СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА
ACOUSTIC LOGGING METHOD

Изобретение относится к геофизическим способам исследования околоскважинного пространства массива горных пород, преимущественно к акустическим способам выявления пересекаемых скважиной трещиноватых зон в породах кровли горных выработок.
Известен способ акустического каротажа, заключающийся в размещении в скважине трубки из хрупкого материала, жестко связанной со стенками скважины с помощью цементного раствора, непрерывном перемещении внутри трубки скважинного зонда, излучении и приеме с его помощью импульсных упругих колебаний, по изменению характеристик которых вдоль длины трубки судят о наличии и местоположении расслоений в прискважинной области массива [1] (Авторское свидетельство СССР №996972, кл. G01V 1/40, опубл. в БИ №6, 15.02.1983).
Недостатком известного способа является его низкая чувствительность по отношению к выявляемым расслоениям, раскрытие которых не меняется или мало меняется во времени. Это связано с тем, что такие расслоения не приводят к возникновению трещин в хрупком материале помещаемой в скважину трубки и, как следствие, значимым изменениям акустических характеристик принятого акустического сигнала, который распространяется преимущественно по стенкам трубки.
Известен способ акустического каротажа, заключающийся в возбуждении в скважине акустического сигнала и приеме его после прохождения исследуемого участка околоскважинного массива в двух точках, расположенных симметрично выше и ниже точки излучения, измерении и совместной обработке параметров принятых сигналов [2] (Авторское свидетельство СССР №437036, кл. G01V 1/40, опубл. в БИ №27, 25.07.1974).
В указанном способе осуществляют регистрацию двумя приемными преобразователями сигналов, отраженных от неоднородностей массива, вычитание этих сигналов и регистрацию разностного сигнала в виде зависимости времени прихода от глубины скважины.
Недостатком известного способа является невозможность с его помощью выявлять наличие и местоположение зон трещиноватости массива, пересекаемого скважиной, и степь трещиноватости горных пород в этих зонах.
Техническим результатом предлагаемого способа явится обеспечение возможности выявления наличия и местоположения зон трещиноватости массива, пересекаемого скважиной и степени трещиноватости горных пород в этих зонах.
Для достижения указанного технического результата в способе акустического каротажа, заключающемся в возбуждении в скважине акустического сигнала и приеме его после прохождения исследуемого участка околоскважинного массива в двух точках, расположенных симметрично выше и ниже точки излучения, измерении и совместной обработке параметров принятых сигналов, возбуждают сигнал в виде стационарного случайного шума со средним равным нулю, осуществляют его прием в точках, лежащих от точки излучения на расстоянии, не превышающем 0,3 радиуса корреляции излученного сигнала в ненарушенной горной породе, измеряют коэффициент взаимной корреляции сигналов в точках приема и интервалы автокорреляции этих сигналов, при этом по коэффициенту взаимной корреляции судят о наличии и степени трещиноватости околоскважинного массива между точками приема, а по отношению измеренных интервалов автокорреляции судят о расположении трещиноватой зоны относительно точки излучения.
При использовании шумового акустического сигнала необходимо учитывать следующие его особенности: случайная природа подобного сигнала позволяет в значительной степени избежать резонансных и интерференционных искажений, присущих периодическим сигналам; среднее значение шумового сигнала, равное нулю, обеспечивает величину коэффициента корреляции R=0 при некоррелированности исследуемых сигналов; стационарность процесса позволяет отказаться от жестких требований к времени интегрирования в корреляторе приемного устройства.
Предлагаемый способ базируется на установленных экспериментально и на основе компьютерного моделирования закономерностях изменения корреляционных характеристик шумового стационарного акустического сигнала со средним равным нулю при его распространении между точкой излучения и двумя симметричными точками приема в геосреде, содержащей и не содержащей зоны повышенной трещиноватости. Суть этих закономерностей заключается в следующем.
Во-первых, при распространении указанных сигналов в каждом конкретном типе горной породы, не содержащей зон повышенной трещиноватости, существует свой характерный радиус корреляции r. Это расстояние l, в пределах которого зарегистрированные акустические сигналы от одного источника коррелированы между собой (т.е. их коэффициент взаимной корреляции R>0,1), а при l>r эти сигналы независимы друг от друга и для них R<0,1. Учитывая природную неоднородность свойств однотипных горных пород даже при отсутствии в них зон повышенной трещиноватости, два сигнала могут быть независимы друг от друга уже на расстоянии 0,6 r. Таким образом, взаимные корреляционные измерения сигналов в двух точках приема, симметричных относительно точки излучения, имеют смысл только при условии, что они лежат от точки излучения на расстоянии l≤0,3 r.
Во-вторых, наличие зоны и степень трещиноватости горных пород между точками приема влияют на коэффициент R взаимной корреляции между зарегистрированными в этих точках сигналами. Если при отсутствии трещиноватости R→1, то с ее увеличением трещиноватость уменьшает взаимосвязь сигналов, зарегистрированных в точках приема. Физически это влияние вполне понятно, если учесть, что трещиноватость приводит как к уменьшению величины r, так и к различному изменению амплитудных, частотных и фазовых характеристик сигналов, регистрируемых в двух точках приема.
В-третьих, интервалы автокорреляции сигналов в точках приема тем меньше, чем больше нарушен трещиноватостью участок массива между точкой излучения и соответствующей точкой приема, а значит соотношение между указанными интервалами несет информацию о том, к какой из точек приема находится ближе трещиноватая зона.
1
2
3
4
1
2
3
4
Способ акустического каротажа иллюстрируется фиг. 1 - фиг. 6, где: на фиг. 1 представлена схема расположения ультразвукового зонда на глубине скважины H однородного массива, не содержащего зоны трещиноватости, пересекаемой скважиной; на фиг. 2 - схема расположения ультразвукового зонда на глубине Н массива, содержащего трещиноватую зону между точкой излучения и верхней точкой приема шумового акустического сигнала; на фиг. 3 - схема расположения ультразвукового зонда на глубине Н массива, содержащего трещиноватую зону, расположенную на одинаковом расстоянии от точек приема шумового акустического сигнала; на фиг. 4 - схема расположения ультразвукового зонда на глубине Н массива, содержащего трещиноватую зону, расположенную между точкой излучения и нижней точкой приема шумового акустического сигнала; на фиг. 5 - результаты измерения коэффициента R взаимной корреляции шумовых акустических сигналов в точках приема, а на фиг. 6 - отношения интервалов автокорреляции этих сигналов при расположении ультразвукового зонда на глубинах Н, Н, Н и Н соответственно.
Схемы, представленные на фиг. 1-4, включают скважину 1, в которой размещен ультразвуковой зонд 2, который дискретно перемещают в глубину скважины 1. Ультразвуковой зонд 2 содержит излучающий акустический преобразователь 3, верхний приемный акустический преобразователь 4, а также нижний приемный акустический преобразователь 5. Излучающий акустический преобразователь 3 подключен к выходу генератора 6 шумового стационарного сигнала со средним равным нулю. Верхний приемный акустический преобразователь 4 и нижний приемный акустический преобразователь 5 подключены ко входам корреляционного анализатора 7. Излучающий акустический преобразователь 3 контактирует со стенкой скважины 1 в точке 8 излучения, верхний приемный акустический преобразователь 4 - в точке 9 приема и нижний приемный акустический преобразователь 5 - в точке 10 приема. Точки 9, 10 приема симметричны относительно точки 8 излучения и находятся от нее на расстоянии, не превышающем 0,3 радиуса r корреляции излученного шумового акустического сигнала.
1
2
3
4
Результаты измерения коэффициентов R взаимной корреляции, принимаемых шумовых акустических сигналов на фиг. 5, представлены: значением 12 этого коэффициента, полученного на глубине H расположения ультразвукового зонда 2 в скважине 1; значением 13, полученным на глубине Н расположения зонда 2 в скважине 1; значением 14, полученным на глубине Н расположения зонда 2 в скважине 1; значением 15, полученным на глубине Н расположения зонда 2 в скважине 1.
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
1
2
3
4
Результаты измерения относительно интервала
автокорреляции сигнала, принятого в верхней точке 9 приема, и интервала
автокорреляции сигнала, принятого в нижней точке 10 приема, представлены на фиг. 6 значениями этого отношения: 16, которое соответствует глубине H расположения ультразвукового зонда 2 в скважине 1; 17, которое соответствует глубине Н расположения ультразвукового зонда 2 в скважине 1; 18, которое соответствует глубине Н расположения ультразвукового зонда 2 в скважине 1; 19, которое соответствует глубине Н расположения ультразвукового зонда 2 в скважине 1.
Способ акустического каротажа скважин осуществляют следующим образом.
В кровле горной выработки бурят измерительную скважину 1, в которую помещают ультразвуковой зонд 2, содержащий излучающий акустический преобразователь 3 и симметричные ему верхний приемный акустический преобразователь 4 и нижний приемный акустический преобразователь 5. Расстояние l между излучающим акустическим преобразователем 3 и каждым из приемных акустических преобразователей 4 и 5 изменяют так, чтобы выполнялось условие l≤0,3 r, где r - радиус корреляции излучаемого акустического сигнала в ненарушенной горной породе. Значение г получают на основе предварительных измерений на образцах соответствующих горных пород, не содержащих нарушений в виде трещин.
Излучающий акустический преобразователь 3 подключают к выходу генератора 6 стационарного электрического шумового сигнала со средним равным нуля, а приемные акустические преобразователи - к соответствующим входам корреляционного анализатора 7.
Ультразвуковой зонд 2 дискретно перемещают вглубь скважины 1 с шагом ΔН и на каждом шаге обеспечивают надежные контактные условия излучающего акустического преобразователя 3 в точке 8 излучения, верхнего приемного акустического преобразователя 4 - в точке 9 приема и нижнего приемного акустического преобразователя 5 - в точке 10 приема.
i
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
На каждой дискретной глубине H измерительной скважины 1, на которой акустические преобразователи 3, 4, 5 контактируют с ее стенкой, измеряют с помощью корреляционного анализатора 7 коэффициент R взаимной корреляции шумовых акустических сигналов в точках 9, 10 приема и интервалы автокорреляции
и
указанных сигналов в этих точках. Затем определяют отношение
/
интервалов корреляции шумовых акустических сигналов, измеренных в верхней точке 9 приема и в нижней точке 10 приема.
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
В случае, если на базе 2l между верхней точкой 9 приема и нижней точкой 10 приема массив горных пород не содержит трещиноватой зоны 11, пересекающей измерительную скважину 1 (см. фиг. 1), изменения характеристик сигналов в точках 9 и 10 приема будут примерно одинаковы и незначительны. Как следствие, коэффициент взаимной корреляции R этих сигналов будет стремиться к 1 (R→1), что отражено значением 12 на фиг. 5. По тем же причинам в точках 9,10 приема будут близки также интервалы
и
автокорреляции принятых акустических сигналов, а значит отношение интервалов автокорреляции этих сигналов (
/
) имеет значение 16 на фиг. 6, т.е. стремится к 1.
2
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
При наличии трещиноватой зоны 11 между верхней точкой 9 приема и точкой 8 излучения (см. фиг. 2) декорреляция акустического сигнала в точке 9 приема будет существенно больше, чем акустического сигнала, регистрируемого в точке 10 приема. В результате измеренные на глубине Н значение 13 величины R<<1 и значение 18 отношения (
/
)<<1. Причем и R и
/
будут тем меньше, чем больше трещиноватость в зоне 11.
3
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
При наличии и симметричном расположении трещиноватой зоны 11 относительно точек 9 и 10 приема (см. фиг 3) изменения характеристик шумовых акустических сигналов, регистрируемых в этих точках, будут примерно одинаковы и, как следствие, измеренные на глубине Н значение 14 величины R и значение 18 отношения
/
будут близки к 1 (см. фиг. 5 и фиг. 6). Однако, поскольку абсолютная симметрия трещиноватой зоны 11 относительно точек 9 и 10 приема на практике маловероятна, значения 14 величины R и 18 отношения (
/
) будут все же несколько меньше, чем в случае полного отсутствия трещиноватой зоны (см. фиг. 1).
4
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
Для случая, представленного на фиг. 4, когда трещиноватая зона 11 находится между излучающим акустическим преобразователем 8 и нижним приемным акустическим преобразователем 10, декорреляция акустического сигнала в точке 10 приема будет существенно больше, чем в точке 9 приема. В результате, измеренные на глубине H значение 15 величины R<<1, а значение 19 отношения (
/
)>1.
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
Описанный способ испытывался в лабораторных условиях. В кубическом блоке известняка со стороной 400 мм пробуривалось сквозное отверстие диаметром 42 мм. С помощью аппаратуры телевизионного каротажа производилось обследование стенок пробуренной скважины, которое показало, что на глубине 230 мм существует зона повышенной трещиноватости, пересекающая исследуемую скважину. Далее в скважину помещался каротажный зонд, состоящий из одного излучающего акустического преобразователя и двух размещенных на равном расстоянии по разные стороны от него приемных акустических преобразователей. Резонансная частота всех преобразователей составляла 150 кГц, добротность - 10. На вход излучающего преобразователя с шумового генератора ГШ-1 подавался электрический шумовой сигнал в полосе частот 10-500 кГц со средним равным нулю. Электрические сигналы с приемных акустических преобразователей поступали на двухканальный АЦП с частотой дискретизации 1 МГц, подключенный к персональному компьютеру, на котором программным путем вычислялись коэффициенты корреляции R и отношение интервалов автокорреляции
/
. Для вычисления радиуса корреляции r в блоке известняка производилось пошаговое увеличение расстояния l между излучающим и приемными акустическими преобразователями. Экспериментально установлено, что при достижении значением l величины в 180 мм коэффициент корреляции R падает ниже значения 0,1. Таким образом, для дальнейших исследований расстояние l было принято равным 50 мм.
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
Описанный каротажный зонд перемещался вглубь скважины так, чтобы при первом измерении трещиноватая зона оказалась вне каротажного зонда (см. фиг. 1), при втором - трещиноватая зона оказалась между верхним приемным преобразователем и излучателем (см. фиг. 2), при третьем - трещиноватая зона оказалась совмещена по координате с излучателем (см. фиг. 3), при четвертом - трещиноватая зона оказалась между излучателем и нижним приемным акустическим преобразователем (см. фиг. 4). В каждом из случаев производилось вычисление коэффициента корреляции R и отношения интервалов корреляции (
/
).
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
По результатам измерений было установлено, что для случая первого измерения R=0,86 и
/
=0,90, для второго случая R=0,23 и (
/
)=0,31, для третьего случая R=0,71 и
/
=0,84, для последнего случая R=0,21 и
/
=1,48.
Таким образом, предложенный способ обеспечивает технический результат, заключающийся в обеспечении возможности выявления наличия и местоположения зон трещиноватости массива, пересекаемого скважиной, и степени трещиноватости горных пород в этих зонах.