УСТРОЙСТВО для АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН Советский патент 1972 года по МПК E21B47/14 G01V1/00 

Изобретение относится к области промыСлово-геофизического исследования скважия, в частности к устройствам для акустического каротажа.

При акустическом каротаже в скважине генернруют акустические сигналы, которые проходят через пласты и принимаются в точке, удаленной от передатчика. Зная расстояние между .излучателем и приемником и время, требуемое звуковому сигналу на прохождение этого пути, можно- подсчитать скорость звука в пластах, которая вместе с другими показателями позволяет определить свойства этой формации. Аппаратура для каротажа состоит из излучателей и приемников, установленных на некотором расстоянии друг от друга на корпусе скважинного снаряда, который опускают в буровую скважину, заполненную буровым раствором и другими жидкостями.

Звуковая энергия распространяется как в виде колебаний, имеющих волну сжатия, так и в виде сдвиговых колебаний, а Скорость каждого вида колебаний зависит от среды, в которой они распространяются. Таким образом, результатом генерирования ненаправленного акустического сигнала является сжатая форма волны в бурильном растворе и сдвиговая и сжатая формы в стенке скважины и окружающей среде, причем каждая фор-ма волны имеет различную скорость. Эти виды колебаний накладываются друг на друга в растворе, стенке и на границах раздела пластов. Составная форма волны воспринимается приемником в виде сигнала сложной формы, поэтому трудно точно определить время поступления сигнала определенного вида.

Цель изобретения - создание устройства для акустического каротажа с блоком излучения, генерирующим некоторую .пространственную диаграмму или характеристику усилий, которые в свою очередь излучают в окружающую среду волновое иоле в соответствии с заранее определенной структурой или диаграммой направленности, и, следовательно,

повышение точности измерения и получение колебаний заданного типа.

Это достигается тем, что акустические преобразователи блока излучения размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси скважины, на равных расстояниях друг от друга по периферии скважины, образуя симметричные лары. Акустические преобразователи блока приема колебаний также расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси скважины, на равных расстояниях друг от друга по периферии скважины.

Блок приема нечувствителен к волновым полям, имеющим указанную выще заранее определенную структуру или диаграмму расствует в среде, симметричной относительно оси буровой скважины. Следовательно, оказывается возможным исключить или выделить все те эффекты и явления, которые имели бы место, если окружающая среда была бы симметричной. Таким образом, основные принимаемые сигналы - это сигналы, обусловленные неоднородностями в окружающей среде. Поскольку именно эти неоднородности и представляют интерес для геофизика-исследователя, то в соответстви с предметом изобретения предусматривается обнарзжение максимума интересующего сигнала с одновременным сведением до минимума обнаружения шума, поступающего непосредственно от излучателя к приемнику. Для опознавания или маркировки генерируемых волновых полей можно использовать большое число различных пространственных диаграмм распределения, но применяемые .при этом опознавательные признаки или характеристики следует выбирать таким образом, чтобы они не подвергались сильным искажениям и не подавались при прохождении волн через среду, окружающую буровую скважину. Диаграммы распределения, зависящие от времени, .например модуляция по частоте или по амплитуде, отнесенная ко времени, как правило, довольно сильно искажается при прохождении через окружающую среду, поэтому она не представляет существенлого значения. Предпочтительными являются пространственно зависимые диаграммы распределения воля. Из них выбирается диаграмма распределения крутильных вол.н, генерируемых воздействующими усилиями, являющимися тангенциальными к сторонам буровой скважины в точках на противоположных сторонах скважины. Это можно осуществить либо механическим путем, т. е. с помощью вращающегося груза или целого ряда грузов, ударяющих по выступам на противоположных сторонах внутренней полости скважины, либо использованием пар надлежащим образом ориентированных датчиков. При этом приемник может быть любого типа, например датчик инерционного движения, а количество приемников-излучателей не является -критическим (предпочтительно четыре или большее число .каждого из них). Изобретение предусматривает использование излучателя волн с положительной симметрией относительно оси буровой скважины в комбинации с приемником волн, имеющим отрицательную (т. е. зеркальное отображение или противоположный алгебраический знак) симметрию относительно скважины или наоборот. Таким образом, если волновая диаграмма от излучателя состоит из сил, направленных радиально относительно удаления от буровой скважины, то приемник выдает электрический сигнал как результат реакции на силы, воздействующие .на первую точку приема и в точке приема, расположенной прямо напротив (через ось) этой первой точки. Приемник выдает электрический сигнал, имеющий ту же самую амплитуду и противоположную полярность в случае, когда на приемник воздействует такое же и так же направленное усилие. Это имеет место во всех парах противоположных точек в любом месте на чувствительных участках приемника. Излучатель может иметь отрицательную симметрию, т. е. может создавать усилия, которые распространяются внутрь с одной стороны и наружу с другой или каким-то другим образом равны и противоположны с противоположных сторон генератора, в то время как соответствующий приемник может тогда иметь положительную симметрию, например, он выдает положительный электрический сигнал, когда на него воздействует усилие, направленное внутрь к скважине, и отрицательный электрический сигнал, когда на него воздействует сила, направленная наружу от скважины независимо от того, какие чувствительные участки детектора подвергаются воздействию. Аналогичным образом, детекторы могут быть различными и выбираться с учетом возможности обеспечения требуемой разрешающей способности.или требуемого опознавания данной пространственной диаграммы волн, которая генерируется. Наиболее удобными для использования в случае крутильных волн являются квадранты цилиндра из титаната бария. На фиг. 1 изображены излучатель и приемник в системе, работающей по принципу использования пространственной диаграммы распределения крутильных волн. На фиг. 2,а и б показаны две предпочтительные простран- . ствеиные диаграммы воля (на фиг. 2,а - диаграмма распределения .крутильных волн, а на фиг. 2,6 - пространственная диаграмма распределения волн, имеющих одинаковые усилия, направленные наружу от буровой скважины в точках, удаленных на одинаковых расстояниях друг от друга вокруг буровой скважины. На фиг. 3 представлен вариант прибора, в котором используются сегменты цилиндра из титаната бария для изготовления .излучателя и приемника. Устройство содержит скважияный .прибор Л работающий по принципу измерения отраженных сигналов, выполненный из длинной цилиндрической трубки или кожуха 2, подвещенного на тросе 3. Буровая скважина 4 заполнена буровым глинистым раствором или промывочной жидкостью. На корпусе устаовлены акустические преобразователи 5 н 6, оторые удерживаются кронщтейнами 7, приодящими эти преобразователи в прямой конакт со стенками буровой скважины при поощи прижимных пружин, размещенных внути корпуса. Преобразователи касаются скваины только в одной точке через конта.ктную оловку 8. Каждый из преобразователей

включает в себя три датчика, расположенных перпендикулярно друг к другу. Преобразователи 5 образуют бло,к излучения, преобразователи 6 - блок приема, установленный на некотором расстоянии от блока излучения и электрически соединенный при помощи кабеля ,с самописцем, находящимся на .поверхности земли. Акустические преобразователи блока излучения генерируют волну 9, которая, отразившись от неоднородности Ю, возвращается обратной волной //. Преобразователи блоков излучения и приема могут быть выполнены в виде квадрантев 12 и 13 цилиндрического датчика. При этом скважинный прибор снабжают центрирующим приспособлением 14.

Во время работы .прибор для регистрации отраж ндаыос сигналов (.Д1ля каротажа скваьжины), показанный ,на фиг. 1, генерирует соответствующий сигнал при подаче соответствующих пусковых сигналов и питания на передающие преобразователи 5. На стенку скваЖИ1НЫ через контактные головки 8 передаются результирующие усилия, которые могут быть направлены горизонтально и тангенциально к скважине (см. фиг. 2,а), наружу от центра скважины (см. фиг. 2,6) или же эти усилия могут быть ориентированы каким-то другим подходящим способом.

Таким образом, благодаря одновременной цодаче пусковых сигналов выбранной амплитуды и полярности на каждый из элементов преобразователя в каждом блоке с тремя датчиками, можно точно определить вектор точечного усилия, генерируемого каждым датчиком. Относительное суммирование или взвешивание сигналов для всех элементов датчика, необходимое для получения таких векторов сил, можно произвести легко, это зависит от ориентации каждого блока датчиков в корпусе.

Диаграмма тангенциальных усилий, показанная на фиг. 2,а, действует таким образом, что эти усилия оказывают крутящее или вращающее воздействие на скважину и тем саMibiiti вызывают волну сдвигающего усилия, которая распространяется через породу или образование. Поскольку диаграмма распределения усилий чисто тангенциальна и все векторы усилий действуют в одном и том же относительном направлении, т. е. в направлении по часовой стрелке, то не будет создаваться никаких сжимающих усилий. Так как эти силы действуют непосредственно на степки скважины, а не передаются через промывочную жидкость, то фактически не формируется никаких сильных сигналов, которые бы передавались этой промывочной жидкостью.

Однако относительно сильные волны могут передаваться либо вдоль обсадных труб, если эта буровая скважина обсажена, или через непосредственно прилегающее образование, окружающее буровую скважину. Эти большие усилия могут передаваться вниз к преобразователям блока приема сигнала.

Сигналы, которые передаются непосредственно от излучателя к приемнику, легко различаются используемыми преобразователями приема или способами комбинирования электрических сигналов, генерируемых различными электрическими датчиками в преобразователях 6.

Эта разрещающая способность и хорошее отношение сигнала (отраженных волн или

эхо, которые представляют интерес при измерении отражений к щуму, т. е. к непосредственно передаваемым сигналам) достигаются за счет комбинирования электрических сигналов, создаваемых отдельными элементами -

датчиками детектора, таким образом чтобы можно было бы исключить пространственно зависимые конфигурации волн такого типа, которые передаются непосредственно от излучателя к приемнику. Так, например, когда геиерируется конфигурация (диаграмма) крутильных волн, изображенная на фиг. 2,а, выходные сигналы с преобразователей 6 комбиниоуются путем вычитания доуг из друга сигналов, детектируемых ПРОТИВОПОЛОЖНЫМИ

элементами. Этот процесс отображен в виде нижних кружков, показанных на фиг. 2,а и б. На фиг. 2,« пунктирными стрелками указаньт составляющие или компоненты движения, которые после их восприятия детекторами дают

положительный электрический сигнал на выходе преобразователей блока приема. Стрелки кружка, относящегося к приему, на Фиг. 2,а и б ориентированы относительно стрелок, относящихся к излучению, таким образом,

чтобы в случае, когда волны, имеющие конфигурацию, показанную в кружке, относящемся к излучению, перелаются прямо вниз вдоль буровой скважины или вдоль окружающего нородообразовапия (вращением в СЛУчае фиг. 2,й или внешним расширением скважины в случае Фиг. 2,6), соответствующие преобразователи Фиксировали нулевой электрический выходной сигнал при приеме волн таких конфигураций. Конфигурация приема

согласно фиг. 2,6 может быть использована в комбиняиии с излучением согласно Фиг. 2,(7. а прием Фиг. 2,о хорошо сочетается с излучением, отображенным на фиг. 2,6.

Важно выбирать такие размещения или конфигурации приемников, которые позволяют опознавать волны, принятые непосредственно от излучателя, и определять волны, которые принимаются от отражений, вызываемых неоднородностями или отсутствием симметрии в окружающем породообразова тии. На фиг. 1 схематически иллюстрируется волна, распространяющаяся от преобразователей 5 и отражающаяся обратно от неоднородной

поверхности или от других геологических неоднородностей в направлении к преобразователю 6. Неоднородная поверхность может находиться на некотором значительном расстоянии, т. е. на расстоянии нескольких метров,

Возвращающаяся или обратная волна // отличается от волн, распространяющихся прямо от преобразователя 5 излучения к преобразователям 6 приема. Это особенно важно, поскольку практически никогда не бывает идентичным неоднородностей на точно .противоположных сторонах скважины и волна 11 не сопровождается равной и противоположной волной (или усилием), в то время как все волны, движущиеся непюсредственно между излучателем и приемником, в любом случае состоят из конфигураций или распределений усилий и каждое усилие сопровождается равным и противоположным усилием «а другой стороне скважины.

Так, например, на фиг. 3 показан вариант прибора, в котором преобразователи 6 выполнены из титаната бария в виде квадрантов 13 цилиндра. Эти преобразователи принимают сигналы через буровой глинистый раствор и .передают их по .кабелю на поверхность для .последующей записи самописцем. Этот приемник может быть использован с излучателем, изображенным на фиг. I, когда следует генерировать .крутильные волны типа, показанного на фиг. 2,6, поскольку буровой глинистый раствор действует как механический подавитель или ослабитель, препятствующий крутильным волнам достигнуть .преобразователей. Таким образом, может быть использована как механическая так и электрическая .комбинация.

На фиг. 3 в приборе для регистрации отраженного сигнала используются аналогичные квадранты из кристаллов титаната бария, которые действуют как излучатели вместо преобразователей 5 блока излучения согласно фиг. I. В результате получается удобный измерительный прибор для записи отраженных сигналов, который не требует соприкосновения со скважиной и поэтому может легко подниматься и опускаться. Правда в данном случае используют центрирующее приспособление для удержания прибора в .положении, соосном со скважиной.

Излучатель, изображенный на фиг. 3, не может генерировать пространственную конфигурацию волн, показанную на фиг. 2,а, но он оказывается весьма удовлетворительным при .работе с волнами, имеющими пространственную конфигурацию или распределение, представленное на фиг. 2,6, и с другими различными конфигурациями, которые приходиться выбирать в соответствии с конкретными геологическими условиями.

Устраняя основной источник помех, а именно прямую передачу сигналов между излучателем и приемником, предлагаемое устройство обеспечивает обнаружение и изучение отраженных сигналов, имеющих очень небольшую амплитуду. Поскольку совершенно однородные образования не вызывают отражения сигналов и только отраженные сигналы детектируются (обнаруживаются) с помощью предлагаемых способов, то приему подвергаются только те сигналы, которые достаточно показательно характеризуют неоднородности в породе.

Возможны и другие различные конфигурации волн, при этом получают максимум информации, благодаря генерированию серии различных конфигураций или распределений

волн путем изменения в каждом конкретном случае размещения датчиков таким образом, чтобы они не могли принимать генерируемые в данный момент волны соответствующего пространственного распределения.

Предлагаемое устройство может найти применение и при других способах сейсмографических исследований и каротажа буровых скважин, можно изменять расстояние между излучателем и приемником, отдельно записывать сигналы от каждого дaтqикa детекторного блока с последующим их суммированием вычислительной машиной, при этом могут быть использованы также я волны переменной частоты и т. д.

Предмет изобретения

1.Устройство .для акустического каротажа скважин, содержащее скважинный прибор с

блоком излучения и блоком приема акустических сигналов, размещенными на некотором расстоянии друг от друга вдоль оси скважины, и регистрирующий прибор, отличающееся тем. что, с пелью получения заданного типа колебаний, акустические преобразователи блока излучения размещены попарно симметрично относительно оси скважины на равных расстояниях один от другого по периферии скважины и расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси скважины, а акустические преобразователи блока приема также размещены попарно симметрично относительно оси скважины на равных расстояниях один от другого по .периферии скважины и расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси скважины.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что акустические преобразователи выполнены

точечными.

3.Устройство по п. I, отличающееся тем, что акустические преобразователи выполнены в виде квадрантов цилиндрического датчика.