Споcоб измерения скорости распространения акустических ультразвуковых волн в кусках горной породы

 

Изобретение относится к способам измерения скорости распространения ультразвуковых волн в кусках горных пород и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности непосредственно в процессе бурения скважин. Расширение возможностей импульсного способа измерения скорости, позволяющее получать информацию о характере пластов горной породы в реальном масштабе времени и корректировать процесс бурения, достигается за счет того, что пропускают через горную породу ультразвуковые волны для получения электрических сигналов, отображают полученные электрические сигналы на осциллографе с разрешением, по меньшей мере, 10^-2 мкс и измеряют время прохождения волн. Ультразвуковые волны, генерируемые импульсным генератором при длительности импульса от 0,1 до 20 мкс, пропускают через куски породы, образующиеся непосредственно при бурении скважин и имеющие диаметр даже менее одного сантиметра и средний радиус пор даже более 50 мкм. При этом кусок породы размещают между двумя пьезоэлектрическими преобразователями с соединительной жидкостью между куском породы и преобразователями, обладающей вязкостью от 200 до 800 П. Длительность импульса может составлять от 0,1 до 2 мкс. Ультразвуковые волны являются волнами сжатия или сдвига. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение касается способа измерения скорости распространения акустических ультразвуковых волн сжатия или сдвига в кусках горной породы, образующихся непосредственно при бурении скважин в нефтедобывающей промышленности и имеющих диаметр менее одного сантиметра, который включает в себя пропускание акустических волн через анализируемый кусок породы и измерение времени их прохождения через кусок, помещенный в систему, содержащую два пьезоэлектрических преобразователя.

Данный способ расширяет возможности обычных лабораторных измерений скорости распространения ультразвуковых волн, проводимых на керне, позволяя производить измерения на кусках породы, которые поднимаются на поверхность во время бурения.

Для успешного решения проблем, связанных с бурением нефтяной скважины (стабильности буровой скважины, выноса песка или осаждений и т.п.), важно иметь возможность определять механическую характеристику пластов горных пород во время бурения.

До настоящего времени существовала возможность выполнения геомеханических лабораторных исследований на образцах керна, отобранных из скважины; к сожалению результаты таких исследований зависят от времени и стоимости операций по взятию керна, а также только от интервалов горной породы, с которых берется керн.

Измерения, которые выполняются в лаборатории на образцах горной породы, полученных из керна, включают в себя измерение скорости акустических ультразвуковых волн сжатия и сдвига с использованием импульсного метода измерения скорости (стандарт ASTM D 2845-90), который позволяет рассчитать модули упругости с позиций теории линейной упругости, прямо коррелирующий с механической прочностью пластов горных пород, из которых отобраны керны.

Обычно, чтобы получить эти значения для всей длины скважины, после завершения бурения регистрируются данные акустического каротажа; этот термин относится к определению времени прохождения звуковых волн с помощью каротажного зонда, погруженного внутрь самой скважины, однако таким образом невозможно влиять на стратегию бурения в реальном масштабе времени. На фиг.4 сравниваются данные акустической каротажной диаграммы с измерениями скорости волны сжатия на кусках горной породы, далее именуемых "кусочки породы" (Vp-PUC: Импульсные ультразвуковые исследования кусочков породы). Эти данные были зарегистрированы заявителем в нефтяной скважине в июле 1994 г.

Для решения описанных выше проблем заявитель обнаружил, что можно достичь данной цели посредством анализа кусочков породы, образовавшихся при бурении и скопившихся на поверхности, с последующим вводом результатов в полную программу сбора данных для месторождения, такую как геологический и петрографический анализ места разработки и измерения зазубрин.

В частности, преимущество предложенного способа состоит в том, что он дает информацию о характере пластов горной породы, в которой производится бурение, в реальном масштабе времени, позволяя тем самым корректировать процесс бурения.

Кроме того, значение скорости распространения акустических ультразвуковых волн сжатия и сдвига очень важно для калибровки и сравнения с данными сейсмического профиля и данными акустического каротажа в основном для исследовательских целей.

Таким образом, данное изобретение относится к способу измерения скорости распространения акустических ультразвуковых волн сжатия и сдвига в кусках горной породы, образующихся непосредственно при бурении нефтяных скважин и имеющих диаметр менее одного сантиметра, который включает в себя пропускание акустических волн через исследуемый кусок породы и измерение времени их прохождения после размещения куска породы в специальной системе пьезоэлектрических преобразователей.

В частности, в данном способе используется импульсный генератор, необходимый для получения электрического сигнала, который позволяет излучающему преобразователю генерировать ультразвуковую волну сжатия или сдвига в зависимости от типа используемого преобразователя.

Особое внимание уделяется выбору соединительных жидкостей между преобразователями и кусочками породы; эти жидкости характеризуются значениями вязкости от 200 до 800 пуаз (20-80 Па•с), измеренными при градиенте скорости сдвига 3,1 сек^-1 (стандарт 13 В-1 Американского института нефти).

Ультразвуковая волна, проходящая через образец, преобразуется в электрический сигнал приемным преобразователем; затем принятый электрический сигнал визуализируется на цифровом осциллографе, который, учитывая задержку преобразователей и схемы, позволяет определять время прохождения ультразвукового возмущения через кусочки породы.

Измерив толщину кусочков породы, можно определить скорость распространения ультразвуковых волн сжатия или сдвига.

Преимущество предлагаемого способа заключается в расширении возможностей импульсного способа измерения скорости, используемого для лабораторных измерений скорости распространения ультразвуковых волн на керне (например, цилиндрических образцах диаметром 2,5 см и двукратной высоты), на измерения на кусочках породы, имеющих размер даже менее одного сантиметра, которые поднимаются на поверхность во время бурения.

Это расширение возможностей способа достигается за счет использования конкретных пьезоэлектрических преобразователей, причем выбор формы излучаемых импульсов определяется в зависимости от характеристик самих пьезоэлектрических кристаллов, выбора частот распространения и жидкостей, необходимых для механической связи между кусочками породы и преобразователями, чтобы оптимизировать прохождение ультразвуковой волны.

И наконец, предложенный способ легко интегрируется с известными способами, улучшая их, и обеспечивает средство, которое может быть использовано в промышленности для измерений непосредственно на месте расположения буровой вышки.

Исключительно для примера и без какого-либо ограничения изобретения следует отметить, что экспериментальное оборудование, использованное заявителем для предложенного способа, включает в себя следующее: - импульсный генератор с длительностью импульса от 0,1 до 20 микросекунд; предпочтительно от 0,1 до 2 микросекунд; - два пьезоэлектрических преобразователя, способных генерировать сильно затухающие ультразвуковые волны сжатия с шириной полосы 100%, или в альтернативном варианте два пьезоэлектрических преобразователя, способных генерировать сильно затухающие ультразвуковые волны сдвига с шириной полосы 100%; - цифровой осциллограф с минимальным разрешением 10^-2 микросекунд.

Если затухание материалов настолько высоко, что осциллограф не может обнаружить сигналы, тогда можно использовать усилитель с переменным усилением.

При выборе преобразователей, отличающихся очень высоким затуханием и высокой избирательностью по поляризации, можно также производить измерения на кусочках горной породы очень малых размеров без краевых эффектов и множественных отражений, и в частности, что касается волн сдвига, эффекты, вызванные преобразованием мод, практически отсутствуют, так как высокая избирательность преобразователей позволяет компоненте сжатия, созданной волнами сдвига в результате нарушений прерывистости, возникающих во время распространения, не перекрывать возмущение сдвига.

В заключение, преимущества предложенного способа можно суммировать следующим образом: - измерение скорости распространения ультразвуковых волн сжатия и сдвига через кусочки породы и вычисление относительного времени прохождения и модулей упругости; - средство, которое можно использовать в промышленности для измерений непосредственно на месте буровой вышки; - простота и быстрота выполнения исследований, благодаря которым один оператор может производить 10-12 определений для кусочков породы в час, включая время подготовки образцов, измерение скорости распространения и обработку данных; - хорошая воспроизводимость измерений и отсутствие размерных эффектов на однородных образцах разных размеров; - измерение кусочков породы размером даже меньшего диаметра преобразователей, что, следовательно, не накладывает ограничений на предложенный способ; - параллельность поверхностей кусочков породы, контактирующих с преобразователями, должна выдерживаться только для гарантии точности измерения длины образцов;
- способ показал свою применимость также для образцов со средним радиусом пор более 50 микрон;
- совершенно новым аспектом является также определение на кусочках породы скоростей распространения ультразвуковых волн (сжатия и сдвига), поскольку это позволяет определить механическую характеристику материала в свете теории линейной упругости и, следовательно, вычислить модули упругости (модуль Юнга, модуль объемной упругости, модуль сдвига, коэффициент Пуассона) и, в частности, применять полуэмпирические модели (такие как, например, Coates & Denoo или Deree & Miller) для определения механической прочности породы.

Благодаря исключительной компактности, экономичности и транспортабельности экспериментального оборудования, необходимого для выполнения исследований, а также возможности использовать кусочки породы чрезвычайно малого размера, данный способ может использоваться непосредственно на месте расположения буровой вышки, обеспечивая источник информации в процессе бурения.

Приведенный ниже пример имеет также иллюстративный характер и ни в коей мере не ограничивает настоящее изобретение.

Для проверки надежности способа и зависимости измерений от размера исследуемых образцов были выбраны керны 6 разных литологий, на которых измеряли скорость волн сжатия и сдвига по импульсному методу измерения скорости (для использования в качестве эталонных значений).

Из каждого керна путем дробления получали 3 кусочка породы разного размера.

Каждый кусочек породы выравнивали на алмазном шлифовальном круге для получения плоских параллельных сторон и измеряли его толщину (при допуске 0,01 мм).

Используемое устройство состояло из излучающего преобразователя, подсоединенного к импульсному генератору, тонкого слоя соединительной жидкости (имеющей вязкость 420 пуаз (42 Па•с), измеренную с градиентом скорости сдвига 3,1 сек^-1, предварительно подготовленного кусочка породы, следующего слоя жидкости и приемного преобразователя, подсоединенного к осциллографу.

Электрический импульс, созданный генератором, возбуждает излучающий преобразователь, который передает ультразвуковую волну (сжатия или сдвига в зависимости от вида используемого преобразователя) через кусочек породы.

Приемный преобразователь преобразует акустическую волну в электрический сигнал, который затем визуализируется на осциллографе.

Таким образом, можно, проанализировав временную задержку преобразователей и схемы, определить время прохождения ультразвуковой волны через кусочек породы.

Измерив толщину кусочка породы, можно определить скорость распространения ультразвуковых волн сжатия или сдвига.

Предварительные исследования, выполненные в лаборатории на кусочках породы, полученных из керна, показали хорошую воспроизводимость измерений и отсутствие размерных эффектов для однородных образцов.

В частности, в таблице показаны результаты измерения скорости на волнах сжатия (Vp) и волнах сдвига (Vs), которые производились для 6 разных выбранных литологий, для каждой из которых указаны эталонное значение, измеренное на керне по импульсному методу измерения скорости (ref), и трех измерений, выполненных предложенным способом на кусочках породы разного размера (G>10 мм, М - 5 мм, Р<3 мм), чтобы продемонстрировать размерные эффекты, а на фиг.1, 2 и 3 эти значения показаны графически.

Следует отметить, что для доломита разность в значении скорости объясняется наличием изломов, имеющихся только в керне и отсутствующих в кусочках породы.

Формула изобретения

1. Способ измерения скорости распространения ультразвуковых волн в горной породе, включающий пропускание через горную породу ультразвуковых волн для получения электрических сигналов, отображение полученных электрических сигналов на осциллографе с разрешением, по меньшей мере, 10^-2 мкс, измерение времени прохождения волн, отличающийся тем, что ультразвуковые волны, генерируемые импульсным генератором при длительности импульса от 0,1 до 20 мкс, пропускают через куски породы, образующиеся непосредственно при бурении скважин в нефтедобывающей промышленности и имеющие диаметр даже менее одного сантиметра и средний радиус пор даже более 50 мк, при этом кусок породы размещают между двумя пьезоэлектрическими преобразователями с соединительной жидкостью между куском породы и преобразователями, обладающей вязкостью от 200 до 800 П.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность импульса составляет от 0,1 до 2 мкс.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковые волны являются волнами сжатия или сдвига.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5