Зонд скважинного прибора волнового акустического каротажа

 

Использование: для геофизических исследований скважин, а именно в аппаратуре акустического каротажа. Сущность изобретения: в зонде скважинногоПрибора волнового акустического каротажа магнитострикционный излучатель с обмоткой возбуждения разделен на секции. В узел излучателя дополнительно введен пьезокерамический преобразователь с основной частотой излучения 10-30 кГц, установленный соосио с магнитостриктором. Последний выполнен по крайней мере из двух стержней 7, жестко скрепленных одними торцами с огцррой 8, а другими с поршнем 9, имеющим возможность перемещаться относительно корпуса 10.1 з.п. ф-лы, А ..... .. ЧТТГЧ Z 4 ил. «т Ю 00 3

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОциАлистических

РЕСПУБЛИК

09) (11) (505 G 01 V 1/40

1 и я

3.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР ъ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4838920125 (22) 12.06.90 (46) 23.07.92. Бюл. N. 27 (71) Всесоюзйый научно-исследовательский, и проектно-конструкторский институт геофизических методов исследования, испытания и контроля нефтегаэоразведочных скважин (72) Н;А.Смирнов, Е.И,Богданов и Д.В.Белоконь (56) Ивакин Б.И., Карус E.В., Кузнецов О.Л.

Акустический метод исследования скважин. — M.: Недра, 1978, с. 122-139, Авторское свидетельство СССР

М 1154628, кл. G 01 V 1/40, 1982; (54) ЗОНД СКВАЖИН НОГО ПРИБОРА ВОЛ-

НОВОГО АКУСТИЧ ЕСКОГО КАРОТАЖА

2 (57) Использование: для геофизических исс- ледований скважин, а именно в айпаратуре акустического каротажа, Сущность изобретения: в зонде скважинного прибора волноного акустического каротажа магнитострикцианный излучателЬ с обмоткой возбуждения разделен на секции. В узел излучателя дойолнительно введен пьезокерамический преобразователь с основной частотой излучения 10-30 кГц; установленный соосно с магнитостриктором. Последний выполнен по крайней мере из двух стержйей 7, жестко скрепленных одними торцами с опрей 8, а другими с поршнем 9, имеющим возможность перемещаться относительно корпуса 10, 1 з.п, ф-лы, 4 ил. г

1749870

Изобретение относится к технике для геофизических исследований скважин, а именно к аппаратуре акустического каротажа.

Известны зонды приборов акустического каратажа, содержащие излучатели и приемники акустических, колебаний, разделенные акустическими изоляторами.

В зависимости от методических задач расстояния между однотипными преобразователями (измерительная база) и их удаление от преобразователей другого назначения (длина зонда) могут изменятся в широких пределах, обычно 0 5-0 м. В качестве излучателей в таких зондах используются магнитострикционные или пьезокерамические преобразователи в форме колец, возбуждаемые в импульсном режиме, а в качестве приемников, как правило, — одиночные пьезокерамические сферы.

Недостатком этих зондов является то, что излучатели работают в узком диапазоне частот и их диаграмма направленности в вертикальной плоскости слишком узкая и вытянута в направлении, перпендикулярном оси скважины. Таким образом. хотя в скважине и возбуждаются волны всех, в настоящее время, используемых типов: продольная (P), поперечная (S) и гидроволна (1 ), соотношение между их амплитудами невелико in обычно не выходит за пределы 1:4: l0 в плотных породах. В более рыхлых породах амплитуды S-u L-волн падают даже ниже уровня амплитуды P-волны, поэтому эти зонды в модификации коротких и компенсированных используются в основном для измерения параметров P-волны. Для измерения параметров S.u L-волны они применяются в,линнозондовой модификации (обычно длина зонда более трех метров) с группированием преобразователей на из. мерительной базе (четыре и более преобразователя), а для анализа волновых картин применяется цифровая регистрацйя с последующей обработкой, что ведет к удорожанию аппаратуры и увеличению времени на проведение работ.

Наиболее близкой к изобретению является аппаратура для акустического каротажа скважин, содержащая зонд, состоящий из магнитострикционного и лучателя с об-моткой возбуждения, разделенной на секции, и приемников упругих колебаний, установленных вдоль продольной оси зонда, разделенные акустическими изоляторами.

В этом устройстве эа счет подключения к емкостному накопителю разных секций обмотки возбуждения кольцевого магнитострикционного преобразователя, отличающихся количеством витков, производится изменение частоты излучающего акустического импульса, а тем самым и его диаграмм направленности в вертикальной плоскости, 5 поскольку, как известно, с йонижением частоты основной лепесток диаграммы направленности расширяется. В некоторых случаях это может улучшать отношение сигнал/помеха, и, следовательно, повышать

10 качество первичных материалов акустического каротажа, Однако даже при очень низкой для акустического каротажа частоте акустического импульса fxan < 5 кГц диаграмма направленности кольцевого излуча15 теля, в лучшем случае, имеет форму, близкую к сфере, т,е. не обеспечивается преимущественного возбуждения волн, вступающих после продольной волны, а значит приходится для волнового каротажа ис20 пользовать длинные зонды, у которых отношение сигнал/помеха низкое. С другой стороны, поскольку излучение производится одним и тем же преобразователем, то по мере понижения частоты пропорционально

25 уменьшается амплитуда излучаемого акустического импульса, т,е, выигрыша в отношении сигнал/помеха во многих случаях вовсе не получается. Это служит причиной низкого качества первичных материалов

30 (диаграмм измеряемых параметров), выражающееся в большов, количестве искажений на диаграммах.

Цель изобретения — повышение качества первичных материалов волнового акусти35 ческого каротажа путем увеличения отношения сигнал/помеха и соотношения между амплитудами регистрируемых волн.

Поставленная цель. достигается тем, что в зонде скважинного прибора волнового

40 акустического каротажа, содержащем магнитострикционный излучатель с обмоткой возбуждения, разделенной на секции, и приемники упругих колебаний, установленные вдоль продольной оси зонда, разделен45 ные акустическими изоляторами, о узел излучателя введен пьезокерамический преобразователь, с основной частотой излучения 10-30 кГц, установленный соосно с магнитостриктором, а последний выполнен, 50 как минимум, из двух стержней, жестко скрепленных одними торцами с опорой, а вторыми с поршнем, имеющим во зможность перемещаться относительно корпуса, причем поршень обращен в сторону прием55 ников упругих колебаний, перед поршнем размещен отражатель упругих колебаний, имеющий форму половины эллипсоида вращения с соотношением осей 1:3, большая

ocb которого совпадает с продольной осью зонда, а основание жестко скреплено с кор1749870

20

30

40

50

55 пусом, одна секция обмотки возбуждения настроена на частоту излучения 5 — 10 кГц, а вторая — 1-4 кГц.

Каждый приемник упругих колебаний выполнен по крайней мере, иэ двух электроакустических преобразователей, установленных в плоскости, перпендикулярной оси зонда; равномерно по окружности с центром, лежащим на оси зонда, и соединенных последовательно, На фиг. 1 показан зонд в наиболее простой трехэлементной конфигурации, общий вид; на фиг. 2 и 3-узлы излучателя и приемнИка соответственно, продольный разрез; на фиг, 4- диаграммы направленности излучателей.

Зонд скважинного прибора волнового акустического каротажэ (фиг. 1) содержит магнитострикционный излучатель с обмоткой 1 возбуждения, разделенной на секции, отражатель 2 упругих колебаний, пьезокерамический излучатель 3, приемники 4 yhpyrux колебаний, акустические изоляторы 5, Сверху к зонду присоединен блок 6 электроники скважинного прибора. Магнитострикционный излучатель выполнен из четырех стержней 7 (фиг. 2) из пермендюра, торцами жестко посредством компаунда скрепленных с опорой 8 и поршнем 9. Опора 8 имеет сравнительно большую массу около 8 кг и скреплена штифтами с корпусом 10. Поршень 9 обращен в сторону приемников и имеет массу порядка 150 г, он может свободно перемещаться относительно корпуса

10 при возбуждении магнитостриктора. Перед поршнем установлен отражатель 2 упругих колебаний иэ стали, который имеет форму половины эллипсоида вращения с отношением осей 1;3, большая ось совпадает с продольной осью зонда, а основание сварено с корпусом. На магнитострикционные стержни 7 нанесены две секции 11 и 12 обмотки возбуждения, причем секции настроены так, что при подключении к накопи- телю блока электроники магнитострикционные стержни 7 возбуджались на видимых частотах 7 и 3 кГц, соответственно, при этом намотка сделана такая, чтобы при работе одной секции наведенная

ЭДС во второй отсутствовала. Пьезокерамический излучатель 13 представляет собой сферу диаметром 80 мм из ЦТС -26, закрепленную на валу 14. Сфера и обмотка согласующего трансформатора настроены на частоту 15 кГц. Внутренний объем блока излучателей заполнен кремнеорганической жидкостью и отделен от окружающей среды уплотнениями 15. Для компенсации гидростатического давления промывочной жидкости в скважине служит резиновая манжета 16. Провода, соединяющие излучатели с блоком электроники, выведены через уплотнения на поршне 9(не показаны). Узел приемника (фиг. 3) содержит четыре пьеэокерамических преобразователя 17 в форме сфер диаметром 20 мм из ЦТС-26, внутренний объем которых для уменьшения резонансных свойств заполнен компаундом 18.

Каждый преобразователь установлен в отдельном контейнере 19 с компенсированным объемом. С помощью винтов 20 контейнеры скреплены с корпусом зонда, при этом они расположены с равным шагом по окружности, перпендикулярной оси зонда. Диаграммы направленности излучателей (фиг. 4) представляют собой линии равных значений амплитуды первой фазы прямой волны в воде йа уровне 0,25 от ее максимального значвния на поверхности излучателя в координатах X — Z, где X совпадает с диаметром, а Z — продольной осью зонда. Началом .координат для пьезокерамической сферы служат ее центр, для магнитостриктора — середина верхнего торца поршня 9 (фиг. 2). Излучатель на фиг. 4 изображен условно и обозначен позицией 21.

Диаграммы направленности 22-24 приводятся для следующих частот излучения; пьезокерамического излучателя 15 кГц, магнитострикционного 7 кГц и 3 кГц, соответственно.

Зонд работает с блоком электроники программноуправляемого модуля акустического каротажэ АКП. По командам из наземного блока производится поочередный запуск излучателей 3 (фиг. 1). Акустические колебания, прошедшие от каждого излучателя до приемников 4, преобразуются в электрические сигналы, которые после усиления в блоке 6 электроники передаются по геофизическому кабелю на поверхность, где они подвергаются обработке для вычисления параметров распространения полезных волн и записи на магнитный носитель с целью последующей более сложной обрэботки. .Пьезокерамический излучатель имеет диаграмму 22 направленности по форме близкую к сфере, поэтому он возбу>кдэет в скважине упругие волны всех трех типов, однако преимущество имеют преломленные волны с высокими кажущимися скоростями, выше. 3000 м/с, т.е. продольная волна. За счет более высокого КПД пьезокерамики амплитуда акустического импульса этого излучателя примерно в 2 раза больше, чем у кольцевого магнитостриктора, на той же частоте. Все это в целом приводит к повышению отношения сигнал/помеха для продольной волны.

1749870

Когда импульс тока проходит через одну из обмоток 11 или 12 возбуждения, магнитострикциойные стержни 7 деформируются, передавая деформацию на опору 8 и поршень 9. Поскольку масса опоры во много раз больше массы поршня и, кроме того, опора жестко скреплена с корпусом, а поршень может перемещаться относительно корпуса, деформации стержней полностью передаются поршню 9, который своим верхним торцом генерирует акустический импульс в промывочной жидкости. Таким образом, данный стержневой магнитострикционный излучатель эа счет передачи деформаций преобразователя только в одну сторону формирует на излучающей поверхности гораздо более мощный акустический импульс, чем кольцевой магнитостриктор.

Этот акустический импульс распространяется в направлении оси зонда и, падая на отражатель 2, рассеивается. В зависимости от формы отражателя и частоты излучения меняется угол раскрытия диаграммы направленности, хотя ее вытянутость вдоль оси зонда сохраняется, при этом, чем выше частота, тем более вытянутая диаграмма направленности 23 и 24 (фиг. 4). Такая форма диаграммы направленности излучателя благоприятна для возбуждения волн с кажущимися скоростями ниже. 3000 м/с, .т.е. поперечной и гидроволны, а также продольной в разрезах с йизкой, менее 3000 м/с, скоростью этой волны, Учитывая фильтрационные свойства скважины, для возбуждения поперечной и продольной волн предпочтителен частотный диапазон 5 — 10 кГц. Частотный диапазон для возбуждения гидроволны 1-4 кГц выбран экспериментально на основе сопоставления мощности излучаемого акустического импульса и соотношения между амплитудами сигналов волн в волновой картине, При ban. < 1 кГц.падает мощность излучения, при f<><, > 4 кГц ухудшается соотношение между амплитудами гидроволны (Ai) и головными; продольной и поперечной волнами (Ар и As), Отношение

As/Àð и А1/As для данного излучателя в 3-5 и 5-10 раз соответственно выше, чем для обычного кольцевого. Приемник упругих колебаний, выполненный по крайней мере из двух электроакустических преобразовате.лей, установленных в плоскости, перпендикулярной оси зонда, равномерно по оси окружности с центром, лежащим на оси зонда, и соединенных последовательно, имеет более высокую чувствительность к симметричным относительно оси скважины фронтам волн (полезные волны трех перечисленных типов), чем к несимметричным (шум от движения прибора), обеспечи50 лебаний, выполненный в виде половины эллипсоида вращения с соотношением осей

1:3, при этом его большая ось совпадает с продольной осью зонда, а основание жестко скреплено с корпусом, одна секция обмотки возбуждения настроена на частоту 5-10 кГц, а вторая — на 1-4 кГц.

2. Зондпоп.1,отличающийся тем, что каждый приемник упругих колебаний выполнен по крайней мере из двух электро-. акустических преобразователеи, установ10

40 вая тем самым увеличение отношения сиг-. нал/помеха.

В силу вышеперечисленных качеств данного зонда он может быть использован для волнового акустического каротажа и обеспечивать высокое качество регистрируемых параметров продольной, поперечной и гидроволны при сравнительно коротком зонде (до двух метров), что позволяет повысить качество первичных материалов акустического каротажа за счет сокращения интервалов с неустойчивым выделением волн, которое имеет место при обработке

BollHoBblx картин длинных зондов с традиционными кольцевыми излучателями из-за низкого отношения сигнал/шум . Кроме того, данный зонд может обеспечить качественное измерение параметров волн при малом количестве приемных элементов в группе(не более четырех), т.е. повысить производительность работ за счет увеличения скорости каротажа по сравнению с многоэлементными приборами волнового акустического каротажа с большим количеством приемников.

Формула изобретения.

1. Зонд скважинного прибора волнового акустического каротажа, содержащий магнитострикционный излучатель с обмоткой возбуждения, разделенной на секции, приемники упругих колебаний, установленные вдоль продольной оси зонда, а также. акустические изоляторы, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения качества первичных материалов волнового акустического каротажа при коротких зондах путем увеличения отношения сигнал/помеха и соотношения между амплитудами регистрируемых волн, зонд дополнительно содержит пьезоэлектрический преобразователь с основной частотой излучения 10-30 кГц, установленный соосно с магнитостриктором, при этом последний выполнен по крайней мере из двух стержней, жестко скрепленных одними торцами с опорой, а вторыми — с поршнем, установленным в сторону приемников упругих колебаний с возможностью перемещения относительно корпуса, перед поршнем размещен отражатель упругих ко10

1749870 ром, лежащим íà оси зонда, и соединенных последовательно. ленных в плоскости, перпендикулярной оси зонда, равномерно flo окружности с цент Я /д

Фиг,9

Составитель H.Ñìèðíîâ

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н.Ревская

Редактор В.Бугренкова

Заказ 2595 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101