УСТРОЙСТВО АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН Российский патент 1997 года по МПК G01V1/40 

Изобретение относится к геофизическим приборам, предназначенным для проведения исследования скважин методом акустического каротажа (АК), и может быть использовано в качестве основы для разработки аппаратуры, способной к адаптации под решаемые задачи и конкретные геологические условия.

Известно устройство геологического каротажа скважин [1] содержащее излучатель, приемник, усилитель, генератор зондирующего акустического сигнала, модулированного псевдослучайной бинарной периодической М-последовательностью, аналого-цифровой преобразователь, коррелятор и регистратор. Устройство позволяет повысить соотношение сигнал/шум при акустическом каротаже скважин.

Однако с помощью такой аппаратуры получение информации высокого качества по всему разрезу скважин невозможно, так как в породах, где затухание акустического сигнала велико, реальная регистрация акустических волн, как и в обычном импульсном методе, является неразрешимой проблемой.

Известно также устройство акустического каротажа скважин [2] содержащее излучатель, приемник, усилитель, смеситель, генератор линейного частотно-модулированного сигнала, спектроанализатор и регистратор. Устройство позволяет определять время распространения волн от излучателя к приемнику по частоте биения, выделяемой в смесителе при подаче на него опорного сигнала с генератора и с приемника после усиления.

Однако функциональные возможности данного устройства ограничены областью изучения только кинематических параметров акустических волн.

Наиболее близким к заявляемому является устройство акустического каротажа [3] содержащее скважинную часть, состоящую из излучателя акустических колебаний, последовательно соединенного с генератором сложного частотно-модулированного зондирующего сигнала, и одного или нескольких приемников, последовательно связанных с усилителем, подключенным к глубинной телесистеме связи, соединенной через геофизический кабель с наземной частью, состоящей из последовательно соединенного усилителя, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), буферной памяти, коррелятора, вычислителя времени распространения различных волн и регистратора. Устройство позволяет получать качественный материал при хорошей разрешенности и помехозащищенности метода.

Однако возможности применения данного устройства, как и предыдущих, имеют свои ограничения в силу того, что параметры сигнала жестко заданы и имеют значения, непозволяющие получать материал нужного качества по всему геологическому разрезу.

Изобретение направлено на решение задачи создания устройства акустического каротажа скважин, позволяющего совместить в себе все известные способы АК и, таким образом, объединить их функциональные возможности в едином комплексе так, чтобы реально было возможно получение требуемого качества материала по всему разрезу скважины в любых геологических условиях и решение вопросов оптимизации технологии проведения исследований.

Задача решается с помощью устройства акустического каротажа скважин, содержащего скважинную часть, состоящую из излучателя акустических колебаний, последовательно соединенного с генератором сложного частотно-модулированного зондирующего сигнала, и по крайней мере одного приемника, связанного с усилителем, соединенным через скважинную телесистему связи и геофизический кабель с наземной частью, состоящей из последовательно соединенных усилителя, аналого-цифрового преобразователя и буферной памяти, при этом скважинная часть дополнительно содержит контроллер, коммутатор каналов и аттенюатор, а наземная часть дополнительную телесистему связи и акустический спецпроцессор, состоящий из блока регистрации, центрального процессорного устройства и блока управления. При этом к центральному процессорному устройству через шину регистрации и шину передачи данных подключен блок регистрации, через вторую шину данных буферная память и через шину управления блок управления, к которому через первую шину управления подключена буферная память, а через вторую шину управления аналого-цифровой преобразователь, причем вход/выход блока управления подключен к входу/выходу дополнительной телесистемы связи наземной части, которая подключена к входу усилителя наземной части и через геофизический кабель соединена с телесистемой связи скважинной части, которая подключена к контроллеру, состоящему из блока шифратора-дешифратора, первый выход которого соединен с входом регистра установки режима работы генератора зондирующего сигнала, второй выход с входом блока генерации кода псевдослучайной бинарной периодической М-последовательности, третий выход с входом блока генерации импульса запуска генератора зондирующего сигнала, четвертый выход с входом регистра выбора параметров приемо-передающего тракта, первый выход которого через шину выбора коэффициента передачи подключен к входу управления аттенюатора, а второй выход через шину выбора номера рабочего канала подключен к входу управления коммутатора каналов, сигнальные входы которого подключены к приемнику, а выход к сигнальному входу аттенюатора, выход которого соединен с входом усилителя скважинной части, первый выход регистра установки режима работы генератора через шину установки начальной частоты генератора подключен к первому управляющему входу генератора, второй выход этого регистра через шину установки величины девиации частоты зондирующего сигнала подключен к второму управляющему входу генератора, а третий выход этого же регистра через шину установки длительности сигнала подключен к третьему управляющему входу генератора, выход блока генерации кода псевдослучайной бинарной М-последовательности через линию передачи кода подключен к четвертому управляющему входу генератора, а выход блока генерации импульса запуска генератора зондирующего сигнала через линию передачи синхроимпульсов подключен к пятому управляющему входу генератора.

В известных источниках патентной и научно-технической информации не описано устройств акустического каротажа скважин, позволяющих в процессе каротажа программным путем адаптировать свои системы под поставленные задачи и конкретные геологические условия, причем в одном комплексе реализовать режимы работы, соответствующие практически всем известным способам АК и позволяющие изменять параметры акустических воздействий, приемо-передающего тракта, систем обработки и регистрации в каждом способе, чтобы иметь возможность оптимизации технологии исследования, получения необходимого уровня качества материала по всему разрезу скважины, требуемой разрешенности акустических полей и помехозащищенности метода.

Существующие на сегодняшний день устройства акустического каротажа позволяют реализовать только один конкретный способ каротажа, имеющий узкоспециализированную область применения. Например, с помощью устройства, реализующего обычный импульсный способ в ультразвуковом диапазоне частот, возможно получение кинематических параметров головных волн при достаточно высоких скоростях каротажа. Однако получение качественного материала невозможно, так как оно зависит от уровня шумов и от величины затухания сигнала в породе.

Устройства, реализующие импульсный режим каротажа с синхронным накопителем данных, позволяют повысить соотношение сигнал/шум за счет некоторого снижения скорости каротажа, однако, как и в первом случае, получить качественный материал невозможно при больших затуханиях волн в породе.

Устройства, реализующие способ импульсного широкополосного акустического волнового каротажа, работающие в режимах без накопления и с накоплением сигнала по гадографам волн, значительно расширяют круг решаемых задач, так как при анализе используются все составляющие полного волнового поля, однако они обладают всеми достоинствами и недостатками, присущими обычным импульсным способам, т. е. обеспечивают большую скорость каротажа, но не работают при больших затуханиях сигнала, не всегда имеют достаточную помехозащищенность и разрешенность. Применение устройств, реализующих способ кодирования акустической посылки псевдослучайной бинарной периодической М-последовательностью, позволяет производить накопление сигнала за относительно короткий срок, однако реальный эффект при "М" больше десяти незначительный, что предполагает ограничения на его использование, такие же, как в рассмотренных ранее способах, хотя он имеет хорошую помехозащищенность и большую скорость каротажа.

Устройства, реализующие способ с частотно-модулированным зондирующим акустическим сигналом, отличаются хорошей помехозащищенностью, хорошей разрешенностью волновых картин и возможностью формирования нужной амплитудно-частотной характеристики акустического зондирующего воздействия, позволяющего получать качественный материал по всему разрезу скважин, во всех геологических условиях, однако требует значительного объема запоминания информации и очень больших объемов ее предобработки, снижающих скорость каротажа. В этом способе актуальным является возможность изменения параметров зондирующего сигнала в зависимости от геологического разреза с целью снижения временных затрат.

Заявляемое устройство позволяет оптимизировать технологию проведения исследования скважин, используя весь свой арсенал технических возможностей по выбору способа каротажа, режимов работы отдельных узлов и систем с целью достижения нужного уровня качества получаемого материала, разрешенности, помехозащищенности и экономичности проведения работ.

Сказанное позволяет сделать вывод о наличии в заявляемом изобретении критерия "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства; на фиг. 2 представлена эпюра напряжения частотно-модулированного сигнала, подаваемого с генератора на излучатель; на фиг. 3 представлена эпюра напряжения сигнала, принятого одним из приемников; на фиг. 4 представлен вид синтезированной волновой картины, полученной после корреляционной обработки принятого сигнала.

Устройство содержит (см. фиг. 1) наземную и скважинную части. Скважинная часть состоит из излучателя 1, последовательно соединенного с программно-управляемым генератором сложного частотно-модулированного зондирующего акустического сигнала 2, по крайней мере одного приемника 3, коммутатора каналов 4, аттенюатора 5, усилителя 6, контроллера 7, скважинной телесистемы связи 8, подключенной через геофизический кабель 9 к наземной телесистеме связи 10.

Наземная часть устройства состоит из телесистемы связи 10, усилителя 11, аналого-цифрового преобразователя 12, соединенного с буферной памятью 13, и акустического спецпроцессора 14, содержащего блок регистрации 15, центральное процессорное устройство 16 и блок управления 17.

Контроллер 7 скважинной части устройства содержит блок шифратора-дешифратора 18, регистр установки режимов работы 19 генератора 2, блок регистрации кода псевдослучайной бинарной периодической М-последовательности 20, блок генерации импульса запуска 21 генератора 2 и регистр выбора параметров приемо-передающего тракта 22.

При этом в наземной части установки к центральному процессорному устройству 16 через шину управления регистратором и шину передачи данных подключен блок регистрации 15, через шину передачи данных буферная память 13 и через шину управления блок управления 17, который через первую шину управления подключен к буферной памяти 13, а через вторую шину управления к аналогово-цифровому преобразователю 12, подключенному к выходу усилителя 11, вход которого соединен с выходом наземной телесистемы связи 10, вход-выход которой подключен к входу-выходу блока управления 17.

Скважинная телесистема связи 8 подсоединена к выходу усилителя 6 и к блоку шифратора-дешифратора 18 контроллера 7. Причем первый выход блока 18 подключен к входу регистра установки режимов работы 19 генератора 2, второй выход блока 18 подключен к входу блока генерации кода псевдослучайной бинарной периодической М-последовательности 20, третий выход блока 18 к входу блока генерации импульса запуска зондирующего сигнала 21, четвертый выход блока 18 к входу регистра 22 выбора параметров приемо-передающего тракта. При этом первый выход регистра 22 через шину выбора коэффициента передачи приемо-передающего тракта подключен к входу управления аттенюатора 5, выход которого подключен к входу усилителя 6, а сигнальный вход к выходу коммутатора каналов 4. Второй выход регистра 22 через шину выбора номера рабочего канала подключен к входу управления коммутатора каналов 4, сигнальные входы которого подключены к выходам приемника 3. Первый выход регистра 19 через шину установки начальной скорости генератора подключен к первому управляющему входу генератора 2, второй выход регистра 19 через шину установки величины девиации подключен к второму управляющему входу генератора 2, третий выход регистра 19 через шину установки длительности сигнала подключен к третьему управляющему входу генератора 2. Выход блока генерации кода бинарной периодической М-последовательности 20 через линию передачи кода подключен к четвертому управляющему входу генератора 2, а выход блока генерации импульса запуска генератора зондирующего сигнала 21 через линию передачи синхроимпульсов подключен к пятому управляющему входу генератора 2.

Устройство работает следующим образом.

Блок управления 17 задает, в зависимости от поставленных задач, конкретных геологических и прочих условий, необходимые параметры приемо-передающего тракта и зондирующего акустического сигнала: номер рабочего канала, коэффициент передачи приемо-передающего тракта, начальную частоту сигнала, девиацию частоты сигнала и длительность сигнала, а также формирует импульс запуска генератора.

Все заданные команды в кодовом виде через наземную 8 и скважинную 10 телесистемы связи поступают в блок шифратора-дешифратора 18 контроллера 7. Заданные параметры зондирующего сигнала через регистр 19 устанавливают режим работы генератора 2.

Необходимые команды для приемо-передающего тракта через регистр 22 поступают на коммутатор каналов 4, который определяет выбор рабочего канала, и на аттенюатор 5, который определяет коэффициент передачи приемо-передающего тракта.

При необходимости блок управления 17 осуществляет формирование кода псевдослучайной бинарной периодической М-последовательности в блоке 21.

Импульсом, поступающим с блока 21, осуществляется запуск генератора 2, с которого сформированный сигнал поступает на излучатель 1.

Генератор 2 сложного частотно-модулированного зондирующего сигнала позволяет в широких пределах менять базу сигнала, формировать любую требуемую амплитудно-частотную характеристику акустического воздействия, при этом его частотно-модулированный сигнал может иметь девиацию частоты и длительность сигнала любого значения, требуемого для решения поставленной задачи. На коротких временах можно получить режим работы, близкий к квазиимпульсному, с известной заданной амплитудно-частотной характеристикой.

Сигнал, прошедший через околоскважинное пространство, регистрируется приемниками 3, после чего поступает на коммутатор каналов 4, который выбирает необходимый рабочий канал, и на аттенюатор 5, устанавливающий коэффициент передачи приемо-передающего тракта, и через усилитель 6 и скважинную телесистему связи 8 по геофизическому кабелю 9 поступает в наземную часть, содержащую также телесистему связи 10, усилитель 11, сигнал с которого поступает на аналого-цифровой преобразователь 12, где преобразуется в цифровую форму и затем уже в цифровом виде поступает в буферную память 13, осуществляющую временное хранение полученной информации.

С буферной памяти 13 по шине данных информация поступает в центральное процессорное устройство 16, где она, в зависимости от решаемых задач, подвергается той или иной обработке и по шине данных поступает в блок регистрации 15, управление которым осуществляет центральное процессорное устройство 16 по первой шине управление.

Основным видом регистрации является запись синтезированных волновых картин высокой разрешенности, предназначенных для анализа кинематических и динамических параметров всех типов волн. Однако возможны все другие виды, известные в акустике.

Доказательства достижения результата, заявляемого в данном изобретении, представлены ниже.

На фиг. 2 изображена эпюра напряжения, соответствующая виду частотно-модулированного зондирующего акустического сигнала, излучаемого в пространство излучателем 1. Параметры сигнала могут быть установлены любые, требуемые для решения поставленных задач, с учетом геологических условий разреза и выбором оптимальной технологии.

На фиг. 3 изображена эпюра напряжения, соответствующая принимаемому приемником 3 сигналу, представляющему собой суперпозицию колебаний всех типов волн, каждая из которых имеет в основе вид, представленный на фиг. 2.

На фиг. 4 изображен вид синтезированной волновой картины, полученной в результате корреляционной обработки принятого сигнала, на котором отмечаются моменты прихода различных типов волн в виде короткого импульса, амплитуда которого соответствует суммарной энергии волны, а ширина и форма импульса - его частотному составу. Синтезированные волновые картины отличаются высокой разрешенностью по выделению различных типов волн, т. к. в большой степени упрощается интерференционная картина.

Функциональные возможности аппаратуры позволяют реализовать практически все известные способы АК, основанные на изучении условий прохождения акустических волн от излучателя к приемнику по околоскважинному пространству, что дает возможность оптимизировать технологию проведения исследований, выбрать наилучший вариант решения поставленных задач и получить материал нужного качества по всему разрезу скважины.

Использование: изобретение относится к геофизическим приборам, предназначенным для проведения работ по исследованию скважин методом акустического каротажа (АК) и может быть использовано в качестве основы для разработки аппаратуры, способной к адаптации под решаемые задачи и конкретные геологические условия. Сущность изобретения: устройство содержит наземную и скважинную части. Скважинная часть состоит из излучателя, последовательно соединенного с программно-управляемым генератором сложного частотно-модулированного зондирующего акустического сигнала, по крайней мере одного приемника, коммутатора каналов, аттенюатора, усилителя, контроллера, скважинной телесистемы связи, подключенной через геофизический кабель к наземной телесистеме связи. Наземная часть устройства состоит из телесистемы связи, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, соединенного с буферной памятью, и акустического спецпроцессора, содержащего блок регистрации, центральное процессорное устройство и блок управления. 4 ил.

Устройство акустического каротажа скважин, содержащее скважинную часть, состоящую из излучателя акустических колебаний, последовательно соединенного с генератором сложного частотно-модулированного зондирующего сигнала, и по крайней мере одного приемника, связанного с усилителем, соединенным через скважинную телесистему связи и геофизический кабель с наземной частью, состоящей из последовательно соединенных усилителя, аналого-цифрового преобразователя и буферной памяти, отличающееся тем, что скважинная часть дополнительно содержит контроллер, коммутатор каналов и аттенюатор, а наземная часть дополнительную телесистему связи и акустический спецпроцессор, состоящий из блока регистрации, центрального процессорного устройства и блока управления, при этом к центральному процессорному устройству через шину регистрации и шину передачи данных подключен блок регистрации, через вторую шину данных буферная память и через шину управления блок управления, к которому через первую шину управления подключена буферная память, а через вторую шину управления аналого-цифровой преобразователь, причем вход/выход блока управления подключен к входу/выходу дополнительной телесистемы связи наземной части, которая подключена к входу усилителя наземной части и через геофизический кабель соединена с телесистемой связи скважинной части, которая подключена к контроллеру, состоящему из блока шифратора-дешифратора, первый выход которого соединен с входом регистра установки режима работы генератора, второй выход с входом блока генерации кода псевдослучайной бинарной периодической М-последовательности, третий выход с входом блока генерации импульса запуска генератора зондирующего сигнала, четвертый выход с входом регистра выбора параметров приемо-передающего тракта, первый выход которого через шину выбора коэффициента передачи подключен к входу управления аттенюатора, а второй выход через шину выбора номера канала подключен к входу управления коммутатора каналов, сигнальные входы которого подключены к приемнику, а выход к сигнальному входу аттенюатора, выход которого соединен с входом усилителя скважинной части, первый выход регистра установки режима работы генератора через шину установки начальной частоты генератора подключен к первому управляющему входу генератора, второй выход этого регистра через шину установки величины девиации частоты зондирующего сигнала подключен к второму управляющему входу генератора, а третий выход этого же регистра через шину установки длительности зондирующего сигнала подключен к третьему управляющему входу генератора, выход блока генерации кода псевдослучайной бинарной периодической М-последовательности через линию передачи кода подключен к четвертому управляющему входу генератора, а выход блока генерации импульса запуска генератора зондирующего сигнала через линию передачи синхроимпульсов подключен к пятому управляющему входу генератора.