§ 40. Определение пористости пород по данным акустического каротажа

 

§ 40. Определение пористости пород по данным акустического каротажа

Зависимость между пористостью породы и временем пробега продольной волны по породе отвечает уравнению среднего времени (V.7). Трудность использования этого уравнения заключается в сложности выбора основных параметров Δt_ж и Δt_м, изменяющихся от площади к площади в широких пределах. Величина Δt_м зависит от минералогического состава скелета породы и для конкретных типов отложений постоянна. В породах с мономинеральной твердой фазой Δt_м соответствует интервальному времени распространения упругих волн в породообразующем минерале (кварце, кальците, доломите и т. д.). На рис. 140, а показана зависимость k_п от Δt_п для однородных неглинистых пород с межзерновой пористостью, отвечающая выражению (V.6). При содержании в скелете породы нескольких минералов, различающихся по своим упругим свойствам, Δt_м определяется как средняя взвешенная величина. Среднее значение скорости распространения волн в осадочных породах составляет 2500—4000 м/с (см. табл. 1).

Основные факторы, влияющие на скорость распространения упругих колебаний в горных породах: литолого-минералогический состав, поровое пространство, заполненное жидкостью, форма и размер пор, степень насыщения пор жидкостью или газом, степень цементации, текстурные и структурные особенности, разность горного и пластового давлений (эффективное давление) и др.

В ряде случаев необходимо определить интервальное время пробега упругой волны в минеральном скелете породы Δt_м для конкретного интервала геологического разреза. Это достигается сопоставлением интервального времени, отсчитанного по диаграмме акустического каротажа Δt, со значениями пористости k_п, определенными по керну или одним из геофизических методов. Полученные данные используются для нахождения по Δt параметра k_п (рис. 140, б).

Усредненная прямая, проведенная через нанесенные точки, отсекает на оси времен значение Δt_м при k_п=0. Если пористость по разрезу изменяется слабо, значение Δt_м определяют для каждого относительно однородного пласта:

где Δt_ж — время пробега упругой волны в жидкости, заполняющей поровое пространство породы.

Скорость распространения упругих колебаний в воде зависит от минерализации, температуры и давления и определяется с помощью номограммы (рис. 141). С повышением минерализации воды скорость увеличивается. Например, при росте минерализации воды от 0 до 200 г/л скорость распространения волн при 20 °С увеличивается от 1475 до 1700 м/с, т. е. на 18 %. При повышении температуры до 70 °С наблюдается заметное возрастание скорости распространения упругих волн: при дальнейшем увеличении температуры воды — тенденция к снижению скорости.

Скорость распространения упругих волн в нефти и газе меньше, чем в воде. Это объясняется в первую очередь большей по сравнению с водой сжимаемостью углеводородов. Так, скорость распространения волн в песке, полностью насыщенном нефтью, на 15—20% меньше, чем в песке, заполненном водой. В общем случае существуют зависимости v_{P вп}>v_{P нп}>v_{P гп} и v_{S вп}>v_{S нп}>v_{S гп}. Пределы изменения колеблются от 0 до 20%.

На практике в связи с наличием зоны проникновения в проницаемых пластах скорости распространения волн в нефтегазоносных или водоносных пластах различаются несущественно, поэтому независимо от характера насыщения проницаемых пород, вскрываемых скважиной, допускается, что скорость распространения волн в воде v_ж=1600 м/с.

С повышением давления происходит увеличение скорости распространения упругих волн. Например, в воде, находящейся под давлением около 60 МПа, скорость увеличивается на 7 % по сравнению со скоростью в воде, находящейся при атмосферном давлении. При низком давлении даже очень небольшое содержание газа в жидком заполнителе пор приводит к резкому уменьшению скорости распространения волн в пласте. С ростом давления наблюдается плавное увеличение скорости в породе, содержащей газ.

На скорость распространения упругих волн в породе большое влияние оказывает разность горного и пластового давлений (эффективное давление). С увеличением разности давлений скорость возрастает сначала быстро, а затем медленно, пока разность давлений не достигнет некоторого предельного значения. С глубиной разность горного и пластового давлений возрастает, что вызывает увеличение скорости распространения упругих волн. Уравнение среднего времени (V.7) считается справедливым для предельной разности давления 30—40 МПа, в общем случае соответствующей глубинам более 3000 м. Под влиянием эффективного давления происходит процесс сближения и переупаковки зерен, что обеспечивает взаимный контакт большинства зерен и ведет к постепенному увеличению скорости vn. Дальнейшее ее увеличение определяется контактной упругостью зерен и при давлении, превышающем предельное, растет очень медленно.

На скорость оказывает влияние и тип цемента, который принято делить на вязкий (глинистый) и жесткий (карбонатный, кварцевый и пр.). Увеличение количества жесткого цемента соответствует увеличению доли твердой фазы в единице объема среды, уменьшению пористости, росту модуля упругости и повышению скорости распространения волн. В случае увеличения объемной доли глинистого цемента, обладающего высокой сжимаемостью и пластичностью, наблюдается снижение объемного модуля упругости среды и скорости распространения упругих волн.

При значительной объемной глинистости породы для определения k_п используют обобщенное уравнение среднего времени для пород с любой глинистостью:

где Δt_гл — интервальное время глин, зависящее от характера распределения глинистого материала в породе (в агрегатном состоянии).

Скорость распространения упругих волн в значительной мере зависит от структуры и размера пор. Например, вертикальные трещины мало изменяют скорость в породе, в то время как горизонтальные трещины оказывают приблизительно такое же влияние, как межзерновая пористость. Каверны достаточно крупных размеров не оказывают влияние на скорость распространения упругих волн.

На рис. 142 приведены зависимости отношений поинтервальных времен Δt/Δt_м в пористой среде от k_п и отношения длины продольной волны λ к размеру пор d. Видно, что увеличение пористости ведет к снижению Δt, но при λ/d=8 продольная болна распространяется практически по скелету, не фиксируя поры больших размеров и каверн. Учитывая применяемые частоты излучателей используемой аппаратуры f=25÷30 кГц, что соответствует длине волны λ=10÷20см, можно считать, что данный эффект будет проявляться при размерах пор более 1,5—3 мм. Следовательно, k_{п. общ} породы с каверновой структурой порового пространства, оцененный по АК, будет заниженным.

Для большинства районов бурение скважин проводится на ПЖ с минерализацией 4—7 г/л. Для этих условий интервальное время в фильтрате Δt_ф = 610÷640 мкс/м при пластовой температуре Т=40÷100°С и давлении р = 20÷40 МПа. При высокоминерализованной промывочной жидкости t_п=t_ф=560 мкс/м.