динамику изучаемого процесса.
§ 75. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДИАГРАММ КОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ
Диаграммы коэффициента αос ослабления ультразвуковых волн, полученные при пересечении однородных пластов отличающейся по поглощению упругих волн от вмещающих пород, симметричны. Границы пород мощностью h > lб относятся к точкам кривых αос, в которых αос,гр =0,5 (αос.п + аос.вм). Определять границы пород мощностью h< lб по кривым αос не рекомендуется вследствие возможностей появления существенных погрешностей, обусловленных проскальзыванием циклов.
При одинаковых расстояниях от приемников (излучателей) до стенки скважины и при мощности h > l5 измеряемая величина αос.опт определяет величину этого параметра в изучаемой породе. Рассчитать коэффициент поглощения αос упругих волн на этом участке можно, исходя из следующих положений.
Коэффициент ослабления волны с амплитудами А1 и А2, регистрируемыми приемниками ультразвуковых волн зонда (в дБ/м),
Подставив в формулу (263) значения А1 и А2, определяемые выражением (258), и решив полученное равенство относительно αп (в м-1), будем иметь
или
В последних формулах L1 и L2 — расстояние от излучателя ультразвука до ближайшего и удаленного приемников (или приемника и излучателей).
Для более уверенной интерпретации кривой αп (иногда существенно искаженной пропусканием циклов) одновременно с кривой αос регистрируется кривая амплитуды А1 волны, приходящей к приемнику ближайшему к излучателю.
Кривая А1 дает возможность выявить указанные погрешности по признаку отсутствия прямой связи между кривой αос и зеркальным изображением кривой А2. Для облегчения фиксации этого признака направление возрастания А1 берут противоположным направлению возрастания перепада αос.
§ 76. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДИАГРАММ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕТОДА
При геологической интерпретации диаграмм ультразвукового метода исходят из данных о υр, ∆τп и αп. Интервальное время и коэффициент поглощения уменьшаются, а амплитуда первого вступления возрастает в плотных, например магматических, породах, монолитных известняках и сильно сцементированных песчаниках.
Повышение глинистости и пористости (особенно, трещиноватости, перпендикулярной к направлению преломленной волны), насыщение порового пространства нефтью и особенно газом вызывают увеличение ∆τп и αп и снижение амплитуды первого вступления.
Исходя из указанных выше положений, по данным диаграмм ультразвукового метода выделяют консолидированные, пористые (коллекторы) и глинистые разности. В благоприятных условиях Данные ультразвукового метода используют для расчета коэффициента пористости, установления вероятной трещиноватости коллекторов и их газонасыщения (см. § 94—95).
189
Глава X
МЕТОДЫ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОХОДКИ, КАВЕРНОМЕТРИИ И КОРКОМЕТРИИ
К методам изучения разрезов скважин по механическим свойствам горных пород (кроме ультразвукового, рассмотренного в предыдущей главе) относятся метод продолжительности проходки, кавернометрия и коркометрия и разрабатываемый в настоящее время метод энергоемкости горных пород.
§ 77. КРИТИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД
Изучение геологических разрезов скважин по продолжительности проходки (τпр равно времени, затраченному на бурение 1 м скважины при заданном режиме бурения) основывается на прямой зависимости τпр от критического (временного) напряжения σкр горной породы. Критическое напряжение характеризует сопротивляемость породы разрушению в процессе бурения и находится в сложной зависимости от временных сопротивлений σсж и τс породы на сжатие и срез. При динамической нагрузке σкр значительно меньше (до 10 раз) его значения при статической нагрузке.
В разрушении горных пород долотом участвуют как динамические, так и статические усилия, причем доля тех и других усилий зависит от способа бурения и типа долота. Поэтому критическое напряжение характеризует механические свойства пород при проходке их однотипными буровыми инструментами и одинаковыми способами бурения. Эта особенность затрудняет создание классификаций горных пород по их механическим свойствам, позволяющим наиболее однозначно определять породы по данным продолжительности проходки.
Заметим также, что большинство горных пород представлено сложными агрегатами, состоящими из зерен породообразующих минералов, связанных между собой цементирующим веществом, для которого критическое напряжение σкр,ц и его связи σкр,св с зернами значительно ниже критического напряжения σкр,з зерен. В этих условиях сопротивляемость пород разбуриванию в основном определяется значениями σкр,ц и σкр,св.
Разрушению горных пород шарошечными и лопастными долотами предшествует вдавливание рабочей кромки долота в породу. В связи с этим параметром, достаточно полно характеризующим механические свойства пород по их буримости, считается также их твердость рШ по штампу. По этому признаку горные породы подразделяются на 12 групп (классов) — от значений рш <10 МПа (1-я категория) до величин, больших 700 МПа (12-я категория).
Наибольшую твердость (до 1000 МПа) имеют монолитные кварциты и полиминеральные изверженные породы, содержащие темноцветные минералы — пироксен, авгит, оливин [4]. Меньшая твердость магматических пород с кварцевой и полевошпатовой основой по сравнению с твердостью пород, содержащих темноцветные минералы, объясняется более слабой связью между отдельными зернами у полевошпатовых пород.
Из пород осадочного комплекса максимальная твердость отмечается у известняков (до 250 МПа); твердость возрастает с увеличением степени кристаллизации и окремнелости. Доломитизация, выщелачивание известняков и повышенное содержание глинистых частиц вызывают резкое снижение их твердости. Твердость песчано-алевритовых пород зависит также от их минерального состава и степени цементации. Наибольшую твердость имеют кварцевые слитные песчаники с кремнистым и известковистым цементом.
Для карбонатов и песчаников твердость рш уменьшается с возрастанием коэффициента пористости. Эта зависимость апроксимируется уравнением
где А, В — коэффициенты, определяемые минеральным составом и структурой породы. Зависимость предопределяет возможность выделения высокопористых осадочных
190
пород по диаграммам продолжительности проходки.
Глины, аргиллиты, пески и другие рыхлые породы характеризуются низкой твердостью (до 20 МПа). Для глин характерны высокая пластичность и четкая зависимость твердости от глубины Н залегания в условиях нормальных распределений поровых давлений:
РШ,Н=РШ,0+bтH
где РШ,О = твердость глин при Н = 0; bТ — градиент увеличения твердости с глубиной (точнее, с ростом эффективного напряжения).
Для гидрохимических осадков (за исключением ангидрита) — гипса, каменной соли, сильвина и других — типична небольшая твердость. Повышенная растворимость некоторых солей вызывает снижение продолжительности проходки при их разбуривании с интенсивной промывкой.
§ 78. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДИАГРАММ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОХОДКИ
При интерпретации диаграмм продолжительности проходки исходят из теории разрушения горных пород в процессе бурения, согласно которой продолжительность проходки
где С — коэффициент, определяемый степенью отношения давления р на площадь F опорной поверхности долота, числом его лопастей (для лопастных долот), степенью числа оборотов (показатель степени b < 1) долота в единицу времени и качеством очистки забоя, зависящим от степени произведения скорости истечения глинистого раствора из насадок долота на величину кинематической вязкости раствора. Величина σкр находится в прямой зависимости от твердости рш породы.
В первом приближении продолжительность проходки изменяется обратно пропорционально степени числа п оборотов долота и квадрату отношения давления р на режущую поверхность к его опорной поверхности F. Поэтому при интерпретации диаграмм продолжительности проходки целесообразно ввести понятие о приведенном критическом напряжении пород σкр,пр понимая под этим сопротивляемость разбурнванию фиктивной среды, для которой отсутствует отклонение от указанной выше закономерности.
Тогда
где F0 — начальная опорная поверхность долота; b — степень, устанавливаемая экспериментально для долот, с которыми выполняется бурение.
Наибольшие отклонения приведенного критического напряжения от его истинной величины вызываются увеличением опорной поверхности долота в процессе работы и определяются механическими свойствами металла, навариваемого на режущие кромки долота, качеством наварки и абразивными свойствами разбуриваемых пород.
При длительной работе долота влияние его износа на τпр и, следовательно, на σкр,пр становится значительным и величина τпр сперва постепенно, а затем резко возрастает. Резкое возрастание τпр перед сменой и уменьшение после смены долота не должно расцениваться как следствие соответствующих значительных изменений критического напряжения пород.
Влияние срабатываемости долота при сравнении двух близлежащих отрезков диаграмм при переходе из одной породы в другую ничтожно, и все изменения в параметрах σкр,пр и τпр происходят в связи с уменьшением или увеличением коэффициента σкр (при условии постоянства нагрузки на долото и числа оборотов ротора). При переходе из одной породы в другую
где σкр,, τпр — критическое напряжение и продолжительность проходки в породах, механические свойства которых неизвестны; σкр, и τпр — те же параметры в породах с известными механическими свойствами (рыхлые пески и однородные пластичные глины).
191
При постоянном режиме бурения продолжительность проходки изменяется только при переходе долота в породу с иным критическим напряжением. Это дает возможность по участкам резкого изменения τпр определить положение границ пород, различающихся механическими свойствами.
В методе энергоемкости горных пород разрез скважины изучают по данным непрерывной регистрации разности Av между энергией Аб, затрачиваемой на разрушение (бурение) и удаление с забоя единицы объема породы, и энергией Ах холостого хода (с учетом работы промывочных агрегатов) [40]. Чем выше σкр, горных пород, а следовательно, ниже коэффициент их пористости, чем выше Аа,
Геологическая интерпретация диаграмм продолжительности проходки и энергоемкости основывается на данных о твердости пород. Наибольшими значениями τпр и Av выделяются магматические и метаморфические породы и консолидированные осадочные породы, например сцементированные песчаники, плотные кристаллические известняки и доломиты.
По мере возрастания пористости и нарушения связи между зернами породы продолжительность проходки и энергоемкость уменьшается. Как следствие этого, пористые песчаники, известняки и доломиты отмечаются средними значениями τпр и Аu, высокопористые пески, мел — низкими значениями (рис. 132). Особенно резко дифференцируются каверны и карстовые пустоты в толще карбонатных отложений. Пустоты характеризуются провалами инструмента, практически выделяемыми «нулевой» продолжительностью проходки и Аб =Ах
Рис. 132. Примеры выделения коллекторов с использованием продолжительности проходки.
1 — известняки; 2 — мергели; 3 — глины; 4 — песчаники плотные; 5 — песчаники рыхлые (коллекторы)
Диаграммы продолжительности проходки могут быть искажены вследствие нарушения пропорциональности между τпр и σкр, что вызывается следующими причинами.
1.Изменение давления долота на забой. Непостоянство нажима на режущую кромку долота в наибольшей степени обусловливает искажение диаграммы продолжительности проходки. Чтобы избежать погрешностей, связанных с неравномерностью давления на забой, интерпретацию диаграмм продолжительности проходки следует проводить с обязательным учетом нагрузки долото.
2.Изменение числа оборотов долота. Изменение числа оборотов долота оказывает незначительное влияние, так как в процессе бурения число оборотов долота сохраняется достаточно постоянным. Кроме того, снижение числа оборотов долота обычно наблюдается
при проходке твердых пород. Это обусловливает увеличение τпр, и приводит к большей дифференциации кривой продолжительности проходки.
3.Изменение диаметра и типа долота. При сопоставлении продолжительности
проходки τпр, зарегистрированной при диаметре долота dД1 с продолжительностью проходки τпр, полученной при диаметре долота dд2, следует изменять τпр примерно пропорционально квадрату отношения dД1/dД2. Переход на бурение скважины долотом другого типа не поддается корректировке. Числовые значения τпр на участках скважины, пройденных долотом одного типа, количественно несопоставимы с продолжительностями проходки, полученными с долотами другого типа. Для исключения возможных погрешностей при интерпретации на диаграммах τпр следует указывать тип и диаметр долота.
192