книги / Геофизические исследования скважин

Т а б л и ц а 4. Скорость vp , интервальное время At =1/г>р и коэффициент затухания а р продольных волн в некоторых минералах и горных породах

П р и м е ч а н и я : Значения а^ даны для нетрещиноватых минералов и пород._______

При удалении от излучателя энергия волн и амплитуда колебаний уменьшаются вследствие расхождения, т. е. увеличения протяжен­ ности 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

где г — расстояние от излучателя до точки наблюдения; а — а м п ­ л и т у д н ы й к о э ф ф и ц и е н т п о г л о щ е н и я (затухания).

Для сферических волн (вокруг точечного источника в однородной среде) Е =Е0 • е~2аг/ г 2, А - А 0 • е~аг/г для цилиндрических волн

Е=Е0 ■е -2аг/г, А=А0 ■ .

При распространении волн в системе скважина — пласт закон ос­ лабления имеет вид Е=Е0 ■е ~2ur/ r ", но поскольку показатель степе­ ни п обычно точно не известен, то ослабление часто аппроксимируют формулами (Ш.2), а величину а, определяемую при таком предполо­ жении, называют э ф ф е к т и в н ы м к о э ф ф и ц и е н т о м з а т у ­ х а н и я . Коэффициент затухания увеличивается с ростом коэффи­ циента пористости горных пород, с ростом их глинистости и особен­ но трещиноватости.

Коэффициенты поглощения Р-волн (ар)и S'-волн (а5) в газоносных (индекс «г»), нефтеносных («н») и водоносных («в») пластах распола­ гаются в ряд: а рв < а рн < а рг, а 5В> а 5Н> а 5Г.

101

Различный знак влияния нефте- и газонасыщения на затухание волн облегчает использование коэффициентов затухания упругих волн а р и ocs для разделения нефте-, газо- и водонасыщенных пород на фоне помех, обусловленных трещиноватостью пород, изменения­ ми их пористости, которые вызывают изменение a s и а р одного зна­ ка. Однако влияние характера насыщения на значения а р и a s вели­ ко (до 200— 400%) лишь в рыхлых отложениях. В крепкосцементи­ рованных отложениях оно может снизиться до 10— 20% и даже ниже.

Простейший двухэлементный зонд акустического метода со­ держит излучатель упругих колебаний Я и приемник колебаний П (рис. 58). Расстояние I между ними называется длиной зонда. Для уменьшения влияния скважины и перекоса прибора в скважине при­ меняют трех- и четырехэлементные зонды (рис. 58, б, в). Расстояние s между одноименными элементами трехэлементного зонда называ­ ют базой. Величина базы определяет вертикальную разрешающую способность акустического метода. Зонды AM обозначают последо­ вательностью букв И и П (излучатель и приемник), между которыми проставляют расстояния в метрах (см. рис. 58).

Для акустического метода, как и для электрического, справедлив принцип взаимности, заключающийся в том, что без изменения по­ казаний метода можно все излучатели заменить приемниками и од­ новременно все приемники излучателями. Например, вместо зонда ИэИШ можно в принципе применять зонд ПбШИ.

Ж Иг

ъ

102

При проведении акустических исследований наблюдаются упру­ гие волны различных типов: прямая гидроволна Р0, отраженная волна Р0Ро, преломленные продольная Р ^ Р ,, и поперечная P0SjP0 волны (рис. 59). Кроме того, могут наблюдаться поверхностные волны, рас­ пространяющиеся по стенке скважины, волны, отраженные от гра­ ниц пластов, трещин и т. д. Преломленные волны — основной объект изучения при AM. Они образуются, если угол падения волны на стен­ ку скважины превышает некоторое критическое значение. Поэтому для наблюдения таких волн необходимо, чтобы длина зонда также превышала некоторое критическое значение. Отражение и прелом­ ление 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 до­ вольно сложную форму.

Проще всего определяются при AM время поступления и ам­ плитуда волны, приходящей к приемнику первой (первое вступление волн). Наибольшая скорость распространения характерна для пре­ ломленной продольной волны Р ^ Р ^ Поэтому при не слишком ма­ лом размере зонда эта волна обгоняет волны других типов и посту­ пает к приемнику первой (рис. 60).

Это облегчает выделение аппаратурой волны Р 0Р ХР 0, авто­ матическое определение ее амплитуды А и времени поступления t. По этим величинам судят о скорости и коэффициенте затухания волн

впороде.

Вобсаженной скважине волновая картина еще больше ус­ ложняется. В частности, дополнительно возникает волна сжатия,

Рис. 60. Примеры волновых картин в плотных (а) и трещ инных (б) породах

ЮЗ

распространяющаяся по обсадной колонне (колонная волна). Ее амп­ литуда зависит от степени сцепления колонны с цементным камнем. Чем лучше сцепление, тем легче энергия волны рассеивается в ок­ ружающую среду и тем ниже амплитуда колонной волны. Это явле­ ние используют в акустических приборах для определения качества цементирования.

Измерение времен и амплитуд отраженных волн позволяет ис­ следовать внутреннюю поверхность обсадной колонны (положение муфт, перфорационных отверстий, дефектов колонны). Аппаратура акустического каротажа на отраженных волнах («акустический те­ левизор», АК-сканер) позволяет получать растровое отображение стенки скважины или обсадной колонны по интенсивности отражен­ ных высокочастотных упругих импульсов. Измерительный преобра­ зователь АК-сканера представляет собой совмещенный излучательприемник упругих колебаний, вращающийся вокруг оси скважин­ ного прибора.

Аппаратура для акустических исследований

В современной аппаратуре для изучения упругих свойств горных пород (цр, vs, а р, а 8) используют зонды с тремя элементами и более.

Трех элементов достаточно, чтобы определить величины At и а, не искаженные влиянием скважины (если ось прибора параллельна оси скважины, а диаметр скважины и ее заполнение постоянны в ин­ тервале между крайними элементами зонда). Убедимся в этом на при­ мере зонда П1И1зИ2 (рис. 61).

где tt— время прихода к приемнику преломленной волны г-го излу­ чателя; Аг — ее амплитуда.

Как видно на рис. 61, отрезки И[И1и И2И2параллельны; време­ на прохождения волн на этих отрезках одинаковы, а часть пути И{ТТП является общей для волн, идущих от разных излучателей. Поэтому разность времен прихода волн от двух излучателей равна

M{M2/v = s /v = sAt.

Аналогично различие ослабления волн, идущих к приемнику от разных излучателей, обусловлено лишь ослаблением на пути И{И2> т. е.

Легко заметить, что полученное выражение эквивалента форму­ ле (Ш.2).

Можно легко доказать, что, используя четырехэлементный зонд, изображенный на рис. 58 в, и вычислив полусумму разностей At1 и At2, определенных для трехэлементных зондов И1П1П2и П1П2И2, по­ лучим истинное значение At даже в случае, если ось прибора не па­ раллельна оси скважины.

104

Магнитострикционным излучателям обычно придают форму ци­ линдров, соосных с кожухом скважинного снаряда и имеющих диа­ метр, близкий к диаметру последнего. Внутри магнитостриктора имеются каналы для обмотки катушки возбуждения.

На обмотку излучателя поддаются импульсы тока от специаль­ ного импульсного генератора. После подачи импульса тока магнитостриктор начинает колебаться с собственной частотой, пропор­ циональной скорости упругих волн в материале магнитостриктора и обратно пропорциональной его диаметру.

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

В необсаженных скважинах, а также в цементомерах применяют излучатели на 25 кГц; для исследования разрезов обсаженных сква­ жин используют более низкие частоты. Применение низкочастотных колебаний способствует увеличению глубинности метода и сниже­ нию 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.

П ь е з о э л е к т р и ч е с к и м э ф ф е к т о м называют появление электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов при их сжа­ тии или растяжении. Пьезоэлектрические свойства ярко выражены у кристаллов кварца, сегнетовой соли и др. В скважинной аппарату­ ре используются в основном пьезоэлектрические приемники из ке-

105

рамики титаната бария (ВаТЮ3) и некоторых других соединений. Приемники обычно имеют вид полых цилиндров, на внешней и внут­ ренней поверхности которых находятся электроды.

В акустическом методе требуется защ ита приемников от пря­ мых упругих колебаний (помех), проходящих по корпусу прибо­ ра. Для этого между излучателями и приемниками размещают акустические изоляторы, обладающие высоким коэффициентом затухания волн или ж е большим временем задержки, обеспечи­ вающим приход волн-помех к приемнику позже полезных волн. В качестве акустических изоляторов чаще всего, применяют пос­ ледовательность элементов, изготовленных попеременно из ме­ талла и резины.

Любая аппаратура акустического метода содержит глубинный прибор (скважинный снаряд, зонд) I и наземную аппаратуру II, со­ единенные кабелем К (рис. 62). Глубинный прибор предназначен для излучения и приема упругих колебаний, усиления и передачи в ли­ нию 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 Я (один или несколько) и соответствующее число усилителей У.

Излучатели и приемники разделены акустическими изоляторами (на рис. 62 не показаны). В глубинном приборе (иногда в наземной аппаратуре) имеются также схема управления срабатыванием ге­ нераторов УГ, блоки питания и др.

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

Наиболее распространенная структура наземной части аппара­ туры содержит схему присоединения к кабелю СП, блок выделения синхроимпульса ВСИ, усилитель У, блоки выделения первых вступ­ лений волны ВВ, блоки определения времени t и амплитуды волн А. Для вычисления интервального времени At по значениям ^ и t2и ко­ эффициента затухания а (или отношения А 1/А 2) по значениям А 1и Аг имеется вычислитель В.

Основные моменты работы аппаратуры AM можно понять из ди­ аграмм (эпюр), приведенных для трехэлементного зонда с двумя из­ лучателями на рис. 62, б. Излучатели И1и И2попеременно излучают пакеты волн, изображенные на эпюрах 1 и 2. Моменты их срабаты­ вания определяются схемой управления генераторами УГ. Одновре­ менно с подачей импульсов в обмотку излучателя генератор Г через схему присоединения к кабелю СП посылает на поверхность синх­ роимпульс 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 У передают­ ся через схему на кабель и далее на поверхность.

106

Рис. 62. Обобщенная блок-схема аппаратуры AM (а) и сигналы в ней (б)

В наземной аппаратуре сигналы от приемника и синхроим­ пульсы попадают на усилитель У2 и блок выделения синхроим­ пульсов ВСИ.

Блок ВСИ не пропускает сигнал приемника, но пропускает синх­ роимпульсы, 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 заканчи ­ вающиеся при вступлении волны (при поступлении импульса 6 от блока ВВ). Таким образом, длительности импульсов 9 равны време­ нам t, прохождения волн от излучателей до приемника.

107

Коммутирующее устройство (не показанное на рис. 62 и уп­ равляемое синхроимпульсами) подает импульсы с выхода блока по­ переменно на интегрирующие ячейки двух каналов. Они вырабаты­ вают постоянные токи, пропорциональные длительностям импуль­ сов 9, т. е. временам прихода t2 и t x волн от соответствующих излучателей. Регистрируя эти токи, получают (в некотором масшта­ бе) диаграммы изменения t2 и tj по глубине скважины. Сигналы од­ новременно поступают на вычислитель, где вычисляется их разность, и на третий канал регистратора, регистрирующий диаграмму интер­ вального времени.

Сигналы с выхода усилителя У2 подаются такж е на вход из­ мерителя амплитуды А, предварительно они проходят через элект­ ронный 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 (ре­ гистратором), а также подаются в вычислитель В для вычисления а или А х/А г

В некоторых приборах имеются блоки волновой картины ВК, ф а­ зокорреляционных диаграмм ФКД. Блок ВК позволяет выборочно или заданным шагом по глубине фотографировать с экрана элект­ ронно-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 време­ ни (рис. 63). Блок ФКД, являющийся наиболее информативным, хотя и относительно сложным видом регистрации сигналов, осуществ­ ляет непрерывную запись волновых картин следующим образом (рис. 64). Луч электронно-лучевой трубки разворачивается пило­ образным напряжением (эпюр 2), подаваемым генератором развер­ тки ГР на горизонтальную систему отклонения ЭЛТ, начиная с мо­ мента поступления синхроимпульса СИ (эпюр 1).

Сигналы 3 от приемника зонда поступают на пороговую систему Л, выделяющую лишь положительные полуволны сигналов или выра­ батывающую импульсы в момент смены знака сигнала с положитель-

108

6

Рис. 64. Блок-схема записи фазокорреляционной диаграммы (а) и сигналы в ней (б)

ного на отрицательный, т. е. 1 раз в видимый период сигнала. Эти им­ пульсы в первом случае непосредственно, а во втором после форми­ рования формирующим каскадом Ф (эпюр 4) подаются на модулятор яркости ЭЛТ. На экране ЭЛТ высвечивается ряд точек. Расстояние между соседними точками пропорционально видимому периоду, а рас­ стояние 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 со­ здают изображения в виде диаграмм фазовых линий (эпюр 5) и по­ зволяют получать диаграмму ФКД.

В наиболее совершенных видах аппаратуры осуществляется цифровая регистрация полной волновой картины для всех сраба­ тываний излучателей. Это в сочетании с обработкой результатов на ЭВМ и применением широкополосных излучателей («волновой акустистический каротаж» — ВАК), позволяет повысить надеж ­ ность и полноту выделения различных типов волн (многоволно­ вые методы). Это повышает надежность и детальность решения традиционных задач акустических методов (определение порис­ тости, выделение трещинных пород, изучение состояния цемент­ ного камня) и дают надежду на решение других, более сложных и тонких задач.

Специальные акустические приборы, регистрирующие время прихода и амплитуду волн, отраженных от стенок скважины (или обсадной колонны), позволяют определять диаметры и профиль сква­ жины (акустические каверномер и профилемер), судить о строении стенок (акустические телевизоры).

При исследовании этими приборами на стенку скважины направ­ ляют короткий импульс высокочастотной (0,1 — 10 МГц) упругой вол­ ны. Приемник регистрирует отраженную волну. Излучатель и при­ емник непрерывно вращаются с помощью электродвигателя вокруг вертикальной оси. На оси мотора размещен также азимутный отмет­ чик, вырабатывающий импульс в момент пересечения лучом плос­ кости магнитного меридиана.

109

Сигнал приемника передается на поверхность, где в наземной ап­ паратуре акустических телевизоров этот сигнал используется для модуляции яркости луча электронно-лучевой трубки, так же как в обычных телевизорах. В результате на экране ЭЛТ возникает изоб­ ражение стенок скважины, где достаточно ясно видны трещины, ка­ верны в породах или обсадной колонне.

В настоящее время разработана аппаратура акустического цементомера и телевизора (АРКЦ-Т и CAT — НПФ «Геофизика) ре­ гистрирующая изменения отражающей способности системы «ко- лонна-цементный камень» при сканировании колонны ультразву­ ковыми импульсами. В ап п аратуре CAT (а такж е А РК Ц -Т)

ультразвуковы е импульсы от вращающегося с постоянной уг­ ловой скоростью пьезокерами­ ческого преобразователя (см. рис. 65) через акустический про­ зрачный экран падают на внут­ реннюю стенку колонны и после отражения от нее принимаются тем же преобразователем. Отра­ женные от внутренней стенки колонны акустические импуль­ сы формируют на выходе пьезо­ электрического преобразователя электрическое напряжение, ко­ торое усиливается, обрабатыва­ ется в блоке электроники и по­ дается в наземную панель по геофизическому кабелю. В элек­ тронной схеме наземной панели формируется видеосигнал, ко­ торый подается в отклоняющую систему кинескопа для визуали­ зации отраж енной звуковой волны. В наземной панели при­ сутствует система фоторегист­ рации изображения внутренней поверхности колонны на фото­ пленку с указанием меток глу­

110