№ 28. Физ.Основы акустических методов.

1. Акустические (АК):

   1. Метод естественных акустических полей (выделение газоотдающих интервалов путём регистрации шумов при поступлении газа в скважину; определение характера проходимых пород по спектру колебания бурового инструмента).

   2. Метод искусственных акустических полей (изучение скорости распространения и затухания).

2. Физические основы акустического метода. В среде могут возникать волны двух типов — продольные Р и поперечные S. Поперечные волны возникают и распространяются лишь в твердых телах. Скорости распространения волн зависят от плотности и упругих свойств среды (модулей Юнга и сдвига). Скорость V_S в 1,5 — 2 раза ниже V_P. Интервальное время Δt = 1/V_P.

3. Величины V_P и V_S для рыхлых горных пород существенно зависят от глубины залегания и от эффективного напряжения σ-р, т. е. разности горного σ и гидростатического р давлений. Скорость распространения волн в породе уменьшается, а интервальное время увеличивается с ростом коэффициента пористости k_П. Во многих случаях зависимость Δt от k_П близка к прямолинейной: Δt = Δt_ТВ(1 - k_П) + Δt_Жk_П = Δt_ТВ + k_П(Δt_Ж - Δt_ТВ) - уравнение среднего времени. Скорость волн зависит не только от минерального состава пород и их насыщения, но и от литологических особенностей пород, их глинистости, эффективного напряжения, степени сцементированности породы и других факторов.

4. При удалении от излучателя энергия волн и амплитуда колебаний уменьшаются вследствие расхождения, а также из-за процессов поглощения энергии, рассеяния на микронеоднородностях горной породы. Уменьшение энергии Е и амплитуды А плоской волны происходит по законам: A=A₀·e^-αr, E=E₀·e^-2αr.

5. При распространении волн в системе скважина-пласт закон ослабления имеет вид E=E₀·e^-2αr/rⁿ. Коэффициент затухания α увеличивается с ростом коэффициента пористости горных пород, с ростом их глинистости и особенно трещиноватости. α_РВ<α_РН<α_РГ, α_SВ<α_SН<α_SГ.

6. П ростейший двухэлементный зонд акустического метода содержит излучатель упругих колебаний И и приемник колебаний П. Расстояние L между ними называется длиной зонда. Для уменьшения влияния скважины и перекоса прибора в скважине применяют трех- и четырехэлементные зонды. Расстояние S между одноименными элементами трехэлементного зонда называют базой (определяет вертикальную разрешающую способность метода). Зонды обозначают последовательностью букв И и П (излучатель и приемник), между которыми проставляют расстояния в метрах. Для акустического метода, как и для электрического, справедлив принцип взаимности.

8. При проведении акустических исследований наблюдаются упругие волны: прямая гидроволна Р₀, отраженная волна Р₀Р₀, преломленные продольная P₀P₁P₀ и поперечная P₀S₁P₀ (0-среда – скважина, 1-среда - породы). Кроме того, могут наблюдаться поверхностные волны, распространяющиеся по стенке скважины, волны, отраженные от границ пластов, трещин и т. д. Преломленные волны — основной объект изучения. Они образуются, если угол падения волны на стенку скважины превышает некоторое критическое значение. Поэтому для наблюдения таких волн необходимо, чтобы длина зонда также превышала некоторое критическое значение. Проще всего определяются при AM время поступления и амплитуда волны (по ним судят о скорости и коэффициенте затухания волн в породе), приходящей к приемнику первой (первое вступление волн). Наибольшая скорость распространения - преломленная продольная волна P₀P₁P₀.

9. В обсаженной скважине волновая картина еще больше усложняется. В частности, дополнительно возникает волна сжатия (St – Лейнба-Стоунли), распространяющаяся по обсадной колонне. Ее амплитуда зависит от степени сцепления колонны с цементным камнем. Чем лучше сцепление, тем легче энергия волны рассеивается в окружающую среду и тем ниже амплитуда колонной волны. Это явление используют в акустических приборах для определения качества цементирования.

10. Измерение времен и амплитуд отраженных волн позволяет исследовать внутреннюю поверхность обсадной колонны (положение муфт, перфорационных отверстий, дефектов колонны). Аппаратура акустического каротажа на отраженных волнах («акустический телевизор», АК-сканер) позволяет получать растровое отображение стенки скважины или обсадной колонны по интенсивности отраженных высокочастотных упругих импульсов.

№ 37. Скважинный электротермометр: устройство, электрическая схема.

Н аиболее часто для непрерывных измерений температуры в сква­жинах используют электрические термометры сопротивления. Их чувствительными элементами обычно являются резисторы, изготов­ленные из материала с большим температурным коэффициентом β, т. е. заметно изменяющие свое электрическое сопротивление R при изменении температуры.

11. В интервале температур до 200 — 300 °С β = const и зависимость R(T) практически линейна: R = R₀[1 + β(T - T₀)], где R₀ = R (Т=Т₀). В чувствительных элементах скважинных термометров обычно используют медную проволоку, обладающую достаточно высоким температурным коэффициентом (β = 4,45 · 10 ^-3 К^-1).

12. Чувствительные элементы (жгутики медной проволоки, термис­торы и т. п.) помещают для их механической защиты в металличес­кие трубки, обеспечив, естественно, электрическую изоляцию их друг от друга. Конструкция термометров предусматривает свободное омывание этих трубок средой, заполняющей скважину. О температуре в скважине судят по величине электрического сопротивления чувстви­тельного элемента, а для её измерения используют мостики сопро­тивления, электронные RC-генераторы и др.

13. В получивших широкое распространение термометрах типа ТЭГ, рассчитанных на работу с одножильным кабелем, измерительная схема содержит электронный RС-генератор, период колебаний ко­торого пропорционален сопротивлению чувствительного элемента из медной проволоки (R_T), входящего в его колебательный контур.

Период колебаний генератора линейно зависит от R_T а значит, и от температуры окружающей среды. Вырабатываемый генератором Г переменный сигнал передается на поверхность по одножильному ка­белю и выделяется на резисторе R_б, выполняющем роль нагрузки ге­нератора Г, а частота этого сигнала измеряется частотомером Ч. Об­разующееся на выходе периодомера постоянное напряжение, пропор­циональное частоте сигнала и температуре среды, подается на прибор визуального наблюдения ИП и на регистрирующий прибор РП. Вып­рямитель питает скважинный прибор постоянным током.

Преимущество ТЭГ и аналогичных ему приборов с преобра­зованием измеряемой температуры в частотно-модулируемый сиг­нал — их помехоустойчивость: практически отсутствие влияния уте­чек, изменений параметров кабеля и других факторов. Если термо­метр, находившийся в среде с температурой Т_Н, перенести в среду с температурой Т, температура чувствительного элемента (а следова­тельно, показания термометра) приближается к Т не мгновенно, а постепенно. Скорость этого приближения зависит от конструкции термометра, тепловых свойств конструкционных материалов и ок­ружающей среды. Это явление называют тепловой инерцией термо­метра.