Преобразователь для акустического каротажа

 

Ь П И С А Н И Е <„,744407

ИЗЬБРЕТЕН ИЯ

Союз советских

Соцмапмстмческмх

Респубпмк

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 20 03 78 (21) 2592915/18-25 с присоелинением заявки М (51)М. Кд.

G01 Ч 140

Государственный комитет (28) Приоритет по делам изобретений, и открытий

Опубликовано 30.06.80. Бюллетень Рй 24

Дата опубликования описания 30.06.80 (53) УЙК 550.83 (088.8) (72) Авторы изобретения

С. М. Вдовин, П. А. Прямов и 0. А. Вдовина

Всесоюзный научно-исследовательский институт нефтепромысловой геофизики.(71) Заявитель . (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО

КАРОТАЖА

Изобретение относится к области промыслово-геофизических исследований нефтяных и газовых скважин, а более конкретно, к акустическим излучателям для скважинных приборов аппаратуры акустического каротажа по продольной и поперечной упрутим волнам.

Известен акустический преобразователь, который представляет собой цепочку из цилиндрических излучателей (магнитострикционных нли пьеэокерамических), закрепленных на несущем

10 стержне скважинного прибора и электрически соединенных друт с другОм. (1). Диаграмма направленности такого преобразователя представляет собой в дальнем ноле суженный лепесток, направление которого относительно нор15 мали к стенке скважины в вертикальной плоскости можно изменять методами фазирования или амплитудного распределения. Если ось диаграммы направленности такого преобразователя направлена относительно нормали под критическим углом образования продольной волны, то он будет возбуждать в горной породе продольную упругую волну, скользящую по стенке скважины, если ось диаграммы направлена под

2 критическим углом образования поперечной волны, то он возбуждает преимущественно поперечную упругую волну.

К недостаткам подобных преобразователей относятся отсутствие направленности в ближнем поле, большая ширина основного лепестка диаграммы направленности, трудность получения низкочастотного излучения в скважинных условиях из-за ограниченных габаритов акустического зонда, при изменении направления изменяется интенсивность излучения и тд. Указанные недостатки практически не позволяют разработать аппаратуру акустического каротажа по продольным и поперечным волнам на базе бесконтактных излучателей.

Известен также акустический преобразователь, который состоит из цепочки цилиндрических излучателей, закрепленных на несущем стержне скважинного прибора 121.

Формирование диаграммы направленности в вертикальной плоскости осуществляется электрическим методом при изменном положении преобразователя относительно оси скважины.

Обмотки магнитострикторов соединены после3 довательно, поочередно (первая со второй, вторая с третьей и т,д.) в противофазе. Индуктивность обмотки каждого магнитостриктора вместе с соответствующей зарядной емкостью представляет собой линию задержки для последующего магнитостриктора. Параметры такой линии зависят от величины напряжения на зарядной t:wcocm. Меняя величину этого напряжения, можно добиться частичного расщепления пучка излучаемой энергии в вертикальной плоскости (вдоль цепочки излучателей) и раздвинуть эти пучки на небольшой угол относительно акустической оси преобразователя.

К недостаткам преобразователя можно отнести следующее. Из-за значительного увеличения габаритов невозможно создать подобный преобразователь на низких частотах (1 — 10 кГц): и с достаточно узким лепестком диаграммы направленности, так как в первом случае необходимо увеличивать размеры излучателей, а во втором — их количество. В ближнем поле происходит сильное "размазывание" диаграммы. При изменении направления излучения меняется его интенсивность, что исключает регистрацию амплитудных параметров упругих волн в процессе каротажа, Цель изобретения — получение кругового, низкочастотного, остронаправленного излучения с регулируемой диаграммой направленности.

Поставленная цель достигается тем, что рабочие поверхности двух конусообразных излучателей направлены под углом друг к другу и жестко прикреплены к тороидальному смесителю акустических сигналов, выполненному из однородного материала или в виде камеры, заполненной жидкостью или газом, причем на излучающую поверхность смесителя локально нанесено звуконоглощающее покрытие так, что оно перекрывает выходы из смесителя прямой энергии от излучателей за пределами рабочих углов индикатриссы направленности акустического смесителя.

На чертеже показан излучатель (осевое сечение) в рабочем положении в скважине.

Преобразователь состоит из двух магнитострикционных излучателей 1 и 2, выполненных в виде усеченных конусов, с обмотками возбуждения 3 и 4, рабочие поверхности которых направлены под углом друг к другу и жестко прикреплены к тороидальному смесителю 5 акустических сигналов, выполненному из однородного материала или в виде камеры, заполненной жидкостью или газом, на излучающую поверхность которого локально нанесено звукопоглощающее покрытие 6, препятствующее выходу из смесителя прямой энергии от излучателей, которые, в свою очередь, закреплены упорными шайбами 7 и гайкой 8 на несущем стержне 9 скважинного прибора. Преобразова10

25

40

"ч + вектор излучения первого излучателя;

Кз вектор излучения второго преобразователя; — вектор рассеянного излучателя.

При фиксированных К и Кз (направления излучений преобразователей по 0 0з и Оз04) направление Кз рассеянного излучения опредеУ ляется скалярными величинами К, и Кз, которые пропорциональны возбуждающим напряжениям на излучателях 1 и 2. Таким образом, при изменении величин возбуждающих напряжений на излучателях направление излучения преобразователя в вертикальной плоскости скважины изменяется в пределах "окна" в звукоl где К>

407 4 тель обеспечивает круговое излучение акустической энергии через окно в звукопоглощающем покрытии на стенку скважины 10, Работа преобразователя основана на нелинейном взаимодействии двух акустических полей. Излучатель.1 возбуждает в смесителе 5 акустические колебания с частотой f> которые распространяются в направлении 0 00з. Излучатель 2 возбуждает в смесителе 5 колебания с частотой f>, которые распространяются в направлении Оз004 под углом А к направлению

0,00>. В результате нелинейного взаимодействю двух потоков акустической энергии возникает рассеянное излучение комбинационной частоты „ содержащее сумму и разность частот f, и f, коротое распространяется в направлении 00з под углом 8 относительно нормали 00 к стенке скважины. Частоты f< и fz могут быть достаточно высокими (малые габариты излучателей 1 и 2), в то же время их разностная частота может составлять единицы килогерц. Для задержки прямой энергии от излучателей 1 и 2 в направлениях 0,00з и Оз00 на выходе смесителя акустических сигналов установлены экраны 6 из звукопоглощающего материала. Рассеянное излучение в направлении 00, имеет узкую диаграмму в плоскости 00,0, которая формируется в акустическом смесителе. Для возбуждения продольной или поперечной упругих волн, распространяющихся в горной породе вдоль стенки скважины, необходимо акустическую энергию от преобразователя направлять под утлом В относительно нормали 00, равным критическому углу образования соответствующей волны. С другой стороны, критический угол образования волны изменяется в зависимости от литологии горной породы, поэтому в процессе каротажа угол В направления излучения от преобразователя необходимо изменять, Условие направленности излучения (в вертикальной плоскости) данного преобразователя определяется выражением

4407 6

Таким образом, преобразователь обеспечивает круговое, низкочастотное, остронаправленное излучение с регулируемой диаграммой направленности в вертикальной плоскости, что позволяет поочередно, практически в одной точке разрыва скважины, возбуждать в горной породе как продольную, так и поперечную волны и регистрировать за одну спуско-подъемную операцию кинематические и динамические параметры комплекса упругих волн. Это позволяет повысить геологическую эффективность акустического метода и сократить время на задалживание нефтяных и газовых скважин под геолого-геофизические исследования.

В первом цикле излучается в горную по- 2s роду продольная. волна — угол В равен критическому углу образования продольной волны.

В аппаратуре измеряется скорость продольной волны и определяется критический угол преобразования продольной волны для третьего импульса излучения акустической энергии в горную породу. поглошаюшем материале на поверхности смесителя 5. При 3Т0М интенсивность рассеянного излучения Кз остается постоянной, если осуществляется уменьшение возбуждающего напряжения на одном из излучателей и пропорциональное увеличение возбуждающего напряжения на другом.

Преобразователь может работать как в непрерывном режиме, так и в импульсном. Возможна также работа одного нз излучателей в непрерывном режиме, а другого — в импульсном. В этом случае излучаемый преобразователем сигнал будет импульсно модулированным.

Наиболее эффективно данный преобразователь может быть использован в импульсной аппаратуре акустического каротажа по продольной и поперечной упрутим волнам, предназначенной для массовых промыслово-геофизических исследований (акустнческий зонд центрируется на оси скважины) нефтяных и газовых сква:жин..

Преобразователь может работать следующим образом.

Во втором цикле в породе возбуждается поперечная волна — утоп В равен критическому углу образования поперечной волны. В аппаратуре изменяется скорость этой волны и определяется критический угол образования поперечной волны для четвертого цикла излучения и,тд. В соответствии с определяемыми > величинами критических углов в соответствующих циклах излучения, начиная с третьего, на излучатели 1 и 2 подаются напряжения, необходимые для поочередного возбуждения в горной породе продольной и поперечной упру- 4 тих волн, В результате аппаратура регистрирует в процессе непрерывного каротажа параметры обоих типов волн в функции глубины скважины.

Формула изобретения

1. Преобразователь для акустического каротажа, включающий систему распределенных излучателей акустической энергии, закрепленных на несущем стержне корпуса скважинного прибора, отличающийся тем, что, с целью получения кругового, низкочастотного, остронаправленного излучения с регулируемой диаграммой направленности, в него введен тороидальный смеситель акустических сигналов, а рабочие поверхности двух конусообразных излучателей, выполненных с автономными обмотками возбуждения, направлены под утлом .друг к другу и жестко прикреплены к тороидальному смесителю акустических сигналов, выполненному из однородного материала, причем на излучающую поверхность смесителя локально нанесено звукопоглощающее покрытие так, что оно перекрывает выходы из смесителя прямой энергии от излучателей за пределами рабочих углов ицдикатриссы,направленности акустического смесителя.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что тороидальный смеситель акустических сигналов выполнен в виде камеры, заполненной жидкостью или газом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:, 1. Патент США М 3614725, кл. 340 — 17, 1971.

2. Патент CILIA Р 3496533, кл. 340 — 17, 1970 (прототип), 744407

Составитель Э. Волконский

Редактор И. Нанхина Техред р. Олиян Корректор M .Вигула

Заказ 3784/9 Тираж 649 Подписное

ЦНИИПИ 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