Прогнозирование геологического разреза на основе интегрированной обработки виброакустической и геолого-технологической информации в процессе бурения

Актуальность работы.

Для выполнения задач развития топливно-энергетического комплекса страны необходимо наращивание объемов геологоразведочных работ по выявлению запасов нефти и газа в новых перспективных регионах. Разведка и разработка новых нефтегазовых месторождений сопровождается значительными трудностями в проводке и освоении скважин вследствие сложности вскрываемого геологического разреза. В этих условиях особенно актуальными являются задачи, связанные с разработкой новых технологий прогнозирования геологического разреза, выделения продуктивных пластов-коллекторов и оценки их коллекторских свойств.

Учитывая высокую стоимость бурения поисковых и разведочных скважин, первоочередной задачей является повышение эффективности прогнозирования геологического разреза за счет оперативного выделения продуктивных пластов-коллекторов и оценки их коллекторских свойств. Большие резервы повышения эффективности геологоразведочных работ содержатся в дальнейшем развитии научного направления ГТИ (геолого-технологические исследования скважин) (A.A. Молчанов, Л. М. Чекалин, Э. Е. Лукьянов, В. В. Стрельченко, A.C. Моисеенко, Ю. И. Горбачев и др.). Применение ГТИ позволяет оперативно изучать геологический разрез и оценивать перспективность разреза на нефтегазоносность уже на стадии проводки скважин. Однако, применение ГТИ сталкивается с рядом трудностей, основной из которых является отсутствие методики количественной интерпретации комплекса ГТИ при решении задач прогнозирования геологического разреза и выделения продуктивных пластов-коллекторов в масштабе реального времени.

Особую актуальность эта проблема приобретает при бурении глубоких разведочных скважин в новых регионах, где от своевременного выделения и качественного вскрытия сложно-построенных коллекторов во многом зависит открытие новых нефтяных и газовых месторождений.

Актуальность темы

исследования заключается в необходимости повышения геологической информативности ГТИ в процессе бурения на основе создания новой технологии комплексной интерпретации данных ГТИ в процессе бурения скважин.

Созданная в стране в 70-ые годы и широко развернувшаяся в последние годы служба геолого-технологических исследований скважин в процессе бурения дала возможность на основе комплексирования информации о технологических режимных па5 раметрах процесса бурения, параметрах бурового раствора, шлама, керна и данных газового каротажа осуществлять единый геологический и технологический контроль за процессом проводки скважин, оперативно решать задачи выбора оптимального режима бурения, предотвращать аварийные ситуации, связанные с износом, поломкой бурового оборудования, расчленять разрез по литологии и параметрам буримости, прогнозировать приближение и определять границы продуктивных пластов, выделять зоны аномально-высоких пластовых давлений (АВЛД) и т. д.

Сбор первичной информации, ее предварительная обработка для визуального считывания, регистрация и документирования, а также решение задач определенного уровня сложности и выдача оперативных результатов обработки данных — таково основное назначение информационно-измерительных систем (ИИС) ГТИ, которые размещаются непосредственно на буровой и, как правило, состоит из комплекса наземных датчиковпервичных преобразователей, регистрирующих информацию и размещаемых непосредственно в точках измерения на буровой, приемно-обрабатывающей аппаратуры и геолого-геохимического оборудования, расположенных в станции (лаборатории) ГТИ, где оператор-технолог (геолог) осуществляет геолого-технологический контроль за процессом бурения. В последние годы в связи с бурным развитием забойных телеизмерительных систем наземная информация в ряде случаев пополняется данными, регистрируемыми на забое скважины в процессе бурения и передаваемыми на дневную поверхность по одному из каналов связи «забой-устье» (гидравлическому, электромагнитному, проводному или акустическому). Однако, в связи с достаточно высокой стоимостью подобных систем их применение в настоящее время оправдано лишь на дорогостоящих объектах (морские платформы, глубокие поисково-разведочные скважины и т. д.) и в упрощенном варианте для замера параметров траектории ствола скважины в районах с наклонно-направленным бурением. Для массового поисково-разведочного и эксплуатационного бурения наиболее целесообразными и экономически оправданными методами повышения эффективности ГТИ являются следующее: оснащение партий ГТИ более совершенными техническими средствами, широкое внедрение компьютерной техники для оперативной обработки и интерпретации данных, поступающих в режиме реального времени, применение нетрадиционных методов получения забойной информации за счет рационального расширения количества регистрируемых наземных параметров и использования эффективных методов анализа для оперативного решения задач ГТИ в процессе бурения, а также последующая совместная обработка результатов ГТИ с дан6 ными геофизических исследований (ГИС) и испытаний пластов (ИП) для более детального геологического изучения разреза.

На сегодняшний день имеется определенный парк станций и лабораторий ГТИ («РАЗРЕЗ», «СГТ-микро», «СГТ-ИМС» и др.), которые позволяют в определенном объеме решать задачи, стоящие перед службой ГТИ. Однако, требования, предъявляемые в настоящее время к качеству и оперативности получаемой в процессе бурения информации, что в первую очередь относится и поисковым и разведочным скважинам с осложненными геологическими условиями, не могут быть до конца удовлетворены техническим уровнем и технико-методическими возможностями, которое обеспечивают существующие информационно-измерительные системы и отдельные их звенья (наземные датчики, геологические и геохимические приборы и оборудование, регистрирующая и обрабатывающая аппаратура). Широкое и повсеместное внедрение в производство современной микропроцессорной техники, микро-ЭВМ, однокристальных процессоров открыло принципиально новые возможности и методы проектирования ИИС, что коренным образом изменило подход к вопросам оперативного выделения и обработки маскированной информации, активизировало поиск новых технических и методических решений.

В последнее время в стране и за рубежом [10, 11,21,27,33,35−37,41−44, 56−62, 90−98], получил развитие один из перспективных методов исследования скважин в процессе бурения — виброакустический метод исследования скважин в процессе бурения (ВАК) [27, 57], использующий в качестве источника возбуждения упругих волн шумовые сигналы, возникающие при взаимодействии породоразрушающего инструмента с разбуриваемой горной породой.

Каналом связи «забой-устье» для метода ВАК является сама бурильная колонна, что позволяет осуществлять привязку регистрируемых наземных данных к процессам на забое практически в реальном масштабе времени.

Учитывая высокую акустическую мощность излучения и широкополосный спектр излучения упругих волн на забое, автором были проведены специальные исследования по оценке возможности применения динамических спектрально-корреляционных характеристик сигналов ВАК при решении задач прогнозирования геологического разреза в околоскважинном пространстве.

Наиболее эффективное решение технологических и геолого-геофизических задач в процессе бурения может быть достигнуто при комплексировании данных виброакустических исследований с результатами газовой хромотографии, анализа шлама, керна, 7 сейсмическими наблюдениями в процессе бурения, а также при непрерывном сопоставлении получаемой информации с режимно-технологическими параметрами бурения (нагрузка на долото, момент на роторном столе, физические параметры бурового раствора, длина колонны бурильных труб и др.), которые в комплексе регистрируются с помощью станций ГТИ. Таким образом, виброакустические измерения органически вливаются в единый геолого-технологический информационно-измерительный комплекс контроля за процессом бурения скважин. Дополнительная информация, которая может быть получена при включении метода и аппаратуры ВАК в комплекс ГТИ бурящихся скважин, существенно повышает эффективность станции ГТИ в целом, повышая достоверность интерпретации получаемых данных, а также открывает принципиально новые возможности для оперативного контроля и выбора оптимальных режимов бурения скважин. [21, 39, 82−89, 99−105].

Несмотря на относительную новизну (первые серьезные исследования этой проблемы проводились в 70-е годы), метод ВАК с регистрацией продольных упругих волн был достаточно широко опробован рядом исследователей как в нашей стране — РГУ ИГ им. И. М. Губкина, Тюменский индустриальный институт, ВНИИЯГГ, ВНИИГЕО-ИНФОРМСИСТЕМ, АО «Нижневартовскнефтегеофизика», ВНИИнефтепромгеофизика, «Саратовнефтегеофизика», «Оренбургнефть», ВНИИБТ, Ивано-Франковский институт нефти и газа и др., так и за рубежом — фирмы «SNPA» ," Geoservices" (®payio"i), «Dresser Industries» (США), «Vibro Meter» (Австрия), «Shlumberge» и др. [10, 11,29, 36,37,45, 56, 60−62, 82−105].

Имеются некоторые теоретические и практические исследования по совместному приему данных виброакустических данных в верхней части бурильной колонны и сейсмической информации, регистрируемой в массиве горных пород во время работы долота на забое, в основном, для решения технологических задач эксплутационного бурения: оценки и выбора оптимального значения частоты вращения вала турбобура [27, 28, 56−62], контроля траектории ствола скважин, определения интервалов прихвата бурового инструмента в процессе бурения скважин, выбора оптимальных режимов эксплутационного бурения и др. 56, 60, 80, 84−88,103−105] На данном этапе развития модификаций виброакустического каротажа возможность получения количественной информации по данным ВАК для решения геолого-геофизических задач строительства глубоких скважин, бурящихся роторным способом, при поиске и разведке нефтегазовых месторождений, остается до настоящего времени не используемой. В связи с этим поиск и разработка новых методов и аппаратуры для экспресс-анализа, обработки и интерпре8 тации виброакустических сигналов с целью получения информации об исследуемом геологическом разрезе в реальном времени являются весьма актуальными.

Разработка аппаратуры и методов оперативного спектрально-корреляционного анализа упругих волн в верхней части бурильной колонны и на земной поверхности с возможностью их включения в геолого-технологический комплекс станции ГТИ потребовало решения ряда исследовательских задач теоретического, экспериментального, аппаратурного и методического характера, явившихся предметом настоящих исследований.

Цель работы.

Повышение эффективности комплекса виброакустических и геолого-технологических исследований в процессе бурения скважин путем создания методики прогнозирования геологического разреза и информационной системы сбора, хранения и обработки данных.

Основные задачи исследований.

1. Изучение физических основ многоволновых виброакустических измерений в процессе бурения скважин.

2. Разработка виброакустической аппаратуры для приема, регистрации и ввода информации в компьютеризированный комплекс.

3. Разработка алгоритмов и программного обеспечения для обработки информации в режиме реального времени, комплексного анализа и интерпретации.

4. Разработка методики комплексирования данных виброакустических и геолого-технологических исследований в процессе бурения с целью прогнозирования геологического разреза.

5. Опробование методики и компьютизированного комплекса для виброакустических измерений при решении геолого-геофизических задач проводки нефтяных и газовых скважин в различных технико-геологических условиях.

Научная новизна.

1. Получены теоретические и экспериментальные зависимости спектров продольных и поперечных упругих волн, регистрируемых в верхней части бурильной колонны от геолого-геофизических характеристик разбуриваемых горных пород, позволяю9 щие осуществлять количественную интерпретацию данных с целью прогноза геологического разреза.

2. Предложен и разработан метод прогнозирования геологического разреза по результатам отношения спектральных плотностей продольных и поперечных упругих волн, регистрируемых в верхней части бурильной колонны.

3. Разработан метод прогнозирования геологического разреза с использованием одновременного приема возбуждаемых на забое продольных и поперечных упругих волн в верхней части бурильной колонны и на земной поверхности и их спектрального анализа.

4. Предложены и обоснованы методы выделения пластов-коллекторов, прогнозирования пористости и насыщенности пласта по результатам комплексного анализа спектров продольных и поперечных упругих волн и показателя энергоемкости разрушения горных пород.

5. Обоснованы требования и разработана компьютизированная многоканальная система регистрации и обработки виброакустической и технологической информации для решения задач прогнозирования геологического разреза.

Основные защищаемые положения.

1. Функциональные связи между спектрами продольных и поперечных упругих волн, регистрируемых в верхней части бурильной колонны и акустическими характеристиками разбуриваемых горных пород.

2. Интерпретационная модель выделения коллекторов и определения пористости горных пород по результатам комплексной интерпретации данных об отношении спектров продольных и поперечных упругих волн и энергоемкости разрушения горных пород.

3. Алгоритмы прогнозирования геологического разреза с использованием одновременного приема возбуждаемых на забое упругих волн в верхней части бурильной колонны и на земной поверхности и их спектрального анализа.

4. Технические требования к многоканальному компьютеризированному комплексу для прогнозирования геологического разреза и выделения продуктивных пластов-коллекторов по данным виброакустических и геолого-технологических исследований.

Практическая ценность и результаты внедрения.

1. Разработаны программы оперативной обработки и комплексного анализа виброакустической и геолого-технологической информации, получаемой в процессе бурения скважин.

2. Разработан многоканальный компьютеризированный комплекс для эффективного управления сбором и анализом разнородной информации, обеспечивающий решение задач комплексной интерпретации скважинных данных в режиме реального времени, обмен данными с другими геофизическими системами и контроль технологических параметров бурения, успешно применяемый при проводке поисково-разведочных скважин на площадях Астраханской области, Ставропольского края, Республики Коми, Ямало-Ненецкого АО.

3. Методика комплексной интерпретации данных виброакустического каротажа и геолого-технологических исследований использована в техническом проекте отраслевой геолого-геофизической системы ОАО «ГАЗПРОМ» для предприятий «Тюмень-бургаз» и «Уренгойгазпром».

4. Результаты диссертационных исследований опробованы и внедрены при проводке скважин на площадях «Севергазпром», «Уренгойгазпром», «Астраханьгазпром», «Лукойл-Астраханьморнефть».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на семинарах геологического факультета МГУ, на НТС ДО АО «Газпромгеофизика», на Второй Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 1997 г.), Международной конференции и выставке по геофизическим исследованиям скважин (Москва, 1998 г.), научном симпозиуме «Новые технологии в геофизике» (Уфа, 2001 г.).

Выводы.

1. Приведены результаты опробования и промышленного применения разработанной аппаратуры многоволнового виброакустического каротажа МВАК-1 и МВАК-2 при решении следующих задач проводки нефтяных и газовых скважин:

• литологическое расчленение разрезов исследуемых скважинвыделение пластов-коллекторов;

• определение коллекторских свойств пластов-коллекторов.

2. Приведены результаты сопоставления данных многоволнового каротажа с данными геолого-технологитческих исследований и данными комплекса промысло-во-геофизических ислледований.

3. На основании результатов апробациии методики и аппаратуры для виброакустического каротажа скважин разработаны опытно-промьппленнные образцы компьютеризированных комплексов «АРМ-Технолог», внедренные при проводки глубоких нефтяных и газовых скважин в различных нефтегазовых регионах страны (Астраханская обл., Ставропольский край, Республика Коми, Ямало-ненецкий АО и др.), что позволило повысить эффективность их проводки за счет повышения геологичексой эффективности исследования разрезов нефтяных и газовых скважин. Подтвержденный экономический эффект от внедрения составляет 5,4 млн руб. (приложение № 11).

4. По результатам выполнения автором аппаратурных разработок и промышленного опробования методики и аппаратуры разработан и утвержден РАО «Газпром» технический проект виброакустических исследований в качестве пилотного проекта отраслевой геолого-геофизической информационной системы для предприятий РАО «Газпром».

Глава IV 108.

Заключение

.

В результате проведенных исследований.

— получены теоретические и установлены экспериментальные корреляционные зависимости спектральных особенностей продольных и поперечных упругих волн, регистрируемых в верхней части бурильной колонны от акустических характеристик горных пород, позволяющие осуществлять количественную интерпретацию данных виброакустического каротажа;

— предложен и разработан метод прогнозирования геологического разреза по результатам отношения спектральных плотностей продольных и поперечных упругих волн в низкочастотном и высокочастотном диапазонах излучения;

— обоснован и разработан способ прогнозирования геологического разреза с использованием одновременного приема в верхней части бурильной колонны и на земной поверхности и спектрального анализа возбуждаемых на забое продольных и поперечных упругих волн;

— предложен и обоснован метод выделения пластов-коллекторов и прогнозирования коллекторских свойств по результатам анализа спектров продольных и поперечных упругих волн и показателя энергоемкости разрушения горных пород;

— обоснован и разработан комплекс многоканальной системы регистрации и обработки виброакустической и технологической информации для решения задач прогнозирования геологического разреза;

— разработаны алгоритмы и программы оперативного анализа виброакустической и геолого-технологической информации о геологическом разрезе исследуемых скважин.

Результаты исследований целесообразно использовать при проводке нефтяных и газовых скважин с применением компьютеризированных систем контроля и управления процессом бурения.