Промысловая геофизика (стр. 7 )

Рис. 50. Схема смещения частиц среды при распространении плоской продоль­ной и плоской поперечной волн в направлении оси х.

а - продольная волна в моменты времени ta, tb = ta + T/4, tc = ta + T/2 (Т - период); б - смещение частиц плоскости х = х1, в направлении оси х; в - поперечная волна; 1 - излу­чатель; 2, 3, 4 - линии нулевого смещения частиц в данный момент времени [для про­дольной волны — это одновременно линии максимального сжатия (2) и растяжения (3), т. е. оси зон сжатия и растяжения]; 5 - направление смещения частиц; 6 - направле­ние распространения волны

Таблица 2. Скорость up, интервальное время Δt = vp-1 и коэффициент затухания αр продольных волн в некоторых минералах и горных породах

Минерал, горная порода	vp, м/с	Δt, мкс/м	αр, м-1
Вода, промывочная жид­кость	1500—1700	600-660	—
Кварц	6050	166	0,2—0,3
Кальцит	6320	158	0,2—0,3
Доломит	7020	143	0,2—0,3
Ангидрит	6100	164	0,2—0,3
Гипс	5750	174	0,2—0,3
Галит	4520	220	0,2—0,3
Сильвин	4100	244	0,2—0,3
Глина	1500—3000	400—800	2,0—3,0
Аргиллит	2000—3500	300—500	0,7—2,3
Мергель	2000—4000	250—500	0,5—1,0
Рыхлые пески на малой глубине	800—1200	830—1250	3,0
Песчаник несцементирован­ный	2600—4000	250—500	0,7—2,3
Песчаник сцементирован­ный	3300—5500	180—300	0,2—0,3
Известняк	3800—6000	167—263	0,3—0,7
Доломит	4000—6500	154—250	0,3—0,7
Примечание. Значения αр даны для нетрещиноватых минералов и пород.

Скорость распространения волн в породе уменьшается, а ин­тервальное время увеличивается с ростом коэффициента пори­стости kп. Во многих случаях зависимость Δt от kп прямоли­нейна:

(III.1)

где Δtтв и Δtж - некоторые величины, условно называемые ин­тервальным временем для твердой фазы горной породы и жид­кости, заполняющей ее поры.

Формула (III.1) получила название уравнения средне­го времени, поскольку она представляет собой формулу расчета средневзвешенного значения Δt с весами, пропорцио­нальными объемам твердой фазы и насыщающей жидкости. Уравнение это приближенное; рассчитано оно для упрощенной модели среды, поэтому величины Δtтв и Δtж часто не совпадают с истинными значениями интервального времени для минералов, слагающих твердую фазу, и жидкости, заполняющей поры по­роды.

Это объясняется тем, что скорость волн зависит не только от минерального состава пород и их насыщения, но и от литологических особенностей реальных пород, их глинистости, эффек­тивного напряжения, степени сцементированности породы и других факторов.

Характер насыщающей жидкости заметно влияет на скорость волн лишь для рыхлых пород, залегающих на относительно не­больших глубинах, т. е. при малых эффективных напряжениях. Скорость волн в газоносных пластах ниже, чем в нефтеносных, а в нефтеносных ниже, чем в водоносных. С ростом глубины и степени цементации пород разница в скоростях волн в пластах с различным насыщением уменьшается.

При удалении от излучателя энергия волн и амплитуда ко­лебаний уменьшаются вследствие расхождения, т. е. увеличения протяженности фронта волны, а также из-за процессов погло­щения энергии, рассеяния на микронеоднородностях горной по­роды. Уменьшение энергии Е и амплитуды А плоской волны происходит по законам

, , (III.2)

где r - расстояние от излучателя до точки наблюдения; α - амплитудный коэффициент поглощения (зату­хания).

Для сферических волн (вокруг точечного источника в одно­родной среде) , , для цилиндрических волн , .

При распространении волн в системе скважина — пласт закон ослабления имеет вид , но поскольку показатель степени n обычно точно не известен, то ослабление часто аппроксимируют формулами (III.2), а величину α, определяе­мую при таком предположении, называют эффективным коэффициентом затухания. Коэффициент затухания; увеличивается с ростом коэффициента пористости горных по­род, с ростом их глинистости и особенно трещиноватости.

Коэффициенты поглощения Р-волн (αр) и S-волн (αs) в га­зоносных (индекс «г»), нефтеносных («н») и водоносных («в») пластах располагаются в ряд: αРв<αРн<αРг, αSв>αSн>αSг.

Различный знак влияния нефте - и газонасыщения на зату­хание волн облегчает использование коэффициентов затухания упругих волн αр и αs для разделения нефте-, газо - и водонасыщенных пород на фоне помех, обусловленных трещиноватостью пород, изменениями их пористости, которые вызывают измене­ние αs и αр одного знака. Однако влияние характера насыще­ния на значения αр и αs велико (до 200—400%) лишь в рых­лых отложениях. В крепкосцементированных отложениях оно может снизиться до 10—20% и даже ниже.

Простейший двухэлементный зонд акустического метода со­держит излучатель упругих колебаний И и приемник колеба­ний П (рис. 51). Расстояние l между ними называется длиной зонда. Для уменьшения влияния скважины и перекоса прибора в скважине применяют трех - и четырехэлементные зонды (рис. 51, б, в). Расстоянием s между одноименными элементами трехэлементного зонда называют базой. Величина базы опре­деляет вертикальную разрешающую способность акустического метода. Зонды AM обозначают последовательностью букв И и П (излучатель и приемник), между которыми проставляют рас­стояния в метрах (см. рис. 51).

Для акустического метода, как и для электрического, спра­ведлив принцип взаимности, заключающийся в том, что без изменения показаний метода можно все излучатели заменить приемниками и одновременно все приемники излучателями.. Например, вместо зонда ИsИ1П можно в принципе применять зонд ПsП1И.

Рис. 51. Двухэлементный (а), трехэлементный (б) и четырехэлементный (в) зонды

При проведении акустических исследований наблюдаются упругие волны различных типов: прямая гидроволна P0, отра­женная волна P0P0, преломленные продольная P0P1P0 и попе­речная P0S1P0 волны (рис.52). Кроме того, могут наблюдаться поверхностные волны, распространяющиеся по стенке скважи­ны, волны, отраженные от границ пластов, трещин и т. д. Пре­ломленные волны — основной объект изучения при AM. 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. Отражение и преломление уп­ругих волн подчиняется законам оптики, хорошо знакомым чи­тателю из общего курса физики.

Таким образом, к приемнику зонда поступают волны не­скольких типов. Соответственно сигнал на выходе приемника может иметь довольно сложную форму.

Проще всего определяются при AM время поступления и амплитуда волны, приходящей к приемнику первой (первое вступ­ление волн). Наибольшая скорость распространения характер­на для преломленной продольной волны P0P1P0 . Поэтому при не слишком малом размере зонда эта волна обгоняет волны других типов и поступает к приемнику первой (рис. 53).

Это облегчает выделение аппаратурой волны P0P1P0, авто­матическое определение ее амплитуды А и времени поступле­ния t. По этим величинам судят о скорости и коэффициенте за­тухания волн в породе.

В обсаженной скважине волновая картина еще больше ус­ложняется. В частности, дополнительно возникает волна сжа­тия, распространяющаяся по обсадной колонне (колонная вол­на). 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.

Аппаратура для акустических исследований

В современной аппаратуре для изучения упругих свойств гор­ных пород (vp, vs, αр, αs) используют зонды с тремя элемента­ми и более.

Трех элементов достаточно, чтобы определить величины Δt и α, не искаженные влиянием скважины (если ось прибора па­раллельна оси скважины, а диаметр скважины и ее заполнение постоянны в интервале между крайними элементами зонда). Убедимся в этом на примере зонда П1И1sИ2 (рис. 54).

При этом регистрируют величины

и (III.3)

где ti - время прихода к приемнику преломленной волны t-го излучателя; Аi – её амплитуда.

Рис. 53. Примеры волновых картин в плотных (а) и трещин­ных (б) породах

Как видно на рис. 54, отрезки и параллельны; времена прохождения волн на этих отрезках одинаковы, а часть пути явля­ется общей для волн, идущих от раз­ных излучателей. Поэтому разность времен прихода волн от двух излуча­телей равна .

Аналогично различие ослабления волн, идущих к приемнику от разных излучателей, обусловлено лишь ослаб­лением на пути , т. е.

(III.4)

Легко заметить, что полученное выражение эквивалентно формуле (III.2).

Можно легко доказать, что, используя четырехэлементный зонд, изображенный на рис. 51, в, и вычислив полусумму раз­ностей Δt1 и Δt2, определенных для трехэлементных зондов И1П1П2 и П1П2И2, получим истинное значение Δt даже в слу­чае, если ось прибора не параллельна оси скважины.

В качестве излучателей в зондах AM используют обычно магнитострикционные электроакустические преобразователи, а в качестве приемников — пьезоэлектрические.

Магнитострикция — изменение формы и размеров те­ла при намагничивании. Она обратима: при удлинении и сокра­щении магнитострикционных материалов изменяется их намаг­ниченность, и в катушке, намотанной на нем, возникает ЭДС. Поэтому их можно в принципе применять и в качестве прием­ников. Магнитострикция значительна в ферро - и ферримагнетиках (железо, никель, кобальт, сплавы Fe с кобальтом— пермендюр или с алюминием — альфер и др.). При помещении таких материалов в переменное магнитное поле они меняют свои размеры, оказывают давление на окружающую среду и возбужда­ют в них упругие колебания.

Магнитострикционным излучателям обычно придают форму цилиндров, соосных с кожухом скважинного снаряда и имеющих диаметр, близкий к диаметру последнего. Внутри магнитостриктора имеются каналы для обмотки катушки возбуждения. На обмотку излучателя подаются импульсы тока от специального импульсного генератора. После подачи импульса тока магнитостриктор начинает колебаться с собственной частотой, пропор­циональной скорости упругих волн в материале магнитостриктора и обратно пропорциональной его диаметру.

Амплитуда колебаний скважинных магнитострикционных из­лучателей обычно несколько микрометров, диапазон частот 6— 60 кГц.

В необсаженных скважинах, а также в цементомерах приме­няют излучатели на 25 кГц; для исследования разрезов обса­женных скважин используют более низкие частоты. Примене­ние низкочастотных колебаний способствует увеличению глубин­ности метода и снижению влияния на показания крепления скважин колоннами. Однако получать в скважинном приборе излучения с частотой ниже 3—5 кГц не удается, так как для этого потребовались бы излучатели слишком большого диа­метра.

Пьезоэлектрическим эффектом называют появле­ние электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов при их сжатии или растяжении. Пьезоэлектрические свойства ярко выражены у кристаллов кварца, сегнетовой соли и др. В скважинной аппаратуре используются в основном пьезоэлектриче­ские приемники из керамики титаната бария (ВаТiO3) и неко­торых других соединений. Приемники обычно имеют вид полых цилиндров; на внешней и внутренней поверхности которых на­ходятся электроды.

В акустическом методе требуется защита приемников от прямых упругих колебаний (помех), проходящих по корпусу прибора. Для этого между излучателями и приемниками разме­щают акустические изоляторы, обладающие высоким коэффи­циентом затухания волн или же большим временем задержки, обеспечивающим приход волн-помех к приемнику позже полез­ных волн. В качестве акустических изоляторов чаще всего при­меняют последовательность элементов, изготовленных попере­менно из металла и резины.

Любая аппаратура акустического метода содержит глубин­ный прибор (скважинный снаряд, зонд) I и наземную аппара­туру II, соединенные кабелем К (рис. 55). Глубинный прибор предназначен для излучения и приема упругих колебаний, уси­ления и передачи в линию связи (кабель) сигнала приемника. Он содержит излучатели И (один или несколько), импульсные генераторы Г, вырабатывающие электрические импульсы, пода­ча которых на обмотки излучателей вызывает излучение ими упругих колебаний, приемники П (один или несколько) и соответ­ствующее число усилителей У.

Излучатели и приемники разделены акустическими изолято­рами (на рис. 55 не показаны). В глубинном приборе (иногда в наземной аппаратуре) имеются также схема управления сра­батыванием генераторов УГ, блоки питания и др.

Рис. 55. Обобщенная блок-схема аппаратуры АМ (а) и сигналы в ней (б)

Аппаратура действует циклами: излучение колебаний пер­вым излучателем — прием сигнала, затем излучение вторым из­лучателем — прием сигнала и т. д. Циклы повторяются с часто­той 25 или 12,5 Гц.

Наиболее распространенная структура наземной части аппа­ратуры содержит схему присоединения к кабелю СП, блок вы­деления синхроимпульса ВСИ, усилитель У, блоки выделения первых вступлений волны ВВ, блоки определения времени t и амплитуды волн А. Для вычисления интервального времени Δt по значениям t1 и t2 и коэффициента затухания α (или отно­шения A1/A2) по значениям А1 и А2 имеется вычислитель В.

Основные моменты работы аппаратуры AM можно понять из диаграмм (эпюр), приведенных для трехэлементного зонда с двумя излучателями на рис. 55, б. Излучатели И1 и И2 попе­ременно излучают пакеты волн, изображенные на эпюрах 1 и 2. Моменты их срабатывания определяются схемой управления ге­нераторами УГ. Одновременно с подачей импульсов в обмотку излучателя генератор Г через схему присоединения к кабелю СП посылает на поверхность синхроимпульс СИ. Синхроим­пульсы двух генераторов отличаются друг от друга, например, полярностью, как это показано на эпюре 3. При достижении волнами приемника он вырабатывает электрические сигналы (эпюр 4), которые после усиления усилителем У2 передаются через схему на кабель и далее на поверхность.

В наземной аппаратуре сигналы от приемника и синхроим­пульсы попадают на усилитель У2 и блок выделения синхроим­пульсов ВСИ.

Блок ВСИ не пропускает сигнал приемника, но пропускает синхроимпульсы, которые поступают в блок измерения време­ни и служат началом отсчета при определении времени прихода волн (эпюр 5).

Сигналы от приемника, усиленные усилителем У2, подают­ся на блок выделения вступлений ВВ, который вырабатывает нормализованные импульсы 6, указывающие момент достиже­ния сигналом некоторого порогового значения. Они запускают блок измерения времени t.

Измеритель времени вырабатывает прямоугольные импульсы 9, начинающиеся в момент прихода синхроимпульса и заканчи­вающиеся при вступлении волны (при поступлении импульса 6 от блока ВВ). Таким образом, длительности импульсов 9 равны временам t0 прохождения волн от излучателей до приемника.

Коммутирующее устройство (не показанное на рис. 55 и уп­равляемое синхроимпульсами) подает импульсы с выхода бло­ка попеременно на интегрирующие ячейки двух каналов. Они вырабатывают постоянные токи, пропорциональные длитель­ностям импульсов 9, т. е. временам прихода t1 и t2 волн от со­ответствующих излучателей. Регистрируя эти токи, получают (в некотором масштабе) диаграммы изменения t1 и t2 по глубине скважины. Сигналы одновременно поступают на вычислитель, где вычисляется их разность, и на третий канал регистратора, регистрирующий диаграмму интервального времени.

Сигналы с выхода усилителя У2 подаются также на вход из­мерителя амплитуды А; предварительно они проходят через электронный ключ ЭК, управляемый блоком временного окна О. Блок О обеспечивает прохождение сигнала к измерителю ам­плитуд лишь в течение определенного времени (три-четыре пе­риода колебаний) после вступления волны (эпюры 7 и 8).

Блок А определяет максимальную (иногда среднюю) ампли­туду сигнала в указанном интервале времени. Значения этой величины для двух каналов регистрируются самопишущим уст­ройством (регистратором), а также подаются в вычислитель В для вычисления α или A1/A2.

В некоторых приборах имеются блоки волновой картины ВК, фазокорреляционных диаграмм ФКД. Блок ВК позволяет выбо­рочно или заданным шагом по глубине фотографировать с экра­на электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) развертку полной волно­вой картины обоих каналов, т. е. зависимости смещений в волне от времени, а также отметку момента срабатывания излуча­теля и марки времени (рис. 56).

Рис. 57. Блок-схема записи фазокорреляционной диаграммы (а) и сигналы в ней (б)

Блок ФКД, являющийся наи­более информативным, хотя и относительно сложным видом ре­гистрации сигналов, осуществляет непрерывную запись волно­вых картин следующим образом (рис. 57). Луч электронно-лу­чевой трубки разворачивается пилообразным напряжением (эпюр 2), подаваемым генератором развертки ГР на горизон­тальную систему отклонения ЭЛТ, начиная с момента поступле­ния синхроимпульса СИ (эпюр 1). Сигналы 3 от приемника зонда поступают на пороговую систему П, выделяющую лишь положительные полуволны сигналов или вырабатывающую им­пульсы в момент смены знака сигнала с положительного на отрицательный, т. е. 1 раз в видимый период сигнала. Эти им­пульсы в первом случае непосредственно, а во втором после формирования формирующим каскадом Ф (эпюр 4) подаются на модулятор яркости ЭЛТ. На экране ЭЛТ высвечивается ряд точек. Расстояние между соседними точками пропорционально видимому периоду, а расстояние от точки начала развертки лу­ча, т. е. от момента поступления СИ, - времени прихода соот­ветствующей фазы сигнала.

Экран ЭЛТ проецируется на фотопленку, движущуюся син­хронно с движением прибора в скважине; проекции светящихся точек создают изображения в виде диаграмм фазовых линий (эпюр 5) и позволяют получать диаграмму ФКД.

Проведение акустических исследований

и интерпретация их результатов

Акустические исследования проводят в скважинах, запол­ненных буровым раствором, который необходим для создания акустического контакта излучателей и приемников зонда с ок­ружающей средой. Разгазирование бурового раствора способст­вует резкому повышению затухания волн и может вызвать ис­кажение диаграммы, особенно для большего из зондов.

Регистрация диаграмм интервального времени Δt и коэффи­циента α (или отношения A1/A2) — наиболее распространенная форма представления данных акустического метода, предусмот­ренная во всех типах серийной аппаратуры.

Точку записи диаграмм для двухэлементного зонда относят к середине между излучателем и приемником, а для трехэле­ментного зонда — к середине между одноименными элементами зонда. Против отдельных пластов кривые ti, Δt, Ai, α и A1/А2 по форме симметричны. Выделяют пласты большой и малой толщины. Толщина пласта h считается большой, если она боль­ше s (кривые Δt, α, A1/A2) или l (кривые ti, Ai). В средней ча­сти таких пластов большой толщины на протяжении h - s (а для кривых ti и Ai h-l) имеется площадка постоянных зна­чений (рис. 58, а). Показания вблизи границ меняются линей­но, граница пласта отмечается на середине этого линейного участка.

В середине отдельного пласта малой толщины (h<s или. h<l) также имеется площадка постоянных значений, но изме­ряемые величины здесь не равны истинным. Так, измеренное интервальное время

(III.5)

где Δtпл и Δtвм - истинные параметры для пласта и вмещаю­щих пород.

Протяженность переходного участка на границе пласта в этом случае равна h, а граница пласта отмечается на расстоя­нии s/2 (l/2) от точки начала изменения Δt при приближении зонда к пласту.

Если диаметр скважины непостоянен, форма кривых услож­няется. На границах каверн возникают ложные максимумы. Их протяженность для трехэлементного зонда равна меньшей из двух величин — длине базы s или протяженности каверны hкав (рис. 58, в).

Рассмотренные непрерывные диаграммы регистрируют обыч­но для первых вступлений волн, т. е. продольных преломленных волн. Выделение волн других типов и определение их характеристик осуществляют при регистрации ФКД или фотографиро­вании волновых картин.

Рис. 58. Кривые, полученные акустическим методом.

Кривые Δt, А1, и α против пластов: а - большой (h>s, h>l) мощности; б - малой (h<s) мощности; в - кривая Δt против каверны

Выделить на них первые вступления (волн P0P1P0) обычно нетрудно. Вступление поперечной пре­ломленной волны P0S1P0 (бывает лишь в случае, когда vs1>vp0) следует искать в интервале времени, в 1,7—2,2 раза превышаю­щем время вступления волны P0P1P0. В разрезах с и vр>4 км/с волна P0S1P0 характеризуется значительно большей (5—10 раз) амплитудой, чем волна P0P1P0 (см. рис. 53, а), а видимый пери­од волны P0S1P0 в 1,2—1,5 раза больше такого периода для волны P0P1P0. В разрезах с низким значением vp амплитуда P0S1P0 -волны снижается, а в трещинных породах она может вовсе исчезнуть.