СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА Российский патент 1994 года по МПК G01V1/40 

Изобретение относится к геофизическим методам исследования скважин, в частности к способам акустического каротажа.

Известен способ акустического каротажа скважин, при котором двумя излучателями, работающими поочередно со сдвигом во времени, генерируются акустические импульсы. Колебания, прошедшие через исследуемую среду, воспринимаются приемником и преобразовываются в электрический сигнал, на основании которого выделяют времена вступления акустических импульсов, вызванных генераций акустических импульсов первым и вторым излучателями [1] .

Недостатком известного способа акустического каротажа является низкая производительность каротажных работ из-за необходимости возбуждения акустических импульсов раздельно во времени. Кроме того, частота посылки зондирующих акустических импульсов в данном способе низкая, что приводит как к потере производительности, так и к снижению отношения сигнал/шум.

Наиболее близким по технической сущности является способ акустического каротажа, который состоит в том, что модуляцию зондирующих сигналов осуществляют в пределах не менее трех периодов модулирующей М-последовательностью с последующим дополнительным возбуждением в исследуемой среде последовательности акустических импульсов с нулевой начальной фазой через временной интервал, не меньший периода М-последовательности, при этом длительность возбуждаемой последовательности равна не менее чем двум периодам модулирующей последовательности, амплитуда акустических импульсов равна амплитуде зондирующих сигналов и частота следования акустических импульсов равна частоте следования импульсов в М-последовательности, а принятые дополнительно возбуждаемые сигналы преобразовывают в цифровой код и суммируют с результатом корреляционной обработки сигналов предшествующих посылок [2] .

Недостатком известного способа акустического каротажа является неполное использование энергии излученных сигналов при их выделении, что приводит к снижению отношения сигнал/случайный шум и уменьшению скорости проведения каротажных работ.

Целью изобретения является повышение отношения сигнал/шум. Данная цель позволяет повысить качество и скорость каротажных работ с многоизлучательными скважинными приборами.

Цель достигается тем, что в способе акустического каротажа, основанном на непрерывном перемещении скважинного прибора, периодической посылке в исследуемую среду зондирующих сигналов в виде акустических импульсов, модулированных псевдослучайной периодической последовательностью, и корреляционной обработке принятых сигналов, формируют циклически сдвинутые относительно друг друга по крайней мере на величину длительности максимального исследуемого времени пробега волны в среде псевдослучайные периодические последовательности, которые состоят из единичных акустических импульсов с начальными фазами 0 и π и пропусков излучения, для обеспечения идеальности периодических автокорреляционных функций излучаемых последовательностей в их периодах устанавливают количество единичных акустических импульсов и пропусков излучения равным (q⁽²ⁿ⁺¹⁾ - 1)/(q - 1), а количество единичных акустических импульсов с начальной фазой 0 и π соответственно равными (q²ⁿ + qⁿ)/2 и (q²ⁿ - qⁿ)/2, где q = q^m; p - простое число; n и m - натуральные числа, при этом закон следования единичных акустических импульсов и пропусков излучения в периоде последовательности формируют на основе генерирования рекуррентной псевдослучайной последовательности чисел, преобразования чисел, которые являются квадратичными вычетами, в единичные акустические импульсы с начальной фазой 0, чисел, которые являются квадратичными невычетами, в единичные акустические импульсы с начальной фазой π , а чисел нуль - в пропуски излучения, причем длительность пропуска излучения задают равной временному интервалу, на котором излучают единичный акустический импульс, устанавливают длительность периода излучаемой последовательности равной по крайней мере сумме длительностей максимального исследуемого времени пробега волн в среде для каждого излучателя, генерируют сформированные импульсные последовательности излучателями одновременно в среду, зарегистрированные приемником сигналы коррелируют с одним периодом модулирующей последовательности каждого излучателя, при этом выделенные при корреляции сигналы для каждого излучателя на М+2 временных интервалах, каждый из которых равен длине периода последовательности, где М - число периодов излучаемой последовательности, синхронно суммируют.

Кроме того, в способе акустического каротажа осуществляют посылку в исследуемую среду зондирующих сигналов в виде акустических импульсов, модулированных псевдослучайной периодической последовательностью, содержащей один или два периода.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 приведены иллюстрирующие способ временные диаграммы.

Устройство (фиг. 1) содержит тактовый генератор 1, генератор 2 псевдослучайных периодических последовательностей, первый и второй формирователи 3, 4 импульсов возбуждения излучателей, первый и второй излучатели 5, 6, приемник 7, аналого-цифровой преобразователь 8, умножитель 9, сумматор 10 и оперативное запоминающее устройство 11.

На фиг. 2 изображены сигналы 12 на выходе тактового генератора, сигналы 13 и 14 на первом и втором выходах генератора псевдослучайных периодических последовательностей, сигналы 15 и 16 на выходе первого и второго излучателей, пропуски 17 излучения, единичный дельтаобразный импульс 18, соответствующий символу +1, единичный дельтаобразный импульс 19, соответствующий символу -1, единичный акустический импульс 20 с начальной фазой 0 и единичный акустический импульс 21 с начальной фазой π .

Способ реализуется в следующей последовательности операций.

Скважинный прибор с излучателями и приемником непрерывно перемещают и периодически осуществляют посылку в исследуемую среду зондирующих сигналов в виде акустических импульсов, модулированных псевдослучайной периодической последовательностью.

Для излучения в исследуемую среду формируют циклически сдвинутые относительно друг друга по крайней мере на величину длительности максимального исследуемого времени пробега волны в среде псевдослучайные периодические последовательности, которые состоят из единичных акустических импульсов с начальными фазами 0 и π и пропусков излучения. Под циклическим сдвигом здесь понимается операция перемещения элементов последовательности вправо (влево) на заданное число позиций, при котором элемент последовательности, сдвинутый за пределы периода последовательности, возвращается в начало (в конец) периода последовательности. Например, циклически сдвинутая на четыре позиции вправо последовательность b₁b₂. . . b_n имеет вид b_n-3, b_n-2, b_n-1, b_nb₁b₂. . . b_n-4. Аналогично можно осуществить циклический сдвиг данной последовательности на четыре позиции влево: b₅b₆. . . b_nb₁b₂b₃b₄. Следовательно, зная максимальное исследуемое время пробега волны в среде и интервал следования акустических импульсов и пропусков излучения, определяют число позиций, на которое должны быть циклически сдвинуты между собой псевдослучайные периодические последовательности каждого излучателя скважинного прибора.

Для обеспечения идеальности периодических автокорреляционных функций излучаемых последовательностей в их периодах устанавливают количество единичных акустических импульсов и пропусков излучения равным (q⁽²ⁿ⁺¹⁾ - 1)/(q-1), а количество единичных акустических импульсов с начальной фазой 0 и π соответственно равными (q²ⁿ + qⁿ)/2 и (q²ⁿ - qⁿ)/2, где q = p^m; p - простое число; n и m - натуральные числа, при этом закон следования единичных акустических импульсов и пропусков излучения в периоде последовательности формируют на основе генерирования рекуррентной псевдослучайной последовательности чисел, преобразования чисел, которые являются квадратичными вычетами, в единичные акустические импульсы с начальной фазой 0, чисел, которые являются квадратичными невычетами, в единичные акустические импульсы с начальной фазой π, а чисел нуль - в пропуски излучения, причем длительность пропуска излучения задают равной временному интервалу, на котором излучают единичный акустический импульс.

Для генерирования рекуррентной псевдослучайной последовательности чисел для заданного значения параметра q в конечном поле Галуа GF(q) находят неприводимый полином вида x³ - ax² - bx - c = 0, на основании котоpого строят соответствующее ему рекуррентное уравнение S_j = aS_j-1 + b ˙S_j-2 + cS_j-3, где S_j, S_j-k - соответственно вычисляемый и предшествующие ему элементы последовательности. Для получения последовательности задают значения ее начальных условий, например S_-3 = S_-2 = S_-1= 1, и на основании рекуррентного уравнения формируют псевдослучайную последовательность чисел.

Устанавливают длительность периода излучаемой последовательности равной по крайней мере сумме длительностей максимального исследуемого времени пробега волн в среде для каждого излучателя и одновременно всеми излучателями генерируют сформированные импульсные последовательности в среду. На основании принятой длительности периода излучаемой последовательности выбирают количество единичных акустических импульсов и пропусков излучения, используя выражение (q⁽²ⁿ⁺¹⁾ - 1)/(q-1) и задавая соответствующие значения для q и n, при этом надо учесть, что увеличение значения q позволяет уменьшить число пропусков в периоде последовательности, а следовательно, возможно излучить большую энергию акустических импульсов в исследуемую среду.

Акустические сигналы, прошедшие через исследуемую среду, поступают на приемник и преобразовываются им в электрические. Зарегистрированные приемником сигналы коррелируют с одним периодом модулирующей последовательности каждого излучателя, при этом выделенные сигналы при корреляции для каждого из излучателей на (М+2) временных интервалах, каждый из которых равен длине периода последовательности, где М -- число периодов излучаемой последовательности, синхронно суммируют. Модулирующая последовательность, используемая при корреляции, формируется из псевдослучайной последовательности чисел заменой чисел, которые являются квадратичными вычетами, на положительные дельтаобразные единичные импульсы, а чисел, которые являются квадратичными невычетами, - на отрицательные дельтаобразные единичные импульсы и чисел нуль на пропуски.

Выделенные таким образом акустические сигналы каждого излучателя, несмотря на их одновременную генерацию в исследуемую среду, не содержат шумы, вызванные генерацией сигналов другими излучателями. Также в выделенных акустических сигналах отсутствуют корреляционные шумы, вызванные интерференцией собственных сигналов каждого излучателя.

В способе акустического каротажа осуществляют также посылку в исследуемую среду зондирующих сигналов в виде акустических импульсов, модулированных псевдослучайной периодической последовательностью, содержащей один или два периода. При этом устранение корреляционных шумов, осложняющих акустические сигналы, производится за счет синхронного суммирования выделенных сигналов при корреляции для каждого излучателя соответственно на трех и четырех временных интервалах, каждый из которых равен длине периода излучаемой последовательности. Это позволяет полностью использовать при выделении акустических сигналов излученную в среду энергию.

Пример осуществления способа акустического каротажа.

В рассматриваемом примере в среду генерируют двумя излучателями псевдослучайные периодические последовательности, состоящие из одного периода, содержащего 13 символов. Излучаемые псевдослучайные периодические последовательности первым и вторым излучателями 5, 6 получены путем циклического сдвига относительно друг друга на величину длительности максимального исследуемого времени пробега волны в среде.

Тактовый генератор 1 формирует непрерывную последовательность импульсов 12, частота следования которых определяет частоту посылок акустических импульсов и пропусков излучения.

Предельная частота следования зондирующих акустических импульсов, с одной стороны, ограничивается скоростью заряда накопителя энергии формирователей 3, 4 импульсов возбуждения излучателей. С другой стороны, длительность периода псевдослучайной последовательности должна быть не менее суммы длительностей максимального исследуемого времени пробега волн в среде для излучателей 5 и 6, что при установленном числе акустических импульсов и пропусков в периоде последовательности определяет максимально допустимую частоту следования зондирующих акустических импульсов. Как правило, интервал следования зондирующих акустических импульсов находится в пределах от 0,5 до 10 мс, за это время накопленная энергия в формирователях 3 и 4 полностью преобразуется излучателями 5 и 6 в упругие колебания и накопители энергии формирователей 3 и 4 успевают повторно зарядиться.

Тактовое импульсы 12 поступают на вход генератора 2 псевдослучайных периодических последовательностей, период генерируемых им последовательностей состоит из 13 дельтаобразных импульсов с начальными фазами 0 и π и пропусков. Для генерирования такого периода псевдослучайной последовательности при q = 3 выбирают в поле Галуа GF(q) неприводимый полином x³ + 2x + 2 = 0. На его основе получают рекуррентное уравнение S_j = S_j-2 + +S_j-3, Тогда при начальных условиях S_-3 = = S_-1 = 1, S_-1 = 2 будет сформирован период псевдослучайной последовательности чисел 0 0 1 0 1 1 1 2 2 0 1 2 1, а при начальных условиях S_-3 = 0, S_-2 = S_-1 = 1 будет сформирован циклически сдвинутый на шесть позиций период этой же псевдослучайной последовательности чисел 1 2 2 0 1 2 1 0 0 1 0 1 1. Поскольку при этом число 1 является квадратичным вычетом, а число 2 - квадратичным невычетом, то указанные числовые последовательности можно преобразовать в следующие последовательности символов 0 0 1 0 1 1 1 - 1 - 1 0 1 - 1 1 и 1 - 1 - 1 0 1 - 1 1 0 0 1 0 1 1. Полученные значения символов кодируются и заносятся в память генератора 2, который формирует один период последовательностей 13 и 14, состоящих из шести дельтаобразных единичных положительных импульсов 18, трех дельтаобразных единичных отрицательных импульсов 19 и четырех пропусков излучения 17. Периодические автокорреляционные функции таких последовательностей являются идеальными и равны . . . 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 . . . , а циклическая взаимная корреляционная функция равна . . . 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 . . . , что позволяет сделать вывод о парной ортогональности рассматриваемых последовательностей на временном интервале генерации шести символов с момента начала генерации последовательностей. Таким образом, интервал максимального исследуемого времени пробега волны в среде может быть не больше времени циклического сдвига последовательностей, а именно времени генерации шести символов. Отсюда следуют требования к длительности периодов последовательностей, заключающиеся в том, что длительность периода излучаемой последовательности устанавливают равной по крайней мере сумме длительностей максимального исследуемого времени пробега волн в среде для первого и второго излучателей 5, 6 скважинного прибора. В рассматриваемом примере максимальное исследуемое время пробега волн в среде для первого и второго излучателей равно продолжительности соответственно шести и семи акустических импульсов и пропусков.

Полученная циклическая автокорреляционная функция показывает, что сигналы, вызванные излучением первой и второй последовательностей, можно выделить путем корреляции принятых сигналов с одним опорным сигналом, используемым для модуляции одного из излучателей. При этом выделенные сигналы, вызванные излучением первой и второй последовательностей, будут сдвинуты на фиксированный интервал, соответствующий времени излучения шести символов последовательности. В то же время при выполнении корреляции принятых сигналов с соответствующим модулирующим сигналом каждого излучателя раздельно получим выделенные сигналы, не имеющие временного сдвига. Выбор варианта корреляционной обработки принятых сигналов определяется возможностями устройства корреляции.

Импульсные последовательности 13 и 14 с генератора 2 подаются соответственно на формирователи 3 и 4 импульсов возбуждения излучателей, где происходит формирование мощных импульсов тока соответствующей полярности, подаваемых на излучатели 5 и 6, которые генерируют в среду последовательности 15 и 16 акустических импульсов, промодулированных по фазе последовательностями 13 и 14 соответственно. В результате в генерируемых последовательностях 15 и 16 излучателями 5, 6 будет содержаться четыре пропуска 17 излучения, шесть единичных акустических импульсов 20 с начальной фазой 0, соответствующих единичным положительным дельтаобразным импульсам 18, три единичных акустических импульса 21 с начальной фазой π , соответствующих единичным отрицательным дельтаобразным импульсам 19. Устанавливают длительность каждого пропуска излучения 13 равной длительности временного интервала, на котором возбуждают акустический импульс с начальной фазой 0 или π.

Скважинный прибор с двумя излучателями непрерывно перемещают и периодически осуществляют посылку в исследуемую среду зондирующих сигналов в виде акустических импульсов, модулированных псевдослучайными периодическими последовательностями 13 и 14.

Акустические сигналы, прошедшие через исследуемую среду, поступают на приемник 7 и преобразовываются в электрические и в последующем аналого-цифровым преобразователем в цифровой код. После этого осуществляют корреляцию принятых акустических сигналов с периодом псевдослучайных периодических последовательностей 13 и 14, используемых для модуляции акустических импульсов последовательностей 15 и 16. Для этого используют умножитель 9, сумматор 10 и оперативное запоминающее устройство 11. В результате корреляции в оперативном запоминающем устройстве 11 будут записаны сигналы на трех временных интервалах, каждый из которых равен длине периода излучаемой последовательности. Сигналы на каждом таком интервале синхронно суммируют при помощи сумматора 10 и операционного запоминающего устройства 11. В результате будут выделены акустические сигналы первого и второго излучателей 5, 6, не осложненные как корреляционными шумами, так и шумами, порождаемыми наличием взаимной корреляции (неортогональностью) между генерируемыми сигналами излучателями 5 и 6.

Использование: относится к геофизическим исследованиям скважин, в частности к способам акустического каротажа. Сущность изобретения: в способе формируют циклически сдвинутые относительно друг друга более чем на величину длительности исследуемого отклика среды псевдослучайные периодические последовательности. Они содержат как минимум по одному периоду и состоят из единичных акустических импульсов с начальными фазами О и π и пропусков излучения. Число единичных акустических мипульсов и пропусков излучения в периоде последовательности устанавливают равным K=(q⁽²ⁿ⁺¹⁾-1)/(q-1) , K₊=(q²ⁿ+qⁿ)/2 , K_-=(q²ⁿ-qⁿ)/2 , где K - общее число единичных акустических импульсов с начальными фазами О и π и пропусков излучения; K₊ - число единичных акустических импульсов с начальной фазой О; K_- - число единичных акустических импульсов с начальной фазой π ; q = p^m ; p - простое число; n и m - натуральные числа. Длительности пропуска излучения и временного интервала, на котором излучают единичный акустический импульс, устанавливают равными. Закон следования единичных акустических импульсов и пропусков излучения в периоде последовательности задают таким, чтобы периодическая автокорреляционная функция была идеальной, длительность периода излучаемой последовательности задают не меньше суммарной длительности исследуемых откликов среды, сотответствующих каждому из излучателей. Сформированные для каждого излучателя импульсные последовательности излучают в среду всеми излучателями одновременно. Корреляцию принятых сигналов выполняют с одним периодом модулирующей последовательности каждого излучателя, при этом сигналы, вызванные генерацией последовательности каждым излучателем, выделяют на M + 2, где M - число периодов последовательности, временных интервалах, каждый из которых по длительности равен периоду последовательности. Выделенные сигналы синхронно накапливают. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА, основанный на непрерывном перемещении скважинного прибора, периодической посылке в исследуемую среду зондирующих сигналов в виде акустических импульсов с начальными фазами 0 и π, модулированных псевдослучайной периодической последовательностью, и корреляционной обработке принятых сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения отношения сигнал/шум, формируют циклически сдвинутые одна относительно другой по крайней мере на величину длительности максимального исследуемого времени пробега волны в среде псевдослучайные периодические последовательности, в которые дополнительно введены пропуски излучения, в их периодах устанавливают количество единичных акустических импульсов и пропусков излучения равное (q²ⁿ⁺¹ - 1) / (q - 1), а количества единичных акустических импульсов с начальной фазой 0 и π соответственно равные (q²ⁿ + qⁿ) / 2 и (q²ⁿ - qⁿ) / 2,
где q = p^m;
p - простое число;
n и m - натуральные числа, при этом генерируют рекурентную псевдослучайную последовательность чисел, преобразуют числа, соответствующие квадратичным вычетам, в единичные акустические импульсы с начальной фазой 0, числа, соответствующие квадратичным невычетам, - в единичные акустические импульсы с начальной фазой π, а числа "0" - в пропуски излучения, причем длительность пропуска излучения задают равной временному интервалу, на котором излучают единичный акустический импульс, устанавливают длительность периода излучаемой последовательности равной по крайней мере сумме длительностей максимального исследуемого времени пробега волн в среде для каждого излучателя, генерируют сформированные импульсные последовательности излучателями одновременно в среду, зарегистрированные приемником сигналы коррелируют с одним периодом модулирующей последовательности каждого излучателя, при этом выделенные при корреляции сигналы для каждого излучателя на M + 2 временных интервалах, каждый из которых равен длине периода последовательности, где M - число периодов излучаемой последовательности, синхронно суммируют. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют посылку в исследуемую среду зондирующих сигналов в виде акустических импульсов, модулированных всевдослучайной периодической последовательностью, содержащей два периода.