Акустический каротаж по скорости и затуханию

Содержание

Введение……………………………………………………………………3

1.Физические основы акустического каротажа……………………………..…

2.Акустический каротаж по скорости и затуханию…………………………...

3.Форма кривой при акустическом каротаже и определение границ пластов………………………………………………………………………….....

4.Аппаратура акустического каротажа……………………………...…………

 

5.Вывод………………………………………………………………………..…..

Список использованной литературы

 

 

Введение

        Акустический каротаж (АК) 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 приемниками, расположенными в той же скважине.

         Акустический каротаж (АК) основан на изучении полей упругих волн в скважинах и заключается в измерении скорости распространения упругих волн ультразвуковой (УЗ) частоты и их затухания.

Для АК обычно используются так называемые "трехэлементные" зонды, содержащие два излучателя и  один приемник упругих волн или, наоборот, два приемника и один излучатель. Излучатели, как правило, магнитострикционного типа, приемники - пьезоэлектрического.

Излучатели  периодически посылают пакеты из 3-4 периодов УЗ колебаний с частотой 10-75 кГц  с колоколообразной формой огибающей. Частота посылки самих пакетов - 12,5-25,0 Гц.

Упругие импульсы от источников, пройдя через буровой  раствор, возбуждают колебания в  стенках скважины. Упругие колебания, попадающие на стенку скважины под  углом полного внутреннего отражения, возбуждают в ней скользящую преломленную волну, которая распространяется со скоростью, присущей данной горной породе, достигает приемника. Затухание  упругих волн зависит от состава  горных пород, пористости и состава  флюида в порах (в газе затухание - больше, чем в жидкости), а скорость их распространения - от состава и  пористости.

Кроме пористости и характера насыщения, по АК может  быть определено положение контактов  и мощность пластов, отличающихся по своим акустическим свойствам.

 

 

 

1. Физические основы акустического каротажа

акустический каротаж горная порода звуковой пласт

B естественном залегании горные породы практически являются упругими телами. Если в элементарном объеме некоторой упругой среды в течение короткого времени действует внешняя возбуждающаяся сила, в среде возникают напряжения, вызывающие относительное перемещение частиц. Это ведет к возникновению двух типов: 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 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

 

 

Рис.1. Прохождение волны через границу двух сред (а) и распространение упругих волн от расположенного в скважине импульсного сферического излучателя (б)

α — угол падения (угол между лучом падающей волны и перпендикуляром к границе раздела); а' — угол отражения; β — угол преломления (угол луча проходящей волны с перпендикуляром к границе раздела); v₁ и v₂ скорости распространения волн в средах I и II; фронты волн в последовательные моменты времени t₁ , t₂, … , t_n+2: 1 - падающей (прямой) P₁, 2 – проходящей P₁₂, 3 — головной P₁₂₁, 4 — отраженной P_11, 5 — ось скважины

 

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 (рис. 1, 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

 

sin α /sin β = v₁/v₂.

 

При v₂<v₁ луч проходящей волны удаляется от границы раздела, при v₂>v₁ приближается к ней и, начиная с некоторого критического угла падения i, удовлетворяющего условию sin i = v₁/v₂^, cскользит вдоль границы раздела, а угол преломления β становится равным 90°.

Начиная с критических точек, фронт проходящей волны двигается вдоль границы с постоянной скоростью v₂, в то время как скорость движения фронта падающей волны по границе становится меньшей v₂ и продолжает уменьшаться, стремясь, по мере увеличения угла падения, к значению истинной скорости в покрывающем слое, т. е. v₁. 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 (см. рис. 1, 6). В момент t = 0 от излучателя поступает импульс упругих колебаний и начинает распространяться падающая продольная волна Р₁, обладающая сферическим фронтом. В момент t₁ фронт такой волны достигает стенки скважины, что вызывает возникновение вторичных волн — отраженной Р₁₁, проходящих продольной Р₁₂ (со скоростью v_p) и поперечной P₁S₂ (со скоростью v_s2), которая на рис. 1, б не показана (v_s2 < v_P2).

В точке А в момент t₂ фронт падающей волны образует со стенкой скважины критический угол i_P, 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. 1, б лучом Л. В течение некоторого времени t к приемнику последовательно приходят следующие волны: головная Р₁₂₁, проходящая поперечная Р₁S₁Р₁ и продольная прямая по раствору Р₁ со скоростью v_p, меньшей v_P2, и v_S2. Отраженные волны Р₁₁ обладают малой энергией и большим углом падения (α≈ 90°) и приемником не отмечаются. В действительности вследствие интерференции волн и отражений от границ пластов волновое поле имеет более сложный вид.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Акустический каротаж по скорости и затуханию

 

По типу регистрируемых акустических параметров различают акустический каротаж  по скорости и затуханию. Основным зондом, применяемым в акустическом каротаже, является трехэлементный (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Установка  акустического каротажа (трехэлементный зонд)

И – излучатель, П1 и П2 – приемники, S – длина базы зонда

 

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

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

В используемой при АК ультразвуковой установке излучатель посылает импульс колебаний, состоящие из трех-четырех периодов (6—8 фаз) с колокольной формой огибающей (см. рис. 3, а). Как видно, 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/Т.

 

График  колебаний (волновой картины), воспринимаемых приемниками, изображен на рис. 3, б. На графике отмечены первое вступление (1), колебания продольной головной волны Р₁₂₁ (2), поперечной головной волны Р₁ S₂ Р₁ (3) и прямой Р_п, идущей по промывочной жидкости, трудно разделимых.

 

 

Рис. 3. Волновая картинка, полученная при записи упругих колебаний приемниками трехэлементного зонда

а - график колебаний продольной волны; б - I - запись ближним приемником; II - запись дальним приемником; III - марки времени (через 100 мкс); пластовая скорость распространения волны v_пл = 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

 

Акустический каротаж по скорости основан на изучении скорости распространения упругих волн в горных породах, вскрываемых скважинами путем измерения интервального времени ∆t = (t₂ — t₁)/S [мкс/с]. На рис. 2 дано схематическое изображение изломанного луча, по которому колебания от излучателя через породу приходят к приемникам (путь волны). Время пробега ∆t упругой волны на единицу длины и ее скорость v_п определяются по разности времен вступления на втором и первом приемниках (t₂ — t₁).

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 t₂ и t_1, 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 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.

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^-αАКl раз.

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 — окружающие среда и промывочная жидкость — порода. Это сопротивление характеризуется сильной изменчивостью и оказывает значительней влияние на величины измерений, которые не поддаются учету. Для приема продольной головной волны в одинаковых условиях по всему разрезу глубинный прибор акустического каротажа необходимо строго центрировать в скважине или прижать к ее стенке.