Волновое инициирование расчлененных коллекторов

Одной из главных сейсмогеологических характеристик горных пород является многопластовость (расчлененность) залежи. При волновом инициировании тонкослоистых пластов возникает целый ряд специфических проблем. Типы волн, возбуждаемых в тонкослоистых средах, а так же характер взаимодействия между ними зависят от мощности слоя, расстояния источника до границы, расстояния от источника до целевой зоны пласта. В зависимости от сочетания этих факторов при наложении волн различных типов образуются суммарные поля смещений, которые имеют природу интерференционных волн. Выделение отдельных монотипных, обменных, кратных отраженно-преломленных, многократных отраженных и др. типов волн в составе интерференционных волн невозможно. Учитывая это, а также необходимость изучения при волновом воздействии прежде всего энергетических, интегральных параметров, целесообразно для целей разработки технологии волнового воздействия оценивать суммарные поля смещений. Интерференционные волны, образующиеся в слое и распространяющиеся в нем волноводно, образуют ряд устойчивых групп, в т.ч. лявов-ского и релеевского типов, являющихся модами и распространяющихся каждая с некоторой, свойственной ей зависимостью скорости от длины волны.

Особенно важен такой подход к разработке технологии волнового воздействия на основе анализа возбужденных интерференционных волновых полей при мощностях слоя, соизмеримых с длиной возбуждаемой волны, а так же при больших удалениях от источника по сравнению с мощностью слоя, т.е. на границах зоны охвата пласта волновым воздействием.

С учетом методов модальной теории при разработке волновой технологии следует учитывать существенную зависимость волновых полей от сочетания параметров, характеризующих свойства источников, физико-механические характеристики среды, её стратиграфическое строение (наличие тонких слоев или переслаивающихся пачек), соотношение местоположения источника и продуктивного пласта (прежде всего, расстояние от источника до пласта), удаление интересующей области пласта от источника, а так же мощность пласта в сопоставлении с длиной возбуждаемой волны.

Таким образом, при волновом воздействии на массив горных пород, находящихся в напряженно-деформированном состоянии, происходит сложный процесс взаимодействия первичных волновых полей, создаваемых источниками поля, и вторичных полей, сопровождающих процесс разгрузки горного массива, инициированный воздействием первичного поля.

В этих условиях анализ колебаний, развивающихся в пласте, не может осуществляться на основе решения неоднородных линейных волновых уравнений с нулевыми начальными условиями. В этих случаях наиболее важный энергетический анализ волновых процессов в пласте осуществляется на основе применения принципа суперпозиции и модальной теории.

Исходя из принципа суперпозиции, задачи анализа импульсной функции возбуждения d>(x,y,z,t) сводятся к стационарным задачам на основе теории Фурье - преобразования:

  • - прямого - Ф (х, у, z, t) = 5ф(х, у, z, day,
  • - обратного - 8ф (х,у, z, а>) = ХХ(Ф(х,у,2, t) е' 'ja> dt, где S (x,y,z, а)) -спектр функции.

При этом воздействие первичных и вторичных полей в пластовой упругой системе рассматривается как суперпозиция двух систем нормальных мод, включающих стоячие волны и плоские нормальные бегущие волны.

Наложение сложных первичных и вторичных упругих волн от разных источников: от инициирующей скважины и области разгрузки напряженно-деформирован-ных пород приводит к возникновению смещений в пласте в произвольных направлениях. В соответствии с общей теорией упругих волн произвольное движение такого общего вида в твердом теле любой произвольной формы может быть представлено как суперпозиция стоячих волн, ориентированных во всевозможных направлениях.

Волновые явления, связанные с суперпозицией упругих волн в пласте приводят к существенному повышению энергетического уровня волнового воздействия.

Особенно важным в этом отношении является возбуждение и суперпозиция стоячих волн на частотах, кратных собственной частоте пласта. Суперпозиция стоячих волн от первичного (скважина) и вторичного (напряженно-деформированная зона пласта) источников приводит к увеличению амплитуды упругого воздействия в пределе на два порядка.

На границе раздела сред могут распространяться поверхностные или граничные нормальные волны, например, волны релеевского типа.

Нормальные колебания, определяемые как синусоидальные собственные колебания, имеют вид стоячих волн, удовлетворяющих основному волновому уравнению. В связи с этим, при разработке технологии волнового воздействия, связанного с образованием мод стоячих волн должны учитываться особенности (амплитудно-частотные характеристики и диаграмма направленности) волнового источника и характер граничных условий.

Длина волны, а так же расположение узлов и пучностей стоячих волн определяется условиями на границах пласта. В силу линейности волнового уравнения, суперпозиция волн, каждая из которых удовлетворяет этому уравнению, также удовлетворяет ему. С энергетической точки зрения, даже если система (тонкослоистая среда) не получает подпитки энергии после первоначального толчка, она сохраняет неопределенно долго вынужденные колебания. Потери энергии в системе связаны только с её затуханием (определяющимся, в свою очередь, поглощением за счет вязко-упругого трения, расхождением и рассеянием энергии) и при отсутствии этих потерь колебания являются незатухающими в течение неопределенного времени. С точки зрения разработки технологии волнового воздействия важным признаком этого волнового процесса является то, что дважды за период кинетическая энергия превращается в потенциальную, и наоборот. Это создаёт возникновение также дважды за период области максимальной деформации (минимального смещения) в узловой области колебаний, и области минимальной деформации (максимальное смещение) в области пучности.

Вследствие таких процессов, которые развиваются в пласте при волновом воздействии, на границах областей пучности и узлов возникают локальные градиенты пластового давления, связанные, в свою очередь, с возникновением разности порового давления в пучностях и узлах волны. При наличии общего градиента пластового давления по направлению к области питания (отбора) добывающих скважин и сил капиллярного гистерезиса в пласте дважды за период упругой волны возникают микроперетоки пластового флюида, что и обеспечивает, в конечном счете, повышение нефтегазоконденсатоотдачи пласта.

Помимо того, что суперпозиция нормальных колебаний удовлетворяет волновому уравнению, из линейности граничных условий следует, что суперпозиция волн, каждая из которых удовлетворяет линейному граничному условию, также удовлетворяет этому условию. Для случая волновых процессов в пласте граничные условия состоят в неразрывности смещений, деформаций, скоростей и напряжений. Если для некоторых функций f и имеют место условия: (0,t)=0,

/2 (0,t)=0, то f (0, t) + /2 (0, t) = О

Из линейности волнового уравнения и граничных условий следует, что суперпозиция любого числа нормальных упругих колебаний в пласте удовлетворяет волновому уравнению, граничным условиям в пласте и является одним из возможных его движений.

Из этого следует одно из важнейших положений технологии волнового воздействия: при отсутствии внешних воздействий (применительно к волновому воздействию - после прекращения импульсного возбуждения) в пласте не могут происходить никакие движения (колебания), отличные от суперпозиции синусоидальных собственных колебаний, или, перейдя к условиям возбуждения упругого импульса, каковы бы ни были начальные условия, движения в пласте могут быть в виде суперпозиции нормальных колебаний.

Совместный анализ волновых и геотехнологических полей давления и др. при волновом воздействии может быть существенно расширен за счет использования более широкого класса упругих волн по сравнению с сейсмоакустическими методами, применяемыми при обычных технологиях.

К их числу относятся рассеянные, каналовые, стоячие и инфразвуковые волны, не применявшиеся до настоящего времени при геофизических исследованиях на месторождениях.

В связи с этим, разработка методов площадного волнового воздействия на значительных по размеру участках (блоках) продуктивных пластов создаёт ограничения, либо делает и вовсе неприменяемыми те методы анализа геолого-физических характеристик геосреды, которые успешно используются при исследованиях в отдельных точках (т.е. в скважинах) на месторождениях.

Наличие слоёв с волноводными характеристиками в геосреде месторождений значительно усложняет анализ волновых явлений, поскольку в дополнение к полю, образованному бегущими волнами, необходимо учитывать поле стоячих волн. Характер интерференции этих полей важен с двух точек зрения:

анализ взаимодействия волн в пласте с целью контроля эффективности процесса волнового воздействия;

максимизация упругой энергии, передаваемой в пласт, с целью оптимизации технологии волнового воздействия.

Задачи анализа волновых процессов при проведении работ по технологии инициирующего волнового воздействия связаны так же с необходимостью учета специфики волновых источников. Применяемые при таких работах импульсные источники типа горизонтальной и вертикальной сосредоточенной силы генерируют ударные короткие импульсы, распространяющиеся в пласте в виде упругих волн. Такие колебания являются нерегулярными, случайными и обладают широким (теоретически бесконечным) спектром частот. В этом случае возникают вопросы когерентности колебаний, определяющей мощность и эффективность воздействия. Условие когерентности, состоящее, в общем случае, в сохранении постоянной разности фаз во времени, для случайных колебаний усложняется. Негармоничность колебания проявляется в беспорядочном, случайном изменении во времени его фазы и при достаточно большом интервале времени изменение фазы колебаний может превысить величину л. Это означает, что через это время колебание «забывает» свою первоначальную фазу и становится некогерентным «само по себе». Время, в течение которого происходит этот процесс, определяет продолжительность цуга, причем происходит постоянная замена одного цуга другим.

Когерентность, связанная со степенью монохроматичности волны, является временной когерентностью.

В реальных волновых процессах амплитуда и фаза колебаний изменяются не только вдоль направления распространения волны, но и в плоскости, перпендикулярной этому направлению. Случайные изменения разности фаз в двух точках, расположенных в этой плоскости, увеличиваются с возрастанием расстояния между ними.

Когерентность колебаний в этих точках ослабевает, и когда случайные изменения разности фаз становятся соизмеримыми с п, она исчезает. Таким образом, в отличие от упомянутой выше временной когерентности должна рассматриваться пространственная когерентность волны. Всё пространство, занятое волной, может быть разбито на области, в каждой из которых она сохраняет когерентность. Объём такой области, или объём когерентности, равен произведению длины цуга на площадь круга, радиус которого соответствует размеру пространственной когерентности.

П = (4.1)

где Vk - объём геосреды, занятой областью когерентности волны;

с - скорость упругой волны;

т - длительность цуга;

€ - размер пространственной когерентности.

В рамках стоящей задачи волнового воздействия минимальная длительность цуга Тцуг равна длине волны, что при частоте возбуждаемых колебаний 10Гц и скорости упругой волны в пласте 4000 м/с составляет Тцуг = с • т - 4000 м/с • 0,1 =400 м

Если ограничить радиус круга пространственной когерентности толщиной пласта h, то минимальный объём области пространственной когерентности при h=20 м составит Vn =4000 0,1 -тт -202 = 480000 ~5 • 10V

В реальных условиях когерентность волны, излучаемой волновым источником, исчезает на значительно большем удалении, что существенно увеличивает объём области когерентности волны. Таким образом, область геосреды, занятая при волновом воздействии когерентными волнами, имеет значительные размеры, чем, в частности, определяется дальнодействие технологии волнового воздействия (с учетом так же и других факторов).

Особенности процесса излучения и формирования волн в пласте - волноводе заключаются в образовании и распространении в пласте плоских волн. В этом случае размер пространственной когерентности:

Л • /?/г (4.2)

где / - размер когерентности;

R - расстояние от источника;

г - размер источника.

Поскольку r« R, то Л • R т.е. область когерентности возрастает.

Интерференционная волновая картина, создающаяся в пласте - волноводе при волновом воздействии, образуется, в основном, наложением бегущих и стоячих волн. Суммарная волна возникает в результате согласованного вынужденного излучения во всем объёме пласта. Поэтому пространственная когерентность сохраняется во всем поперечном сечении пласта на значительных удалениях, или в значительном объёме геосреды, размеры которого определены выше. В этих условиях волновое излучение обладает весьма значительной пространственной когерентностью, т.е. очень высокой направленностью по сравнению с когерентностью излучения той же интенсивности в геосреде, не содержащей волновода.

При волновом воздействии в продуктивном пласте в его точках, отстоящих на целое число длин волн, происходит интерференция волн отраженных от подошвы и кровли пласта. Поскольку в этих условиях запаздывание одной волны по отношению к другой, связанное с разностью пройденных путей, меньше продолжительности цуга, то колебания в точке сложения будут когерентными, и здесь будет отмечаться максимальная интенсивность колебаний. Именно эти области пласта являются источниками вторичного излучения, поддерживающими энергию колебательных процессов в пласте.

Существование зон когерентности, узлов и пучностей деформаций (напряжений) в пласте позволяет рассматривать динамическую структуру пласта как упорядоченную структуру, узлы которой являются элементами, связанными упругими силами, образующими в совокупности т.н. гармоническое приближение. В такой структуре одновременно могут существовать все нормальные колебания, а каждое колебание динамического элемента структуры пласта может быть представлено в виде суперпозиции нормальных колебаний, при этом каждую стоячую волну нормального колебания можно представить в виде двух упругих плоских бегущих волн (нормальных волн), распространяющихся в противоположных направлениях. При более глубоком анализе, каждой из бегущих плоских волн, и соответственно, образуемой ими стоячей волне можно поставить в соответствие совокупность движущихся квазичастиц с определенной энергией и импульсом, которые являются фононами - квантами колебательного движения в акустическом поле и в силу упругих связей распространяющихся в виде упругих волн.

Таким образом, волновые явления в волноводных пластах отражают совокупность чрезвычайно сложных процессов резонанса, фокусировки, интерференции различных типов волн [8]. Исследование этих процессов в пласте может быть эффективно осуществлено только с привлечением теоретического анализа, феноменологических методов и промысловых испытаний.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >