Способ акустического каротажа скважин

 

О П И-С А-НИ Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2940)2

Ссюа Советсних

Социалистичесних

Ресоуйлин

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено ЗОЛХ.1969 (№ 1365966/26-25) с присоединением заявки ¹

Приоритет

Опубликовано 26.1.1971. Бюллетень ¹ 6

Дата опубликования описания 19Л .1971,ЧПК Е 21Ь 47/00

G 01х 1/13

Комитет со делам иаобретений и открытий ори Совете Министров

СССР

УДК 550.834;622.241 (088.8) Авторы изобретения В. Н. Рукавицын, Г. Б, Горбовицкий, П. А. Гвоздев и В. Б. Минухин

Заявители Всесоюзный научно-исследовательский институт геофизических методов разведки и Московский институт радиотехники, электроники и автоматики

СПОСОБ АКУСТИ Ч ЕС КО ГО КАРОТАЖА С К ВА)КИ Н

Изобретение относится к способам акустических исследований упругих свойств горных пород, пересекаемых буровой скважиной.

Известны способы акустического каротажа скважин, основанные на частотном анализе .регистрируемых сигналов. Они позволяют определять ряд параметров, характеризующих акустический сигнал, как кинематических (интервальное время М, интервальная скорость ои„и др.), так и динамических (амплитуды различных частей импульса, отношение амплитуд, видимая частота и др.), но обладают однако рядом существенных недостатков.

При оценке эффекта затухания в исследуемой среде по отношению амплитуд первых вступлений двух сигналов (или амплитуд других фаз) в данном случае определяют не истинный коэффициент поглощения а среды, а некоторый коэффициент а ., связанный с а весьма сложным соотношением.

Связь между а„,„и а определяется не только свойствами окружающей среды, но и параметрами применяемой аппаратуры, что делает результаты измерений несопоставимыми для различных модификаций аппаратуры, зависящими от типа излучателя и от изменяющегося в процессе каротировапия спектра зондирующего импульса.

На результаты измерения влияют также изменяющиеся параметры измерительного тракта, включая канал связи (каротажный кабель), причем влияние эти. параметров в данном случае не исключается при регистрации отношения амплитуд ввиду различного их воз5 действия на отдельные амплитуды одинаковых фаз или средние амплитуды сигналов с двух разнесенных по длине приемников. Кроме того, измеряемый параметр a„„„„„практически характеризует эффект затухания для узкого

10 диапазона частот, соогветствующего примерно преобладающей частоте сигнала, которая меняется не только от одной модификации аппаратуры к другой, но и от породы к породе.

Определение основного кинематпческого па15 раметра — интервального времени М при использовании сугцествующпх способов имеет тот недостаток, что при уменьшении амплитуды первого вступления ниже некоторого порога срабатывания дискриминационной схемы

20 происходит так называемый «перескок через фазу», вследствие чего интервальное время регистрируют со значительной погрешностью (до 30%). Потеря первой полуволны с амплитудой, обычно составляющей ничтожную долю

25 по отношению к амплитудам основной части сигнала, приводит таким образом к несоизмеримо большим погрешностям измерения интервального времени.

Общий недостаток известных способов опре30 деления как кп, так и динамических параметров акустических сигналов — невозможность определения параметров поперечной волны, несущих значительную полезную информацию, в случае ее частичной интерференции с продольной волной. Наличие интерференции определяется при этом относительно малым разносом излучателя и приемников (увеличеш1ю которого препятствует ограниченная мощность излучателя), а также значительной длительностью зондирующего импульса.

Цель изобретения — повышение точности определения упругих параметров горных пород, пересекаемых скважиной, с исключением влияния на результаты измерений изменения параметров зондирующего акустического импульса и параметров измерительного тракта, включая каротажный кабель.

Эта цель достигается гем, что в процессе каротирования непрерывно измеряют по двум индентичным приемным каналам отношения спектров разделенных во времени продольной и поперечной упругих волн, соответственно получают амплитудно- и фазочастотные характеристики исследуемых пород, по которым после функционального преобразования непосредственно определяют параметры затухания и скорости распространения упругих волн для широкого диапазона частот в функции глубины каротпруемой скважины.

При делении спектров определяют отношения модулей и разности фаз спектральных компонентов двух акустических сигналов для дискретного ряда частот, что позволяет исключить влияние трактов усиления и передачи сигнала, включая изменяющиеся параметры канала связи — каротажного кабеля, так как на каждой частоте это влияние на спектральные компоненты сигналов одинаково. При этом достигается и независимость получаемых результатов от изменения параметров зондирующего акустического импульса.

По указанному отношению модулей определяют не а „, а истинное значение коэффициента поглощения а, причем это значение получают для широкого диапазона частот. При этом появляется возможность выявления зависимости коэффициента поглощения а от частоты дд.

Интервальное время определяют по разности фаз спектральных компонентов сигналов, т. е. по фазочастотной характеристике исследуемой среды, причем, как и динамические параметры, — для широкого ряда частот. Это дает возможность определить такую важную характеристику среды, как дисперсия скорости.

Обязательным условием правильного определения Л1 по разности фаз спектральных компонентов сигналов является обработка сигналов, начиная от момента излучения. При этом значения сигнала в промежутке от указанного момента до момента первого вступления учитываются как нулевые.

При использовании предлагаемого способа ошибка измерения At при значительном снижении амплитуды первого вступления и потере первой полуволны значительно меньше, 5 чем при существующих способах измерения.

Эта особенность данного способа дает возможность увеличить разнос излучатель — приемник (без увеличения мощности излучателя) и, таким образом, увеличить разрешенность чапи10 си волновой картины, что, в свою очередь, облегчает определение упругих параметров отдельно для продольных и поперечных волн путем их временного разделения.

15 С другой стороны, появляется возможность определять эти параметры и в тех случаях, когда невозможно временное разделение волн при больших длительностях зондирующего импульса и возникающей при этом ннтерферен20 цпи.

Установлено, что частотные спектры продольной и поперечной волн являются разрешенными по оси часгот: спектр поперечной волны находится в более низкой области час25 тот, чем спектр продольной волны. Крайние участки спектра интерференционного сигнала примерно совпадают: в низкочастотной области — со спектром поперечной волны, а в высокочастотной — со спектром продольной вол50 ны. Это дает возможность при делении спектральных компонентов двух приемных сигналов с допустимой погрешностью получать характеристики исследуемых пород отдельно для продольной и поперечной волн.

При импульсном акустическом каротаже с использованием трехэлементного скважинного зонда (один излучатель — два приемника) на выходе аппаратуры после передачи по двум идентичным приемным каналам акустических

40 сигналов f (i) и f(t), определяя отношение их комплексных спектров Яд(/ддд) и 5г(/и), получаем

Ю(1") = = @(1")

45 д(У") где P — значение функции геометрического расхождения на участке 1 между приемниками;

Ф (i ») — комплексная частотная характерика

50 исследуемой породы на участке l между приемниками.

Отсюда

Ф(/а) = = А(д д)1

55 где множитель („,) I Q(i ) l 1 1 (У)!

P P ) $д()а) (60 является амплитудно-частотной характеристикой исследуемой породы на участке 1, а

$(0)) = — cpi — соотвегственно фазочастотной характеристикой; P при неизменной геометрии скважины можно счи гать постоянным коэф65 фициентом.

294012 а(«) = — — In А(«), 1

1 где М, — интервальное время, соответствующее групповой скорости распространения упругих волн в скважине;

Л/ф — интервальное время, соответствующее фазовой скорости распространения упругих волн в скважине.

При этом непрерывное измерение по двум приемным каналам отношений модулей и разностей фаз спектральных компонентов принимаемых упругих колебаний позволяет одновременно регистрировать с повышенной точностью соответственно амплитудно- и фазочастотные характеристики исследуемых горных пород.

В то же время частотные характеристики среды более полно отражают ее реальные свойства, так как позволяют определять с повышенной точностью комплекс упругих характеристик исследуемых горных пород (по одновременной регистрации коэффициентов поглощения и интервальных времен распространения упругих колебаний) в широком диапазоне частот, что расширяет методические возможности акустического каротажа.

Полученные результаты можно регистрировать двояким образом: а) в виде группы кривых (или соответствующих цифр) а(в), Л/(ь) и т. д., относящихся к ряду фиксированных значений глубин, взятых с определенным шагом; б) в виде кривых а;, Л1; и т, д., соответствующих ряду фиксированных (i-тых) частот, записываемых в функции глубины (подобно обычным каротажным диаграммам).

Число характеристик и число фиксированных частот определяегся лишь числом каналов регистратора.

Комплексную частотную характеристику среды определяют прн этом как частное от деления комплексных спектров двух принимаемых акустических сигналов, соответствующих одному и тому же типу волны (раздельно для продольной и поперечной волн). Для этого в принимаемых сигналов продольную и поперечную волны разделяют во времени правильным выбором измерительной базы акустического зонда и малой длительности зондирующего импульса, а преобразованию подвергают продольную и поперечную волны раздельно с регистрацией значений амплитудно- и фазочастотных характеристик исследуемых пород.

Эти характеристики могут быть получены для ограниченных диапазонов частот и без временного разделения сигналов.

По получаемым значениям амплитудно-частотной характеристики A(co) непосредственно определяют частотную характеристику затухания: а по значениям фазочастотной характеристики г (г1) определяют интервальное время:

М („) д () и М («) (")

ДОЗ

ОЗ

Зо

На чертеже представлена блок-схема устройства для автоматической обработки сигналов.

Принятые в скважинном приборе приемными преобразователями импульсные акустические сигналы f1(/) и f (i), преобразованные в электрические импульсы, после предварительного усиления и передачи по кабелю подаются в установленную на земной поверхности автоматическую измерительную аппаратуру.

Пройдя через наземные усилители 1 и 2, акустические сигналы поступают в блоки 8 и 4 разделения продольной Р1 Р Р1 и поперечной

Р1$ Р, волн в случае отсутствия значительного интерференционного наложения.

Разделенные сигналы подаются на анализаторы спектра 5 — 8. Анализатор спектра первого канала 5, б определяет модули и фазы спектральных компонентов сигнала 1(/), анализатор спектра второго канала 7, 8 — модули и фазы спектральных компонентов сигнала ((/). С выходов анализаторов обоих каналов модули сигналов подаются в блок деления 9, 10, на выходе которого с учетом коэффициента расхождения получают значения отношения модулей Л(н) — значение ординат комплексной частотной характер.1стпки Ф(j«) для дискретного ряда частот. С выхода блока деления сигналы поступают в блок преобразования II, где логарифмируются значения Л(а>).

Одновременно сигналы с выходов анализаторов обоих капалов подают на измеритель

12, 18 разности фаз 1р(ч). По снятой фазочастотной характеристике значения интервального времени М(ж) измеряют при помощи специального преобразова геля 14, где производится операция дифференцирования 0q. (о)/д« или деления сг(«), о.

311ачения параметров Л.,s(«) ;р,s(«) р,s(«) и Ир,з(«) для продольной и поперечной волн с выхода преобразователей 11 и 14 подаются на многоканальный регистратор 15, где записываются в функции глубины исследуемой скважины.

Устройство может быть выполнено как в аналоговом, так и в цифровом виде.

При невозможности временного разделения искомые характеристики для волн P1 Р> Р, и

P1 Sq Р, определяются в ограниченном частотном диапазоне. При эгом на чертеже исключаются блоки, связанные с раздельной регистрацией волн: 8, 4, б, 8, 10, 18, а блоки 5 и

7 анализируют спектры интерференционного сигнала.

Предмет изобретения

1. Способ акуст1Р1еch01-о каротажа скважин, основанный на частотном анализе регистрируемых сигналов, Отли«а ou1uric тем, что, с целью повышения точности определения упругих параметров исследуемых горnûê пород и исключения влияния на результаты измерений

294012

tfep8 u mecг1

1 1

Состав!пель Э. А. Терехова

Редактор Б. Б, Федотов Техред А. А. Камышникова Корректор Т. A. Джаманкулова

Заказ 1260)11 Изд. № 567 Тираж 473 Г1одписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Я-35, Раушская наб., д. 4,5

Типография, пр. Сапунова, 2 изменения параметров зопдпру10ще "0 ак, .т— чсского импульса и параметров измерительного Tракта пo двум идpн1ИLIпbiм пpi1смпым каналам непрерывно измеряют отношения модулей и разности фаз спектралы!ых компонентов продольной и поперечной упругих золн, РаЗДЕЛЕННЫХ BO ВРЕМЕН11, COOTI3CTCTBCIIIIO ПОЛУчают амплитудно- и фазочастоп1ые характеристики исследуемых пород, функционально преобразуют их, логарифмируя значения отношений модулей и дифференцируя по частоте значения разности фаз, и регистрируют коэффициенты поглощения и интерва".ülll4å времспа р lclipo 1)BIIOIIHЯ i.pOT0.1ьных и поперечных волн для широкого диапазона частот в функции глубины CIII3az«III .»I.

2. Способ пс г. 1, отлича!ошийся тем, что, 5 с целью раздельного определения коэффициенТ0В поглощения и интервальных времен распространения продольной и попере-:íîé упругих волн в случае их частичного наложения, определяют эти параметры в частотных диа10 назонах, соответствующих крайним участкам частогной характеристики, получаемой IlpH делении спектров интерференционных сигналов с двух приемников.