§ 66. Ультразвуковой метод

Для изучения акустических свойств горных пород ультразву­ковым методом необходимо в скважине возбудить упругие ко­лебания частотой 10—75 кГц и наблюдать за ними после про­хождения их через горные породы, слагающие разрез.

Простейший скважинный прибор состоит из одного излуча­теля И и одного приемника П, разделенных между собой аку­стическим изолятором (рис. 123). Расстояние £ между излуча­ющим и приемным элементами называется базой из мере- 11 и я. Это расстояние является и длиной двухэлементного зонда.

Чтобы получить представление о принципе скважинных из­мерений ультразвуковым методом, целесообразно рассмотреть распространение упругих волн в идеализированных скважин­ных условиях от сферического излучателя И. При этом предпо­лагается, что излучатель и прнемннк ультразвуковых колеба­ний расположены на оси скважины с постоянным диаметром, пересекающей пласт неограниченной мощности и заполненной однородной промывочной жидкостью (см. рис. 123). В этом

случае наблюдается следующая картина распространения уп­ругих волн, испускаемых излучателем.

В некоторый момент времени т^О излучатель возбуждает в скважине импульс упругих колебании. Мри возникновении уп­ругих колебаний от излучателя по промывочной жидкости на­чинает распространяться только прямая продольная волна Р,, имеющая сферический фронт. Через некоторое время Tj волна Pi, достигнув стенки скважины, образует две проходящие волны: продольную Р₁₂ и обменную поперечную P1S2- Кроме того, из-за разности волновых сопротивлений (произведение скорости распространения волны на плотность среды) породы и промывочной жидкости в последней возникает отраженная (продольная) волна Рц. Волна Р₁₂ распространяется в породе со скоростью Ур„, превышающей скорость распространения се в промывочной жидкости üp Обменная поперечная волна P|S₂ распространяется в породе с несколько меньшей (прибли­зительно в 1,73 раза) скоростью vs_n, чем i*>_m но обычно большей, чем в промывочной жидкости üp_p.

С

К Л 2 2

некоторого момента времени т₂, когда фронт волны Р| образует со стенкой сква­жины критический угол /_Р (sin i- vr¡>/vi>_n), фронт проходящей продольной ВОЛНЫ Pi₂ ста­новится перпендикулярным к границе раздела скважина—пласт, и волна Р_]2 начинает сколь­зить со скоростью Ор_п вдоль этой границы по принципу полного внутреннего отражения, т. е. луч проходящей волны направлен параллель­но оси скважины. В этом случае волна Р|₂ еще больше обгоняет прямую Pi и отражен­ную Рц волны.

При дальнейшем своем движении волна Pi₂ вызывает в промывочной жидкости новую волну P|₂i, называемую головной, которая распространяется со скоростью t>p_n и при до­статочно большом расстоянии между излуча­телем и приемником первой достигает прием­ника. Фронт этой волны образует коническую поверхность с вершиной на оси скважины и основанием, равным окружности скважины.

Следовательно, распространение колебаний

Рис. 123. Схема распространения упругих волн от расположенного в скважине импульсного сфериче­ского излучателя (по С. Г. Комарову).

Т|, т.- тп+2^— моменты времени (изохроны волн). Волны:

/ — прямая (падающая) Р,: 2 — проходящая продольная Л,?: 3~ головная Р,л: 4 — отраженная (продольная) Р„

от излучателя до приемника происходит по пути скважина — порода—скважина, который изображен ломаным лучом Л (см. рис. 123).

Аналогично распространяется и обменная поперечная волна Р^г, вызывая в промывочной жидкости образование головной волны Р^гР], которая проходит в породе со скоростью Уз_п. Необходимо отметить, что головная волна Р^Р, в промывоч­ной жидкости распространяется как продольная, так как попе­речные волны могут существовать только в твердых телах.

Таким образом, от излучателя к приемнику распространя­ются волны трех типов: головная продольная Р,₂ь головная по­перечная Р^Р, и прямая продольная Р₍ с соответствующим соотношением скоростей и_Рп > >^р_р.Отраженная волна Рц обычно не наблюдается вследствие больших углов падения (90°) и малой энергии. Но если путь прохождения от излуча­теля до приемника одинаков для волн Р₁₂₁ и Р^Р, и равен сумме отрезков луча Л (см. рис. 123), то для прямой волны Р| он равен только расстоянию £ между излучателем и приемни­ком по прямой, т. е. несколько меньше, чем в первом случае, причем разница эта зависит от диаметра скважины.

Следовательно, только при достаточно большом расстоянии

1. волны Р₁₂, и Р^г?! обгоняют волну Р,, и продольная и по­перечная головные волны достигают приемника последова­тельно, а прямая волна приходит последней. В противном слу­чае волновая картина, зарегистрированная приемником, трудно­читаема.

Для двухэлементного зонда расстояние Ь между излучате­лем и приемником должно удовлетворять неравенству

<

L

р

где Дг_с — расстояние от излучателя и приемника до стенки скважины, иначе прямая волна, распространяющаяся по про­мывочной жидкости, первой достигает приемника, и интерпре­тация данных ультразвукового метода становится практически невозможной.

При работе с центрированным двухэлементным зондом в скважине, имеющей постоянный диаметр, погрешность за счет прохождения упругих волн по промывочной жидкости мо­жно учесть. Фактически положение акустического зонда неце- нтрированное и диаметр скважины переменный (наличие ка­верн, глинистой корки), что приводит к существенным искаже­ниям Ат, которые учесть невозможно.

В связи с этим целесообразно применять многоэлементные зонды, содержащие один излучатель и два или более приемни­ков упругих колебаний (или, наоборот, один приемник и не­сколько излучателей, работающих синхронно). Наибольшее распространение получили трехэлементиые зонды с одним из­

лучателем (приемником) и двумя приемниками (излучате­лями), расположенными на разных расстояниях от него. Для таких зондов базой измерения является расстояние между при­емниками, а длиной зонда — расстояние от излучателя до даль­него приемника. При использовании трехэлементных зондов в случае, если оба приемника находятся на одинаковом рас­стоянии от стенки скважины, время прохождения упругих ко­лебаний по промывочной жидкости исключается, т. е. повыша­ется достоверность регистрируемых параметров ультразвукового метода. В этом случае время пробега волны по породе %=1*№р_я и не требует корректировки.

О днако эго условие выполнимо при соблюдении следующего требования:

2Дг_с

Ур

где ¿1— расстояние от излучателя до первого приемника П1, при котором головная продольная волна, идущая по породе, первой достигнет приемника П1 и тем более приемника П2.

Б аза измерения трехэлементных зондов выбирается в соот­ветствии с требуемой точностью расчленения разреза но мощ­ности. Теоретические кривые (рис. 124) показывают, что чем меньше база, тем более тонкие прослои могут быть выделены по диаграммам ультразвукового метода, и при базе измерения меньше мощности пласта максимальное значение скорости и_р будет соответствовать истинному ее значению. Однако практи­чески уменьшение базы снижает точность измерения и производи­тельность работ.

Г

Рис. 124. Скважинная установка ультразвукового метода и ее разрешающая способность.

а — трехэлементныП зонд; б — теоре­тические кривые ультразвукового ме­тода для двух величин базы

лубина исследования раз­лична при измерении кинемати­ческих и динамических характе­ристик горных пород и опреде­ляется базой зонда, .частотой упругих волн в породах, сква­жинными условиями проведения исследований. С увеличением базы зонда и скорости распро­странения упругих колебаний в горных породах радиус иссле­дования возрастает. С повыше­нием частоты упругих колеба­ний глубина исследования уменьшается. В средах, облада­ющих положительным градиен­том волнового сопротивления по радиусу от стенки скважины,

глубинность метода увеличивается. Практически глубинность ультразвукового метода при регистрации кинематических ха­рактеристик не превышает 0,3 м. Радиус исследования по ди­намическим параметрам примерно в 2 раза больше, чем по кинематическим.

Аппаратура и методика измерений ультразвукового метода

При применении ультразвукового метода используется им­пульсная ультразвуковая установка: излучатель периодически посылает пакеты из 3—4 периодов ультразвуковых колебаний частотой 10—75 кГц с колокольной формой огибающей, раз­деленные во времени (рис. 125). Частота посылки импульсов ультразвуковых колебаний излучателя определяется необходи­мостью регистрации в первых вступлениях головной волны, проходящей по породам, а не по промывочной жидкости, и оп­ределяется расстоянием между стенкой скважины и приемни­ком, соотношением скоростей распространения продольной волны в промывочной жидкости и в породах и изменением уп­ругих свойств горных пород в прискважинной части, вызван­ным процессом бурения. Обычно частота посылки импульсов излучателем составляет 12—25 кГц.

Принцип действия аппаратуры основан на возбуждении в породах, пересеченных скважиной, упругих колебаний, после­дующем их приеме и преобразовании в электрический сигнал, который по геофизическому кабелю передается в наземный пульт, где измеряются амплитудные и временные параметры сигнала, характеризующие физико-механические свойства по­роды. Амплитудные и временные параметры регистрируются на

диаграмме в функции глубин.

7

а

X

2 3 % I ⁵¹ 0 430 ² *

(

К

ш

МКС ^: МКС '

-Д-ЛЛЛЛЛЛЛА ^ААЛААЛЛЛАЛЛЛЛЛ

Рис. 125. График колебании продольной волны (а) и волнован картина, полученная при записи упругих колебаний приемниками трехэлементиого зонда (б).

I — запись ближним приемником; // — запись дальним приемником; Ш — марки вре­мени (через 100 икс), / — отметка импульса; 2 — первое вступление головной продоль­ной волны; •> — ноьеречные колебания и волна, идущая по промывочной жидкости. Расстояние между излучателем и приемником 1.36 м; расстояние между приемни­ками 1.16 м; Т. А период и амплитуда возбуждающих колебаний

Аппаратура ультразвукового метода СПАК-6 состоит из скважинного прибора / и наземного пульта II (рис. 126). При работе аппаратуры в блоке 12 уменьшается путем деления ча­стота питающей сети 50 Гц до 12,5 Гц. Сформированные после деления в блоке 9 разнополярные импульсы через фильтр 10 и геофизический кабель 8 поступают в селектор скважинного прибора 7 и разделяются па два канала. В первом канале за­пускается генератор токовых импульсов 4 и возбуждается излу­чатель /. Во втором канале со смещением по времени на 40 мс также запускается генератор токовых импульсов 5 и возбуж­дается излучатель 3. Упругие импульсы от излучателей, пройдя ио породе, воспринимаются приемником 2 и после усилителя 6 поступают ио кабелю 8 в фильтр блока управления 10. Сюда же поступают синхроимпульсы, снимаемые с излучателей 1 и 3.

С фильтра 10 принятые сигналы поступают на усилитель 13 и далее на сигнальный вход панели 14. Синхроимпульсы посту­пают на селектор 11 и после разделения по двум сигналам по­даются на вход синхронизации панели 14, которая обрабаты­вает сигналы и позволяет производить запись аналоговых кри­вых параметров сигналов с помощью серийных геофизических станций.

В

Рис. 127. Диаграмма ультразвуко­вого метода (лакограмма), записан­ная аппаратурой ЛАК-

Рис. 126. Блок-схема аппа ратуры СПАК-6

аппаратуре СПАК-6 используется акустический трехэле­ментный зонд И20,4И|1,2П, в качестве излучателей применя­ются магинтострикционные преобразователи, работающие на основной резонансной частоте, в качестве приемников — пьезо- керамические преобразователи, работающие 11а частотах ниже

частоты основного резонанса. Частота излучаемых колебаний составляет 12,7 — 23 кГц.

Аппаратура СПАК-6 предназначена для непрерывного из­мерения и аналогового преобразования величин, характеризу­ющих упругие свойства горных пород, которые слагают раз­резы нефтяных и газовых скважин, и промывочной жидкости:

1. интервальное время распространения продольной волны— Дт; 2) относительные амплитуды упругих колебаний продоль­ной волны от ближнего и дальнего излучателей — Л, и Л₂;

2. коэффициент поглощения — а_уз; 4) относительные ампли­туды продольных Л_р и поперечных А$ колебаний. Однако ульт­развуковым методом обычно исследуют распространение про­дольных волн в горных породах. Описываемая аппаратура позволяет также производить исследования в закрепленных скважинах с целью оценки качества их цементирования, а в слу­чае качественного цементирования (добротной акустической про­зрачности) — и для оценки пород, слагающих разрез.

Наибольший практический интерес представляет регистра­ция кинематических и динамических характеристик горных по­род в аналоговой форме. Однако при таком способе регистра­ции возможны частичные потерн информации о динамике рас­пространения упругих колебаний по породе. Так, слабые первые вступления сигналов могут быть пропущены автомати­ческими устройствами и за первую может быть принята вторая или последующая фаза, что приведет к получению заниженной интервальной скорости распространения упругих колебаний. При регистрации полной динамической картины может быть замечена и слабая первая фаза. Такой способ регистрации ультразвуковых данных используется в аппаратуре ультразву­кового метода СПАК-2М, СГ1АК-4, СГ1АК-4М, СПАК-6.

Применяются и другие способы регистрации ультразвуко­вых данных. В одном из них усиленные сигналы поступают на блок регистрации, состоящий из индикатора и собственно реги­стратора. В качестве индикатора часто используются электрон­но-лучевые трубки (ЭЛТ). В многоэлементном зонде с несколь­кими приемниками на однолучевой трубке высвечиваются сиг­налы всех приемных каналов. Метки времени вырабатываются генератором меток времени и подаются на индикатор вместе с сигналом или по отдельному каналу. Изображение сигналов на экране ЭЛТ фотографируется фото- или киноаппаратом-ре­гистратором с одновременным изображением на этом же кадре показании глубины погружения скважинного прибора. Такой способ регистрации ультразвуковых колебаний реализован в регистраторе акустических картин (АКР) с двумя электрон­но-лучевыми трубками: для визуального наблюдения волновых картин и для их фотографирования. Такой способ индикации и регистрации сигналов дает наиболее полное представление

о динамике изменения сигналов по скважине и характере вол­новых процессов, возникающих при ультразвуковом методе ис­следования скважин. Однако получаемые осциллограммы тре­буют кропотливой и внимательной обработки, что не всегда возможно в производственных условиях.

В станциях типа ЛАК способ регистрации сигналов ультра­звуковых колебаний на экране ЭЛТ другой: сигнал модулиру­ется не по амплитуде, а по яркости. На экране ЭЛТ высвечи­ваются только вершины положительных фаз колебаний, реги­стрируемых каждым приемником. В результате волновая картина каждого приемника превращается в самостоятельные ряды расположенных по прямой точек, расстояние от которых до нулевой точки пропорционально времени прихода соответ­ствующей фазы волны. Яркость каждой точки тем выше, чем больше амплитуда фиксируемой ею фазы. На осциллоскоп по­даются и марки времени. Изображение с экрана ЭЛТ фотогра­фируется на ленту, перемещаемую в соответствии с движением скважинного прибора (рис. 127). Однако такая регистрация данных ультразвукового метода не позволяет количественно оценивать величину упругих колебаний и их ослабление.

Исследования ультразвуковым методом проводят в откры­том стволе скважины. Масштаб скоростных и амплитудных па­раметров зависит от литологии разреза и упругих свойств гор­ных пород. Масштабы параметров т,, т₂, Ат, А_и Л₂ и ^ (А\/А_г) устанавливают по калибровочным устройствам наземных пане­лей аппаратуры по отклонениям бликов гальванометров фото­регистратора и выбирают с таким расчетом, чтобы максималь­ные отклонения кривых находились в пределах 8—10 см диаг­раммной ленты.

Для удобства чтения регистрируемой диаграммы ультразву­кового метода кривые Т! и т₂ обычно фиксируются со смеще­нием нулевых линий примерно на 200—400 мкс с иомощыо ком­пенсатора поляризации и корректоров нуля фоторегистратора. Нулевые положения бликов, их отклонения в соответствии с установленными масштабами, смещение нулевых линий вре­менных кривых фиксируются на диаграммных лентах до и в конце измерений.

В процессе записи постоянно контролируют работу времен­ного блока путем визуального наблюдения волновой картины и момента срабатывания каналов Т| и т₂ на экране электронного осциллографа. Для контроля правильности установки и посто­янства масштабов записи временных кривых в процессе сква­жинных исследований регистрируют скорость распространения упругих колебаний в незацементированиой обсадной колонне, где она составляет 5300 м/ч ±5 %.

Основной масштаб глубин регистраций диаграмм ультразву­кового метода— 1 :500, дополнительный в интервале залегания продуктивной толщи— 1 : 200.

При применении ультразвукового метода скорость движе­ния прибора составляет обычно 1000—1200 м/ч. В отдельных случаях, когда при движении прибора по скважине повыша­

ется уровень шумов, вызванных трением его о промывочную жидкость и стенку скважины, скорость подъема прибора сни­жают до 600—800 м/ч.

Кривые ультразвукового метода

При определении глубин за точки записи кривых ть т₂ и Л,, Л₂, Ар, v4_s принимается середина расстояния между ближ­ним и дальним излучателями и приемником, а за точки записи кривых Лт и «уз — середина расстояния между излучателями (у трехэлементных зондов с двумя излучателями).

Пласты с аномальными упругими свойствами отмечаются на кривых Ат и а_уз симметричной аномалией, максимум кото­рой соответствует истинным значениям Ат и а_уз пласта, если его мощность больше длины зонда (/i>AL). При значе­ния Лттах и а_Узтах занижены по сравнению с истинными, при­чем степень занижения тем больше, чем меньше Л. Границы пластов любой мощности отбиваются в точках, расположенных на расстоянии 0,5 AL от начала наклонного участка кривой против вмещающих пород.

Времена tj и и амплитуды Л, и Л₂ зависят от диаметра скважины. С увеличением диаметра скважины tj и т₂ возра­стают, Л, и Л₂ уменьшаются, так как удлиняется путь волны по промывочной жидкости и уменьшается доля энергии излу­чателя, затрачиваемой на образование головной волны Р,₂₁.

На значения Ат и а_уз, измеряемые трехэлементным зондом, не оказывает влияния диаметр скважины, если он постоянен в интервале расположения зонда, однако влияет непараллель- ность осей прибора и скважины и изменение диаметра сква­жины— наличие каверны. Каверна отмечается на кривых Ат и а_уз повышенными аномалиями. Границы каверны определяются по кривым Ат и а_уз так же, как границы обычного пласта. От свойств жидкости, заполняющей скважину, показания трехэле­ментного зонда почти не зависят. Литология разреза скважины определяется по значению Ат с учетом данных других геофизи­ческих методов.

Коэффициент пористости пластов-коллекторов, выделяс- емых по повышенным значениям Ат и а_уз, рассчитывается на основе линейной связи между Ат и к_п (уравнения среднего вре­мени) :

Ат = (Ат_ж—Ат_т) /е_п + Ат_т,

откуда

_k Ат-Ат_т (0_т-рр_п)р_ж ^п Дт_ж — Ах_т (и_т — у_ж) v

где Атт и у_т, Ат_ж и у_ж — интервальное время и скорость рас­пространения упругих колебаний в твердой части скелета и жидкости, заполняющей поровое пространство коллектора.

Интервальное время и скорость распространения упругих колебании в твердой части скелета выбирают согласно лито­логии изучаемого разреза. Значения Лт_ж или v_ж выбирают ис­ходя из типа флюида, заполняющего норовое пространство, и пластовых условий — температуры и давления. В воде нор­мальной солености v_УK изменяется от 1470—1530 м/с на глу­бине 0—600 м до 1580 м/с на глубине 600—1200 м и до 1640 м/с па глубине 1200—1800 м. В минерализованной воде эти величины на 10—20 % выше, чем в пресной. Скорость рас­пространения упругих волн в нефти и„ зависит от се вязкости, температуры и давления. В диапазоне изменения температуры 20 70 °С и давления (0,001 — 0,251)- 10^е Па и„= 1370-ь 4-1035 м/с. При расчетах принимают и,,= 1310 м/с. В газооб­разном заполнителе и_г также зависит от давления и темпера­туры и принимается равным 365 м/с. Когда радиус исследова­нии не выходит за пределы радиуса промытой зоны, прини­мают равной скорости распространения волн в фильтрате промывочной жидкости, т. е. от 1500 до 1650 м/с с поправкой на остаточную нефтспасыщенность.

Значения коэффициента пористости, полученные для глини­стого коллектора, корректируют но уравнению среднего вре­мени за объемную глинистость /г_гл, определяемую по данным гамма-метода или метода потенциалов собственной поляриза­ции. Имеются и другие способы определения коэффициента по­ристости по данным ультразвукового метода [14].

Коэффициент поглощения упругих волн а_уз, как и скорость у_Рп, зависит от литологии разреза. В плотных, хорошо сцемен­тированных породах поглощение волн невелико. Коэффициент а_Ул рыхлых и сильно глинистых пород возрастает. Поглощение упругих волн в нефтеносных и особенно в газоносных породах значительно больше, чем в водоносных. Однако газоносные и нефтеносные пласты на диаграммах а_уз не выделяются при на­личии в них больших зон проникновения фильтрата промывоч­ной жидкости, в которых имеется лишь остаточная нефтегазо- насыщенность.

Поглощение упругих воли тесно связано со структурой но­рового пространства пород. Сильное ослабление амплитуд уп­ругих волн наблюдается в трещинных и кавернозных породах. Сведения о поглощающих свойствах горных пород в комплексе с другими данными геофизических методов позволяют повы­сить эффективность изучения разрезов скважин.

Области применения ультразвукового метода и решаемые им геологические задачи

Применение ультразвукового метода в комплексе с другими геофизическими методами позволяет решать следующие задачи поисково-разведочной и промысловой геологии: 1) литологиче­ское расчленение и корреляция разрезов скважин; 2) страти­графическая привязка отложений; 3) выделение пластов-кол­лекторов; 4) определение характера насыщения пластов; 5) оценка коэффициента пористости пород; 6) определение по­ложения водонефтяиого и газожидкостных контактов.

Имеются все физические предпосылки определения по дан­ным ультразвукового метода коэффициентов водо- и пефтегазо- насыщеиия и оценки фильтрационных и других характеристик коллекторов. Кроме того, ультразвуковым методом определя­ются техническое состояние скважин, например контроль каче­ства цементирования обсадной колонны (акустическая цементо- метрня) и диаметр скважины (акустическая кавернометрия).