СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН Советский патент 1971 года по МПК E21B47/14 G01V1/40 

Изобретение относится к способам акустических исследований упругих свойств горных пород, пересекаемых буровой скважиной.

Известны способы акустического каротажа скважин, основанные на частотном анализе регистрируемых сигналов. Они позволяют определять ряд параметров, характеризующих акустический сигнал, как кинематических (интервальное время А/, интервальная скорость УИНТ и др.), так и динамических (амплитуды различных частей импульса, отношение амплитуд, видимая частота и др.), но обладают однако рядом существенных -недостатков.

При оценке эффекта затухания в исследуемой среде по отнощению амплитуд первых вступлений двух сигналов (или амплитуд других фаз) в данном случае определяют не истинный коэффициент поглощения а среды, а некоторый коэффициент акзж, связанный с а весьма сложным соотношением.

Связь между ашм и а определяется не только свойствами окружающей среды, но и параметрами применяемой аппаратуры, что делает результаты измерений несопоставимыми для различных модификаций аппаратуры, зависящими от типа излучателя и от изменяющегося в процессе каротирования спектра зондирующего импульса.

та, включая канал связи (каротажный кабель), причем влияние этих параметров в данном случае не исключается при регистрации отнощения амплитуд ввиду различного их воздействия на отдельные амплитуды одинаковых фаз или средние амплитуды сигналов с двух разнесенных по длине приемников. Кроме того, измеряемый параметр о:„зм практически характеризует эффект затухания для узкого

диапазона частот, соответствующего примерно преобладающей частоте сигнала, которая меняется не только от одной модификации аппаратуры к другой, но и от породы к породе. Определение основного кинематического параметра - интервального времени Д при использовании существующих способов имеет тот недостаток, что прп уменьщении амплитуды первого вступления ниже некоторого порога срабатывания дискриминационной схемы

происходит так называемый «перескок через фазу, вследствие чего интервальное время регистрируют со значительной погрещностью (до 30%). Потеря первой полуволны с амплитудой, обычно составляющей ничтожную долю

по отношению к амплитудам основной части сигнала, приводит таким образом к несоизмеримо большим погрешностям измерения интервального времени. Общий недостаток известных способов опреских параметров акустических сигналов - невозможность определения параметров поперечной волны, несущих значительную полезную информацию, в случае ее частичной интерф еренции с продольной волной. Наличие интерференции определяется при этом относительно малым разносом излучателя и приемников (увеличению которого цреиятствует ограниченная мощность излучателя), а также значительной длительностью зондирующего импульса.

Цель изобретения - повыщение точности определения упругих параметров горных пород, пересекаемых скважиной, с исключением влияния на результаты измерений изменения параметров зондирующего акустического импульса и параметров измерительного тракта, включая каротажный кабель.

Эта цель достигается тем, что в процессе каротирования непрерывно измеряют ио двум индентичным приемным каналам отнощения спектров разделенных во времени продольной и поперечной упругих волн, соответственно получают амплитудно- и фазочастотные характеристики исследуемых пород, по которым после функционального преобразования непосредственно определяют параметры затухания и скорости распространения упругих волн для щирокого диапазона частот в функции глубины каротируемой скважины.

При делении спектров определяют отнощения модулей и разности фаз спектральных компонентов двух акустических сигналов для дискретного ряда частот, что позволяет исключить влияние трактов усиления и передачи сигнала, включая изменяющиеся параметры канала связи - каротажного кабеля, так как на каждой частоте это влияние на спектральные компоненты сигналов одинаково. При этом достигается и независимость получаемых результатов от изменения параметров зондирующего акустического импульса.

По указанному отнощению модулей определяют не схизм, а истинное значение коэффициента поглощения а, причем это значение получают для щирокого диапазона частот. При этом появляется возможность выявления зависимости коэффициента поглощения а от частоты со.

Пнтервальное время определяют по разности фаз спектральных компонентов сигналов, т. е. по фазочастотной характеристике исследуемой среды, причем, как и динамические параметры,-для щирокого ряда частот. Это дает возможность определить такую ваншую характеристику среды, как дисперсия скорости.

Обязательным условием правильного определения Аг по разности фаз спектральных компонентов сигналов является обработка спгналов, начиная от момента излучения. При этом значения сигнала в промежутке от указанного момента до момента первого вступления учитываются как нулевые.

При использовании предлагаемого способа ощнбка измерения Д при зпачительном снижении амплитуды первого вступления и потере первой полуволны значительно меньще, чем при существующих способах измерения. Эта особенность данного способа дает возможность увеличить разнос излучатель-приемник (без увеличения мощности излучателя) и, таким образом, увеличить разрещенность чаписи волновой картины, что, в свою очередь, облегчает определение упругих параметров отдельно для продольных и поперечных волн путем их временного разделения.

С другой стороны, появляется возможность определять эти параметры и в тех случаях, когд,а невозможно временное разделение волн при больших длительностях зондирующего импульса и возникающей при этом интерференции.

Установлено, что частотные спектры продольной и поперечной волн являются разрещенными по оси частот: спектр поперечной волны находится в более низкой области частот, чем спектр продольной волны. Крайние участки спектра интерференционного сигнала примерно совпадают; в низкочастотной области - со спектром поперечной волны, а в высокочастотной - со спектром продольной волны. Это дает возможность при делении спектральных компонентов двух приемных сигналов с допустимой погрещностью получать характеристики исследуемых пород отдельно для продольной и поперечной волн.

При импульсном акустическом каротаже с использованием трехэлементного скважинного зонда (один излучатель - два приемника) на выходе аппаратуры после передачи по двум идентичным приемным каналам акустических

сигналов /() и /2(0- определяя отнощение их комплексных спектров SI(/CD) и 52(/сй), получаем

Q(.0(/«)). Si(yw)

значение функции геометрического расхождения на участке / между приемниками;

комплексная частотная характерика исследуемой породы на участке /

между приемниками.

Ф(/.)л(.)Г

где множитель

Л(ш) - ) I - J 1 ) I

Р |5i(l

является амплитудно-частотной характеристикой исследуемой породы на участке /, а ф(а)) ф2-ф1 - соответственно фазочастотной характеристикой; Р при неизменной геометрии скважины можно считать постоянным коэфКомплексную частотную характеристику среды определяют при этом как частное от деления комплексных спектров двух принимаемых акустических сигналов, соответствующих одному и тому же типу волны (раздельно для продольной и поперечной волн). Для этого в принимаемых сигналов продольную и поперечную волны разделяют во времени правильным выбором измерительной базы акустического зонда и малой длительности зондирующего импульса, а преобразованию подвергают продольную и поперечную волны раздельно с регистрацией значений амнлитудно- и фазочастотных характеристик исследуемых пород. Эти характеристики могут быть получены для ограниченных диапазонов частот и без временного разделения сигналов.

По получаемым значениям амплитудно-частотной характеристики Л (о) непосредственно определяют частотную характеристику затухания:

а(ш): - -1пА(ш),

а по значениям фазочастотной характеристики ф(со) определяют интервальное время:

, И Д/ф(о) 5Н,

А4(со)

где Air - интервальное время, соответствующее групповой скорости распространения упругих волн в скважине; А/Ф-интервальное время, соответствующее фазовой скорости распространения упругих волн в скважине. При этом непрерывное измерение по двум приемным каналам отнощений модулей и разностей фаз спектральных компонентов принимаемых упругих колебаний позволяет одновременно регистрировать с повыщенной точностью соответственно амплитудно- и фазочастотные характеристики исследуемых горных пород.

В то же время частотные характеристики среды более полно отражают ее реальные свойства, так как позволяют определять с повыщенной точностью комплекс упругих характеристик исследуемых горных пород (по одновременной регистрации коэффициентов поглощения и интервальных времен распространения упругих колебаний) в щироком диапазоне частот, что расширяет методические возможности акустического каротажа.

Полученные результаты можно регистрировать двояким образом:

а)в виде группы кривых (или соответствующих цифр) а (и)), А(а)) и т. д., относящихся к ряду фиксированных значений глубин, взятых с определенным щагом;

б)в виде кривых а,-, и т. д., соответствующих ряду фиксированных (i-тых) частот, записываемых в функции глубины (подобно обычным каротажным диаграммам).

Число характеристик и число фиксированных частот определяегся лишь числом каналов регистратора.

На чертеже представлена блок-схема устройства для автоматической обработки сигналов.

Принятые в скважинном приборе приемными преобразователями импульсные акустические сигналы /i(/) и /2(0 нреобразованные в электрические импульсы, после предварительного усиления и передачи по кабелю подаются в установленную на земной поверхности автоматическую измерительную аппаратуру. Пройдя через наземные усилители 1 и 2, акустические сигналы поступают в блоки 3 и 4 разделения продольной и поперечной PiSzPi волн в случае отсутствия значительного интерференционного наложения.

Разделенные сигналы подаются на анализаторы спектра 5-8. Анализатор спектра первого канала 5, 6 определяет модули и фазы спектральных компонентов сигнала ), аналнзатор спектра второго канала 7,8 - модули и фазы спектральных компонентов сигнала /2(0- С выходов анализаторов обоих каналов модули сигналов подаются в блок деления 9, 10, на выходе которого с учетом коэффициента расхождения получают значения отношения модулей 4((о)--значение ординат комплексной частотной характеристики Ф(/со) для дискретного ряда частот. С выхода блока деления сигналы поступают в блок преобразования 11,

где логарифмируются значения Л (to).

Одновременно сигналы с выходов анализаторов обоих каналов подают на измеритель 12, 13 разности фаз ф(и)). По снятой фазочастотной характернстике значения интервального времени А/(со) измеряют при помощи специального преобразователя 14, где производится операция дифференцирования (Зф(со)/(5(о или деления ф(ш)/(о.

Значения параметров/Ip s(u); rps( Vs() и )) для продольной и поперечной волн с выхода преобразователей // и 14 подаются на многоканальный регистратор 15, где записываются в функции глубины исследуемой

скважины.

Устройство может быть выполнено как в аналоговом, так и в цифровом виде.

При невозможности временного разделения искомые характеристики для волн и

определяются в ограниченном частотном диапазоне. При эгом на чертеже исключаются блоки, связанные с раздельной регистрацией волн: 3, 4, 6, 8, 10, 13, а блоки 5 и 7 анализируют спектры интерференционного

сигнала.

Предмет изобретения

1. Способ акустического каротажа скважин, основанный на частогном анализе регистрируемых сигналов, отличи ощийся тем, что, с целью повышения точности определения упругих пара.метров исследуемых горных пород и

изменения параметров зондирующего акустического импульса и параметров измерительного тракта но двум идентичпым приемным кана.там непрерывно измеряют отношения модулей и разности фаз спектральных компонентов продольной и поперечной упругих волн, разделенных во времени, соответственно получают амплитудио- и фазочастотные характеристики исследуемых пород, фуикционально преобразуют их, логарифмируя значения отношений модулей и дифференцируя но частоте значения разности фаз, и регистрируют коэффициеиты поглонцення и интервальные времена

распространения гфодольных и поперечных волн для широкого диапазона частот в функции глубины скважины.

2. Способ по п. 1, отличаюш ийся тем, что, с целью раздельного определения коэффициентов иоглош,ения и интервальных времен расиространения продольной и поперечной упругих волн в случае их частичного наложения, определяют эти параметры в частотных диапазонах, соответствуюш их крайним участкам частогной характеристики, получаемой при делении спектров интерференционных сигналов с двух приемников.

Лердыа канал Второй канал t t.f, JД,Д М Ajfu) 17 7