СКВАЖИННЫЙ СЕЙСМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК
BOREHOLE SEISMIC SOURCE

Изобретение относится к области геофизических исследований и может быть использовано для импульсного возбуждения в скважинах сейсмических колебаний при межскважинном сейсмопросвечивании, сейсмотомографии и сейсмопрофилировании разрезов нефтяных, газовых и других месторождений.
Известен скважинный акустический источник для томографических наблюдений (A downhole acoustic source for tomography acquisitions: /Патент №2235046 Великобритании, МКИ G01V 1/147 / Ducatel A. - №8917321.5; Заявлен 23.07.89; Опубл. 20.02.91; НКИ UKCL /Edition К/ GIG GEB UIS F1248). Источник выполнен в виде цилиндрического снаряда с боковыми излучающими отверстиями, над которыми помещена жесткая мембрана-наковальня, по сути являющаяся герметичным дном цилиндрического снаряда. При осевом ударе по ней она упруго прогибается и передает импульс давления в скважинную жидкость, а через нее - стенкам скважины. В качестве ударника используется поршень, который может приводиться в движение электромагнитом или сжатым воздухом с частотой следования 30 Гц (как при акустическом каротаже), возбуждая продольные волны в полосе частот до 1,8 кГц.
и
и
Этот акустический источник может обеспечивать акустическую томографию (акустическое просвечивание) межскважинного пространства на расстояниях между скважинами в несколько десятков метров. Однако из-за малой энергии возбуждаемых импульсов при прогибе мембраны-наковальни и недостаточной электрической мощности, передаваемой типовым каротажным кабелем в скважинный снаряд (не более 1200 Вт), он не пригоден для применения на расстояниях между нефтегазовыми скважинами 400 м. Так как при частоте следования упругих импульсов 30 Гц их энергия не может быть более W=1200 Вт / 30 Гц = 40 Дж, а для сейсмо-томографии (сейсмопросвечивания) межскважинного пространства на вышеуказанных расстояниях необходимы упругие импульсы с энергией W=20 кДж (эквивалентной 5 г тротила), т.е. в 500 раз больше.
Наиболее близким к предлагаемому по принципу действия является генератор сейсмических волн (Патент WO 03042717 A1, 7 G01V/147, G01V 1/133, AU 2001 8812 12.11.2001, Poly Systems Pty Limited; Webb, Roger, Clyde). Генератор выполнен в виде замкнутого цилиндра с ударным поршнем-молотом, перемещающимся внутри цилиндра между впускным коллектором на одном конце цилиндра и поршнем-наковальней на другом его конце, приспособленном для контакта с землей. В отличие от аналога в этом генераторе вместо прогибающейся малоэффективной жесткой мембраны-наковальни применен подвижный поршень-наковальня. Причем ударный поршень-молот разгоняется для удара о поршень-наковальню с помощью газа-вытеснителя, поступающего в цилиндр через впускной коллектор из внешней магистрали со сжиженным газом высокого давления. Возврат ударного поршня-молота в исходное положение осуществляется газом, поступающим в цилиндр на другом его конце из магистрали низкого давления. Удержание ударного поршня-молота в исходном положении для следующего разгона осуществляется пружинной защелкой. Выхлоп отработанной порции газа-вытеснителя в атмосферу после каждого удара поршня-молота осуществляется с помощью обратного клапана, расположенного в конце цилиндра вблизи поршня-наковальни.
и
Этот генератор сейсмических волн может обеспечивать возбуждение упругих импульсов с достаточно высокой энергией W=20 кДж и более. Однако он приспособлен для работы лишь на поверхности земли или в неглубоких скважинах, ограниченных по глубине длиной газовой магистрали (шлангов, трубок) и величиной (около 15-20 МПа) высокого давления, и не пригоден для условий глубоких (свыше 1000 м) нефтегазовых скважин, так как выхлоп отработанной порции газа-вытеснителя в скважинную жидкость при еще более высоком гидростатическом давлении (несколько десятков МПа) становится невозможным.
Целью предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков. Эта цель достигается тем, что в предлагаемом сейсмическом источнике ударный поршень-молот выполнен с захватным гнездом в его тыльной части, с которым разъемно сочленен автоматический захватно-спусковой механизм, закрепленный на тяговом штоке электрогидропривода, обеспечивающего циклическое сжатие газа в пневмоцилиндре захваченным ударным поршнем-молотом и его сброс для разгонного удара об излучающий поршень-наковальню, под которым против боковых отверстий соосно установлен конусный волновой отражатель, причем в головке пневмоцилиндра установлен золотниковый пневмоклапан для закачки в него предварительно сжатого газа.
На фиг.1 показан общий вид предлагаемого скважинного сейсмического источника.
1 - корпус; 2 - электропривод; 3 - гидравлический насос; 4 - верхний мост; 5 - гидроцилиндр; 6 - силовой поршень; 7 - уплотнительные кольца; 8 - тяговый шток; 9 - нижний мост; 10 - пневмоцилиндр; 11 - захватно-спусковой механизм; 12 - ударный поршень-молот; 13 - захватное гнездо; 14 - поршень-наковальня; 15 - излучающие окна; 16 - конусный волновой отражатель; 17 - хвостовик; 18 - захваты; 19 - спусковой курок; 20 - золотниковый пневмоклапан; 21 - гидромагистраль рабочего хода; 22 - гидромагистраль возврата; 23 - каротажный кабель.
Скважинный сейсмический источник (фиг.1) состоит из цилиндрического корпуса 1, разделенного на три герметичных энергетических отсека и одного генерирующего с открытыми излучающими окнами. Из них верхний отсек включает реверсивный электропривод 2 и реверсивный гидравлический насос 3. Средний отсек состыкован с верхним с помощью герметичного моста 4 и включает гидропривод, состоящий из гидроцилиндра 5, заполненного минеральным маслом, и силового поршня 6 с уплотнительным кольцом 7, жестко соединенного с тяговым штоком 8, проходящим через нижний мост 9 с уплотнительным кольцом 7 в нижний отсек. Причем оба моста 4 и 9 показаны для упрощения чертежа схематически неразъемными. Нижний отсек включает заполненный газом пневмоцилиндр 10, тяговый шток 8, на конце которого закреплен захватно-спусковой механизм 11, разъемно сочленяемый с ударным поршнем-молотом 12 с помощью захватного гнезда 13, и поршень-наковальню 14. Оба поршня 12 и 14 герметизируются уплотнительными кольцами 7. Генерирующий отсек включает поршень-наковальню 14, контактирующий тыльной (наружной) плоскостью со скважинной жидкостью через излучающие окна 15, и конусный волновой отражатель 16, жестко закрепленный на хвостовике 17.
Захватно-спусковой механизм 11 состоит из захватов 18 и спускового курка 19. Для закачки в пневмоцилиндр 10 предварительно сжатого газа в нижнем мосте 9 встроен золотниковый пневмоклапан 20. Реверсивный гидравлический насос 3 снабжен гидромагистралью 21 рабочего хода силового поршня 6 и гидромагистралью 22 возврата его в исходное положение. Для питания реверсивного электропривода 3 и спуска сейсмоисточника в скважину используется каротажный кабель 23, жестко закрепленный в головке корпуса 1.
Скважинный сейсмоисточник работает следующим образом.
В исходном состоянии ударный поршень-молот 12, захватный механизм 11 и поршень-наковальня 14 находятся во взаимно сопряженном положении. Перед спуском сейсмоисточника в скважину пневмоцилиндр 10 заправляется через золотниковый пневмоклапан 20 сжатым газом под начальным давлением, например, 2 МПа. В начале рабочего хода ударный поршень-молот 12 прижат этим начальным давлением к поршню-наковальне 14, а захватно-спусковой механизм 11 находится в захватном гнезде 13.
п
6
-3
3
После спуска сейсмоисточника в скважину на заданную глубину включается электропривод 2, приводящий в действие гидравлический насос 3, а последний через магистральный трубопровод рабочего хода 21 накачивает минеральное масло под рабочим давлением, например, 20 МПа под силовой поршень 6 гидропривода и перемещает его по гидроцилиндру 5 вверх, совершая рабочий ход и вытесняя при этом находящееся над силовым поршнем минеральное масло в гидромагистраль возврата 22 и далее на вход гидравлического насоса 3. Создаваемое силовым поршнем 6 гидропривода усилие передается ударному поршню-молоту 12 посредством тягового штока 8 через корпус захватно-спускового механизма 11 с помощью захватов 18, зафиксированных в захватном гнезде 13. В конце рабочего хода системы "силовой поршень - тяговый шток - ударный поршень-молот" в верхней части пневмоцилиндра 10 за счет примерно десятикратного сокращения объема газа, например, с 10-ти до 1-го литра создается такое же рабочее давление, как и в гидроцилиндре гидропривода: 20 МПа. В результате в пневмоцилиндре аккумулируется запасенная во время рабочего хода потенциальная энергия сжатого газа W=20·10 Па×1·10 м=20 кДж. При этом под ударным поршнем-молотом 12 создается неглубокий вакуум.
п
к
к
к
и
2
Рабочий ход ударного поршня-молота 12 завершается в момент упора спускового курка 19 в нижний мост 9, в результате чего захваты 18 мгновенно отпускают ударный поршень-молот 12, который под действием сжатого над ним в пневмоцилиндре 10 газа и вакуума под ним выстреливается в сторону поршня-наковальни 14. В процессе разгона накопленная потенциальная энергия W сжатого газа преобразуется в кинетическую энергию W движения ударного поршня-молота 12. В конце разгона ударный поршень-молот 12 с массой, например, 4 кг набирает скорость около 100 м/с и, следовательно, кинетическую энергию W=4 кг·(100 м/с)/2=20 кДж. После удара его о более легкий подвижный поршень-наковальню 14 без отскока оба поршня 12 и 14 продолжают двигаться совместно по инерции до полной остановки. При этом выдвижение поршня-наковальни 14 из пневмоцилиндра 10 в скважину ограничено несколькими сантиметрами предусмотренного свободного хода. В момент остановки в скважинной жидкости создается импульс избыточного гидравлического давления, превышающего гидростатическое в скважине, и процесс преобразования кинетической энергии W в энергию W избыточного гидравлического давления в скважине завершается. Возврат обоих поршней 14 и 12 в исходное положение готовности осуществляется во время спада (релаксации) созданного избыточного гидравлического давления до гидростатического в скважине.
и
Полученный таким образом импульс давления в скважиной жидкости с энергией W=20 кДж передается тыльной стороной подвижного поршня-наковальни 14 в виде упругой гидроволны на конусную поверхность волнового отражателя 16, который поворачивает направление этой гидроволны с осевого на круговое радиальное. Через излучающие окна 15 в корпусе 1 фронт круговой радиальной гидроволны достигает стенок скважины, возбуждая в массиве горных пород обменные сейсмические волны различной поляризации (продольные, поперечные и др. в диапазоне частот примерно 50÷1000 Гц), которые могут быть приняты и зарегистрированы в соседней скважине при сейсмопросвечивании, сейсмотомографии или сейсмопрофилировании геологического разреза.
Следующий цикл работы сейсмоисточника начинается с возврата системы "силовой поршень-тяговый шток-ударный поршень-молот" в исходное состояние. Для чего осуществляется реверсирование электропривода 2 и гидронасоса 3 с целью перевода их в режим закачки минерального масла в гидроцилиндр 5 через гидромагистраль возврата 22 и последующего опускания силового поршня 6 с тяговым штоком 8 и захватно-спускового механизма 11 в захватное гнездо 13 ударного поршня-молота 12, находящегося в исходном положении прижатым к поршню-наковальне 14 начальным давлением в пневмоцилиндре 10 2МПа. Захват ударного поршня-молота 12 осуществляется автоматически с помощью захватов 18 при полном углублении их в захватное гнездо 13. В результате ударный поршень-молот 12 снова оказывается сочлененным с захватно-спусковым механизмом 11 и готов с помощью тягового штока 8 к сжатию газа в пневмоцилиндре 10. Для чего электропривод 2 с гидравлическим насосом 3 реверсируются в режим рабочего хода.
Электропитание сейсмоисточника и управление им осуществляются через каротажный кабель 23 с помощью наземного пульта. Режим управления сейсмоисточником может быть выбран как ручным ждущим, так и автоматическим с периодом следования возбуждаемых сейсмических импульсов в несколько минут. Для синхронизации возбуждаемых импульсов с приемной (регистрирующей) сейсмической аппаратурой в верхнем отсеке скважинного сейсмоисточника установлен пьезодатчик момента удара поршня-молота о поршень-наковальню.
Основным достоинством предлагаемого пневмо-ударного скважинного сейсмоисточника является обеспечиваемые им оптимальные спектральные и энергетические характеристики при малых габаритах скважинного снаряда, позволяющие с помощью стандартного спуско-подъемного каротажного оборудования оперативно и надежно проводить межскважинное сейсмопросвечивание, сейсмотомографию и сейсмопрофилирование геологических разрезов глубоких нефтегазовых и других скважин.