EA003846B1

EA003846B1 - Способ и устройство для выбора акустической частоты в приборах акустического каротажа

Info

Publication number: EA003846B1
Application number: EA200201301A
Authority: EA
Inventors: Тору Икегами
Original assignee: Шлюмбергер Текнолоджи Б.В.
Priority date: 2000-06-07
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2003-10-30
Also published as: BR0111513A; EA200201301A1; AU2001274385A1; WO2001094983A2; NO20025822L; OA12392A; NO20025822D0; GB0226180D0; GB2377992B; CN1215340C; GB2377992A9; US6510104B1; MXPA02011515A; GB2377992A; CN1432135A; WO2001094983A3

Abstract

Система звукового каротажа содержит зонд в стволе скважины, который излучает звуковые волны посредством одного или нескольких дипольных источников для оптимального возбуждения в стволе скважины дипольных звуковых волн с изгибными модами. Сначала в системе определяется частота Эйри ствола скважины. Затем дипольные источники возбуждаются на частоте дипольного возбуждения, выбранной на основе частоты Эйри.

Description

Настоящее изобретение относится к способам для описания физических свойств подземных пластов путем излучения звуковых волн в стволе скважины и обработки результатов измерений звуковых сигналов, а более точно - к способам для выбора акустической частоты излучаемых звуковых волн для оптимального возбуждения в стволе скважины дипольных звуковых волн с изгибными модами.

Предшествующий уровень техники

При разработке месторождений природных углеводородов (например нефти) обычно с наземной буровой площадки пробуривают в грунте скважину. Скважинные измерения различных явлений и свойств часто осуществляют для определения различных характеристик, относящихся к подземным ресурсам или пластам, или же относящихся к процессу бурения. Для осуществления таких измерений различные скважинные датчики или чувствительные элементы могут быть размещены на буровой коронке, в компоновке низа бурильной колонны (или ствола скважины), в бурильной колонне над забойным двигателем или в любой другой части подземной бурильной колонны. Датчики ствола скважины часто размещают на специальном приборе, например, на измерительном приборе с проводной линией связи, который опускают в скважину на стальном тросе. Скважинный измерительный прибор может также содержать источники различных сигналов для излучения в стволе скважины сигналов, предназначенных для обнаружения датчиками в приборе после прохождения их через ствол скважины и/или подземные пласты вокруг ствола скважины.

Обнаруженные или измеренные данные обычно передаются на поверхность, где их можно сохранять, обрабатывать или использовать иным образом, например, для контроля и управления процессом бурения. Данные, измеренные или обнаруженные скважинным прибором, обычно излучаются или передаются по телеметрическому каналу связи к приемникам или к аппаратуре обработки на поверхности с помощью различных телеметрических способов или систем, например при помощи прочных многожильных кабелей или прибора, опускаемого в скважину на тросе, который может содержать электрические или волоконнооптические кабели, по которым данные передаются на поверхность посредством индуктивной связи или иных принципов.

Другие телеметрические способы, помимо телеметрии по проводам, иногда также применяются для передачи данных на поверхность. Например, в способах скважинных измерений в процессе бурения и каротажа во время бурения, которые иногда применяются для проведения скважинных измерений, для передачи обнаруженных данных на поверхность обычно исполь зуется телеметрия по буровому раствору или по гидроимпульсному каналу связи, электромагнитная телеметрия или акустическая телеметрия через саму буровую колонну. Акустическая скважинная телеметрия и относящиеся к ней схемы модуляции описаны 8.Р.Мопгое в Арр1ушд бщба1 ба!а-епсобшд 1ес1шк|ие5 1о тиб рике !е1ешейу, Ртосеебшдк оГ Не 511 8РЕ Ре!то1еиш СошрШег СопГегепсе, Эепуег. 1ил. 25112811, 1990, 8РЕ 20236, рр. 7-16.

Для определения свойств подземных пластов можно использовать измерения акустических/звуковых волн, которые проходят через пласты. Поэтому одним видом скважинных измерений является измерение звуковых волн, создаваемых генератором звука или излучателем, при этом звуковые волны проходят через ствол скважины и/или подземные пласты. Соответственно во время различных этапов поиска и разработки месторождений углеводородов используют приборы звукового или акустического каротажа.

Прибор звукового каротажа можно опускать в открытый ствол скважины на каротажном кабеле. Такой каротажный прибор, иногда называемый зондом, обычно содержит один или несколько генераторов или источников (излучателей) звуковых волн и один или несколько приемников звуковых волн (обычно гидрофонов), разнесенных на каротажном приборе на известное расстояние. Прибор звукового каротажа излучает или «возбуждает» звуковые волны, обычно в виде импульсов, в соответствии с сигналом напряжения, приложенным к преобразователю источника звуковых волн. Эти излученные звуковые волны проходят через пласт вокруг ствола скважины и затем обнаруживаются на приемнике (приемниках). Далее обнаруженные акустические сигналы обычно передаются на поверхность по линии проводной связи внутри каротажного кабеля для обработки, хранения, контроля и других целей. В дополнение к измерениям в открытой скважине можно также использовать прибор звукового каротажа для измерений в обсаженной скважине.

Звуковые волны могут распространяться через пласты по существу в двух видах: в виде объемных волн и поверхностных волн. Существуют объемные волны двух типов, которые распространяются в горной породе: продольные и поперечные. Продольные волны, или Р-волны, представляют собой волны сжатия и расширения и образуются, когда пласт, через который звуковые волны распространяются, является резко сжимаемым. В случае продольных волн колебания небольших частиц происходят в том же самом направлении, в котором распространяется волна. Поперечные волны, или 8-волны, представляют собой волны сдвигового действия, которое наблюдается, когда тело получает удар сбоку. В этом случае перемещение частиц горной породы происходит перпендикулярно к направлению распространения волны.

Поверхностные волны обнаруживаются в окружающей скважину среде в виде усложненных канализированных в стволе скважины волн, которые образуются из отражений звуковых волн при реверберации в стволе скважины. Поверхностной, канализированной в стволе скважины волной наиболее общего вида является волна Стоунли. Такие виды звуковых волн могут быть обнаружены приемником, например, из-за наличия звуковых волн, возбужденных или излученных монопольным (ненаправленным или симметричным) источником. Монопольный источник излучает в добавление к головным продольным и поперечным волнам, главным образом, группу осесимметричных мод.

В некоторых областях можно использовать дипольные (направленные) источники и приемники. Дипольный источник в добавление к головным продольным и поперечным волнам возбуждает группу изгибных скважинных мод. Волны с изгибными модами могут быть отнесены к изгибным волнам. Кроме того, звуковые волны распространяются через текучую среду в стволе скважины и вдоль самого каротажного прибора. При отсутствии взаимодействия с пластом эти волны не несут полезной информации, но могут взаимодействовать с волнами, представляющими интерес, если они имеют аналогичные скорости распространения.

По существу, дипольный излучатель может состоять из громкоговорителя со звуковой катушкой, способного излучать импульсы давления с обеих сторон «диффузора». Диффузор обычно представляет собой пьезоэлектрический источник или диск, например титановый диск диаметром 2 дюйма. Поэтому, когда импульс тока (имеющий форму сигнала управления или возбуждения) проходит через катушку, диск колеблется параллельно своей оси, оказывая положительное давление на текучую среду в стволе скважины по одну сторону зонда и отрицательное давление по другую сторону. По этой причине при использовании дипольных источников вдоль ствола скважины распространяется дополнительная поперечная/изгибная волна, обусловленная изгибающим действием ствола скважины в ответ на дипольный сигнал от источника. Приемники могут быть гидрофонами, размещенными на каротажном приборе вдоль оси ствола скважины на известных расстояниях друг от друга и от излучателя (излучателей) звука.

Использовались или предлагались дипольные источники сигналов и излучатели различных типов. Они включают в себя, например, электромагнитные преобразователи, такие как использованные в приборе Ό8Ι звукового каротажа на дипольных поперечных волнах фирмы 8сй1итЬегдег (см. патент США № 4862991, патент США № 4207961, патент США № 4383591), вибраторы со связанными массами, приводимыми в движение магнитострикционными приводами (см., например, 8. М. СоЫск &

1. Ь. Ви11ег, Вагееайй ίτοη >8с.|иаге гтд=И1ро1е 1гаи8бисег, 1. АсоиЧ. 8ос. Ат., 72(2), (Аид. 1982), рр. 313-315); пьезоэлектрические изгибные устройства, такие, как использованные в скважинном приборе ХМАС от Вакег А11а§ (см., например, патент США № 4649525), магнитные репульсионные преобразователи, приводящие в движение пластину, находящуюся в контакте с текучей средой, в акустической волноводной системе, такие, как использованные в каротажном приборе ΜΡΙ ХАСТ (см., например патент США № 5852262 ОШ е! а1.); и эксцентричные орбитальные массы, предложенные в основном для сейсмической разведки, в патенте США № 4709362 и в патенте США № 5135072 (Меушег).

Скорости, с которыми звуковые волны распространяются сквозь подземные пласты, зависят от механических свойств породы, таких как постоянные плотности и динамической упругости, и от других свойств пласта, например от количества и вида текучей среды, присутствующей в породе, скопления зерен в породе и степени межзеренной цементации. Поэтому путем измерения скорости распространения звуковой волны в стволе скважины можно охарактеризовать механические свойства окружающих пластов параметрами, относящимися к этим свойствам, в которых имеется необходимость при эффективной и безопасной разработке нефтяных и газовых скважин. Быстродействие или скорость звуковой волны часто выражают в виде 1/скорость. Поскольку акустические источники и приемники на каротажном приборе разнесены на известное фиксированное расстояние, разность (ДТ) моментов времени, соответствующая прохождению звуковой волны между двумя точками на каротажном приборе, непосредственно связана со скоростью/интервальным временем пробега волны в пласте. Поэтому в наземной аппаратуре для обработки обычно определяется скорость звуковой волны заданного типа путем установления измеренного времени распространения между источником и приемником для акустических волн различных типов. Затем скорость волны заданного типа, излученной на заданной частоте, может быть использована для определения свойств пласта путем соответствующей обработки.

Например, акустические измерения можно использовать для выявления однородности породы с разломами; оценки пористости породы; распознавания нефтяных месторождений заполненными газом пористых пластов; выявления проникновения бурового раствора в пористый пласт вблизи ствола скважины; обнаружения участков пласта с избыточным давлением; и наличия больших тектонических напряжений, которые могут создавать радиальные изменения в окрестности ствола скважины. Такие способы звукового каротажа хорошо известны (см. например, 1ау Т1йшаи, Сеорйу51са1 \\с11 Ιοββίημ. Ог1апбо, Е1а.: Асабешк Ргс55. 1986; 111ийга1еб рйуыса1 ехр1огайоп, Рйуыса1 Ехр1огайоп 8оае1у. 1989; В1ка§й К. 8шда & 8шаше 2егоид, Сеорйуыса1 ргокресйпд иыпд вошск апб иИгакошск, в: 1ойп С. ХУеЬ^ег. еб., ^беу Епсус1ореб1а о! Е1есйгса1 апб Е1есйошс8 Едшеейпд, Ыете Уогк: 1ойп \Убеу & 8оп§, 1пс., 1999, рр. 340-365).

Приборы дипольного звукового каротажа иногда предпочтительны по сравнению с приборами монопольного звукового каротажа, поскольку последние не позволяют получать ΔΤ для поперечной волны в пластах, когда интервальное время пробега поперечной волны превышает интервальное время пробега продольной волны в текучей среде (180-200 мкс/фут). При использовании дипольного распространения звука в стволе скважины это физическое ограничение снимается и можно измерять интервальное время пробега поперечной волны, значительно превышающее интервальное время пробега в текучей среде. Как отмечено выше, дипольный излучатель работает во многом подобно поршню, вызывая повышение давления на одной стороне ствола скважины и снижение на другой. В свою очередь, это вызывает небольшой изгиб ствола скважины, который сразу же возбуждает в пласте продольные и поперечные волны. Продольная волна наиболее сильно излучается прямолинейно через пласт, но поперечные волны стремятся распространяться преимущественно вдоль стенок ствола скважины. Когда поперечная волна распространяется вверх по стволу скважины, она создает разность давлений в текучей среде ствола скважины, которая распространяется вместе с ней. Эта разность давлений представляет собой ту, которая обнаруживается направленными приемниками звука прибора звукового каротажа. В отличие от приборов монопольного звукового каротажа приборы дипольного каротажа могут всегда регистрировать поперечную волну независимо от скорости волны.

Вслед за дипольной поперечной волной отмечается изгибная волна, которая инициируется изгибным действием ствола скважины. Изгибные волны обычно обладают высокой дисперсией (то есть их скорость зависит от частоты). Изгибные волны имеют относительно большую длительность, поскольку их низкочастотные составляющие распространяются с интервальным временем пробега поперечной волны в пласте, то есть распространяются с той же скоростью, что и поперечные волны (но медленнее по сравнению с продольными волнами). Поэтому, даже несмотря на то, что поперечные и изгибные волны распространяются в пласте совместно, часто можно обнаруживать поперечную волну, в результате интервальное время пробега поперечной волны в пласте можно определять или оценивать непосредственно, как из дисперсии изгибной волны, так и из действительных измерений поперечной волны. Например, радиальные изменения скорости поперечной волны можно оценивать на основе измеренной дисперсии изгибной волны в стволе скважины (например, патент США № 5587966, 1996 г.), в котором описаны способы получения информации о стволе скважины из результатов измерений изгибных волн.

Исторически дипольный каротаж с использованием измерений изгибных волн был разработан как альтернатива каротажу с поперечными волнами для применения в тех случаях, когда интервальное время пробега поперечной волны в пласте настолько мало, что головные поперечные волны не могут образоваться в стволе скважины. Измерения изгибных волн основаны на том, что интервальное время пробега изгибной волны в пласте приближается к интервальному времени пробега поперечной волны.

Однако считается, что изгибные волны несут более полную информацию, чем поперечные волны. Свойством изгибных волн является их чувствительность к различным механическим характеристикам ствола скважины. В частности, дисперсионное соотношение изгибных волн включает разнообразную полезную информацию, например наведенную напряжением анизотропию. Интервальное время пробега поперечной волны в пласте можно оценить из дисперсионных кривых измеренных изгибных волн, особенно в «медленных» пластах. Соответствующий способ описан в публикации В1какй К. 81пйа, М1сйае1 В. Капе, Вегпагб Ег1дпе1 & Нойей Випгбде, Ваб1а1 уапайоп ίη сго88-б1ро1е кйеаг 51о\упе55е5 ш йшейопе гекегуой, (70‘^й Аппиа1 1п1егпайопа1 Меейпд о! 1йе 8ос1е1у о! Ехр1огабоп СеорйубсйЕ (8ЕО), Са1дагу, Ехрапбеб АЬйгасй, Аидий 2000).

Кроме того, по мере увеличения информации о распространении изгибной моды, применение каротажа на изгибных волнах может быть расширено для определения другой полезной информации. Например, его также можно использовать при анизотропной обработке в таком каротажном приборе, как прибор Ό8Ι звукового каротажа на дипольных поперечных волнах, который опускают в высокоскоростные пласты, чтобы определить анизотропию в радиальной плоскости по отношению к стволу скважины. Такую анизотропную обработку используют для определения свойств пласта вокруг ствола скважины, которые различны в зависимости от азимутального направления. В случае акустического каротажа анизотропия обычно проявляется как различие скоростей распространения в ортогональных радиальных плоскостях. Обычно имеются плоскость медленного направления и плоскость быстрого направления под углом 90° к ней. Анизотропия может быть связана с рядом причин, например с напряжением в пласте. По003846 этому такая информация может быть полезной, например, при планировании разрыва для стимулирования добычи из пласта.

Следовательно, возбуждение, обнаружение и анализ изгибных волн могут быть полезными. Скважинные каротажные приборы с дипольными источниками обычно излучают звуковые волны на одной фиксированной частоте. Однако звуковая частота дипольного излучателя может не быть оптимальной в заданном месте ствола скважины для данного пласта и ствола скважины, поскольку при этом образуются менее оптимальные и поэтому менее полезные изгибные волны, чем те, которые могли бы быть при оптимальной или идеальной звуковой частоте и полосе частот, используемых в излучателе для определенного измерения. Одна причина заключается в том, что полоса частот, необходимая для дисперсионного анализа, изменяется в зависимости от диаметра ствола скважины и интервального времени пробега в пласте. Поэтому при использовании неоптимальной частоты возбуждения в заданном пласте отсутствует оптимальное возбуждение изгибных волн. Следовательно, при обнаружении и анализе изгибной моды в принятых звуковых волнах будет получено меньше информации, чем если бы большая энергия перешла в волны с изгибными модами, то есть если бы изгибные волны более оптимально возбуждались излученными звуковыми волнами.

Один возможный способ, гарантирующий, что для определенного применения будет обеспечено соответствующее возбуждение, заключается в создании широкополосного дипольного источника, который излучает звуковые импульсы в широкой полосе частот для гарантии того, что в любом случае будет существовать излучение звуковой волны на оптимальной частоте. Однако для этого способа необходима система сбора данных, имеющая намного больший динамический диапазон (и, следовательно, более дорогая и сложная), а при излучении сигналов в такой широкой полосе намного возрастает потребление энергии. Поскольку реальные каротажные приборы имеют излучатели с ограниченной мощностью и приемники с ограниченным динамическим диапазоном, часто невозможно излучать достаточно мощный широкополосный сигнал, и поэтому используют более узкую полосу частот. Однако в этом случае при ошибочном выборе частоты возбуждения импульса для заданных характеристик скважины и пласта может оказаться невозможно получить полезный сигнал в достаточной полосе частот. Другая проблема, возникающая при использовании широкополосного дипольного источника, заключается в том, что получающиеся в результате звуковые волны могут содержать нежелательные моды, например дипольные продольные волны.

Краткое изложение существа изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа и устройства для выбора акустической частоты в приборах дипольного акустического каротажа, которая позволит осуществить выбор оптимальной частоты возбуждения звукового диполя (характеристики источника) для оптимального возбуждения в стволе скважины дипольных волн с изгибными модами.

В настоящем изобретении каротажная система имеет зонд в стволе скважины, в котором звуковые волны излучаются посредством одного или нескольких дипольных источников для оптимального возбуждения в стволе скважины дипольных звуковых волн с изгибными модами. В системе сначала определяется частота Эйри ствола скважины. Затем дипольные источники возбуждаются на частоте дипольного возбуждения, выбранной на основе частоты Эйри.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 изображает схему каротажной системы в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 - диаграммы, иллюстрирующие определение времени вступления изгибной составляющей в дипольном сигнале от каждой приемной станции каротажного прибора системы, согласно изображению;

фиг. 3-8 - временные диаграммы звуковых сигналов, принятых группой приемников звука, разнесенных на расстояния друг от друга по длине прибора звукового каротажа, и отнесенных от излучателя того же самого прибора, согласно изображению;

фиг. 9 - диаграмма зависимостей амплитуд от частоты для нескольких выбираемых сигналов источника, создаваемых дипольными излучателями прибора звукового каротажа, при этом каждый сигнал имеет отличительные частоту возбуждения и полосу частот, согласно изображению;

фиг. 10А-С - диаграммы временных сигналов возбуждения, использованных для возбуждения акустического преобразователя, согласно изображению; и фиг. 10Ό - диаграмма частотных спектров звуковых сигналов, образованных соответственно с помощью сигналов возбуждения фиг. 10А-С, согласно изображению.

Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Как отмечено выше, желательно возбуждать изгибные волны. Затем эти волны можно обнаруживать и анализировать, чтобы получить информацию, например скорость распространения, которая характеризует интервальное время пробега поперечной волны в пласте. Кроме то9 го, путем анализа измеренных изгибных волн можно определять другую информацию, касающуюся характеристик ствола скважины и подземного пласта. Например, чтобы определять распределение напряжений в пласте вблизи стенки ствола скважины, можно выполнять анализ дисперсии измерений ортогональных изгибных волн. Поэтому скорость, с которой распространяются изгибные волны, а также изменения этой скорости вокруг ствола скважины и другие свойства измеренных изгибных волн могут дать полезную информацию относительно подземных пластов вокруг ствола скважины.

Для извлечения такой информации необходимо, чтобы изгибная волна, имеющая достаточную энергию, возбуждалась и распространялась от источника к приемникам в стволе скважины. В описываемом варианте осуществления желательно иметь изгибную волну, обладающую достаточной энергией в полосе частот в окрестности частоты Эйри ствола скважины, в частности, в описываемом варианте - в полосе от половины до удвоенной частоты Эйри ствола скважины. Это обеспечит хороший переход энергии в изгибную моду. Экспериментальными результатами и теоретическим анализом подтверждено, что при задании частоты возбуждения, равной частоте Эйри ствола скважины, можно оптимально излучать дипольные изгибные волны. Возбуждение на заданной частоте возбуждения означает, что звуковые волны, излучаемые дипольным излучателем, имеют полосу частот или ширину спектра вокруг частоты возбуждения. Частота возбуждения может считаться «центральной» частотой полосы частот возбуждения, например, при линейном, логарифмическом или ином отсчете. Например, частота возбуждения, имеющая пределы изменения от половины до удвоенной частоты Эйри, при возбуждении может считаться частотой Эйри.

В настоящем изобретении дипольные излучатели каротажного прибора могут быть возбуждены на одной частоте, выбранной из ряда возможных частот возбуждения, при использовании соответствующих возбуждающих или задающих сигналов, вместо многократного возбуждения источника на постоянной, заранее выбранной частоте возбуждения, или использования широкополосного дипольного источника. В частности, дипольный излучатель возбуждается на частоте возбуждения (в пределах заданной полосы частот). Частота возбуждения является одной из множества применимых частот возбуждения, которая наиболее близка к частоте Эйри ствола скважины или иным образом основана на частоте Эйри.

Частота Эйри зависит от скважинных характеристик, таких как диаметр ствола скважины и интервальное время пробега поперечной волны в пласте. Поэтому в настоящем изобретении частота Эйри определяется или оценивается любым подходящим и достаточно точным спо собом как функция диаметра ствола скважины и интервального времени пробега поперечной волны в пласте. Далее, дипольные излучатели пульсируют при напряжении импульса, достаточном для генерации звукового импульса на частоте Эйри. Чтобы обеспечить оптимальное возбуждение изгибных волн, звуковой импульс имеет полосу частот от около половины частоты Эйри до около удвоенной частоты Эйри.

Способ звуковых измерений обеспечивает получение нескольких преимуществ. Вопервых, вместо фиксированной и обычно неоптимальной частоты возбуждения можно оперативно выбирать частоту возбуждения в соответствии с превалирующими условиями, чтобы получить оптимальное возбуждение изгибных волн. Во-вторых, этот способ является энергетически достаточным, поскольку нет необходимости применять «способ взрывного излучателя» с использованием широкой полосы частот. В-третьих, поскольку в каждый один момент времени используется одна частота, волны не будут содержать нежелательных мод, например дипольной продольной волны. Кроме того, промысловые инженеры не должны выбирать частоту возбуждения, так как этот процесс можно автоматизировать с помощью аппаратуры обработки и управления в стволе скважины.

В одном варианте осуществления при использовании соответствующих скважинных измерений частота Эйри оценивается согласно способу настоящего изобретения посредством микроконтроллера или процессора в каротажном приборе. В настоящем изобретении можно использовать процессор в самом каротажном приборе и/или на поверхности, и его можно использовать как для скважины, не закрепленной обсадными трубами, так и для обсаженной скважины, будь то кабельный каротаж или каротаж при бурении.

Установка для бурения нефтяных скважин

На фиг. 1 показан схематичный вид каротажной системы 100 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Каротажная система 100 содержит наземную аппаратуру 2 обработки, расположенную на поверхности 5 вблизи ствола 8 скважины, прибор звукового каротажа или зонд 3, перемещаемый вверх и вниз внутри ствола 8 скважины, и каротажный кабель 4, предназначенный для механической и электрической связи между аппаратурой 2 обработки и каротажным прибором 3. Ствол 8 скважины имеет обсадную колонну или боковые стенки 9. Наземная аппаратура 2 включает в себя поворотный барабан 6 лебедки, к которому прикреплен один конец каротажного кабеля 4. Барабан 6 поворачивают для выборки или отдачи кабеля 4 с тем, чтобы перемещать каротажный прибор 3 в стволе 8 скважины. Кабель 4 через удлинитель 4 подключен к компьютеру 11, образующему часть наземной аппаратуры 2.

В описываемом варианте каротажный прибор 3 представляет собой прибор акустического каротажа, содержащий излучающую часть, имеющую пару дипольных источников 12 (верхний и нижний), расположенных ортогонально в радиальной плоскости, и монопольный источник (не показан). Звукоизолирующее соединение или прокладка отделяет и соединяет излучающую часть, имеющую дипольные излучатели 12, с приемной частью, которая содержит группу разнесенных на расстояния приемных станций 14. Число приемных станций зависит от конкретного используемого каротажного прибора. Обычно станций восемь, хотя также допустимо использовать двенадцать или шестнадцать приемных станций. Каждая приемная станция содержит в качестве чувствительных элементов гидрофоны или приемники, расположенные равномерно по окружности каротажного прибора 3. Обычно на каждой станции предусмотрены четыре гидрофона, хотя их также может быть восемь. На каждой станции 14 одна пара противолежащих гидрофонов расположена на одной прямой с одним из дипольных источников 12, а другая пара противолежащих гидрофонов на одной прямой с ортогональным источником. Электронный блок (не показан) закреплен на верхней части каротажного прибора 3 и обеспечивает связь по кабелю 4 между каротажным прибором 3 и наземной аппаратурой 2.

Каротажный прибор 3 также содержит процессор, такой как микроконтроллер или микропроцессор 13, который используется для управления возбуждением монопольного и дипольных излучателей 12. При использовании акустические сигналы создаются излучателями и после распространения через пласт и/или ствол 8 скважины обнаруживаются в качестве сигналов акустического давления на гидрофонах приемной части 14. В описываемом варианте осуществления изобретения микропроцессор использован для определения наилучшей частоты возбуждения, то есть частоты возбуждения, основанной на частоте Эйри, для возбуждения дипольных излучателей 12 и оптимального возбуждения волн с изгибными модами. В качестве варианта можно использовать процессор на поверхности, например процессор 11 аппаратуры 2 обработки.

Какой бы процессор ни использовался, в первую очередь процессор оценивает частоту Эйри ствола скважины. В варианте осуществления частота Эйри определяется путем излучения, обнаружения и анализа первоначальной звуковой волны, что описано ниже. После того, как частота Эйра определена, процессор на основании частоты Эйри выбирает частоту возбуждения для дипольных излучателей 12. Частота возбуждения выбирается таким образом, чтобы дипольные излучатели 12 возбуждали звуковой импульс на частоте или около частоты Эйри для оптимального возбуждения волн с изгибными модами. Излучатели 12 имеют возможность излучать звуковые волны на одной выбранной частоте из ряда частот возбуждения. Это можно осуществить путем использования справочной таблицы, описанной более подробно ниже со ссылкой на фиг. 10Ά-Ό. Частота Эйри вводится в справочную таблицу, из которой затем выбирается наилучший сигнал возбуждения, чтобы при использовании его для возбуждения источника на выходе формировалась исходящая звуковая волна, имеющая частотную полосу, сосредоточенную, как можно ближе к частоте Эйри. Как правило, сигнал возбуждения и следовательно, формируемый звуковой сигнал, выбираются на основе вычисленной частоты Эйри.

Получающиеся в результате оптимально возбужденные волны с изгибными модами принимаются на приемниках 14, а информация о времени возбуждения и принятые сигналы передаются в наземную систему 2 для обработки в соответствии с известными способами обработки. Следует учесть, что приемниками являются гидрофоны, которые измеряют давление. Изменение давления во времени представляет собой принятый звуковой сигнал, который в качестве выходного сигнала снимается с каждого гидрофона. Поэтому каждый гидрофон приемной части 14 формирует сигнал изменяющегося во времени давления, при этом изменения давления вызываются вступлением различных мод акустического сигнала, распространившегося от источника через пласт и/или ствол скважины.

Следует отметить, что сигнал, обнаруженный приемниками приемных станций 14, будет включать в себя вступления различных мод в результате распространения акустических волн, продольных, поперечных, изгибных, дипольных, монопольных и так далее. Эти обнаруженные сигналы необходимо проанализировать, чтобы определить, какая их часть к какой моде относится (какое «вступление» является каким). В варианте осуществления информация, выводимая каротажным прибором 3 и передаваемая на поверхность, является цифровой. Сигналы могут быть преобразованы в цифровую форму в каротажном приборе или на уровне гидрофонов. В альтернативном варианте осуществления аналоговые сигналы могут формироваться гидрофонами и передаваться на поверхность в аналоговой форме.

Сигналы, зарегистрированные гидрофонами, передаются в цифровой или в аналоговой форме в наземную аппаратуру 2 обработки для обработки и извлечения различной информации. В альтернативном варианте осуществления, часть или весь анализ и обработка могут быть осуществлены с помощью средства обработки в каротажном приборе, а не на поверхности.

Определение частоты Эйри

Результатом «оптимального» возбуждения, обусловленного использованием частоты Эйри, является гарантия того, что излученные и обна руженные сигналы содержат достаточно энергии в пределах представляющей интерес полосы частот. Поэтому в настоящем изобретении должна определяться частота Эйри. Затем ее можно использовать для выбора сигнала возбуждения излучателя, рассчитанного на получение «наилучшей» полосы частот возбуждения, то есть полосы частот, которая наиболее точно согласована с полосой частот от половины до удвоенной частоты Эйри.

В настоящем изобретении частота Эйри определяется микропроцессором 13 на основе хорошо известного соотношения между диаметром ствола скважины, частотой Эйри и интервальным временем пробега поперечной волны в пласте, которая имеет вид:

Ό·£λ·8·0,65 (1) где Ό, £_а и 8 - соответственно диаметр ствола скважины, частота Эйри и интервальное время пробега поперечной волны в пласте. Следовательно, чтобы вычислить частоту ίΑ Эйри, необходимо знать диаметр Ό ствола скважины и интервальное время 8 пробега поперечной волны в пласте. Диаметр ствола скважины обычно известен или может быть легко измерен и следовательно, может быть легко получен. Однако неизвестна оценка интервального времени пробега изгибной волны, то есть 8. Поэтому в варианте осуществления настоящего изобретения в первую очередь определяется 8 для того, чтобы определить ί_Α. Затем частота Эйри (или 8) используется для выбора оптимальной частоты возбуждения дипольных излучателей, то есть частоты возбуждения, наиболее близкой к частоте Эйри, и, следовательно, частоты, на которой будут оптимально возбуждаться изгибные волны.

Чтобы оценить ίΑ, выполняют четыре основных этапа:

1. Выявляют момент вступления изгибной моды в сигнале (такую информацию об изгибной моде, полученную из сигналов, используют для определения интервального времени 8 пробега поперечной волны в пласте);

2. Оценивают ΔΤ по временам вступления волны на группу приемников 14 (это значение ΔΤ для изгибной моды вычисляют на основании времени вступления изгибной моды, выявленного на этапе 1, указанном выше, зная момент возбуждения излучателя и расстояние от излучателя до приемников);

3. Вычисляют 8 на основе оценки ΔΤ; вычисляют частоту Эйри ствола скважины на основе 8, задавая диаметр ствола скважины. Как показано в уравнении (1) выше, частота Эйри связана с интервальным временем 5 пробега поперечной волны; поэтому, поскольку 8 связано с ΔΤ, частота Эйри может быть определена на основе ΔΤ;

4. Выбирают соответствующий сигнал возбуждения в соответствии с вычисленной частотой Эйри и рабочим режимом.

Следовательно, в настоящем изобретении сначала оценивают интервальное время 8 пробега поперечной волны в пласте. Затем в соответствии с уравнением (1), зная диаметр Ό скважины, определяют частоту Эйри. Интервальное время 8 пробега поперечной волны можно определить путем сравнения моментов вступления изгибной волны на приемники приемной станции 14. Например, предположим, что имеются два приемника, разнесенных на расстояние х, а времена вступления поперечной волны представляют собой 11 и 12 (11<12), так что ΔΤ=(12-11). Затем можно вычислить интервальное время 8 пробега как 8=(12-11)/χ=ΔΤ/χ. Следует отметить, что само выражение для ΔΤ также иногда используют относительно интервального времени 8 пробега. После того, как ΔΤ рассчитано и использовано для вычисления интервального времени 8 пробега, частоту Эйри можно оценить с помощью уравнения (1) на основе 8 и Ό.

Термин «рабочий режим», использованный выше на этапе 4, относится к различным схемам измерений, обеспечивающим разные результаты измерений. Например, в определенной ситуации ширина спектра сигнала может не представлять интереса, если оператор хочет получить только низкочастотную изгибную моду. В некоторых случаях рабочим режимом может быть свипирование, когда неприменимо понятие «оптимальной» частоты. В этих случаях в рабочем режиме выбранная частота перезаписывается.

Каждый из этих этапов описан более подробно ниже. Следует учесть, что микропроцессор 13 может выполнять этапы настоящего изобретения для оценки ίΑ при соответствующем программировании с использованием компьютерной программы, реализующей описанные выше этапы.

Определение времени вступления

Первый этап заключается в нахождении времени вступления изгибной составляющей в дипольном сигнале от каждой приемной станции. На фиг. 2 показаны диаграммы 210, 220, 230, иллюстрирующие определение времени вступления. Это может быть сделано при возбуждении первоначальной звуковой волны, которое осуществляется в начале каротажа без оценки оптимальной частоты. Сигнал, принятый определенным приемником из приемников 14, подается на микропроцессор 13. Частота при втором возбуждении определяется на основании сигналов, полученных посредством первого возбуждения. Далее оценка интервального времени пробега и возбуждение будут происходить тем же самым образом. В описываемом варианте осуществления первоначальная частота возбуждения, используемая по умолчанию, запрограммирована в каротажном приборе и может быть изменена оператором, если он полагает, что другая частота лучше подходит для начала работы.

Как показано на диаграмме 210, входной сигнал является «прерывистым». Это делается путем сканирования входного сигнала и регистрации места, где знак данных изменяется от отрицательного к положительному. После нахождения этого места микропроцессор 13 осуществляет анализ времени вступления и амплитуды локального максимума и подсчитывает число точек данных до повторного изменения знака (то есть измеряет половину длительности). При обнаружении локальных максимумов можно использовать порог, составляющий 20% максимальной амплитуды сигнала. На диаграмме 210 выявляются пересечения нулевого уровня и определяются локальные максимумы между пересечениями нулевого уровня, то есть учитываются только «положительные» данные. Поэтому в получающейся в результате серии каждая точка соответствует точке в исходном сигнале. Группы последовательных точек в этой получающейся серии, лежащих выше 20%-ного порога (или любого выбранного порога в процентах), считаются относящимися к одному вступлению. Поэтому в примере, приведенном на фиг. 2, имеются два вступления, показанные двумя соответствующими пиками на диаграмме 220.

После первого сканирования получается огибающая входного сигнала, показанная на диаграмме 220, в которой прерывистые сигналы сгруппированы в волновые пакеты.

Четыре параметра, определенные во время первого сканирования, связаны с каждой точкой огибающей, то есть:

сйор_11ше: момент начала положительного участка;

сйор_1М: длительность положительного участка;

сйор_1шах: время вступления пика; сйор_хашр: амплитуда пика.

Затем микропроцессор 13, реализующий алгоритм настоящего изобретения, сканирует огибающую аналогично первому сканированию, за исключением того, что при втором сканировании находятся пересечения порогового уровня вместо пересечений нулевого уровня. После второго сканирования, как показано на диаграмме 230, имеются несколько волновых пакетов и информация относительно каждого из них в следующем виде:

рск!_йте: индекс первого пика в волновом пакете;

рск!_1шах: индекс максимального пика в волновом пакете.

Следует учесть, что указанные выше полужирные строки могут быть использованы в качестве переменных или параметров в программном коде, реализующем способ настоящего изобретения. Точки на 220 для определенных вступлений нанесены обратно на график исходного сигнала для определения местоположения рассматриваемых пиков. Они являются «волновыми пакетами», упомянутыми выше.

Последний этап при определении времени вступления заключается в выборе одного волнового пакета, который наиболее вероятно принадлежит к изгибной моде. На этом этапе делаются некоторые предположения относительно свойств входного сигнала. Предполагается, что преобладающие составляющие сигнала обусловлены дипольной продольной и изгибной модами и просачивающейся модой Стоунли. Это предположение сделано потому, что дипольные излучатели 12 при любой частоте возбуждения могут создавать волны, только указанные выше.

Сигналы, показанные на фиг. 2, имеют более чем одну составляющую и только одну изгибную составляющую. Задача заключается в принятии решения относительно того, какой волновой пакет связан с изгибной модой. Чтобы выбрать истинную изгибную составляющую, в микропроцессоре 13 вычисляется энергия (епгду) для каждого волнового пакета, которая определяется как произведение амплитуды волнового пакета (рск!_хашр) и длительности пика (Ггес.|5). который имеет наибольшую амплитуду в пакете. Высокая энергия означает низкую частоту и/или большую амплитуду. Поэтому, как показано на диаграмме 230, можно выбрать волновой пакет с наибольшей энергией. Вступление изгибной волны обычно является более низкочастотным, чем вступление продольной волны, и поэтому для него характерно более высокое содержание энергии.

После вычисления энергии выбирается один волновой пакет. Если на предыдущем этапе был обнаружен только один волновой пакет, то он относится к изгибной составляющей. Если в сигнале присутствуют более чем два волновых пакета, дипольную продольную моду можно исключить путем сравнения энергий полученных волновых пакетов. Поскольку дипольная продольная мода обычно имеет составляющую намного более высокой частоты, чем изгибная мода, то, чтобы получить оценки времени вступления изгибной моды, выбирается волновой пакет с большей энергией. Каждый волновой пакет, то есть мода, обнаруженный в сигнале, имеет время вступления, относящееся к нему, и оно определяется как время начала волнового пакета. Поэтому выбор соответствующего волнового пакета означает выбор одного времени вступления, которое предполагается представляющим изгибную моду, и следовательно, обеспечивает получение интервального времени пробега поперечной волны.

Термин «загрязнение Стоунли» относится к явлению, при котором мода Стоунли просачивается в дипольные сигналы. Дипольные излучатели 12 могут создавать моду Стоунли при некоторых условиях, например при эксцентричности каротажного прибора, хотя мода Стоунли обычно связана с монопольными сигналами. Проблему загрязнения Стоунли разрешить более трудно. Поскольку частота моды Стоунли ниже частоты изгибной моды, а их амплитуды иногда сравнимы, энергия моды Стоунли может быть больше энергии вступления изгибной волны. Поэтому выбор волнового пакета с наибольшим значением не подходит в случае загрязнения Стоунли. То есть, описанный выше способ (выбор волнового пакета с максимальной амплитудой) не позволяет отличить волновой пакет изгибной моды от волнового пакета моды Стоунли. Поэтому, чтобы соответствующим образом оперировать с загрязнением Стоунли, сравниваются наибольшая и вторичная энергии. Если наибольшая энергия намного превышает вторичную энергию, волной пакет с максимальной энергией выбирается как соответствующий изгибной моде. В противном случае выбирается волной пакет с более ранними вступлениями. В одном варианте осуществления вводится весовой (ете1дй1) параметр, чтобы задать порог для разделения указанных выше двух случаев. После выполнения указанных выше вычислений получается следующее:

реак_Т§: время вступления выбранного волнового пакета;

раске!_Т§: время вступления пика в пакете; 1п1егуа18: длительность наибольшего пика в пакете.

Оценка ΔΤ

Этап выявления времени вступления, описанный выше, применяется для каждого дипольного сигнала в группе сигналов, обнаруженных группой приемников. Как описано выше, этой группой сигналов являются сигналы, полученные при предыдущем возбуждении, то есть сигналы от каждой приемной станции 14 для заданного возбуждения. Для каждого сигнала вычисляются времена вступления двух видов: начало волнового пакета (раске!_Т§) и время вступления пика в волновом пакете (реак_Т§). Для определения времени вступления волнового пакета недостаточно использовать только время вступления пика в волновых пакетах, поскольку вследствие дисперсии для положения пика в волновом пакете изгибной моды характерно перемещение по мере распространения волны. В таком случае время начала волнового пакета дает лучшую оценку времени вступления волнового пакета.

При оценке ΔТ времена вступления, вычисленные для каждого сигнала в группе, объединяются друг с другом, и к ним применяется статистическая обработка. Сначала вычисляются разности времен вступлений между соседними приемниками (реак_й18 и рск1_йТ§). Затем среднее значение разностей принимается за оценку разности времен вступлений (реак_йТ и рск!_йТ).

Далее вычисляется ОС. показатель качества оценки ΔΈ Он определяется как число выборок, которые находятся в пределах конкретного допуска по отношению к среднему значению. ОС показывает степень непротиворечивости разностей времен вступлений в пределах группы, и его можно использовать в качестве параметра проверки качества оценки интервального времени пробега.

Как описано выше, на этом этапе можно вычислить два различных значения ΔΤ и два соответствующих ОС. Затем выбирается оцененное значение ΔΈ которое дает больший ОС. Это дает следующие переменные в кодовой системе, реализующей вариант осуществления настоящего изобретения:

бе11аТ: оцененная разность времен вступлений между соседними приемниками;

ш1егуа1: половина длительности преобладающих частотных составляющих в выбранном волновом пакете;

с.|с: параметр, отражающий качество оценки.

Выбор частоты возбуждения

Частота Эйри ствола скважины - ί_Α может быть вычислена как функция оцененного значения ΔΤ в виде:

ί_Α = (0,65Αάζ)/(^ΑΔΤΑάί), (2) где Ό, άί и άζ - соответственно диаметр ствола скважины, интервал между выборками и разнесение приемников вдоль оси. Кроме того, ί_χ, преобладающая частота в выбранном волновом пакете (ίχ) может быть вычислена как ί_χ = 1/(2τΑάί), (3) где τ - половина длительности преобладающей частотной составляющей в сигналах (1п1егуа1).

В варианте осуществления до нахождения соответствующей частоты возбуждения проверяется качество оценок ΟΟ ί_χ и ί_Α. Сначала проверяется ОС чтобы увидеть, будет ли удовлетворяться следующее условие:

ОС 3 [(Ν!1)/2], (4) где т = (Ν - 1)/2;

[т]-максимальное целое число не больше т; и Ν-число сигналов.

Например, для группы, состоящей из восьми (Ν = 8) приемных станций, т=3,5 и [т]=3. Если ОС 3 3, то условие (4) неравенства соблюдается. Если условие (4) неравенства соблюдается, то согласно заявленному способу признается, что оценка интервального времени пробега является достоверной.

Однако имеется один случай, когда нельзя полагаться на оценку, даже если значение РС достаточно большое - когда в сигнале обнаруживается весьма отчетливое и сильное вступление продольной волны. В таком случае алгоритм «честно» находит интервальное время пробега продольной волны. Когда сигналы имеют только вступление продольной волны, описанный выше алгоритм не может различать такую ситуацию, в которой сигналы имеют только продольную составляющую, и такую ситуацию, в которой сигналы имеют только изгибную составляющую.

Поэтому описанный выше алгоритм видоизменен так, что он может отличать друг от друга две указанные выше ситуации. Это видоизменение описывается следующим образом. Чтобы содействовать идентификации вступления продольной волны, вычисляется отношение £_х к £_Л. Как показано в приведенных выше уравнениях, £_х является преобладающей частотой выбранного вступления, а £_А представляет собой ожидаемую преобладающую частоту, когда выбранное вступление относится к изгибной волне. Отношение £_Х/£_А имеет большее значение, когда частотная составляющая в исследуемом сигнале намного выше частоты, ожидаемой из оценок интервального времени пробега и диаметра ствола скважины. Поэтому микропроцессор 13, реализующий алгоритм настоящего изобретения, может определить, что оцененное интервальное время пробега относится не к изгибной волне, а к дипольной продольной волне, если отношение £_Х/£_А больше определенного значения, которое должно быть задано как пороговый параметр (сотр_Дех).

Если эти проверки качества осуществлены успешно, сигнал возбуждения выбирается с использованием справочной таблицы, что описано выше. В противном случае, если эти проверки качества не проходят успешно, то сигнал возбуждения, использованный для предыдущего возбуждения, используется до тех пор, пока не будет получена достоверная оценка, при этом последовательное число недостоверных оценок не должно быть больше некоторого порогового целого числа N. Если оценка качества остается плохой после N излучений, используется частота возбуждения по умолчанию.

Экспериментальные результаты

Экспериментальные результаты, полученные для варианта осуществления алгоритма оценки интервального времени пробега согласно настоящему изобретению, описаны ниже со ссылками на фиг. 3-8, на которых показаны временные диаграммы звуковых сигналов, принятых группой приемников 14 звука, которые разнесены на расстояния друг от друга по длине прибора 3 звукового каротажа (фиг. 1). Эти сигналы были приняты от излучателей 12 каротажного прибора 3. Находящиеся в начале (самые левые) короткие, темные вертикальные черточки на каждой временной диаграмме обозначают начало выбранного волнового пакета, тогда как вторая черточка на каждой временной диаграмме обозначает время вступления пика в выбранном волновом пакете.

На фиг. 3 показан пример для среднескоростного пласта. Можно видеть, что на каждой временной диаграмме имеется только один вол новой пакет, а начальные моменты плохо совпадают. Это может происходить при недостаточном разделении дипольной продольной и изгибной волн и амплитуде продольной моды, несколько меньшей амплитуды изгибной моды. С другой стороны, на этих результатах вступления пиков хорошо совпадают. В этом примере алгоритм настоящего изобретения принимает вступления пиков за оценку времени вступления.

На фиг. 4 показана серия временных диаграмм, иллюстрирующих обработку загрязнения Стоунли способом настоящего изобретения. Изза такого загрязнения могут быть обнаружены два волновых пакета в третьей, четвертой и пятой временных диаграммах, вероятно, вследствие моды Стоунли, просочившейся в дипольные измерения. Согласно алгоритму сравниваются энергии первого и второго волновых пакетов, а затем выбирается наиболее раннее вступление, поскольку энергии этих пакетов сравнимы. Так как на других временных диаграммах имеется только один пакет, время вступления пика становится существенно иным. Поэтому в этом случае моменты начала пакетов оцениваются лучше.

На фиг. 5 показана серия временных диаграмм, получающихся для низкоскоростного пласта. Этот пример иллюстрирует риски при осуществлении оценок, которые делаются в настоящей заявке. Можно видеть, что на временных диаграммах имеется сильное дипольное вступление продольной волны, а изгибная мода меньше продольной волны. Описанный выше алгоритм признает вступление продольной волны за вступление изгибной волны. Больше того, параметр проверки оценки (ошибочно) свидетельствует, что оценка достоверна. Поэтому такой случай является трудным для автоматической обработки. В отдельном случае результат, полученный на основании таких сигналов, может быть исключен путем сравнения оцененной частоты и преобладающей частоты в выбранном волновом пакете.

На фиг. 6 показана серия временных диаграмм, полученных из той же самой скважины и ствола скважины, что и диаграммы на фиг. 5. Временные диаграммы в этом примере содержат все три моды (дипольную продольную, дипольную изгибную и просочившуюся Стоунли), которые могут быть обработаны с помощью алгоритма настоящего изобретения. Можно видеть, что алгоритм обнаружил два волновых пакета в сигналах приемников с первого по пятый, тогда как в других сигналах обнаружил три волновых пакета. Причина такого различия заключается в том, что разделение между сигналами от волн Стоунли и изгибных волн повышается по мере дальнейшего распространения волн вдоль ствола скважины. В этом случае алгоритм настоящего изобретения выбирает соответствующее время вступления. Время вступле ния, которое оценено, является временем вступления изгибной составляющей в сигналах. Это оцененное время вступления используется для оценки интервального времени 8 пробега изгибной волны, что описано выше, которое может быть использовано для оценки частоты Эйри.

Следовательно, в настоящем изобретении определяется оптимальная частота звукового дипольного возбуждения, при которой в стволе скважины будут оптимально излучаться дипольные волны с изгибными модами. Это осуществляется путем задания частоты возбуждения как можно ближе к частоте Эйри для ствола скважины. Поэтому звуковые волны, обнаруженные приемниками, будут содержать изгибную моду, которая может быть проанализирована на поверхности для извлечения информации о характеристиках пластов. Как описано выше, различные характеристики волн с изгибными модами могут быть исследованы для определения характеристик пласта и ствола скважины, например интервального времени пробега поперечной волны в пласте и распределения напряжений в пласте вблизи стенки ствола скважины.

Для создания изгибной волны, имеющей достаточную энергию, чтобы осуществить указанное, излучатели звука возбуждаются при достаточной энергии на частоте возбуждения, сосредоточенной как можно ближе к частоте Эйри ствола скважины, а в описываемом варианте осуществления, в частности, в диапазоне частот, перекрывающем полосу от половины до удвоенной частоты Эйри. Для определения частоты Эйри возбуждается первоначальная звуковая волна, а затем выполняется описанный выше анализ (например, прием этих первоначальных звуковых волн и определение интервального времени 8 пробега) для оценки частоты Эйри.

Саму частоту Эйри определяют или оценивают следующим образом. Сначала определяют времена вступлений изгибной моды для группы принятых волн. Это может быть результатом первоначального возбуждения, предназначенного для оценки интервального времени 8 пробега, и следовательно, частоты Эйри. Времена вступления изгибной моды определяют путем выбора волновых пакетов, которые наиболее вероятно относятся к изгибной моде, и это делают путем сравнения энергий волновых пакетов и выполнения соответствующих вычислений, описанных более подробно выше. Затем оценивают времена вступлений для выбранных волновых пакетов, основываясь как на начале волнового пакета, так и на времени вступления пика в волновом пакете. Затем измеряют ΔΤ, используя времена вступлений обоих видов. Далее выбирают ΔΨ лучшего «качества», которое обеспечивает наивысшее значение 08. Поскольку интервальное время 8 пробега связано с

ΔΤ, а частота Эйри связана с интервальным временем 8 пробега (для заданного диаметра ствола скважины), частоту Эйри ствола скважины Г_А рассчитывают как функцию оцененного значения ΔΨ. При этом может быть, а может и не быть промежуточный этап действительного вычисления 8; то есть Г_А можно определять непосредственно из ΔΨ или из 8, которое само определяется из ΔΈ Как описано выше, качество оценки использованного времени вступления можно проверить, используя Г_х, преобладающую частоту в выбранном волновом пакете.

После определения частоты Эйри используют справочную таблицу для нахождения лучшего из имеющихся сигналов возбуждения, чтобы использовать его для получения желаемой частоты возбуждения по возможности ближе к частоте Эйри. Как описано более подробно ниже в разделе «Сигналы возбуждения», это делают путем введения частоты Эйри в справочную таблицу, чтобы выбрать один из большого количества заранее запрограммированных сигналов возбуждения. В качестве варианта вместо действительного вычисления частоты Эйри интервальное время 8 пробега или показатели ΔΨ можно использовать в качестве входных данных для справочной таблицы, чтобы находить сигнал источника. В каждом варианте осуществления к излучателям прикладывается сигнал возбуждения, и они возбуждаются на заданной частоте возбуждения (и в полосе частот), которая выбирается в соответствии с или на основе вычисленной частоты Эйри ствола скважины.

На каждой из фиг. 7 и 8 показана серия сигналов плохого качества и результаты обработки. Они считаются сигналами плохого качества для решения задачи определения соответствующего времени вступления изгибных волн, поскольку сигналы содержат много неизвестных мод. Настоящее изобретение непригодно для определения состоятельных оценок времен вступлений по таким сигналам.

Экспериментальные исследования показали, что алгоритм оценки интервального времени пробега согласно изобретению обычно хорошо работает в большей части исследовавшихся сигналов. Хотя показатель успешной оценки для некоторых сигналов плохой, все же в некоторых случаях параметр проверки качества может показать, что оценка не является достоверной. Однако в случае других сигналов, которые слишком зашумлены, так что неизвестны вступления, отражение от границы пласта, смещение базисной линии и т.п., трудно получить хорошие результаты при автоматическом алгоритме. Одной причиной плохого качества сигналов может быть нецеленаправленное возбуждение изгибной моды. Например, было обнаружено, что для одной типовой скважины частота Эйри ствола скважины составляла приблизительно 6,5 кГц, тогда как частота источника была намного ниже. В такой ситуации целенаправленное возбуждение волн изгибной моды должно улучшить отношение сигнал/шум в сигнале, и следовательно, повысить эффективность способа, описываемого в настоящей заявке.

Сигналы возбуждения

Как отмечено выше, предпочтительно, чтобы каротажный прибор 3 обеспечивал возможность избирательного возбуждения на одной из большого количества заранее заданных частот возбуждения, каждая из которых дополнена полосой частот или диапазоном частот. Частота возбуждения основана на частоте Эйри, и предпочтительно, чтобы она была как можно ближе к частоте Эйри. На фиг. 9 показана зависимость амплитуды от частоты для нескольких выбранных сигналов источника, создаваемых дипольными излучателями 12 прибора 3 звукового каротажа, при этом они имеют разные частоты возбуждения и полосу частот. Каждый звуковой сигнал источника создается отдельным сигналом возбуждения, подаваемым на источники излучения.

В этой подборке частот возбуждения частоты возбуждения определены как первые производные окна Блэкмана-Харриса с различными центральными частотами. По оси у представлены нормированные амплитуды спектров с различными центральными частотами, а по оси х отложены частоты в килогерцах. Горизонтальные черточки, изображенные в верхней части фигуры, показывают полосу частот, перекрываемую соответствующим источником. «Перекрываемая» полоса частот обозначает частотный диапазон, в котором излученный сигнал имеет амплитуду, составляющую 50% от максимальной (-6 дБ).

В соответствии с конкретной реализацией и потребностями пользователя могут быть сделаны другие подборки сигналов источников, в которых учтены следующие факторы:

максимальная длина последовательности сигналов возбуждения;

форма сигналов;

полоса частот, которая должна быть перекрыта характеристикой одного источника;

взаимосвязь между погрешностью оценки и потерями энергии возбуждения; и требования к обработке данных.

На фиг. 10А-С показаны диаграммы иллюстративных сигналов возбуждения, использованных для возбуждения акустического преобразователя, например дипольных излучателей 12 звука, зависимости (от времени) сигналов возбуждения, использованных для создания соответственно низкочастотных, среднечастотных и высокочастотных звуковых сигналов. На фиг. 10Ό показаны частотные спектры, на кривых 1001, 1002 и 1003, звуковых сигналов, создаваемых сигналами возбуждения (фиг. 10А-С) соответственно. На фиг. 10Ό для сравнения также показаны сигналы источника обычного типа, обозначенные X.

Излучатели 12 могут излучать звуковые волны на выбранной одной частоте или на нескольких частотах возбуждения, присутствующих в соответствующих сигналах управления или возбуждения, которыми возбуждается пьезоэлектрический источник. В варианте осуществления в справочной таблице отражены характеристики источников нескольких видов и связанные с ними полосы частот. Сигналы, показанные на фиг. 10А-С, описывают ток, который прикладывается к операционному усилителю, который возбуждает излучающий преобразователь подводимым напряжением с такими же характеристиками формы и времени. Форму входного колебательного сигнала выбирают из условия согласования с акустическими характеристиками излучающего преобразователя и каротажного прибора, чтобы получить нужную акустическую выходную мощность. Как можно видеть, длительность импульса изменяется от 0,002 до 0,008 с. Такие импульсы могут повторяться дважды в секунду. В справочной таблице эти сигналы хранятся и подаются для возбуждения источника при запросе из запоминающего устройства.

В варианте осуществления подготавливаются несколько сигналов возбуждения, каждый из которых побуждает излучатели звука возбуждать звуковые волны в определенной полосе частот. Эти сигналы возбуждения хранятся в скважинном запоминающем устройстве в виде цифровых последовательностей. В таком случае один из них с определенной частотой Эйри выбирается программой справочной таблицы. Поэтому в справочную таблицу вводится частота Эйри (число), а выводится также число, то есть идентификационное или индексное число сигнала. В варианте осуществления выбранная цифровая последовательность подается на цифро-аналоговый преобразователь и преобразуется в аналоговый сигнал напряжения. Этот аналоговый сигнал возбуждения передается на усилитель, который формирует ток, который пропорционален напряжению, подводимому к излучателю.

Предположим, что три сигнала возбуждения образованы так, что сигнал #1 перекрывает полосу от 0,5 до 2 кГц, сигнал #2 перекрывает полосу от 1 до 4 кГц и сигнал #3 перекрывает полосу от 2 до 8 кГц. Каждый из этих трех сигналов возбуждения обусловлен необходимостью возбуждения излучателей соответствующим сигналом возбуждения, предназначенным для обеспечения излучателя определенной частотой возбуждения и полосой. Если определено, что частота Эйри составляет 1,8 кГц, то может быть выбран сигнал #2, как результат того, что в справочную таблицу введено число 1,8 кГц (поскольку 1 кГц находится близко к половине 1,8 кГц, а 4 кГц приближенно соответствует удво енному значению 1,8 кГц). В общем случае, сигнал возбуждения, и следовательно, генерируемый звуковой сигнал и его частота возбуждения и полоса частот выбираются на основе рассчитанной частоты Эйри.

Следует учесть, что частота и полоса возбуждения выходного звукового сигнала возбуждения могут также зависеть от типа источника, например излучатели некоторых типов по своей природе являются узкополосными. Не все источники могут излучать все частоты. Кроме того, поскольку сигналы управления или возбуждения являются не просто входными сигналами переменного тока, а должны иметь определенную форму для оптимизации выходной мощности в зависимости от частоты, то используются дискретные сигналы и из них выбирается один, который создает «наилучший» сигнал возбуждения для данной частоты Эйри.

В альтернативном варианте осуществления можно предусмотреть большое число сигналов возбуждения и соответствующих частот возбуждения с тем, чтобы обеспечить очень близкое соответствие любой частоте Эйри. В еще одном варианте осуществления может быть использована модель характеристик источника, которая для заданной частоты Эйри формирует новый сигнал возбуждения, и этот сигнал возбуждения имеет частоту возбуждения, весьма близкую к полосе частот Эйри от половины до удвоенной частоты Эйри.

Поэтому после определения частоты Эйри осуществляется алгоритмический ввод частоты Эйри в справочную таблицу для нахождения источника, полоса частот которого включает эту частоту Эйри. В описываемом варианте осуществления справочную таблицу программируют в каротажном приборе 3, задавая ряд описаний для различных сигналов возбуждения дипольного источника. Эти сигналы могут быть импульсами различной частоты, свип-сигналами и т.д. Поэтому в каротажном приборе 3 можно осуществлять выбор из ряда заранее определенных сигналов возбуждения, чтобы добиться по возможности близкого приближения к желаемой частоте Эйри. Свип-сигналы могут использоваться для того, чтобы излучение преобразователя начиналось на одной частоте (низкой) и происходило с повышением частоты сигнала на протяжении импульса до другой (высокой) к концу импульса. При этом некоторые пласты могут лучше реагировать, чем при одночастотном сигнале. В справочной таблице также могут быть предусмотрены сигналы с меняющейся частотой, но они не инициируются при расчете частоты Эйри.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ излучения звуковых волн в каротажной системе одним или несколькими дипольными источниками зонда в стволе скважи ны для оптимального возбуждения в стволе скважины дипольных звуковых волн с изгибными модами, заключающийся в том, что

a) определяют частоту Эйри ствола скважины,

b) возбуждают дипольные источники на частоте дипольного возбуждения, выбранной на основе частоты Эйри.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дипольные источники возбуждают на частоте дипольного возбуждения в пределах полосы частот, при этом частоту дипольного возбуждения и полосу частот выбирают как можно ближе к полосе частот возбуждения от половины до удвоенной частоты Эйри.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно

c) осуществляют прием указанных излученных звуковых волн группой приемников звука.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительно

б) определяют физические свойства подземных пластов вокруг указанного ствола скважины на основе измерений указанных звуковых сигналов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе (а) для определения частоты Эйри

1) осуществляют излучение первоначальных звуковых волн указанными дипольными источниками на первоначальной частоте возбуждения,
2) принимают первоначальные звуковые волны группой приемников звука,
3) определяют частоту Эйри ствола скважины на основе принятых первоначальных звуковых волн.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что определение частоты Эйри осуществляют процессором, расположенным в зонде в стволе скважины.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что для определения частоты Эйри осуществляют передачу к процессору, установленному на поверхности, информации относительно указанных принятых звуковых волн и определяют этим процессором частоту Эйри.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что для определения частоты Эйри определяют время вступления изгибной моды из первоначальных звуковых волн, определяют интервальное время пробега поперечной волны на основе времени вступления изгибной волны и определяют частоту Эйри на основе интервального времени пробега поперечной волны и диаметра ствола скважины.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе (Ь) для возбуждения дипольных источников осуществляют ввод частоты Эйри в справочную таблицу,

2Ί получают из справочной таблицы в ответ на введенную частоту Эйри выходной индекс для выбора выбранного одного из большого количества сигналов возбуждения, соответствующего выбранной частоте дипольного возбуждения, имеющего полосу частот.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный один или несколько дипольных источников содержат пару дипольных источников.

11. Система звукового каротажа для измерения физических свойств подземных пластов вокруг ствола скважины, содержащая процессор для определения частоты Эйри ствола скважины, и зонд, имеющий один или несколько дипольных источников для излучения звуковых волн в стволе скважины на выбранной одной из множества частот дипольного возбуждения, при этом выбранная частота дипольного возбуждения выбрана на основе частоты Эйри.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что зонд предназначен для возбуждения дипольных излучателей на частоте дипольного возбуждения в пределах полосы частот, при этом частота дипольного возбуждения и полоса частот выбраны как можно ближе к полосе частот возбуждения от половины до удвоенной частоты Эйри.

13. Система по п.11, отличающаяся тем, что зонд содержит группу приемников звука для приема указанных излученных звуковых волн.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что дополнительно содержит процессор для определения физических свойств подземных пластов вокруг ствола скважины на основе измерений указанных звуковых сигналов.

15. Система по п.11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средство для излучения первоначальных звуковых волн указанными дипольными источниками на первоначальной частоте возбуждения, группу приемников звука для приема указанных первоначальных звуковых волн и процессор, расположенный в зонде в стволе скважины, для определения частоты Эйри ствола скважины на основе указанных принятых первоначальных звуковых волн.

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что процессор предназначен для определения частоты Эйри путем определения времени вступления изгибной волны из изгибной моды первоначальных звуковых волн, определения интервального времени пробега поперечной волны на основе времени вступления изгибной волны и определения частоты Эйри на основе интервального времени пробега поперечной волны и диаметра ствола скважины.

17. Система по п.11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит справочную таблицу для приема частоты Эйри в качестве входной информации и для предоставления в ответ на введенную частоту Эйри выходного индекса для выбора выбранного одного из большого количества сигналов возбуждения, соответствующего выбранной частоте дипольного возбуждения, имеющего полосу частот.

18. Система по п.11, отличающаяся тем, что указанный один или несколько дипольных источников выполнены в виде пары дипольных источников.

19. Зонд для излучения акустических волн для оптимального возбуждения в стволе скважины дипольных звуковых волн с изгибными модами, содержащий процессор для определения частоты Эйри ствола скважины; и один или несколько дипольных источников для излучения звуковых волн в стволе скважины на выбранной одной из множества частот дипольного возбуждения, при этом выбранная частота дипольного возбуждения выбрана на основе частоты Эйри.