Акустический каротаж скважин
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное
бюджетное образовательное
Кафедра геофизики
Акустический каротаж
Глотов Алексей
студент II курса
геологического факультета
гр. ГФЗ-1
Научный руководитель
Некрасов Александр Сергеевич
профессор кафедры геофизики ПГНИУ
Пермь 2012
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 4
ОБЬЕКТЫ И ЗАДАЧИ АК 5
I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КАРОТАЖА 7
1.1 Излучение звука в скважине 9
1.2 Плоские волны 12
1.3 Сферические волны 14
II. АППАРАТУРА АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА 17
2.1 Станция ЛАК 18
2.2 Станция АСКУ 19
2.3 Аппаратура волнового акустического каротажа ВАК-8 21
III. Обработка результатов измерений 24
3.1 Интерпретатор ГИС 24
3.2 Редактор ВАК 25
3.3 ГидраТест 26
IV. Определение коллекторских свойств пород методом акустического каротажа 28
4.1 Определение пористости по данным АК 30
4.2 Определение Кп по уравнению среднего времени 30
4.3 Определение процентного состава сложного пористого агрегата 32
4.4 Определение водонасыщенности 32
4.5 Определение типа заполнителя пор и границ продуктивных пластов 33
4.6 Выявление коллекторов нефти, газа и зон трещиноватости по АК затухания 33
4.7 Определение внутрипоровой жидкости коллектора 35
4.8 Оценка фильтрационных свойств коллекторов 36
4.9 Акустический каротаж цементного кольца 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 40
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 41
ВВЕДЕНИЕ
Одно из важнейших направлений геофизических исследований скважин (ГИС) – акустический каротаж (АК). Значимость акустического каротажа при строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин трудно переоценить. В период становления и развития акустического каротажа (60-80 гг. XX века) существовала некая недооценка его важности, например, в сравнении с сейсмическими исследованиями, имеющие тот же физический базис. Сейсмическим исследованиям в силу их глобальной значимости обеспечен государственный приоритет в развитии и оснащении. Скважинные же акустические исследования оказались «в тени» и долгое время велись без цифровой регистрации и обработки возбуждаемых волновых сигналов. Хотя при этом некоторые задачи, например, такие, как акустический контроль цементирования (АКЦ) обсадных колон нефтеносных и газовых скважин, представляли и представляют исключительную важность. Надлежащее их решение является не только условием успешной добычи нефти и газа, но и условием обеспечения экологической безопасности территории разрабатываемых нефтяных и газовых месторождений и их окрестностей.
Цель: рассмотреть акустический каротаж как один из методов решения задач геологии и геофизики.
Задачи: изучить физические основы метода, аппаратуру, способы интерпретации данных и оценить значение для геофизики в целом.
ОБЬЕКТЫ И ЗАДАЧИ АК
Существует ряд значимых задач акустического каротажа, требующих точного решения, например, параметризация данных сейсмических исследований, литологическое расчленение разреза, периодический контроль состояния цемента за колонами при эксплуатации скважин.
Максимальную эффективность добычи нефти и газа, экологическую безопасность разрабатываемых месторождений обеспечивает надежная гидродинамическая изоляция затрубья нефтегазовых скважин, что достигается в первую очередь высоким качеством их цементирования. Эффективность акустических методов для контроля качества цементирования нефтегазовых скважин и состояния цементного камня обоснованна работами Б.И. Крипченко; П.А. Прямова; М.А. Сулейманова, Г.М. Перцева, А.М. Маломожнова, В.Н. Служаева и др. [1]
Разведочным бурением и испытанием мощных низкопористых толщ установлена перспективность разработки месторождений с низкопористыми сложно построенными и трещинными коллекторами. Благодаря трещиноватости, пронизывающей толщи пород, эти месторождения обладают зачастую аномально высокими добычными характеристиками. Пример успешной разработки низкопористых залежей нефти – Уньвинское месторождение, открытое в 1981 году. Выявить низкопористые коллекторы стандартным комплексом геофизических исследований скважин затруднительно. Южной опытно-методической партии (г. Душанбе), выполненных в 80-х годах XX века, установлена возможность выделения сложнопостроенных коллекторов и изучения их строения методами акустического широкополосного каротажа (АКШ), акустического телевизора, каротажа по полной энергии волнового сигнала. Но реализовать потенциал этих методов возможно только применением цифровой регистрации и обработки волновых сигналов акустического каротажа и данных акустического телевизора. [1]
Владение программными средствами обработки волновых сигналов (ВС) позволило реализовать современные технологии выявления низкопористых трещенных и сложнопостроенных коллекторов, контроля качества и глубины щелевой гидропескоструйной перфорации и другие.
Свободное управление характеристиками
программно-управляемых
- ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КАРОТАЖА
Одним из ведущих методов изучения разрезов скважин является акустический метод, основанный на измерении параметров упругого волнового поля в скважине на малых фиксированных базах (0,1-10 м) в звуковом (0,5-20 кГц) и ультрозвуковом (25 кГц-2 мГц) диапозонах частот.[2] Метод предназначее для непосредственного изучения акустических параметров волнового поля горных пород, пересеченных скважинами, а так же для изучения характеристик акустических сигналов, связанными с различными неоднородностями, возникающими в затрубном пространстве скважин. Акустичкские параметры горных пород функционально связанны с их физико-механическими свойствами, пористостью, структурными особенностями и характером насышения.
Метод акустического каротажа в настоящее время широко используется в различных областях геофизических исследований — сейсмической разведке, разведочной и промысловой геофизике, инженерных изысканиях.
Сущность акустического каротажа сводится к возбуждению в скважине упругих колебаний, которые распространяются по горным породам и принимаются одним или более приемниками, расположенными в той же скважине. Зная расстояние между приемниками (базу), по времени прихода первых вступлений определяют скорость распространения упругих колебаний. Конструктивно излучатель и приемники объединены в одном скважинном снаряде, перемещаемом по скважине. Обычно упругие колебания звукового или ультразвукового диапазона частот возбуждаются в виде импульсов конечной длительности, частота следования которых связана со скоростью перемещения снаряда. Суммируя данные о скоростях в отдельных точках, получают скоростной разрез вдоль всей скважины.
В настоящее время помимо кинематических параметров упругих волн, возбужденных в скважине, изучается и динамика их. По типу регистрируемых параметров и основным целям и назначению можно выделить три основные модификации акустического каротажа:
а) непрерывный, или точечный, АК для детального изучения скоростных характеристик пород, вскрытых скважинами;
б) АК по затуханию упругих волн для определения поглощения, зон трещиноватости и т. п.;
в) АК цементного кольца для контроля технического состояния скважин. Более подробно особенности каждой из этих модификаций будут рассмотрены ниже.
Буровая скважина с помещенным в нее акустическим зондом, с неоднородными стенками и буровым раствором является более сложной системой, чем те идеализированные модели, для которых исследованы решения волновых уравнений. Помимо этого, излучаемый импульс при акустическом каротаже обычно имеет сложный спектральный состав. Волновой фронт импульса в непосредственной близости от излучающего элемента также не является ни плоским, ни сферическим. Все это вместе взятое значительно усложняет задачу теоретического рассмотрения волновых процессов в скважине.
Однако для правильной интерпретации данных АК, оценки его возможностей и в особенности для конструктивных расчетов акустических зондов полезно привести некоторые сведения из теории распространения упругих волн, пусть даже в идеализированных системах, указав, в чем состоит эта идеализация.
Излучение звука в скважине
На рис. 1 схематично изображены
три типа излучателей: цилиндрический,
плоский (могут быть магнитострикционными,
индукционными или
Рис. 1. Схематическое изображение трех типов излучателей.
а — цилиндрический, б — плоский, в — точечный.
1 — излучатели
(стрелками показано
не иметь защитной цилиндрической оболочки 2, т. е. будут соприкасаться излучающей поверхностью непосредственно с жидкостью, заполняющей скважину. В системах, изображенных на рис. 1, излучающей поверхностью является оболочка 2, возбуждаемая цилиндром (а) или плоским излучателем (б), эквивалентным сектору цилиндра, или точечным излучателем (в). При акустическом каротаже обычно применяются частоты
10—75 кГц, длины волн соответственно составляют 15—2 см при возбуждении в воде (буровом растворе), заполняющей скважину. Отношение преобладающих длин волн к периметру скважины может меняться от 0,01 до 0,5.[1]
Для выяснения физической сущности метода акустического каротажа рассмотрим в общих чертах особенности распространения звуковых колебаний сначала без учета влияния защитных оболочек и в безграничной однородной среде.
Воздействие внешних сил на некоторую область упругой среды приводит к смещению частиц и местному изменению объема. В силу действия закона неразрывности возникшая деформация передается соседним частицам, также отклоняющимся от равновесного состояния с некоторым запаздыванием. Изменение объема частиц приводит к изменению плотности и давления в среде.
Обычно в акустике рассматривают малые изменения объема среды, когда относительное изменение плотности может быть принято численно равным относительному изменению объема. Это равенство нарушается в ближней зоне источников возбуждения, однако при достаточном удалении оно выполняется, и, с известной степенью приближения, могут быть применены математический аппарат и выводы линейной акустики.
Смещение частиц и связанное с этим изменение давления происходят в определенных направлениях с образованием по принципу Гюйгенса — Френеля фронта волны, все частицы которого имеют синфазное смещение.
В безграничной и идеальной жидкости (т.е все касательные напряжения равны нулю, а движение жидкости рассматривается как адиабатическое) акустическое поле полностью может быть описано уравнениями:
(1.1)
где р —
давление сил упругости, называемое акустическим
давлением,
скалярная функция, являющаяся
потенциалом скорости; -колебательная
скорость; ; — плотность жидкости; К— модуль объемной
упругости, имеющий размерность давления.
Уравнение (1.1) с известными и можно преобразовать к одному уравнению, содержащему только одну неизвестную [2]
функцию:
(1.2)
где ; — оператор Лапласа, для декартовой системы координат х, у, z
Акустическое поле, описываемое уравнением (1.2), является безвихревым, так как.
Для реальных жидкостей,
обладающих вязкостью и
(1.3)
Где — кинематическая вязкость; ( — динамическая вязкость. Для упругой изотропной и однородной среды уравнение движения может быть получено в векторном виде:
где — вектор смещения; — относительное изменение объема.
Для декартовой системы координат
Анализ уравнения (1.4) показывает,
что оно описывает
=; (1.5)
(1.6)
При рассмотрении деформации растяжения обычно вводят понятие коэффициента растяжения, обратная величина которого называется модулем Юнга (Е),
(1.6)
Отношение продольного сжатия к поперечному растяжению называется коэффициентом Пуассона (),
Из уравнений (1.7) и (1.8) легко получить следующие соотношения:
Рассмотрим решения волновых
уравнений для трех случаев распространения
упругих волн в пространстве, которые
могут наблюдаться при
1. Плоские волны — распределение
давления, скорости и плотности
зависит только от одной
2. Сферические волны —
распределение давления, скорости
и плотности зависит от
3. Цилиндрические волны
— распределение давления, скорости
и плотности определяется
1.2 Плоские волны
Волновое уравнение для плоских волн в идеальной не поглощающей жидкости имеет вид:
(1.9)
Пользуясь методом Даламбера, найдем его общее решение
,
где и — произвольные функции.
Это решение справедливо для акустических величин: давления, скорости, уплотнения и т. д. — и представляет собой сумму прямой и обратной волн, распространяющихся в среде со скоростью с.
В случае гармонических колебаний частное решение для прямой волны может быть представлено в виде
; (1.11)
(1.12)
где и — значения амплитуд давления и скорости.[2]
Сравнение уравнений (1.11) и (1.12) показывает, что в плоской волне давление и колебательная скорость частиц совпадают по фазе и различаются только множителем, называемым акустическим сопротивлением:
Волновые уравнения для твердой упругой среды:
(1.13)
, (1.14)
где — вращение относительно оси х.
Решение волновых уравнений (1.13) и (1.14) аналогично решению (1.10) и может быть представлено в виде:
(1.15)
где и , и — произвольные функции. [2]
Различие в скоростях распространения продольных и поперечных волн, существующих в среде, приводит со временем к их пространственному разделению.
Отношение скоростей продольных и поперечных волн определяется выражением:
= (1.16)
Для многих горных пород можно полагать = 0,25, тогда
Волновое уравнение для плоской волны в вязкой среде:
(1.17)
Для затухающих колебаний решение уравнения (1.17) может быть представлено в виде
или
, (1.18)
где — амплитуда звукового потенциала.[2]
Из решения (1.18) следует,
что выражения для
=, (1.19)
где и — амплитудные значения давления и скорости.
Для плоской незатухающей волны:
= (1.20)
1.3 Сферические волны
С большой степенью приближения
при акустическом каротаже волновое
поле, возбуждаемое излучателем, может
быть представлено сферическими волнами.
Волновое уравнение для центральной
симметрии в сферических
(1.21)
Решение его по методу Даламбера представляется в виде двух сферических волн — расходящейся от точечного источника и сходящейся к нему:
(1.22)
Анализ уравнения (1.22) показывает, что потенциал скоростей, а следовательно, и такие величины акустического поля, как давление, скорость, смещение, зависят от расстояния до центра источника и убывают обратно пропорционально первой степени г.[2] Полное акустическое сопротивление 2 в случае сферической волны имеет комплексный характер: активная составляющая представляет удельное сопротивление излучения, реактивная — сопротивление, обусловленное инерцией некоторой массы среды, соколеблющейся массы, и может быть записано так:
(1.23)
С приближением к источнику
колебаний реактивность акустического
сопротивления проявляется
(1.24)
следовательно, появляется фазовый сдвиг причем
. (1.25)
При r = 0 сдвиг фазы максимальный и составляет 90°, по мере увеличения r скорость по фазе все меньше отстает от давления и при . Особенно быстрое сокращение сдвига по фазе наблюдается в ближайшей к излучателю зоне при малых r. Уже при и продолжает затем убывать асимптотически.[2] Таким образом, при использовании излучателя с характерным размером , примерное расстояний r = с достаточной для АК степенью точности можно пренебрегать как фазовым сдвигом между давлением и колебательной скоростью, так и реактивной составляющей акустического сопротивления.
Интересно решение волнового
уравнения в сферических
Уравнение для сферических волн в общем виде в координатной системе выражается следующим образом:
(1.26)
В общем случае решение может быть представлено в виде
(1.27)
где п = 0, 1, 2, . . .; — функция Бесселя; сферическая функция, являющаяся полиномом от форме
где и — тригонометрические полиномы степени не
выше п от .[2]
- АППАРАТУРА АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТ
АЖА
Аппаратура, предназначенная для акустических исследований в скважинах, работает в широком диапазоне частот акустических сигналов (от сотен герц и до нескольких мегагерц). Диапазон использующихся акустических мощностей простирается от уровня естественных шумов и минимальных принимаемых сигналов величиной около 1-1016 Вт до единиц киловатт в аппаратуре с мощным акустическим воздействием на окружающую среду. По частотному диапазону [3] аппаратуру АК можно разделить следующим образом:
1) скважинный акустический телевизор на частотах 1 ч- 2 МГц (далее под этим понимаются частоты основной энергии излучения);
2) акустический каверномер и профилемер на частотах 100— 500 кГц;
3) прижимные акустические микрозонды на частотах 50— 500 кГц;
4) аппаратура на головных волнах (СПАК, АКЦ) на частотах 20—50 кГц;
Аппаратура |
Зонд |
Диаметр d, мм |
Длина l, м |
fп, Гц |
fи, кГц |
Тип излучателя |
Измеряемые параметры |
Примечание |
СПАК-2М |
И0,5,И1,5П |
80 |
4,5 |
12,5 |
20-30 |
МС |
t1,t2,A1,A2 |
|
СПАК-4 |
80 |
4,5 |
12,5 |
20-30 |
МС |
t1,t2,A1,A2 |
||
"Парус" |
60 |
4,5 |
12,5 |
>30 |
МС |
t1,t2,A1,A2 |
||
ЛАК -3 |
П0,5П1,0И,П0,5П1,5И,П05П2,0И |
80 |
4,5 |
25 |
20-40 |
МС |
T1,T2 |
|
АКЦ |
80 |
3 |
12,5 |
20-30 |
МС |
T1,Aп,Aк |
||
Звук-2 |
И2П0,5ПИ4П1,0ПИ1,0И4,0П |
90 |
6 |
6,25 |
5 -25 |
ИС |
t1,A1,A2 |
|
АКН-1 |
100 |
8 |
6,25 |
7-25 |
МС |
t1,t2,A1,A2 |
Вместе с АНК по волновым картинкам | |
АСКУ |
И4П2,0ПИ15П2,5П |
80 |
6 |
1 |
0,6-10 |
ЭГ |
T1,T2 |
Вместе с АНК по волновым картинкам |
5) низкочастотная широкополосная аппаратура АК для исследования обсаженных скважин (Звук-2 и АКН-1) на частотах 5—20 кГц (низшие исследуемые частоты в этой аппаратуре около 1—1,5 кГц);
6) аппаратура межскважинного прозвучивания на частотах 0,5-Ю кГщ;
7) аппаратура акустического каротажа в процессе бурения принимает частоты ниже 120-150 Гц.
2.1 Станция ЛАК
С 1962 г. Киевский опытный завод геофизического приборостроения выпускал станцию акустического каротажа ЛАК-1, разработанную ВИРГом, ВНИИГеофизикой и ВНИИК нефтегазом [2].
Техническая характеристика станции ЛАК-1
Количество излучателей 2
Количество приемников 1
Резонансная частота излучателей, кгц 36
Полоса пропускания частот приемного канала,
кгц от 12 до 130
Динамический диапазон скважинного усилителя,
дб 42
Коэффициент усиления скважинного усилителя,
дб 92
Уровень шумов, приведенный ко входу скважинного усилителя, мкв:
без каротажного кабеля 2
с каротажным кабелем 10
Индикатор на ЭЛТ 18ЛК12Б с регистрацией изображения методом переменной плотности (модуляции по яркости) на фотобумаге шириной 200 мм.
Интервал меток времени, мксек . 100
Длительность развертки индикатора, мсек . . . 0,7; 1,5; 3 Соединение скважинного снаряда с наземными блоками — трехжилытым каротажным кабелем КТО или КТШ Максимальная рабочая температура скважинного
снаряда, °С +70
Диаметр скважинного снаряда, мм 110
Питание от сети переменного тока:
напряжением, е 127, 220
частотой, гц 50
Блок-схема станции ЛАК-1 приведена на рис. 48. Излучение упругих колебаний производится поочередно одним из излучателей. Для синхронизации работы излучателей и аппаратуры применяется переменный ток стандартной частоты, которым питаются генераторы, возбуждающие излучатели. Генераторы собраны на тиратронах и включаются поочередно через каждые 10 мсек.
Приемник пьезокерамического типа, цилиндрический, с резонансной частотой выше 130 кгц работает в диапазоне частот ниже резонанса. Расстояние от приемника до первого излучателя 0,85 или 1,25 м, от первого до второго излучателя 0,7; 1,0 или 1,3 м. Между акустическими элементами скважинного снаряда имеются акустические изоляторы, поглощающие упругие колебания, распространяющиеся по стенке скважинного снаряда от излучателей к приемнику. Скважинный снаряд рессорой прижимается к стенке скважины. От приемника сигналы поступают в предварительный усилитель, затем по каротажному кабелю — в блок фильтров, отделяющий полезный сигнал от питающего напряжения, затем сигнал усиливается наземным усилителем и воспроизводится на электроннолучевой трубке.
Синхронизация работы базируется на тех же принципах, что и синхронизация генераторов излучателей. Блок синхронизации запускает развертку (блок строчной развертки). Сигнал модулирует луч не по амплитуде, как это делается в большинстве станций АК (например, УЗКУ, АСКУ), а по яркости. В результате изображение сигнала получается в виде полос, яркость которых возрастает с увеличением амплитуды сигнала, так же как на эхограммах в звуковой геолокации [2]. К сожалению, динамический диапазон индикатора станции ЛАК-1 вместе с фоторегистратором мал и не превышает 1,5 дб, поэтому полутона, характеризующие различные амплитуды сигналов, отсутствуют, и аппаратура практически работает по принципу «да—нет» т.е отмечает наличие или отсутствие сигнала.
2.2 Станция АСКУ
Особое место в аппаратуре
АК занимает разработанная во Всесоюзном
научно-исследовательском
Характерными особенностями станции АСКУ являются следующие.
- Большая (до нескольких сотен ватт) излучаемая акустическая мощность даже при электроакустическом к. п. д. 0,1%.
- Диапазон рабочих частот, лежащий много ниже обычно принятого в АК, и широкий спектр излучаемого сигнала. Это обеспечивает работу АСКУ как в необсаженных скважинах с любыми коэффициентами поглощения пород, так и в обсаженных. Колебания распространяются большую часть пути по неизмененным породам, следовательно, данные каротажа АСКУ ближе к истинным значениям скоростей и затуханий, чем у высокочастотных станций АК.
- Большие базы между излучателем и приемниками дают интегральные значения скорости распространения колебаний с высокой точностью, а сравнительно небольшое расстояние между приемниками (2—2,5 м) позволяет определять скорости в пластах малой мощности.
- Регистрация полной волновой картины по обоим приемным каналам дает возможность изучать не только первые периоды колебаний, соответствующие одному из типов- волн, но и другие типы волн, что особенно важно при определении нефтегазона- сыщенности пластов и контроле за разработкой месторождений.
- Большой динамический диапазон усилителей, наличие фильтров низких и высоких частот и возможность оперативно изменять излучаемую мощность позволяют выбрать наиболее подходящие параметры аппаратуры для данных конкретных геологических условий.
- Наличие двух идентичных и автономных каналов приема позволяет объективно оценить поглощающие свойства горных пород и исключить нестабильность работы излучателя и влияние переходных слоев (бурового раствора, обсадной колонны, цементного кольца, пород, измененных в результате бурения) по крайней мере в зоне расположения излучателя.

- Акустический контроль (методы)
- Акустическое загрязнение окружающей среды
- Акустическое загрязнение окружающей среды. Классификация и характеристика источников шума. Нормирование шума на территории предприятия
- Акустическое строение голоса
- Акустооптическая ячейка как элемент ввода радиосигналов в оптический сигнальный процесор
- Акустооптический модулятор
- Акустоэлектрические преобразователи. Принципы работы. Особенности конструкции и использования
- Акустические строительные материалы
- Акустические устройства
- Акустические факторы на производстве. Общая характеристика шума
- Акустический гипс
- Акустический каротаж
- Акустический каротаж
- Акустический каротаж по скорости и затуханию