ИМПУЛЬСНЫЙ ЗВУКОВОЙ КАРОТАЖ В ОБСАЖЕННОЙ СКВАЖИНЕ
Л.А. Сергеев, А.А. Бояройц, В.В. Чурлин, О.И. Соколов
В необсаженных скважинах при ультразвуковом каротаже выделяются хорошо нефтенасыщенные пласты пониженной скорости ультразвуковых импульсов [1, 6]. Однако в скважинах, обсаженных стальными колоннами, ультразвуковые каротажные установки, работающие на частотах в интервале 15-40 кгц, в особенности при слабом сцеплении цемента с трубой, не позволяют проводить расчленения пластов по скоростям, так как мешает волна, распространяющаяся по стальной трубе и приходящая в приемник первой. Амплитуда этой волны в приемнике велика, когда труба плохо схвачена цементным кольцом, и мала, когда имеется хороший акустический контакт между стальной трубой и цементом, что позволяет звуковой энергии уходить из трубы через цемент в породу. Поэтому характер изменения амплитуды этой волны используется для оценки качества цементации обсадных колонн в нефтяных скважинах [2].
При каротаже на звуковых частотах, т.е. на более длинных волнах, как при импульсном режиме [3, 4], так и при режиме непрерывного действия излучателя электромагнитного типа [5] было замечено значительное ослабление интенсивной волны типа Лэмба в пористых трещиноватых породах и в водонасыщенном пласте. В связи с разработкой прямого сейсмического метода поисков залежей нефти и газа [6, 7], проводящейся лабораторией структурно-геологического анализа Института геологии и разработки горючих ископаемых, возникла необходимость проведения интервального звукового импульсного каротажа в обсаженной скважине, пересекающей газовые и нефтяные пласты, для оценки скорости распространения упругих волн и поглощения их в разрезе.
Для выделения не только по амплитуде, но и по скоростям воли, несущих информацию о породе (за железной трубой и цементным кольцом), необходимо было применение такой каротажной установки, которая дает большую интенсивность излучения и спектр не ультразвуковых, а звуковых частот (1-7 кгц).
Поэтому совместно с Всесоюзным институтом техники разведки были проведены опытные наблюдения в одной из обсаженных скважин Кубано-Черноморской нефтегазоносной области при помощи макета звуковой каротажной установки ВИТР. Излучатель каротажной установки давал широкий спектр частот. Два приемных канала, состоящих из двух титанато-бариевых преобразователей и широкополосных усилителей, подавали импульсы на экран двухлучевой электронной трубки. Получаемые осциллограммы автоматически фотографировались при каждом срабатывании излучателя упругих колебаний. Наблюдения проводились при непрерывном подъеме, а также спуске каротажного снаряда в скважине (рис. 1).
Экспериментальные работы по звуковому каротажу в скважине были проведены в октябре-ноябре 1960 г. А.А. Бояройцем, О.Н. Соколовым и группой сотрудников лаборатории геоакустики ВИТР, при участии в разработке плана экспериментов, в обработке и интерпретации полученных осциллограмм Л.А. Сергеева и В.В. Чурлина (ИГ и РГ). Для сравнения результатов проведен сейсмокаротаж в этой же скважине сейсмической партией треста Краснодарнефтегеофизика.
Скважинный эксперимент. Разрез скважины представлял (рис. 2) чередование глинистых пород, слабо поглощающих звук, глинистых пород с прослойками песка, а также газовых и газонефтенасыщенных песчаных пластов, сильно поглощающих звуковые волны. Ожидалось, что в случае, если импульс, излучаемый аппаратурой, проникает в горную породу через обсадную колонну и цементное кольцо (см. рис. 1), то в газовых пластах, сильно поглощающих звук, будет наблюдаться резкое уменьшение амплитуд регистрируемых сигналов.
Звуковой каротаж в обсаженной скважине был проведен до глубины 900 м. При этом в интервале глубин 815-835 м был пересечен и подтвержден первый газовый пласт (Iг, рис. 2), состоящий из 2-5-метровых пропластков, выделяющихся на электрокаротажной диаграмме (рис. 1) повышенным сопротивлением (пики направо), а также обнаружен на глубине 650-750 м новый пласт К, насыщенный газом и водой.
При звуковом каротировании, начиная от 700 м и ниже, усиление сигнала в приемной аппаратуре держалось строго постоянным. Подсчет скорости каждой волны на данной глубине проводился три раза: при базе 2,75 м (излучатель И-приемник I), при базе 4,75 м (излучатель И-приемник II) и на базе 2 м (приемник I и II).
Соответственно на рис. 2 точки, нанесенные по данным приемника I, изображены отдельными черными значками, а по данным приемника II - белыми значками. Как правило, среднеарифметическое (из трех) значение скорости совпадало со значением, полученным по приемнику II. На приемнике II, как более удаленном от излучателя, было и лучшее разрешение волн. Отклонения от этого среднего значения скорости не превышали 10%.
Кроме того, на рис. 2 с правой стороны приведены амплитудные графики волн по приемникам I и II.
Максимальные амплитуды по приемнику I иногда выходили за пределы экрана и были срезаны. Поэтому в действительности амплитуды на ряде участков разреза могли подниматься выше линии ограничения, т.е. выше 65 мм на рис. 2. Следовательно, действительное различие между максимальными и минимальными амплитудами было большее, чем это видно на рис. 1. Усиления каналов I и II были различными.
Выделенные волны. Измерение на осциллограммах звукового каротажа первых вступлений различных волн, прослеживающихся на различных глубинах по характерным значениям периодов и амплитуд, позволило выделить шесть типов волн с резко различающимися скоростями. Кроме того, сопоставление участков прослеживания волн с особенностями строения обсаженной скважины на различных глубинах дало возможность уточнить характер волн и связать их распространение с определенными слоями.
1. Продольная волна в железных трубах Рж имела преобладающую частоту f = 6,9 кгц и видимую длину волны λ = 0,76 м. Она распространялась по двум коаксиальным стальным трубам - по 10" кондуктору с толщиной стенки d = 10 мм (при d/λ =0,015) и по внутренней 5" обсадной колонне с толщиной стенки d = 7 мм (при d/λ = 0,009); причем скорость ее, равная 5250 м/сек (при максимальном разбросе ±250 м/сек), не изменялась по глубине. Это измеренное значение скорости звукового импульса в материале железной трубы численно приблизительно равно скорости продольных звуковых волн в тонкой железной пластине; как известно [8], скорость в железной пластине равна 5170 м/сек вместо 5850 м/сек в неограниченном объеме железа. Это согласуется с работами [9], указывающими на существование определенной пониженной скорости звукового импульса в тонком слое (d<λ/4). Как показывают отношения толщин кольцевых слоев к длине соответствующей волны в каждом слое, все слои вокруг скважины - обсадную трубу, кондуктор, цементные кольца, межтрубное пространство, заполненное то цементом, то глинистым раствором - в нашем случае следует считать тонкими. Волна Рж наблюдалась только до глубины 320 м, т. е. до нижнего конца кондуктора. Ниже кондуктора, где была только одна тонкая железная обсадная труба, по-видимому, хорошо схваченная цементным кольцом, эта волна уже нигде не прослеживалась, может быть, будучи очень слабой, т.е. одна обсадная труба при пониженных частотах (больших длинах волн) не мешает вести каротаж.
2. Продолжительная волна по цементному кольцу Рц толщиной 5-6 см распространялась со скоростью несколько понижающейся с глубиной от 3600 до 3300 м/сек (f=2,1 кгц, λ=1,7-1,6 м, d/λ=0,035-0,038). Только в интервале глубин от 255 до 345 м, где внутри цементного кольца двойной толщины зацементирован нижний конец железного кондуктора ввиду подъема цемента за обсадной трубой, имеется как бы железобетон. Скорость этой волны имеет местное резкое повышение на этом участке до 4000 м/сек.
3. Волна в цементном кольце Sц, природа которой уточняется, распространялась в различных интервалах глубин со скоростями 2700 и 2000 м/сек (f= 2,5 кгц, λ = 1,1-0,8, d/λ = 0,055-0,075). Она прослеживалась па интервалах соприкосновения цементного кольца со стальным кондуктором и глинистыми породами.
4. Продольная волна Р в большом объеме породы распространялась главным образом вне обсадной трубы и цементного кольца со скоростью, возраставшей с глубиной, т.е. с увеличением горного давления, от 1700 до 2000 м/сек (f = 1,8 кгц, λ = 0,95-1,1 м). Эти значения скорости были подтверждены стандартным сейсмокаротажом, данные которого также показаны на рис. 2 звездочками.
В интервалах повышенного поглощения- в первом газовом пласте Iг (815-835 м) и в песчаном пласте К (650-750 м), в настоящее время давшем в ряде скважин выбросы газа с водой, эта продольная волна Р, с малой амплитудой, либо вообще не прослеживалась, либо наблюдалась только в отдельных точках с несколько пониженной скоростью (на 5 %). Интересно отметить, что до звуковых каротажных работ песчаный пласт К, по данным элекрокаротажа, считался только водоносным.
5. Волна, по-видимому, типа Лэмба L [11], родственная продольной волне Р той же частоты (f=1,8 кгц, λ=0,78-1,0 м), но с повышенной скоростью, также возраставшей с глубиной от 1400 до 1800 м/сек, главным образом распространялась также в породе, но вблизи стенки скважины, при сильном влиянии на ее скорость повышенной сжимаемости воды, находящейся в скважине.
Будучи интенсивной волной, она хорошо прослеживалась и в упомянутых выше интервалах повышенного поглощения, но с понижением амплитуды не менее, чем в 1,5-4 раза. Еще в трех - пока не исследованных - песчаных пропластках (550-590; 490-530; 410-420 м) также наблюдалось некоторое уменьшение амплитуд волн L и Р и небольшое уменьшение скорости волны Р.
6. Волна Рв, в основном в слое воды и осевшего глинистого раствора, находящемся в межтрубном пространстве шириной d = 5,5 см (между обсадной колонной и кондуктором) распространялась с пониженной скоростью [12], возраставшей с глубиной от 950 до 1250 м/сек (f=1,6 кгц, λ=0,6-0,8 м, d/λ=0,09-0,07). Она была интенсивнее даже волны Лэмба.
Эта особо интенсивная волна Рв наблюдалась только до глубины 250 м, т. е. там, где над цементом в межтрубном пространстве присутствовал отстоявшийся глинистый раствор.
На основании изложенного выше можно сделать следующие выводы.
1. Импульсный звуковой каротаж, проведенный в обсаженной скважине до глубины 900 м, при помощи макета аппаратуры ВИТР, работающей с широким спектром звуковых частот, позволил выделить по скоростям и амплитудам шесть типов волн: в стальной колонне и кондукторе, по воде и глинистому раствору между колонной и кондуктором (в межтрубном пространстве), две волны в цементном кольце, волна типа Лэмба в породе в непосредственной близости у стенки скважины и продольная волна в большом объеме породы вне скважины, обычно применяющаяся при сейсмической разведке и сейсмокаротаже.
2. Наблюдалось затухание амплитуд не менее чем в 1,5-4 раза как волны Лэмба L, так и продольной волны Р в породе (до полного ее исчезновения) в известном первом газовом пласте и в лежащем выше газовом песчаном пласте, газонасыщенность которого обнаружена при помощи звукового каротажа.
Это выявленное нами повышенное поглощение обеих родственных волн в породе газового пласта, во-первых, дает возможность на основании уменьшения амплитуды волны Лэмба, хорошо выделяющейся при звуковом каротаже, судить о поглощении в этой же породе продольной волны (в неограниченном объеме), применяющейся при сейсмической разведке, и, во-вторых, по-видимому, объясняет замеченное И.Г. Медовским и К.А. Мустафаевым [10] понижение глубины прослеживания с поверхности Земли отражений над газонефтяными залежами. Оно указывает, что повышенное поглощение волн над залежами создается в лежащей выше толще газовыми пластами и пластами, лежащими над залежами и, возможно, содержащими пузырьки газа, просачивающегося из газовых и нефтяных залежей.
3. Импульсная аппаратура, работающая со спектром звуковых частот волн повышенной интенсивности, может быть применена в обсаженной скважине не только для расчленения разреза по скоростям и затуханию волн, но и для выделения сильно поглощающих звук газовых залежей, а также для промысловых исследований скважин: для определения высоты подъема цементного кольца за колонной, для контроля качества цементации и для отбивки нижнего конца стального кондуктора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hicks W. G. and Berry I.Е. Application of continuous velocity logs to determination of fluid saturation reservoir rocks. Geophys. vol. 21, N 3, 1956.
2. Anderson W.L., Walker T. Research Predicts Improved Cement Bond Evaluations with Acoustic logs. I. of Petr. Technol., november, 1961.
3. Xалeвин H.И. Об импульсном интервальном звуковом каротаже. Изв. АН СССР, (серия геофиз.), № 3, 1958.
4. Xалевин Н.И. К оценке пористости породы по звуковым скважинным измерениям. Разведочная и промысловая геофизика, вып. 30, Гостоптехиздат, 1959.
5. Xалевин Н.И., Барыкин Д.Д. Установка для акустических исследований в буровых скважинах. Изв. АН СССР, серия геофиз., № 1, 1961.
6. Мирчинк М.Ф., Баллах И.Я., Сергеев Л.А., Чурлин В.В. Оценка возможности применения сейсмической разведки для прямых поисков нефтяных залежей. Изв. АН СССР, 1961.
7. Сергеев Л.А. Прямые поиски залежей нефти и газа сейсмическим методом. Сб. научно-технической информации, № 12 Гос. ком. СМ Тадж. ССР по коорд. научно-исслед. работ г. Душанбе, 1961.
8. Бергман Л. Ультразвук. ИЛ, 1956.
9. Шамина О.Г., Силаева О.И. Распространение упругих импульсов в слоях конечной мощности со свободными границами. Изв. АН СССР, серия геофиз., № 3, 1958.
10. Медовский И. Г., Мустафаев К.А. О природе «слепых зон» при сейсморазведке в прибрежных районах Каспийского моря. Геофизическая разведка на нефть и газ. Гостоптехиздат, 1959.
11. Lamb Horace. On the velocity of sound inatubeas affected by the elasticity of the walls; Memoirs and proceeding of the Manchester literary and philosophical society, 42, N1, XLII, 1897-1898.
ИГ и РГИ, ВИТР
Рис. 1. Схема распространения волн в слоях вокруг обсаженной скважины.
Р - продольная волна в большом объеме породы; L - волна в породе, по-видимому, типа Лэмба вблизи скважины; Рц- продольная волна в цементном кольце; Sц -волна по цементному кольцу; Рж - продольная волна в железных трубах; Рв - продольная волна в слое воды и отстоявшегося глинистого раствора в межтрубном пространстве; И - источник звука; I - высота подъема цементного кольца между обсадной колонной и кондуктором (h = 255 м); II - башмак кондуктора.
Рис. 2. Интервальные скорости и амплитуды волн в обсаженной скважине по данным импульсного звукового каротажа.
