Акустичні дослідження

Акустичні методи дослідження розрізів свердловин базуються на вивченні пружних властивостей гірських порід за даними розповсюдження в них пружних коливань. В акустичних методах використовуються пружні хвилі різних частот (f): інфразвукові, з частотою меншою 16 МГц; звукові, з діапазоном частот від 16 до 2*10⁴ Гц та ультразвукові з частотами більшими 2*10⁴Гц.

Незважаючи на те, що високочастотні коливання швидко затухають з віддаллю і область їх застосування обмежена, підвищення частот збільшує інформативність акустичних досліджень.

При детальних акустичних дослідженнях розрізів свердловин застосовують низькочастотний, широкополосний акустичний метод, частота (f=5:20 КГц), ультразвуковий – f=10:75 КГц з перевагою ультразвукових частот, метод акустичного телебачення – f=12 МГц. Інші акустичні дослідження в свердловинах базуються на реєстрації пружних хвиль в гірських породах і об’єднуються під назвою сейсмометрії свердловин.

Акустичні методи можна поділити на пасивні та активні.

Пасивні методи вивчають коливання, створені різними природніми (технологічними) причинами, сюда можна віднести методи, які находяться в стадії випробування: а) метод виділення нафтогазовіддаючих інтервалів (шумометрія) поступлення газу, нафти в устя свердловини; б)метод вивчення шумів при бурінні з метою визначення характеру порід, які розбурюються.

Активні методи (методи штучних акустичних полів) вивчають розповсюдження хвиль від випромінювача, розміщеного в свердловинному приладі: а) модифікація по вивченню часу приходу (швидкості розповсюдження) поздовжніх ультразвукових коливань; б) модифікація вивчення амплітуди коливань коефіцієнта затухання .

Фізичні основи методу

У однорідному ізотропному середовищі можуть виникати та розповсюджуватися поздовжні (Р) та поперечні (S) хвилі.

У поздовжній хвилі (Р) частинки середовища рухаються в напрямку розповсюдження хвилі (Рис. 1.2). Так плоска хвиля розповсюджується в напрямку осі Х і представляє собою чергування зон, які стиснуті та розтягнуті перпендикулярно до осі Х. Ці зони розповсюджуються з швидкістю V_р – швидкість хвилі. Процес послідовного розповсюдження деформації називається пружною хвилею. Геометричне місце точок простору, де пружні коливання середовища здійснюються синфазно (в одній фазі) називається фронтом хвилі.

Рисунок 1.2

У хвилі (S) частинки рухаються в напрямку, перпендикулярному до розповсюдження хвилі, а в просторі спостерігається чергування полос з зворотним напрямком руху частинок. При цьому (на відміну від Р) здійснюється не зміна об’єму елементарних частинок, а тільки деформація їх форми. Поперечні хвилі виникають і розповсюджуються тільки в твердих тілах.

Швидкість розповсюдження хвиль залежить від густини та пружних властивостей середовища (модуль Юнга, коефіцієнт Пуасона, коефіцієнт зсуву). Значення швидкостей поздовжніх хвиль V_р для деяких мінералів і гірських порід приведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Середовище	Vр м/с	t мкс/м	р
Вода	1500-1700	600-660
Кварц	6050	166	0,2-0,3
Кальцит	6320	158	0,2-0,3
Доломіт	7020	143	0,2-0,3
Нафта	1300-1400
Повітря	300-500
Пісковик незцементований	2600-40000	250-500	0,7-2,3
Пісковик зцементований	3300-5500	180-300	0,2-0,3
Вапняк	3800-6000	167-263	0,3-0,7
Польовий шпат		170
Слюда		178
Гіпс		172

Швидкість розповсюдження поперечних хвиль V_s в 1,5-2 рази нижча, ніж швидкість V_р (середнє значення V_р/ V_s=1,75.

Швидкість розповсюдження поперечної хвилі

(1. 1)

де G – модуль зсуву; – густина порід;  – це коефіцієнт Пуасона; Е – модуль Юнга, дорівнює відношенню прикладеної напруги Р до визваного відносного видовження l зразка.

Коефіцієнт Пуасона  – є коефіцієнт пропорційності між відносним поперечним скороченням l_с даного пружного тіла і його відносним видовженням l_с/l. Інтервальний час приходу поздовжньої хвилі рівний: – формула рівняння середнього часу. Рівняння це наближене, розраховане для ізотропного середовища, тому величини t i t_пл часто не співпадають з дійсними значеннями інтервального часу для мінералів, які виповнюють породу.

Це пояснюється тим, що швидкість хвилі залежить не тільки від мінерального складу породи і її насичення, але і від літологічних особливостей реальних порід, їх глинистості, степені зцементованості та інших факторів. Характер рідини, яка насичує породу, помітно впливає на швидкість хвиль тільки для рихлих порід, що залягають на невеликій глибині, тобто при малих ефективних динамічних напругах. Швидкість хвиль в газоносних пластах менша ніж в нафтоносних, а в нафтоносних менша, ніж у водоносних.

З глибиною та зміною степеня цементації породи різниця швидкостей хвиль у пластах з різною насиченістю зменшується. Із збільшенням відстані від випромінювача до приймача, енергія хвиль і амплітуда коливань зменшується внаслідок їх розходження, а також внаслідок процесів поглинання енергії хвилі. Зменшення енергії Е та амплітуди А проходить по експотенціальному закону:

, (1.2)

де r – відстань від випромінювача до точки спостереження;  – амплітудний коефіцієнт поглинання (затухання). Коефіцієнт затухання збільшується з ростом коефіцієнта пористості гірських порід, з ростом глинистості і особливо тріщиноватості. Коефіцієнт поглинання Р_хвиль (_р) в газоносних, нафтоносних та водоносних породах різний, як повеличині так і по фізичному змісту.ї

У установок, які дозволяють вимірювати акустичні параметри та акустичні властивості гірських порід, найпростіший двоелементний зонд.

Рисунок 1.3

Д ля зменшення впливу свердловини і перекосу приладу, на результати акустичних досліджень в свердловині використовують три та чотири-елементні установки. З метою вивчення акустичних властивостей гірських порід ультразвуковим методом необхідно збудити в свердловині пружні коливання частотою 10-75 КГц і спостерігати за їх розповсюдженням. Самий простий свердловинний прилад складається із одного випромінювача В і одного приймача П, які розділені між собою акустичним поглиначем (Рис. 1.3). Відстань L між випромінюючим і прийомним елементом називається базою вимірювання. Ця відстань є довжиною двоелементного зонда. Хвильовий опір – добуток швидкості розповсюдження хвилі на густину середовища. Обмінна поперечна хвиля Р₁S₂ розповсюджується в породі повільніше, ніж поздовжня Р₁₂ приблизно в 1,73 рази, але швидше ніж в рідині. – в цьому випадку фронт проходячої поздовжньої хвилі, що проходить, Р₁₂ стає перпендикулярним до границі свердловина пласт і хвиля Р₁₂ розповсюджується вздовж VР_п границі, тобто хвиля ще більше обганяє пряму Р₁ і відбиту (Рис. 1.4). Рух хвилі викликає в рідині нову хвилю Р_|2|, яка називається головною при достатньо великій відстані між випромінювачем – і приймачем – перша приходить до приймача.

Рисунок 1.4

Таким чином, від випромінювача до приймача розповсюджуються три типи хвиль: а)головна поздовжня Р_|2|, головна поперечна Р₁S₁ і пряма поздовжня Р₁ з відповідним співвідношенням швидкості VР_п>VS_п>VP_р. Відбита хвиля Р_|| як правило, не спостерігається в силу великих кутів падіння 90⁰ і малої енергії. Трьохелектродний зонд – два приймача, один випромінювач. Базою називається відстань між приймачами. Довжина зонда – відстань від випромінювача до дальнього приймача. Глибина дослідження визначається базою зонда, частотою пружних хвиль в породах, свердловинними умовами. З підвищенням частоти пружних коливань глибина досліджень зменшується. В середовищах з додатнім градієнтом хвильового опору по радіусу від стінки свердловини глибинність методу збільшується. При реєстрації кінематичних характеристик глибинність методу не перевищує 0,3 м. Глибинність досліджень по динамічних параметрах в 2 рази більша ніж кінематична.