OSNOVI GEOFIZIČKOG KAROTAŽA

Deveto predavanje

AKUSTIČNI KAROTAŽ

OSNOVNI PRINCIPI

Akustični karotaž se zasniva na proučavnju razlika u elastičnim svojstvima stenskih masa, odnosno na proučavnju brzine prostiranja elastičnih talasa kroz formacije, koje bušotina preseca.

Mehanička energija se prenosi oscilovanjem sa čestice na česticu, kroz elastičnu sredinu (sredina mora da bude korpuskularna).

U homogenoj izotropnoj elastičnoj sredini, talasi se od izvora oscilacija prostiru radijalno u svim pravcima. Talasni front je sfernog oblika sa centrom u tački izvora oscilacija i neprekidno se širi sa vremenom. U heterogenoj sredini talasni front ima komplikovan geometrijski oblik.

Brzina prostiranja akustičnih talasa

Prostiranje akustičnih talasa je pod uticajem elastičnih svojstava formacije i geometrije bušotine.

Postoje različiti tipvi talasa, koji imaju različite brzine prostiranja i frekventne karakteristike, na osnovu kojih mogu da se izdvajaju na registrovanoj krivoj (promena amplitude u funkciji vremena).

Talasi se dele na zapreminske i površinske.

ZAPREMINSKI TALASI se iz izvora prostiru radijalno u svim pravcima. Postoje dva tipa zapreminskih talasa: lonongitudinalni i transverzalni.

Longitudinalni talasi (primarni - P, uzdužni, kompresioni) mogu da se prostiru u čvrstim, tečnim i gasovitim sredinama. Pri prostiranju P talasa materijalne čestice osciluju u pravcu prostiranja talasa (deformacije sredine se prenose u pravcu prostiranja talasa - prostiranje deformacija zapremine). Pri prostiranju P talasa kroz sredinu dolazi do naizmeničnog sabijanja i širenja (kompresije i dilatacije) materijala.

Longitudinalni talasi

Longitudinalni talasi imaju najveću brzinu od svih seizmičkih talasa, tako da prvi stižu na registrator (prvi zapis na snimku).

Brzina prostiranja (vp) zavisi od elastičnih svojstava (λ, μ -Lameovi koeficijenti) i gustine (ρ) stena kroz koje prolaze:

,

odnosno od kompresibilnosti materijala (λ -nekompresibilnost, u suštini) i njegove rigidnosti - krutoće (μ - moduo smicanja).

ρμ+λ

=2vp

Transverzalni talasi (sekundarni – S, poprečni, talasi smicanja) mogu da se prostiru samo u čvrstim sredinama. Pri prostiranju S talasa materijalne čestice osciluju upravno na pravac prostiranja talasa (deformacije sredine se prenose u pravcu upravnom na pravac prostiranja talasa - prostiranje deformacija oblika).

Transverzalni talasi

Transverzalni talasi imaju manju brzinu od P talasa, ali veću od površinskih talasa, te na registrator stižu odmah posle P talasa.

Brzina prostiranja zavisi od rigidnosti - krutoće (μ) i gustine stena (ρ) kroz koje prolaze:

.

Kod fluida je μ = 0 (nema smicanja), te je i vs = 0, što znači da se S talasi se ne prostiru kroz tečnosti i gasove.

ρμ

=sv

Pri prostiranju zapreminskih talasa ne javlja se disperzija brzine (frekvencija je konstantna), jer se pretpostavlja da su λ i μnezavisni od frekvence, u opsegu koji se koristi kod geofizičkih karotažnih merenja.

Mada su ovi talasi često malih amplituda, one su obično dovoljno velike da mogu da se registruju akustičnim karotažnim sistemima.

Određivanje brzina prostiranja zapreminskih talasa u formaciji je značajno za interpretaciju seizmičkih podataka, na osnovu koje se vrši:

- procena litološkog sastava formacije,- procena poroznosti formacije,- procena mehaničkih svojstava i modula elastičnosti

formacije, itd.

POVRŠINSKI TALASI se ne prostiru u punom prostoru, već se kreću po određenim površima.

Ponašaju se slično kao S talasi, ali brzina njihovog prostiranja je manja od brzine prostiranja zapreminskih talasa.

Dva osnovna tipa površinskih talasa (u geofizičkom karotažu) su:

- Pseudo-Rejlijevi talasi i - Stounlijevi talasi.

Pseudo-Rejlijevi talasi su naziv dobili po sličnosti sa površinskim - Rejlijevim talasima. Rejlijevi talasi se proučavju u seizmologiji. Prenose se slično kao talasi koji nastaju na površi vode, kada ubacimo kamen. Materijalne čestice osciluju radijalno - trajektorije oscilovanja čestica su u vertikalnoj ravni (x, z), u pravcu prostiranja talasa, a čestice se kreću po eliptičnim putanjama.

Rejlijevi talasi

Pseudo-Rejlijevi talasi u bušotini su hibridni talasi odbijenog (od zida bušotine) konusnog talasa kroz fluid i površinskog talasa, koji se prostire vertikalno duž zida bušotine.

Disperziona svojstva Pseudo-Rejlijevih talasa zavise od prečnika bušotine, gustine i elastičnih svojstava formacije i fluida u bušotini, kao i frekventnih svojstava instrumenta.

Na registrovanoj talasnoj slici, Pseudo-Rejlijevi talasi se nalaze neposredno iza transverzalnih talasa i mogu da imaju relativno velike amplitude.

Stounlijevi talasi (vođeni talasi, pravi površinski talasi) imaju manju brzinu prostiranja od zapreminskih i Pseudo-Rejlijevih talasa, a disperzija im je neznatna.

Amplituda talasa opada eksponencijalno sa porastom radijalnog rastojanja od sonde.

Kada je bušotina malog prečnika, a formaciju karakterišu velike brzine prostiranja elastičnih talasa, nemoguće ih je izdvojiti, jer stižu na prijemnik istovremeno sa talasima iz isplake.

Prostiranje talasa u bušotini i formaciji

Prostiranje elastičnih talasa zavisi, pre svega, od mehaničkih svojstava i gustine formacije. Geološki gledano, ono zavisi od litologije, strukture i poroznosti stena.Na putu od predajnika do prijemnika, elastični talas prolazi kroz različite sredine (sonda, isplaka, formacija).

Na svakoj granici dve različite sredine elastični talas se odbija (reflektuje), prelama (refraktuje) i konvertuje iz jednog oblika u drugi.

Longitudinalni talas, koji proizvodi predajnik, se prvo prostire kroz isplaku odgovarajućom brzinom.

Na zidu bušotine se prelama i prostire se kroz formaciju, paralelno zidu bušotine, mnogo većom brzinom (u odnosu na brzinu kroz isplaku).

Zbog toga će longitudinalnom talasu, koji se od izvora prostire prvo kroz isplaku, pa kroz formaciju (najvećim delom puta), a zatim ponovo kroz isplaku do prijemnika, biti potrebno mnogo manje vremena da stigne do prijemnika (iako prelazi duži put), nego talasu koji se direktno kroz isplaku prostire do prijemnika.

Prostiranje elastičnih talasa

KONVENCIONALNI AKUSTIČNI KAROTAŽ

Konvencionalnim akustičnim karotažom registruju se prvi nailasci longitudinalnih talasa, odnosno meri se vreme koje je potrebno da longitudinalni talas pređe put od predajnika do prijemnika.

Najjednostavniji instrument akustičnog karotaža sastoji se od predajnika, koji emituje akustične talase i prijemnika, koji ih registruje.

Akustičnim karotažom se meri vreme (t), koje je potrebno talasu da pređe put (S) od predajnika do prijemnika. Prolazno vreme je obrnuto proporcionalno brzini (v) prostiranja talasa (t = S/v).

Sonda akustičnog karotaža se sastoji od elektronskog i mehaničkog dela.

Elektronski deo (napajanje, pojačavanje signala, itd.) je smešten u čelično kućište, koje ga štiti od mehaničkog oštećenja i uticaja temperature i pritiska.

U mehaničkom delu se nalaze predajnici i prijemnici, uronjeni u fluid, koji ih štiti od štetnog dejstva visokog pritiska. Većina sistema koristi magnetnostriktivne ili piezoelektrične predajnike, koji transformišu električni signal u mehanički talas. Obično se koriste piezoelektrični prijemnici, koji konvertuju registrovani akustični talas u elektromagnetni signal, koji se zatim pojačava.

Sonda akustičnog karotaža može da se kombinuje sa drugim sondama.

Meri se “intervalno vreme”prostiranja akustičnog talasa (Δt), odnosno razlika vremena za koje signal stigne na prvi i drugi prijemnik (t2 - t1). Dužina puta (S) odgovara rastojanju između dva prijemnika. Brzina prostiranja talasa kroz formaciju se određuje iz izraza:

v = S/Δt .

Sonda akustičnog karotaža sa dva prijemnika, na konstantnom međusobnom rastojanju, je savremeniji tip sonde. Sistem registruje vreme koje je potrebno talasu da pređe put isključivo kroz formaciju.

v = S/Δt

Sonda akustičnog karotaža sa dva

prijemnika

s

s

Sonda akustičnog karotaža sa dva prijemnika ne daje dobre rezultate kada je geometrija bušotine nepovoljna (veliki prečnik ili kosa bušotina), jer ukoliko je sonda nagnuta u odnosu na osu bušotine, registrovano“intervalno vreme” ne odgovara rastojanju između dva prijemnika (pređeni put talasa je veći).

Navedeni nedostaci su umanjeni uvođenjem dodatnih predajnika i prijemnika i konstruisanjem akustičnih sistema sa automatskom kompenzacijom.

KOMPENZOVANI AKUSTIČNI KAROTAŽ

Kompenzovani akustični karotaž je sonda sa dva predajnika i četiriprijemnika (dva sistema predajnik – bliži i dalji prijemnik).

Simetrično postavljeni predajnici naizmenično emituju akustične talase.

3

Prijemnici registruju vreme pristizanja talasa od odgovarajućeg predajnika. Računa se srednja vrednost dva “intervalna vremena” i tako se se vrši automatska “statička” kompenzacija,čime se znatno umanjuju greške, koje nastaju usled nepovoljne geometrije bušotine i položaja sonde.

Sonda je centrirana (kreće se duž ose bušotine, u vertikalnoj bušotini). Radijus istraživanja ovog instrumenta je mali (do 15cm).

Sistem za kompenzaciju ne može da eliminiše sve smetnje.Amplituda talasa slabi sa rastojanjem znatno brže nego smetnje, te odnos signal/smetnja određuje maksimalno rastojanje predajnik-prijemnik.

Usled smetnji može da dođe do grešaka u registrovanju prvog nailaska longitudinalnog talasa (“intervalnog vremena”), usled čega se registruju pikovi različitih amplituda na karotažnim dijagramima. Neke sonde imaju zaštitne sisteme, koji eliminišu merenja, koja znatno odstupaju od prosečnih.

Greška može da se javi i kada postoji znatno prigušenje amplitude longitudinalnog talasa, pa dalji prijemnik registruje prvo nailazak nekog drugog talasa i javljaju se greške u računanju “intervalnog vremena”. Ova pojava je česta u rastresitim formacijama (plići delovi bušotine).

SAVREMENI UREĐAJI AKUSTIČNOG KAROTAŽA

Pored longitudinalnih talasa, savremeni akustični uređaji(dugi akustični karotaž, digitalni akustični karotaž sa nizom prijemnika, itd.) mogu da registruju i transverzalne i Stounlijeve talase.

Pored toga, savremeni akustični uređaji su konstruisani tako da su uticaji nepovoljne geometrije bušotine i položaja sonde, najvećim delom, eliminisani (daju dobre rezultate i u veoma lošim uslovima u bušotini).

DUGI AKUSTIČNI KAROTAŽ

Povećanje prečnika bušotine nepovoljno utiče na tačnost merenja akustičnog karotaža. Ako je prečnik bušotine suviše veliki, može da se desi da talas koji putuje kroz isplaku pre stigne do prijemnika nego talas koji putuje kroz formaciju(naročito na malim dubinama, gde je brzina prostiranja akustičnih talasa kroz rastresite formacije mala).

Kada oko bušotine postoji alterisana zona, “intervalno vreme”alterisane zone je veće od “intervalnog vremena” nepremećene formacije, te se javlja sličan efekat.

Neki talasi se prelamaju iz alterisane zone u neporemećenu formaciju i nastavljaju da se kreću kroz nju.

Ako se primeni dovoljno veliko rastojanje predajnik-prijemnik, nepovoljni uticaj bušotine i alterisane zone na registrovano “intervalno vreme” može da se eliminiše.

Razvoj snažnih predajnika (poboljšanje odnosa signal/smetnja) i postupaka za eliminisanje smetnji, omogućio je konstruisanje dugog akustičnog karotaža (1970).

Ovaj uređaj omogućava pouzdano razdvajanje prvih nailazaka longitudinalnih, transverzalnih, Stounlijevih talasa i talasa koji se prostiru direktno kroz stub isplake.

StounlijeviTransverzalni

Longitudinalni

prvinailazak

vreme (μs)

Sonda za dugi akustični karotažposeduje 2 predajnika i 2 ili više prijemnika. Radijus istraživanja je povećan (i do 40cm). Rastojanje predajnik-prijemnik iznosi 2.4m i 3m (kod nekih modela 3m i 3.6m).

Kompenzacija je ”dinamička” i vrši se“svođenjem na istu dubinu”.Registrovanje podataka se obavlja na istoj dubini, dok se sonda nalazi u različitim pozicijama.

Prvo očitavanje “intervalnog vremena” (Δt1) se vrši kada se 2 prijemnika nađu na dubini merenja, a drugo kada se predajnici nađu na toj dubini (Δt2). Prosečna vrednost intervalnog vremena se računa po formuli:

Δt = (Δt1+Δt2) / 2 .

Tipičan izgled zaglavlja snimaka

Akustičnog karotaža

DIGITALNI AKUSTIČNI KAROTAŽSA NIZOM PRIJEMNIKA

Digitalni akustični karotaž sa nizom prijemnika je složen geofički karotažnisistem, koji obezbeđuje kvalitetnu registraciju spektra akustičnih talasa u širokom opsegu.

Instrument se sastoji od 2 piezoelektrična predajnika i 2 piezoelektrična prijemnika.

Pored navedenih, instrument poseduje još8-12 piezoelektričnih prijemnika širokog frekventnog opsega, smeštenih u nizu na rastojanju od 15cm.

Širok frekventni opseg prijemnika omogućava istovremenu registraciju longitudinalnih, transverzalnih i Stounlijevih talasa, a njihov broj obezbeđuje veliki broj podataka merenja, što omogućava preciznije određivanje brzine prostiranja talasa i visoku rezoluciju merenja.

Osnovna prednost sonde je u mogućnosti merenja brzine prostiranja transverzalnih talasa. Poznavanje brzine prostiranja longitudinalnih i transverzalnih talasa omogućava procenu poroznosti, litološkog sastava i sadržaja fluida u formacijama.

Digitalni akustični karotaž sa nizom prijemnika koristi se i za određivanje čvrstoće stena i stepena kompakcije, kao i za procenu parametara elastičnosti.

U nezacevljenim bušotinama se koristi za standardna akustična merenja, a u zacevljenim bušotinama se koriste kao cementolog (merenja kvaliteta cementne obloge bušotine).

Primer odziva Akustičnog karotaža u

različitim tipovima formacija

PRIMENA AKUSTIČNOG KAROTAŽA

Kvantitavna primena

Akustični karotaž se primenjuje za procenu poroznosti. Može da se koristi za procenu seizmičkih parametara (u okviru seizmičkih istraživanja), kao i za procenu mehaničkih svojstava stena.

Kvalitativna primena

Akustični karotaž je “osetljiv” na fine promene u teksturi stena (peščara i gline – šejla, pre svega) i primenjuje se za procenulitološkog sastava, identifikaciju matičnih stena (ugljovodonici), utvrđivanje normalnog trenda stepena kompakcije stena i detekciju zona natpritiska, kao i za detekciju fraktura (u kombinaciji sa Karotažom gustine). Često se koristi i za korelaciju.

Kvantitativna primena - Procena poroznosti

Brzina prostiranja akustičnih talasa kroz formaciju (v) zavisi od brzine prostiranja talasa kroz čvrstu fazu – matriks (vm) i od brzine prostiranja talasa kroz fluide (vf), koji se nalaze u pornom prostoru, pa samim tim i od poroznosti stene (Φ).

Veza između ovih veličina je eksperimentalno određena i data je izrazom:

.

mf v1

vv1 Φ−

+Φ

=

Ako se umesto brzine prostiranja talasa koristi “intervalno vreme” (Δt), izraz dobija oblik:

,

gde je Δtf “intervalno vreme” za fluid, koji ispunjava pore, a Δtm je intervalno vreme za matriks stene.

Izraz važi za čiste konsolidovane formacije sa ravnomernim rasporedom pora.

Za nekonsolidovane i zaglinjene formacije, u izraz moraju da se uvedu određene korekcije.

Za formacije koje imaju jako visoku poroznost (preko 35%) koristi se modifikovani oblik izraza (uvodi se litološki parametar).

)1(ttt mf Φ−Δ+ΦΔ=Δ

Korekcije moraju da se uvedu i kada formacija sadrži gas.

U primeru je prikazan uticaj prisustva gasa u formaciji na rezultate merenja Akustičnim karotažom. Brzina prostiranja akustičnih talasa u peščaru sa gasom (gornji deo rezervoara) je smanjena za 8%.

Na osnovu korelacije između brzine prostiranja talasa i poroznosti merene na jezgrima iz bušotine, može da se uspostavi linearna veza između poroznosti i “intervalnog vremena”.

Prikazan je primer za dolomit.

Za različite vrste stena, parametri u izrazu će biti različiti, u zavisnosti od brzine prostiranja talasa kroz materijal, koji gradi matriks stene.

Na “intervalno vreme” prostiranja akustičnih talasa utiče uglavnom primarna poroznost, dok sekundarna poroznost utiče vrlo malo ili uopšte ne utiče. Akustični karotaž može da se koristi za procenu sekundarne poroznosti, koja se dobija kao razlika ukupne poroznosti stene (iz Neutronskog karotaža, na primer) i primarne poroznosti (iz Akustičnog karotaža).

Prikazan je primer karotažnih merenja u karbonatima. Na sekundarnu poroznost ukazuje smanjenje gustine (levo) i povećanje neutronske poroznosti (sredina), koje nije praćeno promenama vrednosti “intervalnog vremena” (desno).

Kvantitativna primena - Procena seizmičkih parametara

Na osnovu rezultata merenja Akustičnog karotaža i Karotaža gustine mogu da se izračunaju koeficijenti refleksije, koji su značajni za seizmička ispitivanja sa površi terena, a koriste se i za kreiranje sintetičkih seizmograma.

Kvantitativna primena - Procena mehaničkih svojstava stenskih masa

Brzina prostiranja elastičnih talasa zavisi od elastičnih svojstava i gustine sredine. Elastična svojstva se definišu preko parova koeficijenata elestičnosti, koji mogu da se odrede na osnovu izmerene gustine formacije (Karotažgustine) i brzine prostiranja longitudinalnih i transverzalnih talasa (Dugi akustični karotaž, na primer).

Kvalitativna primena - Procena litološkog sastava

Da bi se izvršila jednostavna procena litološkog sastava, neophodno je da su registrovana intervalna vremena nailaskai longitudinalnih i transverzalnih talasa (Dugi akustični karotaž, na primer).

Za kompleksnije analize je potrebno da su registrovane brzine prostiranja longitudinalnih, transverzalnih i Stounlijevih talasa, kao i prigušenja amplituda svih talasa(Akustični karotaž sa nizom prijemnika).

Za procenu litološkog sastava često se koriste različiti dijagrami.

Procena litološkog sastava na osnovu brzine prostiranja transverzalnih i longitudinalnih talasa.

Procena litološkog sastava na osnovu brzine prostiranja transverzalnih i longitudinalnih talasa.

Krosplot kombinuje rezultate sva tri GFK postupka za određivanje poroznosti, a koristi se kada je mineralni sastav stena složen. Litološki parametar M je funkcija gustine i “intervalnog vremena”, a parametar N je funkcija neutronske poroznosti i gustine. Parametri, uglavnom, ne zavise od poroznosti, već samo od litologije. Na pomeranje položaja tačaka na krosplotu utiču sekundarna poroznost, prisustvo glina (šejla) i zasićenje gasom.

Krosplot – parametri litologije M i N

Kvalitativna primena – trend stepena komakcije stene sa

dubinom

Na povećanje stepena kompakcije stene (šejl, u prikazanom primeru) sa povećanjem dubine ukazuje pravilno smanjivanje vrednosti “intervalnog vremena”(povećanje brzine talasa) sa dubinom.

Kvalitativna primena –detekcija zona natpritiska

Na prisustvo zone natpritiska ukazuje odstupanje od normalnog trenda stepena kompakcije stene sa dubinom (šejl, u prikazanom primeru).

Kvantitativna primena –identifikacija matičnih stena (ugljovodonici)

U pisti desno su prikazane krive Akustičnog karotaža (puna linija) i Električnog karotaža (isprekidana linija) naspram matičnih stena (source) i rezervora.

U pisti levo je prikazana kriva Karotaža prirodne radioaktivnosti.

Kvalitativna primena – Korelacija

Primer korelacije u sekvenci šejla, u zoni debljine 40 - 75 m.

Prva i poslednja bušotina su na rastojanju od 40 km.

Akustični karotaž je pogodan za korelaciju između bušotina, jer je “osetljiv” na promene litologije.

Kvalitativna primena – Lociranje frakturiranih zona

Detekcija fraktura se zasniva na analizi talasne slike registrovanog signala.

Kada akustični talas naiđe na frakturu ispunjenu fluidima, deo talasa se odbija, a deo se prelama i transformiše u druge talasne oblike. Talas smanjene energije, koji stiže do drugog zida frakture, takođe se transformiše na granici, na sličan način. Transformacija jednog tipa talasa u drugi dovodi do specifične promene amplituda longitudinalnih i transverzalnih talasa.

Frakture ispunjene fluidom ne prenose transverzalne talase, teje prigušenje amplitude transverzalnih talasa znatno veće od prigušenja amplitude longitudinalnih talasa i to je osnova za detekciju frakturiranih zona akustičnim karotažom.

Za pripremu predavanja korišćeni su materijali iz knjiga:

Martinović, S. i drugi, 2000: Geofizički karotaž – obrada i interpretacija. Naftagas, Novi Sad.

Rider, M., 2002: The Geological Interpretation of Well Logs. Rider-French Consulting, Ltd., Scotland.

Ellis, D.V., Singer, J.M., 2008: Well Logging for Earth Scientists. Springer, Netherlands.

Hvala na pažnji!

Da li ima pitanja?