3.2.2 Аппаратура акустического метода

Простейший скважинный прибор акустического каротажа состоит из двух элементов – излучателя и приемника упругих колебаний. Расстояние L между ними называется длиной зонда. Зонды обозначают последовательностью букв И и П (излучатель и приемник), между которыми проставляют расстояния в метрах. Для уменьшения влияния скважины и перекоса прибора в скважине обычно применяют один или два излучателя и несколько приемников (рис. 3.20). Расстояние S между приемниками называют базой зонда (определяет вертикальную разрешающую способность метода). Исследования скважин акустическими методами базируются на определении времени прохождения продольных волн от источника ультразвуковых колебаний до их приемника или к определению времени прохождения волн между двумя приемниками.

Рисунок 3.20 – Двухэлементный (а), трехэлементный (б), четырехэлементный (в) зонды

В аппаратуре для изучения упругих свойств горных пород (V_P, V_S, α_P, α_S) обычно используют зонды с тремя элементами и более. Трех элементов достаточно, чтобы определить величины Δt (интервальное время Δt = 1/V_P) и α, не искаженные влиянием скважины. При этом регистрируют величины:

Δt=(t₂–t₁)/S и α=(1/S)ln(A₁/A₂), (3.7)

где t_i — время прихода к приемнику преломленной волны i–го излучателя; Δt — ее амплитуда.

Как видно на рис. 3.21, разность времен прихода волн от двух излучателей равна: И’₁И’₂/V=S/ =SΔt различие ослабления волн, идущих к приемнику от разных излучателей, обусловлено лишь ослаблением на пути И`1;И`₂, т.е.:

A₂/A₁=e^–αS, (3.8)

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.

Рисунок 3.21 – Траектории преломленных волн, регистрируемых трехэлементным зондом, где: 1 – раствор, 2 – порода.

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 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 аппаратуры акустического метода приведена на рис. 3.22 и состоит из скважинного прибора I и наземной аппаратуры II, соединенные каротажным кабелем К.

Рисунок 3.22 – Блок–схема аппаратуры АК (а) и сигналы в ней (б)

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 (И₁и И₂), импульсные генераторы Г, вырабатывающие электрические импульсы для возбуждения обмоток излучателей, приемники П (один или несколько) и соответствующее число усилителей У.

Излучатели и приемники разделены акустическими изоляторами, обладающими высоким коэффициентом затухания волн или же большим временем задержки, обеспечивающим приход волн–помех по корпусу прибора к приемнику позже полезных волн. В качестве акустических изоляторов чаще всего, применяют последовательность элементов, изготовленных попеременно из металла и резины.

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 Δt по значениям t₁ и t₂ и коэффициента затухания α (или отношения А₁/А₂) по значениям А₁ и А₂ имеется вычислитель В.

Основные моменты работы аппаратуры AM можно понять из диаграмм (эпюр), приведенных для трехэлементного зонда с двумя излучателями на рисунке. Излучатели И₁ и И₂ 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 У2, 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 рис. 3. 22 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 t₂ и t₁ волн от соответствующих излучателей. Регистрируя эти токи, получают (в некотором масштабе) диаграммы изменения t₂ и t₁ 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 У2 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 (три – четыре 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 А₁/А₂.

Современные тенденции построения аппаратуры для реализации акустического метода

Современная аппаратура для реализации акустического метода содержит несколько измерительных каналов, блоки цифровой регистрации полных волновых картин (ВК) от всех приемников . и фазокорреляционных диаграмм (ФКД).

Блок ВК позволяет выборочно или заданным шагом по глубине регистрировать полную волновую картину обоих каналов, т.е. зависимости смещений в волне от времени, а также отметку момента срабатывания излучателя и меток времени (рис. 3. 23).

Рисунок 3.23 – Записи волновых картин:

а – от ближнего излучателя; б – от дальнего излучателя; в – метки времени (через 100 мкс); 1 – отметка синхроимпульса (момен­та срабатывания излучателя); 2 и 3 – вступления волн.

Это, в сочетании с обработкой результатов на ЭВМ и применением широкополосных излучателей, позволяет повысить:

– надежность и полноту выделения различных типов волн («волновой акустический каротаж» – ВАК);

– детальность решения традиционных задач акустических методов (определение пористости, выделение трещинных пород, изучение состояния цементного камня) и дает надежду на решение других, более сложных и тонких задач.

Специальные акустические приборы, регистрирующие время прихода и амплитуду волн, отраженных от стенок скважины (или обсадной колонны), позволяют определять:

– диаметры и профиль скважины (акустические каверномер и профилемер);

– проходное сечение, толщину стенок и повреждения обсадных колонн (акустические телевизоры).

При исследовании этими приборами на стенку скважины направляют короткий импульс высокочастотной (1,5 – 3,0 МГц) упругой волны от излучателя, а приемник регистрирует отраженную волну. Так, в акустических телевизорах САТ и САТ–4, разработанных в ООО НПФ «Геофизика» и др., излучатель и приемник непрерывно вращаются с помощью электродвигателя вокруг вертикальной оси. Сигнал приемника передается на поверхность и в наземной аппаратуре создается изображение стенок скважины, где достаточно ясно видны трещины, каверны в породах или обсадной колонне.

Зарубежные приборы «CET» и «Digital CET» фирмы «Schlumberger» позволяют определять 8 радиусов и 8 значений толщины стенки труб с помощью 8 акустических датчиков, расположенных по спирали на корпусе скважинного зонда на базовом расстоянии около 610 мм и под углом 45 градусов друг к другу. (Девятый датчик расположен в нижней части скважинного зонда и служит для коррекции результатов измерений при изменении параметров промывочной жидкости).

Каждый датчик располагается на расстоянии около 50 мм от стенки

обсадной колонны и непрерывно излучает и принимает короткие высоко–частотные импульсы. Диаметр ультразвукового пучка датчиков составляет около 20 мм, поэтому дефекты обсадной колонны меньше этого значения редко выявляются на каротажных диаграммах.

Данные приборы неработоспособны в «сухих» скважинах, исследования затруднены в буровом растворе, имеющем газовую фазу и в случае значительной шероховатости внутренней поверхности обсадной колонны. Опыт работы показал, что выявление повреждений возможно только при тщательной очистке стенок колонны от коррозии, загрязнений парафином и отложений солей.