Физические основы акустического метода

Акустические волны представляют собой упругие механические возмущения, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных телах. Имеются два типа волн - продольные и поперечные. Продольная волна (Р) представляет собой перемещение зон растяжения и сжатия. Частицы среды колеблются при этом вдоль направления распространения волны. В поперечной волне (S) частицы среды колеб- Р

лются перпендикулярно направле-

нию распространия волны. Эта волна

представляет собой перемещение зон

сдвига. Продольные волны могут S

распространяться в твердых, жидких

и газообразных телах, а поперечные -

только в твердых. Скорость рас- Рис.4.1. Схема поперечных (Р),

пространения поперечных волн продольных (S) колебаний

обычно меньше, чем продольных.

Когда упругая волна достигает границ раздела двух сред, происходит ее отражение и преломление. Отраженные и преломленные волны, имеющие такой же тип, как и падающая, называются монотипными, а отличающиеся по типу от падающей волны – обменными.

Между направлениями падающей и

проходящей волн существует соот- V

ношение sin /V =sin /V , где

- угол падения, - угол прелом-

ления, V и V - скорости в среде

1 и среде 2. При и некото-

ром угле падения (критическом),

удовлетворяющем условию V

sin a_кр =V₁/V₂, угол преломления Рис.4.2. Падающая и проходящая

=90 и луч проходящей волны скользит волны

в среде 2 вдоль границы раздела. Такой случай называется полным внутренним отражением. Рассмотрим распространение упругих волн в скважине от излучателя И, расположенного на оси скважины против пласта неограниченной мощности. Волны, распространяющиеся в скважине и пласте, пометим индексом 1 и 2. Излучатель периодически посылает пакеты из трех-четырех периодов ультразвуковых колебаний частотой 10-75 кгц с колокольной формой огибающей. При возникновении в момент t=0 импульса упругих колебаний от излучателя по промывочной жидкости начинает распространяться прямая продольная волна Р₁, имеющая сферический фронт (рис.4.3). После достижения в момент t фронтом прямой волны стенки скважины происходит образование вторичных волн: отраженной Р₁₁ и двух проходящих: продольной Р₁₂ и обменной поперечной Р₁S₂. Волна Р₁₂ распространяется в породе со скоростью V > V > V . В некоторый момент времени t₂ фронт прямой волны образует со стенкой скважины критический угол , вследствие чего фронт проходящей волны Р₁₂ становится перпендикулярным к границе раздела скважина-пласт и дальше эта волна скользит вдоль стенки скважины. Так как V > V , волна Р₁₂ все больше обгоняет прямую Р₁ и отраженную Р₁₁ волны. При дальнейшем своем движении волна Р₁₂ вызывает колебания в растворе, поэтому в скважине образуется новая волна Р₁₂₁, называемая головной. Эта волна распространяется со скоростью V и при достаточно большом расстоянии между излучателем и приемником первой достигает приемника. Аналогично распространяется и обменная поперечная волна Р₁S₂, вызывая в промывочной жидкости образование головной волны: Р₁S₂Р₁. Таким образом, от излучателя к приемнику распространяются: головная продольная волна Р₁₂₁, головная поперечная волна Р₁S₂Р₁ и прямая продольная волна Р₁ с соотношением скоростей Vp > Vs >Vp . Отраженная волна Р₁₁ обычно не наблюдается вследствие больших углов ее падения и малой энергии. Поэтому к приемнику П, если он достаточно удален от излучателя, последовательно приходят волны Р₁₂₁, Р S Р и затем прямая волна Р .

И A

P

P t

P S P

П

Рис.4.3. Распространение волн в Рис.4.4. Форма исходного

скважине акустического имнульса

Если записать все воспринимаемые приемником колебания, то получим график приходящих к нему волн - волновую картину. На волновой картине могут быть последовательно отмечены первое вступление и колебания продольной головной волны Р₁₂₁, поперечная головная волна Р S P , прямая Р , идущая по буровому раствору, и другие волны (рис.4.5). Вступлением волны называют первое отклонение от положения равновесия.

Рис.4.5. Схема измерения (а) и форма регистрируемого акустического сигнала (б) при использовании двухэлементного зонда

Область применения. Результаты, полученные акустическим методом, используют при литологическом расчленении разреза, выделении коллекторов, определении их пористости и характера насыщения, контроля обводнения залежей при их разработке и при решении некоторых других геологических и технических задач.

Специальные акустические приборы, регистрирующие время прихода и амплитуду волн, отраженных от стенок скважины (или обсадной колонны), позволяют определять диаметры и профиль скважины (акустические каверномер и профилемер), судить о строении стенок (акустические телевизоры). Акустические каверномер и профилемер особенно широко используют при исследовании подземных полостей значительного диаметра (до 40 м), сооруженных, например, для хранения нефтепродуктов.