Ключевые слова: поперечная волна, продольная волна, поровое пространство, экспериментальное изучение, порода.
Геологическая интерпретация материалов акустического каротажа практически невозможна без детального изучения механизма распространения упругих волн в горных породах, в частности в коллекторах нефти и газа.
Многообразие и резкое отличие физических свойств горных пород (изверженных, осадочных, метаморфизованных и т. д.) требует разработки разнообразных методов их теоретического и экспериментального изучения. Так, для описания закономерностей распространения волн в высокоупругих и малопоглощающих звук изверженных (скальных) породах могут использоваться с достаточным приближением методы динамической теории упругости (для идеально упругих сред) и механики сплошной среды. В то же время, для описания процессов распространения волн в коллекторах, насыщенных нефтью, газом и водой необходимо применение методов термодинамики необратимых процессов и механики деформируемых пористых сред.
Сложность теоретического и экспериментального изучений акустических свойств горных пород в лабораторных условиях заключается в необходимости моделирования не только фильтрационно-емкостных и физико-механических свойств пород, но и создания термодинамических условий (давления и температуры), близких к пластовым. В России и за рубежом параллельно развиваются три направления исследований акустических параметров горных пород:
- Теоретическое исследование закономерностей распространения акустических полей в насыщенных пористых (неограниченных) средах методами механики сплошной среды и термодинамики необратимых процессов и расчет акустических параметров горных пород некоторых типов, исходя из упрощенных моделей гетерогенной среды.
- Экспериментальные ультразвуковые исследования образцов горных пород на лабораторных установках при давлениях и температурах, близких к пластовым.
- Экспериментальное изучение акустических параметров горных пород в скважинах в контролируемых условиях, т. е. путем натурного моделирования.
В результате теоретических и экспериментальных исследований удалось изучить основные черты явлений, управляющих распространением упругих волн в горных породах, а также установить количество между основными акустическими параметрами и структурными особенностями пород, их физико-механическими свойствами, характером насыщения и термодинамическими условиями залегания.
Скорости упругих волн зависят от многих факторов: литолого-минералогического состава породы, объема и структуры порового пространства, типа цемента, степени цементации и характера распределения глинистого материала, насыщенности различными флюидами, термобарических условий.
Из перечисленных факторов наиболее изучены влияние пористости, глинистости и типа цементации.
Скорости продольной и поперечной волн значительно отличаются между собой. В формуле для скорости продольной волны под корнем находятся две составляющие (сумма модуля сжатия и жесткости, деленной на плотность), а в формуле для скорости поперечной волны содержится только одна компонента упругости — жесткость. Это значит, что для количественной характеристики изменения объема (следовательно, и формы) для продольной волны требуется учет, как глинистости, так и модуля всестороннего сжатия, а для поперечной волны — учет только жесткости.
1) Поперечные волны (P).
Приложение некоторого напряжения к единице объема горной породы вызывает деформацию, которая изменяет только форму, без изменения объема, так как сопротивление материалу выражается только соответствующим модулем упругости — жесткостью, которая (в единственном числе) препятствует изменению формы. Отсюда видно различие между величинами
для твердого тела и для жидкости: твердые непористые тела препятствуют изменению формы, а жидкости — не препятствуют.
Таким образом, при приложении напряжения к единице объема горной породы изменяется форма, а объем остается неизменным.
При насыщении породы жидкостью увеличивается плотность единицы объема, а скорость поперечной волны снижается. Это так называемый плотностной эффект: чем выше насыщенность жидкостью, т. е. чем выше пористость, тем больше снижается скорость поперечной волны.
При наличии в породе рассеянного глинистого материала, не влияющего на жесткость (следовательно, и на форму), но уменьшающего эффективную пористость при одновременном увеличении плотности единицы объема, скорость поперечной волны еще больше уменьшается.
В передаче поперечной волны большую роль играет тип межзерновых контактов: деформация передается только через контакты зерен породы, поскольку давление вышележащих пород не допускает разрыва контактов между отдельными зернами. Другими словами, деформация концентрируется только на контактах между зернами, а поперечные волны передаются через контакты.
2) Продольные волны (S).
Так как жесткость зерен породы меньше модуля всестороннего сжатия, а модуль всестороннего сжатия воды составляет 1/5 модуля сжатия породы, то зерна последней внедряются в поровое пространство. Иначе говоря, при приложении напряжения зерна породы могут деформироваться только в направлении порового пространства, уменьшая объем последнего; это уменьшение зависит как от минералогического состава породы, частицы которой по разному поддаются изменению формы и объема, так и от типа насыщающего флюида.
Таким образом, в передаче продольной волны, кроме твердого материала породы, принимает участие и флюид.
Величина 
(скорость поперечной волны) уменьшается:
– при увеличении плотности насыщающей породу жидкости;
– если тип цемента контактный, так как поры остаются свободными от цементирующего материала.
Величина
(скорость продольной волны) уменьшается:
– при увеличении плотности насыщающего флюида;
– при заполнении межзернового пространства, поскольку при этом увеличивается число контактов.
Литература:
- Уайт Дж.Э. Возбуждение и распространение сейсмических волн / Пер. с англ. / Павлова О. В., Гольдин С. В. — М.: Недра, 1986. — 261 с.
- Ляхов Г. М. Волны в грунтах и пористых многокомпонентных средах. — М.: Наука, 1982. — 286 с.
- Дортман Н. Б. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. — М.: Недра, 1976. — 455 с.
- Иванкин Б. Н., Карус Е. В., Кузнецов О. Л. Акустические методы исследования скважин. — М.: Недра, 1973. — 320 с.
