Способ нелинейного акустического каротажа Советский патент 1993 года по МПК G01V1/40 

Изобретение относится к скважинным геофизическим исследованиям и может быть использовано для определения свойств пород в околоскважинном пространстве.

Цель изобретения - расширение области применения способа,

В предлагаемом способе за счет воздействия на нелинейную среду расходящейся цилиндрической волной со сходящимся волновым фронтом синтезирована объемная нелинейная антенна, представляющая собой область взаимодействия волны накачки с исследуемой средой. Эффективность излучения реализованной антенны неравномерна и максимальна в фокальной области сходящегося волнового фронта.

Сходимость волнового фронта обеспечивается формированием начальной апертуры акустической волны в виде зон Френеля, при этом задается Ьвязь между параметрами F, hn, А, где F - фокусное расстояние волнового фронта; hn - координаты границ зон Френеля; А - длина волны в среде на частоте высокочастотного заполнения f. Размер первой зоны определяется формулой

hi FaA (1) где а - коэффициент, учитывающий возможность распространения от центра и от

00

о

Јь Os

со

со

края зоны Френеля волн с разными геометрическими расходимостями.

При рассмотрении плоской зонной структуры и случаев, к ней сводящихся, например случая с цилиндрической симметрией при г0 Я, где г0 - начальный радиус апертуры, при заданных частоте f высокочастотного заполнения и размерах зон Френеля фокусное расстояние F целиком определяется значением скорости с объемных звуковых волн. В то же время фокусное расстояние F и скорость с определяют значение временной задержки Т между моментом времени, соответствующим переднему фронту излучаемого импульса, и моментам первого вступления низкочастотной волны:

Т -.(2)

Совместное решение уравнений (1) и (2) позволяет однозначно определить скорость с объемных звуковых волн.

При приеме низкочастотной волны так же, как и в прототипе, используют временное разделение между излучением волны накачки и приемом низкочастотной волны. Это позволяет избежать приема паразитного низкочастотного сигнала, образованного на нелинейности излучающих элементов, и однозначно принять низкочастотную волну, образованную при нелинейном преобразовании исходного сигнала в фокальной области системы.

На чертеже приведен вариант структурной схемы устройства, с помощью которого может быть реализован предложенный способ нелинейного каротажа.

Устройство содержит блок 1 генератора, выход которого через фильтр 2 высокой частоты соединен с размещенной в скважине приемоизлучающей антенной 3.

В конкретной реализации антенна 3 выполнена в виде зонной линзы Френеля и содержит подключенные к общей шине питания элементы 4. заполняющие апертуру. В четных и нечетных зонах элементы 4 подключены к шине питания противофазно. Каждый элемент 4 представляет собой электроакустический цилиндрический преобразователь, возбуждаемый на нулевой радиальной моде. Приемоизлучающая антенна 3 соединенная через фильтр 5 низкой частоты, блок 6 ключа с блоком 7 усиления и блоком 8 регистрации. Второй вход блока 6 подключен к управляющему выходу блока 1.

Предложенный способ нелинейного акустического каротажа реализуется следующим образом.

Возбуждают в скважине цилиндрически расходящуюся, протяженной апертуры, со

0

5

0

5

0

сходящимся волновым фронтом акустическую волну накачки с узким спектром в виде импульса или последовательности импульсов с низкочастотным, модулированным по амплитуде заполнением. Для этого формируют с помощью блока генератора 1 электрический сигнал в виде импульса или последовательности импульсов с высокочастотным, модулированным по амплитуде за- полнениемс параметрами, удовлетворяющими соотношениям

,. (3) где т- длительность импульса;

с - расчетная скорость звука в среде;

F - расчетное фокусное расстояние.

Сигналом, сформированным блоком генератора 1, через фильтр 2, который подавляет возможную низкочастотную составляющую, возбуждают элементы 4 приемоизлучающей антенны 3, В блок 8 сигнал не поступает, так как его частота лежит в области непропускания фильтра 5.

Фазовый фронт - акустической волны вдоль скважины сформирован по принципу зонной линзы Френеля, т.е. представляет собой набор чередующихся зон с противоположными фазами. Закон образования зон может иметь вид

hn V(F+JU )

(4)

5

0

5

0

где hn - координаты границ зон;

п 0,1,2...

Противофазное подключение элементов 4 достигается тем, что в четных зонах элементы 4 присоединяются к общей шине питания параллельно, а в нечетных - встречно-параллельно. Вследствие этого максимальный фазовый сдвиг между колебаниями, возбуждающими отдельными элементами 4, в фокальной области меньше л, а компенсация поля отсутствует, что обеспечивает высокую интенсивность акустического поля в фокальной области.

Принимают в области излучающей апертуры с помощью приемоизлучающей антенны 3 низкочастотную волну, являющуюся результатом нелинейного преобразования в фокальной области излученного импульса. Прием осуществляют в заданном временном интервале At:

2F/c At 2 F/ c+ r.(5)

Для этого сигнал с элементов 4 приемо- 5 передающей антенны 3 через фильтр 5 передают на блок 6 ключа. Блок 6, управляемый синхроимпульсом от блока 1 генератора, формирует временное окно At, во время которого полезный низкочастотный сигнал через усилитель 7 поступает на блок 8 регистрации. Затем измеряют с помощью блока 8 временную задержку Т между передним фронтом излучаемого импульса и первым вступлением низкочастотной волны (время нахождения переднего фронта на излучающей апертуре - to 0). Скорость с объемных звуковых волн в среде определяют по формуле

с V .

Т

где f - частота высокочастотного заполнения;

2hi - размер первой зоны Френеля.

Формула изобретения Способ нелинейного акустического каротажа, включающий возбуждение в скважине цилиндрически расходящейся акустической волны протяженной апертуры со сходящимся волновым фронтом и узким спектром в виде импульса с высокочастотным модулированным по амплитуде запол0

5

нением, прием в области излучающей апертуры в заданном временном интервале низкочастотной волны из фокальной области сходящегося волнового фронта, и определение характеристики среды по одному из ее параметров, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения способа, начальную апертуру расходящейся акустической волны формируют в виде зон Френеля, измеряют временную задержку Т между передним фронтом излучаемого импульса и первым вступлением низкочастотной волны, а о среде судят по скорости с объемных звуковых волн, определяемой исходя из соотношения:

.

2Т

где f - частота высокочастотного заполнения излучаемого импульса;

2hi - размер первой зоны Френеля; а - коэффициент геометрической расходимости.

Использование: в скважинных геофизических исследованиях. Сущность изобретения: способ позволяет измерять скорость объемных звуковых волн в среде. Это достигается синтезированием в среде объемной нелинейной антенны, представляющей собой область взаимодействия амплитудно- модулированной волны накачки (расходящейся цилиндрической волны со сходящимся волновым фронтом) с исследуемой средой, При этом формирование начальной апертуры акустической волны в виде зон Френеля обеспечивает однозначную связь между параметрами F, hn и А c/f, где F - фокусное расстояние волнового фронта; hn - координаты границ зон Френеля; А- длина волны в среде, При заданных частоте f высокочастотного заполнения и размерах зон Френеля фокусное расстояние F целиком определяется значением скорости с объемных звуковых волн. Это позволяет измерением времени задержки между передним фронтом излучаемого импульса и первым вступлением низкочастотной волны, являющейся результатом нелинейного преобразования волны накачки в фокальной области сходящегося фронта, определить скорость с объемных звуковых волн по формуле с hi 2f/Ta -где 2ni -.размер первой зоны Френеля; а- коэффициент геометрической расходимости. 1 ил. ел С