Акустический каротаж

Акустический каротаж основан на изучении характеристик упругих волн ультразвукового и звукового диапазона в горных породах. При АК в скважине возбуждаются упругие колебания, которые распространяются в ней и в окружающих породах и воспринимаются приёмниками, расположенными в той же скважине. В настоящее время акустический метод исследования скважин находит всё более широкое распространение. Основным преимуще­ством этого метода является многообразие информации, получае­мой за одну спуско-подъемную операцию, что объясняется нали­чием в регистрируемом акустическом сигнале нескольких типов упругих волн (продольных, поперечных, Лэмбовских). Параметры этих волн несут независимую информацию о горных породах.По типу регистрируемых акустических параметров различают акустический каротаж по скорости и затуханию.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА

В естественном залегании горные породы практически являются упругими телами. Если в элементарном объеме некотороё упругоё среды в течении короткого промежутка времени действует внешняя возбуждающаяся сила, в среде возникают напряжения, вызывающее относительное перемещение частиц. Это ведёт к возникновению двух типов волн: деформации объема (растяжения, сжатия) и деформации формы (сдвига). Процесс последовательного распространения деформации называется упругой сейсмической волной. Уп­ругая волна, распространяясь во все стороны, захватывает все более удаленные области. Поверхность, отделяющая в данный мо­мент времени область среды, в которой уже возникло колебание частиц, от той, где колебания еще не наблюдаются, называется фронтом волны.

Линии, нормальные к волновым поверхностям, носят название лучей. В однородной среде лучи прямолинейны, а в неоднород­ной они имеют криволиней­ную форму. Распространение фронта волны изучается при помощи

Р S L-St

Пример разделения волн различных типов. P – продольные, S – поперечные,– семейство трубных волн Лэмба – Стоунли.

известного в геоме­трической сейсмике принципа Гюйгенса—Френеля, соглас­но которому каждая точка фронта рассматривается как источник элементарных волн, а поня­тие луча связывают с направлением переноса энергии волны. Раз­личают два типа волн — продольные Р и поперечные S.

Если упругая волна достигает границы раздела двух сред с раз­личными упругими свойствами, часть энергии волны отражается - образуется отраженная волна, а часть проходит через границу -проходящая волна (а).

Отраженная волна возникает в том случае, если волновое сопротивление (произведение плотности на скорость) у одной среды больше, чем у другой. Волна, проходящая через границу раздела, изменяет свое направление — луч преломляется. Из законов гео­метрической сейсмики следует, что:

sinα/sinβ=V₁/ V₂ (15.1)

При V₂< V₁ луч проходящей волны удаляется от границы раз­дела, при V₂ > V₁приближается к ней и, начиная с некоторого критического угла падения i, удовлетворяющего условию sin i = V₁/V₂ скользит вдоль границы раздела, а угол преломления β становится равным 90 °.

Начиная с критических точек, фронт проходящей волны двигается вдоль границы с постоянной скоростью υ₂, в то время как скорость движения фронта падающей волны по границе становится меньшей υ₂ и продолжает уменьшаться, стремясь, по мере увелечения угла падения, к значению истинной скорости в покрывающем слое, т. е. υ₁. Фронт падающей волны продолжает возбуждать от­раженную, но уже не вызывает проходящей волны. Наоборот, фронт проходящей волны, достигая последующих точек границы раньше, чем фронт падающей, порождает новую, так называемую прелом­ленную (головную) волну.

Рассмотрим распространение упругих волн в скважине от сфе­рического излучателя И, расположенного на оси скважины против пласта неограниченной мощности (6) В момент t = 0 от излучателя поступает импульс упругих колебаний и на­чинает распространяться падающая продольная волна Р₁, обладаю­щая сферическим фронтом. В момент t₁фронт такой волны дости­гает стенки скважины, что вызывает возникновение вторичных волн — отраженной Р₁₁, проходящих продольной Р₁₂ и поперечной Р₁S₂.

В точке А в момент t₂фронт падающей волны образует со стен­кой скважины критический угол i_Р, фронт проходящей волны скользит вдоль стенки скважины и обгоняет падающую волну Р₁ и отраженную Р₁₁, так как V_p2> V_p1. Проходящая волна Р₁₂, скользя вдоль границы раздела, ведет к образованию новой волны Р₁₂₁ — головной. Фронт этой волны имеет коническую по­верхность, наибольший диаметр которой совпадает с диаметром скважины, а ось — с осью скважины. Головные волны, регистри­руемые приемником, первыми проходят от источника импульса до приемника следующий путь: датчик импульсов — промывочная жидкость — порода — промывочная жидкость — приемник. Этот путь, сравнимый с путем головных (преломленных) волн в сейсморазведке, обозначен на рис.15.2, б лучом Л. В течение не­дорого времени t к приемнику последовательно приходят следующие волны: головная Р₁₂₁, проходящая поперечная Р₁S₃Р₁ продольная прямая по раствору Р₁ со

.Прохождение волны через границу двух сред (а) и распространение упругих волн от расположенного в скважине импульсного сферического излучателя (б)

скоростью V_p меньшей V_p2 и V_s2.

Отраженные волны Р₁₁ обладают малой энергией и больiим углом падения (α≈90°) и приемником не отмечаются. В действительности вследствие интерференции волн и отражений от гра­ниц пластов волновое поле имеет более сложный вид.

ЗОНДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА.

Основным зон­дом, применяемым в акустическом каротаже, является трехэлемент­ный.

Трехэлементный зонд состоит из возбуждающего упругий импульс излучателя И, и двух, расположенных на некотором расстоянии от него приемников П1 и П2, воспринимающих колебания.

Установки акустического каротажа И₁ И₂ – излучатели,П₁ П₂ - Приемники, S- длина базы зонда

Вместо двух приемников П1 и П2 могут быть установлены два излучателя И1 и И2. Излучатель соответственно заменяется при­емником. При такой взаимной перемене мест излучателей и приемников сущность зонда сохраняется. Расстояние между приемни­ками П1 и П2 является характерной величи­ной — базой; длине зонда L3 соответствует расстояние от излучателя до ближайшего приемника.

В используемой при АК ультразвуковой установке излучатель посылает импульсы колебаний, состоящие из трех-четырех пери­одов (6—8 фаз) с колокольной формой огиба­ющей. В некото­рый момент времени t₀ частица приходит в движение. Первое отклонение ее от поло­жения равновесия называют вступле­нием волны. Величины максимального отклонения называют амплитудами фаз волны, промежуток времени, раз­деляющий два соседних максимума или минимума, — видимым периодом волны Т. Преобладающей частотой волны является:

f=1/T (15.2)

График колебаний (волновой кар­тины), воспринимаемых приемниками, изображен на рис.15.1. На графике отмечены первое вступление (1), колебания продоль­ной головной волны Р₁₂₁ (2), поперечной головной волны Р₁S₂P₁ (3) и прямой Р_п, идущей по промывочной жидкости, трудно разделимых.

АКУСТИЧЕСКИЙ КАРОТАЖ ПО СКОРОСТИ

Акустический каротаж по скорости осно­ван на изучении скорости распространения упругих волн в горных породах, вскрываемых скважинами путем измерения интерваль­ного времени ∆t=(t₂-t₁)/S. На рис.15.4 дано схематическое изображение изломанного луча, по которому колебания от излучателя через породу приходят к приемникам (путь волны). Время пробега упругой волны на единицу длины и ее скорость оп определяются по разности времен вступления на втором и первом приемниках(t₂-t₁).

Волновая картина полученная при записи упругих колебаний приемниками трёхэлементного зонда.

а) график колебания продольной волны. б) I-запись ближним приемником; II — запись дальним приемником; III — марки времени (через 100 мкс); пластовая скорость распространения волны υпл = 2700 м/с; расстояние между излучателем и приемником 1,36 м; расстояние между приемниками 1,16 м; 1 — отметка импульса; 2 — первое вступление головной продольной волны, 3 — поперечные колебания и волна, идущая по про­мывочной жидкости.

Часть пути от излучателя до приемника возбужденная волна проходит по промывочной жидкости и глинистой корке. Эти отрезки пути одинаковы для каждого из приемников, вычитаются из вре­мен вступления t₁ и t₂, что обеспечивает исключение влияния сква­жины при измерениях трехэлементным зондом. Влияние скважины возможно лишь в том случае, когда в интервале между приемниками резко изменяется диаметр скважины.

Разность путей, проходимых волной от излучателя до первого и второго приемников, равняется длине отрезка П₁П₂, т. е. базе зонда S. Из этого следует, что скорость распространения упругой волны V_п=S/(t₂-t₁) или время пробега на единицу длины в трехэлементном зонде ∆t=1/ V_п=(t₂-t₁)/S

Скорость распространения упругой волны в пласте, определяемая при акустическом каротаже, называется пластовой, или интервальной.

АКУСТИЧЕСКИЙ КАРОТАЖ ПО ЗАТУХАНИЮ

Акустический каротаж по затуханию ос­нован на изучении характеристик затухания упругих волн в по­родах, вскрываемых скважинами. Энергия упругой волны и амплитуда колебаний, наблюдаемых в той или иной точке, зависят многих факторов. Основными из них являются: мощность излучателя, расстояние от него до данной точки и характер горных пород. В однородной среде при распространении волны со сферическим фронтом количество энергии, приходящейся на единицу объема, уменьшается пропорционально квадрату расстояния от рассматриваемой точки до излучателя; амплитуда колебаний уменьшается обратно пропорционально этому расстоянию.

В условиях скважины на величину затухания упругих колеба­ний сильное влияние оказывает неоднородность среды, что ведет к ослаблению колебаний и снижению амплитуды волны. Поглоще­ние упругих колебаний породой происходит вследствие необрати­мых процессов преобразования энергии колебаний в тепловую энер­гию, что приводит к уменьшению амплитуды принимаемых сигналов.

Способность горных пород к поглощению упругих колебаний (α,ак) оценивается при помощи акустического каротажа по интен­сивности затухания амплитуды волны А. Затухание обусловлено в основном следующими причинами: поглощением вследствие неи­деально упругой среды; расхождением энергии во все больший объем среды в результате расширения фронта волны при ее движе­нии; рассеянием и дифракцией волн на неоднородностях среды и вследствие отражения и преломления на границах сред с различ­ными скоростями распространения колебаний. На величину затухания упругих колебаний сильное влияние оказывают глинистость, характер насыщения, трещиноватость и кавернозность пород.

Измеренное ослабление продольной волны на единицу длины связано с амплитудами колебаний от ближнего А₁ и дальнего А₂ излучателей, регистрируемых приемниками глубинного прибора.

В результате поглощения энергии амплитуда всех волн на интервале l ослабляется в е^{-x AK l}.

Амплитуда колебаний продольной волны, воспринимаемая при­емником, измеряется в условных единицах, например в милли­вольтах. В некоторых случаях пользуются относительной амплитудой колебаний — отношением амплитуды А регистрируемой волны к наибольшему значению амплитуды против опорного пласта А_оп, т. е. А/А_оп. За опорный пласт принимается мощный пласт плотных пород с наибольшей амплитудой А_оп.

Ослабление и затухание упругих колебаний особенно сильно проявляется при ультразвуковой частоте 15—35 кГц, используемой в акустическом каротаже. Коэффициент поглощения в интервале ультразвуковых частот для различных пород изменяется в широких пределах (от 0,05 до 2,5 м^-1). Особенно заметное снижение энергии упругих колебаний наблюдается с удалением от излу­чателя.

Основной помехой при акустическом каротаже по затуханию является наличие акустического сопротивления при переходе упругой волны на границах: скважинный прибор — окружающая среда и промывочная жидкость — порода. Это сопротивление характеризуется сильной изменчивостью и оказывает значительное влияние на величины измерений, которые не поддаются учету. Дли приема продольной головной волны в одинаковых условиях по всему разрезу глубинный прибор акустического каротажа необходимо строго центрировать в скважине или прижать к ее стенке.

ФОРМА КРИВОЙ ПРИ АКУСТИЧЕСКОМ КАРОТАЖЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ ПЛАСТОВ.

При акустическом каротаже измеряется скорость распростра­нения упругих волн в породе в интервале базы зонда. Породы, залегающие за пределами базы, не влияют на измеряемые величины. Рассмотрим форму кривых АК для одиночных пластов различной мощности, размещенных в однородной вмещающей среде. Кривые получены для трехэлементного зонда, точка записи отнесена к середине его базы S.

.Кривые интервального времени для пластов различной мощности.

а) мощный пласт, б)тонкий пласт, 1 – известняк, 2- глина, 3- ось скважины.

Мощный пласт (h>S) характеризуется симметричной аномалиней. Ширина аномалии между точками отхода (точки отклоне­ния от вмещающей среды) равна сумме мощности пласта и базы зонда (h + S). Вертикальный участок характеризует истинное время пробега волны. Для пласта с пониженной скоростью рас­пространения колебаний аномалия времени ∆t будет положительной. Тонкий пласт (h<S) в однородной толще характеризуется симметричной аномалией. Если мощность пласта h = S, кривая имеет симметричную форму и значение ∆t в максимуме (минимуме) дает представление об истинной пластовой скорости. Для тонких пластов h<S измеренная скорость υк меньше их истинной ско­рости Vк. В этом случае:

1/ Vк =h/SVпл+S-h/SVвм (15.3)

где Vвм — скорость распространения колебаний во вмещающих породах. Ширина аномалии между точками отхода равна h + S.

На рис.15.5 приведена фактическая кривая АК; как видно, по­вышение глинистости ведет к увеличению ∆t и коэффициента по­глощения α ак, ослаблению амплитуд продольных головных волн (интервал 1706—1724 м). Трещинные и трещинно-кавернозные кол­лекторы выделяются среди гранулярных неглинистых пород, так же как и глинистые, по уменьшению амплитуд А и увеличению α ак. Расстояние между приемниками (база S) характеризует разре­шающую способность зонда. Чем меньше база, тем более тонкие слои могут быть выделены на диаграмме АК. Однако уменьшение базы ведет к снижению точности измерений. На практике база уста­навливается меньше мощности самого тонкого из интересующих нас слоев. При выборе длины зонда руководствуются тем, чтобы зона проникновения как можно меньше влияла на результаты оп­ределения скорости распространения волн в неизмененной части пласта. Это достигается увеличением длины зонда, учитывая, что при длинных зондах происходит снижение дифференцированности кривой.

Расстояния от излучателя до приемника L3 и между приемни­ками S должны быть выбраны с учетом мощности источника для обеспечения уверенного выделения преломленных волн первого вступления и точности приема сигналов, поступающих от ближнего и дальнего излучателей. В практике применяются трехэлементный зонд И₂О.5И₁1.5П и эквивалентный ему зонд П₂0,5П₁1,5И (расстояние между элемен­тами выражено в метрах).

Один из основных параметров определяющих скорости распро­странения продольных и волн, — это пористость. В карбонатных породах встречаются межзерновая, трещинная, каверновая пористости, которые по-разному влияют на скорости продольных и поперечных волн. Наиболее изучена зависимость скорости (интервального времени) продольной волны от пористости гранулярных пород. Для этого случая широко применяется фор­мула среднего времени k_п =(Δt_п-Δt_ск)/(Δt_ж- Δt_ск) (15.4)

Скорость поперечной волны с ростом пористости гранулярных пород уменьшается более резко, чем продольной. Для пород раз­личной литологии соотношение между скоростями Р и S волн выдерживается постоянным. Так, отношение v_s/v_P для песчаника (кварца) составляет 1,6, известняка — 1,9, доломита — 1,8.

Амплитуды акустических волн в плотных гранулярных породах высокие, затухание их мало и возрастает с увеличением пористо­сти, на фазокорреляционных диаграммах наблюдаются четкие оси синфазности и на них можно выделить как продольную, так поперечную волну.

В породах с трещинно-каверново-блоковой пористостью волновое поле сильно усложняется. Трещины приводят к возникновению многочисленных волн — отраженных, преломленных, обменных. Вследствие этого и интерференции колебаний выделение волн раз­ного типа усложняется. На образование вторичных волн затрачи­вается значительная энергия, в результате происходит существен­ное ослабление первичных продольной и поперечной головных волн. При этом особенно интенсивно поглощается поперечная волна.

Закономерности в распространении скорости продольных и поперечных волн в сложных карбонатных породах изучены недо­статочно. По данным экспериментальных исследований установлено, что скорость продольной волны, распространяющейся по нормали к плоскости трещины, уменьшается с ростом трещинной пористости. Влияние трещин, имеющих вертикальное и тангенциальное напра­вления на регистрируемые скорости продольной волны, практически находятся в пределах погрешностей измерений.

Как известно, размеры каверн в карбонатных породах могут изменяться от величин, соизмеримых с межзерновыми порами, до карстовых мегополостей. Акустические волны распространяются по скелету породы и флюиду в порах, имеющих размеры, соизмери­мые с длиной волны. Значения пористости кавернозных пород, рассчитываемые по акустическому каротажу, в общем случае близки к межзерновой пористости или несколько выше ее.

В настоящее время акустические методы исследования широко используются для определения пористости пород и выделения трещинных коллекторов. В комплексе с другими геофизическими методами данные акустического каротажа позволяют решать более сложные задачи, такие как оценка литологии, трещинно-каверновой пористости и др.

Данные акустического каротажа в комплексе с другими геофи­зическими методами дают возможность определить пористость пород; выделить зоны трещиноватости и кавернозности в карбонат­ном разрезе; уточнить литологию разреза; получить сведения о техническом состоянии скважин (высоте подъема цементного кольца в затрубном пространстве и качестве цементации скважин); вы­числить средние и пластовые скорости распространения упругих колебаний, используемых при интерпретации данных сейсмораз­ведки. Располагая диаграммами акустического каротажа, можно сократить объем экспериментальных сейсмических исследований в районе проведения сейсморазведочных работ с целью выделения отражающих горизонтов и оценки качества отражений.