В. В. Климов, А. В. Шостак геофизические исследования скважин
 Скачать 7.18 Mb.
|
|
Рис. 3.21 Траектории преломленных волн, регистрируемых трехэлементным зондом, где: 1 – раствор, 2 – порода Блок-схема аппаратуры акустического метода приведена на рисунке 3.22 и состоитиз скважинного прибора I и наземной аппаратуры II, соеди- ненные каротажным кабелем К. Скважинный прибор предназначен для излучения и приема упругих колебаний, усиления и передачи в линию связи (каротажный кабель) сиг- налов приемников. В общем случае он содержит один или несколько излу- чателей (И 1 и И 2 ), импульсные генераторы Г, вырабатывающие электриче- ские импульсы для возбуждения обмоток излучателей, приемники П (один или несколько) и соответствующее число усилителей У. Излучатели и приемники разделены акустическими изоляторами, об- ладающими высоким коэффициентом затухания волн или же большим временем задержки, обеспечивающим приход волн-помех по корпусу при- бора к приемнику позже полезных волн. В качестве акустических изолято- ров чаще всего, применяют последовательность элементов, изготовленных попеременно из металла и резины. 72 Рис. 3.22 Блок-схема аппаратуры АК (а) и сигналы в ней (б) Аппаратура АК действует циклами: излучение колебаний первым излучателем – прием сигнала, затем излучение вторым излучателем – при- ем сигнала и т.д. Циклы повторяются с частотой 25 или 12.5 Гц. Структура наземной части аппаратуры АК обычносодержит схему присоединения к кабелю СП, блок выделения синхроимпульса ВСИ, уси- литель У, блоки выделения первых вступлений волны ВВ, блоки определе- ния времени t и амплитуды волн А. Для вычисления интервального време- ни ∆t по значениям t 1 и t 2 и коэффициента затухания α (или отношения А 1 / А 2 ) по значениям А 1 и А 2 имеется вычислитель В. Основные моменты работы аппаратурыAM можно понять из диа- грамм (эпюр), приведенных для трехэлементного зонда с двумя излучате- лями на рисунке. Излучатели И 1 и И 2 попеременно излучают пакеты волн, изображенные на эпюрах 1 и 2. Моменты их срабатывания определяются схемой управления генераторами УГ. Одновременно с подачей импульсов в обмотку излучателя генератор Г через схему присоединения к кабелю СП 73 посылает на поверхность синхроимпульс СИ. Синхроимпульсы двух гене- раторов отличаются друг от друга, например, полярностью, как это пока- зано на эпюре 3. При достижении волнами приемника он вырабатывает электрические сигналы (эпюра 4), которые после усиления усилителем У передаются через схему на кабель и далее на поверхность. В наземной аппаратуре сигналы от приемника и синхроимпульсы попадают на усилитель У2 и блок выделения синхроимпульсов ВСИ. Блок ВСИ не пропускает сигнал приемника, но пропускает синхроимпульсы, ко- торые поступают в блок измерения времени и служат началом отсчета при определении времени прихода волн (эпюра 5). Сигналы от приемника, усиленные усилителем У2, подаются на блок выделения вступлений ВВ который вырабатывает нормализованные импульсы 6, указывающие мо- мент достижения сигналом некоторого порогового значения. Они запус- кают блок измерения времени t. Измеритель времени вырабатывает прямо- угольные импульсы 9, начинающиеся в момент прихода синхроимпульса и заканчивающиеся при вступлении волны (при поступлении импульса б от блока ВВ). Таким образом, длительности импульсов 9 равны временам t i прохождения волн от излучателей до приемника. Коммутирующее устройство (на рис. 3. 22 не показано) управляется синхроимпульсами и подает импульсы с выхода блока попеременно на ин- тегрирующие ячейки двух каналов. Они вырабатывают постоянные токи, пропорциональные длительностям импульсов 9, т.е. временам прихода t 2 и t 1 волн от соответствующих излучателей. Регистрируя эти токи, получают (в некотором масштабе) диаграммы изменения t 2 и t 1 по глубине скважины. Сигналы одновременно поступают на вычислитель, где вычисляется их раз- ность, и на третий канал регистратора, регистрирующий диаграмму интер- вального времени. Сигналы с выхода усилителя У2 подаются также на вход измерителя амплитуды A, предварительно они проходят через электронный ключ ЭК, управляемый блоком временного окна О. Блок О обеспечивает прохождение сигнала к измерителю амплитуд лишь в течение определенного времени (3–4 периода колебаний) после вступления волны (эпюры 7 и 8). Блок А определяет максимальную (иногда среднюю) амплитуду сигнала в указанном интервале времени. Значения этой величины для двух каналов регистрируются самопишущим устройством (регистратором), а также пода- ются в вычислитель В для вычисления α или А 1 /А 2 Современные тенденции построения аппаратуры для реализации акустического метода. 74 Современная аппаратура для реализацииакустического метода со- держит несколько измерительных каналов, блоки цифровой регистрации полных волновых картин (ВК) от всех приемников. и фазокорреляционных диаграмм (ФКД). Блок ВК позволяет выборочно или заданным шагом по глубине ре- гистрировать полную волновую картину обоих каналов, т.е. зависимости смещений в волне от времени, а также отметку момента срабатывания из- лучателя и меток времени (рис. 3. 23). Рис. 3.23 Записи волновых картин: а – от ближнего излучателя; б – от дальнего излучателя; в – метки времени (через 100 мкс); 1 – отметка синхроимпульса (момента срабатывания излучателя); 2 и 3 – вступления волн Это, в сочетании с обработкой результатов на ЭВМ и применением широкополосных излучателей, позволяет повысить: – надежность и полноту выделения различных типов волн («волно- вой акустический каротаж» – ВАК); – детальность решения традиционных задач акустических методов (определение пористости, выделение трещинных пород, изучение состоя- ния цементного камня) и дает надежду на решение других, более сложных и тонких задач. Специальные акустические приборы, регистрирующие время прихо- да и амплитуду волн, отраженных от стенок скважины (или обсадной ко- лонны), позволяют определять: – диаметры и профиль скважины с помощью акустических каверно- меров – профилемеров (рис. 3.24); 75 – проходное сечение, толщину стенок и повреждения обсадных ко- лонн (акустические телевизоры). При исследовании этими приборами на стенку скважины направляют короткий импульс высокочастотной (1,5–3,0 МГц) упругой волны от излуча- теля, а приемник регистрирует отраженную волну. Так, в акустических теле- визорах САТ и САТ-4, разработанных в ООО НПФ «Геофизика» и др., излу- чатель и приемник непрерывно вращаются с помощью электродвигателя во- круг вертикальной оси. Сигнал приемника передается на поверхность и в на- земной аппаратуре создается изображение стенок скважины, где достаточно ясно видны трещины, каверны в породах или обсадной колонне. Зарубежные приборы «CET» и «Digital CET» фирмы «Schlumberger» позволяют определять 8 радиусов и 8 значений толщины стенки труб с по- мощью 8 акустических датчиков, расположенных по спирали на корпусе скважинного зонда на базовом расстоянии около 610 мм и под углом 45 градусов друг к другу. (Девятый датчик расположен в нижней части скважинного зонда и служит для коррекции результатов измерений при изменении параметров промывочной жидкости). Каждый датчик располагается на расстоянии около 50 мм от стенки обсадной колонны и непрерывно излучает и принимает короткие высоко- частотные импульсы. Диаметр ультразвукового пучка датчиков составляет около 20 мм, поэтому дефекты обсадной колонны меньше этого значения редко выявляются на каротажных диаграммах. Данные приборы неработоспособны в «сухих» скважинах, исследо- вания затруднены в буровом растворе, имеющем газовую фазу и в случае значительной шероховатости внутренней поверхности обсадной колонны. Опыт работы показал, что выявление повреждений возможно только при тщательной очистке стенок колонны от коррозии, загрязнений парафином и отложений солей. 76 Рис. 3.24 Схема работы акустического каверномера 3.2.3 Метод шумометрии Метод шумометрии непосредственно характеризует движение флюи- дов (в колонне труб и в заколонном пространстве). Известно, что измерение уровня и анализ спектра скважинных шумов позволяет: – выделять интервалы перфорации и оценить его эффективно рабо- тающую часть; – обнаружить негерметичные муфтовые соединения и повреждения обсадных колонн; 77 – оценить характер насыщения невскрытых перфорацией пластов – коллекторов с различной по составу насыщенностью (нефть, газ или вода) на основе анализа амплитудно-частотного состава регистрируемых сигна- лов геоакустических шумов) и т.п. Применительно к газовым скважинам, данный метод имеет серьезные ограничения к применению, основным из которых является большое затуха- ние акустических сигналов в жидкостях, содержащих растворенный газ (что весьма часто имеет место на практике). Другим ограничением к применению метода шумометрии являются шумы механического происхождения, которые образуются при движении скважинного прибора. Основными источниками указанных шумов являются центрирующие приспособления и каротажный кабель, причем максимум их спектральной характеристики находится в ин- формативной части спектра (в диапазоне от 100 до 3000 Гц). В России (в НПО «Бурение – ВНИИКР нефть) разработана аппаратура акустического каротажа, работающая в пассивном режиме (гидрофон- шумоиндикатор), основанная на регистрации интенсивности шума, вызванно- го потоком флюида через место негерметичности. Данная аппаратура предна- значена для поиска малых негерметичностей в эксплуатационных обсадных колоннах и имеет высокую чувствительность к малым утечкам благодаря со- ответствующей частотной коррекции в приемно-усилительном тракте. Однако в практике шумометрии были установлены случаи отсутст- вия шумового сигнала даже при наличии циркуляции флюида через место негерметичности. Подобные явления объясняются главным образом тем, что поток через дефект обсадной колонны имеет в этих случаях ламинар- ный характер. На основе накопленного опыта установлены некоторые особенности проведения ГИС методом спектральной шумометрии: – измерение характеристик акустических шумов должно произво- дится по точкам, при полной остановке скважинного прибора (с выдерж- кой времени, достаточной для успокоения столба жидкости в скважине, колебаний каротажного кабеля и т.п.), поскольку максимум спектральной характеристики шумов механического происхождения находится в рабо- чем участке диапазона частот; – при проведении измерений необходимо снизить или по возможно- сти исключить помехи шумового характера (от передвижной электростан- ции, насосов, агрегатов, компрессора и т.д.); – время регистрации газо-гидродинамических шумов на каждой точке должно быть не менее 5 минут. 78 Выбор глубин, на которых производят точечные измерения, должен осуществляется: – по данным термометрии и кавернометрии (в местах термоанома- лий, сужений и расширений открытого ствола скважин); – по данным акустической и гамма – гамма цементометрии (в зонах дефектов цементирования); – на границах и в интервалах залегания пластов – коллекторов; – по данным трубной профилеметрии и дефектоскопии (в местах дефектов обсадных колонн); – в местах установки характерных элементов конструкции эксплуа- тационной обсадной колонны (переводников, пакеров ПДМ и т.п.). – на муфтовых соединениях обсадных труб. 3.3 Радиоактивный каротаж Геофизические методы изучения геологического разреза скважин, основанные на измерении характеристик полей ионизирующих излучений (естественных и искусственно вызванных), происходящих в ядрах атомов элементов, называют радиоактивным каротажем (РК). Наиболее широкое распространение получили следующие виды радиоактивного каротажа: гамма-каротаж, предназначенный для изучения естественного γ-излучения горных пород и нейтронный каротаж, основанный на эффекте взаимодей- ствия с горной породой источников γ-излучения и нейтронов. Радиоактивность – самопроизвольное превращение ядер изотопов в ядра других элементов. Превращение ядра обычно происходит путем из- лучения альфа- или бета-частицы (α- и β-распад), реже наблюдается захват ядром одного из электронов оболочки атома (К-захват). Каждый вид рас- пада сопровождается испусканием гамма-квантов. α- и β-лучи – соответст- венно поток ядер гелия ( 4 2 He) и быстрых электронов. Они замедляются при проходе через вещество, затрачивая энергию на ионизацию атомов. Пробег бета-частиц – не более нескольких миллиметров. Пробег альфа-частиц – в несколько раз меньше. Гамма-лучипредставляют поток «частиц» (квантов) высокочастотного электромагнитного излучения наподобие света, но с гораздо меньшей длиной волны, т.е. с большей энергией кванта. Пробег гамма-квантов в веществе – в несколько десятков раз больше пробега для бета-частиц той же энергии. 79 Энергия гамма-квантов и других ядерных частиц выражается в элек- трон-вольтах (эВ): 1Эв = 1,602·10 –19 Дж. Энергия α- и β-частиц и гамма- квантов изменяется от долей до 3 МэВ.Так, для урана U226 (и образующе- гося из него Ra) энергия гамма-квантов – E = 1,76 МэВ, для тория Th 232 – E = 2,62 МэВ, а для K 40 – E = 1,46 МэВ. Период полураспада – Т 1/2 – это время, за которое количество ра- диоактивных изотопов уменьшится в два раза. Т 1/2 U238 = 4,5·10 9 лет; Т 1/2 U235 = 0,713·10 9 лет; Т 1/2 Th232 = 13,9·10 9 лет; Т 1/2 К40 = 1,31·10 9 лет; Т 1/2 Ra226 =1617 лет; Т 1/2 Rn = 3,85 дня. Число ядеррадиоактивных элементов уменьшается по закону: t T e N N 2 / 1 693 , 0 0 − = , (3.9) где, N 0 – число ядер радиоактивного элемента в начальный момент вре- мени, Т 1/2 – период полураспада. Количественная характеристика радиоактивности вещества – число распадов за единицу времени. Для данного радиоактивного изотопа коли- чество распадов Аза 1 с прямо пропорционально числу его атомов N: A = λN, где λ – постоянная распада (λ = 0,693/T 1/2 ). Чем меньше T 1/2 , тем больше радиоактивность вещества. Абсолютная радиоактивность(активность) вещества – число распа- дов в 1 секунду (расп/с). Активность в 1 расп/с носит название беккерель (Бк). Существует внесистемная единица Кюри (Ки), равная активности 1 г 226 Ra (1Ки = 3,7·10 10 Бк). Энергия и количество гамма-квантов на 1 рас- пад различны для различных изотопов – поэтому величина радиоактивно- сти в беккерелях недостаточна для суждения о гамма-активности вещества. Для ее характеристики еще недавно использовали специальную единицу – миллиграмм – эквивалент радия (мг·экв. Ra). Вещество имеет активность в 1 мг·экв. Ra, если его гамма-излучение обладает такой же ионизирующей способностью, что и излучение 1 мг радия после прохождения через пла- тиновый фильтр толщиной 0.5 мм. Единицы радиоактивности: 1 грамм эквивалента Ra/г = 3,7 ⋅ 10 10 распад/с = 3,7 ⋅ 10 10 Бк (Беккерель), 1 Кu (Кюри) = 3,7 ⋅ 10 10 Бк. 80 Ренген – такое количество рентгеновского или гамма–излучения, при- водящее к образованию в 1 см 3 сухого воздуха при нормальных условиях 2,083·10 9 пар ионов обоих знаков (1 Р = 2,083 ⋅ 10 9 ; 1 Р/с = 2,08 ⋅ 10 –4 А/кг. Закон ослабления плотности потокагамма-излучения от точечного источника выражается: r e r Q Ф µ − π ≈ 2 4 , (3.10) где , Ф – плотность потока гамма - квантов на расстоянии r; Q – общее число квантов , испускаемых источником ; µ – суммарное макроско - пическое сечение среды для всех процессов взаимодействия гамма - излучения с веществом Воздействие гамма - квантов на вещество зависит от их ионизирую - щей способности Учитывая это , интенсивность гамма-излучения в данной точке пространства принято характеризовать величиной , называемой доза Единица дозы – кулон на килограмм ( Кл / кг ). Доза равна 1 Кл / кг , если в ре - зультате ионизации излучением в 1 кг абсолютно сухого воздуха образу - ются заряды в 1 Кл ( каждого знака ). Доза , создаваемая в единицу времени , называется мощностью дозы Ее единица 1 А / кг Внесистемная единица дозы – рентген (1P = 2 ⋅ 58·10 –4 Кл / кг ) и единица мощности дозы – микро - рентген в час (1 мкР / ч = 71,7 ⋅ 10 –15 А / кг ). ( Для примера , радиевый источник активности 1 мКи на расстоянии 1 м от него создает в воздухе мощность дозы 850 мкР / ч ). Радиоактивность горных пород обусловлена в основном присутст - вием в них урана , тория , радиоактивных продуктов их распада и , наконец , калия , один из изотопов которого 40 К также радиоактивен Если не считать урановых и ториевых руд , наибольшей гамма- активностью обладают кислые изверженные породы , например граниты , а также глины По интенсивности гамма - излучения 1 г этих пород эквива - лентен (4 – 6)·10 –12 г 226 Ra. Наименее активны ( менее 10 –12 г Ra) ультраос - новные породы , а среди осадочных пород – чистые разности известняков , песчаников , большинства каменных углей и особенно гидрохимических пород ( кроме калийных солей ). В осадочных породах , как правило , радио - активность тем больше , чем выше содержание глинистой фракции Это по - зволяет по кривым I γ различать глины , глинистые и чистые разности из - вестняков , песчаников . ( Повышенная радиоактивность глинистых пород объясняется тем , что благодаря большой удельной поверхности они в про - |