Использование обломков выбуренной породы для прогнозирования затухания в реальном времени

005657 Область техники Настоящее изобретение относится, в общем, к анализу и интерпретации затухания и скорости волн в образцах обломков выбуренной породы, полученных во время бурения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к амплитудным спектрам, полученным портативным прибором на основе метода незатухающих волн (далее МНВ), который осуществляет измерения на обломках выбуренной породы с высокой резонансной частотой, и к анализу амплитудных спектров с помощью способа, разработанного авторами изобретения, для прогнозирования затухания в реальном времени на месте расположения буровой установки. Способ позволяет получать точные измерения затухания с низким пределом погрешности, которые невозможно получить с помощью известных из уровня техники методов сейсмического,вертикального сейсмического профилирования (ВСР) или скоростей контрольных взрывов в полевых условиях в реальном времени. Описание известного уровня техники Затухание - это неупругий процесс, который рассеивает энергию за счет превращения звуковой энергии в тепло, что приводит к уменьшению амплитуды волны и изменению частотного и фазового содержания распространяющегося импульса. Большинство усилий, предпринимавшихся в теории и на практике в области измерений, обработки и интерпретации, были сконцентрированы на скорости волны,а не на данных затухания, так как измерения скорости легче выполнять, они более надежны и эффективны. В настоящее время возрос интерес к измерениям затухания. Частотное содержание, фазовый спектр и скорость можно использовать в качестве сильных индикаторов типа порового флюида в пласте. Методы,известные из уровня техники позволяют определять затухание только с использованием образцов керна,а такие вычисления невозможно осуществлять во время бурения в реальном времени. Известны ультразвуковые измерения затухания с использованием образцов керна. Например, в патенте США 4380930 описана система для передачи ультразвуковой энергии через образец материала,которая содержит средство преобразования ультразвуковой энергии в контакте с образцом материала для передачи ультразвуковой энергии в образец и приема энергии после ее прохождения через образец; датчик давления для размещения в нем образца под всесторонним давлением, моделирующим условия подземного давления, и средство для изоляции средства передачи ультразвуковой энергии от условий всестороннего давления на датчике, чтобы средство передачи ультразвуковой энергии работало в условиях атмосферного давления. В патенте США 4631963 описан способ измерения анизотропии звуковой энергии в образце керна из подземного пласта, согласно которому образцу придают форму, имеющую несколько пар параллельных плоских внешних поверхностей по длине образца керна, и измеряют время прохождения звукового сигнала, затухание, форму сигнала или другие акустические свойства в каждом из азимутальных направлений через образец керна, которые перпендикулярны каждой из упомянутых пар параллельных плоских внешних поверхностей, и каждое из измеренных акустических свойств сравнивают для определения азимутального направления любой анизотропии акустической энергии через образец керна. См. также патент США 4631964. Обломки, образующиеся во время бурения, представляют собой потенциальный источник информации в квазиреальном времени, которую можно анализировать на месте размещения буровой установки. Использование обломков выбуренной породы в прошлом было ограничено, частично в силу проблем,возникающих в связи с выполнением измерений на очень маленьких образцах и получением какого-либо вида точных результатов. Обломки выбуренной порода могут быть потенциально бесценным источником информации для калибровки скоростей сейсмических волн, каротажа во время бурения (КВБ) и/или акустических измерений, выполняемых зондом, который опускают в буровую скважину на кабеле. Метод незатухающих волн (далее именуемый как МНВ) использовался в прошлом для акустического каротажа по фазовой скорости с использованием образцов керна. Эту методику в последнее время начали использовать в устройстве на основе МНВ, которое особенно хорошо подходит для исследования маленьких образцов типа обломков выбуренной породы и для осуществления измерений на обломках сланца размером меньше дюйма. В работе "Rig-site and Laboratory use of CWT Acoustic Velocity Measurements on Cuttings" (Применение акустического каротажа по скорости по методу МНВ на обломках выбуренной породы на месте буровой установки и в лабораторных условиях), Nes et al., Society of Petroleum Engineers Paper36854,1996, упоминаемой в полном объеме в качестве ссылки, описано использование метода незатухающих волн (МНВ) для акустического каротажа по фазовой скорости на обломках выбуренной породы с использованием оборудования, которое может быть портативным и предназначено для исследования небольших образцов обломков; этот метод может послужить в качестве нового источника данных, которые можно получать в квазиреальном времени на месте буровой установки. Существует большая потребность в способе, который бы позволил точно прогнозировать скорость и затухание при измерениях, проводимых в реальном времени на месте буровой установки, в различных литологиях, включая сланцы. Наличие таких данных позволило бы осуществлять калибровку сейсмических скоростей и скоростей по данным акустического каротажа, а также улучшило бы возможности кон-1 005657 тролирования флюида и давления в реальном времени, обеспечив тем самым существенную экономию во время бурения и выработки, а также улучшив оценки запасов. Краткое изложение сущности изобретения Учитывая вышесказанное, настоящее изобретение представляет собой способ прогнозирования затухания в реальном времени на месте буровой установки, как заявлено в п.1 формулы изобретения. Согласно указанному способу используется метод незатухающих волн (МНВ) с высокой резонансной частотой для получения амплитудных спектров как функции частоты для обломков выбуренной породы в реальном времени, и использования этих данных в совокупности с предложенным способом для точного прогнозирования затухания. Предложенный способ прогнозирования затухания в реальном времени на месте буровой установки, предпочтительно, заключается в том, что 1. Собирают обломки выбуренной породы с выбранными интервалами во время процесса бурения; 2. Используют портативное устройство на основе метода незатухающих волн (МНВ) для получения амплитудных спектров как функции частоты, при этомa) готовят образец обломка выбуренной породы с двумя противоположными параллельными поверхностями, разделенными расстоянием L (длина образца),b) помещают образец между преобразователями для Р или S волны,c) развертывают синусоидальный сигнал непрерывно в соответствующем частотном диапазоне,d) выделяют и регистрируют огибающую принятого амплитудно-модулированного сигнала; и 3. Опционально определяют скорость Vp посредством измерения f, разности частоты между двумя последовательными резонансами для каждого пика амплитуды и вводят данное число в уравнениеa) идентифицируют (fпик)i, резонансную частоту на максимальной высоте каждого пика амплитуды,b) измеряют (fi)i полупик, ширину на половине пика амплитуды, деленную на 2,c) определяют добротность Qi на i-той максимальной частоте с помощью уравнения: и с) прогнозируют затухание как обратную величину Qi: Комбинация данных скорости и затухания имеет большое значение при любом моделировании для лучшего понимания эффектов дисперсии (зависимой от частоты) и насыщения флюидами. Данные, полученные предложенным способом, позволят улучшить информацию о содержании флюидов в месторождениях с использованием сейсмических данных, калиброванных по скорости и затуханию. Краткое описание чертежей Фиг. 1 изображает экспериментальную установку; фиг. 2 - график резонансного спектра МНВ для обломка сланца толщиной 2,5 мм; фиг. 3 - схематическое определение вычисления затухания по амплитудным спектрам МНВ; фиг. 4 - зависимость скорости МНВ от частоты для контрольных материалов - люцита и соли; фиг. 5 - зависимость затухания МНВ от частоты для контрольных материалов - люцита и соли; фиг. 6 - зависимость скорости волны от частоты по модели, построенной Tutuncu et al. (1992); фиг. 7 - зависимость затухания волны от частоты по модели, построенной Tutuncu et al. (1992); фиг. 8 - зависимость скорости МНВ от частоты для образца воды; фиг. 9 - моделирование скорости МНВ по скорости в сухой породе с использованием уравнения Гассмана; фиг. 10 - данные затухания МНВ, полученные в реальном времени в скважине в Мексиканском заливе; фиг. 11 изображает использование затухания МНВ для определения проницаемости в реальном времени в скважине в Мексиканском заливе. Подробное описание изобретения Предложенный способ позволяет получить ряд преимуществ по сравнению со способами, известными из уровня техники. Прежде всего, он позволяет точно измерять в реальном времени скорость и затухание волн с использованием измерений образца реального пласта на месте расположения буровой установки. Он также позволяет прогнозировать пористость и проницаемость пласта в скважинах в реальном времени. Современный уровень техники не позволяет получать диаграмму проницаемости, регистрируемую в скважине. Предложенный способ позволяет на практике получать информацию о петрофизических свойствах, таких как проницаемость и пористость, посредством осуществления измерений затухания и скорости. Комбинация скорости и затухания волн позволяет надежно определять петрофизические свойства и является практичным и экономичным источником данных для контролирования изменений содержания флюида в месторождениях, находящихся в разработке, а также во время бурения. Та-2 005657 кое контролирование обеспечивает существенную экономию в проекте скважины и оптимизацию параметров разработки и исследования месторождения путем моделирования. В сейсмических исследованиях, особенно при интерпретации четырехмерных сейсмических данных, необходимо осуществлять преобразование качественных изменений амплитуды в количественные карты насыщения и/или давления для обновления модели месторождения. Знание комбинированного затухания и скорости в реальном времени с использованием способа, описанного в данном изобретении, поможет не только интерпретировать четырехмерные сейсмические данные, но также и дифференцировать нефть и газ при сейсмическом анализе, особенно, когда давление нефти в месторождении находится ниже давления насыщения. Картирование фронтов флюида и давления в реальном времени позволит повысить добычу углеводорода и снизить расходы на бурение с целью уплотнения сетки скважин и на добычу. В описании изобретения приняты следующие условные обозначения:- затухание звуковых колебаний, непер/см НВ - незатухающая волна МНВ - метод незатухающей волныmMD RT - глубина, измеренная на буровом роторе, мn - число полуволн р - первичный. Устройство МНВ, используемое в настоящем изобретении для измерения малых образцов обломков выбуренной породы на месте расположения буровой установки, представляет собой портативное устройство, содержащее держатель образца с двумя пьезоэлектрическими ультразвуковыми измерительными преобразователями, обращенными друг к другу. Один преобразователь используется для генерации звуковой волны, а второй для детектирования. Один из преобразователей установлен на головке микрометра, который позволяет одновременно измерять длину образца (см. фиг. 1). Образец помещают между двумя преобразователями. Резонансы ультразвуковой стоячей волны устанавливаются в составном резонаторе путем развертывания частоты возбуждения в диапазоне, соответствующем резонансам нескольких стоячих волн. Широкополосный детектор с регулируемым коэффициентом усиления, который подключен к портативному компьютеру, усиливает огибающую принятого сигнала. Компьютерная программа вычисляет скорости после получения нескольких входных параметров. Пример измерения, выполненного на образце обломка сланца толщиной 2,5 мм (0,5 дюйма), представлен на фиг. 2. Портативное устройство МНВ, использованное в настоящем изобретении, выпускает компания ТЕМСО, Tulsa,OK. В основе работы устройства МНВ лежит метод установления резонансов ультразвуковых стоячих волн в составном резонаторе посредством развертывания частоты f возбуждения в диапазоне, соответствующем нескольким резонансам стоячих волн. Затем эти резонансы вводятся в амплитудномодулированный сигнал, полученный вторым преобразователем. Каждый из резонансов стоячей волны,n, характеризуется резонансной частотой fn и добротностью Qfn/fn, где fn - полуширина пика амплитуды (фиг. 3). Q-1 часто называют "внутренним трением", и в случае плоских волн соотносят с затуханиемзвуковых колебаний как Q-1=v/(fn). В данном случае предполагаются плоские волны, что на практике означает, что /D достаточно мало, где- длина звуковой волны, D - диаметр. Резонанс будет возникать по существу каждый раз, когда =v/f выполняет условие L=n/2, где L - толщина образца, т.е. расстояние между двумя поверхностями преобразователя, а n -целое число. Акустическую фазовую скорость, будь то Р волна или S волна, теперь можно выразить как Vp=2Lf. В данном случае ffn+1-fn - это разность частоты между двумя последовательными резонансами. Например, сланец с Vp=6550 фут/с иL=0,06 дюймов будет показывать f0,67 МГц и фактическая частота будет в диапазоне 1-10 МГц. При подготовке к получению измерений оператор готовит образец обломка выбуренной породы с двумя противоположными параллельными поверхностями, разделенными расстоянием L (длина образца). Подготовка образца состоит в обеспечении двух гладких параллельных поверхностей, и ее можно выполнить с помощью наждачной бумаги. Выбор обломков выбуренной породы необходимо произво-3 005657 дить тщательно, для уменьшения возможных погрешностей, обусловленных неточностью глубины, неоднородностями и механическим повреждением обломков выбуренной и/или обрушившейся породы. Подготовку и измерение образцов, включая мелкозернистые образцы толщиной, составляющей доли дюйма, можно осуществить приблизительно меньше, чем за 10 мин после того, как обломок был взят с вибрационного сита. На время измерений образец зажимают между двумя передатчиками. Оператор прикрепляет преобразователи Р или S волны к каждой из двух поверхностей, развертывает синусоидальный сигнал непрерывно в соответствующем частотном диапазоне, выделяет и регистрирует огибающую принятого амплитудно-модулированного сигнала, измеряет f и вводит это число в уравнение Vp=2Lf для определения скорости. Микрометр присоединяют к металлической раме и используют для позиционирования преобразователя, что позволяет измерять длину образца под нагрузкой для данного измерения. Чтобы гарантировать достаточное качество сигнала, не влияя при этом на свойства образца, на обе подготовленные поверхности образца наносится соответствующий гель для акустической связи. Способ согласно изобретению позволяет получать точные данные в реальном времени на основании образцов размером меньше дюйма. Однако было замечено, что хотя и не наблюдалось значительных отклонений точности, наиболее точные данные давали образцы размером от 2,5 до 3 мм. Образцы размером меньше, чем 2,5 мм или образцы, которые имели довольно большую толщину, иногда давали результаты, вводящие в заблуждение. Затухание обычно гораздо сложнее анализировать, чем другие петрологические свойства. В предложенном способе для прогнозирования затухания строится график зависимости частоты от амплитуды,как показано на фиг. 3. Определяется значение для (fпик), максимальной амплитуды в центре каждого пика. Затем определяется (fi) /полупик), для чего берут ширину f на половине максимальной амплитуды на каждом пике и делят на 2. Затем эти значения используются для определения Qi, добротности или внутреннего трения, с помощью уравнения: и прогнозируют затухание как обратную величину Qi: Такое же вычисление выполняют для каждой резонансной (пиковой) амплитуды и значение затухания присваивают каждой резонансной частоте. После этого затухание можно нанести на график как функцию частоты для контролирования изменения содержания углеводородов, продвижения фронтов флюида и составления карты давления, как будет описано в примере IV и проиллюстрировано на фиг. 10. Можно построить график зависимости затухания от глубины, например, для калибровки сейсмических данных с высоким разрешением и для интерпретации амплитуд для определения проницаемости пласта, как будет описано в примере IV и проиллюстрировано на фиг. 11. Скорость и затухание вычисляются с помощью патентованных программ после получения нескольких входных параметров. В настоящем изобретении авторы объединили метод МНВ для измерения скоростей с новым способом, который был разработан для получения точного измерения затухания в предпочтительно насыщенных флюидом образцах. Предложенный способ можно применять для проверки интерпретации сейсмических амплитуд в исследованиях трех- и четырехмерных сейсмических данных в областях разработки,для описаний литологии и точного определения запасов, а также для контроля фронтов флюида и давления на любом месторождении, находящемся в разработке. Настоящее изобретение может также оказать существенное влияние на глубоководные буровые работы благодаря тому, что объединенные измерения затухания и скорости дают информацию о мелководных течениях, зонах аномального давления и слабых зонах, представляющих существенную опасность в глубоководных разработках. Предложенный способ с применением устройства МНВ отличается портативностью, относительной экономичностью и простотой реализации. Использование оборудования, которое можно доставлять на место разработки в чемоданчике, позволяет определять скорости в течение нескольких минут и преобразовывать информацию об амплитуде в значения для прогноза затухания с использованием образцов размером меньше дюйма. Опыт, полученный авторами в разведочно-эксплуатационной скважине в реальном времени с применением устройства МНВ, показал существенное отклонение от скоростей, полученных по данным периодической сейсмической разведки, однако наблюдалось гораздо лучшее согласование с данными акустического каротажа, полученными устройством, спускаемым в буровую скважину на кабеле, когда такие данные собирались на более поздней стадии. Данные затухания, полученные при правильном выборе образцов и их тщательной подготовке, были признаны очень надежными.-4 005657 Приведенные ниже примеры иллюстрируют заявленное изобретение. Эти примеры предназначены только для иллюстрации и их не следует воспринимать как ограничивающие в чем-то объем изобретения. Для специалистов будут очевидны многие изменения, которые можно внести в изобретение, не выходя за рамки изобретательского замысла. Эксперименты Пример 1. Контрольные материалы исследовались в лаборатории и на месте расположения буровой установки для проверки точности метода измерения скорости МНВ, который был источником входных данных для способа, предложенного в данном изобретении. Результаты контрольных экспериментов для затухания и скорости с использованием образцов люцита и соли показаны на фиг. 4 и 5. Образец соли имеет включение. Это включение ясно видно на спектрах МНВ для скорости и затухания в виде двух отдельных профилей скорости и затухания, особенно на низкочастотном конце спектра. Частотная зависимость была смоделирована в статье "The Influence of Fluids on Grain Contact Stiffness and Frame Moduli in SedimentaryRocks" (Влияние флюидов на контактную жесткость зерен и системные модули в осадочной породе),Tutuncu A et al., GEOPHYSICS, Vol.57, 12 (December 1992), pp.1571-1572, упоминаемой в полном объеме для сведения. На фиг. 6 и 7 представлен пример того, как модель прогнозирует зависимость частоты от скорости и затухания. Замечено, что данные, полученные предложенным способом (например, на фиг. 4 и 5), хорошо вписываются в эту теоретическую модель. Эксперименты в частотном диапазоне измерений, полученные с помощью настоящего изобретения, проводились в интервале 106-107 Гц. Пример 2. Для осуществления учета изменения типа и объема флюида, как описано в изобретении, в каждом опыте также измеряли фазовую скорость и затухание для флюида с помощью устройства МНВ. На фиг. 8 представлен пример амплитудных спектров МНВ для воды. Вычисленная скорость МНВ для воды составила 550050 фут/с. Пример 3. Для проверки точности способа, использованного для контролирования содержания флюида, производились измерения на нескольких образцах обломков выбуренной породы в сухом виде, а затем в полностью насыщенном виде. Позже проводилось сравнение с использованием замещения флюида по Гассману для проверки надежности измеренных скоростей для насыщенного материала. Замещение флюида по Гассману - это известный метод прогнозирования скоростей в насыщенном материале по модулям в сухом материале при низкой частоте. Согласно этой методике принимается допущение, что модуль минерала однородный и поровое пространство является изотропным без ограничения геометрии пор. При воздействии на породу сжатием, например, проходящей стоячей волной, в породе возрастает поровое давление, которое противодействует сжатию. По этой причине увеличивается жесткость породы. Теория Гассмана предсказывает, что результирующее увеличение эффективного модуля объемной упругости насыщенной породы можно вычислить с помощью следующего выражения: и нас = сух где- пористость, Кнас, Кg и Кf - модули объемной упругости насыщенного материала, зернистого материала и флюида, соответственно. нас и сух - модули сдвига для насыщенной и сухой породы. При этом следует учитывать, что сухая порода - это не то же самое, что насыщенная газом порода. На фиг. 9 представлены полученные авторами спектры амплитуды волны для сухой и насыщенной породы на образце обломка выбуренной породы из Мексиканского залива. Как и ожидалось, резонансные частоты показывают значительный сдвиг, когда образцы насыщены солевым раствором. Наблюдаемая f, разность частоты между двумя последовательными резонансами, была небольшой, причем более высокие скорости были обусловлены зависимостью, использованной для вычисления МНВ скоростей(Vp=2Lf). В примере, показанном на фиг. 9, Vp в сухой породе была 7055 фут/с, a Vp в насыщенной породе была 7793 фут/с. При использовании солевого раствора для прогнозирования скорости в насыщенной породе с замещением флюида по методу Гассмана, вычисленная скорость составила 7803 фут/с, т.е. погрешность была меньше, чем 0,2% (0,13%) по сравнению со значениями, измеренными в лаборатории. Пример 4. Несколько испытаний для измерения затухания в реальном времени было выполнено с выбранным интервалом в скважине в Мексиканском заливе. Данные скорости и затухания МНВ собирались в процессе бурения скважины. На фиг. 10 показана зависимость затухания от частоты для нескольких образцов, взятых из скважины. Можно заметить, что затухание находится в сильной зависимости от частоты. Эта зависимость была использована авторами как средство контролирования изменений содержания углеводородов, продвижений фронтов флюида и для составления карты давления. Используя высокочастотные измерения скорости и затухания МНВ, авторы смогли калибровать сейсмические данные с высоким разрешением и интерпретировать амплитуды для определения проницаемости пласта. Пример одного из таких исследований в полевых условиях представлен на фиг. 11.-5 005657 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ прогнозирования затухания в реальном времени на месте расположения буровой установки, заключающийся в том, чтоa) собирают обломки выбуренной породы с выбранными интервалами во время бурения,b) используют портативное устройство на основе метода незатухающих волн (МНВ) для получения амплитудных спектров как функции частоты для каждого обломка,c) идентифицируют (fпик)i резонансную частоту на максимальной высоте каждого пика амплитуды,d) измеряют (fi)(полупик), ширину на половине каждого пика амплитуды, деленную на 2,e) определяют добротность Qi с помощью уравнения:f) прогнозируют затухание как обратную величину Qi: 2. Способ по п.1, в котором дополнительно строят график зависимости затухания от частоты. 3. Способ по п.2, в котором дополнительно используют упомянутые данные при контролировании изменений содержания углеводорода. 4. Способ по п.2, в котором дополнительно используют упомянутые данные при контролировании продвижений фронтов флюида. 5. Способ по п.2, в котором дополнительно используют упомянутые данные для составления карты давления. 6. Способ по п.1, в котором дополнительно строят график зависимости затухания от глубины для диаграммы каротажа по затуханию. 7. Способ по п.6, в котором дополнительно используют упомянутые данные для калибровки сейсмических данных с высоким разрешением. 8. Способ по п.6, в котором дополнительно используют упомянутые данные для интерпретации амплитуд для определения проницаемости пласта (диаграммы каротажа проницаемости). 9. Способ по п.1, в котором устройство на основе метода незатухающей волны (МВТ) представляет собой портативное устройство, состоящее из держателя образца с двумя пьезоэлектрическими ультразвуковыми измерительными преобразователями, обращенными друг к другу, причем один преобразователь используют для генерации звуковой волны, а второй преобразователь используют для детектирования. 10. Способ по п.9, в котором дополнительноa) готовят обломки выбуренной породы, предназначенные для помещения в держатель образца, с двумя противоположными параллельными поверхностями, разделенными расстоянием L, где L = длина образца обломка,b) помещают образец между преобразователями для Р или S волны,c) развертывают синусоидальный сигнал непрерывно в соответствующем частотном диапазоне, иd) выделяют и регистрируют огибающую принятого амплитудно-модулированного сигнала. 11. Способ по п.1, в котором обломки собирают с интервалами, обеспечивающими точность 5-50 футов. 12. Способ по п.11, в котором обломки собирают с интервалами, обеспечивающими точность 30 футов. 13. Способ по п.10, в котором длина L образца составляет от 1,5 до 4 мм. 14. Способ по п.1, в котором обломки выбуренной породы являются насыщенными. 15. Способ по п.1, в котором обломки выбуренной породы выбирают из сланца или других литологий. 16. Способ по п.1, в котором вычисления включены в компьютерную программу.