Измерительные установки акустического каротажа

Измерительная установка акустического каротажа состоит из одного или нескольких излучателей упругих колебаний и одного или нескольких приемников, преобразующих упругие колебания в электрические сигналы.

В простейшую двухэлементную установку входят один излучатель и один приемник. Наиболее широкое распространение получили трехэлементные зонды, включающие излучатель и два приемника (рис. 3.23). База зонда l достигает 0,5–1,0 м, длина зонда L принимается равной расстоянию между средней точкой одноименных и удаленным элементами зонда. Гораздо реже в акустическом каротаже используются четырех- и шестиэлементные зонды. Оптимизация размеров акустического зонда повышает разрешающую способность и точность измерений параметров акустического поля.

 

Рис. 3.23. Схема трехэлементной измерительной установки

акустического каротажа (а) и волновая картина (б)

 

Расстояние между элементами зонда определяются в зависимости от поставленных задач и условий изменений. Например, минимальная длина зонда

                                    ,                         (3.21)

где   – зазор между глубинным прибором и стенкой скважины; sin i =  (  и  – скорости распространения продольных волн в скважине и в породе).

 

Для исключения влияния прямой волны, распространяющейся по корпусу зонда, между излучателями и приемниками устанавливают акустические изоляторы (рис. 3.24). В качестве акустических изоляторов чаще всего, применяют последовательность элементов, изготовленных попеременно из металла и резины.

Для обеспечения акустического контакта скважинного прибора с породой во время измерений скважину заполняют до устья промывочной жидкостью. Время пробега волны между источником и приемником выражается в микросекундах на 1 м расстояния. Малая величина измеряемого интервала времени создает основные трудности при обработке данных акустического каротажа.

 

Рис. 3.24. Акустические изоляторы:

а – кабель шланговый; б – прорези в негерметичном корпусе;

в – чередующиеся металл и резина

 

Колебания, воспринимаемые приемниками  и , несколько отличаются от генерируемых излучателем из-за влияния окружающей среды.

При акустическом каротаже фиксируется время вступления упругой волны на первом () и втором () приемниках. Скорость распространения волны

                                         .

 

Эта скорость называется интервальной или пластовой. При   l = 1 м время пробега волны

                                                 .                                        (3.22)

 

Кроме регистрации параметров , , ,  и  при акустическом каротаже для детальных исследований отдельных интервалов практикуется регистрация полной волновой картины через определенные интервалы (0,25; 0,5; 1 м) по глубине, а также запись фазокорреляционных диаграмм (ФКД). Фазокорреляционные диаграммы представляют интерес как визуальное отображение фазовых точек волновой картины в момент появления фаз определенной полярности. По волновой картине можно выделить различные типы волн и определить их кинематические и динамические характеристики, используемые в дальнейшем для количественных определений параметров пласта.

В качестве излучателей в зондах AК используют обычно магнитострикционные электроакустические преобразователи, а в качестве приемников – пьезоэлектрические. Магнитострикция – изменение формы и размеров тела при намагничивании. Она обратима: при удлинении и сокращении магнитострикционных материалов возникает ЭДС. Поэтому их можно в принципе применять и в качестве приемников.

Магнитострикция значительна в ферромагнетиках (железо, никель, кобальт, сплавы Fe с кобальтом-пермендюр и др.). При помещении таких материалов в переменное магнитное поле они меняют свои размеры, оказывают давление на окружающую среду и возбуждают в них упругие колебания. Магнитострикционным излучателям обычно придают форму цилиндров, соосных с кожухом скважинного снаряда и имеющих диаметр, близкий к диаметру последнего. Внутри магнитостриктора имеются каналы для обмотки катушки возбуждения. На обмотку излучателя поддаются импульсы тока от специального импульсного генератора. После подачи импульса тока, магнитостриктор начинает колебаться с собственной частотой, пропорциональной скорости упругих волн в материале магнитостриктора и обратно пропорциональной его диаметру. Амплитуда колебаний скважинных магнитострикционных излучателей обычно составляет несколько микрон, диапазон частот 6–60 кГц. В необсаженных скважинах, а также в цементомерах применяют излучатели на 25 кГц, а для исследования разрезов обсаженных скважин используют более низкие частоты. Применение низкочастотных колебаний способствует увеличению глубинности метода и снижению влияния на показания крепления скважин колоннами. Однако получать в скважинном приборе излучения с частотой ниже 3–5 кГц не удается, так как для этого потребовались бы излучатели слишком большого диаметра.

Блок-схема типовой аппаратуры акустического метода приведена на рисунке 3.25 и состоитиз скважинного прибора I и наземной аппаратуры II, соединенные каротажным кабелем К.

Скважинный прибор предназначен для излучения и приема упругих колебаний, усиления и передачи в линию связи (каротажный кабель) сигналов приемников. В общем случае он содержит один или несколько излучателей (И₁ и И₂), импульсные генераторы Г, вырабатывающие электрические импульсы для возбуждения обмоток излучателей, приемники П (один или несколько) и соответствующее число усилителей У.

 

Рис. 3.25. Блок-схема аппаратуры АК (а) и сигналы в ней (б)

 

Аппаратура АК действует циклами: излучение колебаний первым излучателем – прием сигнала, затем излучение вторым излучателем – прием сигнала и т.д. Циклы повторяются с частотой 25 или 12,5 Гц.

Структура наземной части аппаратуры АК обычно содержит схему присоединения к кабелю СП, блок выделения синхроимпульса ВСИ, усилитель У, блоки выделения первых вступлений волны ВВ, блоки определения времени t и амплитуды волн А. Для вычисления интервального времени Δ t по значениям t ₁ и t ₂ и коэффициента затухания α (или отношения А ₁/ А ₂) по значениям А ₁ и А ₂ имеется вычислитель В.

Основные моменты работы аппаратурыAM можно понять из диаграмм (эпюр), приведенных для трехэлементного зонда с двумя излучателями на рисунке. Излучатели И ₁ и И ₂ попеременно излучают пакеты волн, изображенные на эпюрах 1 и 2. Моменты их срабатывания определяются схемой управления генераторами УГ. Одновременно с подачей импульсов в обмотку излучателя генератор Г через схему присоединения к кабелю СП посылает на поверхность синхроимпульс СИ. Синхроимпульсы двух генераторов отличаются друг от друга, например, полярностью, как это показано на эпюре 3. При достижении волнами приемника он вырабатывает электрические сигналы (эпюра 4), которые после усиления усилителем У передаются через схему на кабель и далее на поверхность.

В наземной аппаратуре сигналы от приемника и синхроимпульсы попадают на усилитель У₂ и блок выделения синхроимпульсов ВСИ. Блок ВСИ не пропускает сигнал приемника, но пропускает синхроимпульсы, которые поступают в блок измерения времени и служат началом отсчета при определении времени прихода волн (эпюра 5). Сигналы от приемника, усиленные усилителем У ₂, подаются на блок выделения вступлений ВВ который вырабатывает нормализованные импульсы 6, указывающие момент достижения сигналом некоторого порогового значения. Они запускают блок измерения времени t. Измеритель времени вырабатывает прямоугольные импульсы 9, начинающиеся в момент прихода синхроимпульса и заканчивающиеся при вступлении волны (при поступлении импульса б от блока ВВ). Таким образом, длительности импульсов 9 равны временам t _i прохождения волн от излучателей до приемника.

Коммутирующее устройство (на рисунке 3.25 не показано) управляется синхроимпульсами и подает импульсы с выхода блока попеременно на интегрирующие ячейки двух каналов. Они вырабатывают постоянные токи, пропорциональные длительностям импульсов 9, т.е. временам прихода t ₂ и t ₁ волн от соответствующих излучателей. Регистрируя эти токи, получают (в некотором масштабе) диаграммы изменения t ₂ и t ₁ по глубине скважины. Сигналы одновременно поступают на вычислитель, где вычисляется их разность, и на третий канал регистратора, регистрирующий диаграмму интервального времени. Сигналы с выхода усилителя У ₂ подаются также на вход измерителя амплитуды A, предварительно они проходят через электронный ключ ЭК, управляемый блоком временного окна О. Блок О обеспечивает прохождение сигнала к измерителю амплитуд лишь в течение определенного времени (3–4 периода колебаний) после вступления волны (эпюры 7 и 8). Блок А определяет максимальную (иногда среднюю) амплитуду сигнала в указанном интервале времени. Значения этой величины для двух каналов регистрируются самопишущим устройством (регистратором), а также подаются в вычислитель В для вычисления α или А ₁/ А ₂.