Акустичні властивості гірських порід

У практиці розробки нафтогазових родовищ існує певний набір технологічних операцій, пов’язаних зі збудженням у пластах пружних коливань та хвильових процесів. Так, збільшення приймальності нагнітальних свердловин та дебіту видобувних свердловин часто досягається шляхом оброблення ПЗП акустичними та гідравлічними вібраторами, які збуджують у пластах хвилі тисків, що сприяють виникненню нових та розкриттю існуючих у пластах тріщин. Цим досягається збільшення провідності ПЗП для рідин та газів. Провідність порід в теорії фільтрації визначається величиною коефіцієнта гідропровідності (ε = κh/μ).

Під дією вібраторів, що працюють у свердловині, в пласті поширюються поздовжні та поперечні пружні хвилі. Перші характеризуються поздовжнім поширенням в породі деформацій поперемінного об’ємного розтягу та стиску. В твердих тілах вони викликають поперечні деформації зсуву у вигляді поперечних пружних хвиль, швидкість поширення яких залежить від пружних характеристик породи. Несцементовані породи мають незначний внутрішній тиск, а звідси і незначний опір зсувним зусиллям. Тому в них, як і в рідинному середовищі, виникають тільки поздовжні хвилі.

Встановлено також, що під час прогріву ПЗП процес передачі тепла в глибину пласта значно інтенсифікується, якщо теплову обробку поєднати з ультразвуковою. Тому акустичні параметри порід використовуються у все більшому обсязі для прогнозування результатів різних технологічних процесів, пов’язаних зі збудженням у пластах пружних коливань, які представляють собою процес поширення в порах пласта пружних деформацій їх частинок зі змінним знаком. Слід зауважити, що швидкість пружних хвиль в пористих породах значно менша, ніж в міцних.

Акустичні параметри породи – це величини, які характеризують її властивість передавати (поширювати) пружні коливання. Це швидкість поширення пружних хвиль, яка практично не залежить від частоти, коефіцієнт поглинання пружних хвиль, хвильовий опір та здатність породи відбивати чи заломлювати хвилі.

У промисловій практиці використовують пружні хвилі різної частоти: більше 20000 Гц – ультразвукові; 20 – 20000 Гц – звукові і менше 20 Гц – інфразвукові. Інтенсивність пружної хвилі по мірі її поширення в пласті зменшується через розсіювання енергії хвилі в різних напрямках в зонах неоднорідної будови і через поглинання пружної хвилі породою на подолання сил тертя частинок в процесі їх деформації.

де А – поточна амплітуда коливань;

А_о – початкова амплітуда коливань;

θ – коефіцієнт поглинання;

х – віддаль від джерела коливань.

Якщо А/А_о = е при відстані х_о, то θ = 1/х_о.

Коефіцієнт поглинання залежить від пружних характеристик породи і частоти коливань, яка рівна ω = 2πn. З ростом амплітуди коефіцієнт поглинання інтенсивно збільшується, іноді навіть за квадратичним законом. За результатами досліджень коефіцієнт поглинання для глинистих порід пропорційний lg η.

де ω - частота коливань;

η - коефіцієнт внутрішнього тертя породи;

ύ - швидкість пружної хвилі;

ρ_п - густина породи.

З ростом пористості породи коефіцієнт поглинання пружних хвиль зростає.

Добуток швидкості хвилі на густину породи – це питомий хвильовий опір.

Відбивання і заломлювання пружних хвиль відбувається на границях пористих середовищ при виклику пружних коливань у свердловині при переході пружної хвилі з рідкого середовища, що заповнює свердловину, в пласт і дальше.

Коефіцієнт відбиття

Зі збільшенням різниці у хвильових опорах двох середовищ z₁ та z₂ зростає і коефіцієнт відбиття.

При переході звукової хвилі від нафти чи води (середовища з малим хвильовим опором) в породу (середовище з більшим хвильовим опором) відбивається до 80-85 % енергії хвилі.

Вважають, що відбиття пружних хвиль від границь розділу проходить за законами оптики.