SU959002A1 - Способ акустического каротажа скважин - Google Patents

Description

Изобретение относится к способам' геофизического исследования скважин, в частности к акустическому каротажу (АК).

Несмотря на целый ряд преимуществ акустического каротажа по сравнению с другими методами скважинной геофизики, его эффективность во многих случаях оказывается недостаточной. Повышение геологической информативности акустического каротажа связано в первую очередь с разработкой новых модификаций метода, основанных на регистрации комплексных параметров волнового поля, обладающих более высоким уровнем корреляционных связей с упругими параметрами горных пород, окружающих скважину.

Одновременное измерение кинематических и динамических параметров как продольных, так и поперечных волн позволило бы определить все требуемые упругие константы, однако разделение указанных волн нц данном этапе превращается в исключительно трудную техническую задачу, решение которой находится на уровне первых исследований .

Возможен и другой путь. При выборе соответствующей системы наблюдения .при акустическом каротаже могут регистрироваться волны, отраженные от стенок скважины, а также от раз_ личных акустических неоднородностей, находящихся в прискважинной зоне. Изучая кинематику и динамику этих волн, можно получить информацию о геометрии строения прискважинной . „ зоны и волновом сопротивлении гор- ¹ ных пород, вскрыты» скважиной.

Измерения на отраженных волнах в скважине технически в настоящее время реализрваны в трех основных модификациях: локационном, импедансном 15 и реверберационном.

Первый из них используется в акустической кавернометрии, профилеметрии и акустическом телевидении.

Относительно высокие рабочие час20 тоты локационного метода принципиально не позволяют получить информацию об упругих свойствах пород, залегающих глубже поверхностного слоя стенок скважины.

Результаты приведенных теоретических исследований импедансного метода АК показали, что существуют полосы частот, где значения, импеданса излучения источника упругих коле50 баний равняются волновому сопротив3 использования импеАК для каротажа как так и в обсаженных где Z_o ^ZH лению пород, окружающих скважину. Тем саьым подтверждается принципиальная возможность данского метола в н ео б саже н ных, скважинах.

Измерения при импеданском методе производятся по электрическому входу преобразователя путем определения его сопротивления ^z9 = ^Z0 ⁺ Z_H-T-Z_n = ^ζο ^{+ Ζ}ΒΗ собственное электрическое сопротивление излучателя ' (при заторможенной механической стороне); коэффициент электромеханической связи; сопротивление излучения; сопротивление механических потерь.

Отношение Z_6Н/Ζ₀ в зависимости от волнового сопротивления окружающей среда может меняться в 10-20 раз, что подтверждает достаточную чувствительность метода, однако ряд сложных и противоречивых требований -. работа преобразователя на резонансе (вне резонанса резко снижается величина вносимого сопротивления), использование низких частот (промежуток преобразователь-стенка скважины должен быть значительно меньше длины упругой волны в буровой жидкости), наконец, повышение точности электрических измерений, так как определению подлежат по существу величины второго порядка малости - задерживает техническую реализацию метода.

Известен способ акустического каротажа, основанный на регистрации отраженных от стенки скважины акустических импульсов. Так как амплитуда отраженного импульса пропорциональна акустическому сопротивлению породы, то возможно определение отражающих характеристик граничной зо• · ны С1 ].

3S

Недостатки указанного способа сложность аппаратуры, малая точность измерения и, самое главное, малая ’ 50 глубинность исследования.

Реверберационный метод акустического каротажа базируется также на использовании отраженных волн.

Наиболее близким к предлагаемому 55 является способ акустического карота- . жа скважин, основанный на возбуждении и приеме в скважине акустических колебайий. Этот способ, в котором реализован реверберационный метод, по- 60 зволяет получить акустические параметры прискважинной зоны, определить коэффициент отражения, обусловленный волновым сопротивлением горных пород, пересекаемых скважиной [2]. £5

Недостатком реверберационного метода является флуктуация кривой спада волнового поля, имеющая нестационарный характер. Это явление значительно ухудшает повторяемость регистрируемых параметров. За счет незамкнутости реверберационного объема упругие параметры пород с низким волновым сопротивлением определяются с большими погрешностями.

Другими словами, физические процессы, лежащие в основе указанного способа АК, накладывают существенные ограничения на точность и надежность измерения упругих параметров прискважинной эоны.

Цель изобретения - повышение точности и надежности определения геолого-геофизических параметров пересекающих скважину пород и более детальное изучение граничной зоны.

Поставленная цель достигается тем, что согласно, способу акусти..ческого каротажа скважин, основанной на возбуждении и приеме в скважине акустических колебаний, возбуждают акустические колебания, изменяя их < частоту в диапазоне 2-20 кГц со ско-. ростью 1-12 циклов в секунду, измеряя при этом интерференционную характеристику вдоль ствола скважины, измеряют частоты и амплитуда минимумов и максимумов акустических колебаний и определяют отношение последних. *

Как известно, в результате сложения двух когерентных одинаковой частоты волновых процессов в некоторой точке среды наблюдается явление интерференции . Именно такой процесс и будет возникать при размещении пары акустических преобразователей у границы раздела двух сред. В случае монохроматической волны на акустический приемник будет попадать.прямой сигнал непосредственно от излучателя, прошедший расстояние г., , и сигнал, отразившийся от границы раздела, прошедший путь·} . В результате сложения прямого и отраженного сигналов для результирующего давления можно написать _о

Р = р +Р реа. пр.

где Р_о - начальное давление _в излучателя;

'JT’H'Jf'ic θ “ комплексный коэффициент отражения по давлению;

R<2 - характеристики направленности излучателя и приемника соответственно.' значения

Квадрат модуля давления _XC05[K(_Vrj-.Q]

В зависимости от cosfKCr^-r,) -0] = ±1 результирующий сигнал будет принимать максимальное или минимальное значение. Так как 0 является измеряемой величиной, то изменение значения cos можно осуществить, меняя г_г,г^ или частоту воз буж· дения. При скважинных измерениях более целесообразно тоты. Этот случай и ниже.

Если К(г^-г^) = 0,1,2,3, то имеем тирующего давления ' (Р •V рез.гпах/ о \ . f'.j. /

Соответственно при К(г_л-г.) -Θ = = (2n+1)Ji ; ^{α 1} (р д pea.minj ~ \ л,

Разделив выражение минимального результирующего давления на максимальное и обозначив индексом b варьировать часрассматривается = 2пЛ, где п = максимум резульполученную величину

легко можно найти ния

Ml _ tri

V ^r2

Δ jil’ ⁺ коэффициент отраже ιτ>-~ _Λ ^гг Ч

Фазовый угол можно определить из зависимости ^{θ =} 4ν^ΓΊ)'^2η5Γ

-ИЛИ θ·=κ(’'₂-ς)-(ΐη₊ι)ί· по частоте максимума или минимума результирующего давления. Соответствующим выбором базовых расстояний можно обеспечить равенство r^= г а, используя ненаправленные излучатели, получить R-i = R д ~ 1 «При этих условиях выражение для модуля коэффициента отражения значительно упрощается |γΐ= т.е. модуль коэффициента отражения является функцией отношения минимума амплитуды сигнала к его максимуму, определяемого путем изменения частоты напряжения возбуждения акустического излучателя в требуемом диапазоне.

На фиг.1 изображена схема, иллюстрирующая предлагаемый способ с использованием осесимметричных цилиндрических преобразователей; на фиг.2блок-схема устройства для определения уровней минимума и максимума сигнала и соответствующих им.частот при возбуждении акустического.излучателя синусоидальным напряжением с из- меняющейся частотой в требуемом диапазоне и с заданной скоростью; на фиг.З - эпюры напряжения.

В скважине находятся акустический излучатель 1, акустический изолятор 2,. акустический приемник 3. Кроме того, аппаратура содержит усилитель мощности 4, генератор качающейся частоты 5, модулятор 6, генератор пилообразного напряжения 7, синхронизатор 8, формирователь метки частоты 9, первый и второй согласующие каскады 10 и 11, усилитель принятого, сигнала 12, амплитудный детектор-13, светолучевой осциллограф 14.

На фиг.З показаны эпюры напряжения синхронизатора 8 ,генератора пилообразного напряжения 7 (Unw )> напряжение возбуждения с выхода усилителя мощности 4 (U g),напряжение с выхода амплитудного детектора 13 (ид), напряжение с выхода формирователя меток частоты.9 (и_Ф).

Способ осуществляется следующим образом.

Акустические преобразователи расположены осесимметрично. Расстояние между ними выбирается в зависимости от диаметра скважины и частоты возбуждения, скважинный зонд при этом центрируется. Импульсы от синхронизатора 8 запускают генератор пилообразного напряжения 7, выходной сигнал последнего через модулятор б управляет частотой генератора качающей частоты 5, его выходное напряжение через усилитель мощности 4 подается на акустический излучатель 1. Сигнал, снимаемый с акустического приемника 3, усиливается усилителем принятого сигнала 12, детектируется амплитудным детектором 13 и через второй согласующий каскад 11 подается на светолучевой осциллограф 14. Одновременно на осциллограф с генератора пилообразного напряжения 7 через формирователь метки частоты 9 и первый согласующий каскад 10 _; подаются разнополярные импульсы, соответствующие моментам начала и конца пилообразного напряжения. Так как используется линейный модулйтбр, то по диаграмме легко определить частоты, соответствующие минимуму и максимуму принимаемого сигнала.

Кроме описанного, измеряемые параметры могут быть преобразованы в дискретную или аналоговую форму для последующей индикации другими известными способами.

Использование способа дает возможность определить значение модуля коэффициента отражения и его фазовый угол, что позволяет уточнить геолого-геофизические параметры пород, пересекаемых скважиной, и особенно параметры граничной зоны.

Claims (2)

1. лению пород, окружающих скважину. Тем саладм подтверждаетс  принципиал на  возможность использовани  импеданского метода АК дл  каротажа как в необсаженных, так и в обсаженных скважинах. Измерени  при импеданском методе производ тс  по электрическому входу прео6разовател  путем определени  его сопротивлени  Л . т-г - ZQ + ZBH 2э 2„ . где ZQ - собственное электрическое сопротивление излучател  (при заторможенной механической стороне); К коэффициент электромеханической св зи; Z - сопротивление излучени ; Zn - сопротивление механических потерь. Отношение в зависимости о волнового сопротивлени  окружающей среды может мен тьс  в 10-20 раз, что подтверждает достаточную чувствительность метода, однако р д слож ных и противоречивых требований -, работа преобразовател  на резонансе вне резонанса резко снижаетс  вели чина вносимого сопротивлени ), испсльзование низких частот (промежуток преобразователь-стенка скважины должен быть значительно меньше длинь1 упругой волны в буровой жидкости наконец, повышение точности электри ческих измерений, так как определению подлежат по существу величины второго пор дка малости - задержива ет техническую реализацию метода. Известен способ акустического ка ротажа, основанный на регистрации отраженных от стенки скважины акустических импульсов. Так как амплиту да отраженного импульса пропорциональна акустическому сопротивлению породы, то возможно определен отражающих характеристик граничной зо ны С 1 . Недостатки указанного способа сложность аппаратуры, мала  точност измерени  и, самое главное, мала  глубинность исследовани . Реверберационный метод акустичес кого каротажа базируетс  также на использовании отраженных волн. Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  способ акустического карот жа скважин, основанный на возбуждении и приеме в скважине акустически колебайий. Этот способ, в котором р лизован реверберациойный метод, позвол ет получить акустические параметры прискважинной зоны, определит коэффициент отражени , обусловленны волновым сопротивлением горных пород пересекаемых скважиной С2. Недостатком реверберационного метода  вл етс  флуктуаци  кривой спада волнового пол , именхца  нестационарный характер. Это  вление значительно ухудшает повтор емость регистрируемых параметров. За счет незамкнутости реверберационного объема упругие параметры пород с низким волновым сопротивлением определ ютс  с большими погрешност ми. фугими словами, физические процессы , лежащие в основе указанного способа АК, накладывают существенные ограничени  на точность и надежность измерени  упругих параметров прискважинной зоны. .Цель изобретени  - повышение точ .ности и надежности определейи  геолого-геофизических параметров пересекающих скважину пород и более детальное изучение граничной зоны. Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно, способу акусти ..ческого каротажа скважин, основанно л на возбуждении и приеме в скважине акустических колебаний, возбуждают акустические колебани , измен   их частоту в диапазоне 2-20 кГц со ско-. ростью 1-12 циклов в секунду, измер   при этом интерференционную характеристику вдоль ствола скважины, измер ют частоты и амплитуды минимумов и максимумов акустических колебаний и определ ют отношение последних . Как известно, в результате сложени  двух когерентных одинаковой частоты волновых процессов в некоторой точке среды наблюдаетс   вление интерференции . Именно такой процесс и будет возникать при размещении пары акустических преобразователей у границы раздела двух сред. В случае монохроматической волны на акустический приемник будет попадать-пр мой сигнал непосредственно от излучател , прошедиий рассто ние г , и сигнал, отразившийс  от границы раздела, прошедашй путь- Гл . В результате сложени  пр мого и отраженного сигналов дл  результирующего давлени  можно написать о -,oL; . .е Р - Р 4р pea. пр. отр начальное давление излучател ; Т-1тГе комплексный коэффициент отражени  по давлению; характеристики направленности излучател  и приемника соответственно . Квадрат модул  давленир -pi(Af . p(mf, ° рег,.1 о г / xgo5)C(,)-.9J В зависимости от значени  (,) -б ±1 результирую ,щий сигнал будет принимать максимал ;ное или минимальное значение. Так к 0  вл етс  измер емой величиной, то изменение значени  cos можно осущес вить, мен   г,г или частоту возбу дени . При скважинных измерени х более целесообразно варьировать час тоты. Этот случай и рассматриваетс  ниже. Если К(г,) -0 2пЛ, где п 0,1,2,3, то имеем максимум резуль тирующего давлени  . ь (,UlУ V pei.mox; - 0 г- . «i / Соответственно при К() -в (2n+1)J) . IP Л .jrif pea.min) - о г г / Разделив выражение минимального результируюшего давлени  на максимальное и обозначив полученную величину индексом b ( peijrmnj ( .vrtcix; легко можно найти коэффициент отраж ни  Фазовый угол можно определить из за висимости 9 4Vi) ()-UnVlJJ/ по частоте максимума или минимума результирующего давлени . Соответст вующим выбором базовых рассто ний можно обеспечить равенство г Гг, а, использу  ненаправленные излучатели , получить R-, RQ, 1.При этих услови х выражение дл  модул  коэффициента отражени  значительно упро щаетс  |У1 Т.е. модуль коэффициента отражени   вл етс  функцией отношени  минимума амплитуды сиг Hcuna к его максимуму, определ емого путем изменени  частоты напр жени  возбуждени  акустического излучател  в требуемом диапазоне. На фиг,1 изображена схема, иллюстрирующа  предлагаемый способ с использованием осесимметричных цилиндрических преобразователей; на фиг.2блок-схема устройства дл  определени  уровней минимума и максимума сигнала и соответствующих им.частот при возбуждении акустического.излучател  синусоидальным напр жением с из- мен ющейс  частотой в требуемом диапазоне и с заданной скоростью; на фиг.З - эпюры напр жени . В скважине наход тс  акустический излучатель 1, акустический изол тор 2,. акустический приемник 3. Кроме того, аппаратура содержит усилитель мощности 4, генератор качающейс  частоты 5, модул тор 6, генератор пилообразного напр жени  7, синхронизатор 8, формирователь метки частоты 9, первый и второй согласующие каскады 10 и 11, усилитель прин того , сигнала 12, амплитудный детектор- 13, светолучевой осциллограф 14. На фиг.З показаны эпюры напр жени  синхронизатора 8 () .генератора пилообразного напр жени  7 (i ), напр жение возбуждени  с выхода усилител  мощности 4 (U g),напр жение с выхода амплитудного детектора 13 (ид), напр жение с выхода формировател  меток частотц.9 (Uo). Способ осуществл е тс  следующим образом. Акустические преобразователи расположены осесимметрично. Рассто ние между ними выбираетс  в зависимости от диаметра скважины и частоты возбуждени , скважинный зонд при этом центрируетс . Импульсы от синхронизатора 8 запускают генератор пилообразного напр жени  7, выходной сигнал последнего через модул тор 6 управл ет частотой генератора качающей частоты 5, го выходное напр жение через усилитель мощности 4 подаетс  на акустический излучатель 1. Сигнал, снимаемый с акустического приемника 3, усиливаетс  усилителем прин того сигнала 12, детектируетс  амплитудным детектором 13 и через второй согласующий каскад 11 подаетс  на светолучевой осциллограф 14. Одновременно на осциллограф с генератора пилообразного напр жени  7 через формирователь метки частоты 9 и первый согласующий каскад 10 ; подаютс  разнопол рные импульсы, соответствующие моментам начала и конца пилообразного напр жени . Так как используетс  линейный модулйтбр, то по диаграмме легко определить частоты, соответствующие минимуму и максимуму принимаемого сигнала. Кроме описанного, измер емые параметры могут быть преобразованы в дискретную или аналоговую форму дл  последующей индикации другими .извест ными способами. Использование способа дает возможность определить значение модул  коэффициента отражени  и его фазовый угол, что позвол ет уточнить геолого-геофизические параметры пород пересекаемых скважиной, и особенно параметры граничной зоны. Формула изобретени  Способ акустического каротажа скв жин, основанный на возбуждении и приеме в скважине акустических колебаний , отличающийс  тем что, с целью повышени  точности и надежности определени  геолого-геофизических параметров пересекакицих скважину пород и более детального изучени  граничной зоны, возбуждают акустические колебани , измен   их частоту в диапазоне 2-20 кГц со скоростью 1-12 циклов в секунду, измер   при этом интерференционную характеристику вдоль ствола скважины, измер ют частоты и амплитуды минимумов и максимумов акустических колебаний и определ ют отношение последних . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе . 1. Патент США 3175638, 340-15,5 опублик. 1965.
2. 2. Авторское свидетельство СССР 269092, кл.С 01 V 1/40, 1969 (прототип).

   /7.f