СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА Российский патент 2016 года по МПК G01V1/40 G01V1/48 

Описание патента на изобретение RU2579820C1

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.

Способ акустического каротажа иллюстрируется фиг. 1 - фиг. 6, где: на фиг. 1 представлена схема расположения ультразвукового зонда на глубине скважины H1 однородного массива, не содержащего зоны трещиноватости, пересекаемой скважиной; на фиг. 2 - схема расположения ультразвукового зонда на глубине Н2 массива, содержащего трещиноватую зону между точкой излучения и верхней точкой приема шумового акустического сигнала; на фиг. 3 - схема расположения ультразвукового зонда на глубине Н3 массива, содержащего трещиноватую зону, расположенную на одинаковом расстоянии от точек приема шумового акустического сигнала; на фиг. 4 - схема расположения ультразвукового зонда на глубине Н4 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 Н1, Н2, Н3 и Н4 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.

Результаты измерения коэффициентов R взаимной корреляции, принимаемых шумовых акустических сигналов на фиг. 5, представлены: значением 12 этого коэффициента, полученного на глубине H1 расположения ультразвукового зонда 2 в скважине 1; значением 13, полученным на глубине Н2 расположения зонда 2 в скважине 1; значением 14, полученным на глубине Н3 расположения зонда 2 в скважине 1; значением 15, полученным на глубине Н4 расположения зонда 2 в скважине 1.

Результаты измерения относительно интервала τ и к в автокорреляции сигнала, принятого в верхней точке 9 приема, и интервала τ и к н автокорреляции сигнала, принятого в нижней точке 10 приема, представлены на фиг. 6 значениями этого отношения: 16, которое соответствует глубине H1 расположения ультразвукового зонда 2 в скважине 1; 17, которое соответствует глубине Н2 расположения ультразвукового зонда 2 в скважине 1; 18, которое соответствует глубине Н3 расположения ультразвукового зонда 2 в скважине 1; 19, которое соответствует глубине Н4 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.

На каждой дискретной глубине Hi 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 τ и к в и τ и к н указанных сигналов в этих точках. Затем определяют отношение τ и к в / τ и к н интервалов корреляции шумовых акустических сигналов, измеренных в верхней точке 9 приема и в нижней точке 10 приема.

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 τ и к в и τ и к н автокорреляции принятых акустических сигналов, а значит отношение интервалов автокорреляции этих сигналов ( τ и к в / τ и к н ) имеет значение 16 на фиг. 6, т.е. стремится к 1.

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 Н2 значение 13 величины R<<1 и значение 18 отношения ( τ и к в / τ и к н )<<1. Причем и R и τ и к в / τ и к н будут тем меньше, чем больше трещиноватость в зоне 11.

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 Н3 значение 14 величины R и значение 18 отношения τ и к в / τ и к н 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 ( τ и к в / τ и к н ) будут все же несколько меньше, чем в случае полного отсутствия трещиноватой зоны (см. фиг. 1).

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 H4 значение 15 величины R<<1, а значение 19 отношения ( τ и к в / τ и к н )>1.

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 τ и к в / τ и к н . 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.

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 ( τ и к в / τ и к н ).

По результатам измерений было установлено, что для случая первого измерения R=0,86 и τ и к в / τ и к н =0,90, для второго случая R=0,23 и ( τ и к в / τ и к н )=0,31, для третьего случая R=0,71 и τ и к в / τ и к н =0,84, для последнего случая R=0,21 и τ и к в / τ и к н =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.

Похожие патенты RU2579820C1

название год авторы номер документа
Способ контроля напряженного состояния массива горных пород в окрестности выработки 2016
  • Николенко Петр Владимирович
  • Кормнов Алексей Алексеевич
  • Шкуратник Владимир Лазаревич
RU2618778C1
СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ НЕСПЛОШНОСТИ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД 2012
  • Кривошеев Игорь Александрович
  • Шамурина Анна Игоревна
RU2498353C1
Способ контроля напряженного состояния массива горных пород 1983
  • Шкуратник Владимир Лазаревич
  • Ямщиков Валерий Сергеевич
  • Сирота Дон Нусивич
SU1146449A1
СПОСОБ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СКВАЖИН СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ, ОСНОВАННЫЙ НА ПРИМЕНЕНИИ НАПРАВЛЕННЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ ЩЕЛЕВОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ 1996
  • Дворецкий П.И.
  • Ярмахов И.Г.
  • Микин М.Л.
  • Попов С.Б.
  • Дахнов М.Г.
  • Пузаков В.К.
RU2107313C1
Способ акустических исследований скважин в процессе бурения 1975
  • Гвоздев Павел Александрович
  • Рукавицын Владимир Николаевич
SU744406A1
АКУСТИЧЕСКИЙ СКВАЖИННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ 2020
  • Турко Сергей Александрович
RU2744717C1
Скважинный многочастотный интроскоп для исследования околоскважинного пространства 2019
  • Истратов Вячеслав Александрович
  • Скринник Александр Викторович
  • Перекалин Сергей Олегович
RU2733110C1
Способ контроля напряженного состояния массива горных пород 1987
  • Шкуратник Владимир Лазаревич
SU1452984A1
Способ контроля напряженного состояния массива горных пород 1988
  • Шкуратник Владимир Лазаревич
SU1613607A1
Способ контроля напряженного состояния массива горных пород 1985
  • Шкуратник В.Л.
  • Ямщиков В.С.
  • Сирота Д.Н.
SU1314775A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 579 820 C1

Реферат патента 2016 года СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения координат трещиноватых зон, пересекающих измерительную скважину, пробуренную в кровле выработки. Способ основан на экспериментально установленной закономерности влияния трещиноватой зоны на корреляционные характеристики шумового акустического сигнала, излучаемого в массив. Способ включает возбуждение в скважине акустического сигнала и прием его после прохождения исследуемого участка околоскважинного массива в двух точках, расположенных симметрично выше и ниже точки излучения, измерении и совместной обработке параметров принятых сигналов. При этом 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 соотношению измеренных интервалов корреляции судят о расположении трещиноватой зоны относительно точки приема. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 6 ил.

Формула изобретения RU 2 579 820 C1

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, отличающийся тем, что 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 соотношению измеренных интервалов корреляции судят о расположении трещиноватой зоны относительно точки приема.

RU 2 579 820 C1

Авторы

Николенко Петр Владимирович

Кормнов Алексей Алексеевич

Шкуратник Владимир Лазаревич

Даты

2016-04-10Публикация

2015-02-24Подача