Способ акустического каротажа скважин

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистических

Республик («)959002 (Ы) Дополнительное к авт, св) д-ву

Р М К з

С 01 1/40 (22) Заявлено 23.02. 81 (21) 3251045/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Государственный комитет

СССР по левам изобретений и открытий (53) УДК 550.83 (088.8) Опубликовано 15.09.82. Бюллетень ¹ 34

Дата опубликования описания 1539.82 (72) Автор изобретения

В.N.Ãóöàëþê (71) Заявитель

Институт геофизики им. С.И.Субботин 4Щ Ъ))сртжнркой СС

) (54) СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН

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

Несмотря на целый ряд преимуществ акустического каротажа по сравнению с другими методами скважинной гео.физики, его эффективность во многих случаях оказывается недостаточной.

Повьыение геологической информативности акустического каротажа связано в первую очередь с разработкой. новых модификаций метода, основанных на регистрации комплексных пара. метров волнового поля, обладающих 15 более высоким уровнем корреляционных связей с упругими параметрами горных пород, окружающих скважину.

Одновременное измерение кинематических и динаьетческих параметров как продольных, так и поперечных волн позволило бы определить все требуемые упругие константы, однако разделение ,указанных волн на 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 различных акустических неоднородностей, находящихся в прискважинной зоне.

Изучая кинематику и динамику этих волн, можно получить информацию о геометрии строения прискважинной зоны и BGJIHoBoM сопротивлении горных пород, вскрытыж скважиной.

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

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

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

Результаты приведенных теоретических исследований импедансного метода AK показали, что существуют полосы частот, где значения импеданса излучения источника упругих колебаний равняются волновому сопротив959002 лению пород, окружающих скважину.

Тем самым подтверждается принципиальная возможность использования импеданского метода AK для каротажа как в необсаженных, так и в обсаженных скважинах.

Измерения при импеданском методе производятся по электрическому входу преобразователя путем определения его сопротивления

К

z, = z„ + = z, ° г,„ где Zp — собственное электрическое сопротивление излучателя (при заторможенной механической стороне);

К вЂ” коэффициент электромеханической связи;

ZH - сопротивление излучения;

Ег, — сопротивление механических потерь.

Отношение Zgp/Zp в зависимости от волнового сопротивления окружающей среды 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 определе- 35 нию 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 определений отражающих характеристик граничной зоны L1).

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

Реверберационный метод акустического каротажа базируется также на использовании отраженных волн, Наиболее близким к предлагаемому является способ акустического каротажа скважин, основанный на возбуждении и приеме в скважине акустических колебайий. Этот способ, в котором реализован реверберациоиный метод, по- 60 зволяет получить акустические параметры прискважинной эоны, 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 неэамкнутости 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 точ-, ности и надежности определения геолого-геофизических параметров пересекающих скважину пород и более детальное изучение граничной эоны. поставленная цель достигается тем, что согласно, способу акусти.ческого каротажа скважин, основанно л 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 амплитуды 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 г . В результате сложения прямого и отраженного сигналов для результирующего давления можно написать о о 1 о 2

+р О + реь. пр. Отр. г1

Г где Р : — начальное давление излучателя; у-)y(e - комплексный коэффициент отражения по давлению;

R, R — характеристики направленности излучателя и приемника соответственно.

959002

Квадрат модуля давления ре =Ро(„) Р (Ä ) 1Р . и

"1 "1

ХЯ05(К(-Г ) Я)

В зависимости от значения

cos)K(r<-r„) — В). = *1 результирующий сигнал будет принимать максималь ное или минимальное значение. Так как

О является измеряемой величиной, то изменение значения cos можно осуществить,. меняя г,г1 HJIH частоту возбуждения. При скважйнных измерениях более целесообразно варьировать частоты. Этот случай и рассматривается l5 ниже.

Если К(г1-г„) -8 = ZnJ7, где п

0,1,2,3, то Ймеем максимум результирующего давления

Ка 1Т! ? 20 (Реъ.maxi О

1 ° ?

Соответственно при К(г -г„) — и (2п+1)Л

1, (1 171 (R R

$83,III ï) О 1

Разделив выражение минимального результирующего давления на максимальное и обозначив полученную величину индексам Ь

1 1У1 l

r r

pe5. min) 1

-35 (рЕЗ. с с х) +

1 % легко можно найти коэффициент отражения

R R ЪЯР

1 ф 1 1

171=

+ г,„г, е=к и -p 1-g,j

1) . 8 = К (r - r 1 - Д и+ 1) 7 ц

-или

Фазовый угол можно определить из зависимостии по частоте максимума или минимума результирующего давления. Соответствующим выбором базовых расстояний можно обеспечить равенство r1= r<, а, используя ненаправленные йэлучатели, палучить R1 .— R > = 1 . При этих условиях выражение для модуля коэффициента отражения значительно упрощается I g1= --.ъ, т.е. модуль коэф1-b

C фициента отражения является функцией отношения минимума амплитуды сигнала к его максимуму, определяемого путем изменения частоты напряжения

65 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.3 — зпюры 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.3 показаны эпюры напряжения синхронизатора 8 (Ц „„),генератора пилообразного напряжения 7 (UIIz ) напряжение возбуждения с выхода усилителя глащности 4 (U и ), напряжение с выхода амплитудного детектора 13 (U ), напряжение с выхода формирователя меток частоты 9 (Бф).

Способ осуществляется следующим г образом.

Акустические преобразователи рас-положены 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 6 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 йодаются разнополярные импульсы, соответствующие моментам начала и конца пилообразного напряжения. Так как используется линейный модулятор, то по диаграмме легко определить частоты, соответствующие минимуму и максимуму принимаемого сигнала.

959002

Формула изобретения

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, пересекаеьых скважиной, и особенно параметры граничной эоны.

Способ акустического каротажа скважин, основанный на возбуждении и приеме в скважине акустических колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности определения геолого-геофизических параметров пересекающих скважину пород и более детального изучения граничной эоны, возбуждают акустические колебания, изменяя их частоту в диапазоне 2-20 кГц со скоростью 1-12 циклов в секунду, иэмеряя при этом интерференционную характеристику вдоль ствола скважины, измеряют частоты и амплитуды минимумов и максимумов акустических колебаний и определяют отношение последних.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент C2IA В 3175638, 340-15.5 опублик. 1965.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 269092, кл.С 01 1/40, 1969 (прототип).

959002

gcuH

Составитель Н;Журавлева

Редактор Л.Авраменко ТехредМ.Надь Корректор Г.Решетннк

Заказ 7010/62 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4