В табл. 1 приведены сведения об упругих волнах, распространяющихся в тонком (wd<<vs) жестком стержне со свободными границами. Хотя в условиях скважины такие волны отсутствуют, общность их природы с волнами, распространяющимися в тонкой пластине (колонне), облегчает понимание сущности продольной волны Лэмба, распространяющейся в незацементированной обсадной колонне.
Из множества волн, которые могут распространяться в скважине и околоскважинном пространстве, в практике ГИС выделяется небольшое количество, для которых установлены определённые взаимосвязи между измеряемыми параметрами волн (Dt, А, a) и искомыми характеристиками пород или обсадной колонны. Это продольная и поперечная волны и волна Стоунли, параметры которых применяют для изучения разрезов скважин. Кроме того, на измерениях интервального времени Dt и амплитуд отраженной продольной волны основано сканирование стенок скважины в открытых и обсаженных скважинах. Оценку качества цементирования обсадных колонн выполняют с использованием параметров (Dt, А, a) волны Лэмба, распространяющейся в обсадной колонне. Чтобы выделить эти типы волн из множества других, их называют иногда информативными волнами [14], отнюдь не отрицая, что со временем таковыми могут стать и любые другие типы волн.
Идентификация информативных и других волн в зарегистрированном волновом пакете представляет собой сложную задачу, если учесть близкие значения скоростей распространения и частот многих волн - продольной волны в породе и волны Лэмба в обсадной колонне, поперечной и Рэлея, гидроволны и Стоунли и др. В лабораторных условиях эту задачу решают построением годографов упругих волн на специально построенных моделях, при изучении которых годографы разных типов волн резко расходятся или приобретают разную форму. Например, разделение годографов S и R волн достигается при переходе приёмника через ребро модели, когда путь распространения S волны (диагональ) существенно уменьшается по сравнению с путём R волны (два катета) [20].
Для идентификации упругих волн в волновых пакетах АК в настоящее время разработана одна методика - оценка когерентности волновых пакетов и их частей, зарегистрированных с помощью многоэлементных [6, 71, 90] либо простейших трёхэлементных зондов [34]. В обоих случаях определяются коэффициенты корреляции (множественной или парной) волновых пакетов, зарегистрированных многими или только двумя приёмниками. Технически это достигается выбором небольшого (1-1,5 периода колебаний) интервала в волновом пакете первого приёмника и определением коэффициента его корреляции с колебаниями в равных по длине временных интервалах в волновом пакете второго приёмника (последующих приёмников для многоэлементного зонда), после чего в первом пакете коррелируемый интервал сдвигается на шаг дискретизации и т.д. Положения локальных максимумов коэффициентов корреляции на графике "Dt-t" соответствуют интервальным временам распространения волн по оси Dt и временным интервалам существования этих волн по оси t ( рис. 2 ). Постоянные значения Dt во временном интервале существования волны свидетельствуют о распространении волны без дисперсии или о том, что величина дисперсии меньше погрешности определения Dt.
Полученный набор максимумов подвергается процедуре отбраковки, основанной на кинематической связи между Dt, t и длиной l измерительного зонда. Отбрасываются максимумы, для которых tp,s,st<Dtp,s,st l+100 мкс, где постоянный член 100 мкс приближённо учитывает время распространения волны в скважинной жидкости. Прямая, отображающая это неравенство, ограничивает информационное поле слева. Его можно ограничить также справа, если допустить, что при импульсном режиме измерений колебания каждой волны, не искажённые интерференцией, длятся в пределах 3-4 периодов. Затем проводится идентификация оставшихся максимумов с учетом априорной информации об объекте исследования. Вначале определяется наличие или отсутствие максимума, соответствующего волне Лэмба в обсадной колонне; значение DtL должно находиться в диапазоне 183-187 мкс/м. В открытом стволе максимум с минимальным значением At принадлежит продольной Р волне (Dtp), обладающей максимальными значениями скорости распространения. Локальный максимум, для которого значение Dt находится в диапазоне(1,7-2,1)Dtр, идентифицируется принадлежащим поперечной волне (Dts). Для монопольных преобразователей значение Dts не может быть большим 660 мкс/м - значения интервального времени в скважинной жидкости (Dtж). О том, что этот максимум принадлежит именно поперечной волне, а не волне Рэлея, свидетельствует равенство значений Dts, измеренных зондами с монопольными и дипольными преобразователями [25,139]. И, наконец, определение максимума, который соответствует волне Стоунли, не вызывает затруднений, так как его локализация заранее известна (Dtst> Dtp, Dts, DtЖ).
Как показывает опыт обработки материалов трёхэлементных [34] и многоэлементных [71] зондов, в геометрии наблюдений, присущей АК, возможна регистрация весьма ограниченного количества волн Как правило, это информативные волны - Лэмба, продольная, поперечная, Стоунли. В волновых пакетах отсутствует волна Рэлея, распространяющаяся в скважине в виде сильно неоднородной волны. Интенсивность прямой гидроволны, распространяющейся в скважинной жидкости, намного меньше интенсивности волны Стоунли, а временной интервал её существования незначителен (менее одного периода), и её не удаётся выделить в волновом пакете.
2. СКВАЖИННЫЕ ПРИБОРЫ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА
По-видимому, наиболее целесообразной была бы классификация приборов АК по основному объекту исследований, предложенная для методов и приборов ГИС в целом [13, 143]. В открытом стволе таким единственным объектом изучения являются горные породы. Характеристики промывочной жидкости, в основном, скорость vж упругой волны в ней, измеряются с целью повышения достоверности решения основной задачи. В обсаженной скважине объектов изучения четыре: внутрискважинное пространство, заполненное одно- или многофазным неподвижным и движущимся флюидом; обсадная труба; затрубное пространство, заполненное цементом либо жидкостью; породы, слагающие разрез скважины и изучаемые через обсадную колонну.
В настоящем обзоре, в основном, будут затронуты вопросы изучения трех объектов - геологических разрезов в открытых и обсаженных скважинах, технического состояния обсадных колонн и цементного камня. Решение других задач будет затронуто фрагментарно. Исторически сложилось разделение приборов АК, предназначенных для изучения геологических разрезов и технического состояния обсадных колонн, на группы, основной определяющей характеристикой которых служит их назначение (для исследований открытых или обсаженных скважин) либо сложность конструкции измерительных зондов. Первые две группы составляют приборы массового применения, которые используются в открытых и обсаженных скважинах. Наиболее простые из них ( рис. 3 , а, б) содержат уходящие в прошлое трёхэлементные (излучатель и 2 приёмника или 2 излучателя и 1 приёмник) либо компенсированные четырёхэлементные зонды (два излучателя и два приёмника). Часто компенсированный зонд содержит также третий приёмник П3 ( рис. 3 , б), обеспечивающий специфичные технологические решения: фиксацию муфт обсадной колонны при любом качестве сцепления цемента с колонной, запись фазокорреляционных диаграмм (ФКД) на стандартной по длине базе, равной 5 футам (1,5 м), и т.п. Приборы массового применения эксплуатируются самостоятельно или в составе комбинированных сборок. Они ориентированы на измерение параметров (Dt, А, a) преимущественно продольной волны и в меньшей степени, при благоприятных геолого-технических условиях, - поперечной головной волны. К этим группам относятся также высокочастотные (300-1000 кГц) приборы-сканеры с одним или несколькими электроакустическими преобразователями, совмещающими функции излучателя и приёмника упругих колебаний ( рис. 3 , д, е). Их основное назначение заключается в детальном изучении анизотропных слоистых и трещиновато-кавернозных пород в открытых скважинах и выделении вертикальных каналов в цементном камне, заполняющем затрубное пространство.
Отдельную группу составляют приборы, предназначенные для решения практически всех задач, доступных АК, в любых геолого-технических условиях. Они оснащены многоэлементными измерительными зондами с монопольными и дипольными преобразователями ( рис.3 , б, в), охватывают широкий для АК диапазон частот (1-30 кГц) и обеспечивают измерение параметров информативных Р, S и St волн без влияния интерференции этих волн между собой и с другими волнами-помехами.
2.1. Приборы массового применения для исследований открытых скважин
Приборы этой группы предназначены для решения ограниченного круга задач в основной массе поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин. Ими владеют все отечественные и зарубежные фирмы и предприятия, применяя их самостоятельно или в составе комбинированных сборок из приборов других видов ГИС. Приборы обеспечивают измерение параметров (Dtp, ap, fp и др.) продольной головной волны ( табл.2 , а). Измерение параметров поперечной волны является для них желательным, но вовсе не обязательным. Как правило, его ведут при стечении благоприятных условий: номинальный диаметр скважины, относительно высокоскоростной разрез (vр>vs>vж), толщины исследуемых пластов превышают длины измерительных зондов, отсутствуют породы с аномальным затуханием упругих волн. Конструкции приборов массового применения отражают максимальный уровень развития технических средств АК первой половины 80-х годов.
Круг геологических задач, решаемых по данным приборов АК массового применения, определился с начала применения метода. К ним относятся расчленение разрезов по значениям скорости vp и затухания aр продольной волны, расчет пластовых скоростей для целей сейсморазведки, определение литологии и коэффициентов Кп пористости пород с межзерновыми порами, выделение гранулярных коллекторов по значениям Кп. Эти приборы применяют также для исследований обсаженных скважин с целью оценки качества цементирования обсадных колонн.