Скважинные приборы акустического каротажа

Исторически сложилось разделение приборов АК, предназначенных для изучения геологических разрезов и технического состояния обсадных колонн, на группы, основной подразделяющей характеристикой служит их назначение (для исследований открытых или обсаженных скважин) либо сложность конструкции измерительных зондов.

Первые две группы составляют приборы массового применения. Приборы этой группы предназначены для решения ограниченного круга задач в основной массе поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин. Они эксплуатируются самостоятельно или в составе комбинированных сборок из приборов других видов ГИС. Приборы обеспечивают измерение параметров (∆t, α, А) преимущественно продольной головной волны, и в меньшей степени, при благоприятных геолого-технических условиях (номинальный диаметр скважины, относительно высокоскоростной разрез (v _Р > v _S > v _ж), толщины исследуемых пластов превышают длины измерительных зондов, отсутствуют породы с аномальным затуханием упругих волн), – поперечной головной волны.

Наиболее простыми из приборов массового применения являются уходящие в прошлое трехэлементные (излучатель и два приемника или наоборот). В последнее время повсеместно применяются компенсированные четырехэлементные зонды (два излучателя и два приемника). В этих зондах расстояние от излучателя до ближайшего приемника составляет 0,915-1,0 м, а база зонда (расстояние между приемниками) – 0,5-0,61 м. Часто компенсированный зонд содержит третий приемник, обеспечивающий специфические технологические решения: фиксацию муфт обсадной колонны при любом качестве сцепления цемента с колонной, запись ФКД на стандартной по длине базе зонда (1,5 м). Собственная частота колебаний излучателей составляет 20-25 кГц. Излучатели упругих колебаний выполнены в виде пьезокерамических цилиндров у большинства зарубежных фирм; отечественные предприятия используют цилиндрические магнитострикционные излучатели. Приемники упругих колебаний во всех приборах выполнены из пьезокерамических сфер диаметром 30-50 мм.

Круг геологических задач, решаемых по данным приборов АК массового применения: расчленение разрезов по значениям скорости v _Р и затухания a _р продольной волны, расчет пластовых скоростей для целей сейсморазведки, определение литологии и коэффициентов К_п пористости пород с межзерновыми порами, выделение гранулярных коллекторов по значениям К_п. Эти приборы применяют также для исследований обсаженных скважин с целью оценки качества цементирования обсадных колонн.

В настоящее время все больше стали применять многозондовую аппаратуру волнового акустического каротажа с монопольными и дипольными зондами (АВАК-7, ВАК-8, АВАК-9). Они содержат один монопольный излучатель, возбуждаемый на частотах 2,5 - 25 кГц, один или два дипольных излучателя с собственной частотой колебаний 3-5 кГц и несколько монопольных и дипольных приемников. Это позволяет организовывать в процессе одной спускоподъемной операции работу нескольких разночастотных измерительных зондов, оснащенных монопольными преобразователями и обладающими различной чувствительностью к P, S и St волнам, и дипольного зонда. Приборы обеспечивает раздельную регистрацию параметров продольной (на частотах 20, 12 и 8 кГц), поперечной (8 кГц и дипольным зондом) и Стоунли (2,5 кГц) волн в открытых и обсаженных скважинах. Поперечная и Стоунли волны регистрируются (первая – дипольным зондом, вторая – на частоте 2,5 кГц) вне интерференции с боле высокочастотной Р волной в первом случае, P и S волнами – во втором, что повышает достоверность измерений ∆t, А, α. Минимальные регистрируемые значения v _S – 1050 м/с (∆t =950 мкс/м), значения v _St в диапазоне 900-1500 м/с (∆t =660-900 мкс/м). В обсаженных скважинах с помощью дипольных зондов достигается измерение параметров S волны в случае удовлетворительного и даже плохого цементажа, когда затрубное пространство заполнено цементом, но отсутствует его сцепление с колонной и породами.

Конструкцию таких приборов рассмотрим на примере аппаратуры ВАК-8 (ОАО “Татнефтегеофизика). В скважинном приборе конструктивно соединены три измерительных зонда: монопольный (И₂П₁0,1П₂0,1….П₈) и два одинаковых дипольных (И₂П₁0,1П₂0,1….П₄), расположенных ортогонально друг другу (рис. 3).

Небольшая измерительная база зондов (10 см) обеспечивает высокую разрешающую способность, а семикратное дублирование измерений в исследуемой точке – надежность определяемых параметров. Срабатывание излучателей синхронизировано по глубине с минимальным шагом квантования глубин, равном 0,02 м, а прием осуществляется по всем каналам либо одновременно за одну спускоподъемную операцию, либо за две операции. Аппаратура ВАК-8 позволяет проводить частотное акустическое зондирование в диапазоне 3-25 кГц, частота устанавливается программно с бортового компьютера. При шаге квантования по глубине, равном 0,1 м, обеспечивается непрерывный акустический каротаж на пяти разных частотах. Интервальные времена и затухания, определенные для семи измерительных зондов, приводятся к единой точке исследования и осредняются. В результате в каждой исследуемой точке происходит 7-кратное дублирование измерений, что компенсирует погрешности, связанные с малой измерительной базой зондов. Отличительной особенностью кривых ∆Т и α от кривых, полученных трехэлементными приборами с измерительной базой 0,5 м, является их сильная изрезанность, что объясняется высокой разрешающей способностью аппаратуры ВАК-8. Для сопоставления ∆Т и α с другими методами, имеющими более низкую разрешающую способность, предусмотрено дополнительное осреднение по заданному количеству точек глубины.

Разработанное программное обеспечение для определения кинематических и динамических параметров информативных волн позволяет:

· проводить низкочастотную и высокочастотную фильтрацию;

· выделять одноименные фазы продольной (Р), поперечной (S) волн и волны Стоунли;

· определять ∆Т и α информативных волн;

· определять энергию волновых пакетов;

· определять отношение (Es / Ep) продольной и поперечной волн;

· определять ∆Т s и α s по данным дипольных зондов;

· проводить осреднение по заданному количеству точек глубины;

· просматривать ВК на каждом этапе обработки;

· преобразовывать данные ВАК-8 в формат данных трехэлементных зондов.

Излучатели и приемники упругих колебаний

Для возбуждения и приема упругих волн используют электроакустические (обычно магнитострикционные и пьезоэлектрические) преобразователи, преобразующие электрическую энергию в энергию упругих колебаний среды (излучатели) и обратно (приемники). В совремённых приборах АК применяют два типа преобразователей: монопольные и дипольные. Первые из них, которые могут быть сферическими, цилиндрическими и т.д., применяют для возбуждения объёмных волн, в первую очередь Р и S, которые распространяются одинаково во всех направлениях. Вторые предназначены для возбуждения и приёма узконаправленных (в выделенном секторе) волн. Такими являются дипольные преобразователи для регистрации волн сдвига (поперечных). Низкая чувствительность этих преобразователей к объёмным волнам обеспечивает регистрацию колебаний поперечной волны, когда скорость её распространения меньше скорости волны в жидкости.

При малых размерах излучателей (по сравнению с длиной возбуждаемой волны), монопольный преобразователь возбуждает в жидкости волну, фронт которой близок к сферическому, а дипольный – направленную волну, энергия которой быстро уменьшается по фронту. Диаграмма направленности дипольного излучателя и фронт возбуждаемой волны, имеет вид восьмерки. Преломившись на стенке скважины, обе волны (сферическая и узконаправленная) возбуждают в высокоскоростных породах объёмные продольные и сдвиговые колебания (P и S волны) в первом случае и преимущественно сдвиговые колебания (S волну) во втором. Реализация в скважинном приборе дипольных преобразователей достигается применением двух монопольных преобразователей, пульсирующих в противофазе и расположенных друг от друга на расстоянии, малом по сравнению с длиной волны.

Способы регистрации акустических сигналов.

 

В современных типах аппаратуры АК упругие колебания, принятые приемником, усиливаются в скважинном приборе и передаются на поверхность в виде волновых картин. В наземной аппаратуре производится дополнительное усиление сигналов и их регистрация в цифровом виде. Форма вывода полного сигнала, регистрируемого при акустическом каротаже представляется или в виде фазовых линий (ФКД) или в виде волновых картинок (ВК). Наиболее приемлемая для интерпретации форма записи – модуляция ширины фазовых линий амплитудой сигнала (ФКД). Схема преобразования сигнала представлена на рис.6.

Фазокорреляционные диаграммы позволяет получить общее представление об изменении поля по разрезу скважины путем прослеживания видимых периодов сигнала и их смещений по оси времени. ФКД является достаточно помехоустойчивым видом записи, так как запись ведется с накоплением полезного сигнала на фоне помех.

Рис.7. Формы отображения волновых пакетов и фкд на экране монитора и твердых копиях: а – волновые пакеты в заданном масштабе глубин; б – фкд, амплитудная модуляция фазовых линий которой выполнена цветом; в – то же в черно-белом варианте без модуляции линий амплитудами.

Фазокорреляционные диаграммы представляют собой упрощённое отображение зарегистрированных волновых пакетов. Их получают для каждого двухэлементного измерительного зонда ИП фиксированием на временной оси t выбранных фаз колебаний (обычно максимумов) при каждом срабатывании излучателя И и отображением положений этих фаз в функции глубины скважины (рис.7) на экране монитора или на твёрдой копии. Для передачи динамических характеристик (амплитуд) колебаний фазовые линии ФКД модулируют цветом либо толщиной фазовых линий в черно-белом варианте. ФКД содержат количественную информацию о кинематических характеристиках и частотах всех типов волн возникающих в скважине. Времена распространения, скорости, видимые периоды и частоты волн оценивают по ФКД с использованием тех же алгоритмов, что и для ВК; динамические параметры по ФКД количественно можно оценить только при компьютерной обработке. При обработке материалов акустического каротажа ФКД служат для выделения основных типов волн и для прослеживания их по разрезу путем прочерчивания вступлений отдельных типов волн.