Глава 5. Акустический каротаж

Акустический каротаж (АК) основан на изучении характеристик упругих волн ультразвукового и звукового диапазона в горных поро- дах. При АК в скважине возбуждаются упругие колебания, которые распространяются в ней и в окружающих породах и воспринимаются приемниками, расположенными в той же скважине.

В естественном залегании горные породы практически явля- ются упругими телами. Если в элементарном объеме некоторой упругой среды в течение короткого времени действует внешняя возбуждающаяся сила, в среде возникают напряжения, вызываю- щие относительное перемещение частиц.

Это ведет к возникновению двух типов деформации: дефор- мации объема (растяжения, сжатия) и деформации формы (сдвига). Процесс последовательного распространения деформации называ- ется упругой сейсмической волной, которая, распространяясь во все стороны, захватывает все более удаленные области. Поверх- ность, 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 назва- ние лучей. В однородной среде лучи прямолинейны, а в неодно- родной они имеют криволинейную форму. Распространение фрон- та 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 вол- ны. Различают два типа волн – продольные Р и поперечные S.

Продольная волна несет с собой только деформации объема. Распространение продольной волны представляет собой переме- щение зон растяжения и сжатия; частицы среды совершают коле- бания около своего первоначального положения в направлении, совпадающем с направлением распространения волны (рис. 37, а). Поперечная волна связана с деформацией формы; распространение

ее сводится к скольжению слоев среды относительно друг друга; частицы среды совершают колебания около своего первоначально- го положения в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны (рис. 37, б). Поперечные волны могут су- ществовать только в твердых телах.

 

 

Рис. 37. Схема смещения частиц среды при распространении продольных (а) и поперечных (б) волн

Если упругая волна достигает границы раздела двух сред с различными упругими свойствами, часть энергии волны отража- ется – образуется отраженная волна, а часть проходит через грани- цу – проходящая волна (рис. 38 и 39).

Отраженная волна возникает в том случае, если волновое со- противление (произведение плотности на скорость) у одной среды больше, чем у другой. Волна, проходящая через границу раздела, изменяет свое направление – луч преломляется. Из законов гео- метрической сейсмики следует, что

sin α / sin β = V ₁ / V ₂,

где α – угол падения (угол луча падающей волны с перпендикуля- ром к границе раздела); β – угол преломления (угол луча прохо- дящей волны с перпендикуляром к границе раздела; V ₁ и V ₂ – ско- рости распространения волны в средах I и II (см. рис. 38 и 39).

Рис. 38. Прохождение волны через границу двух сред (I и II)

Рис. 39. Прохождение волны через границу двух сред (а)

и распространение упругих волн от расположенного в скважине импульсного сферического излучателя (б):

a – угол падения (угол между лучом падающей волны и перпендикуляром к границе раздела); a ' – угол отражения; b – угол преломления

(угол луча проходящей волны с перпендикуляром к границе раздела); V 1, V 2 – скорости распространения волн в средах I и II; фронты волн в последовательные моменты времени t 1, t 2, …, t n+2: 1 – падающей (прямой) Р 1; 2 – проходящей Р 12; 3 – головной Р 121;

4 – отраженной Р 11; 5 – ось скважины

При V ₂ < V ₁ луч проходящей волны удаляется от границы раз- дела, при V ₂ > V ₁ приближается к ней и, начиная с некоторого кри- тического угла падения i, удовлетворяющего условию

sin i = V ₁ / V ₂,

скользит вдоль границы раздела, а угол преломления становится равным 90º.

Начиная с критических точек, фронт проходящей волны дви- гается вдоль границы с постоянной скоростью V ₂, в то время как скорость движения фронта падающей волны по границе становит- ся меньше V ₂ и продолжает уменьшаться, стремясь, по мере увели- чения угла падения, к значению истинной скорости в покрываю- щем слое, т. е. V ₁. 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. 39, б). В мо- мент t = 0 от излучателя поступает импульс упругих колебаний и начинает распространяться падающая продольная волна Р ₁, обла- дающая сферическим фронтом. В момент t ₁ фронт такой волны дос- тигает стенки скважины, что вызывает возникновение вторичных волн – отраженной Р ₁₁, проходящих продольной Р ₁₂ (со скоростью V_{P 2}) и поперечной Р ₁ S ₂ (со скоростью V_{S 2}), которая на рис. 40, б не пока- зана (V_{S 2} < V_{P 2}).

В точке А в момент t ₂ фронт падающей волны образует со стенкой скважины критический угол i_p, фронт проходящей вол- ны скользит вдоль стенки скважины и обгоняет падающую вол- ну Р ₁ и отраженную Р ₁₁, т. к. V_{P 2} > V_{P 1}. Проходящая волна Р ₁₂, скользя вдоль границы раздела, ведет к образованию новой вол- ны Р ₁₂₁ – головной. Фронт этой волны имеет коническую по- верхность, наибольший диаметр которой совпадает с диаметром

скважины, а ось – с осью скважины. Головные волны, регистри- руемые приемником, первыми проходят от источника импульса до приемника следующий путь: датчик импульсов – промывоч- ная жидкость – порода – промывочная жидкость – приемник. Этот путь, сравнимый с путем головных (преломленных) волн в сейсморазведке, обозначен на рис. 39, б лучом Л. В течение некоторого времени t _к приемник последовательно получает сле- дующие волны: головную Р ₁₂₁, проходящую поперечную Р ₁ S ₂ P ₁ и продольную прямую по раствору Р ₁ со скоростью V_{P 1}, мень- шей V_{P 2} и Vs ₂.

Отраженные волны Р ₁₁ обладают малой энергией и большим углом падения (α₁ ≈ 90º) и приемником не отмечаются. В действи- тельности, вследствие интерференции волн и отражений от границ пластов волновое поле имеет более сложный вид.

Акустический каротаж в основном варианте сводится к оп- ределению скорости распространения упругих колебаний в пере- сеченных скважиной породах (АК по скорости); могут также оп- ределяться поглощающие свойства горных пород (АК по затуха- нию). Скорость распространения упругих волн в горных породах зависит от их минералогического состава, пористости и формы порового пространства и, следовательно, тесно связана с их ли- тологическими и петрографическими свойствами. Поглощающие свойства горных пород различаются еще больше, чем скорости распространения в них упругих волн, и зависят от геологическо- го характера пород. Среди горных пород выделяются по боль- шому ослаблению ими упругих колебаний газоносные, трещин- ные и кавернозные породы. Сильное влияние на затухание ока- зывает глинистость пород. Основным зондом, применяемым в АК, является трехэлементный (рис. 40), который состоит из возбуждающего упругий импульс излучателя И и двух располо- женных на некотором расстоянии от него приемников П1 и П2, воспринимающих колебания.

 

Рис. 40. Установка АК трехэлементного зонда:

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

Вместо двух приемников П1 и П2 могут быть установлены два излучателя И1 и И2, т. е. излучатель соответственно заменяется приемником. При такой перемене мест излучателей и приемников сущность зонда сохраняется. Расстояние между приемниками П1 и П2 является характерной величиной – базой S; длине зонда L _з со- ответствует расстояние от излучателя до ближайшего приемника.

В используемой при АК ультразвуковой установке излучатель посылает импульсы колебаний, состоящие из трех-четырех перио- дов (6–8 фаз) с колокольной формой огибающей (рис. 41). Как вид- но, в некоторый момент времени t ₀ частица приходит в движение. Первое отклонение ее от положения равновесия называют вступ- лением волны. Величину максимального отклонения называют амплитудой фаз волны; промежуток времени, разделяющий два со- седних максимума или минимума, – видимым периодом волны Т.

Преобладающей частотой волны является f = 1/ Т. График колеба- ний (волновой картины), воспринимаемых приемниками, изобра- жен на рис. 41, б. На графике отмечено первое вступление (1), ко- лебания продольной головной волны Р ₁₂₁ (2), поперечной головной волны Р ₁ S ₂ Р ₁ (3) и прямой Р _П, идущей по промывочной жидкости, трудно разделимых.

Акустический каротаж по скорости основан на изучении скорости распространения упругих волн в горных породах, вскрываемых скважинами путем измерения интервального вре- мени ∆ t = (t ₂ – t ₁)/ S (мкс/м).

На рис. 40 дано схематическое изображение изломанного лу- ча, 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 време- ни вступления на втором и первом приемнике (t ₂ – t ₁).

 

Рис. 41. Волновая картина, 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 п = 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

Часть пути от излучателя до приемника возбужденная волна проходит по промывочной жидкости и глинистой корке. Эти от- резки пути одинаковы для каждого из приемников, вычитаются из времени вступления t ₂ и t ₁, что обеспечивает исключение влияния скважины при измерениях трехэлектродным 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 / (t ₂ – t ₁),

или время пробега на единицу длины в трехэлементном зонде

∆ t = 1 / V _п = (t ₂ – t ₁)/ S.

Скорость распространения упругой волны в пласте V _п, опреде- ляемая при акустическом каротаже, называется пластовой, или интер- вальной, а ∆ t – интервальным временем пробега продольной волны.

Акустический каротаж по затуханию основан на изучении ха- рактеристик затухания упругих волн в породах, вскрываемых сква- жиной. Энергия упругой волны и амплитуда колебаний, наблюдае- мых в той или иной точке, зависят от многих факторов – мощности излучателя, расстояния от него до данной точки и характера горных пород. В однородной среде при распространении волны со сфериче- ским фронтом количество энергии, приходящейся на единицу объе- ма, уменьшается пропорционально квадрату расстояния от рассмат- риваемой точки до излучателя; амплитуда колебаний уменьшается обратно пропорционально этому расстоянию.

При акустическом каротаже измеряется скорость распростра- нения упругих волн в породе в интервале базы зонда. Породы, за- легающие за пределами базы, не влияют на измеряемые величины. Рассмотрим форму кривых АК для одиночных пластов различной мощности, размещенных в однородной вмещающей среде. Кривые получены для трехэлементного зонда, точка записи отнесена   к середине его базы S.

Мощный пласт (h > S) характеризуется симметричной анома- лией, ширина которой между точками отхода (точки отклонения от вмещающей среды) равна сумме мощности пласта и базы зонда (h + S). Вертикальный участок характеризует истинное время про- бега волны. Для пласта с пониженной скоростью распространения колебаний аномалия времени ∆ t будет положительной (рис. 42).

Рис. 42. Кривые интервального времени для пластов различной мощности: а – мощный пласт (h > S); б – тонкий пласт (h < S); 1 – известняк; 2 – глина; 3 – ось скважины

Тонкий пласт (h ≤ S) в однородной толще характеризуется симметричной аномалией. Если мощность пласта h = S, кривая имеет симметричную форму и значение ∆ t в максимуме (миниму- ме) дает представление об истинной пластовой скорости. Для тон-

ких пластов измеренная скорость V _к меньше их истинной скоро- сти V _к. В этом случае

1 / V _к = h / S · V _пл + (S – h) / S · V _вм,

или               ∆ t _к = (h / S) ∆ t _п + (1 – h / S) ∆ t _вм,

где V _вм, м – скорость распространения колебаний во вмещающих породах. Ширина аномалии между точками отхода равна h + S (рис. 42).

На рис. 43 приведена фактическая кривая АК; как видно, повы- шение глинистости ведет к увеличению ∆ t и коэффициента поглоще- ния α_ак, ослаблению амплитуд продольных головных волн (интервал 1706–1724). Трещинные и трещинно-кавернозные коллекторы выде- ляются среди гранулярных неглинистых пород, так же как и глини- стые, по уменьшению амплитуд А и увеличению α_ак.

Расстояние между приемниками (база S) характеризует раз- решающую способность зонда. Чем меньше база, тем более тонкие слои могут быть выделены на диаграмме АК. Однако уменьшение базы ведет к снижению точности измерений. На практике база ус- танавливается меньше мощности самого тонкого из интересующих нас слоев. При выборе длины зонда руководствуются тем, чтобы зона проникновения как можно меньше влияла на результаты оп- ределения скорости распространения волн в неизменной части пласта. Это достигается увеличением длины зонда, учитывая, что при использовании длинных зондов происходит снижение диффе- ренцированности кривой.

Расстояния от излучателя до приемника L _з и между приемни- ками S должны быть выбраны с учетом мощности источника для обеспечения уверенного выделения преломленных волн первого вступления и точности приема сигналов, поступающих от ближне- го и дальнего излучателей.

На практике применяется трехэлементный зонд И₂0,5 И₁1,5П и эквивалентный ему зонд П₂0,5П₁1,5И (расстояние между эле- ментами выражено в метрах).

 

Рис. 43. Литологическое расчленение разреза и выделение коллектора-песчаника по кривым АК: 1 – карбонатные породы (доломит); 2 – песчаник; 3 – глина (аргиллит); 4 – коллектор

Данные АК в комплексе с другими геофизическими методами дают возможность определить пористость пород; выделить грану- лярные коллекторы (рис. 44) и зоны трещиноватости и каверноз- ности в карбонатном разрезе; уточнить литологию разреза; полу- чить сведения о техническом состоянии скважин (высота подъема цементного кольца в затрубном пространстве и качество цемента- ции скважин); вычислить средние и пластовые скорости распро- странения упругих колебаний, используемых при интерпретации данных сейсморазведки.

 

Рис. 44. Выделение гранулярных коллекторов

в карбонатном разрезе (коллекторы заштрихованы)

Располагая диаграммами АК, можно сократить объем сейсмо- разведочных работ с целью выделения отражающих горизонтов и оценки качества отражений.

ГЛАВА 6. ДРУГИЕ ВИДЫ ГИС

Термометрия скважин

Измерение температуры по стволу скважины производят в целях изучения следующих явлений: естественного теплового поля Земли; местных (локальных) тепловых полей, наблюдаемых в скважине в процессе бурения и эксплуатации; искусственных тепловых полей, вызванных наличием в скважине промывочной жидкости и цементного раствора в затрубном пространстве. Резуль- таты температурных измерений в скважине являются основой для изучения теплового поля Земли и находят широкое применение для решения ряда практических задач при бурении и эксплуатации скважин.

Применение термометрии скважин заключается в следующем. Температурные измерения в скважине производят для решения как геологических задач, так и задач, связанных с изучением техниче- ского состояния скважин. Выбор способа измерения температур- ной кривой и масштаба ее регистрации определяется характером и детальностью решаемых задач.

Измерение абсолютных значений температуры Т (в ºС) в функ- ции глубины и времени (обычная термометрия) производится для решения следующих задач: определения основных геотермических параметров (геотермического градиента, геотермической ступени и плотности теплового потока), тепловой характеристики пород (теплопроводности или теплового сопротивления, температуро- проводности), изучения технического состояния скважин (высоты подъема цемента за колонной, наличия перетоков флюида в за- трубном пространстве и мест его поступления в скважину, выяв- ления интервалов поглощения жидкости или ее поступления из пласта в скважину в процессе бурения). Термограммы регистри- руются с точностью до 0,25–0,50 ºС.

Для выявления небольших температурных аномалий, исчис- ляемых десятыми и сотыми долями градуса, применяются методы

высокочувствительной термометрии. Последняя эффективно ис- пользуется при определении зон закачки газа в подземные газо- хранилища, глубины закачанного под давлением цемента, ме- стоположения продуктивного пласта и газонефтяного контакта, мест потери циркуляции в бурящейся скважине, зон гидрораз- рыва и т. п. (рис. 45). Дальнейшее повышение чувствительности глубинных приборов даст возможность расширить круг задач, решаемых в нефтегазопромысловой геологии по температурным измерениям. Наиболее важными вопросами являются выделение пластов по их тепловым характеристикам и определение харак- тера нефтегазонасыщенности.

 

Рис. 45. График изменения геотермического градиента Г по скважине: 1 – песок; 2 – песчаник; 3 – глинистый известняк;

4 – глина песчаная; 5 – глина; 6 – аргиллит; 7 – известняк; 8 – писчий мел