ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

До сих пор идет спор о расшифровке той части волнового пакета АК, которая следует буквально после первого колебания поперечной S-волны, так как скорости поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки скважины, только не намного меньше скорости поперечной волны или стремятся к ней. Одни авторы утверждают, что поверхностная волна, распространяющаяся вдоль цилиндрической границы, носит множество названий: Лэмба (L), гидроволна, Лэмба–Стоунли. Другие утверждают, что волны Лэмба и Стоунли (St) имеют совершенно разную физическую основу (нормальная продольная волна в ограниченном пространстве и поверхностная волна соответственно).

Параметры ( T и Alpha) продольной P- и поперечной S-волн применяют для изучения разрезов скважин (пористости, литологии и физико-механических свойств).

Параметры волны Стоунли ( T и Alpha) применяют для выделения проницаемых разностей пород.

На измерениях времен (Т) и амплитуд (А) отраженной продольной волны основано сканирование стенок скважины в открытых и обсаженных скважинах.

Оценку качества цементирования обсадных колонн выполняют с использованием параметров T, А, Alpha, а также на качественном уровне можно применять параметры энергии Eng и волны Лэмба.

Акустический каротаж основан на возбуждении в жидкости, заполняющей скважину, импульса упругих колебаний и регистрации волн, прошедших через горные породы, на заданном расстоянии от излучателя в одной или нескольких точках на оси скважины.

При воздействии на элементарный объем породы с помощью звуковой или ультразвуковой волны происходит деформация частиц породы и их перемещение. Возникают два типа деформации: деформация объема (растяжение, сжатие) и деформация формы (сдвига). Во всех направлениях от точки приложения возбуждающей силы изменяется первоначальное состояние сре-

81

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

ды. Процесс последовательного распространения деформации называется упругой волной.

Продольные волны связаны с объемной деформацией среды. Поэтому они могут распространяться как в твердых телах, так и в жидких или газообразных средах.

Поперечные волны могут возникать только в такой среде, которая обладает упругостью формы, т.е. способна сопротивляться деформации сдвига. Этимсвойством обладают лишьтвердыетела.

Распространение продольной волны представляет собой перемещение зон сжатия и растяжения, при котором частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения в направлении, совпадающем с направлением распространения волны.

Распространение поперечной волны представляет собой перемещение зоны скольжения слоев среды относительно друг друга; частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны.

Скорость упругой волны зависит от упругих свойств среды и типа волны. Скорости распространения продольных Vp- и поперечных Vs-волн различны, приближенно можно счи-

тать, что Vp/Vs = (1,4÷1,75).

Важной характеристикой бурового раствора и пласта является волновое сопротивление (акустический импеданс – Z), которое характеризует степень жесткости пласта (т.е. способность среды сопротивляться образованию деформации, и рассчитывается как произведение плотности δ на скорость распространения в ней продольных волн Vр).

Волновое сопротивление определяет условия отражения и преломления волн на границе сред. При достижении упругой волной границы раздела двух сред с различными упругими свойствами часть энергии волны отражается – образуется отраженная волна, а часть проходит через границу – прохо-

дящая волна.

82

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Если волновые сопротивления сред равны, то волна проходит границу без отражения.

На рис. 1.32 и 1.33 приведены примеры распространения упругих волн в открытом стволе и в обсаженной скважине.

Волна, проходящая через границу раздела, изменяет свое направление – луч преломляется. Из законов геометрической оптики следует, что в момент времени (t0) от излучателя (И) поступает импульс упругих колебаний и начинает распространяться падающая из первой среды продольная волна. В момент (t1) фронт волныдостигает стенки скважины (или стенки колонны), т.е. границу

Рис. 1.32. Пример распространения упругих волн в открытом стволе и в скважине, обсаженной колонной

83

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Рис. 1.33. Пример записи АК в зацементированной и в свободной колонне

раздела двух сред с различными упругими свойствами, что вызывает возникновение вторичных волн – отраженной (Р11) и проходящей продольной (Р12) и поперечной (на рисунке S-волна не показана) волн.

Фронт проходящей волны (начиная с некоторого критического угла падения (i), зависящего от волновых сопротивлений промывочной жидкости и породы) начинает скользить вдоль границы раздела, возбуждая новую волну, которая и регистрируется приемниками.

84

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Таким образом, в течение некоторого времени (t) от источника импульса до приемника по следующему пути: датчик импульсов – промывочная жидкость – порода – промывочная жидкость – приемник – приходят продольная (Р) и поперечная (S) волны, а затем, другие – Лэмба (L) или Стоунли (St) и т.д.

Распространение упругих волн является периодическим процессом. Основные характеристики этого процесса следующие:

–период Т – время повторения цикла колебания (промежуток времени, между фазами одного знака, измеряется в мкс);

–амплитуда А – размах колебаний; отклонение колеблющейся частицы от положения равновесия;

–фазаφ– мгновенноесостояниеколеблющейсячастицытела.

Производные от этих величин – частота f и длина волны λ – являются важными характеристиками распространения колебаний волны, влияющими на выполнение решения геологических задач как в открытом стволе, так и в обсаженных скважинах.

Частота f = 1/Т – величина, обратная периоду колебаний, измеряется числом колебаний в секунду и выражается в герцах (Гц). Чем больше период колебаний, тем меньше частота колебаний и наоборот – чем меньше период, тем больше частота.

Различают звуковую частоту, которую способно воспринять человеческое ухо (от 16 до 20 000 Гц), очень низкую частоту – меньше 16 Гц (инфразвук) и очень высокую – больше 20 кГц (ультразвук).

Длина волны λ = VТ = V/f – расстояние, на которое распространяется волна в течение одного периода. Как видно из формулы, чем больше период (меньше частота), тем больше длина упругой волны и наоборот.

Так, для карбонатных пород со скоростью 6000 м/с и частотой 15 000 Гц длина волны будет 0,4 м, а при снижении часто-

ты до 10 000 Гц – 0,6 м.

Производной длины волны является радиус исследования скважины равный 1,5 λ (для карбонатных пород с частотой

15000 Гц – R = 0,6 м, при f = 10000 R = 0,9 м).

85

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

При рассмотрении радиуса исследования учитывается также мощность источника и длиназонда.

Акустический каротаж на отраженных волнах основан на излучении и приеме отраженных волн от породы или колонны одним источником.

Амплитуда акустического импульса уменьшается при прохождении его через среду.

При прохождении границы двух сред часть энергии сигнала отражается, а часть проходит в следующую среду.

Акустический телевизор (АК-сканер) предназначен для растрового отображения стенки скважины или обсадной колонны по интенсивности отраженных от нее высокочастотных упругих импульсов (уменьшение амплитуды отраженного сигнала). Измеряемые величины – это время (Т) и амплитуда (А) (интенсивность) отраженной волны.

Основное назначение АК на отраженных волнах:

–в открытых скважинах – детальное изучение анизотропных слоистых и трещиновато-кавернозных пород;

–в обсаженных скважинах: а) определение положения муфт, дефектов колонны, выходящих на ее внутреннюю поверхность, перфорационных отверстий; б) выделение вертикальных каналов и зазоров в цементном камне, заполняющем затрубноепространство.

Исторически сложилось разделение приборов АК, предназначенных для изучения геологических разрезов и технического состояния обсадных колонн, на группы, основной определяющей характеристикой которых служит их назначение (для исследований открытых или обсаженных скважин) или сложность конструкции измерительных зондов.

Измерительная установка акустического каротажа состоит из одного или нескольких излучателей упругих колебаний и одного или нескольких приемников, преобразующих упругие колебания в электрические каналы. Наиболее широкое применение

впрактике ГИС получили трехэлементные зонды (10–20 кГц), включающие излучатель и два приемника.

86

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Для ГИС акустическим каротажем имеются следующие приборы: МАК-2, МАК-4, АКШ-42, ЗАС-ТШ-36, АВАК-11, ВАД-М12, МАК-СК, САС-П-60, САТ-2М. Некоторые типы приборов приведены на рис. 1.34.

Рис. 1.34. Типы аппаратуры АК

Расстояние между приемниками (база S) характеризует разрешающую способность зонда. Чем меньше база, тем более тонкие слои могут быть выделены на диаграмме АК. База зонда достигает 0,25–0,5 м. Середина базызондаявляетсяточкой записи.

Очень важным является выбор длины зонда (L). Минимальная длина зонда определяется необходимостью регистрации первых вступлений продольной волны, проходящей по неизменной части породы, а не по нарушенной ближней зоне пласта и по жидкости. Это достигается выполнением следующего условия:

87

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

где r – расстояние от рабочей поверхности элемента зонда до внешней границы зоны разрушения (радиус зоны разрушения примерно 0,5 м); Vп и Vp – скорости распространения упругих волн в породе и зоне разрушения соответственно (например, Vп = 6000:2000 м/с, Vp = 1600 м/с в зоне разрушения и промывочной жидкости, тогда длина зонда при этих условиях примерно 1,25 м). В низкоскоростных породах (Vп < 2000 м/с) будет влияние зоны разрушения.

В стандартной аппаратуре МАК-2 длина зонда составля-

ет 1,25 м.

Между излучателем (И) и ближайшим приемником (П) устанавливается акустический изолятор, состоящий из звукопоглощающего материала. Этим исключается возможность поступления упругой волны по скважинному прибору.

Излучатель колебаний состоит из магнитострикционного (это ферромагнитное вещество, изменяющее форму и размеры под действием переменного магнитного поля) вибратора (сердечник из никеля или другого сплава), на который наложена обмотка. Расширение сплава при намагничивании электрическим током, подаваемым через обмотки, создает импульсы упругих колебаний.

В приемнике используется пьезоэлектрический эффект (возникновение электрических зарядов на гранях кристаллов под воздействием механических деформаций) цирконата титаната свинца (ЦТС-19). При каждом импульсе по жилам кабеля на поверхность подается электрический сигнал от излучателя и сигнал с выхода усилителя (усилитель размещен в глубинном приборе и к нему подключен приемник).

Время между импульсом и первым вступлением преобразуется в электрическое напряжение, пропорциональное осредненному за несколько импульсов времени пробега упругой волны между приемниками. Напряжение с выхода схемы поступает на регистрирующий прибор, записывающий волновые картины акустического каротажа.

88

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

В процессе регистрации волновых картин выделяются следующие параметры:

–TP1 (время пробега волны от излучателя до ближнего приемника (время первого вступления продольной волны 1-го зонда), затем TS1, TSt1;

–TР2 время пробега волны от излучателя до дальнего приемника (время первого вступления продольной волны 2-го зонда), затем TS1, TSt1;

–AР1 амплитуда первого вступления волны от излучателя до ближнего приемника; затем AS1, ASt1;

–AР2 амплитуда первого вступления волны от излучателя до дальнего приемника, затем AS2, ASt2.

На основе этих данных рассчитываются:

–T – интервальное время пробега (продольной, поперечной, Стоунли волн):

T = (Т2 – Т1) /S; время (Т2 – Т1), отнесенное к измерительной базе зонда S, называют интервальным временем T (измеряется в мкс/м).

В каждое из времен Т1 и Т2 входит двойное время пробега волны по раствору. В разности (Т2 – Т1) это время исключается (то есть исключается влияние скважины) и (Т2 – Т1) соответствует пробегу волны в интервале между приемниками (база зонда S) по прямой.

Alpha – кажущийся коэффициент поглощения (продольной, поперечной, Стоунли волн): Alpha = 20 (1/S) lg (A1/A2).

Отдельную группу составляют приборы, предназначенные для решения практически всех задач, доступных АК, в любых геолого-технических условиях. Они оснащены многоэлементными измерительными зондами с монопольными и дипольными преобразователями, охватывают широкий для АК диапазон частот (1–30 кГц) и обеспечивают измерение параметров информативных Р-, S- и St-волн без влияния интерференции этих волн между собой и с другими волнами-помехами.

Примером может служить аппаратура АВАК-11, включающая в себя 5 измерительных зондов разной частоты:

89

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

–тенор – f = 20 кГц, зонд И1.5П0.5П (для целей цементометрии и Р-волны в открытом стволе, S-волны в высокоскоростном разрезе);

–баритон – f = 8 кГц, зонд И2.0П0.5П (для Р-волны по по-

роде в колонне и в открытом стволе, для S-волны. Измерения параметров P- и S-волн позволяют вычислять упругодеформационные свойства пород);

–бас – f = 2,5 кГц, зонд И2.0П0.5П (для измерения параметров волны Стоунли St с целью выделения проницаемых пород);

–дипольные зонды Х и У расположены в одном поперечном сечении и ортогональны друг другу – f = 4 кГц, зонд

И1.7П0.5П (для измерения параметров поперечной S-волны, в любых геологических условиях (включая низкоскоростной разрез V ≤ 1500 м/ч), за исключением каверн большого размера. Измерения дипольными зондами позволяют вычислить акустическую анизотропию пород, которая связана с трещиноватостью и механическими напряжениями (максимум напряжения сжатия пород на больших глубинах направлен обычно вертикально, а минимум – в горизонтальной плоскости).

На рис. 1.35 приведены фазокорреляционные диаграммы (ФКД) измерительных зондов разной частоты и длины, записанные аппаратурой АВАК-11.

Рис. 1.35. Пример записи волнового сигнала аппаратурой АВАК-11

90