Апаратура акустичного каротажу

Рисунок 3 – Заломлення та відбивання хвиль на границі двох середовищ

Рисунок 2 – Поширення пружних хвиль від розташованого в свердловині імпульсного сферичного випромінювача

Фронти хвиль у послідовні моменти часу t₁, t₂,…, t_n+2 (ізохрони хвиль): 1 – падаючої (прямої) Р₁, 2 – проходячої Р₁₂, 3 – головної Р₁₂₁, 4 – відбитої Р₁₁.

Розглянемо випадок, коли є два середовища I і II з різними акустичними властивостями, які розділені плоскою границею. Припустимо, що в середовищі I поширюється поздовжня пружна хвиля. Коли пружна хвиля P₁ у середовищіI, яка називається падаючою, досягає границі розділу, відбувається її відбивання та заломлення (Рис. 3). За рахунок енергії падаючої хвилі утворяться вторинні хвилі, якими є відбиті хвилі – поздовжня Р₁₁ і поперечна P₁S₁ та проходячі хвилі – поздовжня Р₁₂ і поперечна P₁S₂. У фізиці проходячі хвилі інакше називаються заломленими. Вторинні хвилі, які мають такий же тип, як і падаюча називаються монотипними, а які відрізняються від типу падаючої хвилі – обмінними.

При відбиванні та заломленні змінюється напрямок фронту та променя хвилі (Рис. 3). Між напрямками падаючої та заломленої хвиль існує наступне співвідношення (закон заломлення):

, (9)

де a₁ – кут падіння; b – кут заломлення; V₁ і V₂ – швидкості поширення хвиль у середовищах I і II.

При V₁ і V₂ та деякому критичному куті падіння a₁=і, що задовольняє умові:

, (10)

кут заломлення b = 90° і промінь заломленої хвилі ковзає в середовищіII вздовж границі розділу. Такий випадок заломлення називається повним внутрішнім відбиттям. При акустичному каротажі найбільший інтерес представляють хвилі, які виникають у результаті повного внутрішнього відбиття.

Відбиті хвилі утворяться в тому випадку, якщо добуток швидкості на щільність (хвильовий опір) одного середовища більший ніж в іншому. Кути a₁ і a₂ (a_1P і a_2S Рис. 3), які складають падаючий і відбитий промені з перпендикуляром до границі розділу (кут падіння і кут відбиття) зв’язані між собою наступною формулою:

, (11)

де V_від – швидкість відбитої хвилі.

У випадку відбиття монотипної хвилі (V_від=V₁) кут відбивання дорівнює куту падіння.

Переважно більша частина енергії падаючої хвилі витрачається на утворення вторинних хвиль того ж типу, тому енергія обмінних хвиль, особливо відбитих, значно менша, ніж монотипних.

Співвідношення між амплітудами падаючої, відбитої та заломленої хвиль визначається хвильовими опорами середовищ I і П.

При наявності декількох середовищ зазначені явища виникають на кожній границі розділу, причому як для прямих хвиль, що йдуть безпосередньо від джерела збудження, так і для відбитих та заломлених. Усе це значно ускладнює розподіл хвиль у досліджуваних середовищах.

У середовищах з поверхнями розділу існують особливі хвилі, що поширюються в тонкому шарі в границі розділу. На відміну від розглянутих вище об’ємних хвиль, ці хвилі називаються поверхневими.

Розглянемо поширення пружних хвиль від невеликого сферичного випромінювача В, розташованого на осі свердловини; при цьому будемо вважати, що пересічений свердловиною пласт має необмежену потужність (Рис. 2).

У буровому розчині можуть проходити тільки поздовжні хвилі, швидкість яких V_P1 звичайно менша швидкості поздовжньої V_P2 і поперечної V_S2 хвиль у пласті. В цьому випадку спостерігається наступне.

При виникненні в момент t=0 імпульсу пружних коливань від випромінювача починає поширюватися пряма поздовжня хвиля P₁, що має сферичний фронт (лінії 1 на рис. 2). Після досягнення в момент t₁ фронтом прямої хвилі стінки свердловини, яка є границею розділу двох середовищ, відбувається утворення вторинних хвиль – відбитої P₁ (її фронт показаний лінією 4) і заломлених. Виникають дві заломлені хвилі: поздовжня P₁₂ (її фронт показаний лінією 2), яка поширюється зі швидкістю V_P2 й обмінна поперечна хвиля P₁S₂ (на рис. 2 не показана), швидкість якої V_S2<V_P2.

У момент t₂ фронт прямої хвилі утворить зі стінкою свердловини критичний кут i_P, внаслідок чого, починаючи від точки А, фронт минаючої хвилі P₁₂ стає перпендикулярним до границі розділу і дальше ця хвиля ковзає вздовж стінки свердловини (положення фронтів t₃, t₄,…, t_n+2), тому що V_P2>V_P1 хвиля Р₁₂ з віддаленням по свердловині від точки А все більше обганяє пряму P₁ і відбиту Р₁₁ хвилі, як видно на рис. 2 за розміщенням фронтів, починаючи з моменту t₃.

При подальшому своєму русі заломлена хвиля Р₁₂, ковзаючи вздовж границі розділу, викликає коливання в розчині, тому в свердловині утвориться нова хвиля Р₁₂₁, яка називається головною (фронти зображені лінією 3). У сейсморозвідці для неї застосовують також термін переломлена хвиля. Фронт цієї хвилі має конічну поверхню, вісь якої збігається з віссю свердловини, а найбільший діаметр дорівнює, діаметру свердловини. Тому при переміщенні від джерела форма та розміри фронту не змінюються. Поширення коливань від випромінювача В до приймача П можна зобразити променем п (Рис. 2), який проходить шлях свердловина–порода–свердловина.

Аналогічна картина спостерігається при поширенні заломленої поперечної хвиліР₁S₂, яка, починаючи з деякого моменту t>t₂, викликає утворення головної хвилі Р₁S₂Р₁.

Таким чином, на порівняно невеликій відстані від випромінювача в свердловині будуть спостерігатися головні хвилі Р₁₂₁ і Р₁S₂Р₁, швидкості яких рівні відповідно V_P2 і V_S2. Тому до приймача П, якщо він достатньо віддалений від випромінювача, послідовно приходять хвилі Р₁₂₁, Р₁S₂Р₁ і потім пряма хвиля Р₁. Відбита хвиля Р₁₁ не спостерігається – внаслідок великих кутів падіння (a₁»90°) та її малої енергії.

З акустики і сейсморозвідки відомо, що при наявності плоскої границі розділу амплітуда головної хвилі обернено пропорційна квадрату відстані до випромінювача, якщо ця відстань значно більша віддаленню випромінювача від площини розділу. Більш інтенсивніше, чим для прямої хвилі, послаблення головної хвилі пояснюється тим, що вона є розбіжною, а енергія на її утворення надходить від заломленої хвилі, фронт якої на великих віддаленнях від випромінювача близький до сферичного. При акустичному каротажі границя розділу циліндрична, внаслідок чого фронт головної хвилі не розходиться з віддаленням від випромінювача. Тому можна вважати, що амплітуда головної хвилі і, відповідно, амплітуда викликаної її ковзаючої хвилі становить:

, (12)

де A₀ – амплітуда поблизу випромінювача; с – коефіцієнт, який залежить від величини критичного кута i та акустичних жорсткостей бурового розчину і породи; z – відстань від випромінювача до приймача; n – показник степеня, який близький до одиниці на великих віддаленнях від джерела.

Таке послаблення коливань спостерігається у випадку ідеально пружного середовища. Гірські породи не є абсолютно пружними, тому в них відбувається поглинання енергії пружної хвилі внаслідок внутрішнього тертя між сусідніми частинками середовища і розсіювання хвиль, яке обумовлене неоднорідністю середовища.

У результаті поглинання енергії амплітуда всіх хвиль на інтервалі l послаблюється в е^-^a^l раз, де a – коефіцієнт поглинання, який визначає здатність порід гасити коливання (м^-1).

Внаслідок спільного впливу розбіжності і переломлення хвилі, а також поглинання її енергії амплітуда коливань головних хвиль у свердловині змінюється з відстанню відповідно виразу:

. (13)

Величина коефіцієнта поглинання a залежить від частоти коливань w. В області ультразвукових частот для всіх порід коефіцієнт поглинання зростає з частотою.

В акустичному каротажі дослідження розрізів свердловин використовується імпульсна ультразвукова установка: випромінювач періодично посилає пакети із трьох-чотирьох періодів ультразвукових коливань частотою 10-75 кГц (Рис.126). Частота посилання імпульсів ультразвукових коливань випромінювачем визначається необхідністю реєстрації в перших вступах головної хвилі, яка проходить в породах, а не в промивній рідині, та визначається відстанню між стінкою свердловини та приймачем. Переважно частота посилання імпульсів випромінювачем становить 12-25 кГц.

Апаратура акустичного каротажу складається із свердловинного приладу I (СПАК-2М, СПАК-4, СПАК-6)і наземної панелі II (АНК-М) (Рис. 127).

У свердловинному приладі знаходиться випромінювач 1пружних ультразвукових коливань. Для збудження випромінювача використовується генератор або накопичувач енергії 2, живлення якого здійснюється від наземної панелі за допомогою кабелю. Збудження випромінювача здійснюється за командою від синхронізуючого пристрою 3.

Ультразвукові коливання, які виникли, після проходження в гірських породах, що складають геологічні розрізи свердловин, приймаються приймачем 4, який виробляє відповідні електричні коливання. Оскільки величина електричних коливань мала, то перед передачею електричних сигналів за допомогою геофізичного кабелю в наземну панель вони підсилюються підсилювачем 5. Для зменшення спотворення сигналу, що передається кабелем, використовується узгоджувальний пристрій 6, який має низькоомний вихід і узгоджений із вхідною ланкою наземної панелі.

У трьохелементному свердловинному пристрої є ще один приймальний канал (другий приймач 7, підсилювач 8, узгоджуючий пристрій 9), який ідентичний першому.

У сучасній апаратурі акустичного каротажу в якості випромінювачів використовуються магнітострикційні або п’єзокерамічні перетворювачі, які працюють на основі резонансної частоти, а в якості приймачів – п’єзокерамічні перетворювачі, які працюють на частотах нижче частоти основного резонансу.

Сигнали, які надходять від свердловинного приладу в наземну панель, за інтенсивністю недостатні для реєстрації реєструючим пристроєм 14. Для того, щоб збільшити амплітуди сигналів, у наземну панель включають підсилювачі 11 і 13. Коефіцієнт підсилення переважно складає 10⁵-10⁶. Для відкидання некорисних сигналів у наземній панелі використовують фільтри 10 і 12, які включаються перед основними підсилювачами 11 і 13 або після них. Підсилені сигнали поступають на реєстратор 14.

На практиці, в основному, реєструють часи проходження хвилі T₁, T₂і інтервальний час DT, а також величини амплітуд коливань A₁ і A₂, які реєструються ближнім і віддаленим приймачами, та логарифм відношення амплітуд lg(A₁/A₂). Такий спосіб реєстрації даних використовується в апаратурі акустичного каротажу СПАК-2М, СПАК-4 і СПАК-6.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
	\|	Методика проведення вимірювань акустичного каротажу

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.016 сек.