НАПРАВЛЕННЫЙ СТЕРЖНЕВОЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ УСТРОЙСТВА АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА, УСТРОЙСТВО И СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА
DIRECTED ROD-SHAPED PIEZOCERAMIC RADIATOR FOR ACOUSTIC LOGGING DEVICE, DEVICE AND ACOUSTIC LOGGING METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к измерению акустическим методом свойств пород в скважине, а более точно, к направленному стержневому пьезокерамическому излучателю для устройства акустического каротажа, к устройству и способу измерений свойств пород в скважине посредством акустического каротажа скважин.
Более конкретно, изобретение касается получения достоверной информации о породе в скважине методом волнового акустического каротажа в условиях, когда порода вокруг ствола скважины имеет неоднородные свойства, например, разрушена буровым инструментом, имеет желоба, испытывает одностороннее напряжение, имеет неодинаковые размеры зоны проникновения бурового раствора.
Предшествующий уровень техники
Метод волнового акустического каротажа является одним из основных методов при исследовании литологии, фильтрационно-емкостных и механических свойств пород-коллекторов. Первые измерительные приборы для каротажа представляли собой устройства с одним излучателем и двумя приемниками, которые использовались для измерения скорости компонентов первого вступления импульса акустической волны, излученной через породы скважины. Этот компонент является компонентом продольной или «Р» волны.
В настоящее время при записях исследуются скоростные (кинематические) и амплитудные (динамические) характеристики продольных, поперечных волн и волн Лэмба-Стоунли на приемной антенне из восьми и более приемников 1 (Фиг.1а). Эти волны в породе, как правило, формируются монопольным источником 2 акустического импульсного давления с круговой диаграммой (Фиг.1b) излучения и принимаются так же монопольными приемниками 1 давления, имеющими круговую диаграмму (Фиг.1с) чувствительности.
В такой системе измерений используемая теоретическая модель предполагает, что отверстие ствола скважины имеет форму идеальной окружности, ось 0-0 прибора находится в центре этой окружности, а свойства породы 3 по длине измерительных зондов 4 имеют одинаковые свойства (изотропны) и не испытывают статических напряжений.
Однако в реальности такие условия встречаются чрезвычайно редко. Этот недостаток теоретической модели измерения стал проявляться при бурении наклонных скважин в Западной Сибири и, особенно сильно наблюдается при исследовании сильнонаклонных и горизонтальных стволов скважин. Данные, полученные при каротаже скважин, имеющих желоба 5 (Фиг.2d), образующиеся при бурении вследствие биений бурильного инструмента, невозможно использовать, поскольку высок процент недостоверных результатов. В этих условиях выделение первых вступлений продольных волн P (Фиг.3) сильно затруднено из-за их искажений, что не позволяет обрабатывающим программам автоматически их прослеживать по разрезу скважины, и в этом случае требуется ручное прослеживание с худшей степенью точности. Таким образом, скважинные приборы волнового акустического каротажа, построенные на этой модели измерения, перестали удовлетворять промышленность по качеству измерительной информации.
В принятой в настоящее время измерительной модели волнового (широкополосного) акустического каротажа излучатель 2 и приемники 1 имеют круговые диаграммы (Фиг. 2b, 2с) направленности излучения и приема. Детальное рассмотрение основных отличий теоретической модели волнового акустического каротажа и реальной наклонной скважины в условиях Западной Сибири показывает их несовпадения.
Первым основным условием качественной регистрации является очень хорошая центровка (Фиг.1) скважинного прибора 4 в скважине, а это значит, что сечение скважины должно быть окружностью, поскольку в этом случае есть центр, который должен совпадать с осью 0-0 скважинного прибора. При смещении оси прибора от центра скважины происходит сначала уменьшение амплитуды продольной волны Р (Фиг.3), а при дальнейшем смещении продолжается уменьшение этой амплитуды, а также начинаются искажения первой и последующих фаз волнового пакета. Величина уменьшения амплитуды сильно зависит от частоты излучателя и, например, для 12 кГц при смещении прибора на 4 см от центра скважины, разница в амплитудах равна 2,5 раза, а для более высоких частот достигает большего значения. Это соответствует тому, что в это же количество раз (2,5 или более) уменьшилось развиваемое излучателем акустическое давление при возбуждении колебательного процесса для измерений.
Вторым основным условием является отличие сечения исследуемой скважины от окружности. При бурении наклонных и горизонтальных стволов, как правило, конфигурация сечения ствола сильно изменяется и в лучшем случае является овалом (Фиг.2d), а в худшем - вообще трудно представима. Это также не соответствует измерительной модели и сильно ухудшает качество получаемой информации.
Третьим основным условием качественной регистрации является то, что на длине измерительного зонда для этой модели измерения должна быть однородная (изотропная) со всех сторон скважины и на длине зонда исследуемая порода. Если скоростные свойства породы с разных сторон скважины будут различны, то сигнал на приемниках 1 будет падать примерно также, как при расцентровке прибора и порядок ухудшения регистрации также высок.
На принимаемые приемниками сигналы влияют несколько факторов, такие как наличие неодинаковых размеров зоны проникновения фильтрата 6 бурового раствора в коллекторах 3 с разных сторон скважины, наличие желобов 5, каверн и неравномерной глинистой корки на стенках скважины, наличие периодических неравномерных нарезок стенки буровым долотом при бурении.
Поэтому требования теоретической измерительной системы с монопольными приемниками и излучателем с круговыми диаграммами не выполняются, что и не позволяют получать удовлетворительные по качеству результаты.
Поэтому в этих условиях не работает классическая модель, и появилась необходимость привести эту модель в соответствие со свойствами исследуемых объектов.
Решением этого вопроса может быть измерительная модель, когда скважинный прибор имеет излучатель 2 (Фиг.2а) с лучевой диаграммой излучения (Фиг.2b), а приемники 1 имеют круговую диаграмму чувствительности (Фиг.2с). Тогда все вышеперечисленные факторы, ухудшающие качество принимаемых сигналов, не работают или их влияние на качество получаемого материала сильно уменьшается.
Некоторыми разработчиками аппаратуры волнового акустического каротажа была сделана попытка подстроить характеристики под требования промышленности, но в пределах классической измерительной модели. Для этого стали применяться укороченные зонды и уменьшенная частота излучателя. Однако проблема еще более усугубилась. Уменьшение длин зондов с 3-4 метров до 1,8-2,4 м привели к уменьшению глубины (от 30-40 до 15-20 см) измерения, что сказалось на качестве измерения интервальных времен продольных и поперечных волн, а, следовательно, и неверное определение коэффициента пористости пластов-коллекторов, так как пласты коллектора, как правило, содержат измененные зоны вокруг ствола скважины. До настоящего времени проблема уменьшения амплитуд и искажения формы первых вступлений продольных волн в сложных скважинах так и не решена.
При каротаже сильнонаклонных и горизонтальных стволов разные стороны стенок скважины могут по своим акустическим свойствам отличаться очень сильно, особенно если горизонтальный или сильнонаклонный ствол проходит по границе между пропластками, представляющими собой слои небольших толщин с разными акустическими свойствами различных типов пород.
При измерениях в измененной зоне скорости продольных волн, как правило, уменьшаются и если по этим данным рассчитывать пористость пласта-коллектора, то получается завышение на очень большую величину, например, до 3-5%, а это неприемлемо.
Известен гидроакустический излучатель (см., например, патент RU2 131 173), представляющий собой стержневой пьезокерамический излучатель, содержащий стержневой пьезоэлемент и армирующую стяжку, жестко соединенные с тыльной накладкой, переднюю накладку, выполненную как одно целое с гибкой пассивной вставкой, имеющей форму стакана, с дном которого соединена массивная пассивная вставка, заключенные в герметичный корпус. Массивная пассивная вставка выполнена в виде полого толстостенного цилиндра, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра пьезоэлемента и гибкой вставки, с жесткой перегородкой, перпендикулярной его оси. С одной стороны с перегородкой скреплен пьезоэлемент, а с другой стороны с перегородкой скреплено дно стакана гибкой вставки и армирующая стяжка.
Указанный излучатель обеспечивает двухрезонансную частотную характеристику. Во время работы электрический сигнал заданной частоты или заданного спектрального состава в пределах рабочего диапазона частот подается через кабельный ввод и провода на электроды стержневого пьезоэлемента. В результате в нем возбуждаются механические напряжения, вызывающие продольные механические колебания всех элементов конструкции. Колебания передней накладки излучаются в окружающую среду, создавая в ней переменные акустические давления соответствующего спектрального состава, распространяющиеся в направлении, заданном геометрией антенны.
Указанный излучатель является монопольным излучателем, имеющим круговую диаграмму (Фиг.1b) излучения. Он подходит для волнового акустического каротажа скважин, имеющих в сечении форму окружности. При каротаже используется скважинный прибор, содержащий монопольный излучатель 2 с круговой диаграммой (Фиг.1b) излучения и антенна из четырех приемников 1 с круговой диаграммой (Фиг.1с) чувствительности.
Известный скважинный прибор не позволяет исследовать скважину в случае, когда ствол скважины имеет желоба, разбитые стенки и в случае, когда свойства породы по длине измерительного зонда с разных сторон скважины имеют различные свойства, поскольку он имеет круговую диаграмму направленности излучения и измерения будут осуществляться со всеми вышеперечисленными недостатками.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа лучевого волнового акустического каротажа скважин, который обеспечивает исследование литологии, пористости, проницаемости и механических свойств пород, окружающих скважину, в случае, когда ствол скважины имеет желоба, каверны, разбитые стенки, и в случае, когда свойства породы по длине измерительного зонда с разных сторон скважины имеют различные свойства, путем формирования однолучевой диаграммы направленности и приема волны давления приемником, имеющим круговую диаграмму чувствительности, обеспечивающие компенсацию изгибной моды колебаний стенок скважины.
Другой задачей настоящего изобретения является создание стержневого пьезокерамического акустического излучателя давления, который обеспечивает формирование односторонней лучевой диаграммой направленности.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройства для волнового акустического каротажа, в котором используется стержневой пьезокерамический акустический излучатель давления, обеспечивающий формирование односторонней лучевой диаграммой направленности.
Поставленная задача решена путем создания стержневого пьезокерамического акустического излучателя давления с односторонней лучевой диаграммой направленности, содержащего
корпус из стали в виде трубки,
активирующий элемент, состоящий из множества пьезокерамических шайб, размещенных на армирующей стяжке, которая размещена в корпусе,
излучающий элемент, выполненный из алюминиевого сплава и контактирующий одним торцом с активирующим элементом,
демпфер, размещенный на конце армирующей стяжки и жестко связанный с корпусом и с одним торцом активирующего элемента,
характеризующегося тем, что
пьезокерамические шайбы активирующего элемента размещены на изолирующем слое, нанесенном на армирующую стяжку, и объединены по меньшей мере в три секции, имеющие равное количество пьезокерамических шайб, и предназначены для последовательного разряда высоковольтных импульсов запуска, начиная с секции, контактирующей с демпфером, с задержками, равными времени пробега акустической волны по одной секции активирующего элемента,
причем другой торец излучающего элемента выполнен наклонным к оси корпуса под углом в пределах от 90 до 15° к оси с образованием усеченного цилиндра,
при этом пьезокерамический акустический излучатель давления содержит
отражающий элемент из стали, выполненный в виде усеченного цилиндра, размещенного в корпусе соосно с излучающим элементом и с зазором, один торец отражающего элемента, обращенный к активирующему элементу, выполнен наклонным к оси корпуса под углом в пределах от 15 до 75° к оси, причем наибольшие образующие усеченных цилиндров отражающего и излучающего элементов расположены на одной линии.
Предпочтительно, армирующая стяжка выполнена в виде трубки из сплава алюминия для размещения транзитных проводов, проходящих через излучатель.
Предпочтительно, корпус заполнен гидрокомпенсирующей изоляционной жидкостью.
Предпочтительно, корпус выполнен в виде перфорированной трубки и снабжен защитным резиновым или пластиковым кожухом, причем перфорация выполнена в основном со стороны отражающих поверхностей излучающего и отражающего элементов.
Предпочтительно, количество секций пьезокерамических элементов равно нечетному числу, равному или более трех.
Предпочтительно, пьезокерамические шайбы в секциях выполнены из одинакового/различного пьезокерамического материала.
Предпочтительно, торец излучающего элемента, выполненный наклонным к оси цилиндра, имеет параболическую поверхность.
Предпочтительно, демпфер выполнен из сплава вольфрама.
Предпочтительно, пьезокерамические шайбы активирующего элемента склеены между собой и с демпфером и с излучающим элементом посредством эпоксидной смолы.
Предпочтительно, в излучающем элементе и в отражающем элементе выполнены каналы для размещения транзитных проводов.
Поставленная задача решена также путем создания устройства для лучевого волнового акустического каротажа скважин, содержащего
по меньшей мере два центрирующих элемента,
монопольный излучатель давления,
антенну приемников давления, содержащую по меньшей мере два приемника давления, размещенные на длине зонда от монопольного излучателя давления,
несущие элементы устройства, служащие акустическими изоляторами,
электронные схемы для излучения импульсов разряда, размещенные в нижнем центрирующем элементе,
электронные схемы для приема и преобразования сигналов, поступающих с антенны приемников давления, размещенные в верхнем центрирующем элементе,
устройство характеризуется тем, что
монопольный излучатель давления имеет лучевую диаграмму направленности акустического давления и выполнен в виде стержневого пьезокерамического излучателя давления, а приемники антенны для компенсации изгибных колебаний скважины имеют круговую диаграмму чувствительности,
при этом устройство содержит акустические развязки, выполненные из проволочного проницаемого материала и расположенные по обоим концам стержневого пьезокерамического излучателя давления и по обоим концам антенны приемников давления.
Поставленная задача решена также путем создания способа лучевого волнового акустического каротажа скважин, заключающегося в том, что
излучают акустический импульс давления в породу, окружающую стенки скважины, через слой буровой жидкости, и
принимают прошедшие через породу сигналы давления,
способ характеризуется тем, что
излучение осуществляют по одному лучу с использованием стержневого пьезокерамического излучателя давления, который проходит по соответствующему участку цилиндрической поверхности вдоль стенки скважины,
прием акустических сигналов осуществляют приемником давления с круговой диаграммой чувствительности, и
регистрируют принятую волновую картинку акустических сигналов, содержащую продольные волны (P), поперечные волны (S) и волны Лэмба-Стоунли (L-St),
осуществляют анализ зарегистрированной по лучу волновой картинки, по которой судят о возможных нарушениях в стенке скважины и изменений в породе, составляющей стенки скважины:
- если в волновом пакете присутствуют три типа неискаженных волн, т.е. продольные волны, поперечные волны и волны Лэмба-Стоунли классического вида, то считают, что исследуемый ствол скважины не имеет измененной зоны и механических разрушений;
- если в волновом пакете присутствуют расщепленные продольные и поперечные волны на два цуга и эти цуги имеют одинаковое интервальное время, то считают, что исследуемый ствол скважины имеет механические разрушения в виде желоба в отсутствии измененной зоны, а величина расщепления характеризует глубину желоба;
- если в волновом пакете присутствуют расщепленные продольные и поперечные волны на два цуга и эти цуги имеют разные интервальные времена, причем второй цуг имеет меньшее интервальное время, то считают, что исследуемый ствол скважины имеет или механические нарушения в виде трещин, или измененные зоны, глубину которых оценивают по времени расщепления волн.
В предложенном устройстве для каротажа исключается необходимость тщательной центровки скважинного прибора. Пробегающий по одной стороне измерительный луч будет отражать свойства породы именно в этом луче, а не интегрировать на монопольном приемнике все лучи с разных сторон, отражающие сильно различающиеся свойства породы.
В приборе рекомендуется установить интегральный акселерометр, показывающий направление падения акустического измерительного луча в наклонных и горизонтальных стволах скважин относительно гравитационного направления.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1а, 1b, 1с изображают традиционную теоретическую модель измерения с монопольным акустическим излучателем и приемниками и диаграммы направленности преобразователей;
Фиг. 2а, 2b, 2с, 2d изображают модель измерения с монопольным акустическим излучателем давления с лучевой диаграммой направленности и приемниками с круговой диаграммой;
Фиг.3 изображает классическую форму волнового пакета при волновом акустическом каротаже, содержащего продольные волны, поперечные волны и волны Лэмба-Стоунли;
Фиг.4 изображает стержневой пьезокерамический акустический излучатель давления с односторонней лучевой диаграммой направленности (продольный разрез), в излучающем элементе и в отражающем элементе которого выполнены каналы для размещения транзитных проводов;
Фиг.5 изображает стержневой пьезокерамический акустический излучатель давления с односторонней лучевой диаграммой направленности (продольный разрез) в сборке с акустическими развязками, выполненные из проволочного проницаемого материала и расположенные по обоим концам стержневого пьезокерамического излучателя;
Фиг.6 изображает измерительную схему каротажного устройства, модель с лучевой диаграммой излучения и приемом с круговой диаграммой чувствительности, антенна содержит восемь монопольных приемников давления с круговой диаграммой чувствительности;
Фиг.7 изображает волновые диаграммы давления акустического излучателя снятые в бассейне с водой в режиме высокочастотного излучения - 18 кГц, используемого в устройстве;
Фиг.8 изображает волновые диаграммы давления акустического излучателя, снятые в бассейне с водой в режиме низкочастотного излучения - 9 кГц, используемого в устройстве;
Фиг.9 изображает пример волновых картинок в интервале ствола без измененной зоны;
Фиг.10 изображает пример разбегания волн по разным цугам от попадания на желоб;
Фиг.11 изображает однопериодный мощный и широкополосный импульс давления с частотой 18 кГц;
Фиг.12 изображает двухпериодный мощный и широкополосный импульс (Фиг.12) давления с частотой 9 кГц;
Фиг.13 изображает стержневой пьезокерамический акустический излучатель давления с гасителями колебаний в виде проволочных проницаемых элементов, установленных на обоих концах излучателя;
Фиг.14 изображает устройство для лучевого волнового акустического каротажа скважин, согласно изобретению;
Фиг.15 изображает волновой пакет, в котором присутствуют три типа неискаженных волн, т.е. продольные волны, поперечные волны и волны Лэмба-Стоунли классического вида;
Фиг.16 изображает волновой пакет, в котором присутствуют расщепленные на два цуга продольные и поперечные волны и эти цуги имеют одинаковое интервальное время;
Фиг.17 изображает волновой пакет, в котором присутствуют расщепленные на два цуга продольные и поперечные волны и эти цуги имеют разные интервальные времена, причем второй цуг имеет меньшее интервальное время;
Фиг.18 изображает фрагмент ФКД (фазокорелляционной диаграммы) записанной опытным образцом устройства, согласно изобретению, в одной из скважин с открытым стволом с диаметром 216 мм в Западной Сибири, где хорошо прослеживаются продольные (P), поперечные (S) и Лэмба-Стоунли (L-St) волны в автоматическом режиме.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Стержневой пьезокерамический акустический излучатель 7 (Фиг.4) давления с односторонней лучевой диаграммой (Фиг.2b) направленности содержит корпус 8 из стали в виде трубки, активирующий элемент 9, состоящий из множества пьезокерамических шайб 10, размещенных на армирующей стяжке 11, которая размещена в корпусе 8. Излучающий элемент 12 в форме усеченного цилиндра выполнен из алюминиевого сплава (дюрали) и контактирует одним торцом 13 с активирующим элементом 9. Демпфер 14 размещен на конце армирующей стяжки 11 и жестко связан с корпусом 8 и с одним торцом 15 активирующего элемента 9 посредством концевой гайки 16.
Согласно изобретению, пьезокерамические шайбы 10 активирующего элемента 9 размещены на изолирующем слое 17, нанесенном на армирующую стяжку 11, и объединены, по меньшей мере, в три секции 18а, 18b, 18с, имеющие равное количество пьезокерамических шайб 10. Указанные секции 18а, 18b, 18с пьезокерамических шайб 10 предназначены для последовательного разряда высоковольтных импульсов запуска, начиная с секции 18а, контактирующей с демпфером 14, с задержками, равными времени пробега акустической волны по одной секции активирующего элемента 9.
Другой торец 19 излучающего элемента 12, имеющего форму усеченного цилиндра, выполнен наклонным к оси 0-0 корпуса под углом в пределах от 90 до 15° к оси корпуса.
Пьезокерамический акустический излучатель 7 давления содержит отражающий элемент 20, выполненный из стали, также имеющий форму усеченного цилиндра, размещенный в корпусе 8, один торец 21 отражающего элемента 20, обращенный к активирующему элементу 12, выполнен наклонным к оси 0-0 цилиндра под углом в пределах от 15 до 75°.
Армирующая стяжка 11 выполнена в виде трубки из дюрали (ρ × с = 17) для размещения транзитных проводов (не показаны), проходящих через излучатель 7, где ρ - плотность дюрали, с - скорость ультразвуковых колебаний в дюрали.
В одном варианте воплощения изобретения корпус 8 выполнен сплошным и заполнен компенсирующей давление изоляционной кремнийорганической жидкостью (не показана).
В другом варианте воплощения корпус 8 (Фиг.5) выполнен в виде перфорированной трубки и снабжен защитным резиновым или пластиковым кожухом (на Фиг.5 не показан), и также заполнен компенсирующей давление изоляционной кремнийорганической жидкостью ПФМС-4. Резиновый кожух выполнен из термостабильной и пассивной к воздействию кислот и газов резины или пластика, которые сохраняют свои свойства до 150°С. В качестве материала пластика может быть выбран стеклотекстолит, полисульфон (PSU), полиэфирэфиркетон (PEEK) или другой, подходящий по акустическим и физическим свойствам материал. Перфорация выполнена, в основном, со стороны отражающих поверхностей 19 и 21 (Фиг.6) излучающего 12 и отражающего 21 элементов, соответственно.
В предложенном стержневом пьезокерамическом акустическом излучателе количество секций 18а, 18b, 18с равно нечетному числу, равному или более трех. Пьезокерамические шайбы 10 выполнены из одинакового/различного пьезокерамического материала, например, из керамики ЦТС-19 (PZT 4,5) и соединены друг с другом так, чтобы поверхности с зарядом одинаковой полярности примыкали друг к другу (Фиг.7) . Кроме того, в каждой пьезокерамической шайбе выполнена проточка 22 (Фиг.8) для подпайки контактных площадок 23 и 24 разных полярностей к пьезокерамической шайбе 10.
Торец 19 излучающего элемента 12 в форме усеченного цилиндра выполнен наклонным к оси цилиндра и имеет ровную или параболическую поверхность, которая является рабочей излучающей поверхностью. Демпфер 14 выполнен из сплава вольфрама с высоким значением ρ × с = 100.
Пьезокерамические шайбы 10 активирующего элемента 9 склеены между собой, а также с демпфером 14 и с излучающим элементом 12 посредством эпоксидной смолы и поджаты на армирующей стяжке 11 с усилием 20-40 МПа, в зависимости от прочности материала керамических шайб 10 посредством гайки 16 (Фиг.4).
В излучающем элементе 12 и в отражающем элементе 20 могут быть выполнены каналы 25 и 26 для размещения транзитных проводов (не показаны).
На Фиг.9 показан частный вариант выполнения излучающего элемента 12 (разрез вдоль оси 0-0), и указаны частный вариант величины угла наклона рабочей излучающей поверхности. На Фиг.10 показан вид по стрелке А на Фиг.9 варианта выполнения излучающего элемента 12.
Пьезокерамический акустический излучатель давления 7 работает следующим образом.
В описываемом варианте воплощения электрически активирующий элемент 9 излучателя представляет собой набор из 36 пьезокерамических шайб 10 размером 40×20×5 мм из пористого материала ЦТС-19П (цирконат титанат свинца) общей длиной 180 мм, сгруппированных в три равные секции 18а, 18b, 18с по 12 шайб или по 60 мм по длине. Шайбы в секциях электрически соединены параллельно. Электрическая емкость каждой из трех секций длиной 60 мм активирующего элемента не превышает 20 нф.
На эти секции 18а, 18b, 18с последовательно с задержкой по времени подаются разрядные импульсы возбуждения длительностью 28 мксек либо 56 мксек и амплитудой около 500 в/мм толщины керамической шайбы, т.е. около 2500 В. Задержка в подаче импульсов разряда на части, начиная с дальнего от рабочей излучающей поверхности 19 (или ближнего к демпферу 14), должна быть равна времени пробега волны давления по секции 18а, 18b, 18с. Для пористого материала шайб ЦТС-19П это время составляет 28 мксек, для обычного плотного материала ЦТС-19 около 20 мксек. При таком разряде активирующего элемента 9 организуется принцип "бегущая волна".
На рабочей поверхности излучающего элемента 12 формируется однопериодный мощный и широкополосный импульс (Фиг.11) давления с частотой 18 кГц. Если длительность разрядного импульса составляет 56 мксек, то за это время пройдет не один, а два полупериода одинаковой полярности, и тогда на рабочей поверхности активирующего элемента 12 будет сформирован двухпериодный мощный и широкополосный импульс (Фиг.12) давления с частотой 9 кГц, причем первый отрицательный полупериод будет с частотой 18 кГц, а два следующих, положительный и снова отрицательный с частотой 9 кГц.
Предполагается, что широкополосный импульс (Фиг.11) давления с частотой 18 кГц необходим для исследований в стволах небольшого диаметра (100-200 мм) и в карбонатных высокоскоростных разрезах, а двухпериодный мощный и широкополосный импульс (Фиг.12) давления с частотой 9 кГц необходим для исследований в стволах большого диаметра (200-400 мм) и в песчаных и глинистых низкоскоростных разрезах.
При изготовлении активирующего элемента 9 из 36 шайб обязательным условием является создание статического давления на шайбы от 200 до 400 МПа, которое создается гайкой 16 при склейке шайб 10. Однако пористая керамика (ЦТС-19П) имеет меньшие прочностные характеристики, чем простая керамика ЦТС-19, поэтому при затяжке гайки давление составляет 200-250 МПа не более.
При сборке пьезокерамических шайб 10 на армирующей стяжке 11 (Фиг.4) из алюминиевого сплава (дюрали) ее внешнюю поверхность диаметром 19 мм покрывают изоляционным материалом 27 до диаметра 19,5-19,7 мм. Это может быть либо термоусадочный кембрик или клейкая полиамидная пленка. Покрытие необходимо, чтобы исключить электрический пробой высокого напряжения с металлизации пьезокерамических шайб 10 на армирующую стяжку.
Параметры рабочей излучающей поверхности алюминиевого излучающего элемента 12 хорошо согласованы по акустическим параметрам с пористой керамикой, поэтому формируется мощное поле давления, сосредотачивая всю энергию излучающего элемента 12 с заданной диаграммой направленности в углах падения на стенку скважины от 90 до 15°, причем чем больше угол, тем больше энергии падает на стенку скважины.
Диаграмма направленности (Фиг.2b) по окружности зависит от рабочей частоты. По уровню 0,707 (3 ДБ) для 18 кГц она составляет около 50-60°, а для 9 кГц не превышает 80-90°.
Если корпус 8 сплошной, то жидкостью заполняется только внутренняя полость 28 (Фиг.4) излучателя 7, где находятся высоковольтные провода (не показаны), контактирующие с пьезокерамическими элементами 10. Но в этом случае конструкция усложняется, так как необходима герметизация электровводов, на которые подается до 2500 В и необходимо реализовывать систему гидрокомпенсации изоляционной жидкости ПФМС-4, находящейся внутри излучателя 7.
Защитный корпус 8 одновременно является несущим элементом отражающего элемента 20. Отражающий элемент 20 одновременно является и крепежным элементом для крепления излучателя 7 внутри устройства. Между излучающим элементом 12 и отражающим элементом 20 имеется зазор около 1 мм и механический удар при электрическим разряде происходит по касательной к защитному корпусу, что не создает ненужных вредных колебаний.
Гайка 16 фиксируется контргайкой 29 (Фиг.6), навинченной на конец армирующей стяжки 11 и является крепежным элементом для другой стороны излучателя 7 в устройстве.
На концах излучателя 7 (Фиг.13) крепятся гасители 29 колебаний в виде проволочных проницаемых элементов для защиты от прохождения волн-помех на конструктивные элементы устройства. Там могут располагаться акустические гасители других типов, но необходима акустическая развязка излучателя от несущих конструктивных элементов устройства.
Устройство 30 (Фиг.14) для лучевого волнового акустического каротажа скважин содержит по меньшей мере два центрирующих элемента 31, в описываемом варианте показано три центрирующих элемента 31, монопольный стержневой пьезокерамический акустический излучатель 7 давления, антенну 32 приемников давления известного типа, содержащую от двух до восьми приемников давления, размещенных на длине зонда от монопольного излучателя 7 давления, и несущие элементы 33 в виде перфорированных трубок, одновременно служащие акустическими изоляторами.
Устройство 30 для лучевого волнового акустического каротажа скважин содержит также электронные схемы 34 для излучения импульсов разряда, размещенные в нижнем центрирующем элементе 31, и электронные схемы 35 для приема и преобразования сигналов в верхнем центрирующем элементе, поступающих с антенны приемников давления.
В указанном устройстве 30 для лучевого волнового акустического каротажа скважин монопольный стержневой пьезокерамический акустический излучатель давления имеет лучевую диаграмму (Фиг.2b) направленности акустического давления и выполнен в виде стержневого пьезокерамического излучателя 7 давления, описанного выше типа, а приемники 32 антенны для компенсации изгибных колебаний скважины имеют круговую диаграмму чувствительности (Фиг.2с).
При этом указанное устройство 30 содержит акустические развязки, выполненные из проволочного проницаемого материала и расположенные по обоим концам стержневого пьезокерамического излучателя давления и по обоим концам антенны приемников давления, аналогичные акустическим развязкам 29.
Способ лучевого волнового акустического каротажа скважин осуществляется следующим образом.
Излучают акустический импульс давления в породу, окружающую стенки скважины, через слой буровой жидкости и принимают прошедшие через породу сигналы давления.
Излучение осуществляют по одному лучу с использованием стержневого пьезокерамического излучателя 7 давления, который проходит по соответствующему участку цилиндрической поверхности вдоль стенки скважины.
Прием акустических сигналов осуществляют приемниками давления с круговой диаграммой чувствительности, при этом изгибные колебания, возникающие в скважине при одностороннем излучении излучателя компенсируются на приемниках с круговой диаграммой направленности.
Регистрируют волновой пакет принятых акустических сигналов длительностью 5-10 мсек, в зависимости от длины применяемого зонда (как правило 3-4 м), где присутствуют продольные волны, поперечные волны и волны Лэмба-Стоунли (Фиг.3).
Осуществляют анализ зарегистрированной по лучу волновой картинки, по которой судят о возможных нарушениях в стенке скважины и изменений в породе, составляющей стенки скважины.
Если в волновом пакете присутствуют три типа неискаженных волн, т.е. продольные волны, поперечные волны и волны Лэмба-Стоунли классического вида, то считают, что исследуемый ствол скважины не имеет измененной зоны и механических разрушений (Фиг.15).
Если в волновом пакете присутствуют расщепленные на два цуга продольные и поперечные волны и эти цуги имеют одинаковое интервальное время, то считают, что исследуемый ствол скважины имеет механические разрушения в виде желоба в отсутствии измененной зоны, а величина расщепления характеризует глубину желоба (Фиг.16).
Если в волновом пакете присутствуют расщепленные на два цуга продольные и поперечные волны и эти цуги имеют разные интервальные времена, причем второй цуг имеет меньшее интервальное время, то считают, что исследуемый ствол скважины имеет или механические разрушения, или измененные зоны, глубину которых оценивают по времени расщепления (Фиг.17).
Если во время работы устройство сместится от оси скважины, это почти никак не скажется на амплитудных параметрах продольных волн и форму ее первого вступления, поскольку предлагаемое устройство к этим явлениям практически нечувствительно.
Предлагаемый способ просто будет измерять свойства пород c одной стороны скважины, а измерение классическим способом в таких условиях вообще не предусмотрено.
Предлагаемый способ не только позволяет определить интервалы измененных зон и их размеры, но и измерить интервальные времена в неизмененной зоне и в измененной зоне, а также оценить ее глубину, что очень важно.
Второй цуг продольной волны на Фиг.11, пробегающий по неизмененной породе, имеет более высокую скорость, чем первый, пришедший раньше, так как длина его пробега меньше, но по измененной зоне, которая из-за появления дополнительных трещин при механических ударах бурового инструмента имеет меньшую скорость акустических волн, чем в неизмененной породе расположенной глубже от стенки скважины.
Следует особо подчеркнуть тот факт, что глубина чувствительности продольной волны при длинах зондов от 3 до 4 м и частотах 10-15 кГц почти в два раза выше, чем при измерениях измененных зон с применением изгибных волн на частотах 1-5 кГц для изгибного излучателя смещения.
Метод лучевого волнового акустического каротажа несет в себе большой объем измерительной неиспользуемой в настоящее время информации.
Предлагаемое устройство предназначено для работы с возможностью прохождения к интервалам исследования через бурильные трубы с внутренним диаметром 89 мм.
Вся колебательная энергия сосредоточена в одном направлении и в необходимых углах падения на стенку скважины (от 15 до 75°), поднято акустическое давление на частоте 9 кГц до 5 КПа/м, а на частоте 18 кГц до 12 КПа/м, что при небольшой излучающей поверхности излучателя достаточно для низкоскоростных пород Западной Сибири.
Для снижения волновых помех по конструктивным элементам скважинного прибора применены новые материалы на основе проволочных проницаемых материалов (ППМ), которые показали очень хорошие поглощающие свойства доже на очень низких частотах.
Пример записи в условиях отсутствия измененной зоны вокруг ствола скважины показан на Фиг.11.
Пример записи с попаданием измерительного луча на угол желоба, где продольная волна расщепилась на два цуга с одинаковыми интервальными скоростями 281 мксек/м, приведен на Фиг.12. Делается вывод, что это желоб, а не измененная зона, и даже можно посчитать его глубину по величине разбегания цугов.
Пример разбегания на цуги первого вступления продольной волны на антенне приемников при наличии измененной зоны вокруг ствола скважины в пласте-коллекторе приведен на Фиг.10. Интервальные времена этих цугов разные, первый имеет 338 мксек/м, а второй 310 мксек/м, т.е. его скорость выше и соответствует этим же величинам интервальных времен, полученных в этом же пласте-коллекторе, но в других скважинах этого нефтяного месторождения.
На теоретической основе этого изобретения изготовлен опытный образец скважинного устройства с внешним диаметром 76 мм. В начале 2011 г. он начал проходить скважинные испытания в модельных и производственных условиях на месторождениях Западной Сибири. Записано несколько производственных скважин при работах в открытом стволе и при исследованиях через обсадную колонну. Обработка полученных материалов показывает наличие хорошего качества получаемых данных. Фрагмент записи в виде фазо-корелляционной диаграммы, полученной в скважине с диаметром 216 мм в интервале открытого ствола, приведен на Фиг.18. Хорошо возбуждаются все три типа информативных волн - продольные, поперечные и Лэмба-Стоунли. Прослеживание первых фаз волн осуществляется обрабатывающими программами в автоматическом режиме. Расчет пористости коллектора показал хорошее совпадение с данными других методов измерений в этом интервале.