§ 18. Акустический каротаж по скорости
АК по скорости — акустический каротаж, основанный на изучении скорости распространения упругих волн в породах путем измерения интервала времени. На рис. 75, б дано схематическое изображение изломанного луча, по которому колебания от излучателя через породу приходят к приемникам (путь волны). При этом время пробега волны определяется по разности времен вступления в приемники П2 и П1 соответственно t2 и t1.
Часть пути от излучателя до приемника продольная волна проходит по промывочной жидкости и глинистой корке. Эти отрезки пути одинаковы для каждого приемника, что при вычитании времен вступления обеспечивает исключение влияния скважины при измерениях трехэлементным зондом. В связи с этим на показания акустического каротажа по скорости не оказывают влияние основные свойства промывочной жидкости (минерализация, плотность и др.), что является одним из важных преимуществ метода.
Таким образом, разность путей, проходимых волной от излучателя до первого и второго приемников в трехэлементном зонде, равняется длине отрезка П1П2, т. е. базе зонда S. Из этого следует, что скорость распространения упругой волны в однородном пласте, определяемая при АК (в м/с) и называемая пластовой,
Соответственно интервальное время — время распространения (в мкс/м) упругой волны в среде на расстояние 1 м
При АК зависимость скорости распространения упругих волн (или интервального времени Δt) от пористости породы представляет наибольший интерес.
Большинство осадочных горных пород дифференциально упругие, и скорости распространения в них упругих волн отличаются от скоростей, вычисляемых по (V.I) и (V.2). Экспериментальными исследованиями установлено, что в однородной породе с межзерновой пористостью при достаточно высоком эффективном давлении зависимость между интервальным временем пробега волн и пористостью пород может быть аппроксимирована линейной зависимостью, получившей название уравнения среднего времени.
где Δtж и Δtм — время распространения волны соответственно в поровой жидкости и минеральном скелете породы.
Выражения (V.6) и (V.7) справедливы для однородных неглинистых пород, обладающих межзерновой пористостью.
§ 19. Акустический каротаж по затуханию
Этот вид АК основан на изучении характеристик затухания упругих волн. Упругие колебания ультразвуковой частоты (десятки килогерц) при прохождении через горную породу заметно ослабляются (затухают). Поглощение упругих колебаний породой происходит вследствие необратимых процессов преобразования энергии колебаний в тепловую энергию, что приводит к уменьшению амплитуды принимаемых сигналов.
Затухание обусловлено в основном следующими причинами: поглощением вследствие неидеально упругой среды; распространением энергии во все больший объем среды в результате расширения фронта волны при ее движении; рассеянием и дифракцией волн на неоднородностях среды и вследствие многократных отражений и преломлений на границах сред с различными скоростями распространения колебаний. Этим объясняется сильное влияние на затухание упругих колебаний глинистости, трещиноватости, кавернозности пород и характера их насыщения. Амплитуда А упругих колебаний связана с расстоянием S, пройденным волной экспоненциально:
где А0 — амплитуда упругих колебаний вблизи источника возбуждения.
Коэффициент поглощения упругих волн схак характеризует интенсивность поглощения энергии волн в среде и определяется по формуле
где А1 и А2— амплитуды волн, регистрируемые приемниками П1 и П2, расположенными на расстоянии S друг от друга.
Размерность схак выражают в децибелах на 1 м или м-1, относя величину ослабления к единице длины. Перевод величины затухания, измеренной в дБ/м, в м-1 производится по формуле αАК[дБ/м]==8,68αАК[м-1].
Амплитуда колебаний продольной волны, воспринимаемая приемником, измеряется в условных единицах, например в милливольтах. В некоторых случаях пользуются относительной амплитудой колебаний — отношением амплитуды А регистрируемой волны к наибольшему значению амплитуды против опорного пласта Аоп. За опорный пласт принимают мощный пласт плотных пород с наибольшей амплитудой Аоп.
Ослабление и затухание упругих колебаний особенно сильно проявляется при ультразвуковой частоте 15—35 кГц, используемой в акустическом каротаже. Коэффициент поглощения в интервале ультразвуковых частот для различных пород изменяется в широких пределах (от 0,05 до 2,5 м-1). Особенно заметное снижение энергии упругих колебаний наблюдается с удалением от излучателя.
Поглощающие свойства пород связаны с литологией еще более тесно, чем скорость распространения упругих волн. Интенсивность поглощения породой упругих колебаний зависит также от состава флюида, заполняющего поровое пространство, что приводит к следующим соотношениям коэффициентов поглощения для водо-, нефте- и газонасыщенных пластов: αSвп>αSнп>αSгп и αРвп<αРнп<αРгп. В зависимости от насыщения пор разными флюидами показания α для пород с Kп = 20% могут различаться в несколько раз независимо от минерализации воды [5]. Наибольшее затухание претерпевают упругие волны в трещиноватых и кавернозных породах. В связи с этим акустический каротаж по затуханию весьма эффективен при изучении разреза скважин, вскрывающих карбонатные породы.
Основная помеха при применении акустического каротажа по затуханию — наличие акустического сопротивления на границах скважинный прибор — окружающая среда и промывочная жидкость — порода. Это сопротивление характеризуется сильной изменчивостью и оказывает значительное влияние на измерения, которое не поддается учету.
Для приема продольной головной волны в одинаковых условиях по всему разрезу глубинный прибор акустического каротажа необходимо строго центрировать в скважине или прижимать к ее стенке. При этом следует учитывать, что участки пластов, прилегающие к стенке скважины и включающие интервалы дробления и повышенной трещиноватости, на диаграммах АК отмечаются аномально низкой интервальной скоростью (высоким интервальным временем) и высоким затуханием колебаний. Такую же характеристику имеют и нефтегазоносные пласты.
Результаты сопоставления акустических разрезов соседних скважин в комплексе с другими геофизическими материалами дают дополнительные сведения для однозначного решения вопроса о природе коллекторов и характере их насыщения.
Одна из основных задач акустического каротажа — изучение связи между литологическими и акустическими свойствами пород для уточнения их коллекторских свойств и характера насыщения.