Способ акустического каротажа и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК G01V1/52 G01V1/44 

Изобретение относится к геофй,зическим исследованиям скважин акустическими методами. Известны способы акустического каротажа на поперечных волнах. При реализации которых для преимуществен ного возбуждения поперечных волн используют направленное фокусированное излучение ультразвука. Известен способ акустического кар тажа сКважин, согласно которому осуществляют одновременно излучение и последующий прием акустических сигна лов в нескольких точках, расположенных на равном расстоянии одна от дру гой по периферии скважины, причем да чики излучения и .приема прижимают к стенке скважины и ориентируют вектор смещения по азимуту скважины 1. Такой способ позволяет измерить скорость .поперечной волны с высокой эффективностью, однако обладает низкой технологичностью ввиДу затруднений с- непрерывной записью каротажной кривой и поэтому годится лишь для ис следования отдельных наиболее важных интервалов. Известны также непрерывно управля емые датчики ддя акустического каротажа, реализующие способ каротажа на продольных и поперечных волнах, основанный на том, что наиболее эффективное возбуждение конкретного вида волны происходит при вводе энергии в породу под соответствующим критическим углом, а при падении амплитуды волны подстраивают угол ввода энергии 2. Известен также способ -акустического каротажа , в котором повышают точность регистрации поперечных волн путем подстройки угла ввода акустических колебаний за счет использования информации, полученной в предыдущем Ц11кле измерений З. Недостатком известных способов акустического каротажа являетйя техническая трудность создания достаточно сфокусированного пучка акустической энергии в УСЛОВИЯХ скважины. Поскольку поперечный размер скважины допускает максимальный диаметр излучателя порядка 100 .мм, то при таком размере достаточную фокусировку излучения можно осуществить лишь на рабочих частотах порядка сотен килогерц. Однако такие частоты в акустическом каротаже не используются, во-первых, из-за очень большого затухания энергии, во-вторых, из-за крайне низкой глубинности исследования. В . то же время на практически используе мых частотах (5-30 кГц) фокусировка энергии встречает большие технические трудности и эффект ее применения невелик.. Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ акустического каротажа скважин, основанный на направленном возбуждении в скважине акусти ческих волн и регистрации параметров поперечных волн, В этом способе реализуется не про странственная, а частотная избирател ность при возбуждении конкретного ти па волны по породе. Способ использует тот факт, что наилучшие условия распространения скважины в виде поперечной волны имеет так называемая частота среза (или критическая частота).Для первой моды колебаний эта частота примерно определяется по формуле f,. г-Li, JTR где R - радиус скважины, Vg скорость распространения поперечной волны по породе 4. Недостатком этого способа являетс ограниченность диаметра скважины.Для практически встречающихся пород критическая частота 5-10 кГц. В то же время цилиндрический излучатель с максимальным диаметром 100 мм имеет собственную частоту порядка 15-20 кГц Для снижения этой частоть применяются трудоемкие способы демпфирования из лучения, при этом получение частот ниже 10 кГц (то есть исследование низкоскоростных пород) мало эффектив но, а излучаемая мощность за счет демпфирования падает. JCpoMe того, способ не устраняет продольные волны, а лишь уменьшает амплитуду относительно амплитуд поперечных волн. Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является преобразователь акустических сигналов, представляющий собой излучатель электродинамического типа с подвижной мембраной из проводящего материала Сз . Недостатком данного преобразователя является невозможность возбужде ния плоских гидроволй. Цель изобретения - повышение точности регистрации динамических и кинематических параметров поперечных волн. Поставленная цель достигается тем что согласно способу акустического каротажа, основанному на направленном возбуждении в скважине акустичес ких волн и регистрации параметров по перечных волн, возбуждают в направлении оси скважины плоскзпо гидроволн с основйой частотой, соответствующей резонансной частоте столба жидкбсти йг определяемой выражением fp а , где V,|c - скорость распространения волн в жидкости, R - радиус скважины при этом способ, осуществляется с помсядью устройства, содержащего излучатель электродинамического типа с подвижной мембраной из проводящего материала, систему возбуждения излу-. чателя в виде катушки возбуждения и разрядного конденсатора и приемную систему,-причем подвижная мембрана излучателя выполнена в виде круглого поршня максимально допустимого для каждой скважины диаметра и расположена перпендикулярно к оси сква5:сины, а разрядный конденсатор имеет емкость, определяемую выражением С , где L - индуктивность кaтsmIЙи возбуждения. Известно, что гйдроволна распррстраняется в основном по столбу скважинной жидкости со скоростью Несколько меньше скорости звука в жидкости. При частоте близкой к нулю скорость гидроволны соответствует скорости волны Лэмба, а при частоте, стремящейся к бесконечности, скорость гидроволны близка к скорости волны Стоунли на плоской границе жидкого и твердого полупространств. На промежуточных частотах скорость гидроволны диспергирует, причем вид дисперсии определяется в основном скоростью попе речных волн в породе. На этом эффекте основан способ определения скорости поперечной волны по скорости гидроволны. Обычно гидроволна рассматривается как волна-помеха, имеющая по сравнению с полезными волнами очень большую амплитуду. Данный способ заключается в возбуждении гидроволны с плоским фронтом с целью получения поперечной волны по породе. Известно, что плоская волна по столбу жидкости внутри оболочки имеет наинизшую резонансную частоту, определяемую по, формуле VP гдeVy - скорость звука в жидкости..На этой частоте столб жидкости в наибольшей степени возбуждает колебания оболочки. Из формулы видно, что fp совпадает с у, для Vj 20, т.е.. для примерно средней частоты Vs по разрезу сквакины,Таким образом, возбуждая гидроволну с плоским фронтом на частоте fp (которая близка .к f f;), получаем наибольший эффект возбуящения поперечной волны по породе. Способ реализуется с.помощью уст;ройства, в котором излучатель акустических сигналов выполнен в виде подвижной мембраны, расположенной в горизонтальной плоскости и перекрывающей поперечное .сечение скважины. Дл идеального возбуждения плоской гидроволны необходимо, чтобы диаметр мембраны был равен диаметру скважин фактически се диаметр мембраны огра ничен техническими условиялли на скв жинную аппаратуру, но он должен быт максимально возможным. Для обеспечения необходимой осно ной частоты излучения возбуждение мембраны производят от разрядн9го . конденсатора с емкостью С г . На чертеже показана схема работы устройства. Устройство размещено в двух контейнерах (контейнер излучения и контейнер приема), соединенных-базовым шланговым.кабелем 1 , и расположено в буровом растворе 2, заполняющем скважину 3, на каротажном кабеле 4. Фиксацияположения устройства относительно стенок скважины 3 производи ся с помощью резиновых центрирующих стержней 5. В корпусе излучателя 6 помещается излучающая мембрана 7 с отверстием в середине для пропуска базового шлангового кабеля 1. Внешний диаметр мембраны 7 выбран максимально допустимым для данного диамет ра скважины. Между корпусом излучателя 6 и мембраной 7 расположены резиновые уплотняющие кольца 8,предназначенные для обеспечения герметичности устройства. Нижняя излучающая поверхность мембраны контактирует с буррвьм растворе, а сверху над мембраной расположена кольцевая катушка 9 возбуждения. В приемном контейнере расположен приемни 10 акустического сигнала, выпблнен.ный в виде сферы из пьезокерамики, и приемный .усилитель 11, а в контей нере излучения расположен генератор 12. Устройство работает следующим об разом. . Генератор 12 акустического сигна ла разряжает накопительный конденсатор с емкостью С на катушку 9 воз буждения и создаваемое ею электриче кое поле отбрасывает мембрану 7,что приводит к излучению акустического сигнала в буровой раствор 2. Акусти . ческий сигнал, прошедший по стволу скважины, принимается приемником 10 расположенным на расстоянии от излу чаюцей мембраны, зафиксированном с помощью базового шлангового кабеля Затем принятый сигнал усиливается усилителем 11 и по каротажному кабе лю 4 подается на повёрхность. Предлагаемый способ акустического каротажа и устройство для его осуществления дают преимущественное возбуждение поперечной волны по породе по сравнению с продольной, за счет чего увеличивается точность измерения кинематических и динамических параметров поперечных волн. Формула изобретения 1.Способ акустического каротажа, основанный на направленном возбуждении в скважине акустических волн и регистрации параметров поперечных волн, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регистрации динамических и кинематических параметров поперечных волн, возбужда{рт в направлении оси скважины плоскую гидроволну с основной частотой, соответствующей резонансной частоте столба жидкости и определяемой выражением f - . где : . Р 21FR . V. - скорость распространения волн в жидкости, R - радиус скважины. 2.Устройство для ос тцествления способа по П.1, содержащее излучатель электродинамического типа с подвижной мембраной из проводящего материала, систему возбуждения излучател}| в виде катушки возбуждения и разряд- ного конденсатора и приемную систему,. отл и ч а ю ще ее я тем, что, подвижная мембрана излучателя выполнена в виде, круглого пориня максимально допустимого для каждой скважины диаметра и расположена перпендикулярно к оси скважины, а разрядный конденсатор имеет емкость,определяемую по.формуле f р 4ТП1 где L - индуктивность катушки возбуждения. Источники информации, ринятые, во: внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 721791, кл. G 01 V 1/40,. 1977. 2.Патент США 3614725, л. 181-5, 1977. 3.(Авторское сввдетельство СССР 656011, кл. G 01 V 1/40, 1976. 4.Авторское свидетельство СССР 553560, кл. G 01 V 1/40, 1975 (прототип). 5.Авторское свидетельство СССР 438962, кл. С 01 V 1/40, 1973 (прототип).