Преобразователь для акустического каротажа Советский патент 1980 года по МПК G01V1/52 

Изобретение относится к области промыслово-геофизических исследований нефтяных и газовых скважин, а более конкретно, к акустическим излучателям для скважинных приборов аппаратуры акустического каротажа по продольной и поперечной упругим волнам. Известен акустический преобразователь, который представляет собой цепочку из цилиндрических излучателей (магнигострикционных или пьезокерамических), закрепленных иа несущем стержне гкважинного прибора и электрически соединенных друт с другим. 1 . Диаграмма направленности такого преобразователя представляет собой в дальнем поле суженный лепесток, направление которого относительно нормали к стенке скважины в вертикальной плоскости можно изменять методами фазирования или амплитудного распределения. Если ось диаграммы направленности такого преобразователя направлена относительно норма;ш под критическим углом образования продольной волны, то он будет возбуждать в горной породе продольную упругую волну, скользящую по стенке скважины, если ось диаграммы направлена под критическим углом образования поперечной волны, то он возбуждает преимущественно поперечную упругую волну. К недостаткам подобных преобразователей относятся отсутствие направленности в ближнем поле, большая пшрина основного лепестка диаграммы направленности, трудность получения i низкочастотного излучения в скважинных условиях из-за ограниченных габаритов акустического зонда, при изменении направления изменяется интенсивность излучения и тд. Указанные недостатки практически не позволяют разработать аппаратуру акустического каротажа по продольным и поперечным волнам на базе бесконтактных излучателей. Известен также акустический преобразователь, который состоит из цепочки цилиндрических излучателей, закрепленных на несущем стержне скважинного прибора 2. Формирование диаграммы направленности в вертикальной плоскости осуществляется электрическим методом при измешюм положении преобразователя относительно оси скважины. Обмотки магнитострикторов соединены последовательно, поочередно (первая со второй, вторая с третьей и тд.) в противофазе. Индуктивность обмотки каждого магнитостриктора вместе с соответствующей зарядной емкостью представляет собой линию задержки для последующего магннтостриктора. Парам етры такой линии зависят от величины напряжения на зарядной елнсости. Меняя величину этого напряжения можно добиться частичного расщепления пучка излучаемой энергии в вертикальной плоскости (вдоль цепочки излучателей) и раздвинуть эти пучки на небольшой угол относительно акустической оси преобразователя.

К недостаткам преобразователя можно отнести следующее. Из-за значительного увеличения габаритов невозможно создать подобный преобразователь на низких частотах (1-10 кГц); и с достаточно узким лепестком диаграммы направленности, так как в первом случае необходимо увеличивать размеры излучателей, а во Втором - их количество. В ближнем поле происходит сильное размазывание диаграммы. При изменении направления излучения меняется его интенсивность, что исключает регистрацию амплитудных параметров упругих волн в процессе каротажа.

Цель изобретения - получение кругового, низкочастотного, остронаправленного излучения с регулируемой диаграммой направленности.

Поставленная цель достигается тем, что рабочие поверхности двух конусообразных излучателей направлены под углом друг к другу И жестко прикреплены к тороидальному смесителю акустических сигналов, выполненному из однородного материала или в виде камеры, заполненной жидкостью или газом, причем На излучающую поверхность смесителя локально нанесено звукопоглощающее покрытие так, что оно перекрывает выходы из смесителя прямой энергии от излучателей за пределами рабочих углов индикатриссы направленности акустического смесителя.;

На чертеже показан излучатель (осевое сечение) в рабочем положении в скважине.

Преобразователь состоит цз двух магнитострикционных излучателей 1 и 2, вьшолненных в виде усеченных конусов, с обмотками возбуждения 3 и 4, рабочие поверхности которых направлены под углом друг к другу и жестко Прикреплены к тороидальному смесителю 5 акустических сигналов, выполненному из однородного материала или в виде камеры, заполненной жидкостью или газом, на излучающую поверхность которого локально нанесено звукопоглощающее покрытие 6, препятствующее выходу из е естепя прямой энергии от излучателей, которые, в свою очередь, закреплены упорными шайбами 7 и гайкой 8 на несущем стержне 9 скважинного прибора. Преобразова44407, л4

тель обеспечивает круговое излучение акустической энергии через окно в звукопоглощающем покрытии на стенку скважины 10, Работа преобразователя основана на нели5 нейном взаимодействии двух акустических полей. Излучатель. 1 возбуждает в смесителе 5 акустические колебания с частотой f j, которые распространяются в направлении OjOOj. Излучатель 2 возбуждает в смесителе 5 колебания

10 с частотой fz, которые распространяются в направлении Оз004 под углом А к направлению OjOOa. В результате нелинейного взаимодействш двух потоков акустической энергии возникает рассеянное излучение комбинационнрй частоты,,

15 содержащее сумму и разность частот fj и fi, :коротое распространяется в направлении OOs под углом В относительно нормали СЮ к стенке скважины. Частоты f i и fj могут быть достаточно высокими (малые габариты излучателей 1 и 2), в то же время их разностная частота может составлять единицы килогерц. Для задержки прямой энергии от излучателей I и 2 в направлениях OiOOj и Оз004 на выходе смесителя акустических сигналов установлены эк25 раны 6 из звукопоглощающего материала. Рассеянное излученке в направлении OOs имеет узкую диаграмму в плоскости OOs0,которая формируется в акустическом смесителе. Для возбуждения продольной или поперечной упру30 гих волн, распространяющихся в горной породе вдоль стенки скважины, необходимо акустическую энергию от преобразователя направлять под углом В относительно нормали 00, равным критическому углу образования соответству35 ющей волны. С другой стороны, критический угод образования волны изменяется в зависимости от литологии горной породы. Поэтому в процессе каротажа угол В направления излучения от преобразователя необходимо изменять.

40 Условие направленности излучения (в вертикальной плоскости) данного преобразователя определяется выражением

1ч1 + Кз . Кз,

45 1Де - вектор излучения первого излучателя;

Кг вектор излучения второго преобразователя;

Кз - вектор рассеянного излучателя. 50 При фиксированных и 1ч (направления излучений преобразователей по OiOj и ОзОд) направление Кз рассеянного излучения опреде- ляется скалярными величинами К и Kj, которые пропорциональны возбуждающим напряже55 ниям на излучателях 1 и 2. Таким образом, при изменении величин возбуждающих напряжений на излучателях направление излучения преобразователя в вертикальной плоскости скважины изменяется в пределах окна в звукопоглошаюшем материале на поверхности смеси теля 5. При этом интенсивность рассеянного и лучения остается постоянной, если осуществляется уменьшение возбуждающего напряжени на одном из излучателей к пропорциональное увеличение возбуждающего напряжения на дру гом. Преобразователь может работать как в непрерьшном режиме, так и в импульсном. Возможна также работа одного из излучателей в непрерывном режиме, а дрзтого - в импульсном. В этом случае излучаемый преобразователем сигнал будет импульсно модулированным Наиболее эффективно данный преобразователь может быть использован в импульсной аппаратуре акустического каротажа по продольной и поперечной упругим волнам, предназначенной для массовых промыслово-геофизических исследований (акустический зонд центрируется на оси скважины) нефтяных и газовых скважин.. Преобразователь может работать следующим образом. В первом Щ1кле излучается в горную породу продольная; волна - угол В равен критическому углу образования продольной волны. В аппаратуре измеряется скорость продольной волны и определяется критический угол преобразования продольной волны для третьего импульса излучения акустической энергии в горную породу. Во втором цикле в породе возбуждается поперечная волна - угол В равен критическому углу образования поперечной Волны. В аппаратуре изменяется скорость этой волны и определяется критический угол образования поперечной волны для четвертого цикла излучения и л- В соответствии с определяемыми величинами критических углов в соответствуюи01х циклах излучения, начиная с третьего, на излучатели 1 и 2 подаются напряжения, необходимые для поочередного возбуждения в горной породе продольной и поперечной упругих волн. В результате аппаратура регистрирует в процессе непрерывного каротажа параметры обоих типов воли в функции глубины скважины. Таким образом, преобразователь обеспечивает круговое, низкочастотное, остронаправленное излучение с регулируемой диаграммой направяенносга в вертикальной плоскости, что позволяет поочередно, практически в одной точке разрьюа скважины, возбуждать в горной породе как продольную, taic н поперечную волны и регистртровать за одну спуско-подъемную операцию кинематические а Д1шамические параметры комшт сса упругих волн. Это позволяет повысить геологическую эффективность акустического метода и сократить время на задалжива1ше нефтяных и газовых скважин под геолого-геофизические исследования. Формула изобретения 1. Преобразователь для акустического каротажа, включающий систему распределенных излучатеей акустической энергии, скрепленных на неущем стержне корпуса скважннного прибора, отличающийся тем, что, с целью получения , низкочастотного, остронаправленного излучения с регулируемой диаграммой направленности, в него введен тороидальный смеситель акустических сигналов, а рабоше поверхности двух конусообразных излучателш, вьшолненных с автономными обмотками возбуждения, направлены под углом друг к дрУгу и жестко прикреплены к тороидальному смесителю акустических сигналов, вьшолненному из однородного материала, причем на излучающую поверхность смесителя локально нанесено звукопоглощающее покрытие так, что оно перекрывает выходы из смесителя прямой энергии от излучателей за npw- . делами рабочих углов ивдикатриссы .направленности акустического смесителя. 2. Преобразователь по п. I, о т л и ч аю щ и и с я тем, что торбидальный смеситель акустических сигналов вьшолнен в виде камеры, заполненной жидкостью или газом. Источники информации, пртшятъ{е во внимание при экспертизе. 1.Патент США № 3614725, кл. 340-17, 1971. . 2.Патент США И 3496533, кл. 340-17, 1970 (прототип).