2.2 Физические основы метода.

Метод акустического каротажа в настоящее время широко используется в различных областях геофизических исследований. Он позволяет изучать гео­логический разрез и исследовать физические процессы, протекающие в пласте, цементном камне и стволе скважины.

Сущность акустического каротажа сводится к возбуждению в скважине упругих колебаний, которые распространяются по горным породам и принимают­ся одним или более приемниками, расположенными в той же скважине. Зная рас­стояние между приемниками (базу), по времени прихода первых вступлений опре­деляют скорость распространения упругих колебаний. Конструктивно излучатель и приемники объединены в одном скважинном приборе, перемещаемом по скважи­не. Обычно упругие колебания звукового или ультразвукового диапазона частот возбуждаются в виде импульсов конечной длительности, частота следования ко­торых связана со скоростью перемещения прибора. Суммируя данные о скоростях в отдельных точках, получают скоростной разрез вдоль всей скважины.

Обычно акустические исследования проводятся в широком диапазоне со­отношений между длиной излучаемой источником волны в жидкости 1 и радиусом скважины Кс. В зависимости от типа источника и соотношения между скоростями распространения волн 6 жидкости УРО (гидроволна или прямая продольная волна У и окружающей породе УР1 (продольная волна V и У51 (поперечная волна 5У б системе скважина -порода возникает большое число различных типов объемных и поверхностных волн.

Однако, из множества волн, которые могут распространяться в скважине и околоскважинном пространстве в практике ГИС выделяют лишь несколько из них-'

а) Прямая гидроволна Р0 - в буровой жидкости, заполняющей скважину, упругая волна распространяется в пределах кольцевого зазора А К между стен­кой скважины и глубинным прибором. Если эту область рассматривать как столб жидкости с жесткими стенками, диаметр которого меньше длины волны, то в нем, как и в неограниченном пространстве, формируется продольная волна Р0 (прямая гидроволна).

Как правило, скорость распространения гидроволны составляет от 1500 до 1700м/с, а ее амплитуда и энергия зависят от величины кольцевого зазора между радиусами скважины и глубинного прибора.

б) Трубная волна - присуща только цилиндрической полости, заполненной жидкостью. Ее характеристики определяются упругими свойствами буровой жид­кости и пород, окружающих скважину. Большая часть энергии (до 80% всего волнового пакета), излучаемой монопольным источником акустических волн в радиальном направлении передается трубным волнам, распространяющимся по буровой жидкости вдоль ствола обсаженной скважины.

Частота трубной волны является самой низкой во всем волновом пакете и соответствует нулевым значениям крутильных и радиальных колебаний, воз­буждаемых импульсным источником в цилиндрической полости.

На амплитуду трубных волн влияет поглощение в среде и дисперсия. Это влияние малосущественно на низких частотах. Так как геометрического расхож­дения энергии по фронту трубной волны нет, она может распространяться вдоль оси скважины на большие расстояния.

Заметное влияние на скорость трубной волны оказывает ширина зазора между радиусами скважины и глубинного прибора, а также упругие свойства корпуса прибора и среды. В обсаженной скважине, в отличие от необсаженной, могут возникать трубные волны нескольких типов, распространяющиеся между прибором и обсадной колонной и между колонной и породой. Оказалось, что ди­намические параметры трубных волн весьма чувствительны к условиям на кон­такте цемент-порода. В случае жесткого или скользящего контакта цементно­го камня, как с обсадной колонной, так и с породой, на скорость распростране­ния трубной волны. Влияет плотность жидкости и модуль сдвига породы. На распространение трубных Волн оказывают Влияние как трещины в цементе, так и трещины в прилегающей породе.

в) Головные волны (продольная и поперечная) - являются основными вол­нами, использующимися при акустическом каротаже (АК). Они образуются в ре­зультате падения прямой гидроволны, генерируемой источником на стенку сква­жины под углом полного внутреннего отражения, дальнейшего ее распростране­ния по породе параллельно стволу скважины. В виде скользящей (продольной либо поперечной) волны и выходу ее в виде преломленной или дифрагированной волны в жидкость, где она и регистрируются приемником.

Волновое поле акустических колебаний существенно зависит от положе­ния источника и приемника относительно оси скважины. По мере приближения к оси скважины амплитуда продольной волны возрастает. Различное положение ис­точника и приемника относительно оси скважины приводит к разным зависимос­тям амплитуды как поперечной, так и продольной волны от расстояния.

Расчеты показывают, что амплитуды головных волн У3 и Р0530 за­метно падают с понижением частоты акустического поля. С ростом скорости распространения головной волны ее амплитуда также падает.

г) Волны Стоунли - состоит из слабо неоднородной волны в жидкости, амплитуды которой медленно убывают при удалении от границы, и двух (про­дольной и поперечной) сильно неоднородных волн в твердом теле. Скорость вол­ны Стоунли меньше скоростей как головных волн (продольной и поперечной), так и гидроволн.

Волна Стоунли играет важную роль при АК с монопольным источником.

д)Волны Лэмба - поверхностная волна, распространяющаяся в столбе жидкости вдоль цилиндрической границы скважины малого диаметра. Обсаженная скважина со свободной незацементированной колонной представляет собой упру­гий волновод со свободными границами, в котором распространяются продольные Волны.

В настоящее Время помимо кинематических параметров упругих волн, возбужденных в скважине, изучается и их динамика. По типу регистрируемых параметров и основным целям и назначению можно выделить три основные моди­фикации акустического каротажа

А) Непрерывный или точечный акустический каротаж - для детального изучения скоростных характеристик пород, вскрытых скважинами,

б) Акустический каротаж по затуханию упругих волн - для определения поглощения, зон трещиноватости и т.п.;

В) Акустический каротаж цементного кольца - для контроля техническо­го состояния скважин.

В практике промыслово-геофизических работ используются преимущест­венно две модификации акустического каротажа' по скорости и по затуханию. В первом случае регистрируется время А; за которое акустическая волна пробе­гает расстояние, разделяющее два приемника. Эта модификация широко исполь­зуется для определения пористости пород. Во второй модификации регистриру­ется изменение амплитуды Волны. Она используется для изучения связи (сцепле­ния) цемента с обсадной колонной и горной породой (цементомером).

Акустическая цементометрия (АКЦ) основана на измерении затухания продольной упругой волны, создаваемой источником с частотой излучения 20-30 кГц, распространяющихся в колонне, цементном камне и горных породах.

АКЦ применяют для установления высоты подъема цемента, определения степени заполнения трубного пространства цементом, количественной оценки сцепления цемента с обсадной колонной, качественной оценки сцепления цемен­та с горными породами, присутствие каверн, каналов и трещин в цементном камне, характеристику процесса формирования цементного камня во времени (путем сопоставления результатов временных замеров).

Параметры упругих волн, регистрируемые аппаратурой при излучении упругого импульса б обсаженной скважине вдоль оси скважины различного типа (рисунок 2). В общем случае при наличие контакта цементного камня с ко­лонной и горной породой волновые картины, воспринимаемые приемниками, пред­ставляют собой суперпозицию волны по обсадной колонне (1), продольной волны (2) по горной породе, поперечные волны (3) по горной породе, гидроволны {4} по промывочной жидкости, поверхностные волны (5) Лэмба-Стоунли. Акустические сигналы, воспринимаемые приемниками аппаратуры, преобразуются в электричес­кие информационные сигналы, усиливаются и передаются в наземную измери­тельную аппаратуру, которая производит измерение параметров этих сигналов и преобразует измеренные параметры в аналоговые напряжения, поступающие на каротажную регистрирующую систему.

По мере распространения упругого импульса от источника к приемнику происходит перераспределение его энергии и спектра излучения между обсадной колонной, цементным камнем и горной породой.

Исходный акустический импульс в зависимости от условий на границах контактирующих сред разделяется на упругие волны нескольких типов, среди которых наиболее информативными для изучения качества крепи скважины яв­ляются продольные волны по колонне и породе. При этом низкая интенсивность колебания волны по колонне указывает на наличие жесткого контакта цемент­ного камня с поверхностью колонны; высокая - на отсутствие сплошного кон­такта цементного кольца с колонной или отсутствия цементного камня в затрубном пространстве. Регистрация волн, приходящих со скоростью, равной или близкой к скорости в породе, указывает на отсутствие препятствий на пути ее распространения от источника к стенке скважины и обратно.

Рисунок 2 - Схема распространения упругих волн в обсаженной скважине.

Оценка качества крепления обсадных труб в скважинах с помощью АКЦ основана на высокой чувствительности акустических сигналов к жесткости контакта на границе между двумя средами и к разрывам механической целостности среды. Акустические измерения реализуются путем возбуждения в скважи­не упругого импульса и регистрации его отклика в одной или нескольких точ­ках наблюдения (приемниках), удаленных на заданное расстояние от источника. По мере распространения упругого импульса от источника к приемнику происхо­дит перераспределение его энергии и спектра излучения между контактирующи­ми средами, т.е. между колонной, цементным камнем и горной породой.