Способ поляризационного акустического каротажа скважин

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин, а именно к поляризационному акустическому каротажу (ПАК), и может быть использовано для оценки свойств горных пород. Техническим результатом изобретения является повышение информативности ПАК, снижение сложности и стоимости аппаратуры ПАК. Для этого осуществляют возбуждение и регистрацию с помощью электроакустических преобразователей (ЭАП) акустических колебаний в скважине, перпендикулярных оси скважины, поляризованных в плоскостях, проходящих через ось скважины, и распространяющихся вдоль скважины в виде поляризованных поперечных волн (ППВ). При этом ППВ возбуждают и регистрируют как минимум в трех плоскостях, проходящих через ось скважины. Трех, определенных в плоскосях ППВ значений параметра, например скорости распространения ППВ, достаточно для построения эллипса анизотропии этого параметра. В способе для возбуждения ППВ используют монопольные ЭАП с односторонней диаграммой направленности излучения в перпендикулярной оси прибора плоскости. Для регистрации ППВ используют аналогичные излучателям ЭАП, расположенные в плоскостях ППВ. 3 ил.

 

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин, а именно к поляризационному акустическому каротажу (ПАК), и может быть использовано для оценки свойств горных пород, в частности для определения величины анизотропии свойств горных пород.

Известен способ ПАК (Козяр В.Ф, Смирнов Н.А., Белоконь Д.В., Козяр Н.В. Измерения параметров упругих волн зондами с монопольными и дипольными преобразователями. НТВ «Каротажник» - Тверь: ГЕРС, 1998, вып. №42, стр.14-30), который включает в себя возбуждение и регистрирацию в скважине сдвиговых колебаний породы, перпендикулярных оси скважины, поляризованных в определенной, проходящей через ось скважины, плоскости, и распространяющихся вдоль скважины в виде поляризованных поперечных волн (ППВ). При этом для возбуждения и регистрации ППВ используют дипольные электроакустические преобразователи (ЭАП), выполненные из пьезокерамики и преобразующие подаваемые на них электрические колебания в механические деформации (излучатели) или механические деформации в колебания электрического поля (приемники). Дипольный излучатель представляет собой вмонтированный в корпус прибора такой источник деформации, который создает с двух противоположных сторон от корпуса прибора колебания скважинной жидкости: при этом если с одной стороны от корпуса создается уплотнение, то с другой в этот же момент времени - разуплотнение. Ось симметрии дипольного излучателя перпендикулярна оси прибора и лежит с ней в одной плоскости. Если длина акустической волны в скважинной жидкости больше диаметра скважины, то при этом в каждый момент времени при работе излучателя на двух соответствующих сторонах стенки скважины возникают одинаково направленные усилия, в результате чего в породе вблизи скважины возникают сдвиговые деформации, распространяющиеся вдоль скважины в виде ППВ. Плоскость поляризации ППВ совпадает с плоскостью, проходящей через ось прибора и ось симметрии дипольного излучателя. При распространении ППВ вдоль скважины противоположные стенки скважины совершают колебания, лежащие в плоскости поляризации ППВ, и вызывают колебания скважинной жидкости. Колебания скважинной жидкости регистрируют двумя дипольными ЭАП-приемниками, оси симметрии которых параллельны осям симметрии излучателя, находящимися на расстояниях 1600 и 2100 мм от излучателя. По разности времен регистрации ППВ двумя приемниками определяют скорость распространения ППВ в породе, по амплитудам сигналов приемников - коэффициент затухания ППВ в породе. По значениям скоростей и коэффициентов затухания ППВ, определенных в различных участках скважины, судят о свойствах пород, вскрытых скважиной. Свойства породы и параметры ППВ могут быть различными в различных направлениях от скважины, например, из-за анизотропной трещиноватости породы или анизотропного напряжения в породе. Направление плоскости поляризации ППВ при проведении каротажа описанным прибором зависит от ориентации прибора и носит случайный характер. Судить об анизотропии свойств породы при этом невозможно, так как измерения производятся только при возбуждении ППВ в одной плоскости.

Известен способ акустического каротажа скважин (SU 360790 А1, кл. Е21В 47/00, 28.11.1972), в котором акустические сигналы генерируют и принимают, пружинно прижимая к нескольким точкам стенки скважины контактные кнопки акустических преобразователей, закрепленных на консольных рычагах. Акустические преобразователи выполняют такими, чтобы они могли одновременно через контактные кнопки создавать на стенке скважины колебания заданного типа, т.е. заданной частоты, амплитуды и направления смещений (поляризации). Таким способом, в частности, можно создать и ППВ в породе. Однако способ не применяется на практике из-за технической сложности осуществления. Во всех способах акустического каротажа, нашедших широкое применение, колебания от излучателей к стенкам скважины и от стенок скважины к приемникам передают через скважинную жидкость, а не при непосредственном контакте элементов прибора с породой.

Наиболее совершенным и наиболее близким к предлагаемому является способ ПАК, в котором ППВ возбуждают в двух перпендикулярных друг другу и проходящих через ось прибора плоскостях с помощью ортогональных друг другу дипольных ЭАП-излучателей, а регистрируют соответственно расположенными дипольными ЭАП-приемниками (Козяр В.Ф., Белоконь Д.В., Козяр Н.В., Смирнов Н.А. Акустические исследования в нефтегазовых скважинах - состояние и направления развития. НТВ «Каротажник» - Тверь: ГЕРС, 1999, вып. №63, 81-83). Такой способ ПАК называют кроссдипольным. При осуществлении способа ППВ возбуждают поочередно то одним, то другим дипольным излучателем, а регистрируют как дипольными приемниками, оси симметрии которых параллельны оси симметрии сработавшего излучателя (будем называть полученные при этом данные прямыми), так и дипольными приемниками, оси симметрии которых перпендикулярны оси симметрии сработавшего излучателя (будем называть полученные при этом данные перекрестными). Прямые и перекрестные данные представляют собой массивы значений сигналов от приемников (трассы), регистририруемые в течение нескольких миллисекунд с фиксированным шагом по времени от 2 до 40 микросекунд. Как правило, запись трасс осуществляют с шагом по глубине 10-20 см и организуют таким образом, чтобы на каждой глубине были зарегистрированы все трассы от каждого излучателя. В простейшем случае двух ортогональных излучателей и двух соответствующих им приемников зарегистрированные на каждой глубине в каждый момент времени T_i, отсчитываемого от момента срабатывания излучателя, данные рассматривают как матрицу из 4-х компонент:

в которой a_xx(T_i) - значение, зарегистрированное от срабатывания излучателя, ось которого принята за ось X, приемником, ось которого параллельна оси X, а_xy(Т_i) - значение, зарегистрированное от срабатывания того же излучателя приемником, ось которого параллельна оси Y, перпендикулярной оси X, и т.д. Каждая трасса является дискретной записью волнового процесса и характеризуется такими параметрами, как амплитуда, энергия (сумма квадратов значений), частота и другие, которые также составляют в каждой точке глубины четырехкомпонентные матрицы. В идеальном случае идентичных друг другу излучателей и идентичных друг другу приемников, точной центровки прибора в скважине, а также изотропной породы должны выполняться равенства: а_хх(Т_i)=а_yy(Т_i), а_xy(Т_i)=а_yx(Т_i). Кроме того, амплитуды перекрестных данных должны быть много меньше, чем амплитуды прямых данных, так как смещения в ППВ происходят главным образом в плоскости, параллельной оси излучателя.

Если порода анизотропна, то соотношение амплитуд зависит от ориентации излучателей. Пусть анизотропия породы обусловлена наличием вертикальных трещин, имеющих общее направление простирания. Пусть ось симметрии Х одного из излучателей совпадает с направлением простирания трещин, а ось Y другого перпендикулярна трещинам. В этом случае два излучателя будут возбуждать несколько отличные по свойствам ППВ, которые называют соответственно «быстрыми» и «медленными» из-за разной скорости их распространения. Разность скоростей используют для оценки степени трещиноватости породы. Если прибор повернуть вокруг его оси на острый угол, то каждый из излучателей будет создавать в породе сложные колебания, которые можно рассматривать как суперпозицию «быстрой» и «медленной» волн. При этом амплитуды прямых трасс уменьшатся, а амплитуды перекрестных трасс увеличатся. При реальном каротаже кроссдипольным прибором ориентацией излучателей относительно направления трещиноватости управлять невозможно, но ее определяют, снабжая прибор блоком определения ориентации. К матрице (1) применяют преобразование, известное как вращение Алфорда (Alford R.M. Shear data in the presence of azimuthal anisotropy. 56th Ann. Internal. Mtg. Soc. of Expl. Geophys., Session S9.6. 1986), в результате которого вычисляют синтезированные трассы - такие, какие были бы зарегистрированы в случае поворота прибора вокруг своей оси на произвольный угол. По синтезированным трассам определяют, на какой угол нужно повернуть прибор, чтобы амплитуды перекрестных данных стали минимальны, и, при известной ориентации излучателей, определяют направление трещин. По синтезированным трассам, соответствующим ориентации излучателей параллельно и перпендикулярно трещинам, определяют скорости «быстрой» и «медленной» волн и оценивают степень трещиноватости породы.

Способ кроссдипольного ПАК имеет следующие недостатки:

- дипольные ЭАП являются технически сложными и дорогими элементами;

- для вычисления углов Алфорда используют динамические параметры трасс (амплитуды или энергии), которые определяются с большей погрешностью, чем кинематические (скорости распространения волн), так как на них искажающе влияет разрушение стенок ствола скважины, а также неидентичность ЭАП друг другу;

- формулы Алфорда для преобразования трасс не учитывают время прохождения волн по скважинной жидкости, неидеальность формы ствола скважины, расцентровку прибора и неидентичность ЭАП - это приводит к значительным погрешностям;

- перпендикулярные друг другу излучатели (а также и приемники) разнесены вдоль прибора, поэтому трассы, относящиеся к одной точке глубины, регистрируются при разных положениях прибора,

- это приводит к дополнительным погрешностям расчетов.

Техническими задачами заявляемого изобретения являются: повышение информативности и точности способа ПАК при оценке свойств горных пород, упрощение и снижение стоимости приборов ПАК.

Технический результат достигается тем, что в способе поляризационного акустического каротажа, включающем возбуждение и регистрацию в скважине акустических колебаний, перпендикулярных оси скважины, поляризованных в плоскостях, проходящих через ось скважины, и распространяющихся вдоль скважины в виде поляризованных поперечных волн, ППВ возбуждают и регистрируют как минимум в трех плоскостях, проходящих через ось скважины. В этом случае нет необходимости регистрации перекрестных данных, так как значений параметра, зарегистрированных в трех плоскостях, достаточно для построения эллипса анизотропии этого параметра. Перекрестные данные используют, например, для контроля тождественности акустических преобразователей, используемых в разных плоскостях.

Технический результат достигается также тем, что в качестве излучателей вместо дипольных ЭАП используют более простые, дешевые и мощные монопольные ЭАП с односторонней диаграммой направленности излучения в перпендикулярной оси прибора плоскости, которые размещают в приборе с разных сторон от его оси осесимметрично. В качестве приемников используют аналогичные излучателям ЭАП, размещая их подобно излучателям.

Предлагаемый способ ПАК иллюстрируется фигурами.

На фиг.1 схематично представлен разрез прибора, реализующего предлагаемый способ, плоскостью, перпендикулярной оси прибора и проходящей через оси монопольных ЭАП-излучателей.

На фиг.2 схематически показан пример расположения излучателей и приемников находящегося в скважине прибора, реализующего предлагаемый способ.

На фиг.3 графически представлены результаты расчета параметров анизотропии по данным предлагаемого способа.

Способ реализуется следующим образом.

Монопольные излучатели 4 (фиг.1), закрепленные в корпусе 3 прибора ПАК в одной плоскости, перпендикулярной оси прибора, срабатывают поочередно и создают колебания в заполненной жидкостью полости 1 скважины, каждый преимущественно в своем направлении с апертурой 5. После срабатывания каждого излучателя под действием колебаний давления скважинной жидкости в породе 1 генерируются ППВ с преимущественным направлением (поляризацией), показанным стрелками 6. Излучатели И1, И2 и И3 (фиг.2, все ЭАП изображены соответствующими осями симметрии) генерируют акустические колебания, при которых наибольшие смещения породы параллельны соответствующим плоскостям ОАА'О', ОВВ'О', ОСС'О'. ППВ регистрируют приемниками, оси которых параллельны оси сработавшего излучателя. По разности времен прихода колебаний к разноудаленным приемникам (от И1 к П1 и П1', от И2 к П2 и П2', от И3 к П3 и П3') определяют скорости V1, V2 и V3 волн, поляризованных в трех разных плоскостях. Если скорости различаются, делают вывод о наличии анизотропии породы, в частности о наличии трещиноватости. На векторах V1, V2 и V3 (фиг.3), направление которых совпадает с направлением осей излучателей, с помощью формул аналитической геометрии строят эллипс анизотропии скоростей. Длину большой полуоси эллипса принимают за скорость Vmax «быстрых» ППВ, длину малой полуоси эллипса за скорость Vmin «медленных» ППВ. Разность Vmax - Vmin, а также отношение Vmax/Vmin характеризуют степень анизотропии (трещиноватости) породы. Направление большой оси эллипса принимают за преимущественное направление трещин. Поскольку построенный эллипс определяет направление трешин относительно излучателей прибора, то для определения их направления относительно сторон света прибор снабжают блоком определения ориентации.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить информативность ПАК, упростить и повысить точность решения задачи определения анизотропии свойств горных пород, а также снизить сложность и стоимость приборов ПАК.

Способ поляризационного акустического каротажа, в котором с помощью электроакустических преобразователей (ЭАП) возбуждают и регистрируют в скважине акустические колебания, перпендикулярные оси скважины, поляризованные в плоскостях, проходящих через ось скважины, и распространяющиеся вдоль скважины в виде поляризованных поперечных волн (ППВ), отличающийся тем, что ППВ возбуждают и регистрируют как минимум в трех плоскостях, проходящих через ось скважины, при этом для возбуждения ППВ используют монопольные ЭАП с односторонней диаграммой направленности излучения в перпендикулярной оси прибора плоскости, а для регистрации ППВ используют аналогичные излучателям ЭАП, которые располагают в плоскостях ППВ.