Акустические методы исследования скважины. Физические основы методов. Распространение упругих волн в скважине

Основаны на изучении полей упругих колебаний в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот. Можно подразделить на методы естественных и искусственных акустических полей.

Методы естественных полей изучают колебания, создаваемые различными естественными (технологическими) причинами. Сюда относятся: а) метод выделения газоотдающих интервалов в скважинах путем регистрации шумов, возникающих при поступлении газа или нефти в ствол скважины (шумометрия); б) методы изучения шумов при бурении с целью определения характера проходимых пород по спектру колебания инструмента; в) метод определения горизонтальной проекции текущего забоя на земную поверхность путем установления точки с максимумом мощности колебаний на поверхности земли.

Основное применение получили методы искусственных акустических полей, в которых изучают распространение волн от излучателя, расположенного в скважинном приборе. Существуют две основные технологии метода: а) основанная на изучении времени прихода; б) основанная на изучении затухания амплитуды колебаний.

Физические основы акустического метода. В среде могут возникать волны двух типов — продольные Р и поперечные S. Поперечные волны возникают и распространяются лишь в твердых телах. Скорости распространения волн зависят от плотности и упругих свойств среды (модулей Юнга и сдвига). Скорость V_S в 1,5 — 2 раза ниже V_P. Интервальное время Δt = 1/V_P.

Величины V_P и V_S для рыхлых горных пород существенно зависят от глубины залегания и от эффективного напряжения σ-р, т. е. разности горного σ и гидростатического р давлений. Скорость распространения волн в породе уменьшается, а интервальное время увеличивается с ростом коэффициента пористости k_П. Во многих случаях зависимость Δt от k_П близка к прямолинейной: Δt = Δt_ТВ(1 - k_П) + Δt_Жk_П = Δt_ТВ + k_П(Δt_Ж - Δt_ТВ) - уравнение среднего времени. Скорость волн зависит не только от минерального состава пород и их насыщения, но и от литологических особенностей пород, их глинистости, эффективного напряжения, степени сцементированности породы и других факторов.

При удалении от излучателя энергия волн и амплитуда колебаний уменьшаются вследствие расхождения, а также из-за процессов поглощения энергии, рассеяния на микронеоднородностях горной породы. Уменьшение энергии Е и амплитуды А плоской волны происходит по законам: A=A₀·e^-α^r, E=E₀·e^-2α^r.

При распространении волн в системе скважина-пласт закон ослабления имеет вид E=E₀·e^-2α^r/rⁿ. Коэффициент затухания α увеличивается с ростом коэффициента пористости горных пород, с ростом их глинистости и особенно трещиноватости. α_РВ<α_РН<α_РГ, α_SВ<α_SН<α_SГ.

Простейший двухэлементный зонд акустического метода содержит излучатель упругих колебаний И и приемник колебаний П. Расстояние L между ними называется длиной зонда. Для уменьшения влияния скважины и перекоса прибора в скважине применяют трех- и четырехэлементные зонды. Расстояние S между одноименными элементами трехэлементного зонда называют базой (определяет вертикальную разрешающую способность метода). Зонды обозначают последовательностью букв И и П (излучатель и приемник), между которыми проставляют расстояния в метрах. Для акустического метода, как и для электрического, справедлив принцип взаимности.

При проведении акустических исследований наблюдаются упругие волны: прямая гидроволна Р₀, отраженная волна Р₀Р₀, преломленные продольная P₀P₁P₀ и поперечная P₀S₁P₀ (0-среда – скважина, 1-среда - породы). Кроме того, могут наблюдаться поверхностные волны, распространяющиеся по стенке скважины, волны, отраженные от границ пластов, трещин и т. д. Преломленные волны — основной объект изучения. 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. Проще всего определяются при AM время поступления и амплитуда волны (по ним судят о скорости и коэффициенте затухания волн в породе), приходящей к приемнику первой (первое вступление волн). Наибольшая скорость распространения - преломленная продольная волна P₀P₁P₀.

В обсаженной скважине волновая картина еще больше усложняется. В частности, дополнительно возникает волна сжатия (St – Лейнба-Стоунли), распространяющаяся по обсадной колонне. 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.

Измерение времен и амплитуд отраженных волн позволяет исследовать внутреннюю поверхность обсадной колонны (положение муфт, перфорационных отверстий, дефектов колонны). Аппаратура акустического каротажа на отраженных волнах («акустический телевизор», АК-сканер) позволяет получать растровое отображение стенки скважины или обсадной колонны по интенсивности отраженных высокочастотных упругих импульсов.

Аппаратура акустики.

В аппаратуре для изучения упругих свойств горных пород (V_P, V_S, α_P, α_S) используют зонды с тремя элементами и более. Трех элементов достаточно, чтобы определить величины Δt (интервальное время Δt = 1/V_P) и α, не искаженные влиянием скважины. Пример зонда П1И₁_SИ₂. При этом регистрируют величины Δt = (t₂ – t₁)/S и α = (1/S)ln(A₁/A₂), где t_i — время прихода к приемнику преломленной волны i-го излучателя; Δt — ее амплитуда.

Как видно на рисунке, разность времен прихода волн от двух излучателей равна: И’₁И’₂/V = S/V = SΔt. различие ослабления волн, идущих к приемнику от разных излучателей, обусловлено лишь ослаблением на пути И`₁И`₂, т. е.: A₂/A₁=e^-α^S.

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 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 поддаются 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.

Пьезоэлектрический эффект - 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 приёмники 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. 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. 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 А₁/А₂) 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 рисунке. 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 У 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 б от блока ВВ). Таким образом, длительности импульсов 9 равны временам t_i прохождения волн от излучателей до приемника.

Коммутирующее устройство (не показанное на рис. 62 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 t₂ и t₁ волн от соответствующих излучателей. Регистрируя эти токи, получают (в некотором масштабе) диаграммы изменения t₂ и t₁ 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 A, 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 А₁/А₂.

В наиболее совершенных видах аппаратуры осуществляется цифровая регистрация полной волновой картины для всех срабатываний излучателей. Это в сочетании с обработкой результатов на ЭВМ и применением широкополосных излучателей («волновой акустистический каротаж» — ВАК), позволяет повысить надежность и полноту выделения различных типов волн (многоволновые методы). Это повышает надежность и детальность решения традиционных задач акустических методов (определение пористости, выделение трещинных пород, изучение состояния цементного 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 скважины (акустические каверномер и профилемер), судить о строении стенок (акустические телевизоры). При исследовании этими приборами на стенку скважины направляют короткий импульс высокочастотной (0,1-10 МГц) упругой волны. Приемник регистрирует отраженную волну. Излучатель и приемник непрерывно вращаются с помощью электродвигателя вокруг вертикальной оси. На оси мотора размещен также азимутный отметчик, вырабатывающий импульс в момент пересечения лучом плоскости магнитного меридиана. Сигнал приемника передается на поверхность, где в наземной аппаратуре акустических телевизоров этот сигнал используется для модуляции яркости луча электронно-лучевой трубки, так же как в обычных телевизорах. В результате на экране ЭЛТ возникает изображение стенок скважины, где достаточно ясно видны трещины, каверны в породах или обсадной колонне.