4.3 Апаратура акустичного каротажу

В акустичному каротажі для дослідження розрізів свердловин використовують імпульсну ультразвукову установку, випромінювач якої періодично посилає пакети із трьох-чотирьох періодів ультразвукових коливань частотою 10-75 кГц, які розділенні в часі (рис. 4.3, а). Частота посилання імпульсів ультразвукових коливань випромінювачем визначається необхідністю реєстрації в перших вступах головної хвилі, яка проходить в породах, а не в промивній рідині, та визначається відстанню між стінкою свердловини та приймачем. Апаратура акустичного каротажу складається із свердловинного приладу I і наземної панелі II (рис.4.4).

I – запис ближнім приймачем; II – запис віддаленим приймачем;

III – марки часу (через 100мкс)

1 – відмітка імпульсу; 2 – перший вступ головної поздовжньої хвилі; 3 – поперечні коливання та хвиля, яка рухається по промивній рідині; T – період збуджуючого коливання

Рисунок 4.3 – Графік коливання поздовжньої хвилі (а) і хвильова картинка (б)

У свердловинному приладі знаходиться випромінювач 1 пружних ультразвукових коливань. Для збудження випромінювача використовують генератор або накопичувач енергії 2, живлення якого здійснюють від наземної панелі за допомогою кабелю. Збудження випромінювача здійснюють за командою від синхронізуючого пристрою 3.

Рисунок 4.4 – Узагальнена блок-схема апаратури акустичного каротажу.

Ультразвукові коливання, які виникли після проходження в гірських породах, що складають геологічні розрізи свердловин, приймають приймачем 4, який створює відповідні електричні коливання. Оскільки величина електричних коливань мала, то перед передачею електричних сигналів, за допомогою геофізичного кабелю в наземну панель, вони підсилюються підсилювачем 5. Для зменшення спотворення сигналу, що передається кабелем, використовують узгоджувальний пристрій 6, який має низькоомний вихід і узгоджений із вхідною ланкою наземної панелі.

У трьохелементному свердловинному пристрої є ще один приймальний канал (другий приймач 7, підсилювач 8, узгоджуючий пристрій 9), який ідентичний першому.

У сучасній апаратурі акустичного каротажу в якості випромінювачів використовують магнітострикційні або п’єзокерамічні перетворювачі, які працюють на основі резонансної частоти, а в якості приймачів – п’єзокерамічні перетворювачі, які працюють на частотах нижче частоти основного резонансу.

До магнітострикційних перетворювачів відносять нікель, кобальт, пермендюр та інші феромагнітні речовини, які при накладанні на них змінного механічного (магнітного) поля збуджують в навколишньому середовищі змінне магнітне (механічне) поле. Перетворення енергії в цих матеріалах пов’язане з явищем магнітострикції, яка полягає в зміні лінійних розмірів тіл при їх намагнічуванні. Магнітострикційні перетворювачі, як правило, використовуються в діапазоні частот 3 – 80 кГц. Такий частотний діапазон пов’язаний з тим, що для збудження більш низьких частот потрібні великі розміри перетворювачів, а збудження хвиль з частотою більшою 80 кГц супроводжується великими втратами енергії на струми Фуко, які виникають.

Залежність зміни розмірів від напруженості магнітного поля Н нелінійна: при великих значеннях Н спостерігається насичення. Магнітострикція насичення _s – це гранична величина відносної зміни розмірів тіла при збільшенні Н. Для типових магнітострикційних матеріалів _s складає тисячні долі %. З ростом t⁰ магнітострикційний ефект зменшується.

Амплітуда коливань магнітостриктора, як випливає з _s, складає до десятка мікрон, діапазон робочих частот 1 - 60 кГц. Випромінювання хвиль з більшою частотою ускладнюється збільшенням втрат на вихрові струми, а для утворення хвиль з нижчими частотами необхідне збільшення діаметра випромінювача, бо довжина хвилі власних коливань прямопропорційна діаметру випромінювача.

Після подачі електричного (збуджуючого) імпульсу на обмотку магнітостриктор починає коливатися з власною частотою f₀:

, (4.17)

де V – швидкість розповсюдження коливань в матеріалі магнітостриктора, м/с; d – діаметр магнітостриктора, м; E – модуль Юнга матеріалу магнітостриктора, Па; δ – густина матеріалу магнітостріктора, кг/м³.

В акустичному каротажі в якості випромінювачів знайшли широке застосування циліндричні магнітострикційні перетворювачі. Значно рідше використовуються стержневі випромінювачі, наприклад для збудження прямих пружних хвиль при притиснутому до стінки свердловини глибинним приладом.

Для виготовлення свердловинних акустичних випромінювачів використовують феро- і паромагнетики (Fe, Ni, Co та їх сплави пермендюр К49Ф2 і ін.). До найбільш стабільних, за своїми характеристиками, особливо при температурах до 200ºС і вище, можна віднести пермендюр К49Ф2. Свердловинні перетворювачі з цих матеріалів виготовляють шляхом штампування пластин з плівки, товщиною 0,1–0,2 мм і їх подальшому склеюванню. Можливе також виготовлення перетворювачів шляхом їх намотування з плівки відповідного матеріалу і подальшого наклеювання у вигляді циліндра.

Магнітострикційні перетворювачі в свердловинній акустичній апаратурі найчастіше застосовують в якості випромінювачів, а рідше у якості приймачів пружних коливань.

П’єзоелектричні перетворювачі будують на явищі п’єзоефекту, який виникає в результаті взаємозв’язку між електричними і механічними властивостями деяких діелектричних матеріалів, які називають п’єзоелектриками.

П’єзоелектричний ефект – це явище виникнення електричних зарядів на гранях кристалів при механічній дії на них. Найбільш типові представники п’єзоелектриків – кварц, турмалін, титанат барію (BaTiO₃), деякі солі.

П’єзоелектричні перетворювачі в апаратурі акустичного каротажу переважно використовують в якості приймачів пружних хвиль. Керамічні п’єзоелементи мають форму пустотілого циліндра, диска чи сфери з електродами на зовнішніх поверхнях. П’єзоелектричні матеріали при накладанні на них змінного механічного поля мають властивість поляризуватися, а при накладанні електричного поля збуджують в середовищі змінне пружні поля. Найбільш розповсюдженими п’єзоелектричними матеріалами є керамічні сполуки, які виготовлені з тітанату барія, циркона та тітанату свинця або ніобата свинця. Спочатку готують дрібні синтетичні монокристали, потім масу цих кристалів піддають дії тиску і температури.

П’єзокерамічні перетворювачі зручні тим, що можуть бути виготовлені будь-якої заданої форми (сфери, пластини, циліндра), володіють високим п’єзоелектричним коефіцієнтом.

Сигнали, які надходять від свердловинного приладу на наземну панель, за інтенсивністю недостатні для реєстрації реєструючим пристроєм 14. Для того, щоб збільшити амплітуди сигналів, у наземну панель включають підсилювачі 11 і 13. Коефіцієнт підсилення переважно складає 10⁵-10⁶. Для відкидання некорисних сигналів у наземній панелі використовують фільтри 10 і 12, які включають перед основними підсилювачами 11 і 13 або після них. Підсилені сигнали поступають на реєстратор 14.

На практиці, в основному, реєструють часи проходження хвилі T₁, T₂ і інтервальний час DT, а також величини амплітуд коливань A₁ і A₂, які реєструють ближнім і віддаленим приймачами, та логарифм відношення амплітуд lg(A₁/A₂). Такий спосіб реєстрації даних використовують в апаратурі акустичного каротажу СПАК-2М, СПАК-4 і СПАК-6.