Акустический метод презентация

Физические основы АМ
Акустический каротаж (АК) – это совокупность методов, основанных на изучении кинематических и динамических характеристик упругих волн (деформаций) , возбуждаемых в скважине импульсным источником.
Горная порода рассматривается , в основном, как упругое тело. Упругое тело характеризуется тем, что при снятии приложенных сил, деформации восстанавливаются.
В однородной изотропной среде возникают и распространяются волны двух типов:
продольная волна – P-волна
поперечная волна – S-волна
Слайд 2

Физические основы АМ
Волны Р возникают при деформациях объема упругого тела. В волне Р частицы среды движутся в направлении распространения волны – в направлении приложенных сил F. Волна представляет собой чередование зон сжатия и растяжения. Эти зоны перемещаются со скоростью Vp. Vp – скорость волны продольной.
Направление волны и
движение частиц
Приложенные силы
и деформации
Слайд 3

Физические основы АМ
Упругие константы – физико-механические характеристики горных пород:
Е – модуль упругости Юнга (модуль линейного растяжения). Характеризует сопротивление горной породы изменению объема.
μ – коэффициент Пуассона (модуль поперечного сжатия, отношение поперечного сжатия к продольному растяжению). Характеризует сопротивление горной породы изменению формы.
E= (F/S)/ (▲l/l )
μ = (▲ d/d)/ (▲l/l )
Слайд 4

Физические основы АМ
Волны S возникают при деформациях формы (сдвига) упругого тела. В волне S частицы среды движутся в направлении перпендикулярном распространению волны – в направлении приложенных сил F. Наблюдается чередование полос с противоположным направлением движения частиц. Эти зоны (полосы) перемещаются со скоростью Vs. Vs – скорость волны поперечной.
Направление волны и
движение частиц
Приложенные силы
и деформации
Слайд 5

Физические основы АМ
Упругие константы – физико-механические характеристики горных пород:
G – модуль сдвига (отношение сдвигового напряжения к сдвиговой деформации).
k – объемный модуль всестороннего сжатия.
G = (3/2)k(1-2 μ )/ (1+ μ)
k= (1/3)E/ (1- 2μ )
G= (F/S) / tg(γ)
Слайд 6

Физические основы АМ
Модуль сдвига G, модуль Юнга E и коэффициент Пуассона σ связаны между собой.
μ – коэффициент Пуассона можно определить на основе измерения скоростей Vp и Vs.
μ = 0,5(V2p-2V2s)/ (V2p-V2s)
G= E/2(1+ μ)
Слайд 7

а - продольная волна Р- поступательного движения частиц среды в направлении распространения упругих колебаний (волны).
б - поперечная волна S - движения частиц среды в направлении перпендикулярном распространению упругих колебаний (волны).
Физические основы АМ
Слайд 8

Продольные волны распространяются со скоростью Vp, определяемой упругими и плотностными свойствами среды:
E – модуль Юнга;
μ – коэффициент Пуассона;
λ – константа Ламе;
σ – плотность среды.
Константы λ и μ, обусловливающие жесткость среды, при уплотнении пород растут быстрее плотности σ. Поэтому увеличение плотности сопровождается обычно возрастанием акустической скорости.
Физические основы АМ
Слайд 9

Поперечные волны распространяются со скоростью VS, определяемой упругими и плотностными свойствами среды:
Константы λ и μ, всегда положительны, поэтому скорости продольных волн всегда больше скоростей поперечных.
Для горных пород в среднем VP / VS = 1,7.
Физические основы АМ
Слайд 10

Физические основы АМ
Скорости продольной и поперечной волн в горных породах, м/с В газе и жидкости могут распространяться только волны, связанные с изменением объема среды (здесь Vs=0).
Поперечные волны
возникают и распространяются только в твердых телах.
Слайд 11
μ – коэффициент Пуассона.
Характеризует сопротивление среды изменению формы.

Физические основы АМ
Скорость распространения упругих волн V в пористых горных породах с поровым пространством, заполненным флюидом (формула Уайли, формула среднего времени):
где: kп – коэффициент пористости породы; Vж –скорость распространения упругих волн в жидкости (флюиде), заполняющей поровое пространство; Vм – скорость распространения упругих волн в минеральном скелете.
Слайд 12

Физические основы АМ
Как следует из выше приведенного соотношения, скорость распространения упругих волн V в пористых горных породах уменьшается с увеличением пористости kп .
Характерно более резкое уменьшение скорости поперечных волн VS с увеличением пористости (по сравнению с уменьшением Vp продольных волн).
Слайд 13

Физические основы АМ
Величина скорости V в пористых горных породах зависит от характера флюида, заполняющего поровое пространство (индексы в, н, г –означают водо- нефте- и газонасыщение):
Дифференциация различно насыщенных коллекторов (водо- нефте- и газонасыщение) по скоростям колеблется от 0 до 20 %.
Слайд 14

Дисперсия скорости – это зависимость скорости от частоты волны.
Общая тенденция для основных типов пород (близкая к линейной) – с ростом частоты колебаний растет скорость акустической волны.
Степень дисперсии зависит от характера флюида, заполняющего поровое пространство.
Дисперсия при частотах 15 и 35 КГц:
при заполнении пор газом разница скоростей может достигать 40%;
- при заполнении пор нефтью разница скоростей может достигать – 10%;
при заполнении пор пластовой водой – дисперсия проявляется слабо.
Физические основы АМ
Слайд 15

О
задний фронт (тыл)
передний фронт (фронт)
M
N
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ ВОЛНЫ ОТ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА
Магнитострикционный импульсный излучатель (источник). Используется эффект изменения объема и формы тела при пропускании переменного тока.
Длительность импульса 1 – 3 периода (Т) с частотой f=5 КГц– 2 МГц.
Слайд 16

О
задний фронт (тыл)
передний фронт (фронт)
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ ВОЛНЫ ОТ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА
Колеблющиеся частицы внутри сферического слоя образуют концентрические зоны сжатия и растяжения, чередующиеся друг с другом. В данном примере (а и б) таких зон четыре, причем
у фронта волны (Ф) распространяется зона сжатия, а у тыла волны (Т) - зона растяжения.
Фронт (Ф) – та часть среды,
куда деформации еще не
дошли.
Тыл (Т) – та часть
среды, где деформации
уже прекратились
Слайд 17

Профиль волны – up(r) показывает для фиксированного момента времени (t=const) внутри области (δr) зависимость амплитуды - величины смещения частиц среды (U) от их расстояния до источника (r).
Расстояние между соседними фазами - одноименными экстремумами профиля (максимумами или минимумами) - видимая (преобладающая) длина волны λв. rT - расстояние до тыла волны. rф - расстояние до фронта волны.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ ВОЛНЫ ОТ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА. ИЗОБРАЖЕНИЕ ВОЛНЫ – ПРОФИЛЬ ВОЛНЫ.
Слайд 18
сжатие
растяжение
сжатие
растяжение

Запись волны up(t)- показывает для фиксированной точки М (r=const) внутри области (δr) зависимость амплитуды - величины смещения частиц среды (U) от времени (t). Это развертка во времени колебаний одной частицы среды – трасса.
Интервал времени между соседними одноименными фазами колебаний (максимумами или минимумами) - видимый (преобладающий) период волны Tв. Величина fв = 1/Tв - видимая (преобладающая) частота колебаний.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ ВОЛНЫ ОТ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА. ИЗОБРАЖЕНИЕ ВОЛНЫ – ЗАПИСЬ (ТРАССА) ВОЛНЫ.
M
Слайд 19

Как и для профиля волны, так и для трассы, характерные точки ее записи (экстремумы, нули) называют фазами волны. Момент tФ начала колебаний в точке наблюдения М является временем первого вступления волны (фронт), а момент tТ - временем прекращения колебаний (тыл). Интервал времени δtp = tТ - tФ есть длительность колебаний.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ ВОЛНЫ ОТ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА. ЗАПИСЬ (ТРАССА) ВОЛНЫ.
M
Слайд 20

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ ВОЛНЫ ОТ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА. ИЗОБРАЖЕНИЕ ВОЛНЫ – ЗАПИСЬ (ТРАССА) ВОЛНЫ.
ФАЗОВАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ ВОЛН
Прослеживание одинаковых колебаний (фаз) одной и той же волны в различных точках среды (на небольшом расстоянии), путем сопоставления формы колебаний, называется фазовой корреляцией.
Линия, соединяющая одинаковые фазы одной и той же волны на соседних трассах, называется осью синфазности.
Слайд 21

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ ВОЛНЫ ОТ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА. ЗАПИСЬ (ТРАССА) ВОЛНЫ.
U(t)
U(t)
ФАЗОВАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ ВОЛН
M1
M2
Изображены трассы, показывающие смещение частиц среды U(t) за время t в фиксированных точках М1(r=r1) и М2(r=r2). В точке М2 амплитуда волны меньше, т.к. точка М2 дальше расположена от источника.
Штрих-пунктиром проведены (прослежены) оси фазовой корреляции – оси синфазности.
Первое отклонение в момент времени t1 называется первым вступлением волны.
Слайд 22
M1
M2

СПОСОБЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ акустических колебаний (записей, трасс):
а) способ отклонений;
б) способ переменной ширины;
в) способ переменной плотности
г) сочетание двух способов (а и б)
ЗАПИСЬ (ТРАССА) ВОЛНЫ.
Слайд 23

Вид
осей синфазности
при записи способом отклонения и переменной ширины
ЗАПИСЬ (ТРАССА) ВОЛНЫ.
Слайд 24

Изохроны (поверхности, линии равного времени прихода) сферической волны при точечном источнике в трехмерном пространстве (а) и в двумерной (б) однородной среде
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ ВОЛНЫ ОТ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА.
Слайд 25

ЗАТУХАНИЕ УПРУГИХ ВОЛН
За счет поглощения , геометрического расхождения и потерь энергии на отражение и преломление происходит затухание сферических упругих волн:
А0 – начальное значение амплитуды (x 0);
x – расстояние от излучателя до точки наблюдения (регистрации);
α – коэффициент затухания.
Слайд 26
(1)

ПОНЯТИЕ ПЛОСКОЙ ВОЛНЫ
На больших удалениях от сферического источника (r →∞) кривизна фронта волны становится незначительной, и его поверхность практически вырождается в плоскость.
В такой плоской волне амплитуда колебаний А практически не изменяется с расстоянием (α→0), поскольку геометрическое расхождение несущественно.
r
Слайд 28

СХЕМА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОТРАЖЕННЫХ И ПРЕЛОМЛЕННЫХ ВОЛН
Отражение и преломление упругих волн подчиняется законам оптики:
Слайд 29
Волновое сопротивление (импеданс) Z=V*σ.
Условие отражения и преломления:
V1σ1 ≠ V2σ2

P1 – падающая продольная волна
P11 , P1 S1 – отраженные волны
P12 , P2 S2 – преломленные волны
P11 , P12 – монотипные волны
P1 S1 , P2 S2 – обменные волны
α – угол падения
α,αs – угол отражения
β, β s - угол преломления
СХЕМА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОТРАЖЕННЫХ И ПРЕЛОМЛЕННЫХ ВОЛН
Любая волна, падающая на границу раздела σ1, V1p, V1s / σ2, V2p, V2s, порождает 4-е волны: 2-е отраженные и 2-е преломленные:
Слайд 30

СХЕМА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОТРАЖЕННЫХ И ПРЕЛОМЛЕННЫХ ВОЛН
Закон Снеллиуса:
Слайд 31

Схема образования головных преломленных волн
падающая
отраженная
преломленная проходящая
преломленная скользящая
преломленная головная
Условия образования скользящей преломленной
и головных преломленных волны:
Слайд 32
Поверхность Земли