Акустический каротаж по скорости и затуханию

Как показано выше, акустический каротаж по скорости основан на изучении скорости распространения упругих волн в горных породах, вскрываемых скважинами путем измерения интервального времени:

                                   Δ t = (t ₂ – t ₁) / S [мкс/м],                        (3.14)

где (t ₂ – t ₁) разность времен вступления на втором и первом приемнике.

 

Время пробега Δ t упругой волны на единицу длины и ее скорость  определяются по разности времен вступления на втором и первом приемниках (t ₂ – t ₁).

Скорость распространения упругой волны в пласте – v, определяемая при акустическом каротаже, называется пластовой или интервальной и зависит от литологии (упругих свойств) минерального скелета пород, степени их цементации, пористости и характера насыщающей жидкости, а также от разности горного и пластового давлений. Максимальные значения v характерны для ангидритов (6000 м/сек), кристаллических пород (4500–6300 м/сек) и каменной соли (4500–5500 м/сек); минимальные – для воздуха      (330 м/сек) и углеводородных газов (метан – 430 м/сек). Низкими скоростями распространения упругих волн характеризуются также нефть (1400 м/сек), вода и буровой раствор (1670–1760 м/сек).

Скорость распространения упругих волн (табл. 3.3) и поглощающие свойства горных пород зависят от их пористости, влажности, глубины залегания (горного давления), возраста (уплотнения, степени разрушения), степени цементации других факторов.

 

Таблица 3.3

 

Основные параметры упругих волн,

распространяющихся в разных средах

 

Горная порода	Пористость, %	Скорость распространения упругих волн, м/с	Время пробега волны, мкс/м
Вода	100	1500–1700	660–600
Песок	8–50	800–1800	1250–550
Песчаники	10–30	2000–3500	500–300
Известняк	0,65–15	2500–7500	400–130
Плотный песчаник	3–10	2500–5000	400–200
Доломит	0,5–15	3000–7900	330–100
Глина	6–50	1200–2500	800–400

Связь скорости распространения волны с пористостью породы в акустическом каротаже описывается уравнением

                                     ,                           (3.15)

или через интервальное время

                                        ,                              (3.16)

где  – коэффициент пористости; , ,  – интервальное время пробега продольной волны между двумя одноименными элементами акустического зонда в породе, насыщающей жидкости и скелета матрицы. При существенном влиянии глинистости учитываются , AtTn  и .

 

На рисунке 3.22 показана зависимость интервального времени от пористости.

 

 

Рис. 3.22. Зависимость пористости от интервального времени

для песчаников (1) и известняков (2)

 

Горные породы на глубине находятся под воздействием всестороннего давления и высоких температур, влияние которых возрастает с глубиной в сложной нелинейной зависимости. Под действием сил гравитации породы уплотняются в вертикальном направлении (полное горное давление ), что вызывает возникновение бокового горного давления , которое меньше вертикального (полного) горного давления:

                                 ,                      (3.17)

где  – коэффициент бокового распора; Н – глубина залегания породы.

 

Для определения горизонтальной составляющей горного давления  необходимо знать величину коэффициента бокового распора , которая зависит в основном от структурно-механических свойств горных пород, особенностей их залегания и сил, действующих в массиве. Для упругих твердых тел в области упругих деформаций этот коэффициент колеблется в пределах 0,25–0,35, но в высокопластичных породах его величина растет и может достичь единицы.

Коэффициент бокового распора для упругих твердых тел устанавливается из выражения

                                            .                                  (3.18)

Возможность определения коэффициента Пуассона по соотношению скоростей поперечных и продольных упругих волн с помощью формулы

                                (3.19)

непосредственно в скважинных условиях расширяет область применения АК.

Механизм распространения упругих колебаний в насыщенных пористых средах в общем случае определяется многими факторами. Кинематические и динамические параметры зависят от упругих и коллекторских свойств, акустической жесткости скелета пород, насыщающих их флюидов и частоты упругих колебаний в среде.

Сведения об упруго-механических свойствах горных пород необходимы при определении режимов испытания скважины для принятия мер по сохранению ствола скважины, исключающих раскрытие естественных и образование новых трещин, образование каверн, желобов, обрушение пород со стенок скважины, вытекание пластичных глин, сужение ствола и другие, не предусмотренные технологией бурения осложнения.

Интервальное время при нормальных пластовых условиях для чистых плотных глин, которые часто являются покрышкой нефтяных и газовых залежей, зависит главным образом от глубины залегания пласта и в какой-то степени характеризует их поровое давление. Аномальное увеличение или уменьшение (отклонение от нормального градиента давления с глубиной) дифференциального давления ослабляет или повышает упругость между зернами, в связи с чем изменяется установленная для глин величина интервального времени. На этой основе разработана методика прогнозирования зон с аномально высокими или с аномально низкими пластовыми давлениями в процессе бурения скважины. Для решения этой задачи, кроме акустического каротажа, проводят электрический и плотностной каротаж.

Скорость волн зависит не только от минерального состава пород и их насыщения, но и от литологических особенностей пород, их глинистости, степени сцементированности и других факторов. Так, скорость распространения волн в породе уменьшается, а интервальное время увеличивается с ростом коэффициента пористости . (Во многих случаях зависимость Δ t от  близка к прямолинейной).

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 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.

Амплитуда упругих колебаний А характеризует энергию волны. По мере удаления от источника поля амплитуда продольных  и поперечных  волн затухает вследствие поглощения энергии окружающей средой. При удалении от излучателя энергия волн и амплитуда колебаний уменьшаются вследствие: расхождения энергии во все больший объем неидеально упругой среды (в результате расширения фронта волны при ее движении); рассеивания и дифракции волн на неоднородностях среды; отражения и преломления на границах сред с различными скоростями распространения колебаний. Коэффициент затухания упругих колебаний – α увеличивается с ростом коэффициента пористости горных пород, их глинистости и трещиноватости, а также газоносности пород, увеличиваясь с повышением этих параметров.

Коэффициент поглощения энергии (параметр затухания) а на участке горной породы между элементами измерительной установки определяется выражением

                                           ,                                (3.20)

где l – база зонда (расстояние между сближенными элементами); ,  – амплитуды колебаний, принятых первым и вторым приемниками; а выражается в 1/м.

 

Параметр затухания зависит от пористости, характера насыщения и структуры скелета пород. Повышенные значения а наблюдаются в глинистых и плотных трещинно-кавернозных породах, к которым наиболее чувствителен параметр . Эта связь положена в основу методики выделения в разрезе скважин зон с развитой трещинностью, которые могут оказаться коллекторами нефти и газа.

Амплитуды  и  акустических колебаний, воспри-нимаемые приемниками, измеряются в милливольтах, а                     α = (1/ S) ln – в децибелах. (В некоторых случаях пользуются относительной амплитудой колебаний – отношением амплитуды А регистрируемой волны к наибольшему значению амплитуды против опорного пласта , т.е. . При этом за опорный пласт принимается мощный пласт плотных пород с наибольшей амплитудой ).

Ослабление и затухание упругих колебаний особенно сильно проявляется при ультразвуковой частоте 15–35 кГц, используемой в акустическом каротаже.

Основной помехой при акустическом каротаже по затуханию является наличие акустического сопротивления при переходе упругой волны на границах: скважинный прибор – промывочная жидкость – порода. Это сопротивление характеризуется сильной изменчивостью и оказывает значительное влияние на результаты измерений. Так, пузырьки газа растворенного в буровом растворе, в сотни раз увеличивают затухание акустических волн и сигнал до приемника зачастую не доходит.

Кроме того, для получения достоверной информации глубинный прибор акустического каротажа необходимо строго центрировать в скважине с помощью специальных центрирующих приспособлений – центраторов по всему интервалу исследования. Исследованиями установлено, что эксцентриситет прибора не должен превышать 8 мм (при частоте излучаемых колебаний       25 кГц), а перекос прибора – всего 0,4 град.

(Для акустического прибора «CBL» фирмы «Schlumberger» эксцентриситет в 10 мм приводит к уменьшению регистрируемой амплитудыакустической волны на 50 %).