§ 4. Акустические методы каротажа

Поместим в скважину точечный источник упругих колебаний. Под дей­ствием источника частицы, слагающие окружающую его среду (ПЖ, горные породы), будут совершать колебания (то есть претерпевать деформации), которые будут последовательно^передаваться во все сто­роны от источника. Процесс распространения деформаций называется упругой волной. Первое отклонение частицы от положения покоя назы­вается вступлением волны.

Существует два типа волн: продольные и поперечные. Продольные волны вызываются деформацией объема, их распространение представ­ляет собой перемещение зон растяжения и сжатия. Частицы среды при

2. 2981 33 этом совершают колебания около своего первоначального положения вдоль линии, совпадающей с направлением движения волны. Попереч­ные волны связаны с деформацией формы (сдвигом). Частицы среды при этом совершают колебания-* около своего первоначального положения перпендикулярно к направлению распространения волны. Поперечные волны могут возникать только в твердых телах, так как жидкости и газы не оказывают сопротивления изменению формы. Поперечные волны распространяются, в 1,65—2,2 раза медленнее продольных.

Скорость распространения волн зависит от упругих свойств и плот­ности пород, их структуры, литологии, пористости, а также характера насыщающей их жидкости^-.

Энергию волны характеризует амплитуда упругих колебаний. По мере удаления от излучателя амплитуда волн уменьшается. Горные породы по разному ослабляют энергию волн. Амплитуды волн затуха­ют из-за рассеяния волн на неоднородных участках разреза и мнргократ- ных отражений на границах сред с различными скоростями распрост­ранения упругих колебаний. Этим объясняется сильное влияние на зату­хание упругих колебаний содержания в породе глинистого материала, наличия трещин, характер насыщения коллекторов.

Метод, предназначенный для изучения упругих свойств горных по­род, называется акустическим каротажем (АК). Измерение параметров упругих волн производится при помощи акустического зонда. Обяза­тельными элементами зонда являются излучатель и приемник упругих колебаний. Работа излучателя основана на магнитострикционном эф­фекте—свойстве некоторых ферромагнитных тел изменять форму и раз­меры под действием внешнего магнитного поля. Излучатель представля­ет собой катушку индуктивности, расположенную внутри полого цилин­дрического сердечника, собранного из тонких (0,1—0,2 мм) склеенных между собой кольцевых пластин из ферромагнитного материала. Через катушку пропускают импульсы электрического тока. Изменяющееся магнитное поле, создаваемое током, вызывает изменение размеров сер­дечника; колебания сердечника возбуждают в скважине и горных поро­дах упругие волны. Работа приемника упругих колебаний основана на явлении пьезоэффекта—свойстве некоторых диэлектрических матери­алов, называемых пьезоэлектриками, образовывать на своих краях элек­трические заряды при изменении размеров и формы. Приемник пред­ставляет собой кольцо из пьезоэлектрика. Под действием упругих волн начинают изменяться размеры кольца, в результате чего на его проти­воположных плоскостях возникают электрические заряды, амплитуда которых пропорциональна величине деформации.

По числу элементов различают двух-, и трех- и многоэлементные зонды. В некоторых типах аппаратуры АК применяется одноэлемент­ный зонд, в котором функции излучателя и приемника совмещены. Чаще всего применяется трехэлементный зонд, состоящий из двух излучателей И| и И₂ и одного приемника упругих колебаний П (рис. 15, а). Излуча­тели по очереди периодически возбуждают в породе колебания (по 3—4 периода) частотой 20—50 кГц. Акустические колебания, распространя- 34

Рис. 15. Схема измерений при АК: а—схема трехэлементного зонда АК; 6—волновые картины

ясь во все стороны по ПЖ (волны Р₀) достигают стенок скважины, где частично отражаясь, также распространяются во все стороны, образуя в горных породах продольные (Р|) и поперечные волны (Si). Вновь попадая в ПЖ колебания достигают приемника. На рис. 15, а стрелками показан путь, по которому волны быстрее всего достигнут приемника.

Принимаемые приемником сигналы АК (рис. 15,6) содержат неско­лько типов волн упругих колебаний. Первой к приемнику приходит волна Р Р Р . затем Р S Р . Кроме того, приемника достигнут волны,

0 10 0 I 0 «««л _ г-

распространяющиеся непосредственно по ПЖ и скважинному прибору, отраженные от стенок скважины и другие. При АК чаще всего изучают продольные волны. Сигналы от источника И достигают приемника за время Т, от источника #₂—за время 7\ Путь, пройденный волной P_fl одинаков для каждого источника. Это позволяет, вычисляя разность Т —Т, исключать влияние скважины на результаты измерений трехэле­ментным зондом. Разность путей, проходимых волнами от излучателей до приемника, равна расстоянию между излучателями, называемому базой зонда S. Скорость распространения упругих волн (в м / с), регист­рируемая при АК, равна и

у=5/(Г-Г).

Соответственно интервальное время (АТ)—время распространения (вмк/м) упругой волны—равно

AT— l/v_n = (7”₂—T_t)l S. 3*

Таким образом, Т₍, Т, АТ—временные характеристики горных по­род, регистрируемые при АК.

Амплитудные характеристики горных пород включают амплитуды упругих колебаний A_f, регистрируемые приемником зонда, и коэф­фициент поглощения упругих волн а, характеризующий интенсивность поглощения энергии волн в среде и определяемый по формуле

<x=ln (AJAJ/S.

Единицей измерения а является децибел на метр (дБ/м), или м~‘.

Применяется несколько способов регистрации акустических сигна­лов. Всеми типами аппаратуры регистрируются шесть параметров про­дольной волны: Г, Т_г, АТ, А , А и а (рис. 16,а). Кроме того, могут быть записаны фазокорреляционные диаграммы (ФКД), на которых после отметки момента возбуждения излучателей следует чередование линий, соответствующих положительным фазам колебаний, воспринимаемых приемником; кроме того, могут фотографироваться волновые картины. Пример регистрации ФКД с одновременной записью волновых картин показан на рис. 16,6.

Ч

6

ем меньше частота, тем больше длина и энергия упругих колебаний и меньше их затухание в окружающей среде. Метод АК, в основе

а

Рис. 16. Примеры представления результатов АК:

а—параметрические диаграммы; б—фазокорреляционные диаграммы с одновременной за­писью волновых картин

которого лежит изучение акустических полей частотой 5—20 кГц, назы­вают низкочастотным широкополосным акустическим каротажем. При проведении исследований этим видом АК помимо параметров продоль­ных регистрируются также и параметры поперечных волн, обладающих большей энергией, а следовательно и глубинностью.

Акустический каротаж применяется для расчленения и корреляции разрезов скважин, выделения коллекторов, определения характера насы­щения и пористости пород, положения ВНК и ГЖК. Низкочастотный широкополосный акустический каротаж благодаря большей глубинно­сти применяется также для изучения геологического разреза скважин, обсаженных колоннами.

На исследовании свойств волнового поля сейсмических колебаний основано вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП). Существует несколько способов проведения ВСП, различающихся системами наблю­дений или особенностями регистрации. К ВСП относят исследования, использующие измерительные системы, состоящие по крайней мере из двух элементов—источника возбуждения и приемника колебаний, один изг которых размещен в стволе скважины, другой—на земной поверхно­сти или в специально пробуренной неглубокой скважине (такие исследо­вания еще называют односкважинными наблюдениями) либо в другой глубокой скважине (межскважинные наблюдения).

Изучение вдоль скважины волнового процесса, возникающего в ре­зультате приложенного к скважине и горной породе искусственного упругого воздействия, обеспечивается перемещением любого из элемен­тов системы наблюдений.

Способы ВСП отличаются друг от друга системами наблюдений, типом возбуждаемых сигналов, их частотным диапазоном, взаимным расположением источников и приемников колебаний. Для возбуждения сейсмических сигналов используются как взрывные, так и невзрывные источники колебаний.

ВСП обеспечивает исследование горных пород на значительном расстоянии от ствола скважины, при этом на применение метода не накладывает ограничений изменение физических свойств пород в около- скважинном пространстве, наличие обсадной колонны или отсутствие раствора в скважине. ВСП применяют для изучения структуры и состава исследуемых участков пород и определения физической и геологической природы сейсмических волн.