Акустический каротаж
Акустический каротаж (АК) основан на изучении полей упругих волн в скважинах и заключается в измерении скорости распространения упругих волн ультразвуковой (УЗ) частоты и их затухания.
Как известно, скорость распространения упругих волн в различных горных породах не одинакова. Для примера в табл. 16.2 приведены скорости продольных волн в различных средах.
Таблица 16.2. Скорость распространения продольных волн в различных средах
Среда |
|
Глина |
1,2-2,5 |
Песчаник плотный |
З-6 |
Известняк |
3-7,1 |
Каменная соль |
4,5-5,5 |
Кристаллические породы |
4,5-6,5 |
Цемент |
3,5 |
Сталь |
5,2 |
Воздух |
0,33 |
Нефть |
1,3-1,4 |
Вода |
1,5 |
Буровой раствор |
1,5-1,7 |
Для АК обычно используются так называемые "трехэлементные" зонды, содержащие два излучателя и один приемник упругих волн или, наоборот, два приемника и один излучатель. Излучатели, как правило, магнитострикционного типа, приемники - пьезоэлектрического.
Работу аппаратуры АК рассмотрим на примере зонда с двумя излучателями и одним приемником ГЩИг (рис. 16.10).
Излучатели периодически посылают пакеты из 3-4 периодов УЗ колебаний с частотой 10-75 кГц с колоколообразной формой огибающей. Частота посылки самих пакетов— 12,5-25,0 Гц.
Упругие импульсы от источников, пройдя через буровой раствор, возбуждают колебания в стенках скважины. Упругие колебания, попадающие на стенку скважины под углом полного внутреннего отражения, возбуждают в ней скользящую преломленную волну, которая, распространяясь со скоростью, присущей данной горной породе, достигает приемника.
Путь
волны от источника Hi до приемника П
составит И1O1ОП,
а время пробега
. Путь волны от источника И2
–И2О2О1П,
время пробега -
.
Интервал времени между первыми
вступлениями волны от первого и второго
источников Δτ составит
.
Как
следует из рис. 16.10, расстояние О2О1 равно
расстоянию между обоими источниками
ЛЬ, называемому базой зонда. За точку
записи принимают середину базы. Отсюда
скорость распространения упругих волн:
(16.3)
Обратное
отношение
называется интервальным временем.
Амплитуды колебаний от обоих
источников одинаковы, поэтому отношение
амплитуд А1 и А2,
зарегистрированных
приемником, характеризует затухание
упругих волн на участке ΔL. Коэффициент
затухания
Затухание упругих волн зависит от состава горных пород, пористости и состава флюида в порах (в газе затухание больше, чем в жидкости), а скорость их распространения - от состава и пористости.
Связь
между пористостью К„ и скоростью
распространения oписывается
так называемым "уравнением среднего
времени":
(16.5)
где Vж- скорость упругих волн в жидкости, заполняющей поры породы; Vск- скорость упругих волн в минеральном скелете.
Уж
и VCK определяют по результатам лабораторных
измерений или берут из справочников;
V— определяют по данным АК. Из этого
уравнения можно найти пористость:
Кроме пористости и характера насыщения, по АК может быть определено положение контактов и мощность пластов, отличающихся по своим акустическим свойствам.
Для пластов большой мощности (h>ΔL) она определяется по правилу полумаксимума, для тонких - мощность, найденная по правилу полумаксимума, больше истинной на размер базы зонда. В обоих случаях при равенстве акустических свойств подстилающих и перекрывающих пород аномалии V симметричны относительно середины пласта, но в первом случае Vmax = Vm, а во втором Vmax < Vm (рис. 16.11, а и б).
Рис. 16.11. Кривые акустического каротажа над пластами большой и малой мощности, отличающимися повышенной скоростью распространения упругих волн
Область применения метода АК - главным образом, месторождения нефти и газа, в последнее время метод начинает применяться и на рудных, и на угольных месторождениях.
Решаемые задачи: литологическое расчленение разрезов, определение пористости и характера насыщения пор, определение положения водонефтяного контакта (ВНК) и газо-жидкостных контактов (ГЖК), цементометрия скважин; на рудных месторождениях - изучение геолого-технических условий.
Кроме ультразвукового метода, описанного выше, при исследовании скважин находят применение низкочастотный широкополосный акустический метод (НШАМ), в котором изучается акустическое поле в диапазоне частот от 5 до 20 кГц; интегральный акустический метод и вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП), при которых источник колебаний устанавливается на поверхности, а приемники в скважине; метод акустического прозвучивания (МАП), при котором источник и приемник упругих волн устанавливаются в разных скважинах, и некоторые др.