Особенности взаимодействия многофазных микроструктурированных сред с акустическими и электрическими полями

Объект исследования — многофазные микроструктурированные среды на предмет изучения эффектов взаимодействия акустического и электрического полей.

Актуальность исследования.

Традиционный подход к решению задач поиска месторождений углеводородов и дифференциации геологического разреза на основе комплексирования данных сейсмои электроразведки не удовлетворяет в полной мере нуждам нефтепромысловой отрасли. Это связано с тем, что в большинстве случаев при формировании математических моделей физических явлений, экспериментально наблюдаемых в горных породах, используется классический подход к описанию сплошной среды. Данный подход исключает из рассмотрения такие свойства сред, как микроструктурированность, многофазность, пренебрегает фактом разномасштабности комплексируемых данных и не учитывает взаимное влияние друг на друга полей, используемых в различных геофизических методах. Применение этого подхода снижает возможность получения полной и более достоверной информации о петрофизических свойствах пород in situ, в частности пород, слагающих верхнюю часть разреза. Однако экспериментально показано [55], [129], что в рамках сейсмических и электроразведочных методов повысить полноту геофизических данных возможно путем комплексного возмущения исходного состояния микронеоднородной породы упругими и электрическими полями. Это приводит к формированию вторичных откликов, которые могут характеризовать физические параметры геологической среды и ее внутреннее строение. На данный момент существуют поисковые комплексные методы, использующие вторичные отклики, так называемые электросейсмические и сейсмоэлектрические эффекты [44], [108], [111], [61], однако число этих методов не велико, а применимость ограничивается лишь дифференциацией геологического разреза на качественном уровне. Данный факт вызван отсутствием общей теории перекрестных явлений, учитывающей многофакторность и многомасштабность физических процессов, происходящих в многофазных средах, в особенности неконсолидированных. До сих пор о природе многих процессов, протекающих на поверхностях раздела между элементами твердого скелета пористой среды в присутствии электролита, нет устоявшихся физико-химических представлений, а многие механизмы микропроявлений и их вклад в измеряемые интегральные характеристики геологических сред не были установлены.

Таким образом, актуальность исследований определяется необходимостью повышения информативности и достоверности интерпретации данных сейсмических и сейсмоэлектрических методов, заключающейся f в физико-математическом обосновании применимости комплексного воздействия упругого и электрического полей на горные породы и построении модели физических явлений, протекающих в геологических средах в условиях данного воздействия.

Цель исследования.

Установить физические процессы, происходящие во внутренних точках гетерогенных сред при воздействии внешних упругого и электрического полей и оценить вклад каждого из этих процессов в измеряемые интегральные характеристики среды.

Научная задача.

Определить закономерности изменения параметров состояния консолидированных и рыхлосвязанных многофазных сред при взаимодействии с акустическим и постоянным электрическим полями.

Фактический материал и методы исследования.

Теоретической основой решения поставленной задачи являются теории взаимодействия упругих и электрических полей [73], [119], [94], [59], теория контактного взаимодействия Герца [135], а также уравнения распространения упругих волн в микронеоднородных средах [85], [97], [7], [65], уравнения электропроводности гетерогенных сред [110], [80], [89] и уравнения стационарной электрокинетики [125], [100].

Основным методом исследования является физико-математическое моделирование распространения упругих волн в пористых многофазных средах в условиях протекания по ним постоянного электрического тока (построение физико-механических моделей геологических сред, получение и решение уравнений механики, электродинамики пористых сред, насыщенных электролитами). Физическое и скважинное натурное моделирование волновых полей производилось с использованием программно-алгоритмического комплекса разработанного в ИГФ СО РАН и соискателем. Этот метод моделирования включает: изготовление физических моделей геологических породизмерение и расчет петрофизических параметров исследуемых моделей с использованием данных микроскопического, гранулометрического, рентгеноструктурного и рентгенофлюоресцентного анализовпроведение геофизических исследований скважин, регистрацию акустических и акустоэлектрических сигналовизмерение скоростей Р и Б волн.

Полученные соискателем научные закономерности сравнивались с результатами вычислительных экспериментов по распространению упругих волн в многофазных средах [132], взаимодействию упругих и электрических полей [119], [60], а также с результатами физического моделирования эффектов взаимодействия электрических и упругих полей для однородных сплошных веществ [11], [66] и для многофазных сред [51], [3]. Сравнение показало, что выбранная соискателем методика исследований вполне приемлема для решения поставленной задачи.

Защищаемые научные результаты и положения.

В условиях протекания постоянного электрического тока в многофазных средах экспериментально установлено и теоретически обосновано, что:

1) эффект изменения упругих модулей среды определяется тремя физическими процессами одновременно протекающими в воде, насыщающей поровое пространство среды: а) движение молекул воды в область взаимодействия структурных элементов среды, обуславливающее уменьшение упругих модулейб) насыщение порового пространства газовой компонентой вследствие процесса электролиза жидкости, возбуждаемого постоянным электрическим током, может приводить, в свою очередь, как к уменьшению упругих модулей, так и к их увеличениюв) движение ионов солей в зону контакта микрогранул среды, что ведет к возрастанию упругих модулей среды путем образования новых дополнительных связей в твердом скелете.

2) наличие в поровом пространстве среды свободного (подвижного) полярного флюида (воды) является необходимым условием появления эффекта изменения упругих модулей микроструктурированных флюидонасыщенных сред.

3) Физическим механизмом генерации акустоэлектрического (сейсмоэлектрического) отклика является разность скоростей перемещения твердой и жидкой компонент во фронту упругой волны. Этот отклик водонасыщенной среды содержит составляющую микрофонного эффекта, генерируемую в условиях протекающего по среде постоянного электрического тока. Микрофонный эффект представляет собой дополнительный электрический сигнал за счет периодического перемещения фронтом упругой волны измерительных электродов.

Научная новизна и личный вклад.

1. Получены формулы определяющие кинематические характеристики водонасыщенных сред, подверженных воздействиям динамическими упругими деформациями в условиях протекания постоянного электрического тока. На основе разработанной физико-механической модели геологической среды, результатов экспериментов, а также данных микроскопического и петрофизического анализов установлено, что причиной изменения упругих модулей среды являются электрохимические реакции, протекающие в поровом пространстве многофазной среды. Данные реакции обусловлены движением ионов солей, насыщением порового пространства газовой компонентой вследствие процесса электролиза жидкости и ее осмотическим движением. Доказано, что избирательность в проявлении каждого из процессов определяется следующими факторами: количеством электрического заряда, прошедшего через среду, степенью минерализации флюида и сцементированностью скелета. Установлена закономерность изменения упругих характеристик водонасыщенных сред в зависимости от величины электрического заряда, переносимого через среду, и проницаемости данной среды. Экспериментально показано отсутствие зависимости изменения упругих модулей среды от направления протекания электрического тока.

2. Используя математическую модель контактных взаимодействий Герца-Винклера, результаты натурных и лабораторных экспериментов, установлено, что изменение упругих модулей среды в условиях протекания постоянного электрического тока происходит лишь при насыщении порового пространства водой до состояния появления свободной жидкости. Воздействие внешнего электрического поля на микронеоднородные среды содержащие адсорбционно-связанную воду или насыщенные неполярными флюидами (маслом) не вызывает изменений упругих параметров.

3. Экспериментально установлена и математически обоснована физическая природа акустоэлектрического отклика, определяющаяся разностью скоростей смещения твердой и жидкой компонент во фронте упругой волны (используя кинематические параметры Р и S волн, зарегистрированных тензодатчиком, акселерометром, велосиметром и системой электродов). На основе теории взаимодействия упругих и электрических полей [94], разработано уравнение и реализованы методики получения истинных параметров акустоэлектрических сигналов при проведении измерений в условиях протекающего по водонасыщенной консолидированной среде постоянного электрического тока.

Теоретическая часть представленных в диссертации исследований, реализация алгоритмов регистрации, обработка данных сейсмических, акустических и электрических методов выполнены автором лично, лабораторные исследования — совместно с к.г.-м.н. Ю. А. Нефедкиным, натурные эксперименты (вертикальное сейсмическое профилирование) -совместно с к.т.н. В. А. Куликовым.

Кроме того, соискателем был проведен комплекс геофизических исследований скважин, включающий акустический, гальванический каротажи с последующей цифровой обработкой и геологической интерпретацией данных.

Научная и практическая значимость.

Результаты исследований являются теоретической и методической основой для разработки новейших технологий в области измерений in situ параметров проницаемости, типов породы и флюидов, распределения флюидов в пласте, положения ВНК, ГНК.

Поскольку протекание электрического тока способно изменять структуру пористой среды (как консолидированной, так и рыхлой), то существует принципиальная возможность по характеру акустического отклика в условиях протекания электрического тока сделать заключение о степени консолидации геофизической среды верхней части разреза и типе насыщающего её флюида.

Явление конверсии упругих динамических деформаций в электрический сигнал, положенное в основу многоволнового акустоэлектрического каротажа, позволит избегать эффекта разномаштабности геофизических полей и более достоверно разделять среды с различными фильтрационно-емкостными, но с практически неотличимыми акустическими параметрами.

Разработанные соискателем алгоритмы и процедуры цифровой обработки акустоэлектрических сигналов позволяют с большей эффективностью выделять полезный сигнал конверсии и выявлять помехи при регистрации сейсмоэлектрических эффектов во внешних электромагнитных полях.

Результаты проведенных исследований используются в учебных курсах геолого-геофизического факультета НГУ.

Апробация.

Основные научные результаты докладывались на: Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 2002, 2003, 2004), Международной научной конференции «Акустика неоднородных сред» (Новосибирск, 2002), Школе-семинаре «Физика нефтяного пласта» (Новосибирск, 2002), Международной научно-практической геолого-геофизической конференции молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2003, 2005, 2007), Федеральной итоговой научно-практической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам (Москва, 2003), SEG/EAGE/EATO International Meeting (Москва, 2003, Санкт-Петербург, 2006, 2008), Международной научной конференции «Сейсмические исследования земной коры» (Новосибирск, 2004), VIII Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых им. акад. М. А. Усова (Томск, 2004), XV молодёжной научной конференции памяти чл.-корр. АН СССР К. О. Кратца (Санкт-Петербург, 2004), Молодежной Байкальской школе-семинаре «Геофизика на пороге третьего тысячелетия» (Иркутск, 2004), 66 EAGE Conference and.

Exhibition (Париж, Франция, 2004), SEG International Exposition and 75th annual meeting (Хьюстон, США, 2005), SEG Forum «Mathematical Geophysics, Mezomechanics and Seismic Processing» (Новосибирск, 2006), Международной научной конференции-семинаре «Геофизика и физическая мезомеханика» (Иркутск, 2006), Международной научной конференции молодых ученых и специалистов «Трофимуковские чтения» (Новосибирск, 2007).

Научные результаты отмечены: дипломом Министерства образования и науки РФ (2002), дипломами III, II, I степени Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 2002, 2003, 2004), дипломом I степени федеральной итоговой научно-практической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам (Москва, 2003), медалью Министерства образования и науки РФ (2004), дипломом I степени VIII Международного научного симпозиума студентов, аспирантов и молодых ученых им. акад. М. А. Усова (Томск, 2004), дипломом I степени Международной научно-практической геолого-геофизической конференции молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2005), дипломом Фонда содействия отечественной науки по программе «Лучшие аспиранты РАН» (2007).

Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках проектов СО РАН (28.7.2, 28.7.3), ведущих научных школ (00−15−98 545, 893.2003.5), РФФИ (00−05−64 224, 05−05−64 503, 05−05−64 663), Министерства образования и науки РФ (А04−2.13−276, 3H-334−05) и поддержаны Фондом содействия отечественной науки.

Полученные научные результаты изложены в 21 публикации, из которых 2 — статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных Перечнем ВАК («Геология и геофизика», «Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых»), 1 — методическое пособие, 3 — курс лекций Новосибирского государственного университета, 14 — журналы, материалы российских и международных конференций, симпозиумов, семинаров.

Благодарности.

За советы и поддержку в проведении исследований автор выражает благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. Б. П. Сибирякову. Автор глубоко признателен к.т.н. В. А. Куликову за оказанное плодотворное влияние на работу, интересные дискуссии и методическую помощь в написании диссертации. Особо благодарен к.г.-м.н. Ю. А. Нефедкину за неоценимый вклад в проведение лабораторных исследований и постоянную поддержку. Автор благодарит д.ф.-м.н. В. Н. Доровского за участие в формировании научных взглядов, советы и замечания, д.ф.-м.н. Ю. А. Дашевского за пристальное внимание к результатам исследований и постоянное участие в их обсуждении, к.г.-м.н. O.A. Агееву за сотрудничество и ценные консультации при подготовке диссертации.

3.6. Выводы.

1. Экспериментально доказан механизм генерации локального электрического поля разностью скоростей смещения жидкой и твердой компонент. Для доказательства использовались кинематические параметры Р и 8 волн, зарегистрированные тензодатчиком, акселерометром и системой электродов.

2. Доказано, что акустоэлектрический сигнал от продольной упругой волны, регистрируемый продольным измерительным диполем в условиях протекающего по водонасыщенной консолидированной среде постоянного электрического тока, содержит составляющую микрофонного эффекта. Микрофонный эффект представляет собой дополнительный электрический сигнал за счет периодического перемещения фронтом упругой волны измерительных электродов. В случае, когда амплитуда акустоэлектрического сигнала мала (сильно проводящий флюид), основной вклад в регистрируемый сигнал дает именно микрофонный эффект. При ортогональности векторов напряженности электрического поля и волнового вектора акустического импульса микрофонный эффект не регистрируется.

3. Разработан алгоритм расчета истинных параметров сейсмоэлектрических сигналов при проведении измерений в условиях протекания по водонасыщенной среде постоянного электрического тока.

3.7. Предложения по практическому применению исследованных эффектов взаимодействия физических полей в телах горных пород.

Результаты исследований являются теоретической и методической основой для разработки новейших технологий в области измерений in situ коэффициентов проницаемости, типов породы и флюидов, повышения нефтеотдачи, распределения флюидов в пласте, положения ВНК, ГНК.

Способ комплексного определения тина флюида и проницаемости геологической среды. Соискателем доказано, что величина изменения скоростей упругих волн при пропускании через геологическую породу электрического тока тесно связана с типом флюида, насыщающего горную породу. При заполнении пор породы маслами, производными нефти, или газами резко снижается амплитуда эффекта. Кроме того, в процессе электролиза поровой жидкости выделяются газы, насыщающие поровое пространство. Если расположить акустические приемные датчики в окрестностях электродов и измерять задержку времен прихода упругих волн при движении газового облака от нижнего электрода вверх, то существует принципиальная возможность определения коэффициента проницаемости пород геологического разреза по газу непосредственно в условиях залегания. Используя закон Дарси (и предполагая, что происходит фильтрация однофазового флюида) можно вычислить коэффициент фильтрации, пользуясь следующей формулой: kf=.

V, г Р.

-+ .

3.10), где кг — коэффициент фильтрации,/* - давление, V/- скорость фильтрации газа, определяемая из параметров акустического каротажа многоэлементным зондом, р — плотность флюида, g — ускорение свободного падения, гвертикальная координата.

Таким образом, предлагается способ комплексного определения типов породы, флюида и проницаемости геологической среды по газу при проведении стандартного акустического каротажа или ВСП в открытом стволе скважины одновременно с приложением к пластам горной породы постоянного электрического поля.

Способ повышения нефтеотдачи. Результаты экспериментальных исследований [76] процесса вытеснения нефти из пористой среды растворами щелочей показали, что при контакте щелочного раствора с нефтями, содержащими нафтеновые кислоты, существенно уменьшается поверхностное натяжение на границе нефть-щелочной раствор, причем сравнительно узкий диапазон концентрации щелочи обуславливает резкое снижение поверхностного натяжения. Так, например, нефтеотдача резко возрастает при концентрации едкого натра ИаОН 0.01−0.1 вес. %. Наличие в воде поваренной соли ЫаС1 ведет к существенному снижению минимальной концентрации щелочи, необходимой для понижения поверхностного натяжения до требуемого уровня- 2.2 мг/л ЫаС1 снижает минимальную концентрацию щелочи в 10 раз. Как показано в главе 2, в результате электролиза на катоде выделяется водород, на аноде — хлор, а в растворе (вблизи катода) накапливается гидроксид натрия. Кроме того, в результате электролиза происходит газообразование. При наличии в порах нефти, на контакте газ-нефть происходит диффузия газа в нефтяную зону и его растворение в нефти. В результате свойства нефти в области фронта вытеснения изменяются, возрастает ее подвижность, снижается поверхностное натяжение. Так как газ по отношению к нефти является несмачивающейся фазой, он стремится занять крупные поры, увеличивая сопротивление для движения нефти. В конечном счете, это приводит к выравниванию фронта вытеснения. Это характеризует электролиз, как эффективный способ повышения нефтеотдачи.

Акустоэлектрические взаимодействия. На основе наблюдений акустоэлектрического эффекта можно разделять среды с различной проводимостью, но с практически неотличимыми акустическими характеристиками.

В условиях неоднородного насыщения коллекторов флюидом амплитуда крутильной волны, измеренная поперечным электрическим диполем, пропорциональна коэффициенту насыщения.

Лепестковый характер диаграммы направленности изгибной акустоэлектрической волны дает возможность использовать ее в комплексе с дипольным акустическим зондом, как индикатор: а) наличия в вертикальном разрезе скважины поперечно-изотропных сред с горизонтальной осью симметрииб) положения водонефтяного контакта.

Разработанный алгоритм выделения, микрофонных эффектов при регистрации акустоэлектрической конверсии во внешних электромагнитных полях, позволит выделять полезный сигнал, а величину амплитуды микрофонных эффектов связать с проводимостью флюида.

Заключение

.

Разработаны новые методы проведения лабораторных и натурных исследований взаимодействия упругого и электрического полей в многофазных средах. На базе современных технологий программно реализованы процедуры регистрации и цифровой обработки данных. Это позволило провести анализ данных экспериментов in situ и in vitro на новом уровне точности измерений и установить закономерности изменения параметров состояния гетерогенных сред, под воздействием физических полей различной природы. При этом разработанный аппаратурно-програмный комплекс экспериментальных исследований допускает проведение измерений, как в лабораторных, так и в натурных условиях.

Обширные данные измерений, построенная физико-механическая модель гетерогенной среды и усовершенствованные уравнения механики упруго деформируемых микроструктурированных сред освещают изучаемые эффекты со всех сторон. Это позволило сформулировать более полные представления о природе физических процессах, происходящих в многофазных микроструктурированных средах при взаимодействии с упругими и электрическими полями.

Эти взаимодействия, выражающиеся в проявлении (сейсмо)акустоэлектрических эффектов в многофазных средах, являются многофакторными физико-химическими процессами. Характер проявления данных взаимодействий отображается в изменениях кинематических и динамических параметров упругих волн сейсмического и акустического диапазона частот. Установлено, что в основе изменений упругих модулей гетерогенной водонасыщенной среды в условиях протеканием в среде электрического тока лежит процесс электролиза полярных жидкостей. Направленность изменений определяется типом порового флюида, его минерализацией и условиями залегания геологической породы в процессе ее исторического генезиса. Амплитуда изменения динамических параметров упругих волн определяется петрофизическими свойствами пород, такими как проницаемость, пористость, гранулометрический состав.

Механизм прямого акустоэлектрического эффекта (Е), генерируемого средой при распространении продольных и поперечных волн определяется величиной разности скоростей смещения скелета и порового флюида. Обнаруженная закономерность позволит корректно комплексировать данные сейсмических и сейсмоэлектрических методов, что повысит достоверность геологической интерпретации извлекаемой информации.

Динамика импульса разности электрических потенциалов, формирующегося в объеме среды, подверженной действию постоянного электрического поля, включает в себя составляющую помехи, которая в 3 раза превосходит величину полезного сигнала. Разработан алгоритм выделения слабых сигналов путем использования свойств инверсии полярностей помехи.

Необходимость дальнейшего продолжения исследований проблем взаимодействия упругих и электрических полей с гетерогенными средами вытекает из возможностей использования результатов фундаментальных исследований в практических задачах нефтяной геологии, что позволит с большей точностью определять положение водонефтяного контакта, а включение магнитных полей в исследования увеличит количество извлекаемой геофизической информации.