СКВАЖИННЫЙ ПРИБОР ВОЛНОВОГО АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА

СКВАЖИННЫЙ ПРИБОР ВОЛНОВОГО АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА
Полезная модель относится к технике для геофизических исследований скважин, а именно к аппаратуре акустического каротажа, и может применяться при измерениях характеристик упругости горных пород в скважинах с открытым стволом и обсаженных зацементированной колонной стальных или пластиковых труб.
Известны приборы акустического каротажа, содержащие трёх- или четырёхэлементные зонды, снабжённые монопольными широкополосными излучателями и приёмниками 1. Из-за невозможности в большинстве геологических ситуаций разделить пакеты волн, эти приборы в основном применяются для измерений параметров продольной волны, регистрируемой в первых вступлениях волновой картины.
Известен скважинный прибор многозондового акустического каротажа МАК-1, включающий в себя измерительный зонд, содержащий два излучателя и антенну из шестнадцати приёмников, разделённых акустическими изоляторами 2. Оба излучателя монопольного типа поочерёдно возбуждают акустические колебания с основной частотой  кГц. Акустические колебания в форме пакетов волн, пройдя через скважинную жидкость и горную породу, поступают на антенну монопольных приёмников, расположенных с шагом 0,08 метра, минимальная длина зонда (расстояние излучатель - приёмник) 3,5 метра. Приёмники преобразуют акустические колебания в электрические сигналы, которые регистрируются в цифровом виде. Обработка цифровых образов зарегистрированных сигналов методом веерной фильтрации позволяет вычислить скорость распространения
Объект - полезная модель Автор: Н. А. Смирнов MnK-G01V1/40
основных информативных волн, имеющих место в скважине: продольной Р, поперечной S и Стоунли St . Этот и аналогичные приборы, осуществляющие способ регулируемого направленного приёма ( излучения ), значительно повысили достоверность измерений скорости поперечной волны по сравнению с предшествующим поколением приборов с трёх- четырёхэлементными зондами, однако, и они не лишены существенных недостатков. Использование электроакустических преобразователей только монопольного типа не позволяет регистрировать поперечную волну в низкоскоростных разрезах, когда Vs  Vm, где Vs- скорость поперечной волны, Vm- скорость распространения упругих колебаний в жидкости, заполняющей скважину. Волновые пакеты от излучателя, работающего на частоте  кГц, содержат сигналы всех волн. В частности, регистрируется пакет псевдо-рэлеевских волн, вступающих между поперечной и Стоунли волнами и интерферирующих с ними, что затрудняет, а порой делает невозможным, разделение волн. Для повышения временного разрешения волновых пакетов приходится увеличивать длину зонда до пяти и более метров, а это ведёт к уменьшению отношения сигнал/ шум и, соответственно, снижению точности измерений.
Наиболее близким по совокупности общих признаков к предлагаемому прибору является низкочастотный дипольный прибор 3, содержащий измерительный зонд и электронный блок, причём в измерительном зонде, включающем в себя узел излучателей и узлы приёмников монопольного и дипольного типа, разделённые акустическими изоляторами, продольная ось симметрии совмещена с осями симметрии излучателей и приёмников, но перпендикулярна осям диполей и расположена в одной плоскости с ними, а электронный блок имеет телеметрическую линию связи с наземным оборудованием, генератор импульсов возбуждения излучателей, средства приёма и передачи сигналов от приёмников на поверхность. Прибор позволяет измерить скорость поперечной волны в низкоскоростном разрезе за счёт применения зондов с дипольными электроакустическими преобразователями, в которых излучатель выполнен в виде биморфной
2f 9 {/10} 1
магнитострикционной пластины, а приёмники в форме пьезоэлектрических дисков. Для измерения параметров продольной и Стоунли волн используются зонды, монопольные электроакустические преобразователи которых выполнены в форме пьезокерамических колец. Электронный блок производит последовательный опрос (возбуждение одного излучателя и приём сигнала от одного из приёмников) четырёх монопольных и четырёх дипольных зондов и передачу принятых сигналов на поверхность. Длины монопольных и дипольных зондов равны и составляют: 3,3; 3,6; 3,9 и 4,2 метра.
Основной недостаток этого прибора состоит в том, что монопольный излучатель работает на одной частоте 15 кГц и имеет диаграмму направленности по форме близкую к сфере, поэтому возбуждает одновременно волны всех типов и сигналы, снимаемые с монопольных приёмников, имеют тот же вид, что и у вышеприведенного прибора МАКИ. Следовательно, монопольными зондами надёжно можно измерить только параметры продольной волны. Кроме того, рабочая частота монопольного излучателя выбрана компромиссной и она низка для целей акустической цементометрии (требуется 20 кГц) и высока для измерений скорости продольной волны в породе через обсадную колонну, а тем более для измерения параметров волны Стоунли. Основная частота дипольного излучателя 1,5 кГц излишне низкая, что не позволяет измерять скорость поперечной волны с требуемой точностью. Дипольные приёмники имеют низкую чувствительность к антисимметричным колебаниям в скважинной жидкости, вызываемым поперечной волной. Относительно большие длины зондов обусловливают низкое значение отношения сигнал/ шум. В совокупности вышеперечисленные недостатки служат причиной малой точности и достоверности измерений параметров поперечной и Стоунли волн в скважинах с открытым стволом и продольной волны в обсаженных скважинах.
Предлагаемый скважинный прибор решает задачу повышения достоверности и точности измерений параметров продольной, поперечной и Стоунли волн путём раздельного возбуждения и регистрации сигнала каждой волны.
3Я//
Задача решается тем, что в скважинном приборе волнового акустического каротажа, содержащем измерительный зонд и электронный блок, причём в измерительном зонде, включающем в себя узел излучателей и узлы приёмников монопольного и дипольного типа, разделённые акустическими изоляторами, продольная ось симметрии совмещена с осями симметрии излучателей и приёмников, но перпендикулярна осям диполей и расположена в одной плоскости с ними, а электронный блок имеет телеметрическую линию связи с наземным оборудованием, генератор импульсов возбуждения излучателей, средства приёма и передачи сигналов от приёмников на поверхность, в узел излучателей введён поршневой магнитострикционный излучатель с двухсекционной обмоткой возбуждения, выполненный из четырёх стержней, одними торцами жёстко скреплённых с опорой, а вторыми с поршнем, обращённым в сторону приёмников, в котором одна секция обмотки возбуждения настроена на частоту 5 10 кГц, а вторая 2 4 кГц.
Дипольный излучатель выполнен из двух пьезокерамических пластин, прикрепленных одноимёнными полюсами к электронепроводящей плите и подсоединенных встречно - параллельно к обмотке согласующего трансформатора, при этом ширина пластин ограничена диаметром зонда, а длина находится из соотношения: 1500/2f  h  1500/f, где f- частота излучения, равная 3 ч- 6 кГц.
Каждый ДИПОЛЬНЫЙ приёмник выполнен из двух пьезокерамических сфер, соединенных встречно - параллельно.
На фиг. 1 показан прибор в наиболее простой конфигурации измерительного зонда, общий вид; на фиг. 2 и 3 - узлы излучателей и приёмников, соответственно, продольный разрез; на фиг. 4 фазокорреляционные диаграммы сигналов, зарегистрированных в обсаженной скважине.
Скважинный прибор волнового акустического каротажа (фиг. 1) содержит измерительный зонд 1 и электронный блок 2. Измерительный зонд включает в себя узел излучателей монопольного 3 , 4 и дипольного 5 типа и узлы приёмников монопольных 6 и дипольных 7. Узел излучателей и узлы приёмников разделены
акустическими изоляторами 8. Оси симметрии излучателей и приёмников совпадают, а оси диполей перпендикулярны продольной оси зонда и лежат в одной плоскости с ней. Узел излучателей (фиг. 2) содержит два монопольных и один дипольный излучатель упругих колебаний. Кольцевой монопольный излучатель выполнен из двух магнитострикционных колец 9 с бифилярной обмоткой возбуждения, установленных внутри маслозаполненной оболочки 10 с резиновой мембраной 11. Поршневой монопольный излучатель выполнен из четырёх пермендюровых стержней 12 торцами жёстко, посредством компаунда, скреплённых с опорой 13 и поршнем 14. Поршень 14 обращён в сторону приёмников и может свободно перемещаться относительно корпуса 15. Масса поршня, примерно, в 10 раз меньше массы опоры, кроме того опора жёстко скреплена с корпусом гайкой 16. На стержни 12 нанесены две секции 17 и18 обмотки, настроенные на возбуждение излучателя на частотах 3 и 8 кГц, соответственно. Дипольный излучатель выполнен из двух пьезокерамических пластин 19, прикреплённых положительными полюсами к фторопластовой плите 20. Пластины 19 встречно- параллельно подключены к обмотке согласующего трансформатора 21. Пьезокерамические пластины 19 вместе с обмоткой трансформатора 21 образуют параллельный LC- контур, настроенный на частоту 4 кГц. Дипольный излучатель отделён от скважинной жидкости капролоновым колпаком 22. Внутренние объёмы дипольного и поршневого монопольного излучателей являются общей герметичной полостью, заполненной трансформаторным маслом. Компенсация гидростатического давления осуществляется двумя резиновыми манжетами 23 и 24. Токоподводящие провода (не показаны) введены через уплотнения в манжете 23. Узел приёмников (фиг. 3) содержит монопольный приёмник, пьезокерамическая сфера 25, и дипольный приёмник, выполненный из двух пьезокерамических элементов 26 сферической формы, соединённых встречно - параллельно и установленных симметрично относительно оси скважинного прибора. Каждый пьезокерамический элемент установлен в отдельный контейнер с компенсированным объёмом, заполненным кремнийорга5 9 0(
нической пастой. Винтами 27 контейнеры прикреплены к корпусу зонда 28. Фазо - корреляционные диаграммы (фиг.4) представляют собой линии фаз сигналов коротких зондов скважинного прибора, модулированные по ширине амплитудами соответствующих фаз. Горизонтальный масштаб показывает время от момента излучения, вертикальный - глубину скважины. В колонках 1, 2, 4 представлены сигналы монопольного приёмника при возбуждении монопольных излучателей: кольцевого 20 кГц, поршневого 8 кГц и поршневого 3 кГц, соответственно, а в колонке 3 - сигналы дипольного приёмника при возбуждении дипольного излучателя 4 кГц. Фазовые линии волн соответственно обозначены: продольной - Р, поперечной - S, Стоунли - St, по колонне - Рс. Сигналы зарегистрированы в скважине, обсаженной стальной колонной диаметром 146 мм.
Скважинный прибор волнового акустического каротажа работает в комплексе с программно - управляемой каротажной лабораторией, по командам которой производится последовательный опрос зондов. Команды принимаются и дешифрируются телеметрической линией связи электронного блока 2, которая конвертирует последовательный код Манчестер- 2 в параллельный и подключает к генератору импульсов возбуждения один из излучателей 3, 4 или 5, а к средствам приёма и передачи сигналов один из приёмников 6, 7 зонда 1. Акустические колебания, прошедшие от монопольных излучателей 3, 4 до монопольных приёмников 6 и от дипольного излучателя 5 до дипольных приёмников 7, преобразуются в электрические сигналы, которые передаются по геофизическому кабелю к каротажной лаборатории, где оцифровываются и записываются на жёсткий диск бортового компьютера. По цифровым образам зарегистрированных сигналов вычисляются интервальные времена, коэффициенты затухания и другие параметры упругих волн. Акустические колебания, распространяющиеся по корпусу зонда, ослабляются акустическими изоляторами 8 до такой степени, что их сигнал не превосходит уровень шумов. При работе кольцевого излучателя 3 в скважинной жидкости возникают акустические колебания с основной частотой 20 кГц и сферическим фронтом, поэтому возбуждаются волны
всех типов, но преимущество имеет высокоскоростная продольная волна и в частности волна по обсадной колонне, регистрируемая в первых вступлениях (фиг.4, колонка 1). Когда возбуждается поршневой монопольный излучатель 4, через одну из обмоток 17 или 18 протекает ток от генератора импульсов возбуждения электронного блока 2. Под действием магнитного поля обмотки возбуждения пермендюровые стержни 12 деформируются, приводя в движение поршень 14, который генерирует акустический импульс в жидкости, заполняющей скважину. Диаграмма направленности поршневого излучателя вытянута вдоль оси скважины и имеет угол раскрытия 60° на частоте 8 кГц и 80° на частоте 3 кГц. Такая форма диаграммы направленности излучателя благоприятна для возбуждения поперечной и Стоунли волн, а также продольной в низкоскоростных геологических разрезах или когда порода находится за обсадной колонной (фиг. 4 , колонки 2 и 4). С учётом формы диаграммы направленности излучателя и частотного среза скважины для возбуждения продольной и поперечной волн предпочтителен диапазон частот 5 ч-10 кГц, а для волны Стоунли - 2 ч-4 кГц. Возбуждение дипольного излучателя 5 производится при прохождении импульса тока через первичную обмотку согласующего трансформатора 21. Под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора пьезокерамические пластины 19 деформируются, вызывая противофазные колебания на своих внешних поверхностях. Акустические колебания жидкости, находящейся между пластинами 19 и стенкой скважины, создают в горной породе деформации сдвига, которые распространяются вдоль скважины как поляризованная поперечная волна и вызывают в жидкости, заполняющей скважину, антисимметричные колебания, воспринимаемые дипольными приёмниками 7. Ввиду более высокого электро- акустического коэффициента и идентичности пьезокерамических пластин, по сравнению с биморфной магнитострикционной пластиной, достигается эффект повышения мощности дипольного излучения. Этот эффект усиливается повышением частоты излучения до 3 - 6 кГц. Симметричные колебания, обусловленные неидеальной идентичностью колебаний пластин 19 и распространяющиеся в
скважине как продольная и Стоунли волны, дипольные приёмники не воспринимают. Чувствительность дипольного приёмника к антисимметричным колебаниям повышается за счёт увеличения расстояния между центрами образующих его сфер 26. Дипольный приёмник, выполненный из двух пьезокерамических сфер, установленных симметрично оси зонда и соединённых встречно - параллельно, является дифференциальным датчиком давления, поэтому он не чувствителен к симметричным колебаниям. Следовательно, в сигналах, снимаемых с дипольных приёмников, превалируют колебания поперечной волны (фиг.4, колонка 3).
Таким образом, при использовании данного прибора сигналы продольной, поперечной и Стоунли волн всегда регистрируются в первых вступлениях волновых пакетов, поэтому они не искажены интерференцией с другими волнами и друг с другом, значит, их параметры достоверно измеряются. Кроме того, в приборе используются короткие измерительные зонды (1 -ь 2 метра), что повышает отношение сигнал/ шум, следовательно, и точность измерений.
Источники информации:
1.Ивакин Б. И., Карус Е. В., Кузнецов О. Л. Акустический метод исследования скважин.//М., Недра, 1978.
2.Аркадьев Е. А. Измерительная установка для многозондового акустического каротажа нефтегазовых скважин. //Современные тенденции развития техники и технологии ядерно-геофизических и геоакустических исследований скважин. М., ВНИИГеоинформсистем, 1987, с. 11-18.
3.Low Frequency Dipole Tool. LOT.// Open Hole Logging Equipment. V.2 of 2. Halliburton Energy Services. 1995. (Фирменный каталог).