Способ акустического каротажаСКВАжиН Советский патент 1981 года по МПК G01V1/48 

Изобретение относится к способам геофизических исследований в скважинах, в частности к акустическому ка ротажу. Применяемая в настоящее время методика и техника акустического каротажа на продольных волнах использует в своей основе излучение и прием ненаправленного акустического сигнала с помощью цилиндрических преобразова телей радиальных колебаний. Известны способы акустического каротажа, основанные на излучении и приеме определенным образом направленных и поляризованных акустических сигналов, например, способ акустического каротажа на прямых поперечных волнах основан на возбуждении, сдви говых колебаний на стенке скважины вектор поляризации которых направлен ПО азимуту скважины, и регистрации таких же колебаний также на стенке скважины на некотором расстоянии от источника вдоль ее оси . Известен также способ, акустического каротажа скважин, позволяющий проводить каротаж с использованием упругих колебаний различной поляри.зации, например, радиальных, осевых, азимутальных, изгибных, а также с различными их комбинациями. Способ основан на одновременном возбуждении в нескольких точках, лежащих на периферии скважины, в плоскости, перпендикулярной ее оси, сигНсшов, векторы сил которых направлены определенным образом, например, по касательной к стенке скважины, в одном линейном направлении, перпендикулярно стенке скважины, вдоль оси скважины. Прием ведется преобразователями , диаграммы направленности которых выбраны также соответствующим образом. Например, возбуждая сигналы, векторы сил которых направлены перпендикулярно к стенке скважины, и принимая проходящий сигнал приемными преобразователями, чувствительными к радиальным колебаниям, получают обыч- . ную схему каротажа на продольных волнах. Возбуждая на стенке скважины сигналы, векторы сил которых направлены по касательной к стенке скважины в одном направлении врсицения и регистрируя такие же колебания, получают схему акустического каротажа иа прямых поперечных (крутильных) волиах. Более того, возбуждая сигналы одной поляризации (например,крутильные), а принимая колебания другой поляризации (например, радиальные), имеется возможность регистрации волновогс поля, обусловленного физическими и геометрическими неоднородностями заскважинного пространства.

Недостатком этого способа является трудность технической реализации преобразователей для возбуждения и приема колебаний какой-то одной заданной поляризации. В частности, в качестве каждого отдельного преобразователя используются три каких-либо электромеханических элемента, жестко закрепленных на трех гранях трехгранной пирамиды, полученной срезанием угла куба. Основание пирамиды, свободное от электромеханического элемента, является рабочей поверхностью префбразователя и служит для передачи акустической энергии в окружаквдую среду. Комбинируя электрическим путем величины и знаки усилий каждого из трех электромеханических элементов, можно получать желаемые направления смещений рабочей грани, и, следовательно, возбуждать в окружающей среде заданные типы колебаний. Однако использование такого способа возбуждения (или приема) на практике наталкивается на значительные трудности. Действительно, преобразователь подобного типа, помещенный на стенку скважины, заполненной жидкостью, генерируют в жидкость упругие волны давления, возникающие от боковых граней, на которых закреплены электромеханические элементы. Упругая волна в жидкости, сформировавшаяся вблизи преобразователя, распространяется далее вдоль скважины и достигает приемного преобразователя в виде гидроволн по жидкости, головных продольных и обменных волн по породе, поверхностных волн и т.д. Для каротажа на головных прюдольных и обменных волнах, т.е. для каротажа, основанного на возбуждении и приеме радиальных колебаний скважины, этот эффект не имеет особого значения, так как часть волн, возникающих при этом (в частности, головные), являются полезныма, а от гидроволн, являющихся основной помехой при каротаже по этому методу, можно избавиться известными способами, например путем создания механических фильтров-пробок между приемным и излучающим преобразователем. Для каротажа по методу прямых волн, т.е. для каротажа, основанного на возбуждении и приеме осевых, азимутальных или изгибнь1х колебаний скважины, все указанные типы волн являются помехами. Это справедливо не только для описанных преобразователей, но и для других, например изгибных или сдвиroBbix, боковые грани которых, контактируквдие с жидкостью, не свободны от перемещений,

Все указанные недостатки в равной мере относятся как к излучающим, так и к приемным преобразователям. Поэтому при каротаже по методу прямых волн стараются акустически изолировать преобразователь таким образом, чтобы излучаемая (или принимаемая) им через жидкость акустическая энергия была минимальна. Для этого приходится всю поверхность преобразователя покрывать слоем акустическиизоляционного материала, оставляя свободной лишь одну рабочую грань, контактирующую со стенкой скважины. Очевидно, что при большой мощности преобразователя и ограниченном диа5метре скважины достичь хорошей звукоизоляции затруднительно, так как для этого потребуется слишком большой слой изоляционного материала.

При каротаже по методу прямых поперечных (крутильных волн), т.е.

0 когда все преобразователи расположены на стенке скважинь и, смещаясь поступательно по азимуту, обеспечивают касательное смещение стенок скважины в одном направлении враще5ния, волны-помехи в принципе не возникнут, так как поле давлений в жидкости от каждого отдельного преобразователя компесируется полями давления соседних преобразователей и в

0 итоге остается только поле сдвиговых смещений в горной породе. Однако это происходит только тогда, когда выполняются определенные условия, а именно: число преобразователей достаточ5но велико, схема их расположения симметричная, а фазочастотные характеристики отдельных преобразователей индентичны. в реальных условиях ни одно из этих условий не выполняется

0 в нужной мере (число преобразователей редко превьииает 4-6, скважина обладает значительной асимметрией, разбросы технических параметров преобразователей), что приводит к значительному фону волн-помех. Перечисленные фак5TbjHj приводят к увеличению интенсивности волн-помех, поляризация которых отлична от заданной (как при излучении, так и при приеме), что в конечном итоге ведет к снижению точ0ности измерения.

Цель .изобретения - повьшение точности измерения и вьщеление заданного типа колебаний.

Поставленная цель достигается тем,

5 что согласно способу акустического каротажа скважин при одновременном излучении и приеме акустических сигналов в нескольких точках, расположенных по периферии скважины в плос0кости, перпендикулярной оси скважины, на стеике скважины возбуждают последовательно сигналы, ,векто|ая сил которых различаются лишь знаком азимутальных компо5нент, при этом для каждой пар«

разнотипных возбуждений меняют знак диаграммы .направленности приемника для азимутильных колебаний, после чего сигналы, записанные при различных условиях возбуждения и приема, суммируют или вычитают друг из друга-.

На фиг. 1 показана схема располо-женин преобразователей в скважине; на фиг. 2 - силы, действующие на стенке скважины; на фиг. 3 - одна из возможных конструкций скважинного преобразователя; на фиг. 4 и 5 - смещения точек поверхности преобразователя В зависимости от характера возбуждающего магнитного поля; на фиг.6волновые картины в пяти точках профиля при различных знаках крутильной компоненты в каждой точке; на фиг.7 результат сложения исходных сигналов в тех же точках профиля; на фиг. 8 результат их вычитания; на фиг. 9 и 10 - волнЬвые картины в жидкости при различных направлениях закручивания; на фиг. 11 - результат их вычитания.

Для осуществления каротажа по предлагаемому способу-в скважине в плоскости, перпендикулярной ее оси, размещают группу цилиндрических преобразователей (излучателей), как показано на фиг. 1. В общем случае схема расположения преобразователей не будет симметричной. Прием ведется на некотором расстоянии по оси скважины группой аналогичных преобразователей .

Возбуждая все преобразователи одновременно, на стенке скважины генерируют сигналы, векторы сил которых имеют осевые, радиальные и азимутальные компоненты одного направления в каждой точке возбуждения.

На фиг. 2 слева изображены полный вектор силы и его компоненты в одной из точек возбуждения на окружности скважины.

Приемными преобразователями регистрируется все волновое поле от такого источника, т.е. после продольных колебаний Р (от осевых и радиальных сил) и после сдвиговых колебаний SH (от азимутальных сил). Р поле упругих волн, возникающее от

источника типа радиальной силы, т.е. продольные головные, обменные PSP{SVl поверхностные, водные, гидроволны и т.п., т.е. все типы волн, характерные для обычного акустического каротажа на продольных волнах.

Возбуждая далее все преобразователи одновременно, на стенках скважины генерируют сигналы, векторы сил имеют противоположное направление азимутгтькых компонент (закру0чивают скважину в другом направлении). Соответствующие компоненты вектора сил приведены на фиг. 2 справа. В этом случае также регистрируют все волновое поле, которое также

5. состоит из двух частей: Р и {-SH). Знак минус указывает, что на излучении сменилась фаза азимутальной компоненты. - В общем случае, когда скважина

0 характеризуется физическими и геометрическими неоднородностямн, возникают еще и обменные волны Р и SH,, .т.е. продольные волны, образовавшиеся путем обмена из , и SH-волны,

5 образовавшиеся-из Р-волн (индекс указывает на тип исходной в,олны) . Таким |Образом, в обоих случаях приемник регистрирует различные волновые поля, состоящие из одинаковых по величине

а именно: +SHp компонент.

0 в первом, P-SH-P +SHp - во втором случае.

Повторяя еще раз операцию двойного возбуждения, также дважды регистрируют проходящие сигналы,при этом

5 изменяют знак диаграммы направленности приемника по.азимутгшьным колебаниям на противоположный, т.е. меняют поляризацию приемника таким образом, чтобы при сохранении знака

0 механических колебаний на входе

(в данном случае - сдвиговых), фаза соответствуияцего им электрического сигнала меняется на обратную.

Сигналы, регистрирующие приемником в этом случае P-SH+P. -SHp - при одном направлении кручения, P4-SH-Рдц-SHp - при противоположном.

Процессы возбуждения и приема приведены в таблице.

Р +SH н р

Р -SHР -SH - Р + SHp

Р +SHР +SH + Рд + SHp

Р -SHР -SH - Р + SHp.

-u/p

SH -Ь SHp

- U,(t)

SH - SHp

SH -f P.,- SHp

-a(t).

SH - SH.

Так как записи сигналов U(t)U(t), полученные при различных условиях возбуждения и приема, линейно независимы, можно разрешить полученную систему относительно составляющи х волнового поля Р, SH, Р и SHp путем сложения-вычитания исходных записей.

Способ предполагает в своей основе использование некоторых цилиндрических преобразователей, в которых возможно изменение знака крутильной компоненты колебаний.без изменения знака и величины остальных входных компонент, при работе их в качестве приемника. В качестве такого преобразователя можно, например, использовать преобразователь крутильных колебаний, основанный на эффекте Видемана.

Одна из возможных конструкций скважин но го крутильного преобразователя представлена на фиг. 3.

Излучатель состоит из полого цилиндрического сердечника 1, изготовленного из магнитострикционного мате риала, фигурной насадки 2, служащей для передачи (или приема) акустической энергии через горную породу 3 и двух обмоток возбуждения - тороидальной 4 и соленоидной 5.

Работа такого преобразователя в режиме излучения происходит следующи образом.

При одновременном возбуждении обмоток токовым импульсом в сердечнике наводятся две составляющие магнитного поля - одна циркулярная (от тороидальной обмотки), другая - осевая (от соленоидальной обмотки). Так как эти ортогрнальные составляющие действуют в каждой точке сердечника, то результирующее магнитное поле оказывается направленным вдоль некоторых спиральных линий, равномерно охватывающих сердечник. В результате магнитострикционный сердечник испытывает информацию сжатия (растяжения) вдоль этих спиральных линий,что в конечном итоге приводит к его скручиванию вокруг оси (эффект Видемана),а также к изменению размеров в осевом и радиальном .направлениях.

Распределение вектора магнитного поля в произвольном сечении сердечника плоскостью, перпендикулярной его оси, приведено в верхней части фиг.4 В нижней части фиг.4 показаны возникающие при этом смещения поверхности сердечника. Обозначения Ur. Uz и U определиют компоненты вектора смещения, направленные по радиусу, оси и азимуту сердечника соответственно.

При изменении направления одной из компонент магнитного поля на противоположное (например, путем изменения направления тока в одной из обмоток) , результирующее магнитное поле останется спиральным, но с другик

направлением обхода. Векторы магнит ного поля-и смещения сердечника для этого случая представлены на фиг.5. Как видно крутильная компонента U меняет знак на противоположный, а остальные компоненты вектора смещени остаются без изменения. Таким образом, поворачивая вектор напряженности магнитного поля симметрично относительно образующей сердечника, возможно менять знак крутильной компоненты преобразователя, не меняя знака и величины остальных компонент Такой же преобразователь может работать и как приемник механических колебаний. Для этого необходимо запитать обе обмотки постоянным током, чтобы создать необходимое первоначальное подмагничивающее поле. Если теперь преобразователь, подмагниченный постоянным спиральн1лл магнитным полем, подвергать действию механических осевых, радиальных и азимутальных сил, то на каждой обмотке индуцируется электрическое напряжение, пропорциональное этим воздействиям. При этом, если пренебречь поперечной магнитострикцией, на соленоидальной обмотке развивается ЭДС/ пропорциональная осевым и азимутальным воздействиям, на тороидальной - пропорциональная радиальным и азимутальным воздействиям. Очевидно, что механизм преобразования механических соевых воздействий в электрический сигнал связан только с наличием осевой составляющей подмагничивающего поля, а радиальных - только с азимутальной составляющей поля. Механизм же преобразования крутильны колебаний зависит от обеих составляющих подмагничивающего поля, как от азимутальной, так и от осевой. При этом та часть электрического сигнала, которая связана с крутильными колебаниями преобразователя и индуцированная в одной из обмоток, зависит от разноименной составляющей подмагничивающего поля, т.е. электрический сигнал, являющийся откликом преобразвателя на крутильные колебания, снимаемый, например, с соленоидальной обмотки, зависит от азимутальной составляющей подмагничивающего поля, и наоборот, сигнал, снимаемый с тороидальной обмотки зависит от осевой составляющей. Поэтому, если сменить направление одной из составляющих подмагничивающего поля, например азимутальной, то та часть сигнала на соленоидсшьной обмотке, которая отвечает осевым воздействиям, останется прежней, так как зависит только от осевой составляющей поля,которая не изменилась, а та часть сигнала, которая отвечает крутильным колебаниям, изменит фазу на противоположную так как зависит от азимутальной составляющей магнитного поля, которая изменила направление. Для электрического сигнала, снима мого с тороидальной обмотки, та часть сигнала, которая связана с крутильными, останется прежней. ТаКИМ образом, меняя напряжение одной из составляющих подмагничивающего поля, возможно менять знак диаграммы направленности приемника раздельно для азимутальных, осевых и радиальных компонент. Преимущество предложенного способа по сравнению с известным заключается в том, что простейшие операций сложения-вычитания исходных записей сигналов позволяют осуществить основные поляризационные схемы возбуждения-приема акустических сигналов в скважинах, используя в качестве излучателей и приемников широко известные и распространенные в акустическом каротаже кольцевые магнитострикционные преобразователи. Кроме того, для некоторых видов каротажа, в частности- для каротажа по методу прямых поперечных (крутильных) волн снижаются требования к количеству используемых преобразователей, идентичности их фазочастотных характеристик и симметрии их расположения в скважине. Формула изобретения Способ акустического каротажа скважин, включакщий одновремениое излучение и прием акустических сигналов в нескольких точках, расположенных по периферии скважины в плоскости, перпендикулярной оси скважины, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и выделения заданных типов колебаний, на стенке скважины возбуждают последовательно сигналы, векторы сил которллх различаются знаком азимутгшьных компонент, при этом для калщой пары разнотипных возбуждений меняют знак диаграммы направленности приемника для азимутальных колебаний а сигналы, записанные при различных условиях возбуждения и приема, суммируют или вычитают друг.из друга.

фи(.1

t/f.Z