АКУСТИЧЕСКИЙ КАРТАЖ

Акустическим каротажем (АК) называют методы определения упругих свойств горных пород, пройденных скважиной. При АК в скважине возбуждаются упругие колебания, которые распространяются в ней и в окружающих породах и воспринимаются приемниками, расположенными в той же скважине. Зная расстояние между приемниками, по времени первых вступлений упругих колебаний определяют скорость их распространения (или время прихода сигналов), а также величины амплитуд принимаемых сигналов и их затухание.

По типу регистрируемых параметров выделяют следующие основные модификации акустического каротажа: акустический каротаж по скорости – для изучения скоростных характеристических пород, вскрытых скважинами; акустический каротаж по затуханию упругих волн – для определения поглощающих свойств горных пород.

Для выяснения физической сущности акустического каротажа рассмотрим в общих чертах особенности распространения упругих колебаний.

Если в элементарном объеме некоторой упругой среды в течение короткого времени действует внешняя возбуждающая сила, в среде возникают напряжения, вызывающие относительное перемещение ее частиц. В общем случае сложного воздействия, когда центральной (сферической) симметрии условий возбуждения не наблюдается, возникают два типа деформации: деформация объема (растяжения, сжатия) и деформация формы (сдвига). Процесс последовательного распространения деформации называется упругой сейсмической волной.

Упругая волна, распространяясь во все стороны, захватывает все более удаленные области. В то же время при кратковременном возбуждении вокруг места возникновения волны образуется все расширяющая область успокоения. Поверхность, отделяющая в данный момент времени область среды, в которой уже возникло колебание частиц, от той, где колебания еще не наблюдаются называется фронтом волны. Фронт волны для различных моментов времени совпадает с уровневыми поверхностями поля времени волны в среде – изохронами.

Рис. 6.1. Схема смешения частиц среды при распространении продольных (а) и поперечных (б) волн.

(Большие стрелки указывают направление движения волны)

Различают два типа волн – продольные Р и поперечные S. Продольные волны связаны с деформацией объема среды. Распространение продольной волны представляет собой перемещение зоны растяжения и сжатия, при котором частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения в направлении, совпадающем с направлением распространения волны. Поперечные волны обусловлены деформациями формы среды и могут существовать только в твердых телах. Распространение поперечной волны представляет собой перемещение зоны скольжения слоев среды относительно друг друга; частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны (рис. 6.1.).

(где δ_П – плотность породы; Е – модуль юнга; v – коэффициент поперечного сжатия (коэффициент Пуассона)).

Величина Е для горных пород изменяется в пределах 0,15·10⁵ – 0,6·10⁶ МПа; коэффициент поперечного сжатия v для горных пород близок к 0,25.

Следовательно, продольная волна, распространяется приблизительно в 1,75 раза быстрее поперечной, достигает удаленной точки раньше. Распространение фронта волны изучается при помощи известного в геометрической сейсмике принципа Гюйгенса – Френеля, согласно которому каждая точка фронта может рассматриваться как источник элементарных волн.

Рис. 6.2. Прохождение волны через границу двух сред.

α – угол падения (угол между лучом падающей волны и перпендикуляром к границе раздела);

α' – угол отражения; β – угол преломления (угол луча проходящей волны с перпендикуляром к границе раздела); u₁ и u₂ – скорости распространения волн в средах I и II.

скользит вдоль границы раздела, а угол преломления β становится равным 90º.

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 увеличения угла падения, к значению истинной скорости в покрывающем слое, т.е. к υ₁. Фронт падающей волны продолжает возбуждать отраженную волну, но уже не вызывает проходящей волны. Наоборот, фронт проходящей волны, достигая последующих точек границы раньше, чем фронт падающей волны, порождает новую, так называемую преломленную (головную) волну.

Рис. 6.3. Распространение упругих волн от расположенного в скважине импульсного сферического излучателя.

(Фронты волн в последовательные моменты времени t₁, t₂, …, t_n+2 (изохроны волн): 1 – падающей (прямой) Рˆ, 2 – проходящей Рˆ, 3 – головной Р121> 4 – отраженный Р₁₁; 5 – ось скважины).

Рассмотрим распространение упругих волн в скважине от сферического излучателя И, расположенного на оси скважины против пласта неограниченной мощности (рис. 6.3). В момент t=0 от излучателя поступает импульс упругих колебаний и начинает распространяться падающая продольная волна Р₁, обладающая сферическим фронтом. В момент t фронт падающей волны достигает стенки скважины, что вызывает возникновение вторичных .волн-отраженной Р₁₁, проходящих продольной Р₁₂ (со скоростью υ_р) и поперечной Р)8з (со скоростью υ_s2), которая на рис. 6.3 не показана (υ₂ < υ₁)

В точку А в момент t₂ фронт падающей волны образует со стенкой скважины критический угол ι_р, фронт проходящей волны скользит вдоль стенки скважины и обгоняет падающую волну Р₁ и отраженную Р₁₁, так как (υ₂ < υ₁). 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 по следующему пути: датчик импульсов – промывочную жидкость – породу – промывочную жидкость – приемник. Этот путь, сравнимый с путем головных (преломленных) волн в сейсморазведке, обозначен на рис. 6.3 лучом Л. В течении некоторого времени t к приемнику последовательно приходят следующие волны: головная Р₁₂₁ проходящая поперечная Р₁S₂Р₁ и продольная прямая по раствору Р_1­ со скоростью υ_1р, меньшей υ_р2 и υ_S2. Отраженные волны Р₁ обладают малой энергией и большим углом падения (а₁ ≈ 90º) и приемником не отмечается.

В действительности вследствие интерференции волн и отражений от границ пластов волновое поле имеет более сложный вид.

На рис. 6.4 графически изображено колебание частицы в виде зависимости модуля вектора смещения ½V½ от времени I. Полученная кривая носит название графика колебания волны. Как видно, в некоторый момент времени <0 частица приходит в движение. Первое отклонение ее от положения равновесия называют вступлением волны. Величины максимального отклонения называются амплитудами фаз волны, промежуток времени, разделяющий два соседних максимума или минимума, - видимым периодом волны Г. Преобладающей частотой волны является f=1/Т.

Рис. 6.4. Схематическая запись колебаний частицы среды.

Энергия упругой волны и амплитуда колебаний, наблюдаемых в той или иной точке, зависят от 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.

где А₀ – амплитуда вблизи излучателя; с – коэффициент зависящий от величины критического угла ι волновых сопротивлений (акустических жесткостей) промывочной жидкости и породы, Z – расстояние от излучателя до приемника; N – показатель степени, близкий к единице на больших удалениях от источника.

Горные породы не являются абсолютно упругими, поэтому в них происходят поглощение и рассеяние энергии упругой волны. Поглощается энергия волны вследствие взаимного трения слагающих породу частиц, а рассеяние обусловлено неоднородностями породы. Образование отраженных и преломленных волн в слоистой среде также ведет к расходованию части энергии. В связи с этим с удалением упругой волны от места возбуждения

Коэффициент поглощения а_АК для всех пород в области ультразвуковых частот возрастает с частотой.

Графики колебаний, воспринимаемых приемниками глубинного прибора акустического каротажа, изображены на рис. 6.5. Для отделения на графике колебаний поперечной волны от продольной используются следующие признаки: амплитуда колебаний волны Р₁S₁Р₁ больше, чем Р₁₂₁ в некоторых породах из-за неравномерного распределения энергии излучателя в падающей волне возможны исключения из правил; видимая частота колебаний поперечной волны всегда меньше, чем продольной. Задний фронт поперечной волны на волновой картине обычно не отмечается из-за накладывания прямой Р₁ на конец импульса поперечной головной волны Р₁S₂Р₁. Длительность колебания прямой волны и ее интенсивность, как правило, больше, чем продольной и поперечной волн.

Рис. 6.5. Волновая картина, полученная при записи упругих колебаний приемниками трехэлементного зонда.

а – запись ближним приемником; б – запись дальним приемником; в – марки времени (через 100 мкс); пластовая скорость распространения волны v_пл=2700 м/с; расстояние между излучателем и приемником 1,36 м; расстояние между приемником 1,16 м. 1 – отметка импульса; 2 – первое вступление продольной волны; 3 – поперечные колебания и волна, идущая по промывочной жидкости.

Для акустического каротажа применяются зонды двух основных типов – двухэлементные и трехэлементные (рис. 6.6).

Двухэлементный зонд состоит из излучателя и отстоящего на некотором расстоянии от него приемника.

Трехэлементный зонд состоит из возбуждающего упругий импульс излучателя И и двух расположенных на некотором расстоянии от него приемников П₁ и П­₂, воспринимающих колебания и представляющих собой по существу сочетания двухэлементных зондов П₁И и П₂И с длинами L_з1 и L_з2.

В трехэлементном зонде вместо двух приемников 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 в трехэлементном зонде акустического каротажа и от излучателя до приемника в двухэлементном является характерными величинами – базой S. Для двухэлементного зонда соответствует длина зонда L_з1, в трехэлементном зонде длине зонда L_з2­­ соответствует расстояние от средней точки между одноименными элементами до разноименного элемента.

L_з1 -, L_з2 - длина двухэлементны зондов;

1 и 2 – точки записи двухэлементных зондов И₁П и И₂П или П₁И и П₂И; S – база; L_з­ – длина трехэлементного зонда И₂И₁П или П₂П₂И; 3 – точка записи трехэлементного зонда; 4 – путь волны. d_пр и d_с – диаметры прибора и скважины.

Каротажный зонд (скважинный прибор) связан кабелем с наземными блоками станции АК, которые обычно выполняют функции усиления и фильтрации сигналов, а также их обработки, регистрации измеряемых данных и питания электроэнергией всей станции в целом.

Излучатель колебаний состоит из магнитострикционого вибратора (сердечника из никеля или другого сплава) с высоким коэффициентом магнитострикции, на который наложена обмотка. Расширение сплава при намагничивании электрическим током, подаваемым через обмотки, создает импульсы упругих (ультразвуковых) колебаний с частотой 20-50 кГц и более.

Излучатель отделен от приемника акустически изолятором, состоящим из звукопоглощающегося материала. Этим исключается возможность поступления упругой волны по скважинному прибору. В приемнике используется пьезоэлектрический эффект цирконата титаната свинцы (ЦТС-19). При каждом импульсе по жилам кабеля на поверхность подается синхронизирующий электрический сигнал от излучателя и сигнал с выхода усилителя, размещенного в глубинном приборе, к которому подключен приемник. Время между синхронизирующим сигналом 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 диаграмму акустического каротажа.

Магнитострикционный эффект – способность тел из ферромагнитных металлов или сплавов менять форму и размеры при намагничивании.

Пьезоэлектрическим эффектом называется возникновение электрических зарядов на гранях кристаллов по воздействием механических деформаций. Этот процесс обратимый.

Аппаратура эталонируется с таким расчетом, чтобы по каротажным кривым можно было непосредственно отсчитать время ДГ или скорость пробега волны.

В настоящее время для изучения разрезов скважин методом акустического каротажа применяются различные типы аппаратуры. Наиболее широкое распространение в Советском Союзе получила аппаратура типа ЛАК и СПАК.

В станции типа ЛАК изображение сигнала имеет вид полос, яркость которых возрастает с увеличением амплитуды сигнала. Недостаток, заключающийся в низкой точности количественных отсчетов времени распространения колебаний.

При помощи СПАК можно регистрировать данные всех видов акустического каротажа.

С помощью этой аппаратуры обычным каротажным регистратором записываются диаграммы изменения с глубиной следующих параметров:

времен распространения продольной волны от излучателя до первого и второго приемников – t₁ и t₂ в мкс; времен пробега продольной волны на единицу длины (интервального времени) ΔТ=(t₁-t₂)/S в мкс/м; амплитуды волн, пришедших в произвольных единицах, например, в (мВ) или (В); отношение амплитуд в логарифмическом масштабе ln(A₁/А₂) = lnA₁ - lnA₂, ослабление продольной волны на единицу длины α_АК, выраженное в дБ/м или м^-1.

В аппаратуре СПАК используется трехэлементный зонд с двумя излучателями и одним приемником, обозначаемый сверху вниз – И₂0.5И₁1.5П. Расстояния между излучателем и приемником даны в метрах.