Акустический каротаж

Принципы акустического каротажа

Акустический (или сейсмический) каротаж представляет собой метод геофизических исследований, основанный на регистрации упругих волн, распространяющихся в горных породах. Метод используется для определения скоростей продольных (P) и поперечных (S) волн, расчёта динамических модулей упругости, выявления трещиноватости, оценки пористости, литологического состава и состояния насыщения флюидом.

В основе метода лежит возбуждение упругих колебаний источником, установленным в скважине, и регистрация прошедших волн с помощью системы приёмников, размещённых на определённом расстоянии от источника. Измеряется время пробега волн, на основании которого рассчитывается скорость распространения.

Оборудование и конфигурация зондов

Современные приборы для акустического каротажа включают источник упругих колебаний (часто пьезоэлектрического типа) и несколько приёмников (гидрофоны или пьезодатчики), расположенных на известном расстоянии друг от друга. Расстояние между источником и первым приёмником, а также между приёмниками, строго фиксировано и варьируется в зависимости от задач исследования.

Применяются следующие типы зондов:

  • С коротким основанием (расстояние между приёмниками до 0,5 м) — для измерения в трещиноватых и неоднородных породах.
  • С длинным основанием (1–3 м) — для оценки скоростей в ненарушенной породе, снижения влияния призабойной зоны.

В некоторых приборах возможно двустороннее возбуждение (две стороны источника), позволяющее повысить точность измерений и снизить влияние асимметрии пород.

Методика проведения измерений

Измерения проводят в затрубном пространстве, заполненном буровым раствором. Основная задача — зарегистрировать интервальные времена пробега продольной и поперечной волны между приёмниками. Далее, зная расстояние между приёмниками, рассчитывают скорость распространения:

$$ V = \frac{L}{\Delta t} $$

где V — скорость волны, L — расстояние между приёмниками, Δt — разность времен прихода сигнала.

Для получения достоверных данных проводят калибровку аппаратуры, устраняют шумы и оценивают качество формы сигнала.

Типы волн в акустическом каротаже

  1. Продольные волны (P-волны) Распространяются быстрее всех типов, характеризуются сжатием и растяжением вдоль направления распространения. Их скорость зависит от плотности, пористости и упругих свойств породы.

  2. Поперечные волны (S-волны) Распространяются только в твёрдой среде, вызывают смещение частиц перпендикулярно направлению движения. Особенно чувствительны к наличию трещин и типу флюидов.

  3. Поверхностные (стоунли) волны Возникают на границе «буровой раствор — стенка скважины», имеют малую скорость и используются в основном для оценки проницаемости и состояния призабойной зоны.

Параметры, определяемые акустическим каротажем

  1. Скорости продольных и поперечных волн Основа для расчёта упругих модулей:

    • модуль Юнга E,
    • коэффициент Пуассона ν,
    • модуль сдвига G,
    • объёмный модуль упругости K.

  2. Акустическая пористость Рассчитывается по эмпирическим зависимостям, например, по уравнению Ваппля (Wyllie Time-Average Equation):

    $$ \frac{1}{V} = \frac{\phi}{V_f} + \frac{1 - \phi}{V_m} $$

    где V — измеренная скорость в породе, ϕ — пористость, Vf — скорость в флюиде, Vm — скорость в матрице породы.

  3. Коэффициент Пуассона Вычисляется через отношение скоростей:

    $$ \nu = \frac{1}{2} \cdot \frac{(V_p/V_s)^2 - 2}{(V_p/V_s)^2 - 1} $$

    где Vp и Vs — скорости продольной и поперечной волны соответственно.

  4. Оценка трещиноватости Разница в скоростях, а также снижение амплитуды поперечной волны указывает на наличие трещин. Метод особенно эффективен при анализе ориентированных трещин и напряжений.

Преимущества и ограничения метода

Преимущества:

  • высокая чувствительность к изменению пористости и трещиноватости;
  • возможность расчёта механических свойств пород;
  • независимость от электропроводности флюида;
  • хорошее разрешение по глубине.

Ограничения:

  • снижение точности в сильно неоднородных и трещиноватых интервалах;
  • влияние бурового раствора на форму сигнала;
  • невозможность регистрации S-волн в жидкостях и слабоуплотнённых породах;
  • требует калибровки на местных керновых образцах.

Современные подходы и интерпретация

Акустические данные всё чаще обрабатываются с использованием цифровых алгоритмов, включая:

  • Сембланс-анализ для точной оценки времён прихода;
  • Анализ формы сигнала — для выявления неоднородностей и трещин;
  • Инверсный анализ — для построения скоростных моделей и оценок прочностных характеристик.

Комбинирование с данными других методов (гамма-каротаж, нейтронный, плотностной) позволяет создать более точную литологическую модель разреза и количественно оценить продуктивность коллекторов.

Применение в нефтегазовой геофизике

В практике нефтегазоразведки акустический каротаж применяется для:

  • контроля качества цементирования обсадных колонн;
  • оценки степени насыщения и типа флюидов (особенно при интерпретации в совокупности с резистивиметрией);
  • оценки риска гидроразрыва пласта (по модулю Юнга и коэффициенту Пуассона);
  • прогноза геомеханических свойств для бурения и разработки залежей.

Лабораторные исследования и связь с керном

Лабораторные методы акустики на керне (ультразвуковая томография, измерения скоростей на образцах под нагрузкой) являются критически важными для калибровки каротажных данных. Они позволяют учесть влияние анизотропии, ориентации трещин, насыщенности и других факторов, которые могут быть неразличимы в полевых условиях.

Сопоставление данных полевого акустического каротажа с лабораторными измерениями — ключ к высокой достоверности интерпретации.

Оглавление