Способ акустического картожа скважин Советский патент 1982 года по МПК G01V1/44 

(54) СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН

1

Изобретение относится к гфомысловой гео()нзике и может быть использовано Преимущественно при исслецс ании сква- . жин трех- или многоэлементным акустическим зонцом.

Получение наряду с другими характеристик, прошедших через пороцу поперечных волн, существенно повышает информативность акустического каротажа, особ«1но в трещиноватых породах. Однако, поскольку поперечные волны в принятом сигнале не явл5потся первыми, использование траднционньос способов непосредственного выделения (стробирования) волн с помоцью порогового устройства не предсгавляется возмсмсным.

Известен способ акустического каротажа, который обеспечивает возможность стробирования из поступившего на прием нжк от иэ/ учателя волисеого пакета г зуп-го пы первых пол периодов поперечных во;ш с последутоишм измерением пиковых значений их ямплитуд. Выделение поперечных волн из полного сигнала гжновано но известном свойстве этих волн иметь более низкую частоту по сравнению с продольными волнами, или, что то же, меньшее количество нулей (переходов через О) на одном и том же временном интервала Команда на генерирование стробирующего окна поперечных волн подается при редком уменьшении числа нулей. Попавшие в окно колебания детектируются и регистрируются в качестве параметра амплитуды поперечных волн | I ,

Недостаток способа обусловлен тем обстоятельством, что в реальных условиях на начало поперечныхволн оказываются наложенными хвосты продольных волн, в результате чего возникает сложная интерференционная картина с нехарактерным размещением нулей и cTpoftipyiouiee окно устанавливается неточно. Этому способствуют такжеНепостоянство частоты продольных волн и искажения сигнала, связанные с дедентровкой зонда. Смещение стробирукидего шла приводит к значительному искажению результатов измерения амплитуоь поперечных волн. Более совер 1 енным является способ акустического каротажи, включающий поочередное зонйирование двух разной длины участков скважины, в том числе в ка. ждом такте зонсшроваиия - возбуждение и прием продольных и поперечных волн, фиксадито Времени пробега продольных волн, , формирдаание стробирующих окон и изметвчучХ jfTxi-ii t «jjTrci (y-iVti- TnMV г tf rStl TJ гТПКДО. рение амплитуды колебаний в интервалах стробирования. Зондирующие импульсы поочередно работающих и смещенных по зонда излучателей (для варианта с много элементным зондом) поступают в каждом такте зондирования на приемник .В виде волновых пакетов. Пакеты смежных тактов имеют разлившую временную задержку относительно посылки зондирующего импульса и различные амплиту- днью характеристики ввиду разницы в длине путей при прохождении колебаний от ближнего и от дальнего излучателей к приемнику. В каждом такте на приемник пер „„и , вой прихосшт продольная волна, а за ней иззаболее низк-ой скорости распространения - поперечная волна. С помощью порогового устройства в каждом такте фиксируется время tn прихода продольной ,,„,„ волны. Затем это время с помощью функционального преобразователя y raoжaeтcя на коэффициент 3 , представляющий собой известное соотношение скоростей д- продольных и поперечных волн. Полученный новый временной интервал, имеющий длительность -ЬрТ s начинается в момен генерации зонцирутощего импульса и заканчивается в момент ожидаемого приход поперечных волн, В этот момент генериру ется стробируюишй импульс и производится измерение амплитуды поперечных волн в интервале стробированкя - временном окне, соответствующем нескольким первым полупериодам поперечных волн. noJty 4eHHe времени прихода поперечных волн путем умножения времени прихода продольных волн на соотношение скоростей продольны и поперечных волн Э основано на том, что при постоянных расстояниях от излучате юй до приемника (зондовых расстояниях) соотношения времен прихода продольных и поперечных волн обратно пропорционально соотношению их скоростей в тех же породах, т.е. ввиду того, что скорость распространения поперечных вол в породе в -у раз меньше, чем скорость процольных волн, время прихода поперечных по сравнению с продольными в у- раз больше 2, Выделение интервала первых полупериодов поперечных волн с помсщью известного способа вполне надежно и может обеспечить необходимую точность, но только 13 случае, когда зазор между скважинным прибором и стенкой скважины незначителен, и временем прохождения кос; «л лебаний по прослойке жг окости можно пренебречь. При наличии относительно большого зазора (работа в скважинах большого диаметра, а также в кавернозных pasрезах) погрешность выделения интервала поперечных волн является недопустимо большой, соответственно низкой является точность измерения динамических (амплитудных) характеристик этих вол}. В этом случае за(|иксированное время при- хода продольных волн определяется как tp ТР+ Та , где Тр - время прохождения продольных волн по породе; Тп, - то жо, по прослойке жиокости при вхоое колебаний в породу и выходе из породы к приемнику, и после умножения на -у- на ,„, ,Р(„„„„,.„ ,,„,„„. чало интервала стробирования поперечных волн определяется как t(rt,o5 Действительное же время прихода i поперечных волн определяется аналогичным выражением, но без коэффициента , ред значением Тл, так как по жидкости кохвбания распространяются только в Еиде продольных волн, а поперечные волны возбуждаются и распространяются только в породе, т.е. Tn , и абсолютная погрешность выделения интервала поперечных волн определяется KaKtcTpoB -t5()-(rrp +Г) Тл(). При исследовании плотных пород коэффициент: 2Г-1,8р э время Т с учетом реальных зазоров и относительно невысокой скорости распространения в жидкости ( м/с) может составить 15ОО-20ОО МКС, что смещает стробирующее окно поперечных волн на несколько периодов от начала их прихода на приемник и приводит к недопустимо большой (до 30-5О%) погрешности при измерении амплитуды поперечных волн в пересекаемых скважиной горных породах. Цель изобретения - повышение точности измерения динамических характеристик поперечных волн tiyreM уменьшения погрешности, обусловленной зазором межс зондом и сгенками скважины. Указанная цель достигается тем, что в способе акустического каротажа скважин, включающем поочередное зондирова59ние двух разной олины участков скважины в том числе в каждом такте зоноирования - возбуждение и прием продольных и подаречных волн, фиксацию времен гфобе- га продольных волн, формирование стробирукшшх окон и измерение амплиауцы колебаний в интервалах стробирования, формируют вспомогательный временной интервал, начинающий в момент прихода продольных волн и имеющий длительность пропорциональную рааяости времен пробега продольных волн в смежных тактах, начало стробирующего окна поперечных волн фиксируют по моменту окончания вспомогательного интервала, а коэффициент пропорхиональности при формировании вспомогательного интервала по разности времен пробега устанавливают в зависимости от геометрии зонда по еле- дукяцей формуле где € - зондовое расстояние,. м; L - длина измерительной базы зсмда, м; JT - соотношение скоростей продольной и поперечной волн в пересе каемых скважиной породах. На г. I изображена примерная схема реализации способа в аппаратуре акус тического каротажа; на фиг. 2 - эпюры импульсов; на фиг. 3 - электрическая схема формирователя вспомогательного временного интервала. Аппаратура состоит из скважинного снаряда и наземного измерительного пульта, соединенных каротажным кабелем. Скважинный снаряд содержит электронный блок I и трехэлементный акустический зонд 2 с двумя излучателями 3 и 4 упругих колэбаний и приемником 5, Основными элементами пульта являются формирователи 6 и 7 интервальных импусов, интеграторы 8 и 9, схема 10 вычитания, формирователи 11 и 12 вспомогательных интервалов, генераторы 13 и 14 стробирующих окон, селективные де текторы 15 и 16,функциональный преобразователь 17, схема 18 синхронизации. Элементы зонды (излучатели 3 и 4 и приемник 5) размещены по его высоте , в нижней части приемник, выще приемника со сдвигом относительно друг друга ближний .(по отношению к приемнику) излучатель 3 и дальний излучатель 4. Расстояние межоу каждым из из4тучатепэ и приемником определяет соответствующе зондовое расстояние I ( - для ближне56го, С - цля дальнегоиany iaгелей). Разность зсицовых расстояний, численно равная сдвигу между излучателями, является измерительной базой зонда oi, В процессе выполнения каротажа, когда скважиниый снаряд перемещается от забоя к устью скважины, излучатели путем посылки зондируюших импульсов 19 и 20 соответстьенно от ближнего и от цальнего излуча телей возбуждают в окружающей среде серии упругих колебаний. Находящажя в электронном блоке I схема и лучателей обеспечивает поочередность pei- боты излучателей. Возбужденные в среде упругие колебания через прослойку жидкости попадают в породу и, пройрд путь по породе, соответствующий зондовым расстояниям, снова через прослойку жидкости попадают на приемник 5, где преобразовываются в электрические колебания 21 и 22 соответственно от ближнего и от дальнего излучателей. При этом на пути к приемнику ко;кбания проходят по породе в виде продольных волн в течение времени Тр и Тр. соответственно для ближнего и дальнего излучателей и в виде поперечных волн в течение времени TC,J и .. Поперечные волны имеют более низкую скорость, чем продольные, приходят на приемник с большим запоздание м. Эти колебания усиливаются с помощью расположенного в электронном блоке 1 усилителя и по каротажному кабелю вместе с разнополярньми импульсами синхронизации (от срабатывания того и другого излучателей) поступают на вход наземного измерительного пульта к формирователям 6 и 7 интервальных импульсов, селективным детектором 15 и 16, а также к схеме 18 синхронизации. С помощью порогового элемента в формирователе 6 формируется прямоугольный интервальный импульс 23, передний фронт которого соответствует моменту посылки зондирующего импульса 19 от ближнего из/учателя, а задний фронт - моменту фиксации пришедшей первой к приемнику продольной волны. Аналогичным образом в формирсват&ле 7 формируется интервальный импульс 24, фрситы которого определяются моментом посылки зондирукацего импульса 2О от дальнего излучателя и моментом фиксации продольной волны от дальнего излучателя 4. Импульсы 23 и 24 постуают соответственно на входы запуска ормирователей 11 и 12 вспомогатель- ных интервалов, запуская их в момент прохожаения задних фрс«тов импульсш 23 и 24. Длительность вспомогательных временных интервалов - импульсов 25 и 26- устанавливается в зависимости от поступающего на входы управления формирователей напряжения от схемы 1О вычитания и устаншки исходного режима, обеспечивающих совмещение задних фронтов импульсов формирователей с началом пакетов искажения этих пакетов хвостами продольных волн и отсутствия видимой границы между продольными и попе peчны ш волнами. Входы схемы Ю вычитания связаны с выходами интеграторов 8 и 9, в которых осуществляется преобразование импульсов 23 и 24 в напряжение, пропорциональное их длительностям с последующим запоминанием этого напряжения. Напряжение на выходе схемы 1О вычитания пропорционально разности Т длительностей импульсов 24 и 23 в непосредственно слецующих .Друг за цругом смежных тактах. При прохожде{ти участ ков скважины, где скорости и соответственно время прихода колебаний к приемнику имеют другие значения, изменяются напряжения на выходах интеграторов и вькоде схемы вычитания. Соответственно перемещаются фронты каждого из импульсов 25 и 26, привязанные передний - к моменту прихода пакета продольных и зад ний - к моменту ожидаемого прихода поперечных Волн. Импульсы 25 и 26 поступают на ге нераторы 13 и 14 стробирующих окон, запуская их задними фронтами. Импульсы 27и 28 с выхода генераторов поступают на управлякяцие входы се юктивных детекторов 15 и 16. В интервалах стробировакия, соответствующих трем первым периодам колебаний поперечных волн, осущест вляется пиковое детектирование сигналов ог ближнего излучателя детектором 15 и от дальнего иэ учателя детектором 16. Выходное напряжение детекторов в качестве параметров амплитуд поперечных ьолн А, и А 52. соответственно от ближнего и от дальнего из гчателей, являющихся динамическими характеристиками .поперечных волн, поступают на регистрагор каротажной станции, куда одновременно поступает и напряжение от функциональ него преобразователя 17 - параметр с/в . Функдиснапьный преобразователь 17 осуществляет преобразсвание поданных на его вход параметров А(и Р Ф их ошошения, соответствующий коэффиии9458 енгу затухания aig поперечных волн на базе (fcL между иалучагелями. Схема 18 синхронизашш обеспечивает правильное во времени фун1ашонирование. э;ементов наземного измерительного пульта. Формирователи 11 и 12 вспомогательных временных интервадов выполнены идентичными. Схема формирователя (4иг, 3) содержит генератор 29 пилообразного напряжения, выполненный на oneрационном усилителе компаратор 30 и рездстивный аттенюатор 31. Выход генератора 29 подключен, к инвертирующему, а выход аттенюатора 31 к неинвертиру- ющему входам компаратора. Вход генератора 29 является входом запуска, а вход аттенюатора 3 1 - входом управления формирователя вспомогательньсс временных интервалов. Передний фронт импульсов на выходе формирователей определяется началом пилы, а задний фронт - моментом совпаде шя одного из значений напряжения пилы с опорным напряжением, поданным от схемы вьпитания через аттенюатор. . Поскольку опорное напряжение пропорционально разности интервальных импульсов, или, что то же самое, разности времен пробега продольных волн дТ в сме- жных тактах, то и длительность импульсов 25 и 26 на выхода формирователей пропорциональна Л Т при коэффициенте пропорцидаальности К, зависящем при постоянстве наклона пилы только от коэффициента передачи аттенюатора. С помощью аттенюатора 3 1 в процессе настройки и калибровки аппаратуры коэффициент пропорциональности К устанавливается равI Ь). I где f - зондовое расстояние для соответствующего излучателя, м; Ь - длина измерительной базы зонда, м; 2Г- соотношение скоростей продольной и поперечной волн в пересекаемых скважиной породах (для плотных пород 3 1,75-1,8). Таким образом, длительность вспомо- гательного временного интервала в такте зондирования от ближнего излучателя опg., ределяется как ii - (T-U Л1 и от дальнего иаг ателя как (Т) Поскольку импульсы 25 и 26, определяюише вспомогательные временные интервалы, следует непосредственно за интер9овальными импульсами 23 и 24, го время до начала сгробирования поперечных волн цля каждого из излучателей tcTpoS H-tcTpoe/z. определятся суммой длительностей импульсов 23 и 25, ,24 и 26 . сваю очередь, длительность каждого из интервальных импульсов 23 и 24 включ ет в себя время прохождения продольны волн по породе Трх к Тр соответственно и прослойкам жидкости при входе в поре ду и выходе из нее Тд. , т.е. строе, строе a. После подстановки и упрощения выра жение для -tp трое имеет вид ОСТРОВ.-V-- V )-Ч Аналогично для- строБ. выражение имеет вид.-fcстрое 2- sz Из результирующих выражений видно, что время начала стробирования и измерения поперечных волн-1стр)Б(строБг тактах работы каждого из излучателей численно равно суммарному значению времени распространения колебаний по жидкости в зазорах меж излучателем, приемником и стенками скважин и времени распространения поперечной волны по породе на участке межсс соответству ющим излучателем и приемником, что со ответствует фактическому времени прихода поперечной волны, т.е. строБ1 ts ст оБ2 вгПо этой причине, по крайней мере, в несколько раз уменьшается погрешность измерения динамических (амплитудных) характеристик упругмх поперечных волн, обусловленная зазором между зондом и стенками скважины и соответствующим смещением интервалов стробирования относительно первых периодов пакета поперечных волн. 0510 Формула изобретения Способ акустического карот 1жа окнажин, включающий поочередное зондяроваТаие двух разной цлины участков скважины, в том числе в каждом такте зонш1 рование - возбуждение и прием продольных и поперечных волн, фиксацию времен пробега продольных волн, формирование стробирутощих окон и измерение амплитуды колебаний в интервалах стробирования, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения динамических характеристик поперечных волн путем уменьшения погрешности, обусловленной зазором межру зондоМ и стенками скважины, формируют вспомогательный Временной интервал, начинающий в момент прихода продольных волн и имеющий длительность, пропорциональную разности времен пробега продольных волн в смежных тактах, начало стробирующего окна поперечных волн фиксируют по моменту окдачания вспомогательного интервала, а коэффициент пропорциональности при формировании вспомогательного интервала по раэ-. ности времен пробега устанавливают в зависимости от геометрии зонда по с;юаующей формуле fcr-) С зонцовое расстояние, м| Ь - длина измерительной базы зонда. Mi У - соотношение скоростей продольной и поперечной волн в пересекаемых скважиной породах. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 697943, кл. G О1 V 1/4О, 1975. 2.Патент США № 3333238, л. Н 34О-18, 1967 (прототип).