Акустический каротаж (ак). Физические основы метода. Интерпретация результатов каротажа. Акустический цементомер (акц). Определение качества цементирования обсадной колонны

Акустический каротаж

Сущность метода АК. Акустические (или ультразвуковые) методы исследования скважин основаны на изучении упругих свойств горных пород, пройденных скважиной.

Существуют методы, основанные на изучении полей упругих колебаний, вызванных естественными или техногенными причинами, например, шумометрия, изучающая шумы при поступлении нефти или газа в ствол скважины.. Однако наибольшее развитие получили методы, основанные на изучении упругих полей, вызванных искусственными источниками колебаний, расположенных в скважине.

Существуют методы, изучающие времена прихода или скорости распространения упругих волн, то есть кинематические характеристики волн. Также существуют методы для изучения амплитуд колебаний волн или затухания волн, то есть динамические характеристики волн. Современные модификации аппаратуры позволяют регистрировать и изучать одновременно и кинематические, и динамические характеристики, так называемую волновую картину всего пакета волн. Такой метод называется волновым акустическим каротажем (ВАК).

Физические основы АК. Для выяснения физической сущности акустического каротажа рассмотрим особенности распространения упругих колебаний.

Если в элементарном объеме некоторой упругой среды в течение короткого времени действует внешняя возбуждающая сила, то в среде возникают напряжения, вызывающие относительное перемещение ее частиц. В результате этого воздействия возникают два типа деформаций: деформация растяжения или сжатия и деформация сдвига. Процесс последовательного распространения деформации называется упругой сейсмической волной. Различают два типа волн – продольные Р и поперечные S.

Продольные волны связаны с деформацией объема среды. Распространение продольной волны представляет собой перемещение зон растяжения и сжатия, при котором частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения в направлении, совпадающем с направлением распространения волны. Поперечные волны обусловлены деформациями формы среды и могут существовать только в твердых телах. Распространение поперечных волн представляет собой перемещение зоны скольжения слоев среды относительно друг друга; частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны. Продольная волна распространяется приблизительно в 1.75 раза быстрее поперечной волны, то есть Vр/ Vs = 1.73.

Упругая волна, распространяясь во все стороны, захватывает все более удаленные области. Поверхность, отделяющая в данный момент времени область среды, в которой уже возникло колебание частиц, от той, где колебания еще не наблюдаются, называется фронтом волны. Линии, нормальные к волновым поверхностям, носят название лучей. Если упругая волна достигает границы раздела двух сред с различными упругими свойствами, часть энергии волны отражается – образуется отраженная волна, а часть проходит через границу – проходящая волна или преломленная волна, так как при этом происходит изменение ее направления по причине различия акустических свойств первой и второй среды. Между направлениями падающей и проходящей волн существует следующее соотношение: ,

где a - угол падения, b - угол преломления, V1 и V2 – скорости в среде 1 и среде 2.

Аппаратура АК. Для возбуждения и наблюдения упругих волн в скважину опускают зонд, который может содержать один или несколько излучателей и приемников упругих волн. Основными видами зондов в настоящее время являются скважинные приборы.

Трехэлементный акустический зонд, состоит из двух излучателей колебаний и одного прием­ника и обозначается сверху вниз: И₂ 0.5 И₁ 1.5 П (расстояния между излучателями и приемниками даны в метрах). Этот зонд эквивалентен зонду, состоящему из двух приемников и одного излучателя П₁ П₂ И. Расстояние между приемниками (излучателями) в трехэлементном зонде АК является базой зонда S. Длине зонда соответствует расстояние от средней точки между одноименными элементами (ко­торая является точкой записи) до разноименного элемента Ls. Длину зонда L выбирают такой, чтобы получить достаточно интен­сивный сигнал в породах с большим поглощением волн, обычно L = 1.5- 2м.

В качестве излучателя применяют магнитострикционные преобразо­ватели: ферромагнитные вещества, изменяющие форму и размеры под действием переменного магнитного поля. Приемником ультразвуковых колебаний обычно служит пьезоэлект­рический преобразователь, в котором механическая деформация приводит к его электрической поляризации - появлению на электродах электрического напряжения, пропорционального механическому и ме­няющего свой знак вместе с последним (прямой пьезоэлектрический эффект).

Регистрируемые параметры. Если записать все воспринимаемые приемником колебания, то получим график приходящих к нему волн – волновую картину. На волновой картине последовательно отмечаются первое вступление и колебания продольной головной волны Р121, поперечной головной волны Р1S2P1, прямой волны Р1, идущей по раствору, и другие волны. На волновой картине первое отклонение от положения равновесия называется вступлением волны. После первого вступления на развертке для каждого приемника наблюдается серия гармонических колебаний затухающих продольных, поперечных и других волн. Современная аппаратура акустического каротажа позволяет регистрировать волновую картину распространения упругих колебаний, поэтому метод в этой модификации называется волновым акустическим каротажем (ВАК).

Стандартная аппаратура акустического каротажа (СПАК, МАК) обеспечивает регистрацию времен первого вступления Т1 и Т2 для первого и второго приемников; амплитуду А1 и А2 первого вступления для ближнего и дальнего приемников; производные величины – время DТ прохождения продольной волны в интервале между П1 и П2 на расстоянии, равном базе акустического зонда: DТ=Т2-Т1 и коэффициент ослабления (затухания) a амплитуды, отнесенный к единице длины . Значения Т1, Т2, DТ регистрируеются в мкс и в мкс/м, А1, А2 – в условных единицах (например, в мВ), a - дБ/м. Амплитуды волн зависят от степени поглощения энергии в среде, наличия в разрезе отражающих границ, т.е. от трещиноватости, слоистости горных пород и др.

Интерпретация результатов АК. Параметры акустического каротажа используются как для качественной, так и для количественной интерпретации.

Основные решаемые задачи:

- литологическое расчленение разреза и расчет упругих свойств пород;

- локализация трещиноватых пород, трещин гидроразрывов и интервалов напряженного состояния пород;

- определение коэффициентов межзерновой и вторичной (трещинной, каверновой) пористости коллекторов, характера их насыщения;

- выделение проницаемых интервалов в чистых и глинистых породах.

Измерения выполняются в необсаженных и обсаженных скважинах.

Вследствие влияния многих факторов диапазоны изменения скоростей (интервального времени) и эффективного затухания продольной волны отдельных литологических разностей достаточно широки. Поэтому по данным АК уверенно выделяются только крупные литологические комплексы. Более тонкая и точная интерпретация проводится в комплексе с другими методами ГИС.

Карбонатные породы с межзерновым типом порового пространства характеризуются минимальными среди остальных горных пород значениями и минимальным затуханием a упругих волн. Величина DТ в песчаниках больше, чем в карбонатных породах и зависит в большей степени от их сцементированности, уплотнения и разности горного и пластового давления. Глины и аргиллиты характеризуются максимальными значениями DТ в зависимости от глубины залегания. Глинистые породы характеризуются промежуточными показаниями между значениями в чистых карбонатах и песчаниках.

Параметры АК, кроме литологического состава, имеют тесную связь с пористостью горных пород. Общая тенденция является такой, что с увеличением пористости время распространения упругих волн увеличивается.

Наиболее тесную связь с коэффициентом пористости имеет акустический параметр DТ. Связь этого параметра с коэффициентом пористости в наиболее простом ее виде выражается через уравнение среднего времени:

DТ=(1-Кп)DТск+КпDТж, где DТск и DТж – интервальные времена пробега волны в минеральном скелете породы и жидкости, заполняющей поры. Если значения DТск и DТж известны, то . Величина DТск зависит от минерального скелета и характеризуется вполне определенными значениями, которые для самых распространенных породообразующих минералов приведены в таблице:

С ухудшением контакта между зернами скелета отмечается заметная потеря энергии упругой волны, уменьшается ее амплитуда и увеличивается затухание a, что используется при интерпретации. Соответственно, увеличение пористости, усложнения структуры порового пространства, наличия трещин приводит к увеличению затухания упругих волн и снижению амплитуд распространения этих волн. Также акустический контакт для минеральных зерен снижается при наличии глинистости в скелете породы. Наличие глинистости однозначно приводит к увеличению параметра DТ и увеличению a. Таким образом, самые высокие значения параметра a имеют рыхлые, глинистые и трещиноватые породы, самые низкие – плотные породы с низкой пористостью.

В кавернозных породах происходит огибание волны каверн, за счет чего регистрируемая величина DТ близка к DТ, отражающей межзерновую часть породы. На этом основана оценка кавернозной пористости по комплексу методов ГИС, когда другие методы (НГК, ГГКП) отражают общую пористость пород, а АК – только ее межзерновую часть. Чем крупнее полости и больше удалены друг от друга, тем ближе интервальное время породы DТ к интервальному времени матрицы DТмз. Для карбонатных кавернозных коллекторов кавернозная пористость оценивается следующим образом: Кп кав.=Кп.общ. –Кп мз.

Величина DТж зависит от состава флюида, заполняющего поры. При насыщении пор водой ее величина определяется по номограмме в зависимости от минерализации вод, эффективном пластовом давлении, пластовой температуре. В среднем рекомендуется принимать величину DТж равной 560-620 мкс/м. При содержании в поровом пространстве нефти или газа величина DТж зависит от количества их в поровом пространстве Кнг=1-Кв:

DТж=DТвКв+DТнг(1-Кв), где DТнг – интервальное время в нефти данного состава или газе при термобарических условиях пласта. Величина DТн для нефтей составляет 715-770 мкс.м, для газа – от значений, близких к нефти, до 2000 мкс.м для метана.

Акустический цементомер

Акустическая цементометрия (АКЦ) используется в обсаженных скважинах для оценки качества цементирования заколонного пространства. Акустическая цементометрия основана на измерении характеристик волновых пакетов, создаваемых источником колебаний с частотой излучения 20-30 кГц, распространяющихся в колонне, цементе камне и горных породах.

В качестве информации используют:

· амплитуды или коэффициент эффективного затухания волны, распространяющейся по колонне;

· интервальное время и амплитуды или затухание первых вступлений волн, распространяющихся в горных породах;

· фазокорреляционные диаграммы.

Метод позволяет:

- установить высоту подъема цемента;

- выявить наличие или отсутствие цемента за колонной;

- определить наличие каналов, трещин, каверн в цементном камне;

- изучить степень сцепления цемента с колонной и породами.

Когда за колонной цемента нет или он имеется, но не сцеплен с колонной, приемник отмечает продольную волну по колонне. Она имеет максимальную амплитуду вследствие малого затухания и время пробега, соответствующее скорости распространения упругих волн в стали (V=5400м/сек). Против муфтовых соединений колонны наблюдается уменьшение амплитуды колебаний в связи с рассеянием энергии на резьбе и увеличение время пробега.

Если цементное кольцо сцеплено только с колонной, то упругая волна по колонне будет резко ослаблена вследствие демпфирующего влияния цементного кольца и амплитуда Ак будет на уровне помех. В этом случае к приемнику с заметной амплитудой придет волна по цементному кольцу, в котором скорость распространения упругих волн невелика (Vц=2500 м/сек). Поэтому будет регистрироваться максимальное время Тп.

Если цементное кольцо одновременно сцеплено с колонной и с породой, то первой к приемнику будет подходить головная волна по породе, так как Vп>Vц. В этом случае кривые Ап и Тп сходны с аналогичными кривыми, полученными в необсаженной колонне и соответствуют кривым других геофизических методов.

Проводится АКЦ через 1-2 суток после цементирования колонны.

В приборах акустической цементометрии используются короткие трехэлементные измерительные зонды с расстоянием между ближайшим излучателем и приемником от 0.7 до 1.5 м и базой зондов (расстояние между приемниками)- в пределах 0.3-0.6 м. Скважинный прибор центрируется.