EA005508B1 - Прибор акустического каротажа, содержащий приемник и разделитель - Google Patents

Abstract

Прибор для каротажа породы, содержащий длинный центральный сердечник, на котором размещены равноудаленные массивные блоки, по меньшей мере на части из которых установлены датчики, например приемники. Указанную конструкцию можно использовать в качестве масс-пружины и регулировать ее свойства в отношении изгиба и растяжения таким образом, чтобы дисперсионная кривая не перекрывалась с дисперсионной кривой породы, подлежащей каротажу. Конструкцию можно применять к каротажному прибору в целом или только к секции приемника и разделительной секции, находящейся между секциями приемника и передатчика.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к конструкциям, используемым в комплектах приемников и разделителей, применяемых в приборах акустического каротажа для скважин. В частности, изобретение относится к конструкции, обладающей свойствами изгиба, предназначенной для снижения влияния помех на акустические каротажные измерения.

Предшествующий уровень техники

Акустический каротаж в нефтяной и газовой промышленности предусматривает проведение акустических измерений в скважине на частотах, обычно лежащих в диапазоне 500 Гц-20 кГц. Частоты ниже этого диапазона обычно относят к сейсмической области, а выше этого диапазона - к ультразвуковой области. Описание основных способов, применяемых в акустическом каротаже, можно найти в статье «Геофизическая разведка с использованием звука и ультразвука» (ΟΕΟΡΗΥδΙΟΑΕ ΡΚΟδΡΕΟΤΙΝΟ υδΙΝΟ δθΝΙΟδ ΑΝΏ υΓΤΚΑδΟΝΙΟδ, \УПсу Епсус1орсб1а οί Е1сс1г1са1 аиб Е1сс1гошс Епдшссгшд, 1999, стр. 340-365).

Примером акустического каротажного прибора является прибор, осуществляющий построение изображения с помощью дипольного акустического излучения (ΌδΙ) (фиг. 1). Прибор ΌδΙ содержит секцию 10 передатчика, содержащую пару (верхний и нижний) дипольных источников 12, расположенных перпендикулярно друг к другу в радиальной плоскости, и монопольный источник 14. Звукоизолирующее сочленение 16 соединяет секцию 10 передатчика с секцией 15 приемника, которая содержит комплект из восьми разнесенных приемных станций, каждая из которых содержит две пары гидрофонов, одна из которых ориентирована параллельно одному из дипольных источников, а другая - параллельно перпендикулярному ему дипольному источнику. Над секцией 15 приемника размещен электронный блок 20, который обеспечивает связь между прибором и блоком 22 управления, находящимся на поверхности, по электрическому кабелю 24. Такой прибор позволяет осуществлять измерения с помощью как монопольного, так и дипольного излучения. Прибор ΌδΙ имеет несколько рабочих режимов сбора данных, которые можно комбинировать для снятия форм волны. Это: режимы верхнего и нижнего диполя (ВДП, НДП), когда регистрируются формы волны от пар приемников, выровненных с соответствующим дипольным источником, используемым для генерации сигнала; перекрестный дипольный режим, когда регистрируются формы волны от каждой пары приемников, воспринимающей сигналы продольного и поперечного дипольных источников; режим Стоунли - используются волны монопольного излучения, обусловленного низкочастотным сигналом монопольного источника; режим Р и δ (Ρ&δ) - используются формы волны монопольного излучения, обусловленного высокочастотным сигналом монопольного передатчика; и режим первого движения - используются данные пересечения порога монополя, обусловленные высокочастотным сигналом монопольного источника.

Дипольный каротаж часто сталкивается с проблемой распространения сигнала изгиба от источника к приемникам по самому прибору. Этот сигнал, который часто называют «помеха прибора», создает помехи для детектирования соответствующего сигнала, распространяющегося в породе, и потому крайне нежелателен. Для устранения или подавления помехи прибора между источником и приемниками предусматривают устройство или конструкцию (изолятор), которое(ая) препятствует распространению помехи прибора, и используют конструкцию приемника, которая задерживает или ослабляет помехи прибора.

Один вид изолятора предусмотрен в приборах, где источники и приемник располагаются в двух отдельных корпусах, соединенных сравнительно гибким соединителем, например, тросом или гибкой трубкой. Пример такого изолятора приведен в патенте США 5,343,001. Этот подход эффективно предотвращает прохождение сигала помехи прибора непосредственно вдоль корпуса прибора от источника к приемнику, но прибор нельзя использовать в любой скважине, которая не вертикальна. Поскольку скважины, отклоняющиеся от вертикали, встречаются очень часто, прибор имеет ограниченное применение. Эта конструкция также не решает проблему поступления сигнала изгиба в конструкцию приемника из скважины с последующим его распространением вдоль приемника.

Для приборов, в которых источники и приемник соединены в сравнительно жесткую конструкцию, пригодную для работы в наклонных скважинах, решение состоит в том, что между источником и приемником помещают изолятор, который разрывает канал прохождения сигнала помехи прибора посредством конструкции, которая задерживает и/или ослабляет распространение сигнала изгиба вдоль корпуса прибора. В вышеописанном приборе ΌδΙ звукоизолирующее сочленение содержит стопки резиновых и стальных шайб, расположенных вокруг соединительных элементов. Эта конструкция является единственным соединением между передатчиком и приемником, между которыми нет никакого непрерывного кожуха или корпуса прибора. Звукоизолирующее сочленение более подробно раскрыто в патенте США 4,872,526.

Другой вид изолятора представляет собой конструкцию, в которой изолятор выполнен в виде ряда сегментов, каждый из которых соединен только с соседним сегментом, в каждом сочленении имеется некоторый упругий или поглощающий материал. Примеры таких конструкций приведены в патенте США 5,229,553, где предусмотрен ряд оболочек и каркасов, или в патенте США 5,728,978, где предусмотрен ряд трубчатых деталей, соединенных взаимозацепляющимися выступами (см. также δΡΕ (ОИН Общество инженеров-нефтяников) 56790 Α Э|ро1с Аггау δοηκ Τοο1 £ог Усгйса1 апб Эеу1а1сб ^с118 (Аку

- 1 005508 стический прибор на основе комплекта диполей для вертикальных и наклонных скважин), Ьисю N. Те11о, Тйотак 1. В1аик1И8Ыр, Εά\νίη К. РоЬегК Сотри1а1од Кекеагсй. Шск Ό. Кищшъкк Сотри1а1од Ий.. 1999 Ежегодная техническая конференция и выставка ОИН, Хьюстон, Техас, 3-6 октября 1999 г.).

Кроме использования изолятора между источником и приемником, были предложены модификации конструкции самой секции приемника. В приборе Ό8Ι, где прочность конструкции прибора обеспечивается кожухом приемника, для изменения акустических свойств кожуха в плане подавления или задержки изгибных (и других) помех прибора используются комбинация прорезей и отверстий и колец нагрузки массы, что раскрыто в патентах США №№ 4,850,450 и 5,036,945. Согласно патенту США 5,731,550 сегментированная конструкция, используемая в изоляторе согласно патенту США 5,229,553, применяется также в секции приемника. Поскольку это не жесткая структура, для обеспечения возможности работы прибора в наклонных скважинах может также потребоваться кожух или рукав. Другие подходы к решению этой проблемы рассматриваются в заявке РСТ № РСТ/1В98/00646, публикация № ХУО99/56Е55.

В настоящее время ни один подход не позволяет полностью удалить или предотвратить изгибных вступлений прибора.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание прибора акустического каротажа, конструкция которого позволяет решить проблему изгибной помехи прибора, не уменьшив возможности прибора к дипольным измерениям породы.

Согласно изобретению предложена конструкция прибора акустического каротажа, которая содержит непрерывный центральный сердечник, на котором расположены равноудаленные массивные блоки, причем по меньшей мере на некоторых массивных блоках размещены датчики, например, приемники.

Указанная конструкция позволяет сделать так, чтобы прибор вел себя как конструкция массапружина, и регулировать его свойства в отношении изгиба и растяжения таким образом, чтобы дисперсионная кривая не перекрывалась с дисперсионной кривой породы, подлежащей каротажу. Конструкцию можно использовать в приборе акустического каротажа в целом или только в секции приемника и/или разделительной секции, находящейся между секциями приемника и передатчика.

Прибор согласно изобретению содержит по меньшей мере один источник акустического сигнала и секцию приемника и/или разделительную секцию, имеющую конструкцию сердечник-массивный блок. Предпочтительно, прибор содержит секцию передатчика с монопольными и ортогональными дипольными источниками, разделитель с сердечником в качестве несущего элемента и секцию приемника с дополнительными монопольными источниками и комплектом приемников, выполненную в виде конструкции сердечник-массивный блок.

В случае применения конструкции массивных блоков к приемной секции прибора акустического каротажа, некоторые блоки используются для размещения акустических приемных элементов, например, гидрофонов. Блоки играют роль крепежных элементов приемников и соединены друг с другом только сердечником. Располагая приемные элементы на нескольких соседних блоках, можно сформировать комплект приемников. Комплект обычно содержит несколько приемных станций (массивных блоков), например, восемь, двенадцать или шестнадцать станций, каждая из которых содержит несколько приемных элементов, расположенных регулярно по периметру каждой станции, например четыре или восемь приемных элементов.

С каждым приемным элементом может быть связана входная электроника, способная выдавать цифровой выходной сигнал от каждого элемента. Необходимые схемы могут размещаться вокруг сердечника, по соседству с соответствующими креплениями приемников. Таким образом, можно обеспечивать передачу цифровых сигналов вдоль прибора.

Приемные элементы предпочтительно снабжены соответствующей электроникой, позволяющей выдавать цифровой сигнал.

На обоих концах комплекта приемников могут располагаться дополнительные монопольные источники.

В случае применения конструкции сердечник-массивный блок для разделительной секции, ее предпочтительно располагать в приборе между секциями передатчика и приемника. Сердечник является непрерывной несущей конструкцией и может быть пустотелым, образуя трубку для проводки между двумя частями прибора. Можно предусмотреть внешний рукав, не являющийся несущей конструкцией, выполненный из такого материала, как тефлон (аналогичный рукав можно предусмотреть для приемной конструкции).

Краткое описание чертежей

Ниже описаны предпочтительные варианты реализации изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 изображает известный прибор акустического каротажа;

фиг. 2 - прибор акустического каротажа, согласно изобретению;

фиг. 3 - передающий модуль прибора, согласно изобретению;

фиг. 4а, 4Ь и 4с - виды разделительной секции прибора и применяемого в ней массивного блока, согласно изобретению;

- 2 005508 фиг. 5 - приемный зонд прибора, согласно изобретению;

фиг. 6 - элементы секции приемника и близлежащего передатчика в приемном зонде, согласно изобретению;

фиг. 7а, 7Ь и 7с - виды сбоку, в разрезе и общий вид массивного блока, используемого в приемном зонде, согласно изобретению;

фиг. 8 - альтернативный вариант выполнения массивного блока, согласно изобретению;

фиг. 9 - узел крепления для печатной платы, согласно изобретению;

фиг. 10 - блок-схему узла сбора данных на уровне чувствительного элемента, согласно изобретению;

фиг. 11 - схему сбора данных на уровне приемной станции, согласно изобретению;

фиг. 12 - схему шины связи приемника, согласно изобретению;

фиг. 13 - принципиальную схему усилителя первого каскада, согласно изобретению; фиг. 14 - принципиальную схему усилителя второго каскада, согласно изобретению.

Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Прибор акустического каротажа (фиг. 2) содержит секцию приемника и разделительную секцию, показан модуль 110 акустического передатчика, содержащий накопитель 112 и отклонитель 114. Модуль 110 передатчика (фиг. 3) содержит секцию 120 электроники, содержащую электронные и приводные схемы для акустических источников, секцию 122 масляного объемного компенсатора, первый дипольный источник 124 (номинальное направление «Υ»), второй дипольный источник 126 (ортогональный первому источнику 124, номинальное направление «X») и монопольный источник 128. Проходная секция 130 предназначена для подключения силовой и сигнальной проводки к части прибора, находящейся над модулем 110 передатчика.

Непосредственно над модулем 110 передатчика размещена разделительная секция 132. Показаны два варианта: длинная секция 132а и короткая секция 132Ь. Длину разделительной секции можно выбирать в соответствии с ожидаемыми акустическими свойствами породы, подлежащей каротажу. Разделительная секция 132 описана более подробно со ссылкой на фиг. 4а, 4Ь и 4с, и содержит внутренний сердечник 200, выполненный в виде трубки из титанового сплава, на котором располагается ряд массивных конструкций 210 из нержавеющей стали, представляющих собой блоки с цилиндрической наружной поверхностью 212 и фигурной внутренней поверхностью 214, образующей полость 216, укрепленные на равных расстояниях вдоль сердечника 200. Чтобы прикрепить массы 210 к сердечнику 200, каждую массу 210 нагревают, вызывая ее расширение, после чего помещают ее на место скользящим движением по сердечнику 200 с использованием канала 220, образованного внутренней поверхностью 214 каждой массы 210. Остывая, масса 210 обжимает сердечник 200. Подбирая материал и конструкцию сердечника 200 и масс 210 и размещая массы 210 вдоль сердечника 200, разделителю можно придать такую конфигурацию, чтобы он вел себя в акустическом отношении как конструкция масса-пружина, которая не создает помех акустическим сигналам, используемым для оценивания породы, окружающей скважину, но в то же время обеспечивает надлежащую конструкцию и опору для других элементов прибора. Поскольку вокруг разделителя нет никакого рукава или кожуха, и массивные блоки 210 являются пустотелыми и не соприкасаются друг с другом, флюиды, имеющиеся в скважине, могут проникать в полости 216, образованные в массивных блоках 210, при этом внутри блоков накапливается буровая грязь, которая влияет на их акустические свойства. Для очистки полости 216, в боковых стенках 212 блоков 210 предусмотрены сквозные отверстия 218. Сердечник 200 является пустотелым и соединен с проходами 230, 240 на каждом конце разделительной секции 132, что позволяет проводке (не показана) проходить через разделитель 132 между модулем 110 передатчика и приемным зондом 134.

Верхняя часть разделительной секции 132 присоединена к приемному зонду 134, содержащему секцию 136 приемника и близлежащего монопольного передатчика, масляный объемный компенсатор 138 и секцию 140 электроники зонда, и снабженному резиновыми отклонителями 142, 144. Общий вид внутреннего строения приемного зонда 134 показан на фиг. 5. Секция 136 приемника и близлежащего монопольного передатчика, входящая в состав зонда 134, содержит комплект 145 приемных станций 146 (16 в данном примере, хотя возможны и другие варианты), разнесенных вдоль центрального сердечника 148, причем каждая станция 146 содержит блок 150 крепления приемника, присоединенный к сердечнику 148 и имеет несколько чувствительных элементов 152 (гидрофонов), расположенных на равных угловых расстояниях друг от друга по периметру блока 150. В описываемом варианте предусмотрено восемь элементов 152, но также можно использовать и другие количества, например, четыре. Платы входной электроники связаны с каждой приемной станцией 146 и описаны ниже более подробно. На каждом конце приемного комплекта 145 смонтированы монопольные передатчики 154, 156. Секция 136 приемника и близлежащего монополя заключена в армированный тефлоновый рукав 158 и заполнена маслом для компенсации давления. Масляный объемный компенсатор 138 размещен над секцией 136 приемника и близлежащего монопольного передатчика и присоединен к его внутренней структуре. Секция 140 электроники зонда размещена над масляным объемным компенсатором 138 и содержит источники питания первого каскада и повышающие трансформаторы (не показаны) для монопольных источников. Для обеспечения проводной связи между различными секциями зонда 134 предусмотрены проходы 160. Верхняя часть

- 3 005508 зонда 134 снабжена также проходами 162 для подключения к главному электронному блоку 164, который также имеет накопитель 166. Блок 164 снабжен стандартными разъемами 168, обеспечивающими соединение с другими приборами в линии каротажных приборов или к телеметрическому блоку, осуществляющему связь с наземной системой по кабелю проводного каротажа (не показан).

Приемный зонд показан более подробно на фиг. 6, 7 и 8. В основе конструкции секции 136 приемника лежит структура сердечника 148 и массивного блока 150, аналогичная используемой в разделительной секции. На каждом конце секции 136 приемника предусмотрены монопольные источники 154, 156, по существу, аналогичные описанным выше в связи с секцией передатчика. Между источниками 154, 156 проходит сердечник 148, ряд массивных блоков 150 смонтированы на сердечнике 148 так же, как в разделительной секции. Шестнадцать соседних блоков 150 образуют крепления 170 приемников, на каждом из которых установлен комплект приемных элементов (гидрофонов) 172, разнесенных по его периметру. Одна пара диаметрально противоположных элементов в каждой станции выровнена с соответствующим дипольным источником. В данном варианте осуществления предусмотрено восемь приемных элементов 172. Очевидно, что количество станций и количество приемных элементов на каждой станции можно выбирать в соответствии с необходимостью, например, двенадцать станций, для каждой из которых может быть выбрано четыре приемных элемента.

Блок 150 содержит относительно удлиненный трубчатый корпус 180, посередине которого проходит канал 182. Концевая секция 184 канала 182 имеет участок 186 уменьшенного диаметра для охвата наружной поверхности сердечника 148. В наружной части 188 блока 150 имеется крепежное углубление 190 для чувствительного элемента 172. На фиг.8 показана альтернативная форма выполнения блока 150. Эти формы или другие подобные конструкции можно использовать для задания акустических свойств приемной секции, в частности, в изгибной моде. Каждый блок 150 укреплен так, что он непосредственно не соприкасается с соседними блоками. Единственной непрерывной конструкцией в приемнике является сердечник 148. На концах комплекта 145 приемных станций могут быть предусмотрены заглушки (пример показан на фиг. 8) для обеспечения надлежащих акустических свойств конструкции вблизи концов комплекта.

Чувствительный элемент 172 представляет собой пьезоэлектрический датчик давления. Датчик содержит пьезоэлектрический цилиндр с концевыми крышками, соединенными винтом, проходящим через цилиндр. Другая форма датчика представляет собой поляризованную стопку пьезоэлектрических пластин. Они могут быть в виде стопки с винтом, проходящим через центр стопки, для сжатия пластин. Альтернативно, пластины могут располагаться в кожухе и отделяться друг от друга электродами для максимизации воздействия давления на пластины. Какой бы вид датчика не использовался, предпочтительно, чтобы ось поляризации была параллельна продольной оси прибора. Каким именно образом чувствительный элемент 172 монтируется в блоке 150, зависит от вида используемого чувствительного элемента.

Входная электроника смонтирована на печатных платах (не показаны), установленных на креплениях 250 (фиг. 9), размещенных вокруг наружной части каждого блока 150, причем один набор плат на креплении 250 связан с каждой приемной станцией. Крепление 250 содержит четыре поверхности 252, расположенные между круглыми концевыми фитингами 254, которые крепятся поверх блока 150. Наружный диаметр концевых фитингов практически такой же, как у крепежного углубления 190.

Входная электроника приемника показана в виде блок-схемы на фиг.10 и содержит чувствительный элемент 172, выходной сигнал которого поступает на первый каскад 300, содержащий усилитель преобразования заряда в напряжение с фильтром высоких частот первого порядка. Выходной сигнал первого каскада 300 поступает на второй каскад 302, содержащий усилитель с программируемым коэффициентом усиления и входной буфер АЦП. Выходной сигнал второго каскада 302 поступает на АЦП 304 с 20разрядным дельта-сигма-преобразователем и прореживающим цифровым фильтром, который выдает последовательные данные на ЦСП 306. Применительно к описанной здесь станции, содержащей восемь датчиков, реализация входной электроники может (фиг. 11) предусматривать отдельные первый и второй каскады для каждого датчика, и двухканальный АЦП 304 для одновременной обработки выходных сигналов двух датчиков. Очевидно, что количество каналов АЦП зависит от конкретной реализации используемого АЦП. Результирующий выходной сигнал ЦСП обеспечивает цифровой выходной сигнал для каждой приемной станции от № 1 до № 16, который проходит по общей последовательной шине 308 в секции приемника на главный ЦСП 310 в главном электронном блоке 164 (фиг. 12).

Предпочтительная реализация усилителя первого каскада показана на фиг. 13 и содержит схему дифференциального усилителя заряда. Выходной сигнал датчика 81 поступает на операционный усилитель типа ОРА404, модифицированный тест-сигналом 81 и КС-цепями К ГС Г, В1С1, который выдает выходной сигнал О1 первого каскада. Возможны также и другие реализации, например, усилитель с несимметричным выходом или двухтактный усилитель заряда или напряжения.

На фиг. 14 показан предпочтительный вариант реализации усилителя второго каскада. Получая в качестве входного сигнала выходной сигнал О1 первого каскада, он преобразует сигнал с использованием двух операционных усилителей типа ОРА404 (ОРА404а, ОРА404Б) и ПЛМ с соответствующими К и С элементами. Опять же, возможны и другие схемные решения. Выходной сигнал второго каскада по

- 4 005508 ступает на АЦП, а оттуда на ЦСП приемника, который собирает последовательные данные от четырех АЦП для каждой станции через параллельную шину и преобразует их в последовательные данные. Функции ЦСП также включают в себя обработку сигнала для деконволюции (восстановления) сигнала, в случае использования кодовых последовательностей от источников акустического сигнала (например, М-последовательностей), выдачу управляющих сигналов на устройства, например, АЦП и ПЛМ на печатных платах и связь с главным ЦСП в электронном блоке, в том числе, для передачи собранных данных.

Вышеприведенное описание является примером различных вариантов осуществления изобретения. В частности, физические размер и форму сердечника можно варьировать в соответствии с требованиями. Кроме того, представленные здесь электронные схемы можно заменять другими в конкретных обстоятельствах.

Claims (15)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Прибор акустического каротажа, содержащий по меньшей мере один источник акустического сигнала и по меньшей мере одну секцию, содержащую практически непрерывный центральный сердечник, на котором закреплена группа массивных блоков на одинаковом расстоянии друг от друга, внутренняя поверхность каждого из которых образует полость, отличающийся тем, что участок внутренней поверхности каждого массивного блока охватывает наружную поверхность центрального сердечника, при этом материалы, из которых выполнены массивные блоки, и закрепление массивных блоков выбраны таким образом, что прибор ведет себя как конструкция масса-пружина.
2. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что секция является секцией акустического приемника и по меньшей мере на некоторых массивных блоках размещены акустические приемные элементы.
3. 3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что секция является секцией акустического приемника и секция является разделительной секцией, расположенной между источником акустического сигнала и секцией приемника.
4. 4. Прибор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что корпус прибора содержит практически непрерывный элемент конструкции, проходящий между источником акустического сигнала и секцией акустического приемника.
5. 5. Прибор по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что приемные элементы размещены на каждом из нескольких соседних блоков из комплекта, образуя линейный комплект.
6. 6. Прибор по любому из пп.2-5, отличающийся тем, что каждый массивный блок, на котором размещены акустические приемные элементы, имеет несколько элементов, расположенных по его периметру.
7. 7. Прибор по любому из пп.2-6, отличающийся тем, что каждый приемный элемент связан с электронной схемой, выдающей его цифровой выходной сигнал, благодаря чему выходной сигнал каждого приемного элемента преобразуется в цифровой формат схемой, находящейся вблизи соответствующего приемника.
8. 8. Прибор по п.7, отличающийся тем, что электронные элементы расположены вокруг центрального сердечника вблизи соответствующих приемных элементов.
9. 9. Прибор по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что содержит монопольные и дипольные источники акустических сигналов.
10. 10. Прибор по любому из пп.2-9, отличающийся тем, что на каждом массивном блоке размещено по меньшей мере четыре приемных элемента.
11. 11. Прибор по любому из пп.5-10, отличающийся тем, что комплект образован по меньшей мере восемью соседними массивными блоками.
12. 12. Прибор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что секция является разделительной секцией.
13. 13. Прибор по п.12, отличающийся тем, что сердечник является пустотелым и представляет собой трубку для проводки между секциями прибора, расположенными по обе стороны разделителя.
14. 14. Прибор по любому из пп.12 или 13, отличающийся тем, что внешний рукав для ряда блоков не предусмотрен.
15. 15. Прибор по любому из пп.12-14, отличающийся тем, что в каждом блоке проделано отверстие для очистки участка вокруг сердечника.