Изменение спектров затухания акустических волн в песчаных коллекторах при различных степенях флюидонасыщенности и микронеоднородности проницаемости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат наук Голиков, Никита Александрович

• Голиков, Никита Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Голиков, Никита Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЗАТУХАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

1.1. Теоретические модели частотной зависимости затухания упругих

волн в пористых средах

1.2. Экспериментальные исследования

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ

СПЕКТРОВ ЗАТУХАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ПЕСЧАНЫХ КОЛЛЕКТОРАХ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННОСТИ

2.1. Методика проведения экспериментов, аппаратура и оборудование

2.2. Петрофизические характеристики исследуемых образцов песчаных коллекторов

2.3. Зависимость скоростей продольных и поперечных волн от степени флюидонасыщенности для песчаников различных типов

2.4. Изменение спектров затухания акустических волн в песчаниках

при различной степени флюидонасыщенности

Глава 3. РАСЧЕТ СПЕКТРОВ ЗАТУХАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

С УЧЕТОМ МИКРОНЕОДНОРОДНОСТИ ПРОНИЦАЕМОСТИ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ БИО

3.1. Постановка задачи

3.2. Обоснование фактора микронеоднородности проницаемости

3.3. Изменение релаксационных спектров затухания волн в средах

с неоднородной проницаемостью

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изменение спектров затухания акустических волн в песчаных коллекторах при различных степенях флюидонасыщенности и микронеоднородности проницаемости»

ВВЕДЕНИЕ

Объект исследования - спектры затухания акустических волн в образцах песчаных коллекторов на предмет определения их изменения в зависимости от степени флюидонасыщенности и микронеоднородности проницаемости.

В процессе поиска месторождений нефти и газа важным этапом является прогнозирование наличия и состояния углеводородов в резервуаре и последующее уточнение границ газонасыщенных интервалов коллектора. Современный подход к решению этих задач состоит в использовании спектральных характеристик сейсмических сигналов, прошедших через исследуемый интервал разреза. Известно, что в процессе распространения упругих волн в пористых средах, к которым относятся песчаные коллектора нефти и газа, происходит взаимодействие флюида со стенками пор коллектора, что обусловливает частотную дисперсию скорости и поглощение энергии волн наряду с потерями в твердом скелете, жидкой и газообразной фазах породы. Связь изменения кинематических и динамических характеристик (в частности спектральных) акустического сигнала с состоянием и фильтрационно-емкостными свойствами пород дает принципиальную возможность восстановления характеристик породы при интерпретации данных акустических измерений. Развитие данного метода сдерживаются отсутствием единой теоретической модели распространения акустических волн в микронеоднородных средах с переменной газонасыщенностью, что приводит к несогласованным между собой выводам, полученных на основе разных моделей. Расчеты, выполненные на основе различных физических моделей, показывают, что степень флюидонасыщенности по-разному влияет на скорости и частотно-зависимое затухание акустических волн. Экспериментальных же данных, позволяющих обосновать выбор в пользу той или иной модели, в настоящее время недостаточно. Экспериментальные исследования затухания акустических волн направлены, в основном, на измерение декремента

затухания (или обратной добротности) в узком частотном диапазоне. В то же время из теории распространения акустических волн в насыщенных пористых средах известно, что использование релаксационных спектров затухания может существенно повысить степень достоверности определения петрофизических характеристик коллекторов нефти и газа при обработке данных акустических измерений. Немногочисленные известные из публикаций эксперименты подтверждают, что спектры затухания могут изменяться сложным образом, что приводит к неоднозначной оценке соотношения затухания продольных и поперечных волн, измеренных на фиксированной частоте.

Кроме того, известные модели недостаточно полно учитывают сложность строения пористых сред, обуславливающую микронеоднородность петрофизических характеристик породы, в частности, проницаемость. В теоретических расчетах пористая среда рассматривается как однородная. Микронеоднородность проницаемости, как ключевой петрофизической характеристики породы, не учитывается. Результаты исследования горных пород методами капилляриметрии показывают, что диапазон диаметров поровых каналов, определяющих суммарную проницаемость, может быть широким и порода является однородной только в среднем по объему. Влияние микронеоднородности проницаемости на релаксационные спектры затухания можно проверить расчетами, например на основе решений уравнений теории Био.

Актуальность исследования определяется необходимостью экспериментальных исследований распространения акустических волн в песчаных частично насыщенных коллекторах с использованием новых методик и современной цифровой аппаратуры.

Цель исследования - повышение точности и надежности определения фильтрационно-емкостных свойств и флюидонасыщенности песчаных коллекторов на основе экспериментального исследования изменения спектров затухания акустических волн при различной степени флюидонасыщенности,

исследование влияния микронеоднородности проницаемости на релаксационные спектры затухания акустических волн.

Задачи исследования:

1. Экспериментально исследовать изменения спектров затухания акустических волн в ультразвуковом диапазоне частот в зависимости от степени флюидонасыщенности песчаных пород с различными петрофизическими свойствами.

2. Установить влияние неоднородности проницаемости песчаных коллекторов на спектры затухания ультразвуковых волн на основе теории Био.

Фактический материал, методы исследований и аппаратура

Теоретической базой экспериментальных исследований являются теория распространения акустических волн в упругих и микронеоднородных средах -теория Френкеля-Био, теория «локальных потоков» и др.

Основной метод исследования - лабораторный эксперимент по изучению скоростей и спектров затухания акустических волн на образцах горных пород. Измерения проводились на восьми образцах песчаников с различными петрофизическими свойствами из пласта Ю] Харампурского нефтегазового месторождения на установке ССО-60-90, разработанной в СНИИГГиМСе, позволяющей моделировать на образце пластовые условия. Приемник и источник ультразвуковых волн, входящие в состав установки, модернизированы соискателем для получения широкополосного сигнала. Для возбуждения сигналов использовалась промышленная электронная аппаратура, модернизированная соискателем. Сигналы с приемника ультразвуковых колебаний регистрировались цифровым осциллографом. Из известных сегодня лабораторных методов измерения затухания, использовался метод сравнения с эталоном, который включает: проведение акустических измерений на эталонном и исследуемом образце, обработку зарегистрированных сигналов с вычислением скоростей акустических волн и спектров затухания. Частичная

водонасыщенность создавалась центрифугированием образцов при различных скоростях вращения центрифуги.

Расчет спектров затухания с учетом микронеоднородности проницаемости проводился с использованием решений уравнений теории Био и фактических данных о петрофизических характеристиках и строении порового пространства коллекторов Аю Тянского месторождения нефти. Этот метод численного моделирования включает: расчет параметров модели Био по скоростям акустических волн в насыщенной и сухой породе, измерение петрофизических характеристик образцов, расчет плотности распределения времен релаксации с использованием данных ртутной капилляриметрии, расчет спектров затухания акустических волн для теоретической и фактической функции плотности времен релаксации.

Защищаемые научные результаты

1. Экспериментально установлено:

- влияние степени водонасыщения песчаных коллекторов на акустические параметры проявляется в увеличении отношения спектра затухания продольных к спектру затухания поперечных волн с уменьшением степени водонасыщенности;

- существуют две группы песчаников, различающиеся зависимостью скоростей продольных волн от степени водонасыщенности: для песчаников 1-й группы эта зависимость близка к положительной линейной, у песчаников 2-й -зависимость существенно нелинейная.

2. Объемная неоднородность проницаемости песчаных коллекторов проявляется в виде изменения величины и ширины релаксационного пика и его смещения в область более низких частот, которое возрастает е увеличением степени микронеоднородности проницаемости породы.

Научная новизна и личный вклад

1. Адаптация методики определения декремента затухания акустических волн к определению релаксационных спектров затухания потребовала расширения частотного диапазона измерений акустического сигнала, что было достигнуто уменьшением длительности сигнала с помощью следующих приемов:

- подбором длительности возбуждающего импульса;

- применением длинного демпфера для исключения влияния волны, отраженной от дальнего конца демпфера;

- использованием свинца в качестве протектора, что одновременно обеспечило стабильность контакта датчика с образцом.

2. Экспериментальными исследованиями и расчетами установлено:

- спектры затухания акустических волн трансформируются при изменении степени флюидонасыщенности, что указывает на изменение распределения времен релаксации и, возможно, механизмов релаксации;

- два вида песчаника различаются линейной и нелинейной зависимостью скорости продольной волны от степени флюидонасыщенности;

- расчеты релаксационных спектров затухания упругих волн с использованием решения уравнений теории Био, данных капилляриметрии и петрофизических характеристик образцов песчаных коллекторов показали, что частота максимума затухания сдвигается в область низких частот, следовательно, спектр волны будет более высокочастотным.

Научная и практическая значимость

- использованная методика является вкладом в развитие методической составляющей экспериментальных исследований по определению петрофизических характеристик пород;

- учет трансформации релаксационных спектров затухания и изменения распределения времен релаксации повысит качество построения петрофизических моделей горных пород;

- применение отношения спектра затухания продольной волны к спектру поперечной волны в совокупности с коэффициентом Пуассона повысит степень надежности выделения газонасыщенных интервалов песчаных коллекторов;

- учет микронеоднородности проницаемости пористых сред значительно повысит степень достоверности расчета релаксационных спектров затухания акустических волн.

Использование разработанной методики имеет экономический эффект, так как существенно повышает качество построения модели нефтегазового коллектора при выделении газонасыщенных интервалов по результатам интерпретации данных акустических методов разведки.

Апробация работы

Основные результаты были представлены на конференциях и конгрессах: Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2011» (Новосибирск, 2012), Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2012» (Новосибирск, 2012), Конференция БРЕ «Петрофизика XXI/ РеиорЬ^юй XXI» (Тюмень, 2012).

Полученные научные результаты изложены в 8 публикациях, из которых 1 монография, 4 - статьи в российских рецензируемых научных журналах, рекомендованных Перечнем ВАК, 3 - материалы конференций и международных конгрессов.

Благодарности

Автор _выражает благодарность научному руководителю д.г.-м.н. Э. И. Машинскому за плодотворное сотрудничество, а также д.т.н. И.Н. Ельцову, д.т.н. Ю.И. Колесникову, д. ф-м. н. Б.П. Сибирякову, д.г.-м.н. И.Р.

Оболенцевой, за полезные советы и обсуждения. Автор благодарит коллектив лаборатории за помощь в выполнении экспериментальных работ^

Автор благодарит В.И. Самойлову за помощь в оформлении диссертации.

Глава 1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЧАСТОТНОЙ

ЗАВИСИМОСТИ ЗАТУХАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

1.1 Теоретические модели частотной зависимости затухания

упругих волн в пористых средах

Как известно, теоретические основы распространения упругих волн в пористых средах были заложены [Био 1956а, 1956Ь] и развиты его последователями [Косачевский, 1959; Николаевский, 1963; 1970; Рахматулин, 1956; Бакулин, 1998; веетша, 1961].

Согласно этой теории, породы-коллекторы представляют собой двухфазную среду, твердая фаза которой состоит из отдельных частиц, упакованных давлением вышележащих толщ, и образует твердый остов, обладающий упругими свойствами, отличными от свойств материала частиц. Система сообщающихся пор, пронизывающих остов породы, обусловливает огромную площадь соприкосновения фаз, которая является поверхностью их взаимодействия.

В процессе распространения упругих волн в пористых средах происходит перемещение флюида относительно стенок пор коллектора, сопровождающееся вязким трением, возникают сейсмоэлектрические явления, а также, вследствие различия термодинамических свойств флюида и твердой фазы, создается разность температур и происходит теплообмен между фазами.

Перечисленные явления обусловливают частотную дисперсию скорости и поглощения энергии волн наряду с потерями в твердом остове, твердой, жидкой и газообразной компонентах породы.

Дальнейшее развитие теории связано с введением новых механизмов потерь энергии распространяющихся волн, за счет введения в уравнения Био комплексных параметров учитывались потери от движения частиц скелета в

точках контакта [Stoll and Kan, 1981; Turgut and Yamomoto, 1990; Bakulin and Molotkov, 1998].

Учет зависимости вязких потерь от частоты при движении жидкости относительно скелета предложен в работе [Johnson et al., 1994]. Другие модели пористой среды, отличающиеся от модели Био, предлагались в работах [Акуленко, Нестерова, 2005; Артикова, 1987; Edelman and Wilmanski, 2002].

Наиболее востребованными на сегодня теориями распространения акустических волн в частично насыщенных пористых средах являются теория фрагментарного насыщения (Rock Physics Model) и теория локальных перетоков («squirt flow» и «local flow») [Dvorkin and Nur, 1993; Dvorkin et al., 1999]. Согласно этим теориям, распространяющаяся в частично или полностью насыщенной породе волна вызывает колебательное течение порового флюида относительно скелета породы. Распределение флюида в виде периодических или произвольных «фрагментов» (patchy) позволяет установить сходимость экспериментальных результатов с теоретическими положениями. В работе Мюллера и Гуревича [Muller and Gurevich, 2004] показано, что с использованием такого типа насыщения для различных частот можно получить различные формы зависимостей затухания от водонасыщенности. Установлено соответствие этих зависимостей с полученными экспериментальными данными. Анализ этих кривых проведен совместно с рассмотрением частотных зависимостей затухания (релаксационных спектров затухания).

Таким образом, частотная дисперсия упругого модуля и инверсной добротности может указывать на величину и степень насыщения породы. Дефект упругого модуля определяется величинами низкочастотного (релаксированного) и высокочастотного (нерелаксированного) модулей или иначе модулей низкочастотного и высокочастотного предела. Предполагается, что различие между «пустой» и насыщенной породой определяется различием между релаксированным и нерелаксированным модулями. Как известно, дисперсия упругого модуля связана с поглощением через соотношение Крамерса-Кронига. Характер релаксационного спектра затухания и дисперсия

упругого модуля определяются типом выбранной модели вязкоупругой среды. Наиболее близко отражающей реальные свойства среды и применяемой в настоящее время является модель стандартного линейного тела (или стандартного неупругого тела - в более поздней трактовке).

В модели стандартного неупругого тела затухание Q-1 определяется следующим выражением [Dvorkin et al., 2003; Mavko et al., 1998]:

q-I = д Mr (11)

где CO - круговая частота; Tr = l/2nfr - время релаксации; fr - частота

релаксационного максимума (критическая частота); А - релаксационная сила,

зависящая от величины упругих модулей в низкочастотном и высокочастотном приближениях. Релаксационная сила определяется дефектом упругого модуля:

р 5 УадГ'

где Mr, Gr и Ми, Gu - релаксированный и нерелаксированный упругие модули продольной и поперечной волн, соответственно.

Формула (1.1) в общем случае описывает классический дебаевский пик. Когда частота распространяющегося сигнала совпадает с частотой релаксационного пика, максимальное затухание описывается следующими выражениями:

п-1 _ Mu-Mr ± _ Gu-Gr п ^

Чр-тах ~ 2ущ^гг' 4s-max ~ •

Физической основой существования связи между дисперсией модулей сжатия и сдвига является то обстоятельство, что всегда имеется компонента сжатия в сдвиговой деформации. Поскольку модель включает вязкоупругие элементы, ответственные за частотно-зависимое упрочнение (повышение жесткости с увеличением частоты), они будут вносить вклад в деформацию сдвига. Считается, что механизм затухания в частично-насыщенной породе в сейсмическом диапазоне частот является подобным механизму затухания на ультразвуковых частотах (акустического каротажа) [Mavko and Dvorkin, 2005а].

Этот механизм обусловлен локальным течением в межзерновом пространстве, где вызванные волной поперечные колебательные движения (перетоки) происходят между его мягкими и жесткими частями [Mavko, Dvorkin and Walls, 2005]. Авторы теоретически рассчитали отношение затухания продольной волны Qp к затуханию поперечной волны Q~l. При этом они принимали, что уменьшение модуля сжатия смоченной породы между высокочастотным и низкочастотным пределами вызвано введением в среду гипотетической системы ориентированных дефектов (трещин). Вычисление затухания продольных и поперечных волн проводилось с использованием формул (1.3), где разность между высоко- и низкочастотным модулями вычислялась с использованием уравнений теории Хадсона (Hudson) через константы Ламе и плотность трещин. Принималось также, что вышеуказанные модули связаны с коэффициентом Пуассона (скоростями волн) следующим соотношением:

где м = ^мимг,с = ^пвг, V - коэффициент Пуассона, Ур, УБ - скорости

продольных и поперечных волн.

Получены выражения для отношения затухания продольной волны к затуханию поперечной волны для трех моделей расположения дефектов: с анизотропией, без анизотропии и с произвольно ориентированными дефектами. Для сети произвольно ориентированных изотропных дефектов это отношение выражается уравнением [Мауко е1 а1., 2005]:

Необходимо отметить, что в этом уравнении 1 является затуханием в водонасыщенной породе. В теоретических расчетах предполагается, что при существенной неоднородности породы различие между низкочастотным и высокочастотным модулями вносит заметный вклад в увеличение затухания

_ 1 Г4 . 5 (M/G-2/3XM/G-4/3)2

+

(1.5)

- M/G [з - 4 Л*/с-%

продольной волны. Это вполне реально, поскольку продуктивному пласту присуща пятнистость, фрагментарность (patchy) в виде «разношерстных» газожидкостных включений [Cadoret, 1993; Cadoret et al., 1995]. Но имеется также и определенная сложность в применении этой теории, так как для проведения расчетов необходимы априорные знания некоторых параметров среды, таких как проницаемость, характеристическая длина (squirt-flow) и пространственные масштабы неоднородности распределения

водонасыщенности.

Приведенные на рисунках 1.1-1.7 примеры расчетов по моделям фрагментарного насыщения и локального потока показывают, что на скорость и затухание акустических волн влияют частота волны и степень флюидонасыщенности породы. Зависимость затухания от частоты имеет характерный вид дебаевского пика (рисунок 1.1). Зависимость от водонасыщенности различна для разных частот (рисунки 1.2, 1.4, 1.5, 1.7). Как видно из рисунков, вид зависимости принципиально различен для разных моделей и определяется параметрами модели. Аналогичный вывод можно сделать в отношении зависимости скорости продольных волн от водонасыщенности.

Log10(Frequency[Hz])

Рисунок 1.1 - Зависимость затухания Р- волн от частоты в модели фрагментарного насыщения [Toms, Muller and Gurevich, 2007]

0.07 0.06 0.05 0.04

iCx

га

S 0-03

0.02 0.01

* after Cadoret at al. 1998

—--CRM 3D (corr. length -specific surface)

— CRM 3D (corr. length -exponential) A- CRM 3D (corr. length -constant)

ШШЖ

0 0.5

0.6

0.7 0.8

Water saturation

0.9

Рисунок 1.2 - Зависимость затухания P- волн от степени водонасыщенности в модели фрагментарного насыщения [Toms, Muller and Gurevich, 2007]

Water Saturation (%)

Figure 2.4 - Johnson (2001) Theory Velocity Curves

Black lines are upper and lower frequency bounds. Coloured lines are Johnson's (2001) theory predictions for velocity vs. water saturation for finite frequencies between the two bounds Green = 1 kHz. red =10 kHz and blue = 50 kHz

Рисунок 1.3 - Зависимость скорости P- волн от частоты и степени водонасыщенности в модели фрагментарного насыщения [Hardy, 2003]

Water Saturation (%) Figure 2.5 - Johnson (2001) Theory ^Vttennariou Curves

Figure shows Jol\nson (2001 ) tlieory predictions for attenuation vs. water saturation. Green = 1 kHz. red = Ю kHz and blue = 50 kHz Note greater attenuation at lower frequencies, tliis is opposite to scattering effects

Рисунок 1.4 - Зависимость затухания P- волн от степени водонасыщенности для разных частот в модели фрагментарного насыщения [Hardy, 2003]

10 10 10 FREQUENCY, f [Hz]

Рисунок l .5 - Зависимость скорости P- волн от частоты и степени водонасыщенности, модель локального потока [Taylor and Knight, 2003]

4.7

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

WATER SATURATION, S

w

Рисунок 1.6 - Зависимость скорости P- волн от степени водонасыщенности в модели локального потока [Taylor and Knight, 2003]

WATER SATURATION, S

w

Рисунок 1.7 - Зависимость затухания P- волн от степени водонасыщенности для разных частот в модели локального потока [Taylor and Knight, 2003]

Проведенные теоретические оценки затухания для влажной породы показали независимость затухания S- волны от порового флюида [Mavko et. al, 1998]. Во всех расчетах делается также предположение, что низкочастотный модуль сжатия представляет модуль сухой породы, а высокочастотный модуль определяет модуль насыщенной породы. Различие между этими модулями может дать заметный рост затухания продольной волны при условии, что неоднородность породы является существенной.

Теоретические работы по изучению изменения скоростей продольных и поперечных волн в породах с водно-газовым насыщением в акустическом диапазоне частот были выполнены с использованием уравнения Био-Гиртсма и Доменико [Biot, 1956; Domenico, 1974; Geertsma and Smit, 1961]. Было показано, что с увеличением величины насыщения Sw (от сухого до полностью насыщенного состояния) скорость продольной волны Vp линейно уменьшается, а затем при величине насыщения, близкой 100%, резко возрастает. Уменьшение скорости в основном диапазоне насыщения происходит за счет увеличения плотности материала. Скорость поперечной волны Vs слабо

уменьшается во всем диапазоне величин насыщения. Подобное изменение скорости Vs с изменением насыщения Sw было получено также в твердых телах с газогидратными контактами [Wang Xiu-Juan et al., 2006]. Отход от модели однородной среды и переход к более реальной модели микронеоднородной среды (patchy) показывает принципиально новый характер изменения скорости волны: в такой фрагментарной модели скорость продольной волны монотонно увеличивается, а скорость поперечной волны уменьшается с увеличением насыщения во всем диапазоне величин Sw [Aljarrah F., 2009; Muller and Gurevich, 2004]. Зависимости скоростей волн от насыщения Vp(Sw) и Vs(Sw), выведенные из теоретических моделей, неплохо совпадают с зависимостями, полученными экспериментально для различных песчаников.

Важной характеристикой насыщения является характер распределения флюида в пласте. В теоретической работе [Enders and Knight, 1991] показана важность типа распределения флюида (однородное или неоднородное) для определения ультразвуковых скоростей в образцах пород. Насыщенное состояние различных областей порового пространства может отличаться значительно. Поэтому зависимость скоростей от насыщения может иметь сложный характер (рисунки 1.3 и 1.5). Например, скорость продольной волны с увеличением насыщения в некотором диапазоне Sw может уменьшаться, а затем увеличиваться [Cadoret, 1993]. Этот результат получен в экспериментах на карбонатных образцах на частотах 1кГц и 100 кГц.

1.2 Экспериментальные исследования

Экспериментальные измерения поглощения продольных и поперечных волн в образцах пород-коллекторов нефти и газа проводились многими исследователями. Изучалось изменение кинематических и динамических параметров распространяющихся волн под влиянием горного и пластового давлений, степени их флюидонасыщения и типа флюида для определенных типов горных пород (песчаников или карбонатов). Из динамических

параметров измерялись декременты затухания (или обратная добротность) продольных или поперечных волн. При расчетах декрементов затухания неявно предполагалась их независимость от частоты в диапазоне измерения.

Лабораторные импульсные измерения на ультразвуковых частотах с малыми образцами и низкочастотные акустические измерения резонансным методом на больших образцах показали слабую зависимость Q<:' от водного насыщения. Затухание продольной и поперечной волны при полном водонасыщении является по величине приблизительно одним и тем же: Qpl"Qs [Klimentos, 1995; Sun et al., 2000]. Проведенные измерения в карбонатах в сухом и полностью насыщенном состоянии показывают превышение в величине затухания продольной волны по сравнению с поперечной Qpl>Q~sl [Adam et al., 2009]. Аналогичный результат получен при измерениях в полностью газо- и водонасыщенных песчаных коллекторах [Машинский и Голиков, 2011]. Отношение спектров обратной добротности (Qp/Ôs'X/) в диапазоне частот 0.2 - 1.0 МГц составляет для полностью насыщенных песчаников примерно (1 - 3), а для сухих песчаников ~ (3 - 15).

Дальнейшее изучение спектров обратной добротности в переменном амплитудно-частотном пространстве показало новые возможности этого параметра для диагностики флюидонасыщенных пород. Были обнаружены такие эффекты, как сдвиг релаксационных спектров затухания (РСЗ) Р- и S-волн по оси частот и обратной добротности, изменение ширины релаксационных пиков при изменении интенсивности излучаемого сигнала [Mashinskii, 2006, 2008; Машинский, 2009, 2010]. Наиболее перспективным параметром РСЗ для дифференциации породы по флюидонасыщению оказалось отношение ширины релаксационного пика к его частоте Дf0JlfnUK. Это

отношение является амплитудно-зависимым в водонасыщенном песчанике и амплитудно-независимым в сухом песчанике. Относительное изменение ширины пика водонасыщенного и сухого песчаника (А/01/fnuh.)Hac/(Af01/fnuk.)cyx при

шестикратном изменении амплитуды импульса является весьма значительным

(около 40%). Таким образом, параметр ширины пика РСЗ может быть дополнительным критерием для дифференциации песчаников по флюидонасыщению. Одним из последних результатов, касающихся трансформации релаксационных спектров затухания, является обнаружение деградации локального пика затухания при распространении поперечной волны в алевролите [Mashinskii, 2012]. С увеличением (или уменьшением) амплитуды импульса пик может вырождаться и, при определенной величине амплитуды, совсем исчезать. В этом случае спектр затухания становится гладким, но дисперсия затухания не исчезает. Этот результат получен в лабораторных

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Голиков, Никита Александрович, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Аверко, Е.М. Моделирование сейсмических полей и способов их обработки / Е.М. Аверко, Л.А. Максимов. - Новосибирск: Наука, 1984 - 86 с.

2. Акуленко, Л.Д. Инерционные и диссипативные свойства пористой среды, заполненной вязкой жидкостью / Л.Д. Акуленко, C.B. Нестеров // Механика твердого тела. - 2005. - № 1. - С. 109-119.

3. Амикс, Дж. Физика нефтяного пласта / Дж. Амикс, Д. Басс, Р. Уайтинг. - М.: Гостоптехиздат, 1962. - С.59-197.

4. Артиков, Т.У. Волны в слоистых пористых средах / Т.У. Артиков. -Ташкент УзССР: Изд-во "Фан", 1987. - 268 с.

5. Большаков, Ю.Я. Капиллярно-экранированные залежи нефти и газа / Ю.Я. Большаков - Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1989. - 127 с.

6. Голиков, H.A. Затухание упругих волн в консолидированных зернистых средах / H.A. Голиков, А.Д. Заикин // Геология и геофизика. - 1990. - № 9. - С. 105-109.

7. Голиков, H.A. Скорости упругих волн в консолидированных зернистых средах / H.A. Голиков, А.Д. Заикин // Прикладная механика и техническая физика. - 1992. - № 2. - С. 127 - 130.

8. Голиков, Н. А. Скорости акустических волн в породах-коллекторах различной пористости, проницаемости и степени водонасыщения / Н. А. Голиков, Э. И. Машинский // Каротажник. - Тверь: изд-во АИС, 2012. - № 3. -Вып.213. - С. 100-110.

9. Голиков, Н. А. Расчеты релаксационных спектров затухания продольных волн с учетом распределения пор по размерам / Н. А. Голиков, Э. И. Машинский // Технологии сейсморазведки. - Новосибирск: изд-во «Гео», 2012. -№1. - С. 30-36.

10. ГОСТ 26450.0-85. Породы горные. Общие требования к отбору и подготовке проб для определения коллекторских свойств. - Введ. 1985-02-27. -М.: Изд-во стандартов, 1985. - 16 с.

11. ГОСТ 26450.1-85. Породы горные. Методы определения коллекторских свойств. Метод определения коэффициента открытой пористости жидкостенасыщением. - Введ. 1985-02-27. - М.: Изд-во стандартов, 1985.-9 с.

12. ГОСТ 26450.2-85. Породы горные. Методы определения коллекторских свойств. Метод определения коэффициента абсолютной газопроницаемости при стационарной и нестационарной фильтрации. - Введ. 1985-02-27.-М.: Изд-во стандартов, 1985. - 16 с.

13. Дорогиницкая, JI.M. Количественная оценка добывных характеристик коллекторов нефти и газа по петрофизическим данным и материалам ГИС / JIM. Дорогиницкая, Т.Н. Дергачева, А.Р. Анашкин, А.И. Колыванов, C.B. Кушнарев, Л.Д. Худякова, Е.А. Романов, H.A. Голиков, С.Н. Мелкозерова. -Томск: STT, 2007. - 278 с.

14. Заикин, А.Д. Низкочастотные упругие волны в консолидированных зернистых средах, насыщенных вязким флюидом / А.Д. Заикин, H.A. Голиков // Геология и геофизика. - 1991. -№ 10. - С. 107-112.

15. Зайцев, В.Ю. Нелинейные акустические явления в структурно-неоднородных средах. Эксперименты и модели: Учебное пособие / В.Ю. Зайцев, С.Н. Гурбатов, Н.В. Прончатов-Рубцов. - Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2009.-268 с.

16. Золотарев, П.П. Распространение звуковых волн в насыщенной газом пористой среде с жестким скелетом / П.П. Золотарев // Инженерный журнал. -1964.-T. IV.-С. 111-120.

17. Ивакин, Б.Н. Методы моделирования сейсмических волновых явлений / Б.Н. Ивакин. - М.: Наука, 1969. - 286 с.

18. Кондратьев, O.K. Сейсмические волны в поглощающих средах / O.K. Кондратьев. - М.: Недра, 1986. - 176 с.

19. Косачевский, JI.Я. О распространении упругих волн в двухкомпонентных средах / Л.Я. Косачевский // Прикладная математика и механика. - 1959. - Т. XXIII. - № 6. - С. 1115-1123.

20. Малынаков, A.B. Проницаемость и перколяционные свойства порового пространства осадочных горных пород / A.B. Малынаков, В.А. Ефимов //Инженерный журнал-1991. - Т.61. -№4.-С. 635-640.

21. Машинский, Э.И. Амплитудно-частотные характеристики затухания Р и S волн в сухом и водонасыщенном песчанике / Э.И. Машинский // Технологии сейсморазведки. - Новосибирск: изд. «Гео», 2010. - № 3. - С. 105109.

22. Машинский, Э.И. Амплитудно-зависимое затухание продольных и поперечных волн в сухом и насыщенном песчанике под давлением / Э.И. Машинский // Геология и Геофизика. - 2009. - Т. 50. - С. 950-956.

23. Машинский, Э.И. Влияние водонасыщения на релаксационные спектры затухания акустических волн в горных породах / Э.И. Машинский, H.A. Голиков // Технологии сейсморазведки. - 2011. - № 1- С. 66-71.

24. Машинский, Э.И. Затухание продольных и поперечных УЗ волн в полно и частично газо- и водонасыщенных песчаниках-коллекторах под давлением / Э.И. Машинский, H.A. Голиков // Технологии сейсморазведки. -2012.-№4.-С. 22-28.

25. Николаевский, В.Н. О распространении продольных волн в насыщенных жидкостью упругих пористых средах / В.Н. Николаевский // Инженерный журнал. - 1963. - Т. III. - Вып. 2. - С. 251-261.

26. Николаевский, В.Н. Механика насыщенных пористых сред / В.Н. Николаевский, К.С. Басниев, А.Т. Горбунов, Г.А. Зотов - М.: Недра, 1970. - 335 с.

27. Рахматулин, Х.А. Основы газодинамики взаимопроникающих движений сжимаемых сред / Х.А. Рахматулин // Прикладная математика и механика. - 1956. - Т. XX. - С. 184-195.

28. Френкель, Я.И. К теории сейсмических и сейсмоэлектрических явлений во влажной почве / Я.И. Френкель // Известия АН СССР. Сер. география и геофизика. - 1944. - Т. VIII. - № 4. - С. 133-149.

29. Цвиккер, К. Звукопоглощающие материалы / К. Цвиккер, К. Костен -М.: Иностранная литература, 1952. - 160 с.

30. Adam, L. Sesmic wave attenuation in carbonates / L. Adam, M. Batzle, K.T. Lewallen and K. van Wijk // Journal of Geophysical Research. - 2009. - 114, BO 6208.

31. Aljarrah, F. Methods of fitting compressional and shear wave velocities versus saturation curves and the interpretation of laboratory velocity measurements in partially velocity saturated rocks / F. Aljarrah - A thesis for the MS degree. University of Houston. - 2009. - 106 p.

32. Anderson, Don L. Theory of the Earth / Don L. Anderson // - Boston: Blackwell Scientific Publications. - 1989. - Pp. 279-302.

33. Bakulin, A.V. Application of complex Biot densities for the description of attenuation and dispersion in porous rocks / A.V. Bakulin, L.A. Molotkov // EAGE 60th Conference and technical exhibition - Leipzig, Germany, 1998. 8-12 June. - P. 085.

34. Biot, M. A. Theory of propagation of elastic waves in fluid saturated porous solids 1: Low frequency range / M. A. Biot // Journal of the Acoustic Society of America. - 1956a. Vol. 28. -Pp. 168-178.

35. Biot, M.A. Theory of propagation of elastic waves in fluid-saturation porous solid: II - Higher frequency range / M. A. Biot // Journal of the Acoustic Society of America. - 1956b. 28. - Pp. 179-191.

36. Breitzke, M. Full waveform ultrasonic transmission seismograms: A fast new method for the determination of physical and sedimentological parameters of marine sediment cores/ M. Breitzke, H. Grobe, G. Kuhn and P. Muller // Journal of Geophysical Research. - 1996.- Vol. 101. - N. B10. - Pp. 22,123-22,141.

37. Cadoret, T. Effect de la saturation eau/gas sur les propriétés acoustiques des roches. Etude aux frequences sonores et ultrasonores / T. Cadoret // These de Doctorat. Université Paris VII. - 1993.

38. Cadoret, T. Influence of frequency of fluid distribution on elastic wave velocities in partially saturated limestones / T. Cadoret, D. Marion and B. Zinszner // J. Geophys. Res. - 1995. - Vol. 100. - Pp. 9789-9803.

39. Diallo, M.S. Comparison between experimental results and theoretical predictions for P-wave velocity and attenuation at ultrasonic frequency / M.S. Diallo, M. Prasad and E. Appel // Wave Motion. - 2003. - Vol. 37. - Pp. 1-16.

40. Domenico, S.N. Elastic properties of unconsolidated porous sand reservoirs / S.N. Domenico // Geophysics. - 1974. - Vol. 58. - №4. - Pp. 524-533.

41. Dvorkin, J. Dynamic poroelasticity: A unified model with the squirt and the Biot mechanisms / J. Dvorkin and A. Nur // Geophysics. - 1993. - Vol. 58. - Pp. 524-533.

42. Dvorkin, J. Elasticity of marine sediments / J. Dvorkin, M. Prasad, A. Sakai and D. Lavoie // Geophysical Research Letters. - 1999. - Vol. 26. - Pp. 1781-1784.

43. Dvorkin, J. Attenuation at Patchy Saturation - A Model / J. Dvorkin, J. Walls, T. Taner, N. Derzhi and G. Mavko // EAGE 65th Conference & Exibition, Stavanger. - 2003. -Norway, 2-5 June. - Z-99.

44. Dvorkin, J. Rock Physics of gas hydrate reservoir / J. Dvorkin and A. Nur // EAGE 65th Conference & Exibition, Stavanger. - 2003. - Norway, 2-5 June. -Z-99.

45. Edelman, I. Asymptotic analysis of surface waves at a vacuum/porousmedium and liquid/porous medium interfaces / I. Edelman K. Wilmanski // Continuum Mech. Thermodyn. - 2002. - Pp. 25^4.

46. Elsley, R.K. Defect characterization by ultrasonic signal processing / R.K. Elsley, B.R. Tittmann, H.L. Nadler, L.A. Ahlberg // Proc. Ultrasonics Symp., IEEE. -1977.-Pp. 48-52.

47. Enders, A.L. The effect of pore scale distribution of fluids on the physical properties of partially saturated tight sandstones / A.L. Enders and R. Knight // J. Apll. Phys. - 1991. - Vol. 69. - Pp. 1091-1098.

48. Faul, Ulrich H. Shear Wave attenuation and dispersion in melt-bearing olivine polycrystals: 2. Microstructural interpretation and seismological implications / Ulrich H. Faul, Gerald Fitz, D. John, Ian. Jackson // J. Geophys. Res. - 2004. - Vol. 109. -№ B06202.

49. Gardner, J.H.T. Effects of Pressure and Fluid Saturation on the Affenuation of Eclastic Vawes in Sand / J.H.T. Gardner, M.R.Y. Wylle, D.M. Droschak // J. of Petroleum Thechnology. - 1964. - Vol. 16. - № 2. - Pp. 189-198.

50. Gassmann, F. Uber Die elastizitat poroser medien / F. Gassmann //Vier, der Natur Gesellschaft. - 1951. - №96. - Pp. 1-23.

51. Gautam K. Fluid Effects on Attenuation and Dispersion of Elastic Waves / K. Gautam - Colorado School of Mines, -2003.- 326 p.

52. Geertsma, J. Some aspects of elastic wave propagation in fluid-saturated porous solids / J. Geertsma and D.C. Smit // Geophysics. - 1961. - Vol. 26. - Pp. 169-181.

53. Han, D. Fizz Water and low gas Saturated Reservoirs / D. Han and M. Batzle. // The Leading Edge. - 2002. - Vol. 21. - № 4. - Pp. 395 - 398.

54. Hardy, B. Theoretical and Numerical Analysis of Seismic Velocity and Attenuation in Partially Saturated Rocks / B. Hardy - Curtin University of Technology, 2003.-138 p.

55. Jackson, I. Shear wave attenuation and dispersion in melt-bearing olivine polycrystals: 1. Specimen fabrication and mechanical testing / I. Jackson, U. H. Faul, Gerald J. D. Fitz and B. H. Tan // J. Geophys. Res. - 2004. - Vol. 109 - B06201.

56. Jackson, I. Grain-size-sensitive seismic wave attenuation in polycrystalline olivine/ I. Jackson, Gerald J. D. Fitz, U. H. Faul, and B. H. Tan. // J. Geophys. Res. -2002. - Vol. 107 - B12, 2360.

57. Johnson, D.L. Probing porous media with first and second sound. I. Dynamic permeability. II. Acoustic properties of water-saturated porous media / D.L. Johnson, D.L. Hemmick, H. Kojima // J. Appl. Phys. - 1994. -Vol. 76. - Pp. 104125.

58. Johnson, D.L. Theory of dynamic permeability and tortuosity in fluid-saturated porous media / D.L. Johnson, J. Koplik, R. Dashen // J. Fluid Mech. -1987. -Vol. 176. - Pp. 379-402.

59. Jones, S.M. The effect of pore-fluid salinity on ultrasonic wave propagation in sandstones / S.M. Jones, C. McCann, T.R. Astin and J. Sothcott // Geophysics. - 1998. - Vol. 63. - №. 3. - Pp. 928-934.

60. Jones, T. Pore fluids and frequency-dependent wave propagation in rocks / T. Jones // Geophysics. - 1986 - Vol. 56. - Pp. 1939-1953.

61. Klimentos, T. Relationships among compressional wave attenuation, porosity, clay content, and permeability in sandstone / T. Klimentos and C. McCann. // Geophysics. - 1990. - Vol. 55. - № 8. - Pp. 998 - 1014.

62. Klimentos, T. The effect of porosity-permeability-clay content on the velocity of compressional wave / T. Klimentos // Geophysics. - 1991. - Vol. 56. -№12.-Pp. 1930-1939.

63. Klimentos, T. Attenuation of P- and S-waves as a method of distinguishing gas and condensate from oil and water / T. Klimentos // Geophysics. -1995. - V 60. - Pp. 447-458.

64. Knight, R. Acoustic signatures of partial saturation / R. Knight, J. Dvorkin and A. Nur // Geophysics. - 1998. -Vol. 63. - №1. - Pp. 132-138.

65. Li, X. Frequency-dependent seismic attenuation in the inner core 1. A viscoelastic interpretation / X. Li and Vol. F. Cormier // J. Geophys. Res. - 2002. -107.-B 12 2361-80.

66. Liu, H.-P. Velocity dispersion due to inelasticity; implications for seismology and mantle composition / H.-P. Liu, D.L. Anderson and H. Kanamori //

Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society. - 1976. - Vol.47. - Pp. 4158.

67. Martin, N.W. Are P- and S-wave velocities and attenuations related to permeability: Ultrasonic seismic data for sandstone samples from Writing-jn-Stone Provincial Park in Alberta / N.W. Martin - A thesis for the MS degree. The University of Calgary, 1996. - 162 p.

68. Mashinskii, E. I. Nonlinear amplitude-frequency characteristics of attenuation in rock under pressure / E. I. Mashinskii // J. Geophys. Eng. - 2006. -№3. - Pp. 291-306.

69. Mashinskii, E. I. Amplitude-frequency dependencies of Wave Attenuation in Single-Crystal Quartz: Experimental Study / E. I. Mashinskii // J. Geophys. Res. -2008.-Vol. 113.-B11304.

70. Mashinskii, E.I. Amplitude-dependent peak and relaxation spectra of wave attenuation in rock / E. I. Mashinskii // Journal of Seismic Exploration. - 2012. -Vol. 21. -№3. - Pp. 215-229.

71. Mavko, G. P - wave attenuation in reservoir and non-reservoir rock / G. Mavko and J. Dvorkin //EAGE 67th Conference & Exibition - Madrid, Spain. - 2005. - 13-16 June.- 2005a.

72. Mavko, G. rock physics and attenuation analysis of a well from the Gulf of Mexico / G. Mavko and J. Dvorkin // SEG.- 2005b

73. Mavko, G. M. Rock Physics Handbook / G. M. Mavko, T. Mukerji and J. Dvorkin - Cambridge University press, 1998. -329 p.

74. Mavko, G. A theoretical estimate of S-wave attenuation in sediment / G. Mavko, J. Dvorkin and J. Walls. // SEG Expanded Abstracts. - 2005. -Vol. 24,- Pp. 1469 - 1472.

75. Meisser, R. Attenuation of seismic waves in sediments / R. Meisser F. Theilen // Preprint of the 11-th World Petroleum Congress, SP3. - 1983. - №4. -Pp.17.

76. Muller, T.M. One-dimention random patchy saturation model for velocity and attenuation porous rocks / T.M. Muller and B. Gurevich. // Geophysics. -2004. -Vol. 69. - №5. - Pp. 1166 - 1172.

77. Nowick, A. S. Anelastic Relaxation in Crystalline Solids / A. S. Nowick and B. S. Berry - Academic Press, New York, 1972. - 677 p.

78. O'Connell, R.J. Viscoelastic properties of fluid-saturated cracked solids / R.J. O'Connell and B. Budiansky // Journal of Geophysical Research. - 1977. - Vol. 82.-Pp. 5719-5735.

79. Plona, T.J. Observation of a second bulk compressional wave in a porous medium at ultrasonic frequencies / T.J. Plona // Appl. Phys. Lett. - 1980. - Vol. 36. -Pp. 259-261.

80. Prasad, M. Effects of pore and differential pressure on compressional wave velocity and quality factor in Berea and Michigan sandstones / M. Prasad and M.H. Manghnan // Geophysics. - 1997. - Vol. 62. - №4. - Pp. 1163-1176.

81. Sams, M.S. The measurement of velocity dispersion and frequency-dependent intrinsic attenuation in sedimentary rocks / M.S. Sams, J. P. Neep, M. H. Worthington and M. S. King. // Geophysics. - 1997. - Vol. 62. - №5. - Pp. 14561464.

82. Stoll, R.D. Marine sediment acoustic. / R.D. Stoll // J. Acoust. Soc. Am. -1985. - Vol. 77. - №5. - Pp. 1789-1799.

83. Stoll, R.D. Velocity dispersion in water-saturated granular sediment / R.D. Stoll // J. Acoust. Soc. Am. - 2002. - Vol. 111. - №2. - Pp. 785-793.

84. Stoll, R.D., Kan T.-K. Reflection of acoustic waves at water-sediment interface / R.D. Stoll // J. Acoust. Soc. Am. - 1981. - Vol. 70. - №1. - Pp. 149-156.

85. Sun, X. P- and S-wave logs from monopole sonic data / X. Sun, X. Tang, C.H. Cheng and L.N. Frazer // Geophysics. - 2000. - V. 65. - Pp. 755-765.

86. Taylor, S. R. Incorporating mechanisms of fluid pressure relaxation into inclusion - based models of elastic wave velocities / S. R. Taylor and R. J. Knight // Geophysics. - 2003. - Vol. 68. - №4. - Pp. 1173-1181.

87. Toksoz, M. N. Attenuation of seismic waves in dry and saturated rocks: I. Laboratory measurements / M. N. Toksoz, D. H. Johnston and A. J. Timur // Geophysics. - 1979. - Vol. 41. - Pp. 681-690.

88. Toms, J. Seismic attenuation in porous rocks with random patchy saturation / J. Toms, T. M. Miiller, B. Gurevich // Geophysical Prospecting. - 2007. -Vol. 55.-Pp. 671-678.

89. Turgut, A. Measurments of acoustic wave velocities and attenuation in marine sediments / A. Turgut, T. Yamamoto // J. Acoust. Soc. Am. -1990. - Vol. 87. - №6. - Pp. 2376-2383.

90. Tutuncu, A. N. An experimental investigation of factors influencing compressional- and shear-wave velocities and attenuations in tight gas sandstones / A. N. Tutuncu, A. L. Podio and M. M. Sharma // Geophysics. - 1994. - Vol. 59. -№1. - Pp. 77-86.

91. Wang, Xiu-Juan. Factors affecting the estimation of gas hydrate and free gas saturation / Xiu-Juan Wang, Shi-Guo Wu, and Xue-Wei. Liu // Chinese Journal of Geophysics. - 2006. -Vol. 49. - №2. - Pp. 441^49.

92. Winkler, K. W. Frequency dependent ultrasonic properties of high-porosity sandstones / K. W. Winkler // J. Geophys. Res. - 1983. - Vol. 88. - B 11 - Pp. 9493-9499.

93. Winkler, K. W. Technique for Measuring Ultrasonic Velocity and Attenuation Spectra in Rocks Under Pressure / K. W. Winkler and T. J. Plona // J. Geophys. Res. - 1982. - Vol. 87. - Pp. 10776-10780.