Акустические методы

АКУСТИЧЕСКИЕ  МЕТОДЫ

 

 

1. Теоретические основы метода        3

 

2. Применяемая аппаратура и оборудование       6

Теоретические основы метода

 

Акустический каротаж

Теоретические основы

Горные породы являются упругими телами, которые под действием внешней  возбуждающей силы, претерпевают деформации объема (растяжение и сжатие) и деформации формы (сдвига).

Последовательное распространение  деформации называется - упругой волной. Первое отклонение частицы от положения  покоя называется - вступлением волны.

В акустическом каротаже различают (регистрируют) несколько типов волн:

Продольные волны связаны с  деформациями объема твердой или  жидкой среды, а поперечные с деформациями только твердой среды. Продольная волна  представляет собой перемещение  зон сжатия и растяжения вдоль луча, а поперечная - перемещение зон скольжения слоев относительно друг друга в направлении перпендикулярном лучу.

 Продольные волны распространяются  в 1,5-10 раз быстрее поперечных

Упругие (акустические) волны, как  и все прочие волны, характеризуются  определенным набором свойств. К этим свойствам относят: частоту волны, длину волны, скорость и амплитуду (затухание).

При проведении акустического каротажа наибольший практический интерес представляют два параметра волн – скорость и амплитуда. Следовательно, горные породы вскрытые скважиной можно изучать как по скорости распространения колебаний, так и по их затуханию.

Простейший измерительный зонд АК (рис.1) содержащий в своем составе  излучатель (И) упругих волн звукового (2-20 кГц) и ультразвукового(2-60 кГц) диапазонов частот и расположенный от него на определенном расстоянии (1,4-3,5 м) широкополосный приемник.

Для проведения АК применяются и  более сложные трех – и более  элементные приборы.

 

Акустический каротаж на преломленных волнах

Акустический  каротаж на преломленных волнах предназначен для измерения интервальных времен Dt (Dt =1/v, где v – скорость распространения волны, м/с), амплитуд А и коэффициентов эффективного затухания a преломленной продольной, поперечной, Лэмба - Стоунли продольных волн, распространяющихся в горных породах, обсадной колонне и по границе жидкости, заполняющей скважину, с горными породами или обсадной колонной. Единицы измерения – микросекунда на метр (мкс/м), безразмерная (для А) и a-децибел на метр (дБ/м) соответственно.

Данные АК применяют:

1. для литологического расчленения разрезов и расчета упругих свойств пород;
2. локализации трещиноватых пород, трещин гидроразрывов и интервалов напряженного состояния пород;
3. определения коэффициентов межзерновой и вторичной (трещинно-каверновой) пористости коллекторов и характера их насыщенности;
4. выделения проницаемых интервалов в чистых и глинистых породах;
5. расчета синтетических сейсмограмм и интеграции результатов скважинных измерений с наземными и скважинными сейсмическими данными.

Измерения выполняют в необсаженных и, при определенных ограничениях, обсаженных скважинах, заполненных любой негазирующей промывочной жидкостью.

 

Скважинные  приборы центрируют.

 

Рис.1. Схема работы скважинного  прибора акустического каротажа.

Итак, данные АК применяются для решения следующих задач:

В открытом стволе:

• Литологическое расчленение разреза.
• Определение коэффициента пористости коллекторов.

• Определение кинематических свойств горных пород для корреляции данных сейсморазведки.

В обсаженной скважине:

• Контроля качества цементажа эксплуатационных колонн.
• Контроля технического состояния труб эксплуатационной колонны.

Акустический метод контроля качества цементажа ,использующий свойства преломленной волны, позволяет:

-определять высоту подьема сформировавшегося цементного кольца (при определенных условиях);

-определять интервалы бездефектного  цементного кольца;

-выделять интервалы с дефектами  цементного кольца и оценивать  размеры дефектов;

-определять влияние механических  и других воздействий на состояние цементного кольца;

При излучении упругого импульса в  обсаженной скважине ,вдоль оси скважины ,распространяются упругие волны  различного типа (см рис 2).В общем  случае ,при наличии контакта цементного камня с колонной и горной породой, волновые картины ,представляют собой

волну по обсадной колонне(1), продольную волну (2) по горной породе, поперечную волну(3) по горной породе,гидроволны(4) по промывочной жидкости,поверхностные волны (5) Лэмба –Стоунли. Можно выделить следующие параметры сигналов ВК:

• Т1-время распространения от излучателя до первого приемника первой полжительной фазы колебаний,превышающей по амплитуде установленный пороговый уровень Ип;
• Т2- время распространения от излучателя до второго приемника первой положительной фазы колебаний,превышающий по амплитуде установленный пороговый уровень Ип;
• А1п-амплитуда сигнала первой полжительной фазы колебаний, которая превышает установленный пороговый уровень Ип ,и регистрируется  во временном окне, открывающемся в момент времени Т1;
• А2п-амплитуда сигнала первой полжительной фазы колебаний, которая превышает установленный пороговый уровень Ип ,и регистрируется  во временном окне, открывающемся в момент времени Т2 на втором приемнике;
• А1к-амплитуда упругих волн, регистрируемая в фиксированном временном окне, которое устанавливается в интервале прихода на первый приемник первого положительного вступления волны по колонне;
• А2к-амплитуда упругих волн, регистрируемая в фиксированном временном окне, которое устанавливается в интервале прихода на второй приемник первого положительного вступления волны по колонне рис.2

Кинематические и динамические параметры упругих волн ,распространяющихся в околоскважинном пространстве , изучают по результатам измерений  широкополосного акустического  каротажа .Кинематические параметры характеризуют скорость и направление этих волн в породах , динамические –затухание энергии и их частотные особенности.

Для регистрации этих параметров используют схему приведенную на рис 3.

Расстояние от излучателя до приемника  П называется размером (длиной) зонда-L1, L2,

расстояние между сближенными  одноименными преобразователями-базой  зонда Dl.

Информация  регистрируется в виде волновых картинок ВК, фазокорреляционных диаграмм(ФКД),и кривых.

Волновая картинка-графическое  отображение электрического сигнала ,снятого с приемника в конкретной точке наблюдения.

ФКД-графическое отображение изменения  сигнала ,снятых с приемника при  его перемещении по скважине, см рис.3

        Итервальное  время Dt(измеренное время распространения волны на фиксированной базе DL) определяется по формуле Dt = t2-t1 /DL ,мкс/м

Для поканальных параметров t1, t2 ,A1, A2, точками записи (рис3) являются:

для первого канала – середина расстояния от ближнего приемника до излучателя (точка О1)

для второго - середина расстояния от дальнего приемника до излучателя (точка О2)

 

Применяемая аппаратура и оборудование

Требования  к измерительным зондам АК:

• диапазоны измерения Dt преломленных продольных волн – 120-660 мкс/м, поперечных – 170-660 мкс/м;
• диапазон измерения коэффициента эффективного затухания по длине измерительного зонда – 0-30(40) дБ/м;
• диапазон измерения амплитуд при эффективном затухании 0-40 дБ/м – 0-78 дБ/м в статическом положении прибора и 0-66 дБ/м при движении прибора в скважине;
• пределы допускаемых основных относительных погрешностей измерения Dt и a - ± 1-3 и ± 12,5% соответственно;
• дополнительные погрешности измерения Dt, А, a, вызванные изменениями напряжения на ±10%, давления на 1 МПа, температуры на 10°С относительно стандартного значения, равного 20°С, не должны превышать 0,3; 0,01 и 0,1 значений основных погрешностей  соответственно.

Модуль АК комплексируют с любыми другими модулями при условии, что  механическое соединение модулей не нарушает центрирование измерительного зонда.

Коэффициент усиления электронной схемы скважинного прибора выбирают таким образом, чтобы в диапазоне оцифровки акустических сигналов сохранялся минимальный уровень шумов, вызванных движением прибора, а сигналы регистрируемых волн (либо одной выбранной волны) не ограничивались. Правильность выбора контролируется по экрану монитора, на котором отображаются волновые пакеты всех двухэлементных зондов, фазокорреляционные диаграммы (ФКД) одного или двух зондов и значения Dt в текущей точке исследования.

Необходимость выполнения нескольких записей с разными коэффициентами усиления для неискаженной регистрации амплитуд и затухания упругих волн разных типов определяется эксплуатационной документацией на скважинный прибор.

Скорость каротажа – не более 1000 м/ч.

 

Модуль АК-М

1. Назначение

Скважинный прибор (модуль) акустического каротажа АК-М (в дальнейшем - модуль)

предназначен для проведения исследований нефтяных и газовых скважин диаметром  от110 до300мм, заполненных водной промывочной  жидкостью. Обеспечивает решение широкого

круга геофизических задач методом акустического каротажа, позволяет определить параметры

упругих волн всех типов (продольных, поперечных и волн Лэмба - Стоунли ) и выполнить 

контроль цементирования скважин.

2. Данные по  аппаратуре

Модуль позволяет проведение исследований в скважинах при температуре до120 °С и

с гидростатическим давлением до 80 Мпа в комплексе с прогаммно-управляемой  каротажной станцией МЕГА и трехжильным  каротажным кабелем типа КГ-3-60-180 длиной до 6000 м.

Формула зонда модуля – И 2.2 П1 0.4 П2(см рисунок)

 Напряжение питания модуля  – (40±2)В по первой жиле кабеля. Сила электрического тока потребляемая  модулем в режиме излучения  (160±20) мА, в режиме ожидания - (60±20) мА

Излучатель акустического зонда  модуля имеет два режима излучения  – НЧ (низкая частота) и ВЧ (высокая частота). Средняя видимая частота излучаемых упругих колебаний, создаваемых излучателем, измеренная в металлической трубе по первым трём полупериодам волнового пакета, - (12±3) кГц при работе в режиме НЧ и (22±5) кГц при работе в режиме ВЧ. Модуль обеспечивает: 4-х ступенчатую регулировку уровня сигнала , измерение интервального времени дельтаT в диапазоне от 120 до 660 мкс/м и кажущегося коэффициента затухания в диапазоне от 0 до 30 дб/м . Работа модуля основана на возбуждении упругих колебаний и их приеме после прохождения ими исследуемой среды с целью определения кинематических и динамических параметров этих колебаний связанных с характеристиками среды пересеченных скважиной.

Возбуждение упругих колебаний  осуществляется с помощью расположенного в модуле магнитострикционного двухчастотного излучателя.

 Прием упругих колебаний  осуществляется с помощью двух  поочередно работающих пьезокерамических звукоприемников, разнесенных по длине модуля на величину базы акустического зонда. Поступившие на звукоприемник упругие колебания преобразуются в колебания электрического тока – информационный сигнал (волновой пакет), который усиливается и вместе со служебными сигналами (синхроимпульсы и т.д.) передается по геофизическому трехжильному кабелю на регистратор.

. Обмен информацией между скважинным  прибором и каротажной станцией  осуществляется по протоколу  «Манчестер». Пакеты управляющих импульсов, соответствующих этому протоколу, формируются в ADSP 350h станции МЕГА и через БУСП поступают на 2-ю и 3-ю жилы кабеля и далее, в скважинный прибор. Ответные посылки от скважинного прибора, в соответствии с протоколом "Манчестер", следуют в паузах между посылками запросов по тем же жилам кабеля.

Габаритные размеры  5700 мм

диаметр 90 мм

длина с гибкой вставкой 7000

Масса, кг 107

АКЦ-М

1. Назначение

Аппаратура акустического контроля качества цементирования АКЦ-М предназначена  для контроля качества цементирования обсаженных скважин. 

2. Данные по  аппаратуре

  Аппаратура обеспечивает исследование скважин с обсадными колоннами диаметром от 130 до 350 мм с температурой до 120 °С, с гидростатическим давлением до 80 МПа.

Аппаратура эксплуатируется с трехжильным геофизическим кабелем типа КГ3-60-180 длиной до 6500м.

Прибор содержит магнитострикционный  излучатель (И) и пьезокерамический  приемник (П). Формула зонда   И 1.6 П.  Схема прибора изображена на рисунке.

Прибор в комплексе со станцией обеспечивает регистрацию следующих параметров акустического сигнала, характеризующих качество цементирования скважин:

- времени распространения сигнала  по породе    - Тп (шифр TP);

- амплитуды сигнала, распространяющегося  по породе  - Ап (шифр AP);

- амплитуды сигнала, распространяющегося по колонне - Ак (шифр AK).

Диапазон регистрации параметра  Тп от 350 до 1600 мкс, динамический диапазон регистрации параметров Ап и Ак - 36 дБ.

Диаметр прибора без центраторов  - не более 73 мм ;

Длина прибора    - не более 4000 мм ;

Масса прибора    - не более 90 кг.

Прибор АКВ-1

1.Назначение 

Аппаратура акустического каротажа АКВ-1 предназначена для регистрации волновых картин и измерения интервальных времен, амплитуд и затуханий всех типов упругих волн (продольных, поперечных, Лэмба-Стоунли) в необсаженных и обсаженных колонной нефтяных и газовых скважинах диаметром от 110 мм до 300 мм .

2.Данные по  аппаратуре

 Зондовая установка включает  магнитострикционный излучатель  упругих волн с частотой излучения  12±3 кГц и 22±5 кГц и шесть широкополосных пьезокерамических приемников упругих волн.

Формулы зондов - И(1.5)П1(0.2)П2 (0.2)П3;

И(1.5)П1(0.2)П2 (0.2)П3 П4(0.2)П5 (0.2)П6;