Физические основы методов акустического каротажа

                                                           

Механизм распространения упругих колебаний в насыщен­ных пористых средах в общем случае определяется многими факторами. Кинематические и динамические параметры волн зависят от упругих и коллекторских свойств, акустической жесткости скелета пород, насыщающих их флюидов и частоты упругих колебаний в среде.

Кроме того, скорость распространения упругих волн (таблица 3) и поглощающие свойства горных пород зависят от их пористости, влажности, глубины залегания (горного давле­ния), возраста (уплотнения, степени разрушения), степени це­ментации других факторов.

Таблица 3 – Средние характеристики распространения волны для скелета породы

Горная порода	Скорость волны в скелете породы, м/с	Время пробега волны, ∆tск, мкс/м
Вода	1500 – 1700	660 – 600
Песчаники	5500 – 6400	182 – 156
Известняк	6400 – 7000	156 – 143
Доломит	7000	142,5
Ангидрит	6100	164
Соль	4580	220

 

Связь скорости распространения волны с пористостью по­роды в акустическом каротаже описывается уравнением:

 

                                                          (23)

или через интервальное время:

                                                              (24)

где ∆t  – интервальное время в пласте, мкс/м;

∆t_ск – интервальное время в скелет породы, мкс/м;

∆t_ж – интервальное время в жидкости (воде), мкс/м.

 

Сведения об упруго-механических свойствах горных пород, необходимы при определении режимов испытания скважины для принятия мер по сохранению ствола скважины, исключаю­щих раскрытие естественных и образование новых трещин, об­разование каверн, желобов, обрушение пород со стенок сква­жины, вытекание пластичных глин, сужение ствола и другие, не предусмотренные технологией бурения осложнения.

Интервальное время при нормальных пластовых условиях, для чистых плотных глин, которые часто являются покрышкой нефтяных и газовых залежей, зависит главным образом от глу­бины залегания пласта и в какой-то степени характеризует их поровое давление. Аномальное увеличение или уменьшение (отклонение от нормального градиента давления с глубиной) дифференциального давления ослабляет или повышает упру­гость, между зернами, в связи с чем, изменяется установленная для глин величина интервального времени. На этой основе раз­работана методика прогнозирования зон с аномально высо­кими или с аномально низкими пластовыми давлениями в про­цессе бурения скважины. Для решения этой задачи, кроме аку­стического каротажа, проводят электрический и плотностной каротаж.

Амплитуда упругих колебаний А характеризует энергию волны. По мере удаления от источника поля амплитуда про­дольных Ар и поперечных A_s волн затухает вследствие погло­щения энергии окружающей средой.

Коэффициент поглощения энергии (параметр затухания) а на участке горной породы между элементами измерительной установки определяется выражением:

                                                                                               (25)

где l – база зонда (расстояние между сближенными элемен­тами);

A₁, А₂ – амплитуды колебаний, принятых первым и вто­рым приемниками;

a – выражается в 1/м.

 

Параметр затухания зависит от пористости, характера на­сыщения и структуры скелета пород. Повышенные значения параметра а наблюдаются в глинистых и плотных трещинно-кавернозных породах, к которым наиболее чувствителен параметр А_S. Эта связь положена в основу методики выделения в разрезе сква­жин зон с развитой трещинноватостью, которые могут оказаться коллекторами нефти и газа.

 

 

Волновая картина, полученная при записи упругих колебаний приемниками трёхэлементного зонда
3.2 Акустические волны

 

В электротехнике существуют 4 диапазона частот:

1. Инфразвук (резонанс человеческого тела) частота меньше 16 Гц – военное дело. 7-10 Гц смертельная частота, 120 Дб – тошнота, 140 Дб – 2 мин смертельно. Два сигнала высокочастотных с разницей 5 – 7 Гц. Полицейские при разгоне демонстраций. Буддийские монахи лечат. 

2. Звуковая частота 16 – 16000 Гц – сейсмическая волна, АКШ.

3. Ультразвук 16 – 10⁷ кГц – АК, САТ.

4. Гиперзвук более 10⁷ кГц – медицина.

 

В акустическом каротаже различают следующие типы волн:

1. Р – продольная presure – волна давления, сжатия, распространяется в твердых телах, жидкости, газе.

2. S – поперечная shiar –волна сдвига, образуется только в твердом теле.

3. L – лэмбовская волна – только в цилиндре распространяется в жидкости и газе.

l_L  > d_скв. Резонанс лембовской волны l_L = 2 d_скв. Рассчитывается необходимая частота излучения акустической волны для скважинного прибора АК из следующего уравнения:

l_L = V/¦ = 1500/30 000 = 5 см. (для СПАК частота высокая 25 кГц, следовательно, лембовская волна не образуется).

l_L = V/¦ = 1500/5 000 = 30 см. (для АКШ частота излучения от 3 кГц,  следовательно, лембовская волна образуется). Волна L чувствительна к проницаемости.              

4. Гидроволна – неинформативная волна.

5. Волны Стоунли и Рэлея не изучены.

Волны могут регистрироваться в виде каротажных диаграмм, волновых картинок (ВК) или фаза корреляционных диаграмм (ФКД). При регистрации ФКД с помощью электроники отрезается отрицательная частота и затем в виде точек регистрируется ВК: чем больше амплитуда на ВК, тем жирнее точка (рис. 12).

Преобразование ВК в ФКД возможно только для быстродействующих телеизмерительных систем, пример преобразования ВК в ФКД в временном диапазоне 1500 микросекунд показан на рисунке 13.

Рисунок 12 – Регистрация волновой картинки с помощью ФКД

 

Рисунок 13 – Пример преобразования волновой картинки в ФКД на экране осциллографа

Свойства упругих волн:

1. Затухание упругой волны – потеря Е;

2. Преломление акустической волны возникает на границе двух сред, когда скорость распространения волны во второй среде V2  > V1, то b>a.

3. Отражение акустической волны возникает, когда длина волны меньше изучаемого объекта l < H.

4. Дифракция (огибание), когда l > H, например, размер головы меньше, чем длина волны, поэтому слышен звук всеми в помещении.

5. Рефракция – разновидность преломления, т.е. изменение направления движения волны.

6. Обмен – меняются местами типы волн, Р на S и наоборот.

7. Рассеивание – изменяется направление движения волны с одновременной потерей энергии.

Разновидности аппаратуры АК:

1. Только приемник – шумовой каротаж (ШК) диапазон 200 – 10 000 Гц.

2. Приемник и излучатель – акустический каротаж цементации (АКЦ).

3. Приемник и два излучателя, или наоборот – метод АК.

4. Четырехэлементный АК – прибор «ПАРУС» рудная геофизика, для компенсации перекосов прибора при каротаже.

5. Многозондовый, одиннадцать и больше излучателей и приемников – компенсированное влияние скважины.

6. Сам изучает и затеи фиксирует волну скавжинный акустический телевизор.

На АК оказывают влияния:

1. Геологические параметры – литологический состав, пористость, насыщенность, проницаемость, глинистость.

2. Литология – чем больше плотность, тем больше скорость (см. таб. 3).

3. Пористость (см. формула 24).

4. Насыщенность.

5. Глинистость. Глинистость делиться на два класса: скелетную и поровую, однако на поровую глинистость не воздействует давление, поэтому эта глинистость на АК не оказывает влияние.

Чем больше частота излучаемой акустической волны ¦ (или меньше l), тем меньше радиус исследований.

При настройке панели устанавливается окно (на заводе изготовителе). Окно должно быть равно 3 Т (три первых периода). т.к. ведущая ¦ для АК (СПАК – 6, УЗБА) примерно 25 кГц, то Т= 1/25= 40 мкс, поэтому окно 3 Т = 3 ^х 40 = 120 мкс.

Окно для волны L волны: Т= 1/3 кГц = 333 мкс, отсюда 3Т = 1000 мкс.

Основные элементы прибора АК:

1. Излучатель: Излучатель изготавливается из магнитострикционных материалов: никеля, пермендюра, кобальта. Для получения собственной частоты 3 – 80 кГц, излучатель собирают из пластин толщиной 0,1 – 0,2 мм, общей мощностью 0,1 диаметра излучателя. При подаче тока на обмотки возбуждения (частотой = 25 Гц) возникает магнитострикционный эффект, вызывающий ультразвуковые колебания.

2. Приемники: в основном сферические, пустотелые пьезокерамические приемники.

3. Изоляторы: резиновые, фторопластовые, прорезиненные.

Обычно измерительный зонд прибора АК содержит один монопольный излучатель упругих колебаний и два разнесенных на 0,5 м приемника.

В комплекс акустических исследований на отраженных волнах входят следующие модификации.

1. Акустическая кавернометрия на частоте f_о = 200 – 500 кГц. Измеряемый параметр d_c = V_о t.

2. Акустическая профилеметрия: акустическая кавернометрия с вращением луча.

3. Скважинное акустическое телевидение на частоте 1 – 2 МГц.

4. Акустическая цементометрия на отраженных волнах.

Упругие константы (модули) являются важнейшими физико-механическими характеристиками горных пород, которые могут быть оценены по данным акустических исследований скважин. По скорости поперечной волны при известной плотности может быть определен модуль сдвига, по скорости продольной волны при известной плотности и модуле сдвига может быть определен модуль всестороннего сжатия, характеризующий отношение гидростатического давления к относительному изменению объема. По скоростям продольных и поперечных волн опреде­ляется коэффициент Пуассона:

,                                                                      (26)

где, δd – относительное сокращение

  δl – относительное удлинение

 

Важной энергетической характеристикой излучения является волновое сопротивление среды (или импеданс).

Убывание амплитуды и энергии волны за счет ее поглощения в объеме горных пород, т.е. диссипация энергии, вызывается различными неравновесными процессами, в частности неравно­весным теплообменом между фазой сжатия и разрежения. Характеристикой убывания амплитуды или энергии волны в объеме среды является коэффициент поглощения а. Уменьшение ампли­туды волны при распространении на длину волны оценивается безразмерным параметром - декрементом поглощения.

Уменьшение энергии волны по мере ее распространения в однородной среде кроме диссипации связано с расхождением энергии волны по фронту.

Диссипация энергии упругой волны в горных породах харак­теризуется коэффициентом поглощения, определяющим сте­пень ослабления волны при прохождении расстояния в единицу длины.

Для характеристики ослабления волны в горных породах используют произведение коэффициента поглощения на длину волны, которое называется декрементом поглощения.

Большое практическое значение рассмотренных акустических характеристик состоит в том, что они являются основой для интерпретации данных акустических исследований в коллекторах нефти и газа. По зависимостям Ú и а от плотности, коэффи­циента пористости, проницаемости, свойств матрицы, флюида, структуры пор, степени сцементированности зерен, типа цемен­та и т.д. разработан ряд алгоритмов интерпретации.

Акустические исследования скважин объединяют большое число различных модификаций, основанных на измерении харак­теристик головных волн PoP₁Po волна давления (presure) и PoS₁Po волна сдвига (shiar), прямых гидроволн и трубных (поверхностных) волн типа Стоунли, Лэмба, Рэлея. Схема их возникновения и соответствующие волновые картины показаны на рисунке 14. Несмотря на различия в схемах акустиче­ских измерений и использующихся диапазонов частот, в основе разнообразных модификаций лежат общие закономерности распро­странения упругих волн в скважинах.

Прямая гидроволна. На оси скважины импульсный источник, находящийся в жидкости, возбуждает волну давления – прямую волну Р_о. Эта волна, распространяющаяся, со скоростью про­дольной волны в заполняющей скважину жидкости при большом зазоре между стенками прибора и скважины, называется гидро­волной. Энергия и амплитуда гидроволны зависят от величины кольцевого зазора между прибором и стенками скважины. Как правило, V_гидр = 1500 – 1700 м/с.

Рисунок 14 –  Волновая картина акустического поля в скважине

 

Теоретические и экспериментальные исследования показы­вают, что гидроволна вырождается при увеличении отношения длины волны λ к величине зазора, т.е. при λ/Δd>1.

Трубные и другие поверхностные волны. Трубные волны присущи только цилиндрической полости, заполненной жид­костью. Их характеристики определяются не только упругими свойствами жидкости, но и упругостью пород, слагающих стенки скважины. Частота трубной волны - самая низкая во всем вол­новом пакете.

В скважинах большого диаметра λ/r_с < 1 (т.е. при высоких частотах) стенка скважины становится как бы плоской, и скорость трубной волны увеличивается до скорости волны Стоунли, воз­никающей на плоской границе жидкости и твердого тела.

Возникновение волны Лэмба можно объяснить тем, что на низких частотах λ/r_с ≥ 1. Скважина – узкая труба, обладающая следующими свойствами: какой бы излучатель не создавал гар­моническое акустическое поле, на некотором расстоянии от излучателя будет распространяться одномерная волна с плоским фронтом, перпендикулярным стенкам скважины.

В породе радиальные колебания затухают на длине волны, радиальные смещения не велики, рассеяние энергии в породу минимально, поэтому волна Лэмба поверхностная и распростра­няется на большое расстояние. Если пласт проницаем, возни­кает продольная волна 2-го рода, что приводит к снижению амплитуды волны Лэмба, распространяющейся в толстостенной цилиндрической полости.

Наряду с волной Лэмба возникает волна рэлеевского типа, но она быстро затухает и ее невозможно обнаружить.

Для калибровки аппаратуры акустического каротажа методом прямых измерений применяют стандартные образцы скорости распространения и коэффициента затухания ультразвука. Они выполнены в виде трубных волноводов, конструктивно представляющие собой стальные, стеклопластиковые, асбоцементные и полиэтиленовые трубы длиной 4 или 6 м, заполненные водой. Все волноводы устанавливаются в шахту или трубный контейнер диаметром (0,6¸0,8) м.

 

 

Схема и фото комплекта трубных волноводов для аппаратуры АК