Ультразвуковой импульсный способ исследования буровых скважин и устройство для его осуществления

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИ (11) 6039 33

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено21.10.74 (21) 2068974/25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет (43) Опубликовано25.04.78.Бюллетень №15 (51) М. Кл.

G. 01 Ч 1/40

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам иэооретений н открытий (53) УДК 550 834 622; 241 (088.8) (45) Дата опубликования описания!(.oN., (72) Автор изобретения

A. Д. Смирнов (71) Заявитель

Всесоюзный научно-исследовательский институт геофиз ических ме тодов разведки (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИМПУЛ ЬСНЫ Й СПОСОБ

ИССЛЕДОВАНИЯ БУРОВЫХ СКВА)КИН

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к геофизическим методам исследования буровых скважин, точнее к методам акустического каротажа, основан ным на регистрации коэффициента отражения или прохождения акустической энергии на границе раздела согласук>щий профиль акустического преобразователя — исследуемая горная порода, вскрытая буровой скважиной. Оно предназначено для детального изучения литологического разреза буровых скважин с целью определения физико-механических характеристик, слагаюгцих его пород.

Как спосо:. измерения скорости распространения акустических колебаний и плотности исследуемого вещества оно может найти применение при изучении физико-механических характеристик различных материалов, обладающих значительным затуханием акустической энергии и имеющих односторонний доступ к своей поверхности, например в строительстве и в химии.

Известны способы акустического каротажа, основанные на регистрации коэффициента отражения или прохождения акустической энергии на границе раздела согласующий профиль акустического преобразователя — исследуемая горная порода, вскрытая скважиной. 25

Известен импульсный ультразвуковой способ исследования отвердения минералов и устройство для его реализации f1).

Известен также способ для контроля пористости горных пород, вскрытых буровыми скважинами (2).

Установками, состоящими из геIII. ратора импульсов, пьезоэлектрических илп магннтострпкционных излучателей и приемников, размещенных в защитном покрытии, усилителя, детекгора, интегратора, размещенных в корпусе скважинного прибора (в некоторых устройствах, работающих по этому принципу. часть схемы усилителя, детектор и интегратор размещены в наземном пульте), соединенного со схемой наземного прибора каротажным кабелем, регистратора, регистрируется сигнал, пропорциональный коэффициенту отражения или прохождения акустической энергии на границе раздела согласующий профиль акустического преобразователя — исследуемая горная порода. При этом под согласующим профилем акустического преобразователя подразумевается защитное покрытие, выполненное из износостойкого материала (металл, полимер), а также слой бурового раствора, ограниченный с одной стороны поверхностью защитного покры603933 тия, а с другой — поверхностью исследуемой горной породы, вскрытой скважиной. Защитное покрытие звукоизолировано от корпуса скважинного прибора резиновыми уплотнителями (1), (3) .

В этих установках по данным измерения коэффициента отражения или прохождения акустической энергии по известным соотношениям Френеля для нормального падения акустической энергии на границу раздела вычисляют значения удельных акустических сопротив- 1в ленийиг =5V для всех точек разреза скважины, где (8 — плотность горной породы, V — скорость распространения в ней акустических колебаний (волн) . Формула Френеля записывается следующим образом „) ) 2 где К вЂ” - коэффициент отражения по энергии; „> и (— акустические сопротивления согласующего профиля и горной породы соответственно.

Собственная частота излучателей и приемников f при реализации известных способов измерения довольно высокая от 0,1 до 1,5 МГц, что связано с необходимостью работы при соотношении — >) l (d—

fd

U наружный диаметр защитного покрытия). При соблюдении этого условия излучатель можно считать источником «плоских волн» и результаты измерения коэффициента отражения не зависят от частоты.

При реализации способа (3) используется 30 акустический преобразователь, в котором излучатель и приемник совмещены, либо находятся на расстоянии один от другого не большем длины волны. В первом случае преобразователь сначала работает как излучатель, а затем — как приемник (4). При этом регистри35 руется сигнал, пропорциональный коэффициенту отражения по энергии

U=A З nu U=A(, В (2.) я ь

40 где U — амплитуда сигнала в МВ;

А и  — постоянные коэффициенты, определяемые конкретной конструкцией и типом излучателя, а также характеристиками направленности излучателя и приемника.

Формула (2) получена путем преобразова- 4> ния соотношения (1). Значения коэффициентов с1, А и В определяют при калибровке прибора, осуществляемой путем измерения амплитуды сигнала при соприкосновении датчика с поверхностью трех сред с известными значениями акустических сопротивлений. Эталонировку также можно проводить в опорных геофизических скважинах, в которых известны акустические сопротивления слагающих надрез скважины пород.

Процесс измерения происходит следующим ss образом. Электрические радиоимпульсы (импульсы) с генератора поступают на акустический преобразователь, работающий в этот момент в режиме излучения. Преобразователь трансформирует электрические радиоимпульсы в акустический сигнал, который через слой бурового раствора проходит на границу раздела буровой раствор — исследуемая среда.

На этой границе происходит частичное отражение и прохождение акустической энергии.

Отраженная энергия попадает на тот же преобразователь, работающий в этот момент в режиме приема. Преобразователь трансформирует акустический сигнал в электрический импульс напряжения, который после усиления и детектирования попадает на интегратор. Выход интегратора через кабель соединен с автоматическим каротажным регистратором. Сигнал регистратора пропорционален коэффициенту отражения. Из соотношения (2) находят значение акустического сопротивления исследуемой горной породы. Устройство (4) позволяет определять как коэффициент отражения, так и прохождения акустической энергии; в нем предусмотрена работа с раздельно размещенными излучателем и приемником ультразвука.

Недостаток известного способа акустического каротажа заключается в том, что в ходе измерений определяется удельное акустическое сопротивление, т. е. произведение скорости распространения акустических колебаний в горной породе на ее плотность. В ряде случаев для решения задач определения физико-механических характеристик горных пород, для определения пористости по более простой методике, трещиноватости, зольности углей и других сходных задач, а также для привязки данных сейсморазведочных наблюдений к опорным скважинам сейсморазведочных профилей необходимо раздельно определять значения скорости и плотности для каждой точки разреза скважины. Для такого раздельного определения скорости и плотности применяют для исследования буровых скважин комплекс геофизических методов, включающий в себя акустический каротаж, рассмотренного выше типа, и радиоактивный каротаж по гамма-гаммаплотностному методу. Последнее приводит к значительному увеличению времени проведения работ на скважинных и тем самым к удорожанию геолого-разведочных работ. Кроме того, как аппаратура акустического каротажа, так и аппаратура радиоактивного каротажа содержит большое количество дополнительных к блокам каротажной станции наземных блоков, не входящих в комплект каротажных станций. Это усложняет процесс проведения работ, так как увеличивает время на компановку и настройку измерительной аппаратуры.

Целью изобретения является обеспечение однозначного и раздельного определения плотности исследуемой горной породы и скорости распространения в ней акустических колебаний.

Это достигается тем, что в известном способе определения коэффициента отражения или прохождения акустической энергии на границе раздела согласующий профиль акустического преобразователя — исследуемая горная порода, вскрытая скважиной, включающем операции возбуждения электрического импульса. трансформирования электрического импульса в акустический сигнал, приема отраженного акустического сигнала и трансформирования

603933 о в электрический импульс напряжения, усиления на заданной частоте, детектирования, интегрирования, коэффициент отражения или прохождения по энергии акустических колебаний определяют для двух значений фиксированных частот f» и f, выбор которых ограничен соотношением — - k, где d — диаметр

И излучателя, приемника или их защитного покрытия. Расстояние между излучателем и приемником может изменяться в пределах от 0 до

2 где ),-длина волны ультразвука в исследуемой горной породе.

Для упрощения измерительной аппаратуры частоты, на которых производят измерение, выбирают кратными друг другу.

Для раздельной записи кривых, пропорци1 ональных, соответственно, скорости распространения ультразвуковых волн (или плотности— зависит от системы вычисления) и акустическому сопротивлению в исследуемой горной породе, фиксированные частоты находят из соотношений: 20

Ы 1, и До .

V V

Для получения достоверных и сравнимых результатов для проведения измерений применяют одностороннее направлению излучателя и приемника ультразвука, располагаемые на фиксированном расстоянии от стенки скважины либо прижимаемые к ней.

Определение коэффициента отражения для двух значений фиксированных частот, выбор которых ограничен приведенными выше соотношениями, позволяет однозначно и раздельно определить плотность исследуемой горной породы и скорость распространения в ней акустических колебаний, а исцользование в ходе измерений кратных частот — значительно З упростит измерительную аппаратуру (за счет выделения кратных гармоник из сигнала основной частоты) и значительно упростит вычисление измеряемых параметров.

Для реализации предложенного способа из- 4О мерения предлагается устройство для ультразвукового импульсного каротажа буровых скважин. Цель его — однозначное и раздельное определение плотности исследуемой горной породы и скорости распро: транения в ней акустических колебаний путем одновременной и раздельной регистрации коэффициента отражения или прохождения акустической энергии для двух значений фиксированных рабочих частот.

Это достигается тем, что в известное уст50 роиство дополнительно включены последовательно соединенные усилитель-расширитель входа с двумя делителями напряжения на выходе, избирательный усилитель, настроенный на вторую фиксированную частоту, второй детектор и калибратор, а в наземный пульт включены ss второй интегрирующий каскад, в ход которого через блок компенсации и выбора маси».»аоа записи соединен со вторым каналом каротажного регистратора, устройство включения калибратора и управления его параметрами, второй блок компенсации и выбора масштаба записи, через который интегратор первого канала соединяется с первым каналом каротажного регистратора.

Калибратор выполнен по схеме замещения акустических преобразователей, содержащих параллельно соединенные индуктивности, емкости и сопротивления, в которых индуктивпости, имитирующие каждая соответственно излучатель и прием.»ик, включены по трансформаторной схеме и к обмотке индуктивности, которая соответствует приемнику, подключено параллельно-активное переменное сопротивление, расположенное в наземном пульте» отражающее проявление влияния характеристического акустического сопротивления исследуемых горных пород, слагающих надрез скважины, на показания регистрирующего прибора.

На чертеже изображена структурн »» cia ма устройства для ультразвукового им пул ьсного каротажа буровых скважин.

Устройство содержит генератор импульсов 1, раздельно совмещенный излучатель-приемник 2, фильтр-расширитель динамического диапазона 3, усилитель-расширитель входа 4, избирательный усилитель 5, настроенный па первую фиксированную частоту, избирательный усилитель 6, настроенный на вторую фиксированнук. частоту, детектор 7 первого канала, детект: р 8 второго канала, скважинное устройство 9 .елеметрической передачи информации с уплотнением каналов связи, калибратор 10, упоры 11 для вь»держивания заданного расстояния между поверхностью преобразователя и стенкой скважины, прижимное устройство (пружина)12, стенку скважины 13, корпус скваи»»»пого прибора 14, каротажный кабель 15 с соединительными разъемами, наземное устройство 16 телеметрической системы передачи информации с разделением уплотненных в скважинном приборе каналов, интегрирующий» аскад 17 первого канала, интегрирующий каскад 18 второго канала, блок компенсации 19 и выбора масштаба записи первого канала, блок компенсации 20 и выбора масштаба записи второго канала, двухканальный регистратор 21, каротажной станции любого типа, либо два автоматических самопишущих электронных потенциометра, прослой песчаника 22, прослой аргиллита 23, прижимную гайку 24, резиновое уплотнительное кольцо 25, защитное покрытие акустического преобразователя 26, контакты 27, 28, резистор 29, контакты 30, 31, реле 32.

Предлагаемый способ измерения основан на том, что известное соотношение (1), в которое входит в качестве параметра удельное акустическое сопротивление сред справедливо только для распространения плоских волн, источником которых может быть либо поршень, диаметр которого много больше длины волны i., либо излучатель любой другой формы (сфера, цилиндр н т.д.) при условии, что расстояние от излучателя до отражающей границы г» р.

При использовании излучателя, являющегося источником сферических волн (сфера, шаровой сегмент в полном экране, плоский порш< нь, диаметр которого d «i. и др.), расположенн > на расстоянии от отражателя г ),, соотноц..—

603933

1 ние (1) непригодно для определения коэффициента отражения по энергии. В этом случае коэффициент отражения R начинает зависеть от частоты и в известное соотношение (1) добавляется добавочный множитель

R = R + о (f) (3) где К вЂ” коэффициент отражения по энергии, о определяемой по формуле (1); с> (f) — в первом приближении можно найти из соотношения где RII — расстояние от мнимого излучателя до точки приема;

1 и Vz — скорости распространения акустических колебаний в средах, разделяемых границей раздела;

О„ — угол падения взятой для расчета соответствующей моды ультразвуковых колебаний.

Выоирая диапазон частот акустических колебаний, можно свести на нет влияние добавочного члена в выражении (3), а можно наоборот усилить. В первом случае, измеряя коэффициент отражения по энергии, получают величину, пропорциональную удельному акустическому сопротивлению горной породы, что реализовано в известных способах, а во втором случае (что практически еще нигде не реализовано), измеряя коэффициент отражения по энергии, можно получить величину, пропорциональную скоробти или плотности (в за- З0 висимости от принятой схемы расчета). Проводя измерения коэффициента отражения в промежуточном диапазоне частот ны двух фиксированных частотах, можно получить два уравнения с двумя неизвестными, решение которых позволяет однозначно определить для иссле35 дуемой горной породы скорость распространения акустических колебаний и плотность.

Устройство работает следующим образом.

Импульсы синхронизации, поступающие со скважинного устройства 9 телеметрической пе- 40 редачи информации с уплотнением каналов связи, поступают на запуск генератора импульсов 1, выход которого через контакты 27 реле и< дключен к раздельно-совмещенному приемiiик; 2, либо к калибратору 10. На приемник 2 при этом поступают импульсы напряжения дли- 45

,елын;стью 5 — 10 мк сек и амплитудой 100—

600 В (n зависимости OT типа выбранного рызрядпика. например, тиристора или тиратрона i . .Эти импульсы напряжения преобра.,. югся Iiзл, .ы гелем-приемником 2 в акусти50 и сl;ill. oil! i>, I>l, который частично проходит в исследуем к> среду, а частично отражается на границе согласующий профиль акустического преобразователя исследуемая горная порода.

Отраженная акустическая энергия попадает на приемник 2 и после трансформирования в электрический импульс напряжения на вход фильтра-расширителя динамического диапазона 3.

Фильтр-расширитель шунтирует вход усилитсля-расширителя входа 4 в момент посылки ак,сти еского сигнала в исследуемую горну1о породу (момент возбуждения импульса напряЯ жения амплитудой до 600 В и открывает вход усилителя 4 в момент прихода сигнала, пропорционального отраженной энергии. В этом устройстве применяется апериодическое возбуждение излучателя-приемника 2 (возоуждается акустический сигнал широкого спектра частот). Отраженная часть сигнала, также имеющая широкий спектр, свободно проходит через фильтр-расширитель 3 и усилитель-расширитель 4. На выходе усилителя-расширителя 4 имеются делители напряжения,с помощью которых производят выравнивание амплитуд отраженных сигналов при проведении измерений на границе согласующий профиль преобразователя — воздух (на этой границе можно считать, что происходит приблизительно 100 /О-ное отражение акустической энергии на любых частотах).

С выходом усилителя-расширителя 4 сигнал широкого спектра частот поступает на входы избирательных усилителей 5 и 6, каждый из которых настроен на свою рабочую фиксированную частоту. С выходов этих усилителей сигналы через детекторы 7 и 8 поступают на вход скважинного устройства 9 тслеметрической передачи информации с уплотнением каналов связи (в качестве такого устройства могут быть использованы тслеметрические системы, построенные на частотном, время-импульсном, коловоимпульсном и других методах уплотнения каналов). С выхода устройства 9 сигнал по кабелю !5 поступает на вход наземного устройства 16 телеметрической передачи информации с разделением уплотненных в скважинном приборе каналов. С выхода устройства 16 разделенные сигналы, соответству1ощие первой и второй частотам, поступают на интегрирующие каскады 17 и 18 соответственно первого и второго каналов. Выходы интегрируюгцих каскадов 17 и 18 через блоки компенсации 19 и 20 постоянной сосгывляюгцей сигналов и выбора масштаба записи соединены с соответствуюшими входами двухканального каротажного регистратора 21 любого типа (ПАСК вЂ” 8,9, ФР— 5, ОК вЂ” -17), настроенного на максимальную чувствительность по входу. На диаграммах каждого канала каротажного регистратора будет записана амплитуда сигнала, пропорциональная количеству отраженной энергии, зарегистрированной при разных частотах в диапазоне †(.

И

В схеме устройства предусмотрен блок калибровки, который с помощью контактов реле 32 подключает к выходу генератора импульсов 1 и входу фильтра-расширителя 3 схему замешения акустического преобразователя на выбранных рабочих частотах, зашунтированную резистором 29. С помощью этого резистора добиваются появления на выходе фильтра-расширителя 3 сигна la, разного сигналу, полученному при проведении измерений на модулях с известными значениями скорости V и плотности !I.

Калибратор позволяет привязывать результаты измерений, проводимых в разных районах

Советского Союза, к одним постоянным усло603933 виям, а также периодически контролировать работоспособность аппаратуры, производить ее настройку и ремонт. Питание всего устройства производится от блока питания 34, расположенного в наземном пульте И. В наземном пульте также расположен и резистор 33 калибратора

5 (один резистор на оба канала).

На чертеже показана схема включения калибратора при использовании трехжильного кабеля. Она работает следующим образом. При нажатии на кнопки 35 резистор 33 отключает- о ся и реле 32 через контакты кнопки 35, жилу кабеля «а» и нормально-замкнутые свои контакты 31 подключается к общей жиле кабеля «б», по которой в скважинный снаряд подается напряжение питания, а из скважинного снаряда выводится полезная информация.

Третья жила кабеля «в» соединена с корпусом.

Реле 32 срабатывает и через нормально разомкнутые контакты 31 становится на самоблокировку, при этом замыкаются контакты 30, шунтируя развязывающий резистор 29, и перебрасываются контакты 27, 28, подключая к измерительной схеме вместо преобразователя 2 схему замещения. Для того, чтобы от режима калибровки перейти к режиму работы, достаточно на секунду отключить питание выключателем 36, находящемся в наземном пульте. При использовании одножильного кабеля для включения реле используют один из свободных каналов телеметрического устройства передачи информации. Этот случай предусмотрен в блоксхеме скважинного снаряда 1 связью, показанной пунктиром между блоком 9 и реле 32, а в блок-схеме наземного пульта II — связью, также показанной пунктиром между кнопкой 35, блоком 16 и блоком питания 34.

Описанный способ измерения при использовании рассмотренных выше схем телеметрической передачи информации из скважины позволяет осуществлять измерение скорости и плотности горных пород одновременно в одних условиях. При этом для передачи данных из скважины на поверхность может быть использован как одножильный, так и трехжильный каротажный кабель. Для реализации этого способа измерения требуется аппаратура, стоимость изготовления которой в условиях производственных мастерских не превышает 500 руб. на один комплект (стоимость серийной аппаратуры акустического каротажа, выпускаемой промышленностью, типа

СПАК вЂ” 2М 5000 руб). Стоимость комплекта аппаратуры для проведения гамма-гаммаплотностного каротажа 2000 рублей. При использовании серийной аппаратуры для определения скорости и плотности затрачивается в два раза больше скважинного времени, а детальность расчленения литологического разреза скважин намного меньше (база измерения аппаратуры радиоактивного и акустического каротажа не меньше 25 — 30 см). Промышленность выпускает рассмотренные приборы в небольшом количестве и их обслуживать могут только специалисты высокой квалификации.

Использование предложенного способа измерения и устройства для его осуществления

Ъ5

60 позволит значительно снизить затраты на изготовление приборов, уменьшить простои бурового оборудования на скважинах, а также шире внедрить акустические методы в практику каротажных работ. Последнее связано с тем, что изготовление необходимой аппаратуры можно наладить в производственных мастерских заинтересованных геологоразведочных организаций, а ее эксплуатация доступ а обслуживающему персоналу средней квалификации.

Формула изобретения

1. Ультразвуковой импульсный способ исследования буровых скважин, основанный на регистрации коэффициента отражения или прохождения акустической энергии на границах раздела, включающий операции возбуждения электрического импульса, трансформирования электрического импульса в акустический сигнал, приема отраженного акустического сигнала и трансформирования его в электрический импульс напряжения усиления на заданной частоте, детектирования и интегрирования, отличающийся тем, что, с целью обеспечения однозначного и раздельного определения плотности исследуемой горной породы и скорости распространения в ней акустических колебаний, электрический импульс возбуждают на двух значениях фиксированных частот f и f., выбор которых ограничен соотношением — а i, а где d — диаметр излучателя или приемника, и измеряют коэффициент отражения или прохождения по энергии акустических колебаний для этих двух значений частот, при этом расстояние между приемником и излучателем изменяют в пределах от 0 до 2 i., ãäå, †дли волны ультразвуковых колебаний в исследуемой горной породе.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоты, на которых производят измерения, выбирают кратными друг другу

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что частоты, на которых производят измерение, определяют из условий

f d()1. ) V

4. Способ по пп. 1, 2и З,отличающийся тем, что излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, обладающие односторонней направленностью, располагают на фиксированном расстоянии от стенки скважины, не превышающем 0,1 длины волны.

5. Устройство для осуществления способа по п. 1, состоящее из скважинного прибора, содержащего последовательно соединенные генератор импульсов, раздельные или раздельносовмещенные акустические излучатель и приемник с защитным покрытием и уплотнительными кольцами, фильтр-расширитель динамического диапазона, избирательный усилитель, настроенный на первую фиксированную частоту, детектор, скважинное устройство телеметрической передачи информации с уплотнением канала связи, реле включения калибратора

603933 капотажного кабеля и наземного пульта, содержащего наземное устройство телеметрической передачи информации с разделением уплотненных в скважинном приборе каналов, интегрирующий каскад первого канала, блок питания, двухканальный каротажный регистратор отличающееся тем, что, с целью однозначного и раздельного определения плотности исследуемой горной породы и скорости распространения в ней акустических колебаний путем одновременной регистрации коэффициента отражения или прохождения по энергии акустических коле аний для двух значений фиксированных рааочих частот, в скважинный прибор дополнительно включены последовательно соединенные усилитель-расширитель входа с двумя делителями напряжения на выходе, избирательный усилитель, настроенный на вторую фиксированную частоту, второй детектор и калибратор, а в наземный пульт включены второй интегрирующий каскад, выход которого через блок компенсации и выбора масштаба записи соединен со вторым каналом каротажного регистратора, устройство включения калибратора и управления его параметрами, второй блок компенсации и выбора масштаба записи, через который интегратор первого канала соедитараи акга гг

Составитель Э. Терехова

Техред О. Луговая Корректор Д. Мельниченко

Тираж 702 Подписное

Редактор 4. Скляревская

Заказ 2063/37

UHHHHH Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

I 13035, Москва, Ж-35, Раушская нао., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4

1> пгг гз лгч и гг гз няется с первым каналом каротажного регистратора.

6. Устройство по и. 5, отличающееся тем, что калибратор выполнен по схизме замещения акустических преобразователей, содержащих параллельно соединенные индуктивности, емкости и сопротивления, в которых индуктивности, имитирующие каждая соответственно излучатель и приемник,.включены по трансформаторной схеме и к обмотке индуктивности, которая соответствует приемнику, подключено параллельно-активное переменное сопротивление, расположенное в наземном пульте и отражающее проявление влияния характеристического акустического сопротивления исследуемых горных пород, слагающих надрез скважины, 15 на показания регистрирующего прибора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР № 254905, кл. G 01 N 29/00, 1968.

2. Revue de Z Justitnte Francais de Petrol:

vol XXVIII, п. 4 587 — 604.

3. Разведочная геофизика (Сб).,М., «Недра», 64, 1974, с. 92 — 97.

4. Авторское свидетельство СССР № 394743, кл. G 01 V 1/40, 1973.