УСТРОЙСТВО для АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН Советский патент 1969 года по МПК E21B47/14 G01V1/00 G01H15/00 

Изобретение относится к области промыслово-геофизических исследований сквал :ин и позволяет увеличить объем и точность информации, получаемой при акустических исследоваииях скважин. Одной из актуальных задач при акустическо,м каротаже является разделение различных типов волн, так как максимум информации несет вся волновая картина, состоящая из продольных, полереч ых, поверхностных волн и др. Особый интеpec представляет поперечная волна, которая благодаря своей специфике несет информацию, которую другие типы волн нести не мОгут. Пацример, при распространении упругой Болнь в трещиноватой пораде нри определенно ноложении трещин по Отношению к ,на1иравлению распространения упругой энергии поперечная волна практически )ie нроходнт сквозь трещины и отсутствие се свидетельств} ет о трещиноватости, если изучасл1ый разрез плотный, ио исчезновению пОПеречнОГ волны судят также о наличии глин.

1-1звестная ацпаратура для акустического каротажа, содержащая скважинный прибор, в герметичном корпусе которого размещены электрические и механические узлы, комленсатор давления, акустические излучатели и нриемникн, систему возбуждения излучателей, блоки синхронизации, усиления, вычисления и регистрации волновой картины, расположенные на наземной панели, не обеспечивает достаточно четкого выделения различных типов волн. С ее помощью нельзя точно определить ни амплитуду, ни скорость поперечной волны.

Предлагаемое устройство позволяет раздельно регистрировать различные типы волн: продольную, поперечную, волну Лэ.мба и т. д. благодаря тому, что в скважинном приборе акустические приемники размещены на прело.гляюн;ей пластиие, один на торце и полностью изолирован от окружаюн1,ей среды, а второй-на внутренней ее поверхности, обран1,е)1ной к корнусу, причем нреломляющая пластина щарнирно связана с корпусом и электромеханической передачей, связанной со следящей системой, по команде .которой нреломляюн;ая пластина устанавливается в скважине нод таким углом, когда продольная головная волна падает на поверхность пластины нормально и регистрируется приемником, укрепленным на внутренней поверхности, и интересующая волиа, например поперечная волна или волна Дэмба, преломляется в лластине под первым критическим углом и регистрируется приемником, укрепленныл на торце иластины.

прибор и его механическая часть; на фиг. 3 приведена схема хода лучей упругих воли в заполняющей скважину жидкости, горной иороде и прелОМляющей пластине.

Предлагаемое устройство состоит из скважииного прибора п наземной панели, связанных каротажньш кабелем.

Скважи.нный прибор размещен в скважине 1 и состоит из корпуса 2, излучателей 3 w. 4, преломляющей пластины 5, приемника 6, укрепленного на внутренней поверхности пластины, прие.лшика 7, у|Кренлен.ного на его торце, источника 8 опорного напряжения синусного потенциометра 9, редуктора 10, электродвигателя 11 и редуктора 12. Наземная панель содержит блок 13 синхронизации, блок 14 вычисления скорости продольной волны, регулятор 15 понска, схему сравнения 16, усилитель 17, блоки 18-23 вычисления скорости поперечной волны, схему сравнения 24, коммутатор 25, блок 26 питания усилителя, мультивибратор 27, линейный усилитель 28, селектор 29, преобразователь 30 амплитуда-длительность импульса, калибратор 31, интеграторы 32-33, капал записи амплитуд, включа ощий одпотииные блоки 34-40, коммутатор 41, схему деления 42, схему вььчитания 43 и линии связи 44-52.

На схеме механической части сквал инного прибора преломляющая пластина 5 шарнирно связана с корпусом нрибора, а связана с тягой 53. Второй конец тяги шарнирно соединен с матричной гайкой 54, удерживаемой от проворота относительно корпуса шпонкой 55. Ходово.й винт 56, с которым связана матричная гайка, получает вращение через понижающий редуктор 57 от электродвигателя 58. Нолость 59, в которой размещены механические узлы, за.полнена электроизоляционной жидкостью и отделена от скважинной жидкости эластичным компенсатором 60, уравно,вешивающем давление в полости. Ко-рпус прибора рессорами 61 прижимается к противоположной от преломляющей пластины стенке скважины. Сменные буферы 62 защищают корпус прибора от истирания о стенку скважины. Изолятор 63 задерживает упругую волну, передаваемую от излучателей 3 и 4 по жесткому корпусу прибора. Нреломляющая пластина 5 с приемником 7 снабжена акустической изоляцией 64 по всей наружной повер.хности за исключением небольшого участка А. Последнее обусловлено необходимостью исключить возможность прямого попадания волн на приемник 7, минуя прелоМляющую пластину.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

ИзвестпО, что при возбуждении акустического излучателя упругий импульс образует в породе несколько типов волн (продольную, поперечную и т. д.), причем та часть падающей энергии, которая распространяется под первым и вторым критическими углами, образует так называемые скользящие волны.

Последние, рагспространяясь в довольно тонко:м слое вдоль стенки скважины, образуют в буровом растворе головные волны. На определенном расстоянии от излучателя эти 5 волны будут распространяться к центру скважины под углами, равны.ми углам их образования, т. е. под первым и вторым критическими углами. Как известно, величины критических углов определяются из условия

0с;..Sm 0((1,2):: -- ,

VnopCp.i)

где 2к(Ь2) - критический угол, соответственно первый или второй; VC.H - скорость звука в скважинной жидкости; Vnop(,)..$)-скорость звука в породе соответственно для продольных и поперечных волн.

0 Так как обычно скорость распространения поперечной волны для горньих. пород при.мерпо в два раза меньше скорости распространения продольной, то критический угол для S-волны (второй) будет примерно в два -раза

5 больи1е критического угла Р-волны (первого).

Таким образом, если повернуть преломляюп 1,ую пластину 5 с укрепленным на ее то1рце

приемником 7 так, чтобы продольная волна

РРР падала нормально к поверхности преломляющей пластины, то поперечная волна PSP образует с поверхностью преломляющей пластины либо первый критический угол, либо угол, близкий к первому критическому. В обоих случаях в преломляющей пластине

5 будет распространяться возмущение, вызванное только поперечной волной PSP, так как продольная волна РРР в этом случае отразится от раздела «скважинная жидкость прело1мляющая пластина и «пластина -

0 скважинная жидкость.

Устройство действует следующим образом.

Блок 13 синхронизации вырабатывает разнополярные тактовые импульсы, сле.дующие

с частотой 25 гц, которые по, одной из жил 52

5 кабеля поступают в скважинный прибор и используются для раздельного возбуждения ультразвуковые излучателей 5 и 4.

Сформированные излучателем упругие импульсы проходят через участок породы, прилегающий к скважине, и улавливаются приемником 6, регистрирующим практически все типы волн, возникающих в скважине при любом наклоне пластины 5. Первые вступления принятыхколебаний будут соответствовать продольным типам волн, имеющим наиболее высокие скорости распространения. В наземном блоке 14, куда поступают эти колебания, преобразованные в электрические сигналы, в результате обработки их любым

из описанных в литературе способов вырабатывается постоянное напряжение, пропорциональное временному интервалу Д/РРР между моментами появления на приемнике 5 первых вступлений от ближнего TIPPP и

напряжение через регулятор 15 поиска и комМутатор 25 подводится к однОМу из входов схемы сравнения 16, ко второму входу которой из окважинного .прибора по линии связи 44 подводится напряжение со щетки синусного потенпиометра 9, подключенного к исто чнику 8 опорного напряжения. Подвижный контакт потенциометра 9 связан через редуктор W с валом электродвигателя 11, используемы.м для перемещения преломляющей пластины 5, поэтому изменение выходного напряжения потенциометра 9 будет происходить синхронно с изменением угла наклона пластины 5. Причем при равномерном .повороте пластины 5 выходное напряжение потенциометра 9 будет изменяться по синусоидальному закону.

Пз литературных источников известно, что в большинстве плотных горных пород, представляющих в основном интерес для исследования, отношение скорости продольной волны к скорости поперечной равно примерно 2.

Поэтому, отрегулировав выходное напряжение блока 14 с помощью регулятОра 15 та-ким образом, чтобы оно было в два раза больше при одних и тех же длительностях импульсов, подаваемых в каналы вычисления скоростей продольной (блок 14) и поперечной (блоки 18-23) волн, чем выходное напряжение схемы вычитания 23, формирующей постоянное напряжение, пропорциональное времени пробега Afpsp поперечной в.олны на базе 5, можно грубо считать, что выходное на-пряжение блока 14 во всех скоростных разрезах будет равно напряжению схемы вычитания 23, величина которого согласована с на1цряжением потенциометра 9.

Предположим теперь, что прибор 2 находится против пласта с определенной скоростью и, , а пластина 5 занимает произвольное положение, соответствующее, например, приему поперечной волны с более высокой скоростью.

Тогда величина напряжения, снимаемого с потенциометра 9, меньше, чем на регуляторе 15, и на выходе схемы сравнения 16 появится сигнал рассогласования, который поступает на питаемый от блока 26 усилитель 17, вырабатывающий напряжение (например, с изменяющейся фазой), заставляющее вращаться двигатель // таким образом, чтобы.в результате перемещения пластины 5, передавае.мото ей от двигателя // через редуктор 12, угол наклона пластины у:,1еньшался. Одновременно начнет перемещаться подвижный контакт потенциометра 9, вызывая увеличение напряжения, поступающего по линии связи 44 на схему сравнения 16. Когда оба сравниваемых напряжения достигнут при.мерно одинаковых величин, двигатель остановится.

Для более точной настройки утла наклона пластины на вход схемы сравнения 16 с по.мощью коммутатора 25 при достижении близких значений напряжений, поступающих на схему сравнения 24 от регулятора 15 и схемы вычитания 23, автоматически подключается напряжение схемы вычитания. При перемещении прибора в другой, например, более высокоскоростной участок скважины напряжение схе.мы вычитания 23 окажется меньше, чем на щетке потенциометра 9, и на выходе усилителя 17 появится напряжение, заставляющее вращаться вал двигателя // в обратном направлении.

При значительном уменьшении амплитуд поперечной волны, что oжeт иметь место на участках скважины с развитой трещиноватостью пород, в глинах или по другим причинам, ап1паратура может оказаться не в состоянии регистрировать сигналы от поперечной волны, и на выходе схел1ы 23 появится неоправданно завышенное нанряженис. Это

приведет к появлению на выходе схемы сравнения 24 разностного сигнала. Величина сигнала будет достаточна для срабатывания коммутатора 25, который подключит к схеме сравнения 16 выход блока 14.

При перемещении зонда в участок скважины с достаточно интенсивными амплитудами поперечных волн на вход схемы сравнения 16 вновь подключится выход блока 23 описанным выше способом.

Следует отметить, что при необходимости можно вручную с помощью регулятора 15 произвести поиск наиболее оптималь}1ого положения пластпны 5 для приема тех или иных тИПов волн и затем уже перейти на авто атическое слежение.

Регистрация в р е м е и и пробега п о п е р е ч и о и вол н ы Afpsp .

Сигналы, иоступающие от приемника 7 по

линии связ;1 46 на усилитель 18, усиливаются и первым вступлением зарегистрированной волны опрокидывают мультивибратор 19, ранее возбужденный тактовыми импульсами от блока 13. Сформированные мультивибратором 19 прямоугольные импульсы, дл1 тельности -которых будут пропорциональны временам пробега поперечной волны между приемником 7 и одним из излучателей 3 и 4, через коммутатор 20 подаются на интеграторы 21 и 22, преобразующие длительности импульсов в постоянное напряжение. Выходы интеграторов 21 и 22 подключаются к схеме вычитанпя 23, позволяющей получить разностные напряжения, пропорциональные иптервальному времени:

А fpsp T-2PSP - TIPSP .

Разностное напряжение так же, каки напряжение с выходов интеграторов 21и 22, могут пода1ваться для регистрации насамописец или другой прибор.

3 а п и с ь а м п л и т у д ы поперечно и

(.1 PSP ) и п р о д о л ь н о и (Аррр ) ПВО л н .

ным усилителем 28 и проходит через селектор 29, отпирающийся стробимпульеами длительностью 100 мксек, формируемыми мультивибратором 27, .KOiTopbifi запускается задним фронтом им.пульсоВ от мультивибратора 19, соответствующим во времени моменту появления первого вступления поперечной волны. С выхода селектора 29 си.гналы поступают на преобразователь «амплитуда - длительность импульса и через калибратор 31 на интеграторы 32 и 33, преобразующие длительность импульса .в постоянное напряжение.

Совершенно аналогично работает и канал записи амплитуд продольной волны, (включающий од1ноти:пны;е блоки 34-40.

Выходные напряжения с блоков 32, 33, 39 и 40 по линиям связи 48, 49, 50, 51 подводятся к коммутатору 41, который позволяет подать на схему деления 42 или схему вычитания 43 лЮбую комбинацию указанных напряжений например, можно- получить разность напряжений APSP - Аррр , их отношеР5Р

ние или другие комбинации.

Лррр

С выходов блоков 32, 33, 39, 40, 42, 43 напряжения могут быть поданы на самописец.

Следует отметить, что предлагаемое устройство может использоваться также в значительно упрощенном варианте, например, при моделировании акустических задач,

Предмет изобретения

Устройство для акустического каротажа скважин, содержащее скважинный прибор, 5 включающий герметичный корпус, в котором размещены электрические и .механические узлы прнбора, компенсатор давления, aiKycTHческие излучатели и приемники, систему возбуждения излучателей, электромеханическую

0 передачу и рычажную прижимную систему, а также наземную панель, включающую блоки синхронизации, усиления, вычисления и регистрации волновой картины, отличающееся тем, что, с целью уверенной раздельной регистрации различных типов волн, например продольных, поперечных и волн Лэмба, в скважинном приборе акустические приемники размещены на прело.мляющей пластине, один на торце и полностью изолирован от окружающей среды, а второй на внутренней ее поверхности, обращенной к корпусу, причем прело.мляющая пластина щарнирно связана с корпусом и электромеханической передачей, связанной со следящей системой, по команде

5 которой преломляющая пластина устанавливается в скважине под таким углом, когда продольная головная волна пада.ет на поверхность пластины нормально и регистрируется приемником, укренленным на внутренней поверхности, а интересующая волна, например поперечная головная волна или волна Лэ.мба, преломляется в пластине под первым критическииМ углом и регистрируется приемнико м, укрепленным на торце пластины.

fus 3