СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН Советский патент 1969 года по МПК G01V1/44 

Известен способ акустического каротажа скважин, при котором с целью определения скорости распространения поперечной волны в горных породах при «х естественном залегании .возбуждают и принимают импульсные колебания, Выделяя среди спектра колебаний обменные головные волны.

В настоящее время делаются попытки использования головных -волн, путь распространения которых в горной породе и условия образования которых определяются тем, что критический угол

а arc sin-- , V,

где V - Скорость распространения колебаний Б жидкости, заполняющей скважину; Vz - скорость распространения поперечных колеба-ний IB горной породе.

Величина Vi обычно равна 1500 м/сек. Следовательно, для горных пород, характеризующихся скоростями распространения лоперечных волн ниже 1500 м/сек, указанный способ измерения этих скоростей непригоден.

Цель настоящего изобретения - создание способа .измерения скоростей распространения поперечной волны во всем диапазоне изменения этой скорости в горных породах, включая в этот диапазон скорости распространения поперечных волн как ниже, так и выше 1500 м/сек,

Для решения этой задачи предлагается возбуждать на стенке скважины я принимать «а ней же импульсные поляризованные колебания, вектор смещения которых перпендикулярен образующей скважины и находится в плоскости, касательной к поверхности сквал ины (такие колебания называются поперечной волной типа SH).

Всл-едст&ие того, что скорости поперечной

Болиы меньше скорости продольной, а также некоторых других волн, полезные (поперечные) волны будут восприняты приемником позже волн-помех. Отсюда возникает задача выделения полезной (поперечной) волны на

фоне волн-помех с целью выведения поперечной волны в «первые вступления.

Для выбора способа решения этой задачи определим .вначале услов:ия измерения скоростей распространения поперечной волны в горных породах, с.тагающих стенку скважины.

Эти условия состоят в том, что в горной породе, слагающей стенку скважины, поперечная волна после ее возбуждения излучателем распространяется по стенке вдоль ее образующей, и достигнув точки, где располагается приемник поперечной волны, регистрируется в виде осциллограммы напряжений на экране электронно-лучевого осциллографа. Зная время распространения этой волны и базу измеКак излучатель, так и приемник касаются рабочими поверхностями стенки скважины. При таких условиях .из излучателя к приемнику лриходит не только прямая поперечная волна, но и следующие .возможные типы волн, если скважина пробурена в однородном, безграничном, изотропном твердом теле: а)прямые продольные волны по стенке скважины; б)прямые лоперечные волны по стенке сКВажины; в)прямые поверхностные .волпы по границе раздела «поверхность стен-ки скважины - буровой раствор ; г)любые из вышеуказанных типов волн, распространяющихся по винтовым линиям на цилиндрической границе «стенка сквал-сины - буровой раствор (винтовые волны); д)прямые волны по буровому раствору; е)волны, Многократно отрал енные от стенок скважины :И снаряда. Поскольку в любом твердом теле скорости распространения поверхностных .волн всегда меньше скорости распространения поперечной волны, то Поверхностные волны, пришедшие к пр.иемнику как по прямой, так и по винтовой линИ;и, придут позж;е прямой поперечной волны. Это же относится к винтовым нопереч-ным волнам. Следовательно, эти типы волн должны быть исключены «з разряда волн-помех. Остальные волны являются волнами-помехами в методе прямых поперечных волн. Эти волны следующие: а)прямые продольные волны; б)продольные .винтовые волны, приходящие раньше поперечных пря-мых волн; в)прямые волны по буровому раствору для случая, когда скорость распространения поперечной волны в горной породе меньше скорости распространения волны в буровом растворе. Сюда же следует отнести волны, многократно отраженные, так как способы борьбы с волнаМИ-помехамИ третьего типа одни и те же. Меры борьбы с волнами-помехами в сейсмике следующие: а)использование распределенных фильтров, основанных на различии в кажущихся скоростях волн различных типов (группирование фильтрации, скоростей и др.); б)применение сосредоточенных фильтров, основанных на различии в частотном составе различных волн; в)использование поляризационных признаков волн различных типов. Применительно К поставленной задаче первые два способа не могут быть использованы по следующим причинам. Распределенные фильтры требуют значительных баз измерения, исчисляемых, по крайней мере, метрами, что при ультразвуковом каротал е практически невозможно. Сосредоточенные фильтры не дают нужного эффекта, так как частотный состав волн различных типов в настоящее время недостаточно хорошо изучен, что не дает возможности спроектировать сосредоточенный фильтр, который гасил бы волну-помеху. По указанным причинам пришлось отказаться от первых двух мер борьбы с волна.мипомехами и остановиться на использовании различия поляризационных признаков. С этой целью были разработаны ультразвуковые датчики, специально предназначенные для ультразвукового каротажа на пря-мых поперечных волнах. Датчики, обладая поляризационными свойствами, позволяют применять У-У-схему наблюдений в скважине и, следовательно, выделить полезную волну на фоне волн-помех, различающихся по поляризационным признакам. Это дает .возможность практически полностью загасить пря.мую продольную волну и значительно загасить продольную винтовую волну .при указанных условиях измерения скоростей распространения поперечных волн. Подсчитаем, насколько эффективна борьба с волнами-по.мехами настоящим способом. Если датчики повернуты на один и тот же угол относительно линии, соединяющей излучатель с приемника.ми, то электрическое напряжение на выходе приемника будет следующим:ty /(-cos2a. где а - полярный угол при условии, что полярная ось перпендикулярна образующей для схемы У-У; Д - коэффициент пропорциональности. Для подавления продольных поляризационных волн-помех необходимо применять У-Усхему наблюдений. Пр.и этом полезная поперечная волна придет к приемнику с .максимальной интенси.вностью, которую мы примем за единицу без учета геометрического расхол дения. Последнее определяется множителем- , где L - база измерения. СледоваLтельно, амплитуда полезной волны на расстоянии L от излучателя будет пропорциональна следующей величине: /7 . JL L Продольная прямая волна при этом будет воспринята приемником с нулевой интенсивно/. 7t cтыofL -J. Таким образом, применение У-У-схемы наблюдений с использование.м указанных датчиков уменьшает до нуля интенсивность продольной волны и максимально подчеркивает интенсивность поперечной. /() «( D - диаметр скважины; m - число, указывающее, сколько раз путь данной винтовой вол«ы пересекал линию наблюдения. Случай т 0 соответствует прямой Продольной волне. Если учесть выражения (1) и (2), то отношение :|3 амплитуд прямой поперечной волны и нродольной вИНтовой волны будет следующее; .(- -rU+l fl (3) mr,D 1 I L 1 График зависимости |3 р - представлен на чертеже. Там же представлены параметры продольной и пря.мой поперечной волн. 11р,и (4) )/2 функция |3 минимальна и равна 2,6. Слева ог этой точки (.малые базы) рассматривае.мая функция растет значительно оыстрее, чем пр-и больших iDa3ax ,иЗ|Мерения. Это значит, что для лучшего подавления винтовых продольных волн выгоднее использовать .малые базы измерения. Однако при короткой базе из.мерении возрастают погрешности определения скорости распространения полезной .волны вследствие того, что горная порода на поверхности стенки .сквалсины в связи с мехаиическим воздействием на лее при бурении находится в несколько ином :механическом состоянии, че.м вдали от нее. Поэтому базы измерения желательно брать большими, иднако это в настоящее время технически трудно осуществить изза ограниченной чувствительности аппаратуры. с1конери,ментально на моделях, а также практикой ультразвукового каротажа на головных волнах установлено, что макси.мальная база из.мерения .не должна превосходить атримерно одного метра. При этом, ,как следует из чертежа, интенсивность поперечной .волны не более чем в пять раз превысить интенсивность продольной винтовой (, D 6 см). Для меньших баз это соотношение будет еще меньшим. Такое соотношение сигнал-щум, естественно, не может считаться удовлетворительным при выделении полезной поперечной волны только 1ПО динамическим признакам. Поэтому необходимо привлечение кинематических признаков полезных волн и волн-помех. Годографы tb и t винтовой продольной и пряМОй поперечной волн, очевидно, будут следующими: )I (-} Т V. где Vр и V - скорости распространения продольных и поперечных волн в породе, слагающей стенку скважины. Годограф is(f::} при Y 1 переходит в годограф прямой продольной волны. Па чертеже представлены все названные годографы в следующей безразмерной форме: ( ( Точка пересечения годографов полезной поперечной и винтовой продольной волн соответствует абсциссе 1 (9) Y7 она равна -, и слет г. D 1/довательно, совпадает с абсциссой минимума отношения интенсивностей поперечной и продольной винтовой волн. Если учесть сказанное относительно необходимости выбора больших баз измерения, то после рассмотрения годографов полезной и мешающих волн следует, что, во-первых, эти волны различаются по кажущи.мся скоростям, во-вторых, винтовая продольная волна при больших базах будет наблюдаться в первых вступлениях и, следовательно, будет мешать выделению поперечной волны. С оотношение сигнал - шу.м при этом будет не больше пяти, но и не меньше 2,6. Совместное использование указанных кинематических и дина.мических признаков позволяет более уверенно выделить полезную (поперечную) волну на фоне винтовых волн. Для лучшего использования кинематических признаков, очевидно, необходимо npinieHeHiie корреляционного принципа прослеживания указанных волн. Это, в свою очередь, требует применения многоэлементного каротажного зонда. Птак, из теоретического рассмотрения задачи выделения полезной поперечной прямой волны .на фоне помех в виде прямой и винтовой продольных волн следует, что первая помеха полностью уничтожается при использовании поляризационных ультразвуковых датчиков по схеме У-У наблюдений. Вторая помеха уменьшается, но не в достаточное число раз. Для уверенного выделения нолезной волны на фоне второй помехи необходим миогоэле.ментный каротажный зонд с большой базой измерений и с поляризационными датчиками. Что касается остальных волн-помех в виде прямой волны по буровому раствору, а также (Многократно отраженных волн от стенок ск.ваЖины и снаряда (зонда), то их можво уничтожить, если датчик акустически изолировать от бурового раствора.

msfJ) Предмет изобретения Способ акустического каротажа скважин, при котором возбуждают на стенке скважины и пр1ини1мают ультразвуковые импульсные колебании, отличающийся тем, что, с целью измерения скорости распространения поперечной волны во всем диапазоне изменення этой скорости в горных породах, проводят исследование с ПОМОЩЬЮ поляризованных импульсных колебаний, вектор смещения которых перпендикулярен образующей скважины « находится в плоскости, касательной к поверхности скважнны.