№ 31. Акустические методы исследования скважины. Физические основы методов. Распространение упругих волн в скважине.

Основаны на изучении полей упругих колебаний в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот. Можно подразделить на методы естественных и искусственных акустических полей.

Методы естественных полей изучают колебания, создаваемые различными естественными (технологическими) причинами. Сюда относятся: а) метод выделения газоотдающих интервалов в скважинах путем регистрации шумов, возникающих при поступлении газа или нефти в ствол скважины (шумометрия); б) методы изучения шумов при бурении с целью определения характера проходимых пород по спектру колебания инструмента; в) метод определения горизонтальной проекции текущего забоя на земную поверхность путем установления точки с максимумом мощности колебаний на поверхности земли.

Основное применение получили методы искусственных акустических полей, в которых изучают распространение волн от излучателя, расположенного в скважинном приборе. Существуют две основные технологии метода: а) основанная на изучении времени прихода; б) основанная на изучении затухания амплитуды колебаний.

Физические основы акустического метода. В среде могут возникать волны двух типов — продольные Р и поперечные S. Поперечные волны возникают и распространяются лишь в твердых телах. Скорости распространения волн зависят от плотности и упругих свойств среды (модулей Юнга и сдвига). Скорость V_S в 1,5 — 2 раза ниже V_P. Интервальное время Δt = 1/V_P.

Величины V_P и V_S для рыхлых горных пород существенно зависят от глубины залегания и от эффективного напряжения σ-р, т. е. разности горного σ и гидростатического р давлений. Скорость распространения волн в породе уменьшается, а интервальное время увеличивается с ростом коэффициента пористости k_П. Во многих случаях зависимость Δt от k_П близка к прямолинейной: Δt = Δt_ТВ(1 - k_П) + Δt_Жk_П = Δt_ТВ + k_П(Δt_Ж - Δt_ТВ) - уравнение среднего времени. Скорость волн зависит не только от минерального состава пород и их насыщения, но и от литологических особенностей пород, их глинистости, эффективного напряжения, степени сцементированности породы и других факторов.

При удалении от излучателя энергия волн и амплитуда колебаний уменьшаются вследствие расхождения, а также из-за процессов поглощения энергии, рассеяния на микронеоднородностях горной породы. Уменьшение энергии Е и амплитуды А плоской волны происходит по законам: A=A₀·e^-αr, E=E₀·e^-2αr.

При распространении волн в системе скважина-пласт закон ослабления имеет вид E=E₀·e^-2αr/rⁿ. Коэффициент затухания α увеличивается с ростом коэффициента пористости горных пород, с ростом их глинистости и особенно трещиноватости. α_РВ<α_РН<α_РГ, α_SВ<α_SН<α_SГ.

П ростейший двухэлементный зонд акустического метода содержит излучатель упругих колебаний И и приемник колебаний П. Расстояние L между ними называется длиной зонда. Для уменьшения влияния скважины и перекоса прибора в скважине применяют трех- и четырехэлементные зонды. Расстояние S между одноименными элементами трехэлементного зонда называют базой (определяет вертикальную разрешающую способность метода). Зонды обозначают последовательностью букв И и П (излучатель и приемник), между которыми проставляют расстояния в метрах. Для акустического метода, как и для электрического, справедлив принцип взаимности.

При проведении акустических исследований наблюдаются упругие волны: прямая гидроволна Р₀, отраженная волна Р₀Р₀, преломленные продольная P₀P₁P₀ и поперечная P₀S₁P₀ (0-среда – скважина, 1-среда - породы). Кроме того, могут наблюдаться поверхностные волны, распространяющиеся по стенке скважины, волны, отраженные от границ пластов, трещин и т. д. Преломленные волны — основной объект изучения. Они образуются, если угол падения волны на стенку скважины превышает некоторое критическое значение. Поэтому для наблюдения таких волн необходимо, чтобы длина зонда также превышала некоторое критическое значение. Проще всего определяются при AM время поступления и амплитуда волны (по ним судят о скорости и коэффициенте затухания волн в породе), приходящей к приемнику первой (первое вступление волн). Наибольшая скорость распространения - преломленная продольная волна P₀P₁P₀.

В обсаженной скважине волновая картина еще больше усложняется. В частности, дополнительно возникает волна сжатия (St – Лейнба-Стоунли), распространяющаяся по обсадной колонне. Ее амплитуда зависит от степени сцепления колонны с цементным камнем. Чем лучше сцепление, тем легче энергия волны рассеивается в окружающую среду и тем ниже амплитуда колонной волны. Это явление используют в акустических приборах для определения качества цементирования.

Измерение времен и амплитуд отраженных волн позволяет исследовать внутреннюю поверхность обсадной колонны (положение муфт, перфорационных отверстий, дефектов колонны). Аппаратура акустического каротажа на отраженных волнах («акустический телевизор», АК-сканер) позволяет получать растровое отображение стенки скважины или обсадной колонны по интенсивности отраженных высокочастотных упругих импульсов.