SU750412A1

SU750412A1 - Transducer of acoustic waves of well-logging device

Info

Publication number: SU750412A1
Application number: SU782572375A
Authority: SU
Inventors: Сергей Михайлович Вдовин; Ольга Алексеевна Вдовина
Original assignee: Всесоюзный научно-исследовательский институт нефтепромысловой геофизики
Priority date: 1978-01-23
Filing date: 1978-01-23
Publication date: 1980-07-23

Description

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН СКВАЖИННОГО ПРИБОРА(54) ACOUSTIC WAVES CONVERTER OF THE WELLING DEVICE

Изобретение относитс к области промыслово-геофизических исследований нефт ных и газовых скважин, конкретнее к акустическим преобразовател м дл скважинной аппаратуры акустического каротажа по продольным и поперечным упругим волнам.The invention relates to the field of geophysical surveys of oil and gas wells, and more specifically to acoustic transducers for acoustic logging equipment downhole using longitudinal and transverse elastic waves.

Известен акустический преобразователь касательного , который представл ет собой электродвигатель, с укрепленными на его валу маховиками При вращении маховиков вокруг оси скважины они совершают касательные воздейств 1 вдоль периметра скважины и возбуждают колебани вдоль скважины.A tangential acoustic transducer, which is an electric motor, with flywheels mounted on its shaft is known. When the flywheels rotate around the borehole axis, they perform tangential effects 1 along the borehole perimeter and excite oscillations along the borehole.

Однако из-за неровности стенки скважины маховики не имеют посто нного контакта с породой и, следовательно , при движении вдоль скважины будут в одних случа х удар ть по породе, а в других случа х проскальзывать . Кроме того преобразователю свойственны слохшость конструкции, невозможность возбуждени другого типа упругих волн в скважине и больша веро тность аварийных ситуаций в сквс1жине из-за того, что маховик должен выступать за габариты прибора и/However, due to the unevenness of the borehole wall, the flywheels do not have constant contact with the rock and, therefore, when moving along the well, they will in some cases hit the rock and in other cases slip. In addition, the converter is characterized by a design destructiveness, the impossibility of initiating another type of elastic waves in the well, and a greater likelihood of emergency situations in the well because the flywheel must stand for the dimensions of the device and /

следовательно, будет цепл тьс за неровности стенки и сальниковые пробки в скважине. Данный преобразователь может работать только в режиме возбуждени упругих колебаний поперечной волны S Н типа.therefore, it will cling to wall irregularities and stuffing boxes in the well. This converter can operate only in the mode of excitation of elastic oscillations of the transverse wave of the S H type.

Известен преобразователь, вьшолнен ный из пъезокристалла, который- прижимаетс к стенке сквгшины 2. В за10 висимости от направлени среза кристалла и осей его пол ризации он будет регистрировать в горной породе поперечную волну 5Н или SV типа. Однако слаба механическа прочность, не15 возможность работы на продольных упругих волнах, низкий КПД в режиме/ возбуждени акустических колебаний, не позвол ет примен ть его в аппаратуре непрерывного акустического каро20 тажа по продольным IJ поперечным волна м , предназначенной дл массовых исследований нефт ных и газовых скважин .A transducer made of a piezo crystal, which is pressed against the wall of the well 2, is known. Depending on the direction of the crystal cut and the axes of its polarization, it will register a shear 5H or SV type in the rock. However, weak mechanical strength, inability to work on longitudinal elastic waves, low efficiency in the mode of / excitation of acoustic oscillations, does not allow it to be used in continuous acoustic cartographic equipment along the longitudinal IJ transverse wave m, intended for mass studies of oil and gas wells .

Наиболее близким по техническрй The closest on the technical

25 сущности к изобретению вл етс преобразователь акустических волн скважинного прибора, содержащий магнитосзтрикционный сердечник в виде стержн с обмоткой возбуждени , расположенной перпендикул рно его боковой поверхности и контактной головки 3, Узкоспецифичные функциональные, возможности этого преобразовател не позвол ют использовать один преобрарователь дл возбуждени (регистрации ) в скважине упругих волн различных . типов . Например, при ориентации преобразовател вдоль оси скважины он будет возбуждать (регистрировать ) в горной -породе поперечную волну .SH пол ризации. Дл возбуждени поперечной волны 5V пол ризации преобразователь необходимо переориентировать в направлении перпендикул рном к оси скважины. Продольную волну данный преобразователь не возбуждает и .не регистрирует. Таким образом, преобразователь не может быть использован в аппаратуре акустического карота жа по комплексу упругих волн различных типов. Целью изобретени вл етс расшире ние функциональных возг ожностей преобразовател акустических волн скважинного прибора. Достигаетс это тем, что выполненный в виде цилиндра сердечник, одним своим торцом прикреплен к скважинному прибору, а на другом торце укрепле на контактна головка, выполненна в виде полусферы, причем сердечник снаб жен дополнительной обмоткой возбуждени , выполненной вдоль образующей цилиндра . Кроме того дополнительна обмотка возбуждени выполнена в виде четырех секций, при этом противолежащие секции соединены между собой, об . разу две группы, которые соединены противофазно. На фиг. 1 показана конструкци пре образовател ; на фиг. 2 - электрическа схема соединений четырехсекционной дополнительной обмотки возбуждени ; на фиг..З - векторна диаграмма возбуждающих напр жений в секци х дополнительной обмотки. Преобразователь содержит цилиндри ческий сердечник 1, выполненный, например , путем навивки ленты из магнитострикционного материала. Габарит ные размеры сердечника выбираютс , исход из требований к конструкции скважинного прибора, необходимой мощ , ности излучени (чувствительности) и типов возбуждаемых (регистрируемых) упругих волн. К рабочему концу сердечника 1 жестко крепитс контактна голдвка 2, котора непосредственно соприкасаетс с горной породой и пре дохран ет магнитострикционный сердеч ник от истирани в процессе движени скважинного прибора вдоль ствола скв жины. Форма контактной головки 2, на пример полусфера, и метериал, например бронза, выбираютс , исход из оптимальных условий, - сопротивление движению в отношение сигнал/шум. Дру гой конец сердечника 1 жестко закреп ен в металлической обойме 3, котоа , в свою очередь, жестко крепитс к отжимному механизму скважинного Прибора, прижимающего преобразователь оловкой 2 к стенке скважины. Вокруг магнитострикционного сердечника 1 намотана электрическа обмотка 4, а вдоль него (на фиг. 1 в теле внутри сердечника) дополнительна обмотка 5. В зависимости от типа возбуждаемой (регистрируемой) волны или одновременной комбинации волн, обмотка 5 может быть выполнена с неравномерным шагом намотки или в виде двух или нескольких секций, возбуждаемых со сдвигом по фазе или в противофазе . В электрической схеме электрические обмотки 5 выполнены в виде четырех йекций 6-9, включенных попарно в противофазе. На фиг. 3 приведена векторна диагрс1мма возбуждаклцих напр жений в четырехсекционной обмотке, причем векторы 10 и 11 соответствуют возбуждающим напр жени м в секци х б и 8, а векторы 12 и 13 соответствуют напр жени м в секци х 7 и 9 в дополнительной электрической обмотке 5. Работа преобразовател основана на эффекте кручени и изгиба стержн , помещенного в магнитные пол , образованные тороидальной и осевой элект рическими обмотками. Дополнительный изгибающий эффект получаетс в результате противофазного включени многосекционной возбуждающей обмотки 5 . Рассмотрим работу преобразовател в режиме возбуждени упругих волн. При прохождении электрического тока только через обмотку 14 преобразователе будет возбуждать акустические колебани вдоль вектора А, что собтветствует возбуждению в горной породе, пересекаемой скважиной, продольной упругой волны. При одновременном возбуждении магнитных полей обмотками 4 и 5 преобразователь будет совершать крутильные колебани вдоль вектора В, возбужда одновременно в горной породе поперечные волны SH и SV пол ризации. При некотором сдвиге фаз в обмотках 4 и 5 к крутильным колебани м .преобразовател по вектору . В добавл ютс изгибные колебани стержн по вектору С, которые усиливают эффект касательного возбуждени в горной породе поперечных волн. При работе данного преобразовател в режиме приема акустических колебаний, сигнал продольной волны снимаетс с обмотки 4, а сигнал поперечной волны (независимо от типа пол ризации ) снимаетс с обмотки 5. Другой возможный вариант работы преобразовател заключаетс в следующем. Обмотка возбуждени 5 разделена на четыре- секции б, 7, 8 и 9, из которых б и 8, а также 7 и 9 соединены между собой и образуют две самосто ггельные дополнительные обмотки, вклюЬенные в противофазе (см. фиг. 2 и 3). При возбуждении обмотки 4 преобразов тель колеблетс вдоль вектора А и возбуждает в породе продольную волну . При одновременном возбуждении 5 обмотки 4 и дополнительной обмотки, включающей секции б и 8, преобразо-, ватель будет совершать изгибные колебани в плоскости секций 7 и 9 и возбуждать в горной породе попе- Q речную волну одного из типов пол ризации (в зависимости от ориентации преобразовател в скважине). При одновременном возбуждении обмотки 4 и дополнительной дбмотки, включающей сек-«. ции 7 и 9, пол ризации поперечной вол ны в горной породе изменитс (например , 5Н на 6V).Таким образом, при импульсном каротаже за три цикла излучени один подобный преобразователь возбуждает в горной породе, пересека- емой скважиной, три ипа упругих волн что достигаетс соответствующим переключением (отключением) электрических обмоток. В режиме приема акустических колебаний сигнал продольной волны сни 25 маетс с обмотки 4, а сигнал поперечной волны того или иного типа тол ризации снимаетс с секции б и 8 или 7 и9 дополнительной обмотки 5.25 of the essence of the invention is an acoustic wave transducer of a downhole tool containing a magnetostrictive core in the form of a rod with an excitation winding located perpendicular to its side surface and contact head 3, Narrow-specific functionalities of this transducer do not allow using one transducer for exciting (recording) in the borehole of elastic waves of various. types. For example, if the transducer is oriented along the well axis, it will excite (register) in the mountain rock a transverse wave of the .SH polarization. To excite the 5V polarization wave, the transducer needs to be reoriented in the direction perpendicular to the well axis. The longitudinal wave of this converter does not excite and does not register. Thus, the transducer cannot be used in acoustic acoustic equipment using the complex of elastic waves of various types. The aim of the invention is to expand the functional capabilities of the acoustic wave transducer of the downhole tool. This is achieved by the fact that the core, made in the form of a cylinder, is attached to the downhole tool with one of its ends, and is fixed on the other end to a hemisphere-shaped contact head, and the core is provided with an additional excitation winding made along the generator of the cylinder. In addition, the additional field winding is made in the form of four sections, with the opposite sections being interconnected, vol. There are two groups that are connected in antiphase. FIG. 1 shows the design of the transducer; in fig. 2 is an electrical circuit diagram of a four-section supplementary field winding; Fig. 3 is a vector diagram of the exciting voltages in the sections of the additional winding. The converter contains a cylindrical core 1, made, for example, by winding a tape from a magnetostrictive material. The overall dimensions of the core are selected based on the requirements for the design of the downhole tool, the required radiation power (sensitivity) and the types of excited (recorded) elastic waves. To the working end of the core 1 there is rigidly attached a contact gold 2, which directly comes into contact with the rock and prevents the magnetostrictive core from abrasion during the movement of the downhole tool along the wellbore. The shape of the contact head 2, for example, a hemisphere, and a material, such as bronze, are chosen based on the optimal conditions, the resistance to movement in the signal-to-noise ratio. The other end of the core 1 is rigidly fixed in the metal casing 3, which, in turn, is rigidly attached to the squeezing mechanism of the borehole Device, pressing the transducer 2 to the borehole wall. An electric winding 4 is wound around the magnetostrictive core 1, and an additional winding 5 along it (in FIG. 1 in the body inside the core) 5. Depending on the type of excitation (recorded) wave or simultaneous combination of waves, the winding 5 can be performed with an uneven pitch of winding or in the form of two or more sections, excited with a phase shift or in antiphase. In the electric circuit, the electric windings 5 are made in the form of four sections 6-9, included in pairs in antiphase. FIG. Figure 3 shows the vector diagram of excitatory voltages in a four section winding, with vectors 10 and 11 corresponding to exciting voltages in sections b and 8, and vectors 12 and 13 correspond to voltages in sections 7 and 9 in additional electric winding 5. Operation The converter is based on the effect of torsion and bending of a rod placed in magnetic fields formed by toroidal and axial electric windings. An additional bending effect is obtained as a result of the antiphase activation of the multi-sectional excitation winding 5. Consider the operation of the transducer in the elastic wave excitation mode. With the passage of electric current only through the winding 14, the transducer will excite acoustic oscillations along vector A, which corresponds to the excitation in the rock intersected by the well, of a longitudinal elastic wave. With simultaneous excitation of magnetic fields by windings 4 and 5, the converter will perform torsional vibrations along vector B, exciting simultaneously in the rock the shear waves SH and SV polarization. With a certain phase shift in the windings 4 and 5 to the torsional vibrations of the converter along the vector. In addition, bending vibrations of the rod along vector C are added, which enhance the effect of tangential excitation in the rock of shear waves. When this converter is operating in the mode of receiving acoustic oscillations, the signal of the longitudinal wave is removed from the winding 4, and the signal of the transverse wave (regardless of the type of polarization) is removed from the winding 5. Another possible variant of the converter operation is as follows. The excitation winding 5 is divided into four sections b, 7, 8 and 9, of which b and 8, as well as 7 and 9 are interconnected and form two independent additional windings, included in antiphase (see Fig. 2 and 3) . When winding 4 is excited, the transducer oscillates along vector A and excites a longitudinal wave in the rock. With simultaneous excitation of 5 winding 4 and additional winding, including sections b and 8, the transducer will perform bending oscillations in the plane of sections 7 and 9 and excite a transverse wave of one of the types of polarization in the rock (depending on orientation downhole converter). With simultaneous excitation of the winding 4 and additional dbmotki, including sec- ". 7 and 9, the polarization of the transverse wave in the rock will change (for example, 5H at 6V). Thus, with pulsed logging over three cycles of radiation, one such transducer excites, in a rock intersected by a well, three types of elastic waves that is achieved by the corresponding switching (disconnection) of the electrical windings. In the mode of receiving acoustic oscillations, the signal of the longitudinal wave is removed from winding 4, and the signal of a shear wave of one or another type of thickness is removed from section b and 8 or 7 and 9 of additional winding 5.

При установке пр периметру скважи- 30 ны нескольких преобразователей эффективность возбуждени и регистрации акустических волн увеличиваетс .When installing the perimeter of the well of several transducers, the efficiency of excitation and detection of acoustic waves increases.

Применение предложенного преобразовател акустических волн в скважинной JJj аппаратуре акустического каротажа позвол ет в каждой точке разреза практически одновременно регистрировать параметры комплекса упругих волн, что,The use of the proposed acoustic wave transducer in the borehole JJj acoustic logging equipment makes it possible to record simultaneously at each point of the section the parameters of the complex of elastic waves, which

в свою очередь, повышает геолого-Геофизическую информативность исследований .in turn, increases the geological and geophysical information content of research.

Claims

1. Acoustic wave transducer of a downhole device containing a magnetostatic core in the form of a rod with an excitation winding located perpendicular to its side surface and a contact head, distinguished by the fact that, in order to expand its functionality, the core is made in the form of a cylinder with one of its ends attached to the downhole tool and at the other end of the contact head is strengthened, made in the form of a hemisphere, and the core is provided with an additional excitation winding, filled along obrazukukdey cylinder.

2. The converter according to claim 1, characterized in that the additional excitation winding is made in the form of four sections, while the rotational sections are connected between -, jjy with themselves, forming two groups, KOTOptje are connected in antiphase.

Sources of information taken into account in the examination

1. Author's certificate of the USSR 203943, cl. Q 01 V 1/40, 1966.

2. Authors certificate of the USSR 23,4283, cl. Q 01 V 1/40, 1967.

3. USSR author's certificate on application 2572373 / 18-25,

Cl, G 01 V 1/40, 01/23/78 (prototype).