Способ акустического каротажаскважин

Союз Соаетскик Социалистических Республик(11)830267 ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ 61) Дополнительное к аат. саид-ау Р 1)м. клз 6 01 Ч 1/40(22) Заявлено 250779 (21) 2801359/18-25 с присоединением заявки йо Государственный комитет СССР оо делам изобретений и открытийИнститут геологии и геофиэики СибирскогАН СССР.и Сибирская геофизическая зкспедУправления промысловой и полевой геофиз(71) Заявите 54) СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН и упругих колеб зации, напри вых, азимутал Изобретение относится к способам геофизических исследований в скважинах, в частности к акустическому ка ротажу. Применяемая в настоящее время методика и техника акустическсго каротажа на продольных волнах использует в своей основе излучение и прием ненаправленного акустического сигнала с помощью цилиндрических преобразова телей радиальных колебаний.Известны способы акустического каротажа, основанные на иэлучени и .приеме определенным образом направленных и поляризованных акустических сигналов, например, способ акустического каротажа на прямых поперечных волнах основан на возбуждении. сдви говых колебаний на стенке скважины, вектор поляризации которых направлен цо азимуту скважины, и регистрации таких же колебаний также на.стенке скважины на некотором расстоянии от источника вдоль ее осиИзвестен также способ акустического каротажа скважин, позволяющий проводить каротаж с использованиеманий различной поляример, радиальных, осеьных, иэгибных, а также с различными их комбинациямиСпособ основан на одновременном возбуждении в нескольких точках, лежащих на периферии скважины, в плос 5 кости, перпендикулярной ее оси, сигналов, векторы сил которых направлены определенным образом, например, покасательной к стенке скважины, в одном линейном направлении, перпендикулярно стенке скважины, вдоль осискважины. Прием ведется преобразователями, диаграммы направленности ко"торых выбраны также соответствующимобразом. Например, возбуждая сигна лы, векторы сил которых направленыперпендикулярно к стенке скважины, ипринимая проходящий сигнал приемнымипреобразователями, чувствительйыми крадиальным колебаниям, получают обыч ную схему каротажа на продольных волнах, Возбуждая на стенке скважинысигналы, векторы сил которых направлены по касательной к стенке скважины в одном направлении вращения и ре гистрируя такие же колебания, получают схему акустического каротажа напрямых поперечных (крутильных) волнахБолее того, возбуждая сигналы однойполяризации (например,крутильные), 30 апринимая колебания другой поляризации (например, радиальные), имеется воэможность регистрации волновогс поля, обусловленного Физическими и геометрическими неоднородностями заскважинного пространства.Недостатком этого способа является трудность технической реализации преобразователей для возбужденияи приема колебаний какой-то одной заданной поляризации. В частности, в качестве каждого отдельного преобра"зователя используются три каких-либоэлектромеханических элемента, жестко закрепленных на трех гранях трехгранной пирамиды, полученной срезанием угла куба. Основание пирамиды, свободное от электромеханического элемента, является рабочей поверхностью преобразователя и служит для передачи акустической энергии в окружающую среду, Комбинируя электрическим путем величины и знаки усилий каждого из трех электромеханических элементов, можно получать желаемые направления смещений рабочей грани, и, следовательно, возбуждать в окружающей среде заданные типы колебаний, Однако использование такого способа возбуждения (или приема) на практике наталкивается на значительные трудности. Действительно, преобразователь подобного типа, помещенный на стенку скважины, заполненной жидкостью, генерируют в жидкостьупругие волны давления, возникающиеот боковых граней, на которых закреплены электромеханические элементы. Упругая волна в жидкости, сформировавшаяся вблизи преобразователя, распространяется далее вдоль скважины идостигает приемного преобразователяв виде гидроволн по жидкости, головных продольных и обменных волн по породе, поверхностных волн и т.д, Длякаротажа на головных продольных иобменных волнах, т,е. для каротажа,основанного на возбуждении и приемерадиальных колебаний скважины, этотэффект не имеет особого значения,так как часть волн, возникающих приэтом (в частности, головные) являются полезными, а от гидроволн, являющихся основной помехой при каротаже по этому методу, можно избавитьсяизвестными способами, например путем создания механических Фильтров-пробок между приемным и излучающим преобразователем. Для каротажа по методу прямых волн, т.е. для каротажа, основанного на возбуждении и приеме осевых, азимутальных или иэгибных колебаний скважины, все ука" занные типы волн являются помехами. Это справедливо не только для описанных преобразователей, но и для других, например изгибных или сдвиговых, боковые грани которых, контактирующие с жидкостью, не свободны от перемещений.10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60 65 Все указанные недостатки в равноймере относятся как к излучающим, таки к приемным преобразователям. Поэтому при каротаже по методу прямых волн стараются акустически изолировать преобразователь таким образом, чтобы излучаемая (или принимаемая) им через жидкость акустическая энергия была минимальна. Для этого приходится всю поверхность преобразователя покрывать слоем акустически- изоляционного материала, оставляя свободной лишь одну рабочую грань, контактирующую со стенкой скважины. Очевидно, что при большой мощности преобразователя и ограниченном диаметре скважины достичь хорошей звукоизоляции затруднительно, так как для этогЬ потребуется слишком большой слой изоляционного материала.При каротаже по методу прямых поперечных (крутильных волн), т.е. когда все преобразователи расположены на стенке скважины и, смещаясь поступательно по азимуту, обеспечивают касательное смещение стенок скважины в одном направлении вращения, волны-помехи в принципе не возникнут, так как поле давлений в жидкости от каждого отдельного преобразователя компесируется полями давления соседних преобразователей и в итоге остается только поле сдвиговых смещений в горной породе. Однако это происходит только тогда, когда выполняются определенные условия, а именно: число преобразователей достаточно велико, схема их расположения симметричная, а фазочастотные характеристики отдельных Преобразователей индентичны. В реальных условиях ни одно из этих условий не выполняется в нужной мере (число преобразователей редко превышает 4-6, скважина обладает значительной асимметрией, разбросы технических параметров преобразователей), что приводит к значительному Фону волн-помех. Перечисленные .ФактЬры приводят к увеличению интенсивности волн-помех, поляризация которых отлична от заданной (как при излучении, так и при приеме), что в конечном итоге ведет к снижению точности измерения.Цель .изобретения - повышение точности измерения и выделение заданного типа колебанийПоставленная цель достигается тем, что согласно способу акустического каротажа скважин при одновременном излучении и приеме акустических сигналов в нескольких точках, расположенных по периФерии скважины в плоскости, перпендикулярной оси скважины, на стенке скважины возбуждают последовательно сигналы, ,векторы сил которых различаются лишь знаком азимутальных компоиент, при этом для каждой пары830267 Тип и фаза Волновое поле в Сигнал на выходеколебаний . скважине приемникана стенке+ 5 НР Р -5 Н+ Рэ Р+5 Н Р+5 К+ зн + 5 НР Рэн + 5 НР 5 НР Р+5 Н-Рви Р - 5 Н Р - 5 Н 5 Н,раэнотипных возбуждений меняют знак диаграммы .направленности приемника для азимутильных колебаний, после чего сигналы, записанные при различных условиях возбуждения и приема, суммируют или вычитают друг из друга.На фиг. 1 показана схема расположения преобразователей в скважине; на фиг. 2 - силы, действующие на стенке скважины; на фиг. 3 - одна иэ возможных конструкций скважинного преобразователя; на фиг. 4 и 5 - смещения точек поверхности преобразователя в зависимости от характера возбуждающего магнитного поля; на фиг.бволновые картины в пяти точках профиля при различных знаках крутильной компоненты в каждой точке на фиг.7 результат сложения исходных сигналов в тех же точках профиля; на фиг. 8 результат их вычитания; на фиг, 9 и 10 - волновые картины в жидкости при различных направлениях закручивания; на фиг. 11 - результат их вычитания.Для осуществления каротажа по предлагаемому способу в скважине в плоскости, перпендикулярной ее оси, размещают группу цилиндрических преобразователей (излучателей), как показано на фиг. 1. В общем случае схема расположения преобразователей не будет симметричной. Прием ведется на некотором расстоянии по оси скважины группой аналогичных преобразователей.Возбуждая все преобразователи одновременно, на стенке скважины генерируют сигналы, векторы сил которых имеют осевые, радиальные и азимутальные компоненты одного направления в каждой точке возбуждения.На фиг. 2 слева изображены полный вектор силы и его компоненты в одной из точек возбуждения на окружности скважины.Приемными преобразователями регистрируется все волновое поле от такого источника, т.е. после.продольных колебаний Р (от осевых и радиальных сил) и после сдвиговых колебаний 5 Н (от азимутальных сил). Р поле упругих волн, возникающее от Р - 5 Н Р - 5 Н - Р + 5 НЯН Р источника типа радиальной силы, т.е.продольные головные, обменные Р 5 Р(5 Чповерхностные, водные, гидроволны ит.п, т.е. все типы волн, характерные для обычного акустического кароэ тажа на продольных волнах.Возбуждая далее все преобраэова"тели одновременно, на стенках скважины генерируют сигналы, векторы силкоторых имеют противоположное направ"ление азимутальных компонент (закручивают скважину в другом направлении), Соответствующие компонентывектора сил приведены иа фиг. 2 справа. В этом случае также регистрируютвсе волновое поле, которое также 15.состоит иэ двух частейг Р и (-5 Н).Знак минус указывает, что на излучении сменилась фаза азимутальной компоненты.В общем случае, когда скважина 20 характеризуется физическими и геометрическими неоднородностями, возникаютеще и обменные волны Р и 5 Н, т.е.продольные волны, образовавшиеся путем обмена из 5 Н"-волн, и 5 Н-волны, 2 образовавшиеся иэ Р-волн (индекс указывает на тип исходной волны). Такимобразом, в обоих случаях приемник ре"гистрирует различные волновые поля,состоящие из одинаковых по величинекомпонент, а именно: Р+5 Н+Р н +5 НРв первом, РН-Р+5 Н - во второмслучае.Повторяя еще раэ операцию двойного возбуждения, также дважды регистрируют проходящие сигналы,при этом З изменяют знак диаграммы направленности приемника по.азимутальным колебаниям на противоположный, т.е,меняют поляризацию приемника такимобразом, чтобы при сохранении знака 40 механических колебаний на входе(в данном случае - сдвиговых) фазасоответствующего им электрическогосигнала меняется на обратную.Сигналы, регистрирующие приемии ком в этом случае РН+Рй -5 НР - приЯнодном направлении кручения, Р+5 Н-Р-5 Нр - при противоположном,Процессы возбуждения и приемаприведены в таблице.420 Так как записи сигналов О 1(й)- О+(с), полученные при различных условиях возбуждения и приема, линейно независимы, можно разрешить полученную систему относительно составляющих волнового поля Р, 5 Н Ри 5 Н путем сложения-вычитания исходных зайисей.Способ предполагает в своей основе использование некоторых цилиндрических преобразователей, в которых возможно изменение знака крутильной компоненты колебаний. без изменения знака и величины остальных входных компонент, при работе их в качестве приемника. В качестве такого преобразователя можно, например, использовать преобразователь крутильных ко лебаний, основанный на эффекте Виде"." мана.Одна из возможных конструкций скважинного крутильного преобразователя представлена на фиг. 3.Излучатель состоит из полого цилиндрического сердечника 1, изготовленного из магнитострикционного мате" риала, фигурной насадки 2, служащей для передачи (или приема) акустической энергии через горную породу 3 и двух обмоток возбуждения - тороидальной 4 и соленоидной 5.Работа такого преобразователя в режиме излучения происходит следующим образом.При одйовременном возбуждении обмоток токовым импульсом в сердечнике наводятся две составляющие магнитного поля - одна циркулярная (от то роидальной обмотки), другая. - осевая.(от соленоидальной обмотки). Так как эти ортогональные составляющие действуют в каждой точке сердечника, торезультирующее магнитное поле оказывается направленным вдоль некоторых 40спиральных линий, равномерно охватывающих сердечник. В результате магии"тострикционный сердечник испытываетинформацию сжатия (растяжения) вдоль этих спиральных линий,что в конечном 45итоге приводит к его скручиванию вокруг оси (эффект Видемана),а такжек изменению размеров в осевом и радиальном .направлениях.Распределение вектора магнитного 50 поля в произвольном сечении сердечника плоскостью, перпендикулярной его оси, приведено в верхней части фиг.4. В нижней части фиг.4 показаны возникающие при этом смеще ния поверхности сердечника. Обозначения О Ол и Ов определяют компоненты вектора смещения, направленные по радиусу, оси и азимуту сердечника соответственно.При изменении направления одной 40 из компонент магнитного поля на про". тивоположное (например, путем изменения направления тока в одной иэ обмоток), результирующее магнитное поле останется спиральным, но с другив 65 направлением обхода. Векторы магнит ного поля и смещения сердечника для этого случая представлены на фиг.5. Как видно крутильная компонента О меняет знак на противоположный, а остальные компоненты вектора смещения остаются без изменения. Таким образом, поворачивая вектор напряженности магнитного поля симметрично относительно образующей сердечника, возможно менять знак крутильной компоненты преобразователя, не меняя знака и величины остальных компонент. Такой же преобразователь может работать и как приемник механических колебаний. Для этого необходимо запитать обе обмотки постоянным током, чтобы создать необходимое первоначальное подмагничивавщее поле. Если теперь преобразователь, подмагниченный постоянным спиральным магнитным полем, подвергать действию механических осевых, радиальных и аэимутальных сил, то на каждой обмотке индуцируется электрическое напряжение, пропорциональное этим воздействиям. При этом, если пренебречь поперечной магнитострикцией, на соленоидальной обмотке развивается ЭДС, пропорциональная осевым и азимутальным воздействиям, на тороидальной пропорциональная радиальным и азимутальным воздействиям. Очевидно, что механизм преобразования механических соевых воздействий в электрический сигнал связан только с наличием осевой составляющей подмагничивающего поля, а радиальных - только с азимутальной составляющей поля. Механизм же преобразования крутильных колебаний зависит от обеих составляющих подмагничивающего поля, как от азимутальной, так и от осевой, При этом та часть электрического сигнала, которая связана с крутильными колебаниями преобразователя и индуцированная в одной из обмоток, зависит от разноименной составляющей подмагничивающего поля, т.е. электрический сигнал, являющийся откликом преобразо-. вателя на крутильные колебания, снимаемый, например, с соленоидальной обмотки, зависит от аэимутальной составляющей подмагничивающего поля, и наоборот, сигнал, снимаемый с тороидальной обмотки зависит от осевой составляющей. Поэтому, если сменить направление одной из составляющих подмагничивающего поля, например азимутальной, то та часть сигнала на соленоидальной ббмотке, которая от"вечает осевым воздействиям, останется прежней, так как зависит толькоот осевой составляющей поля, которая не изменилась, а та часть сигнала, которая отвечает крутильным колебаниям, изменит фазу на противоположную, так как зависит от азимутальной составляющей магнитного поля, которая изменила направление,Для электрического сигнала, снимаемого с тороидальной обмотки, та часть сигнала, которая связана с крутильными, останется прежней. Таким образом, меняя напряжение одной из составляющих подмагничивающего поля, возможно менять знак диаграммы направленности приемника раздельно для аэимутальных, осевых и радиальных компонент. Преимущество предложенного способа по сравнению с известным заключается в том, что простейшие операции сложения-вычитания исходных записей 15 сигналов позволяют осуществить основные поляризационные схемы возбуждения-приема акустических сигналов в скважинах, используя в качестве излучателей и приемников широко 20 известные и распространенные в акустическом каротаже кольцевые магнитострикционные преобразователи. Кроме того, для некоторых видов каротажа, в частности для каротажа по методу 25 прямых поперечных (крутильных) волн,снижаются требования к количеству используемых преобразователей, идентичности их фаэочастотных характеристик и симметрии .их расположения в скважине.формула изобретенияСпособ акустичеекого каротажа скважин, включающий одновременное излучение и прием акустических сигналов в нескольких точках, расположенных по периферии скважины в плоскости, перпендикулярной оси скважины, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения и выделения заданных типов колебаний, на стенке скважины возбуждают последовательно сигналы, векторы сил которых различаются знаком азимутальных компонент, при этом для каждой пары разнотипных возбуждений меняют знак диаграммы направленности приемника для азимутальных колебаний, а сигналы, записанные при различных условиях возбуждения и приема, суммируют или вычитают друг,из друга.830267 4 Рые. 7 У Составитель НТехред Н. Келуш авлеваКорр актор Н. Ми Рош Закаэ 2794/2 ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 или 7 тираж 732 ВНИИПИ Государственногпо делам изобретени 13035, Москва, Ж, Ра Подписное комитета СССР и открытий окая наб., д. 4