. Продолжительность возбуждения сигналов на резонансной частоте берут не менее чем на три порядка большей, чем продолжительность сигналов при возбуждении колебаний в широкой полосе частот, а удаление виброисточников от проекции на земную поверхность центра нефтяной залежи берут соизмеримым с глубиной залежи.
По сравнению с прототипом предлагаемый способ вибрационной сейсморазведки в соответствии с изобретением характеризуется такими существенными отличиями:
- способом получения входной информации, целенаправленно включающим чередование возбуждения колебаний при помощи широкополосного и монохроматического свип-сигналов;
- мониторингом изменения резонансной частоты, возбуждаемой нефтяной залежью в процессе вибровоздействия на нее;
- возбуждением продольных колебаний на наклонных сейсмических лучах с возможностью формирования поперечных волн в результате обмена на резких границах, расположенных над залежью.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
При возбуждении сейсмических колебаний в широкой полосе частот на сейсмической записи, полученной в приповерхностной зоне и внутри среды, известными способами обработки выделяют резонансные колебания, обусловленные помехами и полезными сигналами. После отождествления резонансных колебаний на записи с резонансными колебаниями, излучаемыми нефтяной залежью, на данной резонансной частоте возбуждают монохроматические колебания, которые воздействуют на нефтяную залежь, усиливая ее собственные (доминантные) колебания. Поскольку удаление источника колебаний от проекции нефтяной залежи на земную поверхность является значительным (оно соизмеримо с глубиной залежи), сейсмические лучи распространяются на глубину при значительных углах наклона. Акт обмена продольных волн на поперечные не приводит к изменению частоты, поэтому возникающие при обмене поперечные волны будут иметь такую же частоту, какую имели продольные волны, при возбуждении которых не возникает отмеченных выше проблем, связанных с возбуждением поперечных волн непосредственно в источнике. Продолжительность монохроматических колебаний составляет часы и более. За это время параметры нефтяной залежи могут существенно измениться, а вместе с их изменением может измениться и возбуждаемая в них резонансная частота. При длительном вибросейсмическом воздействии на нефтепродуктивный пласт наблюдается смещение максимума реакции сейсмической эмиссии горных пород в сторону более высоких доминантных частот (Барабанов, 2013). О том, какова стала эта доминантная частота, можно судить при обработке повторно полученной записи, которая возбуждается при помощи свип-сигнала в широкой полосе частот. Спектр целевого сигнала, по которому будет проводиться настройка возбуждаемых монохроматических сигналов, можно получить непосредственно путем регистрации сигналов внутри среды при проведении вертикального сейсмического профилирования.
Способ осуществляют следующим образом.
В приповерхностной зоне устанавливают сейсмоприемники в точке, совпадающей с проекцией на земную поверхность центра нефтяной залежи, а также на расстояниях от этой точки, соизмеримых с глубиной залежи. На расстояниях, соизмеримых с глубиной залежи, в разных азимутах устанавливают виброисточники. Вначале по крайней мере один виброисточник возбуждает колебания при помощи свип-сигнала в широкой полосе частот. Вибросигналы, зарегистрированные разными сейсмоприемниками, при помощи взаимной корреляции со свип-сигналом или деконволюции с использованием опорного свип-сигнала переводятся в импульсную форму и интерпретируются на предмет выявления на полученных записях резонансных колебаний, генерируемых нефтяной залежью. Таких резонансных колебаний может быть несколько, в зависимости от парциальных резонансных частот, возбуждаемых в нефтяной залежи. После выявление этих резонансных частот на каждую из них настраивают по меньшей мере один виброисточник, и возбуждают монохроматические колебания, задачей которых является повысить нефтеотдачу залежи.
Внедрение предлагаемого изобретения в практику вибрационной сейсморазведки не требует создания новых технических средств и может быть начато уже в настоящее время. Его использование позволит более обоснованно управлять монохроматическими колебаниями, добиваясь тем самым повышения эффективности вибровоздействия на нефтяной пласт. Технический результат - повышение нефтеотдачи трудноизвлекаемых запасов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
Асан-Джалалов А.Г., Барабанов В.Л., Звездов А.В., Мартос В.Н., Лавров B.C., Николаев А.В., Севальнев А.В. Способ разработки обводненного нефтяного месторождения // Патент РФ №2197603, опубл. 27.01.2003. Олав Эллингсен, Карлос Роберто Корвальо Де Оллевен, Карло Альберто Де Кастро Гонкальвес, Эвуклидес Хосе Бонет, Пауло Хосе Виллани Де Андраде, Роберто Франсиско Мессомо // Способ увеличения добычи нефти из нефтяного коллектора и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2097544, опубл. 27.11.1997.
Алелюхин Н.П., Асан-Джалалов А.Г., Барабанов В.Л., Лавров B.C., Николаев А.В. Повышение нефтеотдачи сейсмическим воздействием на пласт // Приборы и системы разведочной геофизики, №3, 2004. С. 39-41.
Барабанов В.Л. Сейсмическое воздействие на нефтяные залежи: проблемы и перспективы // Нефтесервис, №3 (23), 2013. С. 26-27.
Барабанов В.Л. Об избирательности динамического отклика проницаемых пористых сред на сейсмическое воздействие // Триггерные эффекты в системах. Материалы второго Всероссийского семинара-совещания, г. Москва, 18-21 июня 2013 г. С. 94-101.
Жуков А.П., Колесов С.В., Шехтман Г.А., Шнеерсон М.Б. Сейсморазведка с вибрационными источниками. Тверь, 2011. 412 с.
Янтурин А.Ш., Рахимкулов Р.Ш., Кагарманов Н.Ф. Выбор частот при вибрационном воздействии на призабойную зону пласта // Нефтяное хозяйство. №12, 1986. С. 40-42.