Способ акустического каротажа скважин
Патент 234283
Классы МПК
Способ акустического каротажа скважин
Иллюстрации
Реферат
О П И С А Н И Е 234283
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик
Зависимое от авт. свидетельства ¹
Кл. 5а, 18/30
42с, 42
Заявлено 17.1.1967 (№ 1126801/26-25) с присоединением заявки №
Приоритет
Опубликовано 10.1.1969. Бюллетень ¹ 4
Дата опубликования описания 28Х.1969
МПК Е 21Ь
G 01с
УДК 550.834:622.241 (088.8) Комитет по делам изобретений н открытий при Совете Министров
СССР
Авторы изобретения
Н. Н. Пузырев, Е. М. Аверко и В. М. Матошии
Институт геологии и геофизики Сибирского отделения АН СССР
Заявитель
СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН
a=are çòï
Ъ;
Известен способ акустического каротажа скважин, при котором с целью определения скорости распространения поперечной волны в горных породах при их естественном залегании возбуждают и принимают импульсные колебания, выделяя среди спектра колебаний обменные головные волны.
В настоящее время делаются попытки использования головных волн, путь распространения которых в горной породе и условия образования которых определяются тем, что критический угол где V> — скорость распространения колебаний в жидкости, заполняющей скважину;
V — скорость распространения поперечных колебаний в горной породе.
Величина V обычно равна = 1500 мосек.
Следовательно, для горных пород, характеризующихся скоростями распространения поперечных волн ниже 1500 м!сек, указанный способ измерения этих скоростей непригоден.
Цель .настоящего изобретения — создание способа .измерения скоростей распространения поперечной волны во всем диапазоне изменения этой скорости в горных породах, включая в этот диапазон скорости распространения поперечных волн как ниже, так и выше 1500 м/сек, Для решения этой задачи предлагается возбуждать на,стенке скважины и принимать на ней же импульсные поляризованные колеба.ния, вектор смещения которых перпендикулярен образующей скважины и находится в плоскости, касательной к поверхности скважины (такие колебания называются поперечной,волной типа SH).
Вследствие того, что скорости поперечной
10 волны меньше скорости продольной, а также некоторых других волн, полезные (поперечные) волны будут восприняты приемником позже волн-помех. Отсюда возникает задача выделения полезной (поперечной),волны на
15 фоне волн-помех с целью выведения поперечной волны в «первые вступления».
Для выбора способа решения этой задачи определим .вначале условия измерения скоростей распространения поперечной волны в гор20 ных породах, слагающих стенку скважины.
Эти условия состоят в том, что в горной породе, слагающей стенку скважины, поперечная,волна после ее возбуждения излучателем распространяется по стенке вдоль ее образу25 ющей, и достигнув точки, где располагается приемник поперечной волны, регистрируется а виде осциллограммы напряжений на экране электрон но-лучевого осциллографа. Зная время распространения этой волны и базу изме20 рения, легко определить скорость волны.
234283
U=K COS- à, U,=—
50 стью L= —
Как излучатель, так и приемник касаются рабочими поверхностями стенки скважины.
При таких условиях из излучателя к приемнику приходит не только прямая поперечная волна, но и следующие, возможные типы волн, если скважина пробурена в однородном, безграничном, изотропном твердом теле: а) прямые продольные волны IIo стенке скважины; б) прямые поперечные волны по стенке сквахкины; в) прямые поверхностные волны по границе раздела «поверхность стенки скважины — буровой раствор»; г) любые из вышеуказанных типов .волн, распространяющихся по винтовым линиям на цилиндрической границе «стенка скважины— буровой раствор» (винтовые волны); д) прямые волны по буровому раствору; е) волны, многократно отраженные от стенок скважины .и снаряда.
Поскольку в любом твердом теле скорости ра спространения поверхностных волн всегда меньше скорости распространения поперечной волны, то поверхностные волны, пришедшие к приемнику как по прямой, так и по винтовой линии, придут позже прямой поперечной волны. Это же относится к винтовым поперечным волнам. Следовательно, эти типы волн должны быть исключены из разряда волн-помех.
Остальные волны являются волнами-помехами в методе прямых поперечных волн. Эти волны следующие: а) прямые продольные волны; б) продольные винтовые волны, приходящие раньше поперечных прямых волн; в) прямые волны по буровому раствору для случая, когда скорость распространения поперечной волны в горной породе меньше скорости распространения волны,в буровом растворе.
Сюда же следует отнести волны, многократно отраженные, так как способы борьбы с волнами-помехами третьего типа одни и те же.
Меры борьбы с волнами-помехами,в сейсмике следующие: а) использование распределенных фильтров, основанных на различии,в кажущихся скоростях волн различных типов (группирование фильтрации, скоростей и др.); б) применение сосредоточенных фильтров, основанных на различии в частотном составе различных волн; в) использование поляризационных признаков волн различных типов.
Применительно к поставленной задаче первые два способа не могут быть использованы по следующим причинам. Распределенные фильтры требуют значительных баз измерения, исчисляемых, по крайней мере, метрами, что при ультразвуковом каротаже практическ и .невозможно. Сосредоточенные фильтры не дают нужного эффекта, так как частотный состав волн различных типов в настоящее время недостаточно хорошо изучен, что не дает возможности спроектировать сосредоточенный фильтр, который гасил бы волну-помеху.
По указанным причинам пришлось отказаться от первых двух мер борьбы с волнамипомехами и остановиться на использовании различия поляризационHbIx признаков.
С этой целью были разработаны ультразвуковые датчики, специально предназначенные для ультразвукового каротажа на прямых поперечных волнах. Датчи.ки, обладая поляризаI ионными свойствами, позволяют применять
У вЂ” У-схему наблюдений в скважине .и, следовательно, выделить полезную волну на фоне волн-помех, различаюшихся по поляризационным признак,".м, Это дает возможность практически полностью загасить прямую продольную волну,и значительно загасить продольную винтовую волну при указанных условиях измерения скоростей распространения поперечных волн.
Подсчитаем, насколько эффективна борьба с волнами-помехами настоящим способом.
25 Если датчики повернуты на один и тот же угол относительно линии, соединяющей излучатель с приемниками, то электрическое напряжение на выходе приемника будет следующим:
30 где и — полярный угол при условии, что полярная ось перпендикулярна образующей для схемы У вЂ” У;
35 К вЂ” коэффициент пропорциональности.
Для подавления продольных поляризац ионных волн-помех необходимо применять У вЂ” Усхему .наблюдений. При этом полезная попе40 речная волна придет к приемнику с максимальной интенсивностью, которую мы примем за единицу без учета геометрического расхождения. Последнее определяется множите1 лем —, где L — база измерения. Следова45 тельно, амплитуда полез ной волны на расстоянии L от .излучателя будет пропорциональна следу|ощей величине:
Продольная прямая волна при этом будет Воспринята приемником с нулевой интенсивноТаким образом, применение У вЂ” У-схемы наблюдений с использованием указанных датчи60 ков уменьшает до нуля интенсивность продольной волны и максимально подчеркивает интенсивность поперечной.
Амплитуда продольных винтовых волн на ,выходе приемника будет пропорциональна на65 пряжению:
cos- L (-.. D)
+ (. В) - (2) 15 (9) где D — диаметр скважины; т, — число, указывающее, сколько раз путь данной винтовой волнь, пересекал линию наблюдения. Случай m=0 соответствует прямой продольной, волне.
Если учесть выражения (1) и (2), то отношение Р амплитуд прямой поперечной волны и продольной винтовой, волны будет следующее: =(- -) " " ) l (з>
/ Li
1рафик зависимости = ) представлен на чертеже. Там же представлены параметры продольной и прямой поперечной волн.
11ри (4)
У2 функция Р ммииннииммааллььнна а и и ррааввнна а 22,6. Слева or этой точки (малые базы) рассматриваемая функция растет значительно оыстрее, чем при оольших оазах измерения. Это значит, что для лучшего подавления винтовых гродольных волн выгоднее использовать малые оазы измерения. Однако при короткои оазе измерения возрастают погрешности определения скорости распространения полезной волны вследсгвие того, что горная порода на поверхности стенки скважины в связи с механическим воздеиствием:на нее при бурении находится в несколько ином механическом состоянии, чем вдали от нее. 11оэтому базы измерения желательно орать большими. Однако это в настоящее время технически трудно осуществить изза ограниченной чувствительности аппаратуры. копериментально на моделях, а также практикой ультразвукового каротажа на головных волнах установлено, что максимальная база измерения не должна превосходить примерно одного метра. 11ри этом,,как следует из чертежа, интенсивность поперечной волны не более чем в пять раз превысить интенсивность продольной винтовой (m=1, D=lb см).
Для меньших баз это соотношение будет еще меньшим. Такое соотношение сигнал — шум, естественно, не может считаться удовлетворительным при,выделении полезнои поперечнои волны только по динамическим признакам.
Поэтому необходимо привлечение кинематичеcI«Hx признаков полезных, волн и волн-помех.
Годографы ty u t винтовой продольной и прямой поперечной волн, очевидно, будут следующими: ь — = — + 1 (5) V т=— (6)
V где 1 р и V — скорости распространения продольных и поперечных волн в породе, слагающей стенку скважины. (— 1
Годограф г,(— 1 при у=1 переходит в го 1 / дограф прямой продольной волны.
На чертеже представлены все названные годографы в следующей безразмерной форме:
t,(— ) — р t,;i:=p; S; b. (8) (D j m D
Точка пересечения годографов полезной поперечной и,винтовой продольной волн соответствует аосциссе
1 L 1
D )f
1-—
L 1
При j= 1 5 она равна =, и сле25
1:2 довательно, совпадает,с абсциссой минимума отношения интенсивностей поперечнои и продольной винтовой волн.
Если учесть сказанное относительно необходимости выбора больших баз измерения, то после рассмотрения годографов полезной и мешающих волн следует, что, во-первых, эти волны различаются по кажущимся скоростям, во-вторых, винтовая продольная волна при больших базах будет наблюдаться в первых вступлениях и, следовательно, будет мешать .выделению поперечной, волны. Соотношение сигнал — шум при этом будет не больше пяти, 40 но и не меньше 2,6.
Совместное использование указанных кинематических и динамических признаков позволяет более уверенно выделить полезную (по45 перечную) волну на фоне винтовых волн.
Для лучшего использования кинематичсских признаков, очевидно, необходимо применение карреляш;онного принципа прослеживания .казанных волн. Это, в свою очередь, требует
50 применения многоэлементного каротажного зонда.
Итак, из теоретического рассмотрения задачи выделения полезной поперечной прямой волны .на фоне помех в виде прямой и вин55 товой продольных волн следует, что первая помеха полностью уничтожается при использовании поля ризационных ультразвуковых датчиков по схеме У вЂ” У наблюдений. Вторая
234283
Предмет изобретения
Составитель Э. А. Терехова
Редактор h Б. Федотов Техред А. А. Камышникова Корректор С. М, Сигал
Заказ 672,7 Тираж 465 Подписное
ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий .при Совете Министров СССР
Москва, Центр, пр, Серова, д. 4
Типография, пр. Сапунова, 2 помеха уменьшается, но не в достаточное число раз.
Для уверенного выделения полезной волны на фоне второй помехи необходим многоэле,ментный каротажный зонд с большой базой измерений и с поляризационными дагчиками.
Что касается остальных волн-помех в виде прямой волны по буровому раствору, а также многократно отраженных волн от стенок скважины и снаряда (зонда), то их можно уничтожить, если датчик акустически изолировать от бурового раствора.
Способ акустического каротажа скважин, при котором, возбуждают на стенке скважины и прини ма1от ультразвуковые импульсные колебания, отлича ощийся тем, что, с целью измерения скорости распространения полеречной волны во всем диапазоне изменения этой скорости в горных породах, проводят исследо10 ванне с помощью, поляризованных импульсных колебаний, вектор смещения которых перпендикулярен образующей скважины и находится в плоскости, касательной к поверхности скважины.