УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СКВАЖИН

Полезная модель относится к геофизическим приборам, предназначенным для исследования необсаженных скважин методом акустического каротажа с целью литологического расчленения разреза, определения физико-механических и петрофизических свойств горных пород, а также степени их анизотропии, трещиноватости и кавернозности.
Известно устройство для акустических исследований скважин, в частности для определения твердости горных пород и литологического расчленения разреза скважины на основе анализа характеристических резонансных частот пород, содержащее излучатель акустических колебаний, соединенный с генератором линейно изменяющейся частоты, а также приемник колебаний, подключенный через усилители к аналого-
цифровому преобразователю, соединенному с микроконтроллером, к информационному входу которого подключен блок хранения эталонных частот, а его выход соединен через шифратор с телеметрической системой связи. (RU №49630, G 01 V 1/40, 2005).
Недостатками указанного устройства являются ограниченный объем полезной информации и отсутствие возможности наглядного представления полученных данных, что увеличивает вероятность ошибки при решении поставленных задач.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство акустического каротажа скважин, содержащее наземную и скважинную часть (глубинный зонд), при этом скважинная часть состоит из излучателя, последовательно соединенного с программно-управляемым генератором сложного частотно-модулированного зондирующего акустического сигнала, по крайней мере одного приемника, коммутатора каналов, аттенюатора, усилителя, контроллера, скважинной телесистемы связи, подключенной через геофизический кабель к наземной телесистеме связи, а наземная часть состоит из телесистемы связи, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, соединенного с буферной памятью, и акустического сопроцессора, содержащее блок регистрации, центральное процессорное устройство и блок управления. (RU №2096812, G 01 V 1/40, 1996).
Известное устройство обеспечивает регистрацию волновых картин высокой разрешенности, предназначенных для анализа кинематических и динамических параметров всех типов волн и позволяет комплексно совместить различные способы акустического каротажа с целью получения качественной информации по всему разрезу скважины в любых геологических условиях.
Однако известное устройство не обеспечивает получение информации о резонансных свойствах горных пород, о степени их анизотропии, трещиноватости и кавернозности, а также сопряжено с
необходимостью использования сложной наземной аппаратуры и передачей информации по кабелю в аналоговой форме, что ухудшает помехоустойчивость системы. Кроме того, использование в рассматриваемом устройстве генератора частотно-модулированного сигнала не позволяет с достаточной полнотой решить задачу адаптации параметров зондирующего воздействия в зависимости от геологических условий ввиду ограниченного набора спектров сигнала, которые можно получить с помощью подобного устройства.
В основу настоящей полезной модели положена задача создания устройства для акустических исследований скважин, обеспечивающего расширение его функциональных возможностей за счет получения информации о резонансных и анизотропных свойствах горных пород, их трещиноватости и кавернозности, повышение точности и достоверности исследования за счет учета погрешности, обусловленной отклонением глубинного зонда от оси скважины, повышение помехоустойчивости за счет реализации принципа избыточности при кодировании данных, а также степени адаптации параметров акустического сигнала в зависимости от геологических условий.
Поставленная задача решается тем, что устройство для акустических исследований скважин, состоит из наземной части, включающей микроконтроллер с модемом, и соединенной с ней через канал связи скважинной части, содержащей первый и второй каналы формирования зондирующего сигнала, состоящие, соответственно, из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, усилителя мощности и излучателя акустических волн с широкой диаграммой направленности, и из последовательно соединенных генератора импульсов малой длительности, усилителя мощности и излучателя акустических волн с узкой диаграммой направленности, по крайней мере две ортогональные пары приемников акустических сигналов с усилителями, привод вращения указанных приемников, гироскоп, многоканальный аналого-цифровой
преобразователь, микроконтроллер, модем и блок питания с шиной питания, причем выходы гироскопа и усилителей приемников акустических сигналов подключены к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к шине данных микроконтроллера, управляющие выходы которого через шину управления соединены с входами цифро-аналогового преобразователя и генератора импульсов малой длительности первого и второго каналов формирования зондирующего сигнала, с приводом приемников акустических сигналов и с управляющим входом многоканального аналого-цифровой преобразователя, а вход/выход модема подсоединен к шине управления и к шине данных микроконтроллера и к каротажному кабелю канала связи.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг.2 показан эскиз скважинной части (глубинного зонда) с указанием основных функциональных элементов, на фиг.3 представлена блок-схема алгоритма работы микроконтроллера.
Предлагаемое устройство содержит наземную и скважинную части. Наземная часть устройства состоит из персонального компьютера 1, выполняющего интерпретацию полученных данных и управление работой скважинной части, а также модема 2, обеспечивающего обмен информацией между наземной и глубинной частями устройства.
Скважинная часть содержит генератор импульсов малой длительности 3, обеспечивающий получение сигнала, обладающего широким спектром составляющих, связанный с ним усилитель мощности 4, сигнал с которого поступает на излучатель акустических волн с узкой диаграммой направленности 5. Для реализации стандартных способов акустического каротажа устройство содержит генератор зондирующего воздействия на основе цифро-аналогового преобразователя 6, подключенного через усилитель мощности 7 к широконаправленному
излучателю акустических волн 8. Ортогональные пары приемников 9, 10 и 11, 12 удаленные на некоторое расстояние друг от друга преобразуют акустические сигналы в электрические, которые после усиления блоками 13, 14, 15 и 16 поступают на входы многоканального аналого-цифрового преобразователя 17, к другому входу которого подключен выход сигнала гироскопа 18. Вращение приемников обеспечивает привод 19, содержащий встроенную схему управления, вход которого аналогично соответствующим входам/выходам модема 20, обеспечивающего взаимодействие с наземной частью, подключен к шине данных/управления микроконтроллера 21. Таким же образом с шиной данных соединяются входы генератора зондирующего сигнала 6 и выходы многоканального аналого-цифрового преобразователя 17. Питание всех блоков скважинной части устройства осуществляется от блока питания 22, непосредственно подключенного к геофизическому каротажному кабелю.
Сущность работы устройства заключается в следующем.
В процессе исследований получают амплитудно-частотную характеристику горной породы, на основе анализа которой выделяют «характеристическую» частоту последней, определяющую твердость ее скелета, которая, в свою очередь, коррелированна с рядом механических и петрофизических свойств породы: плотностью, упругостью, пористостью и др. Для этого, с помощью генератора 3 и излучателя 5 создается мощный импульсный сигнал с широким спектром составляющих. Узкая диаграмма направленности излучателя 5 и применение ортогонально расположенных пар приемников 9-12, позволяют определить две характеристические частоты породы, обусловленные особенностями ее строения и соответственно различием свойств последней в пространстве. На поверхность передается спектр сигнала полученного приемниками 9-12, а также характеристики резонансной кривой, вычисленные микроконтроллером 21. На основе полученных данных производится корректировка параметров стандартных акустических методов, в
частности базовая частота зондирующего воздействия устанавливается равной резонансной частоте. Таким образом, достигается инвариантность к частоте при анализе кинематических характеристик сигнала и наибольшая чувствительность при определении его динамических характеристик. С целью подстройки параметров сигнала используется генератор 6 на основе цифро-аналогового преобразователя, управляемого микроконтроллером 21. Для реализации стандартных методов акустического каротажа используется отдельный излучатель 8 с широкой диаграммой направленности, при этом производится синхронное непрерывное или шаговое вращение пар приемников 9-12 с целью изучения различия свойств горной породы в различных направлениях и последующего определения степени ее анизотропии, кавернозности и трещиноватости. При проведении измерений осуществляют постоянный контроль и запись положения прибора в скважине, а также текущего положения приемников. При значительном отклонении прибора от оси скважины вносят соответствующие поправки при окончательном анализе результатов измерений.
Устройство работает следующим образом.
Импульсный генератор 3 по команде микроконтроллера 21 вырабатывает сигнал, обладающий широким спектром гармоник, который после усиления подается на узконаправленный излучатель 5 дипольного типа, создающего акустические колебания, которые после распространения по породе преобразуются ортогональными парами приемников 9, 10 и 11, 12 в соответствующий им электрический сигнал. На данном этапе исследования приемники акустических колебаний ориентированы таким образом, что первый из каждой пары расположен вдоль направления распространения волны, а второй - соответственно перпендикулярно ему. Принятые сигналы, представляющие собой затухающие гармонические колебания, усиливаются блоками 13, 14, 15, 16 и поступают на входы многоканального аналого-цифрового
преобразователя 17. Таким же образом на другой его вход поступает сигнал с гироскопа 18, позволяющий учесть отклонение прибора от оси скважины и, таким образом, контролировать его положение в пространстве. С выхода преобразователя сигнал подается на информационную шину микроконтроллера 21, который анализирует полученную информацию, производит необходимые вычисления и осуществляет помехоустойчивое кодирование данных, представляющих спектры принятых сигналов, а также их основные параметры: частоту, добротность, коэффициент затухания и др. На основе полученной информации микроконтроллер 21 формирует зондирующее воздействие определенной формы и частоты, которое преобразуется цифро-аналоговым преобразователем 6 в аналоговую форму и после прохождения через усилитель мощности 7 подается на излучатель 8, обладающий широкой диаграммой направленности. Две пары приемников акустического сигнала 9, 10 и 11, 12, приводимые в движение приводом 19, преобразуют сигнал в электрическую форму, который аналогично уже рассмотренному случаю вновь поступает на информационный вход микроконтроллера 21, где производятся обработка и кодирование полученной информации. Осуществление синхронного вращения приемников сигнала 9-12 позволяют проводить непрерывное сканирование ствола скважины и обеспечивать получение информации об анизотропных свойствах породы. Использование в качестве генератора зондирующего воздействия 6 цифро-аналогового преобразователя позволяет решить задачу адаптации параметров акустического сигнала в зависимости от конкретных условий и предварительно полученной информации.
Для обеспечения связи с наземной частью используется модем 20, соединенный с информационной шиной микроконтроллера с одной стороны и каротажным кабелем - с другой. Модем осуществляет передачу кодированных данных на поверхность и прием управляющей информации. Для связи со скважинной частью на поверхности установлен
аналогичный модем 2, соединенный с персональным компьютером 1, осуществляющим интерпретацию полученной информации и управление работой скважинной части устройства. Программное обеспечение, установленное на компьютере 1 позволяет наглядно представить информацию, в том числе в виде 3-х мерных графиков, отражающих строение разреза скважины и количественные характеристики образующих его горных пород.
Управление и синхронизацию работы всех блоков скважинной части устройства выполняет микроконтроллер 21, алгоритм работы которого представлен на фиг.3. В качестве микроконтроллера можно применить микросхему 68НС916Н5 компании Motorola.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять регистрацию продольных и поперечных волн для реализации большинства известных способов акустического каротажа, включая анализ резонансных характеристик горных пород с целью определения твердости и связанных с ней физико-механических и петрофизических свойств последних. Вместе с тем устройство решает и метрологические задачи, связанные с улучшением качества измерений путем устранения причин возникновения погрешностей. Наконец, совместное применение различных способов акустического каротажа предполагает необходимость подстройки параметров зондирующего сигнала с учетом уже полученной информации. Таким образом, предлагаемое устройство решает широкий круг актуальных задач, но в то же время, предназначается для совместного использования с другими приборами в составе комплекса ГИС.