Акустичні властивості гірських порід

У практиці розробки нафтогазових родовищ існує певний набір технологічних операцій, пов’язаних зі збудженням у пластах пружних коливань та хвильових процесів. Так, збільшення приймальності нагнітальних свердловин та дебіту видобувних свердловин часто досягається шляхом оброблення ПЗП акустичними та гідравлічними вібраторами, які збуджують у пластах хвилі тисків, що сприяють виникненню нових та розкриттю існуючих у пластах тріщин. Цим досягається збільшення провідності ПЗП для рідин та газів. Провідність порід в теорії фільтрації визначається величиною коефіцієнта гідропровідності (ε = κh/μ).

Під дією вібраторів, що працюють у свердловині, в пласті поширюються поздовжні та поперечні пружні хвилі. Перші характеризуються поздовжнім поширенням в породі деформацій поперемінного об’ємного розтягу та стиску. В твердих тілах вони викликають поперечні деформації зсуву у вигляді поперечних пружних хвиль, швидкість поширення яких залежить від пружних характеристик породи. Несцементовані породи мають незначний внутрішній тиск, а звідси і незначний опір зсувним зусиллям. Тому в них, як і в рідинному середовищі, виникають тільки поздовжні хвилі.

Встановлено також, що під час прогріву ПЗП процес передачі тепла в глибину пласта значно інтенсифікується, якщо теплову обробку поєднати з ультразвуковою. Тому акустичні параметри порід використовуються у все більшому обсязі для прогнозування результатів різних технологічних процесів, пов’язаних зі збудженням у пластах пружних коливань, які представляють собою процес поширення в порах пласта пружних деформацій їх частинок зі змінним знаком. Слід зауважити, що швидкість пружних хвиль в пористих породах значно менша, ніж в міцних.

Акустичні параметри породи – це величини, які характеризують її властивість передавати (поширювати) пружні коливання. Це швидкість поширення пружних хвиль, яка практично не залежить від частоти, коефіцієнт поглинання пружних хвиль, хвильовий опір та здатність породи відбивати чи заломлювати хвилі.

У промисловій практиці використовують пружні хвилі різної частоти: більше 20000 Гц – ультразвукові; 20 – 20000 Гц – звукові і менше 20 Гц – інфразвукові. Інтенсивність пружної хвилі по мірі її поширення в пласті зменшується через розсіювання енергії хвилі в різних напрямках в зонах неоднорідної будови і через поглинання пружної хвилі породою на подолання сил тертя частинок в процесі їх деформації.

де А – поточна амплітуда коливань;

А_о – початкова амплітуда коливань;

θ – коефіцієнт поглинання;

х – віддаль від джерела коливань.

Якщо А/А_о = е при відстані х_о, то θ = 1/х_о.

Коефіцієнт поглинання залежить від пружних характеристик породи і частоти коливань, яка рівна ω = 2πn. З ростом амплітуди коефіцієнт поглинання інтенсивно збільшується, іноді навіть за квадратичним законом. За результатами досліджень коефіцієнт поглинання для глинистих порід пропорційний lg η.

де ω - частота коливань;

η - коефіцієнт внутрішнього тертя породи;

ύ - швидкість пружної хвилі;

ρ_п - густина породи.

З ростом пористості породи коефіцієнт поглинання пружних хвиль зростає.

Добуток швидкості хвилі на густину породи – це питомий хвильовий опір.

Відбивання і заломлювання пружних хвиль відбувається на границях пористих середовищ при виклику пружних коливань у свердловині при переході пружної хвилі з рідкого середовища, що заповнює свердловину, в пласт і дальше.

Коефіцієнт відбиття

Зі збільшенням різниці у хвильових опорах двох середовищ z₁ та z₂ зростає і коефіцієнт відбиття.

При переході звукової хвилі від нафти чи води (середовища з малим хвильовим опором) в породу (середовище з більшим хвильовим опором) відбивається до 80-85 % енергії хвилі.

Вважають, що відбиття пружних хвиль від границь розділу проходить за законами оптики.

Контрольні запитання

1 Що таке первинні і вторинні пори?

2 Як поділяються пори та тріщини за розмірами?

3 Що таке пористість?

4 Назвіть види пористості та охарактеризуйте їх.

5 Де використовується в першу чергу параметр пористості?

6 Методи визначення пористості.

7 Запишіть можливі формули для визначення пористості.

8 Як залежить пористість від тиску та температури?

9 Якими коефіцієнтами характеризується неоднорідність колекторських властивостей порід?

10 Охарактеризуйте коефіцієнти піскуватості, розчленування та літологічної зв’язаності.

11 Назвіть параметри, що характеризують фізико-механічні властивості порід-колекторів.

12 Що характеризує і як визначається коефіцієнт об’ємної пружності насиченого пласта?

13 Як визначається пружний запас нафти?

14 Запишіть формули для знаходження складових гірничого тиску.

15 Що таке привибійна зона пласта?

16 Назвіть параметри, що характеризують теплові властивості порід-колекторів.

17 Що таке питома теплоємність породи?

18 Що характеризує коефіцієнт теплопровідності?

19 Як пов’язані коефіцієнт температуропровідності з питомою теплоємністю та коефіцієнтом теплопровідності?

20 Назвіть параметри, що характеризують акустичні властивості порід-колекторів.

21 Охарактеризуйте хвильовий опір та коефіцієнт відбиття пружних хвиль.

Проникність

Тепер звернемо увагу на питання, що стосується здатності середовища пропускати через себе рідини та газ. Ця властивість пористого середовища називається проникністю.

Проникність є властивістю пористого середовища та мірилом провідності його для рідин та газів. Отже, вимірювання проникності зводиться до визначення пропускної здатності даної породи для рідини чи газу.

За аналогією з електричними провідниками проникність являє собою величину, зворотну до опору (провідності), який виникає в породі під час проходження через неї флюїду (рідини чи газу).

За законом Ома I = V / r.

У застосуванні до видобутку флюїдів проникність - це фільтраційний параметр гірських порід, який характеризує їх здатність пропускати нафту, газ чи воду до вибоїв свердловин.

Вважається, що абсолютно непроникних тіл у природі не існує. Проте при порівняно малих перепадах тисків у нафтонасичених пластах знезначними розмірами порових каналів проникність може бути дуже малою або її може зовсім не бути. Це означає, що ті пласти можуть бути слабопроникними або зовсім непроникними для рідин та газів ( наприклад, глини, сланці і т. п.).

Більша частина осадових порід має ту чи іншу проникність. Поровий простір цих порід, окрім ділянок із субкапілярними порами, складений порами більшого або відносно великого діаметру. Відповідно до існуючих експериментальних даних, діаметри переважної більшості пор нафтоносних порід є більшими 1мкм.

У процесі розробки нафтових, газових та газоконденсатних родовищ у пористому середовищі зустрічається фільтрація флюїдів у різних їх комбінаціях та співвідношеннях: одночасний рух нафти, води та газу, води та нафти, нафти та газу, води та газу або тільки води, тільки нафти, тільки газу. А проникність одного і того ж пористого середовища для даної фази може бути різною залежно від кількісного та якісного складу фаз. Тому для характеристики проникності порід, що вміщають нафту, газ чи воду окремо або одночасно введені поняття абсолютної, фазової (ефективної) та відносної проникності.