5 .3. Метод искусственного теплового поля

М етод основан на изучении распределения во времени искусственного (нестационарного) теплового поля, а также на различии тепловых свойств изучаемых горных пород, в частности, температуропроводности.

Искусственное поле в скважине может быть создано путем заполнения ее буровым раствором с температурой t_p, отличающейся от температуры пород t_п, a также при нагревании промывочной жидкости во время реакции схватывания цемента после цементировании затрубного пространства.

Чем выше температуропроводность пород, тем в большей степени при t_p  t_п изменяется температура бурового раствора за единицу времени. Поэтому породы, температуропроводность которых отличается от вмещающих пород, выделяются на термограммах аномалиями.

Если t_p > t_п, то в породах более низкого теплового сопротивления наблюдаются отрицательные аномалии температур. Породы с более высоким тепловым сопротивлением, наоборот, выделяются положительными аномалиями температур. Обратная картина будет в случае t_п > t_p.

Для исключения погрешности в выводах необходимо знать положение точки, равных температур раствора и пород. Это может быть установлено следующими способами:

1) Термограмма 1 искусственного теплового поля сопоставляется с термограммой 2 регионального теплового поля Земли, зарегистрированной в скважине с установившимся тепловым режимом. В т. А пересечения кривых 1 и 2 температуры раствора и пород равны: t_p = t_п. Выше этой точки t_р > t_п , нижеt_п > t_p

2) В исследуемой скважине проводится повторная запись термограммы через определенный промежуток времени. В т. А, в которой t_p=t_п, термограммы пересекаются.

8. Акустический кapoтaж (ак)

А кустическим каротажом называют совокупность методов, основанных на изучении кинематических и динамических характеристик упругих волн, возбуждаемых в скважине импульсным акустическим излучателем и регистрируемых на небольших расстояниях от него.

В качестве излучателей используются магнитострикционные датчики. Конструкция их может быть разнообразной, например, кольцевой формы. Под воздействием электромагнитного поля кольцо изменяет свою длину 1. Так как l=2**R, то начинает меняться его радиус. После снятия возбуждающего поля кольцо отдаст в окружающее пространство затухающие колебания в течение времени порядка 250-300 МКС.

Приемники колебаний работают на обратном эффекте: при сжатии кольца вырабатываются электрические заряды на его поверхности, величина которых пропорциональна степени сжатия. В качестве материала может использоваться и пьезокерамика.

Основные типы упругих волн в скважине

В зависимости от условий измерения в AK могут регистрироваться волны следующих типов:

1) Прямая гидроволна Ро. Распространяется со скоростью продольной волны в буровом растворе.

2) Отраженные волны РоРо. Возникают на границах: промывочная жидкость - стенка скважины, а также на контактах пластов горных пород, на плоскостях трещин и других неоднородностях. Обычно они не регистрируются (вследствие больших углов падения).

3) Головные волны popipo и posipo. Регистрируются в том случае, когда прямая волна, падая на стенку скважины под критическим углом, образует в породе продольную или поперечную скользящую волну и выходит в скважину.

Наибольшее значение в AK имеют головные волны типа PoP₁Po -продольные на участках падения, скольжения и выхода головной волны и волны PoS₁Po - продольные на участках падения и выхода и поперечные на участке скольжения. Эти волны существуют, если скорости распространения волн в горных породах больше, чем в буровом растворе.

Амплитуды обменных волн PoS₁Po при прочих равных условиях обычно выше, чем амплитуды монотипных волн PoP₁Po.

4) Рефрагированные волны. Возникают том случае, когда имеется проникновение раствора в пласт и возникает градиент скорости в радиальном направлении. В этом случае в скважине регистрируются уже не головные, а рефрагированные волны, лучи которых проникают в породу тем глубже, чем больше длина зонда АК.

АК по скорости и затуханию

П риемник воспринимает последовательность импульсов, каждый из которых соответствует определенному типу волны. Форма и амплитуда каждого импульса зависит от формы излучаемого импульса, типа волны и фильтрующих свойств среды.

И мпульсы могут быть разнесены во времени или интерферировать так, что окончание одного может накладываться на начало другого. Приемник преобразует акустические импульсы в электрические сигналы, которые по кабелю передаются на поверхность к измерительной аппаратуре.

При решении ряда задач можно изучать скорость распространения продольных волн в горных породах или процесс затухания продольных и поперечных волн.

Для определения скорости распространения упругих колебаний достаточно измерять разность времен первых вступлений продольной головной волны в точках расположения приемников. Этот параметр, называемый удельным (интервальным) временем определяется соотношением:

t(z)=l/V_p(z), где

1 - расстояние между приемниками колебаний (база зонда); V_р - скорость распространения продольных волн. Этот вид АК называют каротажем по скорости.

В других случаях выгодно измерять изменение по глубине z амплитуды продольной или поперечной волны или, так называемого, эффективного коэффициента затухания:

, где

А₁ и А₂ - соответствующие амплитуды волн, зарегистрированные разными приемниками. Этот вид АК называют каротажем по затуханию.

Типы зондов в аппаратуре АК

В зависимости от типа регистрируемых волн конструкции зондов различаются количеством источников и приемников, а также расстояниями между ними.

1. Для реализации АК по скорости и затуханию используются трехэлементные и многоэлементные зонды. Основой этих зондов служит трехэлементный зонд, состоящий из одного источника и двух приемников, находящихся на расстоянии l₁ и l₂ от излучателя. Ближайший к источнику приемник должен находиться на расстоянии

,

на котором головная волна приходит к приемнику раньше прямой. d_c и d_з - диаметры скважины и зонда соответственно; i=arcsin V₀/V₁; V₀ и V₁ - скорости волн в буровом растворе и горной породе. При исследовании в обсаженных скважинах расстояния l₁ и 1₂ необходимо увеличить с тем, чтобы уменьшить экранирующее влияние обсадной колонны и цементного кольца. l₁ и l₂ целесообразно увеличивать и при наличии радиального градиента скорости, чтобы регистрировать рефрагированные волны, проникающие в породу на значительную глубину.

2. Трехэлементный зонд с прижимным устройством применяется для изучения скоростей в стенках необсаженных скважин по времени пробега прямой волны в породе. Этот зонд используется также в случаях, когда скорость в породах меньше скорости в буровом растворе и головные волны не образуются.

3. Одноэлементные зонды (только приемник) служат для изучения акустических шумов в скважине, создаваемых перетеканием жидкости в затрубном пространстве или выделением газа.

4. Такие же зонды с генераторами высокочастотных импульсов могут быть использованы для регистрации отраженных от стенки скважины волн с целью получения акустических профилей, по которым можно обнаруживать каверны. В этом случае после посылки импульса излучатель переключается на прием и регистрируется отраженный импульс.

5. Используются также одноэлементные зонды с вращающимся вокруг оси скважинного прибора излучателем-приемником для визуального обзора стенок обсаженных и необсаженных скважин в отраженных волнах.

Наибольшее распространение в АК получили зонды: П₂, 45И₁₀, 5И₂ и И₂, 45П₁₀, 5П₂.

Кроме типов зондов аппаратура АК различается по диапазонам используемых частот упругих волн на следующие группы:

1) Низкочастотная (6-20 кГц) широкополосная аппаратура для исследований обсаженных скважин.

2) Аппаратура АК на головных волнах с ультразвуковым диапазоном частот (20-50 кГц).

3) Прижимные зонды с частотным диапазоном (50-500 кГц) для исследования сухих скважин и пород, скорости в которых меньше скорости в буровом растворе.

4) Акустические профилемеры и каверномеры с рабочими частотами (100-150 кГц).

5) Скважинные акустические телевизоры с частотой 1-2 МГц.

Способы регистрации акустических сигналов

В современных типах аппаратуры АК упругие колебания, принятые приемником, усиливаются в скважинном приборе и передаются на поверхность. В наземной аппаратуре применяются следующие способы регистрации а кустических сигналов:

1) Фотографирование волновых картин.

Осуществляется с помощью регистратора, который представляет собой электронно-лучевую трубку, на которой высвечиваются изображения сигналов от всех приемников зонда, шкала времени, номер кадра и показания счетчика глубин. Фотографирование экрана ЭЛТ ведется на кинопленку шириной 35 мм. Такой способ регистрации ультразвуковых колебаний дает наиболее полное представление о динамике изменения сигналов по стволу скважины. Однако излучаемые осциллограммы требуют кропотливой и внимательной обработки, что не всегда возможно в производственных условиях.

2) Аналоговая запись диаграмм времен и амплитуд.

Применяется во всех типах серийной аппаратуры АК. При этом могут одновременно регистрироваться 6 параметров продольной волны

(при 2-х приемниках): t₁. t₂, Dt, А₁, A₂, a. Кривые t₁ и t₂ являются контрольными и служат для проверки качества записи Dt. Амплитуды А₁ и А₂ несут практически одну и ту же информацию, поэтому при интерпретации АК используют как правило 3 кривые: Dt, A₁ (или A₂) и a.

Метод наиболее распространен в практике исследований, однако здесь возможны частичные потери информации о динамике распространения упругих волн в породе, так, слабые первые вступления сигналов могут быть пропущены автоматическим устройством и за первую может быть принята вторая фаза сигнала. Это приведет к завышению интервальной скорости, так как Dt возрастает с увеличением t₂.

3) Фазокорелляционные диаграммы (ФКД).

Получают следующим образом. На экране ЭЛТ высвечивают только вершины положительных фаз колебаний, регистрируемых каждым приемником в виде точек. Причем, яркость точки пропорциональна амплитуде данной фазы сигнала. В результате волновая картина каждого приемника превращается в самостоятельные ряды, расположенных на прямой точек разной яркости, расстояние до которых от нулевой метки пропорционально времени прихода соответствующей фазы волны к приемнику. На осциллоскоп подаются и марки времени. Изображение с экрана ЭЛТ фотографируется на ленту, перемещаемую пропорционально скорости движения скважинного прибора. Однако такая регистрация не позволяет количественно оценивать амплитуды упругих колебаний (A₁ и А₂) и их ослабление a.