Способ акустического каротажа Советский патент 1979 года по МПК G01V1/44 

1

Изобретение относится к способам проведения измерений при акустическом каротаже необсаженных скважин.

Известны способы импульсного акустического каротажа по продольной и поперечной головным волнам 1)2, при реализации которых для преимущественного возбуждения продольных и поперечной волн используют направленное фокусированное излучение и направленный прием ультразвуковой энергии в скважине.

Эти способы не позволяют практически одновременно и достаточно точно, регистрировать параметры обоих волн, так как коэффициенты образования (головления) продольной и поперечной волн, а следовательно, и угол направленности излучения (приема) акустической энергии зависят от типа горной породы, пересекаемой скважиной, и непрерывно изменяются в процессе каротажа.

В качестве прототипа изобретения выбран способ акустического каротажа, 3, основанный на направленном возбуждении в скважине ультразвуковых колебаний и регистрации параметров продольной и поперечной волн.

Способ предполагает формирование узкой диаграммы направленности от излучателя, состоящего из нескольких распределенных преобразователей. Угол наклона основного лепестка диаграммы относительно нормали к стенке скважиныУкзл. выбирается в начале каротажа равным критическому углу образования упругих волн , характерному для данного геологического разреза. Наибольшая точность регистрации параметров волн будет в момент;

Чиэл крОднако угол образования упругих волн изменяется в процессе каротажа в зависимости от-литологии разреза. Поэтому точность регистрации параметров упругих волн при Ср,2д :/:

недостаточна (особенно для поперечной волны).

Целью изобретения является повышение точности измерения кинематических и динамических параметров волн в процессе непрерывного направленного акустического каротажа.

Цель достигается тем, что регистрацию волн осуществляют через каждые два цикла возбуждения колебаний, при этом измеряют интервальное время распространения соответствующей волны в предыдущих циклах, определяют по нему угол образования волны в пород и в последующих циклах осуществляют направленное возбуждение под углом относительно нормали к стенке скваж ны определяемом выражением arc5inгде С - постоянная характериэирующа скорость распространения упругой вол ны в буровом растворе; S - постоянная характеризирующая размеры измерительной базы зонда;д{5р- интервал ное время соответственно поперечной и продольной волн, Суть способа заключается в следую щем. В процессе импульсного непрерывно го каротажа с помощью трехэлементного скважинного прибора структуры И, за первые два цик ла излучения акустической энергии выделяют из полного сигнала на приемнике продольную волну, например, по амплитудному признаку, измеряют время ее распространения (интервальное время) по горной породе и запоми нают его на аналоговом или цифровом накопителе информации для использов ния в 5-м и 6-м циклах излучения. В 3-м и 4-м циклах излучения акустической энергии выделяют из полного сигнала поперечную волну, например, по амплитудному или частотному признаку, измеряют время ее распространения (интервальное время) и запоми нают его для использования в 7-м и 8-м циклах излучения упругого импуль са в скважине. В 5-м и 6-м циклах формируют узкую диаграмму направленности излуча телей и приемников, излучают акустическую энергию под углом относительно нормали к поверхности скважины, равным критическому углу для образования продольной волны. Этот угол определяют на основании скорости это волны, измеренной в 1-м и 2-м циклах излучения. Принимают сигнал под выбранным критическим углом; измеряют скорость продольной волны (интерваль ное время) и запоминают ее для формирования угла излучения и приема акустической энергии в 9-м и 10-м циклах. В 7-м и 8-м циклах формируют узкую диаграмму направленности преобра зователей и излучают акустическую энергию под углом, равным критическому для образования .поперечной волны, который определяют по скорости этой волны, измеренной в 3-м и 4-м циклах. Принимают сигнал под критическим углом, измеряют, скорость (интервальное время) поперечной волны и запоминают ее для формирования угла направленности преобразователей в И-м и 12-м циклах излучения и регистрации упругого импульса. Далее в 9-м и 10-м циклах происходит преимущественное возбуждение и регистрация параметров продольной волны; в 11-м и 12-м - преимущественное возбуждение и регистрация параметров поперечной волны и т.д. в процессе всего непрерывного каротажа скважины. В импульсном акустическом каротаже частота излучений упругого импульса в скважине составляет 8-15 Гц, наиболее оптимальное расстояние между излучателями или приемниками (база измерения) 50 см. При скорости каротажа 1000 м/ч точки регистрации полного сигнала отстоят друг от друга по разрезу скважины на 2,0-2,5 см. Это расстояние в 20 раз меньше базы измерения, поэтому считается, что измерение интервального времени и времени затухания упругих волн (два канала регистрации времени распространения и амплитуды) при движении скважинного прибора производится в одной точке. При поочередном возбуждении и регистрации параметров продольной и поперечной волн предложенным способом средние точки записи компенсационного параметра будут отстоять одна от другой на расстоянии в 2 раза большем, чем при обычном каротаже. Поэтому на указанной базе измерения с достаточной точностью можно считать, что возбуждение и регистрация продольной и поперечной волн также производится в одной точке разреза скважины. Это условие будет выполняться еще более точно при снижении скорости каротажа и повышении частоты посылок (циклов) упругих импульсов в скважину. В акустическом каротаже по интенсивности продольной и поперечной волн в полном сигнале можно судить о коэффициентах их образования (головления). Для поперечной волны V 2 -Y (VV..l-.p(ii,:2i).(,.,) Ve-o - XT ,(: V .(Y -V UY (y -V ) P2 Pi/ -pi S2 / для продольной волны: v .-v P2 Pi ) K -V V . P2 -pi) где p } Pi плотность буровой жидкости; Pa - плотность горной породы; Vp. - скорость продольной волны в буровой жидкости; Vp2, V52 скорость продольной и поперечной волн в горной породе. Теоретические зависимости (1), (2 ) хорошо согласуются с экспериментом и показывают, что коэффициенты образования продольной и поперечной волн зависят от скорости упругих волн в подстилающей и покрывающей средах (буровая жидкость - горная порода). Известно, что амплитуда головной вол ны определяется функцией интенсивнос ти и направленности источника колеба - НИИ (приемника), функцией расхождени и фокусировки (для цилиндрической .скважины), а также функцией, описыва щей форму колебаний в падающей волне Учитывая то, что при каротаже предлагаемым способом упругие колебания (возбуждаются и принимаются одними и теми же.преобразователями, ориентированными соответственно под критическим углом образования для продоль ной волны или критическим углом образования для поперечной волны, перечисленные функции будут одинаковыми для обеих волн, а амплитуды волн будут .зависеть лишь от угла направленности сфокусированного излучения (приема) акустической энергии. С уче том выражений (1) и (2) для коэффициентов образования максимальная амп литуда продольной волны (преимущественное возбуждение) будет наблюдаться при фокусировании ультразвуковой энергии под углом: Ркр.р Максимальная амплитуда поперечной во ны при фокусировании энергии под угMup. Принимая, что скорость продольной волны в буроной жидкости постоянна по всей глубине скважины, получаем: Cкp.sp где С - постоянная. Полученная зависимость связывает угол излучения Физд. (приема) акустической энергии только с одной переменной - со скоростью волны по горной породе, преимущественное возбуж дение (прием) который необходимо осуществить. Согласно способу, про водят непрерывное измерение скоростей продольной и поперечной волн и изменяют угол направленности излуча телей (приемников) в зависимости от литологии разреза скважины. Изменение этого узла зависит от скоростей волн, измеренных в предыдущих циклах излучения (приема) упругого импульса С учетом того, что средние точки записи компенсационных параметров од ного типа волны при скорости карота Аа 10000 м/ч сдвинуты по разрезу на 9 см, с достаточной степенью точности можно считать, что угол излучения (приема) будет равен критическим углам образования волн в горной породе Это условие будет выполняться еще более точно при уменьшении скорости каротажа и увеличении частоты излучений упругого импульса в са важине. Таким образом, используют выражение (5) и значения измеренных скоростей волны, можно в зависимости от типов горных пород в процессе непрерывного акустического каротажа поочередно возбуждать преимущественно продольную или поперечную волну. Повышение надежности выделения продольной и поперечной волн из полного сигнала акустического каротажа и более точная регистрация их параметров объясняется следующим. Из выражений (1), (2) следует, что фокусирование акустического излучения (приема) с узкой диаграммой направленности под углом, равным критическому для образования выбранного типа волны, например, продольной, эквивалентно акустическому коэффициенту усиления данной волны К. 1. в этом случае для другого типа волны, а также для всех волн-помех, образованных этой волной, например волн-спутников, дифрагированных, рефрагированных, обменно-отраженных и обменно-преломленных, акустический коэффициент усиления .«. 1. В данном случае это приводит к тому, что амплитуда продольной волны максимальна и надежность ее выделения и точность измерения параметров увеличиваются. В случае фокусировки излучения (приема) под углом, равным критическому, для образования поперечной волны 1, а . Это приводит к тому, что в полном сигнале акустического каротажа практически подавляется продольная волна и все связанные с ней волны-помехи и их зоны интер-. ференции с поперечной волной. Надежность выделения поперечной волны увеличивается, а точность регистрации ее параметров приближается к точности регистрации параметров продольной волны. Однако, в первых циклах (1-4) излучений упругого импульса необязательна большая надежность выделения и высокая точность измерения скоростей продольной и поперечной волн. Это объясняется тем, что данным способом работает самонастраивающаяся акустическая система с экстремальным регулированием, которая характеризуется повышенной точностью управления при неполной априорной информации. Недостающая информация, в данном случае - значение критических углов образования обоих типов волн, пополняется в процессе работы самой системы путем дискретных измерений скоростей этих волн в горной породе и воздействия на процесс управления - ориентирование диаграммы направленности излучателей (приемников) в скважинном приборе. Так, первое измерение скорости продольной волны (циклы 1 и 2) позволит сформи ровать диаграмму направленности излу чателей (приеЛников) под углом, близ ким к критическому углу ее образования. При втором измерении произойдет частичное преимущественное возбуждение продольной волны, амплитуда ее увеличится ( D и, следователь.но, надежность ее вьщеления и точность регистрации скорости повысятся Это приведет к более точной настройке угла направленности преобразователей на критический угол образования волны и т.д. до тех пор, пока угол излученияфц дстанет равным ф)р.р а 1. При первом (ненаправленное излучение) измерении скорости поперечной волны произойдео настройка направленности излучения (приема) на угол Фцр5- Это, в свою очередь, приведет к частичному подавлению продольной волны и ее волн-помех что позволит более точно измерить и, следовательно, более точно скорректировать tpj в последующих циклах и т.д.,. до тех пop,пoкaЧ Jд Ч p.з,, Какр 1 В результате точность измерения кинематических и динамических парамегров поперечной волны будет равна точности измерения аналогичных параметров продольной волны. Увеличение точности измерения комплекса указанных параметров этих волн позволит выделить сложные колле торы с трещиноватой, кавернозной и смешанной пористостью, а комплекса кинематических параметров - увеличить точность определения пористости коллектора, определить структуру порогового пространства коллектора и т.д. Формула изобретения .. Способ акустического каротажа, основанный на направленном возбуждении в скважине ультразвуковых колебаний и регистрацию параметров продольной и поперечной волн, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регистрации кинематических и динамических параметров волн, регистрацию волн осуществляют через каждые два цикла возбуждения колебаний, при этом измеряют интервальное время распространения соответствующей волны в предьщущих циклах, определяют по нему угол образования волны в породе и в последующих циклах осуществляют направленное возбуждение под углом относительно нормали к стенке скважины, определяемом выражением: C-Atsp фgp aгcs n--5 где С - постоянная, характеризующая скорость распространения упругой волны в буровом растворе; S - постоянная, характеризующая размеры измерительной базы зонда; Atgp - интервальное время соответственно поперечной и продольной волн. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США №3496533, кл. 181-5, 1970. 2.Патент США №3614725, кл. 181-5, 1971. 3.Патент США №3496533, кл. 181-5, 1970.