1.2. Принцип измерения

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. 1.2.1). Расстояние L между излуча­ющим и приемным элементами называется базой измерен 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 приемник ультразвуковых колеба­ний расположены на оси скважины с постоянным диаметром, пересекающей пласт неограниченной мощности и заполненной однородной промывочной жидкостью (см. рис. 1.2.1.). В этом случае наблюдается следующая картина распространения уп­ругих волн, испускаемых излучателем.

Рис.1.2.1. Схема распространения упругих волн от расположенного в скважине импульсного сферического излучателя.

τ₁, τ₂, …, τ_n+2 – моменты времени (изохроны волн)

Волны:

1 – прямая (падающая) Р₁;

2 – проходящая продольная Р₁₂;

3 – головная Р₁₂₁;

4 – отраженная (продольная) Р₁₁.

В некоторый момент времени τ=0 излучатель возбуждает в скважине импульс упругих колебаний. При возникновении уп­ругих колебаний от излучателя по промывочной жидкости на­чинает распространяться только прямая продольная волна Р₁ имеющая сферический фронт. Эта волна также известна, как волна Лэмба-Стоунли. Распространяется она вдоль стенки скважины (границы раздела жидкой и твёрдой сред) Эта волна в низкочастотном диапазоне (менее 3 кГц) часто называется трубной волной. Её скорость ниже, чем скорость распространения упругих колебаний в скважинной жидкости и зависит от свойств этой жидкости и сдвиговой упругости стенки скважины. Основная доля энергии этой волны распространяется в скважинной жидкости, но поскольку колебаниями захвачен также небольшой слой прискважинной зоны (1-4 см), то эта волна по своим свойствам близка к поверхностным волнам. Её скорость зависит от частоты, но значительно меньше, чем скорость псевдо-рэлеевских волн, а амплитуда зависит от упругих свойств жидкости и породы в прискважинной зоне.

Через некоторое время τ₁ волна Р₁ 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 Р₁₁. Волна Р₁₂ распространяется в породе со скоростью v_рп, превышающей скорость распространения ее в промывочной жидкости v_Рр. Обменная поперечная волна Р₁S₂ распространяется в породе с несколько меньшей (прибли­зительно в 1,73 раза) скоростью v_Sп чем v_Рп но обычно большей, чем в промывочной жидкости v_Рр.

С некоторого момента времени τ₂, когда фронт волны Р₁ образует со стенкой сква­жины критический угол i_p (sin i= v_Рр / v_Рп), фронт проходящей продольной волны P₁₂ ста­новится перпендикулярным к границе раздела скважина—пласт, и волна Р₁₂ начинает сколь­зить со скоростью v_Рп вдоль этой границы по принципу полного внутреннего отражения, т. е. луч проходящей волны направлен параллель­но оси скважины. В этом случае волна Р₁₂ еще больше обгоняет прямую P₁ и отражен­ную Р₁₁ волны.

При дальнейшем своем движении волна Р₁₂ вызывает в промывочной жидкости новую волну Р₁₂₁, называемую головной, которая распространяется со скоростью v_Рп 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 от излучателя до приемника происходит по пути скважина — порода — скважина, который изображен ломаным лучом Л (см. рис. 1.2.1).

Аналогично распространяется и обменная поперечная волна P₁S₂, вызывая в промывочной жидкости образование головной волны P₁S₂P₁ которая проходит в породе со скоростью v_Sп. Необходимо отметить, что головная волна P₁S₂P₁ 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:

1. головная продольная Р₁₂₁,

2. головная по­перечная P₁S₂P₁ ,

3. прямая продольная P₁

с соответствующим соотношением скоростей v_Рп > v_Sп > v_Рр. Отраженная волна Р₁₁ обычно не наблюдается вследствие больших углов падения (90°) и малой энергии. Но, если путь прохождения от излуча­теля до приемника одинаков для волн P₁₂₁ и P₁S₂P₁ , и равен сумме отрезков луча Л (см. рис. 1.2.1), то для прямой волны P₁ он равен только расстоянию L 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 L волны Р₁₂₁ и P₁S₂P₁ обгоняют волну Р₁, и продольная и по­перечная головные волны достигают приемника последова­тельно, а прямая волна приходит последней. В противном слу­чае волновая картина, зарегистрированная приемником, трудно­читаема.

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 трехэлементные зонды с одним из­лучателем (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

(1.2.1.)

и не требует корректировки.

Глубина 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.

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. 1.2.2). Частота посылки импульсов ультразвуковых колебаний излучателя определяется необходимостью peгистрации 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 па диаграмме в функции глубин.

Р ис. 1.2.2. График колебаний продольной волны (а) и волновая картина, полученная при записи упругих колебаний приемниками трехэлементного зонда (б).

I — запись ближним приемником;

II — запись дальним приемником;

III — марки времени (через 100 мкс).

1 — отметка импульса;

2 — первое вступление головной продольной волны;

3—поперечные 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