Влияние неоднородности околоскважинного пространства на параметры головных волн

Выше предполагалось, что среда однородна в пределах скважины и за ее стенкой. Однако околоскважинное пространство неоднородно, что связано с наличием пустот и включений, а также зоны, измененной в радиальном направлении в резуль­тате взаимодействия с промывочной жидкостью и породоразрушающим инструментом. К радиальной неоднородности приводит и обсадка скважины.

Поскольку головные волны в свою очередь неоднородны, на формирование их параметров влияет цилиндрический слой, в котором локализована основная доля энергии. Среда, лежащая вне этого слоя, на параметры головных волн практически не влияет. В результате экспериментальных исследований уста­новлено, что отношение толщины слоя , оказывающего заметное влияние на динамические параметры волн, к толщине слоя , оказывающего заметное влияние на кинематические параметры, равно приблизительно двум. Это значит, что методы, основанные на определении дина­мических параметров, в принципе более глубинны, чем основан­ные на измерении кинематических параметров. При этом и возрастают прямо пропорционально длине волны и, следовательно, зависят от частоты. В качестве примера укажем, что при = 5 км/с и частоте f= 25 кГц, = 20 см, а на частоте 5 кГц увеличивается до 100 см. Легко видеть, что в обоих слу­чаях толщина слоя равна длине волны.

Образование зоны проникновения и, в частности, промытой зоны, приводит к изменению упругих свойств пород и, следовательно, к радиальной неоднородности. Во многих случаях в непосредственной близости от стенки скважины образуются микротрещины. Скорости продольных и поперечных волн при этом растут в направлении неизмененной части пласта. В геофизике такое плавное изменение называют градиентным, поскольку оно связано с появлением отличного от нуля градиента скорости, а среду — слабо неоднородной.

Слабо неоднородную среду можно условно разбить на мно­жество тонких (сравнительно с длиной волны), незначительно отличающихся по параметрам плоскопараллельных слоев с чет­кими границами. На границе каждого слоя волна, упавшая на стенку скважины под углом , испытывает преломление, что приводит к искривлению е

Рис. 5. Механизм образования головной рефрагированной(I) и головной волн(II)

1- неизмененная порода; 2-низкоскоростной слой

3-промывочная жидкость

е пути — рефракции (рис. 5). На некотором удалении от стенки скважины волна достигнет условной границы слоя, параметры которого практически не отличаются от параметров неизмененного пласта. Поскольку эта граница отделяет низкоскоростную зону от высокоскоростной, на ней при выполнении известных условий возникнет полное внутреннее отражение и образуется волна, называемая голов­ной рефрагированной. Поэтому на некотором расстоянии от излучателя фронт волны, возбужденный ею в жидкости, обгонит фронт волны . Показано, что, располагая приемник на расстоянии >3 м от излучателя, можно, как правило, за­регистрировать головную рефрагированную волну, параметры которой характеризуют неизмененную породу.

Пространственно-временное распределение волнового поля в обсаженной скважине отличается появлением специфических волн, связанных с колебаниями, возникающими в обсадной колонне и цементном камне. В зависимости от поставленной задачи эти волны можно рассматривать либо как полезный сигнал, либо как помеху. Например, при изучении акустических свойств разреза волну, распространяющуюся по колонне, рассматривают как помеху, а при изучении состояния обсадки — как полезный сигнал.

Расчеты и экспериментальные данные позволили получить сведения о характере волнового поля при различных условиях передачи напряжений на границах колонна — цемент — порода.

П

Рис. 6. Зависимость скорости обобщённой головной волны от волновой толщины слоя «колонна – цемент». Скорость в породе - 2.6

ри хорошем сцеплении колонны с цементом и цемента с породой головные волны являются обобщенными, так как они в той или иной мере зависят от обобщенных характеристик горных пород, цементного камня и колонны. При этом влияние пород возрастает с увеличением длины волны. Таким образом в обсаженной скважине имеет место дисперсия скорости головных волн: по мере роста частоты (соответственно и отношения , где h — толщина слоя «колонна + цемент»), скорость головных волн меняется от скорости в породе до скорости в обсадке (рис. 6). Такую частотную дисперсию называют геометрической. Анализ результатов лабораторных и скважинных исследований показывает, что при частотах ниже 15 кГц обсадка практически не влияет на значения скорости и затухания.

При скользящем контакте цемента с колонной и жестком с породой обобщаются свойства цемента и породы. При этом на частотах ниже 15 кГц влияние цементного камня на параметры головных волн пренебрежимо мало, в связи, с чем скорости их распространения и коэффициенты затухания совпадают со значениями, зарегистрированными в открытом стволе. Однако выделение волны по породе на фоне интенсивной волны по колонне затруднительно.

Если сцепление на границах колонна — цемент — порода отсутствует, обобщенная волна не возникает. Выделение головных волн по породе в этом случае практически невозможно.

Таким образом, при хорошем качестве обсадки по параметрам головных волн можно определить упругие характеристики пород, слагающих разрез скважины, при неудовлетворительной — эта задача трудно выполнима. Вместе с тем, изучая поле упругих волн в скважине, можно оценить качество обсадки, состояние контактов колонна — цемент и цемент — порода, а также распределение цемента в затрубном пространстве.