Акустический зонд

Акустический зонд

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

64629!

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Соцмалмстимасиих

Республик (61) дополнительное к авт. саид-ву(22) Заявлено28.12.76 (21) 2434796/18-25

У (51) М. Кл.

Cj 01 \7 1/40 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Гасударственных кавптет

СССР аа делам язевретенкк и вткрыткй

Опубликовано 05. 02,79.Бюллетень № 5

Дата опубликования описания 08. 02.79 (53) УДК 550.834:

:622.241 (088.8) A. Ф. Косолапов, С. H. Филиппов, Ю. А. Скобочкин и В. А. Гаранин (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт геофизических исследований геологоразведочных скважин! (54) АКУСТИЧЕСКИЙ ЗОНД

Изобретение относится к технике геофизических исследований скважин и предназначено для использования в аппаратуре акустического каротажа.

Известны акустические зонды в сква.жинных приборах акустического каротажа, выполненные на базе труб, шлангов или сочлененных между собой отдельных секций изоляторов иэ эластичных материалов.

Однако, ати зонды не обладают одновременно двумя необходимыми для ка-., чественных измерений свойствами - хорошей звукоизоляцией и жесткостью конструкции (последнее необходимо для устойчивого центрирования зонда в скважине).

Наиболее близким техническим решением является акустический зонд, содер жаший центраторы, преобразователи и корпус, выполненный на базе тефлоновой трубы. Обладая достаточной жесткостью конструкции, этот зонд ограничен в звукоиэоляции упругих волн, распространяю2 шихся по его корпусу со скоростью V

=1200 м/с. Следовательно, он неприменим для исследования низкоскоростных (менее 1200 м/с)разрезов скважин.

Цель предлагаембго иэобретения—

5 улучшение эвукоизоляции акустического зонда при достаточной жесткости конструкции и качестве измерений с зондом.

Она достигается за счет использования аффекта волноводной фильтрации путем выбора критических геометрических размеров алементов зонда, удовлетворяюших .критериям волноводной фильтрации упругих волн по его корпусу и гидроволн в осевом и скважинном кольцеобразном жидкостных каналах в рабочем диапазоне частот амплитудного спектра акустических преобразователей, для чего труба облицована кольцевыми алементами иэ того же материала, внешний диаметр

20 трубы выбран равным не менее половины длины волны на нижней граничной частоте, а торшина стенки этой трубы, кольцеобразный зазор между поверхнос646291 тями скважины и наружной облицовкой трубы, высота кольцевыХ облицовочных элементов и диаметр осевого каналане более четверти длины волны на верхней граничной частоте амплитудного спектра акустических преобразователей.

На фиг. 1 дан общий вид предлагаемого акустического зонда с узкополосными преобразователями; на фиг, 2— фрагмент корпуса зонда с широкополосными преобразователями; яа фиг. 3 показано оптимальное взаимное расположение на оси частот амплитудяого спектра (кривая 1 акустических преобразователей и частотной характеристики пропускания, кривая 2 корпуса зонда с повышенной звукоиэоляцией); нв фиг. 4 даны примеры оптимальных частотных характеристик пропусквния (криввя 1 для зонда с узкополосным (18-28 кГц); кривая 2 - для зонда с широкополосным (10-40 кГц) амплитудными спектрами акустических преобразователей).

Акустический зонд — узкополосный вариант (фиг. 1) - состоит иэ несушей эластичной трубы 1, выполненной, например, из фтороплвста, переходника 2 для сочленения зонда с электронным контейнером скважинного прибора, акустических преобразователей 3, размещенных поверх трубы 1 нв резиновых демпферных кольцах 4 и развязанных между собой внешними облицовочными кольцевыми элементами 5, выполненными из . материала трубы и центраторов 6.

Корпус акустического зонда в широкополосном варианте (фиг. 2) отличается от узкополосного наличием впутренних облицовочных кол ц 7, В предлагаемых конструкциях несущая труба является основным волноводом упругих колебаний. С помощью кольцевого излучателя в несущей трубе могут быть возбуждены иэгибные "трубные волны Лэмба, длина Л.1, которых будет равна четырехкратному размеру внешнего диаметра d > атой трубы. При этом в поперечном сечении трубы, представляющей собой свернутый волйовод с параллельны ми стенками, могут бы ть врзбуждены кваэицлоские волны длиной

3.п > равной удвоенной толщине стенки этой трубы. Частоты этих волн определяются соотношением скорости распространения V в трубе и выбранных ее геометрических размеров.

Внутренний осевой канал в несущей трубе, а также кольцеобразный канал, Обрвзуюшийся между внешней ее стенкой и поверхностью скважины, звполненнь1е скважияной жидкостью, образуют еше два независимых волновода. Критические

5 частоты их определяются соотношением между скоростью распространениями® упругих волн в жидкости и соответствующими критическими длинами волн ЛО к в осевом канале, равной удвоенному зна1О чению его диаметра с1 g u яК к в кольцеобрвзном канале, равной удвоенному значению ширины (звзорв) 8 1

Внутренняя и внешйяя облицовки несущей трубы выполнены из набора коль15 цевых элементов и предназначены для подстройки частотной характеристики (полосы) пропусквния соответственно осевого и кольпеобразного гидроволноводов.

Необходимая подстройка критических частот этих волноводов осуществляется выбором толщины колец. ри этом наборы не скрепленных между собой колец представляют колебательные системы

25 слабосвязанных резонансных (полуволновых по высоте И ) эвукопоглотителей, т.е. цепочки полосавых акустических фильтров с резонансными чвстотами16 = к

К/2 К

Высокоэффективная звукоизоляция и

ПОГЛсШЕНИЕ УПРУГИХ ВОЛН В ЗаДаННОМ Рабочем диапазоне спектра частот (фиг.3), кривая 1 обеспечивается частотной характеристикой пропусквния корпуса зонда, имеющий вид "двугорбой" кривой 2 на фиг. 3 с полосой "задирания" между нижней 1 и верхней 1 граничными частотами заданного спектра акустических преобразователей. Частоты f н и f > выбираются обычно на уровне 0,1 от максимального значения амплитуды заданного спектра и принимаются границами полосы запирания волноводов. Условия эапирания на этих границах выполняются соотве гственно для волн Лэмба на. частоте 2 ь, а для кваэиплоских— на частоте . В результате волны

Лэмба с резонансной частотой f 1, обусловливают левый "горб" частотной характеристики пропускания несущей трубы, в в области правого "горба" фильтру отся квазиплоские волны с частотой

f и > в этой грубе и кввзиплоские гидроволныd П 11 и f П к соответственно в Осевом и кольцеобра1зном каналах — волноводах.

Такая частотная характеристика пропускания системы зонд-скважине достигается «ыбором критических размеров

64(3291 алементов конструкции зонда с заданным амплитудным спектром преобразователей применительно к заданному номинальному диаметру скважин.

Пример конкретного выбора размеров элементов зонда (фиг. 2) дан для узкополосного амплитудного спектра {1828 кГц) акустических преобразователей. диаметр несушей трубы d должен быть не менее половины длины X на

Н нижней граничной частоте 1 н заданного спектра, т.е.d> Л =1Гкц2 5 < =

=1200/2 18=33,4 (мм). Толшина стенок трубы не должна превышать четверти длины волны и на верхней граничной частоте 4 т,е. „, д у э

=1200/4 28=10,6 (мм), Следовательно, диаметР осевого каналас,о, = 8 2 1, =

=33,4-2 10,6=12,2 Л /, -- т„(4 ° g

=1500/4 28=13,4 (им . рак как щирина зазора кольцеобразного канала должна удовлетворять условию:Зк к.к гк /4

= 1 3, 4 мм, то наружный диаметр внешйих облицовочных колец d г, к выбирается в зависимости от номинального диаметра скважины 3 с„. Так, при d

=59 мм (рудные скважины) рекомендуется стандартный диаметр скважинногоприбора ф 48 мм. Следовательно, d „, =48 мм,5,, =/59-48/2=5,5 мм R@ <, а толшина колец1„, =7,3 мм. При этом условиебк к и сохранится при иэменениис скВ до 75 мм. Лля угольных сКВажин с с1 „в=76 мм и станпаРтного диа-. метра прибора ф 60 мм толшина колец

1Н, =13,3 мм, Высота облицовочных колец h < =t> - 10,6 мм. Внешний диаметр акустических преобразователей выбирается равным диаметру облицовочных колец,, 40 а внутренний их диаметр — равным диаметру демпферных резиновых колец.

Частота волны Лэмба „Ы?к/Л „"- к с

=.1200/4 33,4=9 (кГц). Частоты квази- плоских волн: по трубе 3 п,„U„ . t„„

=1200/2 ° 10,6=56 (кГц); по осевому каналу1о 8-Ук 2 0 „-1500/2- 12,2=

=6 (кГц); по кольцеобразному каналу приосщ=75 ммЯ„„ Ч„, 5„,=1500/2х

<.13,4=56 (кГц), а прй Д „- 59 мм, „=136 кГц, B широкополосном варианте зонда ( фиг..2) в пиапаэоце, например, 1040 кГц, оптималь ные размеры элементов корпуса будут слепуюшие:d >-60 мм;

7,5 мм;с1окь.,4 мм; диаметР нутргнннх копецс в к с т -2t< 45 мм, то» а х ь -Рэ,к-за,,)2=17,8 высота внешних и внутренних колеи )>к

7,5 мм; пРнс1 ск =100 мм,с и, =

"- 0 мм, а при Я к =- 1 46 мм,8 н

"-127 мм (нефтяные скважины). При атом

f< =5 кГц, а 3п =80 кГц (по всем волновопам).

Экспериментальные частотные характеристики пропускания акустических зоилов (фиг. 4), изготовленных по вышеприведенным размерам, хорошо согласуются с расчетными и подтверждают эффект частотной волноводной фильтрации упругих волн, распространяюшихся по их корпусам и узким жидкос тны м каналам в скважине. Характеристики сняты с помощью широкополосных (0,5-250 кГц) пьезокерамических преобразователей, воэбуждавшихся генератором звуковой частоты (ГЗ-33) в моделях скважиньг

Ф 75 и ф 100 мм, изготовленных из смеси апоксидной смолы с пластификатором и свинцовым глетогл (507 от обьема). Скорость продольных волн в моделях не превышала 1000 м/с с затуханием 80 дБ/м.. .Звукоизоляция зондов, опененная по величине относительного ослаблении амплитуд упругих волн в выбранных полосах запирания по сравнению с амплитудными максимумами на частотах 4 и

4 составляют 60-70 дБ. Абсолютное ослабление волн-помех с учетом поглошения в материале корпуса зонда длиной 21 м достигает 70-80 дБ/м.

По результатам испытания акустических зонпов {модели ПАРУС-1 М, ПАРУС-2 и ЗОНА-1) в угольных и рудных скважинах с диаметрами соответственно

76 и 59 мм в интервалах трешиноватс -слоистых порол с затуханием по .60 дБ/м превышение уровня полезного сигнала нап помехами волнами по корпусу составляет не менее 10 дБ.

Основным достоинством предлагаемого акустического зонда является возможность его использования для регис рации низких скоростей скользяших волн (по нескольких сот м/с) в сильно погло1цаюших (до 60 дБ, м) породах.

Формула изобрете ния

Акустический зонд, сопержаший звукоизоляционный корпус в виде трубы из эластичйого материала, например, фтороцласта, акустические преобразователи и.<п

ucmomu, f

20 фиг. 4 центраторы о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью улучшения звукоизоляпии при достаточной жесткости конструкции.и качестве измерений, труба облицована кольцевыми элементами иэ того же материала, причем внешний диаметр этой трубы размен не менее половины длины волны на нижней граничной

1ШИИПИ Заказ 107/37

Тираж 696 Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгород,ул Проектная,4 частоте, а толшина стенки ее, высота кольцевых элементов, внутренний диаметр осевого канала и ширина кольпеобразного зазора между поверхностями наружной облицовки трубы и скважины равны не более четверти длины волны на верхней граничной частоте амплитудного спектра акустических преобразователей.

70 4б бд IO NO

ucmomu /; г /ц