СКВАЖИННЫЙ СЕЙСМОПРИЕМНИК Российский патент 1995 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к сейсморазведке, в частности к приемным устройствам для регистрации упругих волн в скважинах при сейсмокаротаже.

Известен скважинный сейсмоприемник, чувствительным элементом которого является группа взаимно ортогональных сейсмопреобразователей электродинамического типа, установленная в герметичном контейнере, который снабжен прижимным устройством. За счет направленности сейсмопреобразователей обеспечивается регистрация всех составляющих волнового поля, что позволяет исследовать кинематические характеристики различных волн, наблюдаемых в геологической среде при помещении сейсмоприемника в скважину и закреплении его на стенке последней. При этом регистрируются, если не приняты специальные меры, колебания стенок скважины, связанные с возникновением в ней неоднородных волн, которые оказываются наложенными во временной области на волновое поле однородных плоских волн, являющихся целевыми [1]
Недостаток известного сейсмоприемника состоит в несимметричности конструкции, создающей различное качество его связи со средой в объеме, что вносит динамические искажения в регистрируемое волновое поле, причем дополнительные искажения вносятся наложением волн-помех, к которым относят и неоднородные волны.

Такие погрешности регистрации сейсмического волнового поля в скважинах снижены в трехкомпонентном скважинном сейсмоприемнике [2] который принят в качестве прототипа, так как имеет наибольшее количество одинаковых с заявляемым устройством конструктивных признаков. Прототип снабжен тремя герметичными контейнерами, равномерно распределенными по окружности в плане вокруг корпуса и шарнирно прикрепленными к корпусу с помощью параллелограммных механизмов с возможностью параллельного корпусу перемещения по радиусу скважины до прижима к ее стенке, каждый из которых соединен с приводом их перемещения, выполненным в виде размещенной на корпусе силовой пружины, связанной с элементами параллелограммных шарнирных механизмов всех контейнеров и обеспечивающей удаление контейнеров от корпуса по радиусам рычагов, каждый контейнер соединен тягами с кабелем, на котором подвешен груз с весом, превышающим усилие заневоленной пружины привода, и снабжен механизмом его закрепления на стенке скважины, причем в каждом контейнере находятся сейсмопреобразователи одноименной компоненты, одинаково ориентированные осью максимальной чувствительности и объединенные электрическими связями в группу, а размеры, масса, материал, положение центра массы и поверхности прилегания к стенкам скважины у всех контейнеров одинаковы и симметричны относительно параллелограммных механизмов.

Работает сейсмоприемник следующим образом. Первым в скважину опускают груз, прижимное устройство которого при этом находится в исходном транспортном положении. Груз своим весом, натягивая кабель, на котором подвешен, заневоливает пружины привода шарнирных параллелограммных механизмов каждого контейнера и поворачивает рычаги так, что герметичные контейнеры прижимаются к корпусу сейсмоприемника, придавая ему минимальный конструктивный диаметр. В таком положении элементов сейсмоприемник опускают в скважину. На нужной глубине, управляя с поверхности, груз закрепляют на стенке скважины и затем напускают кабель с поверхности, в результате чего происходит разгрузка пружин привода параллелограммных механизмов, которые разводят герметичные контейнеры с сейсмопреобразователями до упора в стенки скважины, распределяя их равномерно в поперечном сечении скважины. Симметрия всех звеньев и сил создает предпосылку для получения идентичных связей каждого контейнера со средой, а группирование сейсмопреобразователей осредняет их для каждой компоненты, чем создаются условия для неискаженного приема упругих волн в объеме. При этом в силу тех же условий приема достигается эффект подавления тех составляющих колебаний, мнимый или реальный источник которых расположен вблизи оси скважины. Таким типом колебаний в качестве примера обладает волна Лэмба в низкочастотной части спектра, соответствующей сейсмическому диапазону. Характер смещений частиц среды в такой волне соответствует синхронной пульсации диаметра скважины, потому смещение сейсмопреобразователей каждой компоненты сейсмоприемника происходит в противоположные от оси скважины стороны. Это вызывает появление на клеммах сейсмопреобразователей в каждой группе электрических сигналов противоположного знака, а так как в группе сейсмопреобразователи соединены последовательно, то на выходе группы сигналы компенсируются. В этом состоит свойство подавления осесимметричных колебаний в приеме. При этом можно полагать, что проходящие горизонтально поляризованные волны вызывают деформацию скважины в поперечном ее сечении, т.е. должно происходить искажение геометрии поперечного сечения скважины в сравнении со статическим состоянием, что можно представить как возникновение вблизи оси скважины мнимого источника упругих колебаний. Этот эффект подтверждается сопоставлением записей, полученных с помощью аналогов, с записями прототипа, где четко прослеживается снижение энергетической представительности горизонтально поляризованных поперечных волн, связанное с вычитанием вклада колебаний стенки скважины, вызванное нарушением сплошности среды в результате ее бурения. Возникающая при этом неоднородно-поперечная волна соответствует по кинематике скорости плоской горизонтально поляризованной поперечной волны, распространяющейся в среде от источника сейсмической энергии. Установление этого факта служит дополнительным подтверждением достигнутого повышения точности измерений динамических характеристик плоских волн при сейсмокаротаже. Изучают эти волны по синтетическим сейсмограммам, получаемым из исходных трехкомпонентных записей обработкой на ЭВМ, суть которой состоит в селекции однотипных волн по признаку поляризации. В простых средах такая трансформация дает хороший результат, но в условиях сложной тектоники разреза оказывается малоэффективной. Поскольку целью исследований является получение данных о скорости упругих продольных и поперечных волн, которые используют для вычислений прочих упругих параметров среды, то неэффективность поляризационной обработки в условиях сложной тектоники исключает получение искомого результата.

Недостаток прототипа состоит в том, что указанные процедуры обработки данных измерений трудоемки и выполняются на специализированных вычислительных центрах. Между этапом сбора данных в скважине и получением сведений о среде, как правило, проходит время, соизмеримое со сроками строительства скважины. Данные ВСП поэтому при бурении не используются, чем снижается его экономическая эффективность.

Более экономично можно получить сведения об упругих параметрах среды при изучении неоднородных волн в скважине. Теоретические основы их применимости для указанной цели приведены в кн. Доклады АН СССР. 1985, том. 281, N 3, 562-566. Однако предлагаемая здесь регистрация неоднородных волн датчиками давления исключает возможность их селекции по поляризации, так как датчик давления не обладает направленностью. Сложность волнового пакета при возбуждении в скважине требует дополнительных затрат при обработке данных.

Целью изобретения является снижение затрат при изучении упругих констант геологических сред в окрестности скважин за счет избирательного приема неоднородно-поперечных волн.

Достижение цели основано на выявленных особенностях поляризации низкочастотных неоднородных и неоднородно- поперечных волн, которая не изменяется при различных способах их возбуждения, что создает физические предпосылки для реализации избирательных приемных систем. Сущность изобретения состоит в том, что скважинный сейсмоприемник, содержащий корпус, сейсмопреобразователи, размещенные в автономных герметичных контейнерах, шарнирно прикрепленных к корпусу с помощью параллелограммных механизмов с возможностью параллельного корпусу перемещения по радиусу скважины до прижима к ее стенке, каждый из которых соединен с приводом их перемещения, выполненным в виде размещенной на корпусе силовой пружины, связанной с элементами параллелограммных рычажных механизмов всех контейнеров и обеспечивающей удаление контейнеров от корпуса по радиусам рычагов, а каждый контейнер соединен тягами с кабелем, на котором подвешен груз весом, превышающим усилие заневоленной пружины привода, и снабжен механизмом его закрепления на стенке скважины, согласно изобретению, дополнительно содержит по меньшей мере два герметичных контейнера с размещенными в них сейсмопреобразователями, что является достаточным минимумом для получения избирательных свойств, при том что в прототипе три контейнера необходимое условие достижения цели. Сейсмопреобразователи согласно изобретению установлены в герметичных контейнерах соответственно параллельно оси корпуса и перпендикулярно к ней, что обеспечивает регистрацию составляющих неоднородных волн независимо от наклона скважины, так как в рабочем положении сейсмоприемника оси максимальной чувствительности компонент совмещаются с образующей скважины и ее радиусом, при этом сейсмопреобразователи, установленные перпендикулярно оси, для соблюдения симметрии размещены в каждом контейнере и соединены электрически в группу по признаку вычитания сигнала, возникающего при внешнем механическом воздействии на сейсмоприемник, а установленные параллельно оси по признаку суммирования при аналогичном воздействии. Для специальных задач, например изучения анизотропии среды, сейсмоприемник содержит две группы ориентированных перпендикулярно оси сейсмопреобразователей, в каждую из которых входят диаметрально противостоящие, а группы в плане смещены на 90^о.

Эти отличия заявляемого решения от прототипа позволяют получить на стадии сбора данных в скважине селекцию волн по поляризации смещений относительно плоскости, нормальной к оси скважины и плоскости, проходящей одновременно через ось и источник колебаний, и получить результат, фактически эквивалентный машинной обработке трехкомпонентных данных на ЭВМ либо получаемый с применением сложных систем ориентации сейсмоприемника в скважине, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "новизна".

Использование направленности электродинамических сейсмопреобразователей для селекции волн по направлениям смещений частиц среды в точке приема широко известно, но все известные системы предполагают использование сейсмопреобразователя или их группы по прямому назначению регистрации смещений среды как целого. В заявляемом устройстве группирование сейсмопреобразователей, установленных перпендикулярно оси сейсмоприемника, т.е. по радиусу, скважины в рабочем положении при осевой симметрии расположения внутри последней осуществлено по принципу вычитания сигналов, возникающих в сейсмопреобразователях при внешнем воздействии на сейсмоприемник, что, фактически, обращает эту группу в сенсор деформации поперечного сечения скважины. В результате группа теряет чувствительность к плоским волнам, но опосредованно, через реакцию скважины на эти волны, проявляющуюся более всего при прохождении волн, поляризованных перпендикулярно ее оси в точке приема, регистрирует селективно поперечные волны с высокой степенью подавления помех, а для неоднородных волн в скважине достигается полное разделение осевой и поперечной составляющих, обеспечиваемое в совокупности с группой сейсмопреобразователей, ориентированных параллельно продольной оси скважины, независимо от ее отклонения от вертикали, в чем состоит отличие этой группы от известной вертикальной компоненты трехкомпонентного сейсмоприемника. Признаки, составляющие сущность заявляемого решения и отличающие его от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому скважинному сейсмоприемнику соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 схематично изображен скважинный сейсмоприемник в рабочем положении, где 1 скважина в разрезе по оси, 2 корпус сейсмоприемника, 3 геометрическая ось скважины, 4 герметичные контейнеры, 5 группа сейсмопреобразователей с ориентировкой по оси 3, 6 группа с радиальной направленностью в скважине встречно ориентированных и соединенных последовательно сейсмопреобразователей, 7 колебания стенок скважины при распространении неоднородной волны Лэмба, 8 эллиптическая траектория движения частиц среды в волне Лэмба; на фиг. 2 изображен сейсмоприемник с двумя сейсмопреобразователями в поперечном сечении скважины, где 9 ось максимальной чувствительности; на фиг. 3 изображен сейсмоприемник с тремя герметичными контейнерами в поперечном сечении, где группа 6 образована из трех расположенных через 120^о сейсмопреобразователей, 10 круговая в плане диаграмма направленности такой группы; на фиг. 4 показан вариант компоновки и группирования радиально ориентированных сейсмопреобразователей для исследований анизотропии среды, где 11 и 12 группы радиально ориентированных сейсмопреобразователей, развернутые на 90^о в плане.

Сейсмоприемник по фиг. 1 и 2 предназначен для регистрации волн Лэмба. Помещенный в скважину 1 и приведенный в рабочее положение (фиг. 1) он обеспечивает совмещение оси корпуса 2 с осью 3 скважины 1 и прижимает контейнеры 4 к диаметрально противоположным стенкам скважины, обеспечивая контакт со средой. При этом группы сейсмопреобразователей 5 и 6 получают заданную направленность по оси 3 и по оси 9 максимальной чувствительности соответственно (фиг. 2). По перпендикуляру к оси 9 чувствительность группы 6 в идеале нулевая. Произвольная ориентировка оси 9 в азимуте вследствие вращения сейсмоприемника в скважине исключает использование такой конфигурации для регистрации неоднородно-поперечных волн, так как деформация скважины связана с направленностью смещений в среде и различна в азимуте. Напротив, колебания стенок скважины 1 при распространении неоднородных волн Лэмба (элемент 7 на фиг. 1) имеют симметрию вокруг оси, поэтому вращение сейсмоприемника не нарушает точность регистрации волн Лэмба. Изображенная на фиг. 1 эллиптическая траектория 8 движения частиц среды отображает наличие в этой волне продольной относительно образующей скважины составляющей. Эллиптичность траектории и отношение осей эллипса связаны с упругими параметрами среды, поэтому необходимо обеспечить регистрацию амплитуд смещений по осям эллипса без искажений, что в данном сейсмоприемнике достигнуто ориентацией сейсмопреобразователей по осям эллипса вне зависимости от наклона скважины. Оптимальное возбуждение волн Лэмба осуществляют источником, помещенным в исследуемую скважину на ее устье, но приемлемый результат получен также при его размещении в непосредственной близости от устья на поверхности. Радиальная и продольная составляющие волны Лэмба регистрируются группой 5 и 6 соответственно на одном и том же времени, на раздельных трассах записи, что упрощает обработку данных.

Скважинный сейсмоприемник по фиг. 3 обладает в поперечном сечении круговой диаграммой направленности 10, поэтому он обеспечивает регистрацию без динамических искажений в результате вращения волн деформации скважины при прохождении фронта поперечной горизонтально поляризованной волны, что соответствует регистрации неоднородно-поперечной волны в скважине со скоростью породившей ее поперечной волны.

Вариант сейсмоприемника по фиг. 4 отличается тем, что диаметрально расположенные сейсмопреобразователи соединены в группы 11 и 12, подобно фиг. 1, но оси направленности групп развернуты взаимно на 90^о в плане. Такой сейсмоприемник обеспечивает обнаружение анизотропии среды по двум горизонтальным осям. Его успешное использование требует применения азимутальной ориентации прибора в скважине.

Экономическая эффективность применения заявляемого скважинного сейсмоприемника при изучении упругих констант геологических сред состоит в том, что, во-первых, избирательный прием целевых волн позволяет снизить затраты на обработку, во-вторых, применение нетрадиционного типа волн, которые возбуждаются в скважине при любых типах источников, существенно упрощает технологию производства работ, сокращает ущерб, наносимый природе, так как становится возможно получить данные о скорости поперечных волн, не прибегая к выносу источника и сложным методикам возбуждения поперечных волн. Затраты по сбору данных могут сократиться вдвое, так как искомые поля волн получают за один акт измерений. Наконец, новый инструмент исследований позволяет повысить изученность самого процесса и физики образования неоднородных и неоднородно-поперечных волн в скважинах в сейсмическом диапазоне частот. Основные аспекты этих выводов подтверждены опытной проверкой.

Использование: в сейсморазведке, в частности для регистрации упругих волн в скважине при сейсмокаротаже. Сущность: скважинный сейсмоприемник содержит не менее двух герметичных контейнеров, прижатых приводом к стенке скважины при сейсмокаротаже, причем контейнеры снабжены трехкомпонентными сейсмопреобразователями, при этом сейсмопреобразователи одной из компонент контейнеров ориентированы параллельно продольной оси корпуса и соединены последовательно, сейсмопреобразователи другой компоненты ориентированы перпендикулярно продольной оси корпуса и соединены встречно, а третьи компоненты ориентированы параллельно касательной к точке прижима контейнера к стенке скважины и соединены последовательно. 4 ил.

СКВАЖИННЫЙ СЕЙСМОПРИЕМНИК, содержащий корпус, трехкомпонентные электродинамические сейсмопреобразователи, размещенные в герметичных контейнерах, связанных с корпусом через равные угловые промежутки в плане посредством шарнирных рычажных звеньев, привод перемещения в виде силовой пружины и груз, снабженный прижимным устройством и соединенный гибкой связью с приводом перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности регистрации трубных волн, скважинный сейсмоприемник содержит не менее двух герметичных контейнеров, при этом электродинамические сейсмопреобразователи одной из компонент ориентированы параллельно продольной оси корпуса, электродинамические сейсмопреобразователи второй компоненты перпендикулярно продольной оси корпуса, а электродинамические сейсмопреобразователи третьей компоненты параллельно касательной к точке прижима контейнера к стенке скважины.