Ультразвуковой импульсный способ исследования буровых скважин и устройство для его осуществления Советский патент 1978 года по МПК G01V1/44 

Изобретение отиосится к геофизическим методам исследования буровых скважин, точнее к методам акустического каротажа, основанным на регистрации коэффициента отражения или прохождения акустической энергии на границе раздела согласующий профиль акустического преобразователя - исследуемая гор- пая порола, вскрытая буровой скважиной. Оно предназначено для детального изучения литологического разреза буровых скважин с целью определения физико-механических характеристик, слагающих его пород. Как спосо : измерения скорости распространения акустических колебаний и плотности иселедуемого вещества оно может найти применение при изучении физико-механических характеристик различных материалов, обладающих значительным затуханием акустической энергии и имеющих односторонний доступ к своей поверхности, например в строительстве и в химии. Известны способы акустического каротажа, основанные на регистрации коэффициента отражения или прохождения акустической энергии на границе раздела согласующий профиль акустического преобразователя - исследуемая горная порода, вскрытая скважиной. Известен импульсный ультразвуковой способ исследования .отвердения минералов и устройство для его реализации 1. Известен также способ для контроля пористости горных пород, вскрытых буровыми скважинами 2. Установками, состоящими из генератора имнульсов, пьезоэлектрических или магнитострикционных излучателей и приемников, размещенных в защитном покрытии, усилителя, детектора, интегратора, размещенных в корпусе скважинного прибора (в некоторых устройствах, работающих по этому принципу, часть схемы усилителя, детектор и интегратор размещены в наземном пульте), соединенного со схемой наземного прибора каротажным кабелем, регистратора, регистрируется сигнал, пропорциональный коэффициенту отражения или прохождения акустической энергии на границе раздела согласующий профиль акустического преобразователя - исследуемая горная порода. При этом под согласующим профилем акустического преобразователя подразумевается защитное покрытие, выполненное из износостойкого материала (металл, полимер), а также слой бурового раствора, ограниченный с одной стороны поверхностью защитного покрытия, а с другой - поверхностью исследуемой горной породы, вскрытой скважиной. Заи.1итное покрытие звукоизолировано от корпуса скважинного прибора резиновыми уплотнителями 1, 3. В этих установках по данным измерения коэффициента отражения или прохождения акустической энергии по известным соотношениям Френеля для нормального падения акустической энергии на границу раздела вычисляют значения удельных акустических сопротивленийо; c)V для всех точек разреза скважины, где (S - плотность горной породы, V - ско рость распространения в ней акустических колебаний (волн). Формула Френеля записывается следующим образом ,, /6л) где R - коэффициент отражения по энергии; 6J I и 6J: - акустические сопротивления согласующего профиля и горной породы соответственно. Собственная частота излучателей и приемников f при реализации известных способов измерения довольно высокая - от 0,1 до 1,5 МГц, что связано с необходимостью работы при соотношении (d- наружный диаметр защитного покрытия). При соблюдении этого условия излучатель можно считать источником «плоских волн и результаты измерения коэффициента отражения не зависят от частоты. При реализации способа 3 используется акустический преобразователь, в котором излучатель и приемник совмещены, либо находятся на расстоянии один от другого не больщем длины волны. В первом случае преобразователь сначала работает как излучатель, а затем - как приемник 4. При этом регистрируется сигнал, пропорциональный коэффициенту отражения по энергии т.( 2 где и - амплитуда сигнала в MB; А и В - постоянные коэффициенты, определяемые конкретной конструкцией и типом излучателя, а также характеристиками направленности излучателя и приемника. Формула (2) получена путем преобразования соотношения (1). Значения коэффициентов wi, А и В определяют при калибровке прибора, осуществляемой путем измерения амплитуды сигнала при соприкосновении датчика с поверхностью трех сред с известными значениями акустических сопротивлений. Эталонировку также можно проводить в опорных геофизических скважинах, в которых известны акустические сопротивления слагающих надрез скважины пород. Процесс измерения происходит следующим образом. Электрические радиоимпульсы (импульсы) с генератора поступают на акустический преобразователь, работающий в этот момент в режиме излучения. Преобразователь трансформирует электрические радиоимпульсы в акустический сигнал, который через слой бурового раствора проходит на границу раздела буровой раствор - исследуемая среда. На этой границе происходит частичное отражение и прохождение акустической энергии. Отраженная энергия попадает на тот же преобразователь, работающий в этот момент в режиме приема. Преобразователь трансформирует акустический сигнал в электрический импульс напряжения, который после усиления и детектирования попадает на интегратор. Выход интегратора через кабель соединен с автоматическим каротажным регистратором. Сигнал регистратора пропорционален коэффициенту отражения. Из соотношения (2) находят значение акустического сопротивления исследуемой горной породы. Устройство 4 позволяет определять как коэффициент отражения, так и прохождения акустической энергии; в нем предусмотрена работа с раздельно размещенными излучателем и приемником ультразвука. Недостаток известного способа акустического каротажа заключается в том, что в ходе измерений определяется удельное акустическое сопротивление, т. е. произведение скорости распространения акустических колебаний в горной породе на ее плотность. В ряде случаев для решения задач определения физико-механических характеристик горных пород, для определения пористости по более простой методике, трещиноватости, зольности углей и других сходных задач, а также для привязки данных сейсморазведочных наблюдений к опорным скважинам сейсморазведочных профилей необходимо раздельно определять значения скорости и плотности для каждой точки разреза скважины. Для такого раздельного определения скорости и плотности применяют для исследования буровых скважин комплекс геофизических методов, включающий в себя акустический каротаж, рассмотренного выше типа, и радиоактивный каротаж по гамма-гаммаплотностному методу. Последнее приводит к значительному увеличению времени проведения работ на скважинных и тем самым к удорожанию геолого-разведочных работ. Кроме того, как аппаратура акустического каротажа, так и аппаратура радиоактивного каротажа содержит больщое количество дополнительных к блокам каротажной станции наземных блоков, не входящих в комплект каротажных станций. Это усложняет процесс проведения работ, так как увеличивает время на компановку и настройку измерительной аппаратуры. Целью изобретения является обеспечение однозначного и раздельного определения плотности исследуемой горной породы и скорости распространения в ней акустических колебаний. Это достигается тем, что в известном способе определения коэффициента отражения или прохождения акустической энергии на границе раздела согласующий профиль акустического преобразователя - исследуемая горная порода, вскрытая скважиной, включающем операции возбуждения электрического импульса. рансформирования электрического импульса в акустический сигнал, приема отраженного акустического сигнала и трансформирования io в электрический импульс напряжения, усиления на заданной частоте, детектирования, интегрирования, коэффициент отражения или прохождения по энергии акустических колебаний определяют для двух значений фиксированных частот fi и f2, выбор которых ограничен соотношением , где d - диаметр излучателя, приемника или их защитного покрытия. Расстояние между излучателем и приемником может изменяться в пределах от О до 2 где А-длина волны ультразвука в исследуемой горной породе. Для упрощения измерительной аппаратуры частоты, на которых производят измерение, выбирают кратными друг другу. Для раздельной записи кривых, пропорциональных, соответственно, скорости распространения ультразвуковых волн (или плотности - зависит от системы вычисления) и акустическому сопротивлению в исследуемой горной породе, фиксированные частоты находят из соотнощений:iiclz 1 и i VV Для получения достоверных и сравнимых результатов для проведения измерений применяют одностороннее направлению излучателя и приемника ультразвука, располагаемые на фиксированном расстоянии от стенки скважины либо прижимаемые к ней. Определение коэффициента отражения для двух значений фиксированных частот, выбор которых ограничен приведенными выше соотношениями, позволяет однозначно и раздельно определить плотность исследуемой горной породы и скорость распространения в ней акустических колебаний, а использование в ходе измерений кратных частот - значительно упростит измерительную аппаратуру (за счет выделения кратных гармоник из сигнала основной частоты) и значительно упростит вычисление измеряемых параметров. Для реализации предложенного способа измерения предлагается устройство для ультразвукового импульсного каротажа буровых скважин. Цель его - однозначное и раздельное определение плотности исследуемой горной породы и скорости распро.транения в ней акус тических колебаний путем одновременной и раздельной регистрации коэффициента отражения или прохождения акустической энергии для двух значений фиксированных рабочих частот. Это достигается тем, что в известное устройство дополнительно включены последовательно соединенные усилитель-расширитель входа с двумя делителями напряжения на выходе, избирательный усилитель, настроенный на вторую фиксированную частоту, второй детектор и калибратор, а в наземный пульт включены второй интегрирующий каскад, пь ход которого через блок компенсации и выбо)а масцлг1()а записи соединен со вторым каналом каротажного регистратора, устройство включения калибратора и управления его параметрами, второй блок компенсации и выбора масштаба записи, через который интегратор первого канала соединяется с первым канало.м каротажного регистратора. Калибратор выполнен по схеме замещения акустических преобразователей, содержащих параллельно соединенные индуктивности, емкости и сопроткзления, в которых индуктивности, имитирующие каждая соответственно излучатель и , включены по трансформаторной схеме и к обмотке индуктивности, которая соответствует приемнику, подключено параллельно-активное переменное сопротивление, расположенное в наземном пульте и отражающее проявление влияния характеристического акустического сопротивления исследуемы.х горных пород, слагающих надрез скважины, на показания регистрирующего прибора. На чертеже изображена структурная схема устройства для ультразвукового liMriy.ibCHoro каротажа буровых скважин. Устройство содержит генератор импульсов I, раздельно совмещенный излучатель-приемник 2, фильтр-расщиритель динамического диапазона 3, усилитель-расширитель в.ода 4, избирательный усилитель 5, настроенный на первую фиксированную частоту, избирательный усилитель 6, настроенный на вторую фиксированную частоту, детектор 7 первого канала, детектор 8 второго канала, скважинное устройство 9 телеметрической передачи информации с уплотнением каналов связи, калибратор 10, упоры 11 для выдерживания заданного расстояния между поверхностью преобразователя и стенкой скважины, прижимное устройство (пружина) 12, стенку скважины 13, корпус скважиииого прибора 14, каротажный кабель 15 с соединительными разъе.мами, наземное устройство 16 телеметрической системы передачи информации с разделением уплотненных в скважинном приборе каналов, интегрирующий каскад 17 первого канала, интегрирующий каскад 18 второго канала, блок компенсации 19 и выбора масштаба записи первого канала, блок компенсации 20 и выбора .масштаба записи второго канала, двухканальный регистратор 21, каротажной станции любого типа, либо два автоматических самопишущих электронных потенциометра, прослой песчаника 22, прослой аргиллита 23, прижимную, гайку 24, резиновое уплотнительное кольцо 25, защитное покрытие акустического преобразователя 26, контакты 27, 28, резистор 29, контакты 30, 31, реле 32. Предлагаемый способ измерения основан на том, что известное соотношение (1), в которое входит в качестве параметра удельное акустическое сопротивление сред справедливо только для распространения плоских волн, источником которых может быть либо порщень, диаметр которого много больше длины волны л, либо излучатель любой другой формы (сфера, цилиндр и- т.д.) при условии, что расстояние от излучателя до отражающей границы г я . При использовании излучателя, являющегося источником сферических волн (сфера, шаровой сегмент в полном экране, плоский порпкшь, диаметр которого d«/. и др.), расположенн1 о на расстоянии от отражателя ., соотноциние (1) непригодно для определения коэффициента отражения по энергии. В этом случае коэффициент отражения R начинает зависеть от частоты и в известное соотношение (1) добавляется добавочный множитель R Ro+ci(f)(3) где RQ- коэффициент отражения по энергии, определяемой по формуле (1); Cj (f) - в первом приближении можно найти из соотношения .«,,.„о„Г где RK - расстояние от мнимого излучателя до точки приема; Vi и Vg - скорости распространения акустических колебаний в средах, разделяемых границей раздела; ©и - угол падения взятой для расчета соответствующей моды ультразвуковых колебаний. Выбирая диапазон частот акустических колебаний, можно свести на нет влияние добавочного члена в выражении (3), а можно наоборот усилить. В первом случае, измеряя коэффициент отражения по энергии, получают величину, пропорциональную удельному акустическому сопротивлению горной породы, что реализовано в известных способах, а во втором случае (что практически еще нигде не реализовано), измеряя коэффициент отражения по энергии, можно получить величину, пропорциональную скорости или плотности (в зависимости от принятой схемы расчета). Проводя измерения коэффициента отражения в промежуточном диапазоне частот на двух фиксированных частотах,можно получить два уравнения с двумя неизвестными, рещен11е которых позволяет однозначно определить для исследуемой горной породы скорость распространения акустических колебаний и плотность. Устройство работает следующим образом. Импульсы синхронизации, поступающие со скважинного устройства 9 телеметрической нередачи информации с уплотнением каналов связи, поступают на запуск генератора импульсов 1, выход которого через контакты 27 реле подключен к раздельно-совмещенному приемник 2, либо к калибратору 10. На приемник 2 (|ри этом поступают импульсы напряжения длительностью 3-10 мк-сек и амплитудой 100- 600 В (в заиисимости от типа выбранного )азря;1,. например, тиристора или тиратрона). Эти импульсы напряжения преобра;1 101ся 11:,л чатслем-нриемником 2 в акусти4i.CKiiH спгпа,, который частично проходит в исслед емук) среду, а частично отражается на г|)ан11це согласующий профиль акустического преобразователя исследуемая горная порода. Отраженная акустическая энергия попадает на приемник 2 и после трансформирования в электрический импульс напряжения на вход фильтра-расширителя динамического диапазона 3. Фильтр-расширитель щунтирует вход усилитс.пя-расширителя входа 4 в момент посылки акустического сигнала в исследуемую ropHyto породу (момент возбуждения импульса напряжения амплитудой до 600 В и открывает вход усилителя 4 в момент прихода сигнала, пропорционального отраженной энергии. В этом устройстве применяется апериодическое возбуждение излучателя-приемника 2 (возбуждается акустический сигнал широкого спектра частот). Отраженная часть сигнала, также имеющая широкий спектр, свободно проходит через фильтр-расширитель 3 и усилитель-расширитель 4. На выходе усилителя-расширителя 4 и.меются делители напряжения,с помощью которых производят выравнивание амплитуд отраженных сигналов при проведении измерений на границе согласующий профиль преобразователя - воздух (на этой границе можно считать, что происходиФ приблизительно 100%-ное отражение акустической энергии на любых частотах) . С выходом усилителя-расширителя 4 сигнал широкого спектра частот поступает на входы избирательных усилителей 5 и 6, каждый из которых настроен на свою рабочую фиксированную частоту. С выходов этих усилителей сигналы через детекторы 7 и 8 поступают на вход скважинного устройства 9 телеметрической передачи информации с уплотнением связи (в качестве такого устройства могут быть использованы телеметрические системы, построенные на частотном, время-импульсном, коловоимпульсном и других методах уплотнения каналов). С выхода устройства 9 сигнал цо кабелю 15 поступает на вход наземного устройства 16 телеметрической передачи информации с разделением уплотненных в скважинном приборе каналов. С выхода устройства 16 разделенные сигналы, соответствующие первой и второй частотам, поступают на интегрирующие каскады .17 и 18 соответственно первого и второго каналов. Выходы интегрирующих каскадов 17 и 18 через блоки компенсации 19 и 20 постоянной составляюнхей сигналов и выбора масштаба записи соединены с соответствующими входами двухканального каротажного регистратора 21 любого типа (ПАСК-8,9, ФР--5, ОК-17), настроенного на максимальную чувствительность по входу. На диаграммах каждого канала каротажного регистратора будет записана амплитуда сигнала, пропорциональная количеству отраженной энергии, зарегистрированной при разнь1х частотах в диапазоне W--ci. В схеме устройства предусмотрен блок калибровки, который с помощью контактов реле 32 подключает к выходу генератора импульсов 1 и входу фильтра-расншрителя 3 схему замещения акустического преобразователя на выбранных рабочих частотах, зашуптированную резистором 29. С помощью этого резистора добиваются появления на выходе фильтра-расщирителя 3 сигнала, разного сигналу, полученному при проведении измерений на модулях с известнЕ ши значениями скорости V и плотности f). Калибратор позволяет нривязывать результаты измерений, проводимых в разных районах Советского Союза, к одним постоянны.м уело9ВИЯМ, а также периодически контролировать работоспособность аппаратуры, производить ее настройку и ремонт. Питание всего устройства производится от блока питания 34, расположенного в наземном пульте II. В наземном пульте также расположен и резистор 33 калибратора (один резистор на оба канала). На чертеже показана схема включения калибратора при использовании трехжильного кабеля. Она работает следующим образом. При нажатии на кнопки 35 резистор 33 отключается и реле 32 через контакты кнопки 35, жилу кабеля «а и нормально-замкнутые свои контакты 31 подключается к общей жиле кабеля «б, по которой в скважинный снаряд подается напряжение питания, а из скважинного снаряда выводится полезная информация. Третья жила кабеля «в соединена с корпусом. Реле 32 срабатывает и через нормально разомкнутые контакты 31 становится на самоблокировку, при этом замыкаются контакты 30, шунтируя развязывающий резистор 29, и перебрасываются контакты 27, 28, подключая к измерительной схеме вместо преобразователя 2 схему замещения. Для того, чтобы от режима калибровки перейти к режиму работы, достаточно на секунду отключить питание выключателем 36, находящемся в наземном пульте. При использовании одножильного кабеля для включения реле используют один из свободных каналов телеметрического устройства передачи информации. Этот случай предусмотрен в блоксхеме скважинного снаряда I связью, показанной пунктиром между блоком 9 и реле 32, а в блок-схеме наземного пульта II - связью, также показанной пунктиром между кнопкой 35, блоком 16 и блоком питания 34. Описанный способ измерения при использовании рассмотренных выше схем телеметрической передачи информации из скважины позволяет осуществлять измерение скорости и плотности горных пород одновременно в одних условиях. При этом для передачи данных из скважины на поверхность может быть использован как одножильный, так и трехжильный каротажный кабель. Для реализации этого способа измерения требуется аппаратура, стоимость изготовления которой в условиях производственных мастерских не превышает 500 руб. на один комплект (стоимость серийной аппаратуры акустического каротажа. выпускаемой промышленностью,типа СПАК-2М 5000 руб). Стоимость комплекта аппаратуры для проведения гамма-гаммаплотностного каротажа 2000 рублей. При использовании серийной аппаратуры для определения скорости и плотности затрачивается в два раза больше скважинного времени, а детальность расчленения литологического разреза скважин намного меньше (база измерения аппаратуры радиоактивного и акустического55 каротажа не меньше 25.-ггЗО см). Промышленность выпускает рассмотренные приборы в небольшом количестве и их обслуживать могут только специалисты высокой квалификации. Использование предложенного способа измерения и устройства для его осуществления 0

10 позволит значительно снизить затраты на изготовление приборов, уменьшить простои бурового оборудования на скважинах, а также шире внедрить акустические методы в практику каротажных работ. Последнее связано с тем, что изготовление необходимой аппаратуры можно наладить в производственных мастерских заинтересованных геологоразведочных организаций, а ее эксплуатация доступ а обслуживаюшему персоналу средней квалификации. Формула изобретения 1. Ультразвуковой импульсный способ исследования буровых скважин, основанный на регистрации коэффициента отражения или прохождения акустической энергии на границах раздела, включающий операции возбуждения электрического импульса, трансформирования электрического импульса в акустический сигнал, приема отраженного акустического сигнала и трансформирования его в электрический импульс напряжения усиления на заданной частоте, детектирования и интегрирования, отличающийся тем, что, с целью обеспечения однозначного и раздельного определения плотности исследуемой горной породы и скорости распространения в ней акустических колебаний, электрический импульс возбуждают на двух значениях фиксированных частотГ и fj, выбор которых ограничен соотношением Щ 1 , где d - диаметр излучателя или приемника, и измеряют коэффициент отражения или прохождения по энергии акустических колебаний для этих двух значений частот, при этом расстояние между приемником и излучателем изменяют в пределах от О до 2л, где v-длина волны ультразвуковых колебаний в исследуемой горной породе, 2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоты, на которых производят измерения, выбирают кратными друг другу 3.Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что частоты, на которых производят измерение, определяют из условий 1,. 4.Способ по пп. 1, 2 л 3,отличающийся тем, что излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, обладающие односторонней направенностью, располагают на фиксированном расстоянии от стенки скважины, не превышающем 0,1 длины волны. 5.Устройство для осуществления способа по п. 1, состоящее из скважинного прибора, содержащего последовательно соединенные генератор импульсов, раздельные или раздельносовмещенные акустические излучатель и прием защитным покрытием и уплотнительными кольцами, фильтр-расщиритель динамического диапазона, избирательный усилитель, настроенный на первую фиксированную частоту, детектор, скважинное устройство телеметрической передачи информации с уплотнением канала связи, реле включения калибратора капотажного кабеля и наземного пульта, содержащего наземное устройство телеметрической передачи информации с разделением уплотненных в скважинном приборе каналов, интегрирующий каскад первого канала, блок питания, двухканальнЬш каротажный регистратор отличающееся тем, что, с целью однозначного и раздельного определения плотности исследуемой горной породы и скорости распространения в ней акустических колебаний путем одновременной регистрации коэффициента отражения или прохождения по энергии акустических колебаний для двух значений фиксированных рабочих частот, в скважинный прибор дополнительно включены последовательно соединенные усилитель-расширитель входа с двумя делителями напряжения на выходе, избирательный усилитель, настроенный на вторую фиксированную частоту, второй детектор и калибратор, а в наземный пульт включены второй интегрирующий каскад, выход которого через блок компенсации и выбора масщтаба записи соединен со вторым каналом каротажного регистратора, устройство включения калибратора и управления его параметрами, второй блок компенсации и выбора масщтаба записи, через который интегратор первого канала соединяется с первым каналом каротажного регистратора. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что калибратор выполнен по схеме замещения акустических преобразователей; содержащих параллельно соединенные индуктивности, емкости и сопротивления, в которых индуктивности, имитирующие каждая соответственно излучатель, и приемник, .включены по трансформаторной схеме и к обмотке индуктивности, которая соответствует приемнику, подключено параллельно-активное переменное сопротивление, расположенное в наземном пульте и отражающее проявление влияния характеристического акустического сопротивления исследуемых горных пород, слагающих надрез скважины, на показания регистрирующего прибора. Источники информации, -принятые во внимание при экспертизе: 1.Авторское свидетельство СССР № 254905, кл. G 01 N 29/00, 1968. 2.Revue de Z Justitnte Francais de Petrol: vol XXVIII, П. 4 587-604. 3.Разведочная геофизика (Сб)., М., «Недра, 64, 1974, с. 92-97. 4.Авторское свидетельство СССР № 394743, кл. G 01 V 1/40, 1973.

)3 ;г 22 Z3 26 2t tt гг 23