Зонд скважинного прибора волнового акустического каротажа Советский патент 1992 года по МПК G01V1/40 

Изобретение относится к технике для геофизических исследований скважин, а именно к аппаратуре акустического каротажа.

Известны зонды приборов акустического каротажа, содержащие излучатели и приемники акустических колебаний, разделенные акустическими изоляторами. В зависимости от методических задач расстояния между однотипными преобразователями (измерительная база) и их удаление от преобразователей другого назначения (длина зонда) могут изменятся в широких пределах, обычно 0,5-0 м. В качестве излучателей в таких зондах используются магни- тострикционные или пьезокерамические преобразователи в форме колец, возбуждаемые в импульсном режиме, а в качестве приемников, как правило, - одиночные пьезокерамические сферы.

Недостатком этих зондов является то, что излучатели работают в узком диапазоне частот и их диаграмма направленности в вертикальной плоскости слишком узкая и вытянута в направлении, перпендикулярном оси скважины. Таким образом, хотя о скважине и возбуждаются волны всех, в настоящее время, используемых типов: продольная (Р), поперечная (S) и гидроволна (L), соотношение между их амплитудами невелико и обычно не выходит за пределы 1:4:10 в плотных породах. В более рыхлых породах амплитуды S-и L-волн падают даже ниже уровня амплитуды Р-волны, поэтому эти зонды в модификации коротких и компенсированных используются в основном для измерения параметров Р-волны. Для измерения параметров S-и L-волны они применяются в длиннозондовой модификации (обычно длина зонда более трех метров) с группированием преобразователей на измерительной базе (четыре и более преобразователя), а для анализа волновых картин применяется цифровая регистрация с последующей обработкой, что ведет к удорожанию аппаратуры и увеличению времени на проведение работ.

Наиболее близкой к изобретению является аппаратура для акустического каротажа скважин, содержащая зонд, состоящий из магнитострикционного излучателя с обмоткой возбуждения, разделенной на секции, и приемников упругих колебаний, установленных вдоль продольной оси зонда, разделенные акустическими и золятора- ми.

В этом устройстве за счет подключения к емкостному накопителю разных секций обмотки возбуждения кольцевого магнито- стрикционного преобразователя, отличающихся количеством витков, производится изменение частоты излучающего акустического импульса, а тем самым и его диаграмм направленности в вертикальной плоскости,

поскольку, KGK известно, с понижением частоты основной лепесток диаграммы направ- ленности расширяется. В некоторых случаях это может улучшать отношение сиг- нал/прмеха, и, следовательно, повышать

качество первичных материалов акустического каротажа. Однако да)ке при очень низкой для акустического каротажа частоте акустического импульса 1изл 5 кГц диаграмма направленности кольцевого излучателя, в лучшем случае, имеет форму, близкую к сфере, т.е. не обеспечивается преимущественного возбуждения волн, вступающих после продольной волны, а значит приходится для волнового каротажа использовать длинные зонды, у которых отношение сигнал/помеха низкое. С другой стороны, поскольку излучение производится одним и тем же преобразователем, то по мере понижения частоты пропорционально

уменьшается амплитуда излучаемого акустического импульса, т.е. выигрыша в отношении сигнал/помеха во многих случаях вовсе не получается. Это служит причиной низкого качества первичных материалов

(диаграмм измеряемых параметров), выражающееся в большоМд количестве искажений на диаграммах.

Цель изобретения - повышение качества первичных материалов волнового акустического каротажа путем увеличения

отношения сигнал/помеха и соотношения

между амплитудами регистрируемых волн.

Поставленная цель достигается тем, что

в зонде скважинного прибора волнового

акустического каротажа, содержащем маг- нитострикционный излучатель с обмоткой возбуждения, разделенной на секции, и приемники упругих колебаний, установленные вдоль продольной оси зонда, разделенные акустическими изоляторами, о узел излучателя введен пьезокерамический преобразователь, с основной частотой излучения 10-30 кГц, установленный соосно с магнитостриктором, а последний выполнен,

как минимум, из двух стержней, жестко скрепленных одними торцами с опорой, а вторыми с поршнем, имеющим возможность перемещаться относительно корпуса, причем поршень обращен в сторону приемпиков упругих колебаний, перед поршнем размещен отражатель упругих колебаний, имеющий форму половины эллипсоида вращения с соотношением осей 1:3, большая ось которого совпадает с продольной осью

зонда, а основание жестко скреплено с корпусом, одна секция обмотки возбуждения настроена на частоту излучения 5-10 кГц, а вторая - 1-4 кГц.

Каждый приемник упругих колебаний выполнен по крайней мере, из двух электроакустических преобразователей, установленных в плоскости, перпендикулярной оси зонда, равномерно по окружности с центром, лежащим на оси зонда, и соединенных последовательно.

На фиг. 1 показан зонд в наиболее простой трехэлементной конфигурации, общий вид; на фиг. 2 и 3 -узлы излучателя и приемника соответственно, продольный разрез; на фиг. 4-диаграммы направленности излучателей.

Зонд скважинного прибора волнового акустического каротажа (фиг. 1) содержит магнитострикционный излучатель с обмоткой 1 возбуждения, разделенной на секции, отражатель 2 упругих колебаний, пьезоке- рамический излучатель 3, приемники 4 упругих колебаний, акустические изоляторы 5. Сверху к зонду присоединен блок 6 электроники скважинного прибора. Магнитострикционный излучатель выполнен из четырех стержней 7 (фиг. 2) из пермендюра, торцами жестко посредством компаунда скрепленных с опорой 8 и поршнем 9. Опора 8 имеет сравнительно большую массу около 8 кг и скреплена штифтами с корпусом 10. Поршень 9 обращен в сторону приемников и имеет массу порядка 150 г, он может свободно перемещаться относительно корпуса 10 при возбуждении магнитостриктора. Перед поршнем установлен отражатель 2 упругих колебаний из стали, который имеет форму половины эллипсоида вращения с отношением осей 1:3, большая ось совпадает с продольной осью зонда, а основание сварено с корпусом. На магнитострикционные стержни 7 нанесены две секции 11 и 12 обмотки возбуждения, причем секции настроены так, что при подключении к накопи- телюблокаэлектроники

магнитострикционные стержни 7 возбуджа- лись на видимых частотах 7 и 3 кГц, соответственно, при этом намотка сделана такая, чтобы при работе одной секции наведенная ЭДС во второй отсутствовала. Пьезокера- мический излучатель 13 представляет собой сферу диаметром 80 мм из ЦТС - 26, закрепленную на аалу 14. Сфера и обмотка согласующего трансформатора настроены на частоту 15 кГц. Внутренний объем блока излучателей заполнен кремнеорганической жидкостью и отделен от окружающей среды уплотнениями 15. Для компенсации гидростатического давления промывочной жидкости в скважине служит резиновая

манжета 16. Провода, соединяющие излучатели с блоком электроники, выведены через уплотнения на поршне 9 (не показаны). Узел приемника (фиг. 3) содержит четыре пьезо- 5 керамических преобразователя 17 в форме сфер диаметром 20 мм из ЦТС-26, внутренний объем которых для уменьшения резонансных свойств заполнен компаундом 18. Каждый преобразователь установлен в от0 дельном контейнере 19 с компенсированным объемом. С помощью винтов 20 контейнеры скреплены с корпусом зонда, при этом они расположены с равным шагом по окружности, перпендикулярной оси зон5 да. Диагр аммы направленности излучателей (фиг. 4) представляют собой линии равных значений амплитуды первой фазы прямой волны s воде на уровне 0,25 от ее максимального значения на поверхности

0 излучателя в координатах X - Z, где X совпадает с диаметром, a Z - продольной осью зонда. Началом координат для пьезокера- мической сферы служат ее центр, для магнитостриктора - середина верхнего торца

5 поршня 9 (фиг. 2). Излучатель на фиг. А изображен условно и обозначен позицией 21. Диаграммы направленности 22-24 приводятся для следующих частот излучения: пье- зокерамического излучателя 15 кГц,

0 магнитострикционного 7 кГц и 3 кГц, соответственно.

Зонд работает с блоком электроники программноуправляемого модуля акустического каротажа АКП. По командам из назем5 ного блока производится поочередный запуск излучателей 3 (фиг. 1). Акустические колебания, прошедшие от каждого излучателя до приемников 4,-преобразуются в электрические сигналы, которые после уси0 ления в блоке 6 электроники передаются по геофизическому кабелю на поверхность, где они подвергаются обработке для вычисления параметров распространения полезных волн и записи на. магнитный носитель с

5 целью последующей более сложной обработки.

Пьезокерамический излучатель имеет диаграмму 22 направленности по форме близкую к сфере, поэтому он возбуждает в

0 скважине упругие волны всех трех типов, однако преимущество имеют преломленные волны с высокими кажущимися скоростями, выше 3000 м/с, т.е. продольная волна. За счет более высокого КПД пьезоке5 рамики амплитуда акустического импульса этого излучателя примерно в 2 раза больше, чем у кольцевого магнитостриктора, на той же частоте. Все это в целом приводит к повышению отношения сигнал/помеха для продольной волны.

Когда импульс тока проходит через одну из обмоток 11 или 12 возбуждения, магни- тострикционные стержни 7 деформируются, передавая деформацию на опору 8 и поршень 9. Поскольку масса опоры во много раз больше массы поршня и, кроме того, опора жестко скреплена с корпусом, а поршень может перемещаться относительно корпуса, деформации стержней полностью передаются поршню 9, который своим верхним торцом генерирует акустический импульс в промывочной жидкости. Таким образом, данный стержневой магнито- стрикционный излучатель за счет передачи деформаций преобразователя только в одну сторону формирует на излучающей поверхности гораздо более мощный акустический импульс, чем кольцевой магнитостриктор. Этот акустический импульс распространяется в направлении оси зонда и, падая на отражатель 2, рассеивается. В зависимости от формы отражателя и частоты излучения меняется угол раскрытия диаграммы направленности, хотя ее вытянутость вдоль оси зонда сохраняется, при этом, чем выше частота, тем более вытянутая диаграмма направленности 23 и 24 (фиг. 4). Такая форма диаграммы направленности излучателя благоприятна для возбуждения волн с кажущимися скоростями ниже 3000 м/с, ,т.е. поперечной и гидроволны, а также продольной в разрезах с низкой, менее 3000 м/с, скоростью этой волны. Учитывая фильтрационные свойства скважины, для возбуждения поперечной и продольной волн предпочтителен частотный диапазон 5-10 кГц. Частотный диапазон для возбуждения гидроволны 1-4 кГц выбран экспериментально на основе сопоставления мощности излучаемого акустического импульса и соотношения между амплитудами сигналов волн в волновой картине. При fMan. 1 кГц падает мощность излучения, при imn. 4 кГц ухудшается соотношение между амплитудами гидроволны (AL) и головными: продольной и поперечной волнами (Ар и As), Отношение As/Ар и AL/AS для данного излучателя в 3-5 и 5-10 раз соответственно выше, чем для обычного кольцевого. Приемник упругих колебаний, выполненный по крайней мере из двух электроакустических преобразователей, установленных в плоскости, перпендикулярной оси зонда, равномерно по оси окружности с центром, лежащим на оси Зонда, и соединенных последователь но, имеет более высокую чувствительность к симметричным относительно оси скважины фронтам волн (полезные волны трех перечисленных типов), чем к несимметричным (шум от движения прибора), обеспечивая тем самым увеличение отношения сигнал/помеха.

В силу вышеперечисленных качеств данного зонда он может быть использован

для волнового акустического каротажа и обеспечивать высокое качество регистрируемых параметров продольной, поперечной и гидроволны при сравнительно коротком зонде (до двух метров), что позволяет попы0 сить качество первичных материалов акустического каротажа за счет сокращения интервалов с неустойчивым выделением волн, которое имеет место при обработке волновых картин длинных зондов с тради5 ци,онными кольцевыми излучателями из-за низкого отношения сигнал/шум . Кроме того, данный зонд может обеспечить качественное измерение параметров волн при малом количестве приемных элементов в

0 группе (не более четырех), т.е. повысить производительность работ за счет увеличения скорости каротажа по сравнению с многоэлементными приборами волнового акустического каротажа с большим количеством

5 приемников.

Формула изобр.етения

1.Зонд скважинного прибора волнового акустического каротажа, содержащий магнитострикционный излучатель с обмот0 кой возбуждения, разделенной на секции, приемники упругих колебаний, установленные вдоль продольной оси зонда, а также акустические изоляторы, отличающий- с я тем, что, с целью повышения качества

5 первичных материалов волнового акустического каротажа при коротких зондах путем увеличения отношения сигнал/помеха и соотношения между амплитудами регистрируемых волн, зонд дополнительно содержит

0 пьезоэлектрический преобразователь с основной частотой излучения 10-30 кГц, установленный соосно с магнитостриктором, при этом последний выполнен по крайней мере из двух стержней, жестко скрепленных

5 одними торцами с опорой, а вторыми - с поршнем, установленным в сторону приемников упругих колебаний с возможностью перемещения относительно корпуса, перед поршнем размещен отражатель упругих ко0 лебаний, выполненный в виде половины эллипсоида вращения с соотношением осей 1:3, при этом его большая ось совпадает с продол ьной осью зонда, а основание жестко скреплено с корпусом, одна секция обмотки

5 возбуждения настроена на частоту 5-10 кГц, а вторая - на 1-4 кГц.

2.Зонд по п. 1,отличающийся тем, что каждый приемник упругих колебаний аыполнен по крайней мере из двух электро- акустических преобразователей, установленных в плоскости, перпендикулярной оси зонда, равномерно по окружности с центром, лежащим на оси зонда, и соединенных последовательно.

Использование: для геофизических исс- ледований скважин, а именно в аппаратуре акустического каротажа. Сущность изобретения: в зонде скважинногоПрибора волнового акустического каротажа магнитострикционный излучатель с обмоткой возбуждения разделен на секции. В узел излучателя дополнительно введен пье- зокерамический преобразователь с основной частотой излучения 10-30 кГц, установленный соосио с магнитострикто- ром. Последний выполнен по крайней мере из двух стержней 7, жестко скрепленных одними торцами с огцррой 8, а другими с поршнем 9, имеющим возможность перемещаться относительно корпуса 10.1 з.п. ф-лы, А ..... .. ЧТТГЧ Z 4 ил. «т Ю 00 3

ЛЛ° /

V

°

Дч

4-г-ор

20 10

Фиг. 1

24

: