Акустический зонд Советский патент 1979 года по МПК G01V1/52 

(54) АКУСТИЧЕСКИЙ ЗОНД

I

Изобретение относится к технике геофизических исследований скважин и преДгназначено для использования в аппаратуре акустического карютажа.

Известны акустические зонды в скважинных приборах акустического каротажа, выполненные на базе труб, шлангов или сочлененных между собой отдельных секций изоляторов из эластичных материалов.

Однако, эти зонды не обладают одно временно двумя необходимыми для ка-, чественных измерений свойствами - хорошей звукоизоляцией и жесткостью конструкции (последнее необходимо для устойчивого центрирования зонда в скважине).

Наиболее близким техническим решением является акустический зонд, содержащий центраторы, преобразователи и корпус, выполненн| 1й на базе тефлоновой трубы. Обладая достаточной жесткостью конструкции, этот зонд ограничен в звукоизоляции упругих 1ЮПН, распространяющихся по еЬо корпусу со сХбростьюУц 1200 м/с. Следовательно, он неприменим для исследоватния низкоскоростных (менее 12ОО м/с)разрезов скважин.

Цель предлагаемого изобретения улучшение звукоизоляции акустического зонда при достаточной жесткости конструкции и качестве измерений с зондом.

Она достигается за счет использования эффекта волноводной фильтрации путем выбора критических геометрических размеров элементов зонда, удовлетворя щих.критериям волноводной фильтрации упругих волн по его корпусу и гийроволн в осевом и скважинном кольцеобразном жидкостных каналах в рабочем диапазоне частот амплитудного спектра акустических преобразователей, для чего труба облицована кольцевыми элементами из 10ГО же материала, внешний диаметр трубы выбран равным не менее половины длины волны на нижней граничной частоте, a-TOfimnHa стенки этой трубы, колЕ цробразный зазор межпу поиерхностями скважины и наружной облицовкой трубы, высота кольцевы;к облицовочных влем1бнтов я диаметр осевого канала не более четверти длины волны на верхней граничной частоте амплитудного спектра акустических гфеобразователей,

На фиг. 1 дан ойиий вид предлагаемого акустического зонда с узкополоснымв преобразователями; на фиг. 2 фрагмент корпуса зонда е широкополосными преобразователями; на фиг. 3 показано оптимальное взаимное расположение на оси частот амплитудного спектра (кривая 1 акустических преобразователей и частотной характеристика пропускан1ая, кривая 2 корпуса зонда с повышенной звукоизоляпиел); на фиг. 4 даны примеры оптимальных частотных характеристик пропускания (кривая 1 для зонда с узкополосным (18-28 кГц) кривая 2 - для зонда с широкополосным (10-40 кГц) амплитудными спектрами акустич1еских преобразователей).

Акустический зонд - узкополосный вариант (фиг. l) - состоит из несушей эластичной трубы 1, выполненной, например, из фторопласта, переходника 2 для сочленения зонда с электронным контейнером, скважинного прибора, акустических преобразователей 3, размещенных поверх трубы 1 на резиновых демпферных кольцах 4 и развязанных между собой внешними облицовочными кольцевыми элементами 5, выполненными из материала трубы и центраторов 6.

Корпус акустического зонда в широкоиоясосном варианте (фиг. 2) отличается от. узкоп о лосного наличием внутрен 1их облицовочных 7.

В предлагаемых конструкциях несущая труба является основным волноводом упругих колебаний. С помощью кольцевого излучателя в несущей .трубе могут быть возбуждены изгибные трубные волны Лэмба, длина Л ц которых будет равна четырехкратному размеру внешнего диаметра d. этой трубы. При этом в поперечном сечении трубы, цредставляюшей собой свернутый волновод с параллельными стенками, могут быть вд)збуждены квазиплоские волны дляной Afj J равной удвоенной тояшине ii стенки этой трубы. Частоты этих волн определяются соотношением скорости распространения V,, в трубе и выбранных ее геометрических размеров.

Внутренний осевой канал в несушей трубе, а также кольцеобразный канал.

образующийся между внешней ее стенкой и поверхностью скважины, заполненные скважинной жидкостью, образуют еше два независимых волновода. Критические частоты их определяются соотношением Между скоростью распространения V упругих волн в жидкости и соответствующими критическими длинами волн Дс,ц в осевом канале, равной удвоенному значению его диаметра и Л в кольцеобразном канале, равной удвоенному значению ширины (зазора) S ц,. .

Внутренняя и внешняя облицовки не- сушей трубы выполнены из набора кольцевых элементов и предназначены для подстройки частотной характеристики (по лосы) пропускания соответственно осевого и кольцеобразного гидроволноводов. Необходимая подстройка критических частот этих волноводов осуществляется выбором толщины колец. этом наборы не скрепленных между собой колец представляют колебательные системы слабосвязанных резонансных (полуволновых по высоте h 1 ) звукопоглотителей, т.е. цепочки полосовых акустических фильтров с резонансными частотами ih

-VK/2Ьк-

Высокоэффективная звукоизоляция и поглощение упругих волн в заданном рабочем диапазоне спектра частот (фиг.З) кривая 1 обеспечивается частотной характеристикой пропускания корпуса зонда, имеющий вид двугорбой кривой 2 на фиг. 3 с полосой запирания между нижней f и верхней f« граничными частотами заданного спектра акустических преобразователей. Частоты i и i выбираются обычно на уровне 0,1 от максимального значения амплитуды заданного спектра и принимаются границами полосы запирания волноводов. Условия запирания на этих границах выполняются соотвегственно для волн Лэмба на частоте 2 f. , а для квазиплоских на частоте . В результате волны Лэмба с резонансной частотой f ( обусловливают левый горб частотной характеристики пропускания несушей трубы, а в области правого горба фильтруются квазиплоские волны с частотой f Р . в этой трубе и квазиплоские гидроBomibii fj д и i г, 1 соответственно в осевом и кольцеобр азном каналах - волноводах.

Такая частотная характеристика пропускания системы зонд-скважина достигается выбором .критических размеров элементов конструкции зонда с заданным амплитудным спектром )бразователоЯ применительно к заданному номинальному диаметру скважин. Пример конкретного выбора размеров элементов зонда (фиг. 2) дан для узкополосного амплитудного спекгра (l828 кГц) акустических преобразователей. Диаметр несушей трубы d Должен быть не менее половины длины нижней граничной частоте i заданного спектра, т. e.d AH/2 Vu/2 н 1200/2-18 33,4 (мм). Толщина стен трубы не должна превышать четверти длины волны Лц на верхней граничной Macrorefg. , T.e/i.i VKM в 1200/4-28 10,6 (мм;.Следовательно диаметр осевого каналас} э drp 2-tiY 33,4-2-10,, (4f b 1500/4-28 13,4 (мм). Так как ширина зазора кольцеобразного канала.должна удовлетворять условшогб Д(,4 13,4 мм, то наружный диаметр внешних облицовочных колец d выбирается в зависимости от номинального диаметра скважины . Так, при 59 мм (рудные скважины) рекомендуется стандартный диаметр скважинногопри бора 0 48 мм. Следовательно, d j ц 48 мм,5ц /59-48/2 5,5 , а толщина колецi,j,-7,3 мм. При этом условиеВ( сохранится при изменении до 75 мм. Для угольных сква жин cdj-KB стандартного диа-. метра прибора 060 мм толпдина колец tu,,13,3 мм. ЕЗысота облицовочных колец Ь ц ,6 мм. Внешний диаметр акустических преобразователей выбирает ся равным диаметру облицовочных колеп а внутренний их диаметр - равным диаметру демпферных резиновых колец. Частота волны n9M6af,iiVn/AL,Vu/4d 1200/4-33, (кГц). Частоты квазиплоских волн: по трубе f f,, trp 1200/2-10, (кГц);по осевому KaHanyfo.;iY /2jdQ 1500/2-12,2 61 (кГц); по кольцеобразному каналу при-с5с№ 75 uы,i,Ъ ЪQQ/2 «.13, (кГц), а npndc g 59 мм, ii 136 кГц. В широкополосном варианте зонда (фиг. 2) в диапазоне, например, Ю- 4 О кГц, опти-маль нь е размеры элемен тов корпуса будут cлeдyюuшe:dF. бО мм 7,5 MM;djj J.,4 мм; диаметр внутрснних KO.Tfeudj. -2tr|. толщина .,. ),в мм, высота BHeumtrx и внутренних колеи & 7,5 мм; npndc(tg 1ОО MM,dn.K гЯО мм, а npHd(. MM,df 127 мм (нефтяные скважины). При этом ц 5 кГц, alj. 80 кГц (по всем волноводам). Экспериментальные частотные характеристики пропусканий акустических зондов (фиг. 4), изготовленных по вышеприведенным paaMepaKf, хорошо согласуются с расчетными и подтверждают эффект частотной волноводной фильтращ и упругих волн, распространяющихся по их корпусам и узким жидкостным каналам в скважине. Характеристики сняты с помощью широкополосных (О,5-250 кГц) пьезокерамических преобразователей, возбуждавшихся генератором звуковой частоты (ГЗ-ЗЗ) в моделях скважины ф 75 и ( 100 мм, изготовленных из смеси эпоксидной смолы с пластификатором и свинцовым глетом (50% от объема). Скорость продольных волн в моделях не превышала 1ООО м/с с затуханием 80 дБ/м. Звукоизоляция зотшов, оцененная по велшпдае относительного ослабления амплитуд упругих вЪлн в выбранных полосах запирания по сравнению с амплитудными максимумами на частотах i , и ifj составлгпот 60-7О дБ. Абсолютное ослабление волн-помех с учетом погло- шения в материале корпуса зонда дли- ной 21м достигает 70-80 дБ/м. По результатам испытания акустических зондов (модели ПАРУС-1 М, ПАРУС-2 и SOHA-l) в. угольных и рудных скважинах с диаметрами соответственно 76 и 59 мм в интервалах трешинова- то-слоистых пород с затуханием до 60 дБ/м превышение уровня полезного сигнала над помехами волнами по корпусу составляет не менее 10 дБ. Основным достоинством предлагаемого акустического зонда является возможность его использования для регистрации низких скоростей скользящих волн (до нескольких сот м/с) в сильно поглощаюших (до 60 дБ/м) породах. Формула изобретения Акустический зонд, содержащий звукоизоляционный корпус в вице трубы из эласти-гного материала, например, фторопласта, акустические преобразователи и