Классификация сейсмоакустических методов и задачи, решаемые ими

сейсмоакустический каротаж - сейсмический каротаж (СК), акустический каротаж (АК)

СЕЙСМИЧЕСКИЙ КАРОТАЖ — исследование упругих свойств горных пород в стенках буровых скважин путём определения скоростей сейсмических волн, их коэффициент отражения, прохождения и поглощения. Результаты используются для интерпретации данных сейсмической разведки, исследования литологического состава и физических свойств (проницаемость, пористость и др.) пород, а также для выделения нефтегазоносных продуктивных пластов и для контроля технического состояния скважин (например, определения качества цементации).

Различают интегральный сейсмический каротаж, в котором источник (обычно взрывной) располагают вблизи поверхности Земли, а приёмники помещают внутри скважин, и дифференциальный сейсмический каротаж, когда источник и приёмники перемещают совместно внутри скважины. Интегральный сейсмический каротаж применяют для определения средних свойств в мощных (свыше 50-100 м) пластах и исследования картины колебаний, вызываемых различными сейсмическими волнами внутри среды (вертикальное сейсмическое профилирование). Используют скважинные сейсмоприёмники и регистрирующую аппаратуру полевой сейсморазведки; регистрируют колебания в диапазоне частот 20-250 Гц. Дифференциальный сейсмический каротаж применяют для изучения сейсмических свойств в слоях мощностью до 1-2 м; с этой целью регистрируют колебания с частотами 10-100 кГц (акустический каротаж, ультразвуковой каротаж). Используются скважинные зонды, несущие магнитострикционные или пьезоэлектрические излучатели и приёмники, которые применяются как электромеханические преобразователи упругих колебаний. Регистрацию производят на поверхности Земли в передвижной сейсмокаротажной станции, куда сигналы передаются от зонда по кабелю.

АКУСТИЧЕСКИЙ КАРОТАЖ— метод геофизических исследований в скважинах, основанный на изучении акустических свойств (скоростей распространения и затухания упругих волн) горных пород, пересечённых скважиной.

Используется при поисках и разведке месторождений, контроле технического состояния скважин, интерпретации данных сейсмической разведки, а также при решении инженерных геологических задач. Акустический каротаж проводят с помощью глубинного датчика, связанного каротажным кабелем с наземными измерительными и регистрирующими приборами. Основные элементы глубинного прибора — излучатели и приёмники упругих волн, а также акустические изоляторы, предотвращающие распространение упругих волн по корпусу глубинного прибора. Излучателями служат магнитострикционные преобразователи, изменяющие радиус металлическими (пермендюр, никель) цилиндра под действием переменного магнитного поля, или пьезоэлектрические преобразователи из титаната бария, цирконата свинца, создающие колебания в результате воздействия переменного электрического поля. Приёмники — пьезоэлектрические элементы, преобразующие механическую энергию упругих волн в электрические импульсы.

При проведении акустического каротажа электрические импульсы поступают из блока синхронизации и управления в излучатели, где преобразуются в импульсы упругих колебаний длительностью 5-10 мс; преобладающая энергия этих импульсов сосредоточена в полосе частот 10-15 кГц. Измеряют времена пробега основных типов волн и коэффициент затухания. По результатам измерений строят геоакустические модели разрезов скважин для интерпретации данных сейсморазведки, проводят оценку пористости продуктивных пластов, определяют упругие модули горных пород (модули Юнга, сдвига, объёмного расширения), выявляют зоны повышенной трещиноватости и кавернозности. Совместное использование данных акустического, электрического и радиоактивного каротажа позволяет осуществлять литологическое расчленение разрезов, выявлять коллекторы нефти, газа, определять коэффициент насыщения, контролировать разработку месторождений нефти и газа.

Физические основы сейсмоакустических методов. Основные определения; факторы, влияющие на кинематические и динамические параметры упругих волн; упругие константы; понятие о теории Френкеля-Био-Николаевского; типы волн в двухфазных средах.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

В естественном залегании горные породы практически являются упругими телами. Если в элементарном объеме некоторой упругой среды в течение короткого времени действует внешняя возбуждающая сила, в среде возникают напряжения, вызывающие относительное перемещение ее частиц. В общем случае это ведет к возникновению двух типов деформаций: объема (растяжения, сжатия) и формы (сдвига). Колебательный процесс последовательного распространения деформации называется упругой сейсмической волной, он характеризуется длиной волны λ, равной расстоянию между точками, колеблющимися в одинаковой фазе.

Упругая волна, распространяясь во все стороны, захватывает все более удаленные области. Поверхность, 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 название лучей. В однородной среде лучи прямолинейны, а в неоднородной имеют криволинейную форму.

Различают два типа волн — продольные Р и поперечные S.

Продольные волны связаны с деформацией объема среды. Распространение продольной волны представляет собой перемещение зон растяжения и сжатия, при котором частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения в направлении, совпадающем с направлением распространения волны. Поперечные волны обусловлены деформациями формы среды и могут существовать только в твердых телах. Распространение поперечной волны представляет собой перемещение зоны скольжения слоев среды друг относительно друга: частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны (рис. 74).

Важными кинематическими параметрами упругих волн являются скорость их распространения по лучу v (в м/с), длина волны λ=v/f, где f — частота колебаний волны в Гц, f = 1/T, Т — видимый период волны. Условия распространения волны зависят от длины волны λ. Так, продольные и поперечные волны могут распространяться в телах, геометрические размеры которых превышают λ не менее чем в 3 раза.

Для идеально упругих изотропных горных пород скорости (в м/с) продольных vP и поперечных vS волн определяются по формулам:

где δП — плотность породы в г/см3; Е— модуль Юнга; v — коэффициент поперечного сжатия (коэффициент Пуассона).

Для горных пород величина Е изменяется в пределах 0,15·10-4—0,6- 10-5 МПа, коэффициент v близок к 0,25.

После подстановки в формулы (V.1) и (V.2) средних значений упругих констант для горных пород получим отношение vP/vS≈1,73. Следовательно, продольная волна, распространяющаяся приблизительно в 1,75 раза быстрее поперечной, достигает удаленной точки раньше. Распространение фронта волны изучается с помощью известного в геометрической сейсмике принципа Гюйгенса — Френеля, согласно которому каждая точка фронта может рассматриваться как источник элементарных волн, а понятие луча связывают с направлением переноса энергии волны.

Если упругая волна достигает границы раздела двух сред с различными упругими свойствами, часть энергии волны отражается — образуется отраженная волна, а часть проходит через границу — проходящая волна (рис. 75,а).

Отраженная волна возникает в том случае, когда волновое сопротивление (произведение плотности на скорость) у одной среды больше, чем у другой. Волна, проходящая через границу раздела, изменяет свое направление — луч преломляется. Из законов геометрической сейсмики следует, что sin α/sin β = v1/v2. При v2<v1 луч проходящей волны удаляется от границы раздела, при v2>v1— приближается к ней и, начиная с некоторого критического угла падения i, удовлетворяющего условию sin i = v1/v2, скользит вдоль границы, а угол преломления β становится равным 90°.

С этого момента, начиная с критических точек, фронт проходящей волны двигается вдоль границы с постоянной скоростью v2, в то время как скорость движения фронта падающей волны по границе становится меньшей v2 и продолжает уменьшаться, стремясь по мере увеличения угла падения к значению истинной скорости в покрывающем слое, т. е. к v1. Фронт падающей волны продолжает возбуждать отраженную волну, но уже не вызывает проходящей волны. Наоборот, фронт проходящей волны, достигая последующих точек границы раньше, чем фронт падающей волны, продолжает новую, так называемую преломленную (головную), волну.

Линейно - упругое приближение, положенное в основу традиционной сейсморазведки, уже давно не удовлетворяет потребностям развития новых методов изучения земных недр сейсмическим способом. Альтернативным путем развития сейсморазведки является создание методов, базирующихся на принципиально новых физических моделях реальных сред, учитывающих сейсмическую нелинейность коллекторов нефти и газа.

Обратимся к опыту более ранних работ и выделим результаты, позволяющие точнее и полнее сформулировать задачи и пути настоящего исследования.

Впервые теория распространения сейсмических волн в пористых средах с упругим скелетом и вязким заполнителем была предложена в 40-х годах Я.И. Френкелем. Впоследствии она была развита и дополнена в работах М. А. Био.

Достаточно полный и комплексный анализ процессов, протека ющих в насыщенных проницаемых средах, сделан В. Н. Николаевс ким. Разработанная им обобщенная теория распространения упругих волн получила в литературе название теории Френкеля - Био - Николаевского. В последующие годы она интенсивно развивалась и дополнялась.

Однако в ней не учитывался ряд нелинейных проявлений реальной геологической среды (неравномерности фильтрации жидкости в поровом пространстве, возможного взаимодействия волн). Совпадения с экспериментом либо отсутствовали вовсе, либо были очень неоднозначными.

Важнейшим положением этой теории для данной работы является утверждение о возникновении в многофазной среде особых, дополнительных к обычным продольным и поперечным, колебаний. Способность среды генерировать колебания говорит о ее сейсмической активности, а активность - одно из непременных свойств нелинейных сред, следовательно, переход к нелинейности, как к базовой парадигме - один из перспективнейших путей развития теории.

Из элементарной теории нелинейной акустики следует, что в акустически-нелинейной среде должны возникать волны кратных, комбинационных (суммарных и разностных) частот и не выполняться принцип пропорциональности.

Акустический каротаж (АК). Водные и поверхностные волны в скважине. Головные волны в скважине. Образование монотипной и обменной головных волн. Объяснение принципиальной возможности регистрации головных волн в первом вступлении.