Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Обоснование параметров и разработка основных узлов аппаратуры акустического каротажа для раздельного возбуждения и регистрации продольной, поперечной и Лэмба-Стоунли волн

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров и разработка основных узлов аппаратуры акустического каротажа для раздельного возбуждения и регистрации продольной, поперечной и Лэмба-Стоунли волн"

? Г Б ОД

На правах рукописи

1 7 \У

Смирнов Николай Алексеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ УЗЛОВ АППАРАТУРЫ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА ДЛЯ РАЗДЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ПРОДОЛЬНОЙ, ПОПЕРЕЧНОЙ И ЛЭМБА-СТОУНЛИ ВОЛН

Специальность: 04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тверь - 1996

Работа выполнена в научно-исследовательском и проектно конструкторском институте геофизических методов исследований испытания и контроля нефтегазоразведочных скважин (ВНИГИК НПЦ "Тверьгеофизика".

Научный руководитель доктор технических наук Козяр В.Ф.

Официальные оппоненты доктор геолого-минералогических наук

профессор Кузнецов Ю.И. кандидат технических наук Махов A.A.

Ведущая организация С.-Петербургский государственны!

горный институт (технически! университет)

Защита состоится 27 сентября 1996 г. в 14.00 часов на заседанш Диссертационного совета Д 169.13.01. в акционерном обществ! открытого типа по геофизическим работам, строительству \ заканчиванию скважин (АООТ НПП "ГЕРС") по адресу: 170034, г Тверь, проспект Чайковского, дом 28/2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИГИК НП1_ "Тверьгеофизика".

Автореферат разослан 20 августа 1996 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор физико-математических наук

Глуздовский В. В.

>ОБ!ЦАЯчХАР,АКТЕРИ(ГГИКА "РАБОТЫ 'Актуальность работы. Прирост запасов и добычи углеводородов в основных нефтегазодобывающих региона* России связан с объектами, представленными сложнопостроеннымн коллекторами, т.е. сложенными низкопористыми терригсннымн и трещинно-кавернозными карбонатными породами, а также с интенсификацией разработки старых залежей. Оценка фнльтрацнонно-емкостных свойств и насыщенности таких коллекторов и изучение геологических параметров пород в обсаженных скважинах предопределяют необходимость развития технических средств и технологий геофизических исследований скважин.

В частности, акустический каротаж (А К), основным назначением которого служило измерение интервального времени распространения первых фаз волнового пакета, представленных колебаниями головной продольной волны, дополнился волновым. акустичсскпм(,каротажом. Последний предоставляет ¡информацию о кинематических и динамиче-с сних^ характеристиках распространения как продольной, так и волн, ! вступающих в последующих фазах: поперечной, Лэмба-Стоунля и др.

Используемая для целей волнового АК широкополосная аппаратура АКШГ, АКВ-1 я ее зарубежные ,анал'ога ;(длиннозондовые приборы) имеют ряд существенных недостатков. Они не устраняются даже в случаях применения достаточно сложных и громоздких систем наблюдения, таких как антенны приемников. Ограничения обусловлены тем, что все типы волн возбуждаются в скважине одним электроакустическим преобразователем (излучателем), поэтому регистрируемая волновая картина ямеет сложный. гагтсрфсренционньШ > характер.? Из-за ин-терференцни информативных воли между собой и с регулярными вол-• нами-помехами в сложных геолого-техничесхих условиях (разрез представлен породами с аномально высоким затуханием упругих волн, трещинными н тонкослоистыми, кавернозный ствол скважины, плохие

цементирование обсадной колонны) разделение волн становится неразрешимой задачей или их характеристики определяются с большими погрешностями. Таким образом теряется информация об упругих параметрах части разреза. Большая длина зондов (3-18 м) является причиной низкого значения отношения "сигнал/шум" - основного показателя качества аппаратуры как средства измерения.

Целью работы является повышение информативности волнового акустического каротажа в сложных геолого-техническнх условиях за счет увеличения достоверности выделения пакетов основных информативных волн и точности определения их характеристик на основе разработки аппаратуры для раздельного возбуждения продольной, поперечной и Лэмба-Стоунли волн.

Основные задачи работы:

- анализ теоретических основ волнового АК, информативности волн различных типов и их основных характеристик;

• исследование и разработка элементов измерительного зонда и электронной схемы, позволяющих повысить отношение "сигнал/помеха" для каждой из информативных волн;

- изучение влияния проницаемости стенки скважины и упругих параметров нрискважинной зоны па скорость и затухание волны Лэмба-Стоунли на основе физического моделирования;

- разработка скважинного прибора для раздельного возбуждения и регистрации продольной, поперечной и Лэмба-Стоунли волн и метрологической установки для его поверки;

- опробование разработанной аппаратуры в скважинах с различными геолого-техническими условиями, анализ полученных материалов. ' '

МетодыисследсБа;;;:й:

- теоретический анализ и физическое моделирование условий воз-

буждения и распространения различных волн в скважине н горных породах:

- макетирование элементов и узлов скважннного прибора;

- опытно-методические работы в бурящихся и эксплуатационных скважинах и анализ полученных материалов.

Научная новизна работы:

- экспериментально установлено, что видимая частота и логарифмический декремент затухания колебаний в акустическом импульсе излучателя, выполненного в форме кольца или сферы из магнктосгрик-ционного или пьезокерамического материала, определяются формой возбуждающего электрического импульса: токового в обмотке магни-тостриктора и напряжения на обкладках пьезокерамкки. Собственные механические колебания таких преобразователей, находящихся в жидкости, не оказывают существенного влияния па форму акустического импульса;

- показано, что диаграмма направленносш кольцевого излучателя зависит от конструкции узла его крепления на корпусе зонда; для получения сферической диаграммы направленности недостаточно выбрать высоту излучателя, необходимо также экранировать излучение от внутренней поверхности колец, сдвинутое по фазе на 180° по отношению к излучению с внешней поверхности;

- изучено явление резонанса жидкости, заполняющей внутренний объем полых пьезокерамических преобразователей, приводящее к искажению формы принимаемого акустического сигнала. Показано, что широкополосный прием акустических колебаний осуществляется пье-зокерамическим приемником, имеющим резонансную частоту выше верхней частоты в спектре принимаемых сигналов, а внутренний объем которого заполнен твердым веществом, например, компаундом.

- разработай излучатель поршневого типа, возбуждаемый на двух

основных часг^гах: 81(1'2|5"кПг и; имеющий'дмигра«1^11аправлс11!<ости,* лепесток которой вытянут вдоль оси скважины. Этот излучатель позволяет увеличить отношение "сигнал/помеха" для поперечной волны в 5 раз по сравнению с традиционным кольцевым излучателем и регистрировать сигнал волны Лэмба-Стоунли без искажений, связанных с интерференцией с другими волнами, в любом типе разреза;

- измерениями на моделях и в скважинах доказано, что интервальное время и коэффициент затухания волны Лэбма-Стоунли чувсггви-. тельцы к упругим свойствам прискважнннон зоны, аномально реагируют на присутствие глинистой корки и, практически, не зависят от проницаемости стенки скважины.

Практическая ценность работы заключается в разработке и внедрении в производство ГИС малой серии (6 экз.) аппаратуры волнового^ акустического каротажа<(АВАК)'для регистрации продольной, поперечной и Лэмба-Стоунли волн, совместимой с компьютеризованными каротажными лабораториями.

Внедрение результатов работы. Аппаратурой АВАК выполнены ош.гшо-методические и производственные исследования в скважинах с открытым стволом и обсаженных на месторождениях Федоровское, Быстринское, Зап.-Сургутское, Маслиховское, Тундринское, Родниковое (Зап. Сибирь), Юрубченское (Вост. Сибирь), Коровинское, Южно-Сенгейское, Южно-Хыльчуюское, Ярей-Юское (Тимано-Печорска*! провинция), Оренбургское, Карачаганакское1"(Прикаспийская низменность) и др . -

Исследования выполнялись с целью выделения и оценки поровых, трещинных и порово-трещинно -каверновых коллекторов в открытом стволе, изучения реологических-свойств-глин 'для выявленияингерва^-лов возможного смятия эксплуатационных колонн, измерения через обсадную колонну скоростей распространения продольной и попереч-

ной волн для расчета параметров ги.чрортрывов пластов.

Основные защищаемые положения:

- концепция создания скважинного прибора для раздельного возбуждения н регистрации основных информативных волн: продольной, поперечной и Лэмба-Стоунлн;

- применение поршневого излучателя с основной частотой излучения в области 8 и 2 1 кГц для возбуждения поперечной и Лэмба-Стоунлн волн, соответственно:

- экспериментальные (лабораторные и скважин ные) доказательства незначительного влияния фильтрационных свойств горных пород и обсадной колонны (по сравнению с эффектами упругих параметров зон, прилегающих к стенке скважины) на кинематические и динамические характеристики волны Лэмба-Стоунлн, зарегистрированной без интерференционных искажений.

Апробация н публикация работы. По теме диссертации опубликовано три статьи в научных сборниках, получено два авторских свидетельства на изобретения. Основные положения работы доложены на съезде геоакустиков (г. Москва, 1985 г.), конференции "Компьютерные технологии ГИС" (г.Тверь, 1996 г.), заседаниях НТС производственных организаций: Поморской, Уральской ЭГИС, АООТ "Сургутнефтегаз".

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глап и заключения, содерж1гг 100 страниц машинописного текста, б таблиц, 28 рисунков, список литературы включает 88 наименований.

Работа основана на материалах исследований, выполненных автором лично или совместно с коллегами по работе во ВНИГИК и НПЦ "Тверьгеофизика" а 1983-1996 гг. Автор искренне благодарен всем, принявшим участие в работе. Особую благодарность выражаю Е.И. Богданову за актизное участие в разработках конструкций многочисленных макетных образцов АВАК, д.т.н. Д.В. Бепоконю за поддер'.жу

работы, к.т.н. A.M. Казакову и д.т.н. Е.В.Чаадаеву за помощь в подготовке текста и иллюстраций.

Автор глубоко признателен научному руководителю д.т.н. В.Ф. Козяру за внимание и помощь.

Автор также благодарен Смирновой Л.Н. за помощь в оформлении диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе на основе анализа опубликованных работ доказывается, что при нынешнем состоянии теории и техники волнового АК основными информативными волнами являются две объемные головные волны: продольная (Р) и поперечная (S) и одна поверхностная -волка Лзмба-Стоунли (L-St). Другие поверхностные волны: псевдо-Рэлеевские (p-R), включая фазу Эйри (f-A), вследствие слабой изученности и сильной дисперсии скорости следует пока рассматривать как регулярные волны-помехи.

Теоретические основы волнового АК, заложенные М.А. Biot, получили дальнейшее развитие в работах отечественных н зарубежных исследователей-: П.В.Крауклиса, ОЛ.Кузнецова, Ф.НЛяховшшмго,

B.Н.Крутима, А.С.Ибатова,. М.Г.Маркова, А.Ю.Юматова, M.R. Wyllie, A.R.Gregory, J.E.White, M.N. Toksoz, J.H.Rosenbaum,

C.H.Cheng и др. Экспериментами на пористых срезах, насыщенных флюидами, выполненными И. А. Афанасьевой, В.А.Гараннным, Л.И.Орловым, S.N.Domenico, W.Keaneth, F.Rafavich, J.D.Robertson, R.Wilkens, показана эффективность использования волнового АК для патологического расчленения разреза, включая разделение карбонатных разностей (известняков и доломитов), выделения в разрезе норовых, трещинных и смешанных порово-трещинно-каверновых коллекторов, определения межзерновой пористости пород и характера насы-

щенносги коллекторов. Упругие модули, рассчитанные по известным формулам из значений скоростей распространения продольной, поперечной волн и объемной плотности пород, используются при решении технологических задач в скважинах, например, при расчетах параметров гидроразрыва пласта.

Теоретическое и экспериментальное изучение поведения характеристик волны Лэмба-Стоунли, выполненное И.П.Дзебанем, Ю.А.Гуторовым, В.М.Гуцалюком, И.И.Исаковым, В.З.Кокшаровым, В.И.Ищенко, К.\У.\Ушк1ег, С.М.СЬепя, А.Когпб, Т.Ь.РаШе!, показывает отсутствие единства взглядов на наличие н характер их взаимосвязей с проницаемостью стенки скважины. Можно считать достоверно установленным факт тесной связи характеристик Ь-3| волны с упругими свойствами прискважинной зоны, в частности, с модулем сдвига. Поэтому интервальное время Ь^ волны может бьггь использовано для расчета интервального времени Б волны в породах, в которых скорость распространения поперечной волны меньше скорости звука в промывочной жидкости или Б волна искажена интерференцией. Характеристики Ь^ волны имеют перспективу при оценке качества крепления обсадной "колонны и выделении коллекторов, особенно низкопоровых, когда возможности традиционных методов ГИС ограничены.

Для измерения характеристик продольной волны используется аппаратура АК, позволяющая измерять интервальное время и коэффициент затухания первых фаз акустического сигнала, которые, безусловно, принадлежат колебаниям Р волны. Скважинные приборы обычно содержат короткие (длиной 1-2 метра) трехэлементные (первое поколение приборов) или черырехэлементные компенсированные (второе поколение) зонды. Упругие колебания возбувдаются на частотах 20-50 кГц. Из отечественных разработок к этому типу аппаратуры относятся приборы типа СПАК, ПАРУС (Д.В.Белоконь, А.Ф.Косолапов,

М.В.Цалюк). Для измерения характеристик Б н волн, которые регистрируются на фоне колебаний более высокоскоростных продольной и обменных волн и не поддаются детектированию простыми аналоговыми системами, потребовалась новая техника и технология АК. Так в начале семидесятых годов появилось третье поколение скважинных приборов, получившее отечественное наименование широкополосных и длинноэондовых приборов за рубежом (Ю.М.Болычевскнй, А.Ф.Андреев, И.П.Дзебань, Б.С.Вознесенский, Е.В.Карус, Л.З.Цлав, О.М.АШКат, ¿гетапек и др.). В этих приборах АКН-1, АКШ, АКВ, АКС н нх зарубежных аналогах использован принцип временного разделения волн за счет использования относительно длинных зондов (318 метров). Для увеличения амплитудной разрешенности Р и Б волн упругие колебания возбуждаются на основной частоте 10-15 кГц. Этот диапазон частот находится в области, в которой амплитуды поперечной волны преобладают над амплитудами продольной вследствие фильтрующих свойств скважины, ведущей себя как фильтр верхних частот по отношению к головным волнам. Вычисление интервальных времен и коэффициентов затухания волн производится после частотной фильтрациц и фазовой корреляции волновых пакетов, зарегистрированных в цифровой форме. Дальнейшим развитием техники широкополосного А К стала аппаратура, содержащая в скважинном приборе зонды с антенной приемников (Е.А.Аркадьев, А.Ф.Мясоедов, С.У.КипЬаП и др.). У эых зондов прием акустических сигналог производится в нескольких (8-16) точках, равноудаленных друг от друг на базе 0,5-1.5 метра.

Длиннозондовие приборы и нх разновидность - зонды с антенной приемников • имеют преимущества при разделении волн разных типов, но одновременно обладают рядом недостатков, основные из них:

- с увеличением длины зонда уменьшается отношение

"сигнал/шум", поэтому в разрезах с высоким затуханием (20-30 дБ/м) упругих колебаний, порой, не удается зарегистрировать Р и S волны;

- для одновременного возбуждения информативных волн выбирается компромиссная основная частота излучения в диапазоне 10 - |î кГц, обеспечивающая спектр излучаемых частот 5-25 кГц на уровне 0,5. Такая частота слишком низка для обеспечения точности измерения интервального времени продольной волны и недостаточно низка для возбуждении L-St волны. На частотах выше 5 кГц вместо L-St волны регистрируется фаза Эйри, которую часто идентифицируют как L-St волну, что приводит к ошибкам при истолковании наблюдаемых аномалий динамических параметров последней (Paillet T.L., Cheng С.H.). В этом диапазоне частот возбуздаются также интенсивные псевдо-Рэлееваше волмы, ие поддающиеся чгстотно-пространстгениой фильтрации и, cootsгтсгсяшо, вносящие кекзягегшя в измерения характеристик S и L-St воли;

- в тонкослоистом разрезе процедуры прослеживания осей синфаз-ности информативных волн осложияютсл, п зонды с антенной приемников становятся маяозффгктпшглии для оценки отдельных прослоек;

- Еопсфугсгггпэ ддпгдюзондогая еппгратурз неудобна в эксплуатации из-ïa тупаеепл сседшапй, большой массы и трудностей с обеспечение,! цгшретжп прнбороз в exsaaaaie.

В псслгдоге время тгтеасшзко рззвизпется новое направление в аппаратуре акустического каротажа: измерение скорости S волны го) основе регистрации изгибиых колебаний, возбуждаемых дипольнымв (мультипольиыми) преобразователями (Л.З. Цлав, A.Kitsunezaki, A L. Kurkjian, J.Zemanek и др.). В это?.! способе измерений недосаточпо раз-решет вопрос о точности соответствия скоростей пзгибпых колебаний скорости S волны. Стадия изученности методического обеспечения со* отгетегпует трзбазанетм к макетам для опытно-методических работ. :

Основызаясь на теоретических и экспериментальных работах отечественных и зарубежных исследователей, можно заключить, что три основные информативные волны, для которых создано методическое обеспечение, имеют широкий диапазон частотных и скоростных характеристик, поэтому измерение кинематики и динамики волн на основе общего волнового пакета малоэффективно. Необходимый для этого частотный диапазон 1-30 кГц невозможно обеспечить возбуждением общего акустического импульса, т.к. он должен быть короче одного периода, что, практически, недостижимо. Более того, дам каждой волны характерен свой частотный диапазон, в котором она имеет преимущественные условия образования и распространения: для продольной - более 10 кГц; для поперечной - от 5 до 10 кГц; для волны -менее 5 кГц. Различие в скоростях Р и 8 волн в 1,5-2,2 раза означает, что критические углы преломления этих волн для реальных пород и ежважшшых жидкостей находятся в диапазонах 15-90" и 30-90°, соответственно.

Из изложенного следует, что при раздельном возбуждении акустических колебаний, отличающихся по частотному спектру и направленности, для всех трех информативных волн уже при коротких измерительных зондах (1-2 м) могут быть достигнуты определенные преимущества в отношениях "сигнал/помеха" по сравнению с существующими широкополосными системами. Основное преимущество заключается в устранении необходимости временной раэрешенности волновой картины. Применение же коротких зондов повышает отношение "сигнал/шум". Этот вывод предопределил цель данной работы и задачи исследований основных элементов зонда и электронной схемы, необходимых для достижения цели.

Вторая глава посвящена исследованиям ■ разработке конструкции основных элементов измерительного зонда: излучателей и приемников

акустических импульсов, изоляторов, а также генератора импульсов возбуждения излучателей.

Излучатели условно разделены автором на три типа по числу регистрируемых информативных волн и в зависимости от того, возбуждение какой нз волн наиболее эффективно с помощью конкретного излучателя, названы излучателями Р, S и L-St волн. Сформулированы основные требования к акустическим характеристикам излучателей:

1. Излучатель Р волны должен обеспечивать спектр излучаемых частот в диапазоне 10-30 кГц на уровне 0,5 от значения амплитуды сигнала на основной частоте и иметь диаграмму направленности по форме близкую к сфере.

2. Излучатель S волны должен обладать диапазоном частот 5-10 кГц и углом раствора лепестка диаграммы направленности в 120е на уровне 0,5 от значения сигнала на оси лепестка, совпадающей с осью скважины.

3. Для излучателя L-St волны диапазон частот составляет 2 - 5 кГц на том же уровне амплитуд 0,5.

4. Все излучатели должны обеспечивать максимально возможную отдачу акустической энергии для обеспечения высокого значения отношения "сигнал/шум".

Исходя иэ этих требований, выбраны видимые частоты акустических импульсов в 20,8 и 2,5 кГц для продольной, поперечной и Лэмба-Стоунли волн, соответственно.

Излучатель Р волны. Чтобы обеспечить спектр излучения 10-30 кГц, необходимо сформировать акустический импульс длительностью не более 1,5 периода или с логарифмическим декрементом S * 15 дБ. Имеющиеся публикации по вопросу формирования широкополосного излучения (И.П. Дзебань, Ю.А. Гуторов, Ю.М. Болычевсхий) весьма противоречивы, поэтому механизм возбуждав« кольцевых магнито-

стрикционных излучателей в широком диапазоне частот изучен экспериментально. Установлено, что кольцевые витые магнитострикцион-ные преобразователи, используемые в аппаратуре АК, в воде не прояв-л нот резонансных свойств, их собственные колебания не сказываются на форме излучаемого акустического импульса. Видимая частота импульса определяется длительностью переднего фронта импульса тока, протекающего в обмотке возбуждения магнитостриктора. Длительность первого полупериода акустического илпульса (Т/2) равна времени нарастания тока от нуля до точки перешба переднего фронта импульса тока (ц), в которой достигается магнитное насыщение магнитостриктора и, соответственно, максимально возможная отдача акустической энергии. Логарифмический декремент затухания акустического импульса зависит от временного интервала между точками перегиба переднего и заднего фронтов импульса тока ф - й).Максимальное значение 8 имеет место при выполнении условия: 1г=2г|=Т. Следовательно, форма акустического импульса обусловлена формой импульса возбуждающей силы (тока в обмотке возбуждения).

Форма импульса тока определяется параметрами схемы генератора импульсов возбуждения излучателя: значениями накопительной емкости С, напряжения заряда 11о и индуктивности Ь самого излучателя или, что то же самое, количеством витков п его обмотки возбуждения. Длительность нарастания тока зависит, главным образом, от п, а С и и» определяют значение электрической энергии (и<ЛС)/2, необходимое для обеспечения возбуждения излучателя в режиме магнитного насыщения. Эмпирически получено выражение для минимальной энергии заряда: 4X8/^0*, где Б - площадь излучающей поверхности кольцевого излучателя ; Е™ • видимая частота акустического импульса, К - коэффициент, учитывающий размерность величин, входящих в вы-

ражение.

Наблюдения показали, что верно также образное утверждение, а именно: при условии одинаковых значений 1/о, С и п два излучателя одной конструкции будут идентичны по акустическим свойствам, если идентичны импульсы тока, протекающие в их обмотках возбуждения. Это свойство магнитострикторов важно для оперативной отбраковки излучателей при изготовлении больших партий приборов А К.

Пьезокерамическим преобразователем в форме сферы можно сформировать акустический импульс, аналогичный получаемому от кольцевого магнитосгриктора, возбуждая его через согласующий трансформатор со стальным цельным сердечником. Пропорциональность деформации пьезокерамики приложенному к ее обкладкам напряжению, вплоть до наступления механического разрушения, позволяет получить амплитуды акустического импульса в 1,5 раза большие, чем у равного по диаметру магнитосгриктора.

Изучением диаграммы направленности кольцевого излучателя, закрепленного в конструкции зонда, показано, что угол раствора лепестка, описываемый известной формулой: 0 = 2апзш(ХЛ1), где к -длина излучаемой волны, а Ь - высота излучателя, не соответствует наблюдаемому. Выяснено, что формула не учитывает излучение с внутренней поверхности колец, сдвинутое по фазе на 180° по отношению к излучению с внешней поверхности. В определенных конструкциях измерительных зондов, например, прибора СПАК-б, из-за этого имеет место фокусировка излучаемого акустического импульса в плоскости продольного сечекня зонда. Чтобы получить угол раствора, близкий к 180°, необходимо экранировать излучение с внутренней поверхности, что достигается специальной конструкцией крепления узла излучателя к корпусу зонда (акустическому изолятору).

Излучатель направленного действия для возбуждения 8 и Ь^ волн. В силу предпочтительности возбуждения Б и Ь-Бг волн излучателем, имеющим диаграмму направленности с лепестком , вытянутым вдоль оси скважины, а качестве такового был испытан известный (Л. Бергман) поршневой излучатель.

Оценка эффективности поршневого излучателя для возбуждения Б и Ь^ волн выполнена на модели скважины. Коэффициент подобия при эксперименте 1:10. В качестве модели использована толстостенная стальная труба (толщина стенки Дг > Х>/ 4). В эксперименте сопоставлялись между собой амплитуды продольной Ар и поперечной Аз волн, возбуждаемых, поршневым и кольцевым излучателями при одинаковых частотах излучения и оценивалось отношение Аь-а/Аз(Ар) для поршневого излучателя. Установлено, что дм поршневого излучателя отношение Аз/Ар в 5 раз больше, чем для кольцевого излучателя; отношение амплитуд, А^я/Ая(Ар) > 50 позволяет регистрировать Ь-Бс волну при амплитудах сигналов других волн, находящихся на уровне акустических шумов.

Приемники. Поскольку все три волны являются волнами давления, то они могут быть преобразованы в электрические сигналы одними и теми же приемниками, если амшнггудно-частотные характеристики последних постоянны в диапазоне частот 1-30 кГц. Автор остановил свой выбор на пьезокерамических сферах диаметром 30 мм, собственная частота колебаний которых в воздухе Гс равна 60 кГц, что удовлетворяет условию широкополосного приема. Однако в процессе экспериментов и макетирования скважинного прибора было выяснено, что полые пьезокерамические преобразователи в конструкциях с компенсацией гидростатического давления искажают форму принимаемых акустических колебаний. Причиной искажения служат собственные колебания жидкости, заполняющей внутренний объем преобразователя.

Резонансные частоты Гр этих колебаний определяются выражениями Гр = Уо/2Ь для цилнндра и Гр = Уо/4с1 для сферы, где V,, - скорость упругой волны в жидкости, Ь - длина образующей цилиндра, с1 - диаметр сферы.

Экспериментально установлена природа этих колебаний, представленных стоячей волной в жидкости, находящейся в тонкой трубке с твердыми стенками (М.А. Исакович), и найдено средство их подавления, заключающееся в заполнении внутреннего объема эпоксидным компаундом. Амплитудно-частотная характеристика такого приемника имеет вид прямой, параллельной оси частот в диапазоне от 0 до Гс.

Акустический изолятор. Для обеспечения надежной центровки в скважине и акустической изоляции излучателей и приемников между собой автором совместно с Е.И.Богдановым разработан и защищен авторским свидетельством акустический изолятор, имеющий высокую жесткость при изгибе и интервальное время распространения волны по корпусу равное 900 мке/м. Акустический изолятор состоит из двух систем отрезков стальных труб: наружных и внутренних, установленных внахлестку с радиальными и торцевыми зазорами и скрепленных точечными сварными швами.

В третьей газа® приведены результаты исследований поведения волны Лэмба-Стоуили в моделях скважины с открытым стволом и обсаженной перфорированной колонной с целью выяснения методических возможностей использования результатов измерений характеристик этой волны.

В хачестве модели скважины с откр» • > «.¡м стволом использовались блока пористых сред в форме цилиндров диаметром 250 мм и высотой 600 мм с отверстием диаметром 24 мм, проходящим вдоль оси симметрия. Материалом для моделей служили: стеклянные шарики со средним диаметром 2,3 мм, калиброванный кварцевый песок с диаметром

зерен 0,2 мм и портланд-цемент марки 600. Коэффициенты пористости моделей различались между собой на 1%, плотность - на 2% и скорости распространения Р и 8 волн - на 1 и 2%. В то же время различие моделей по коэффициенту абсолютной проницаемости Кпр составило б<?«сс 30 раз: Кпр = 138 ф • м2 для модели, состоящей из песка и цемента, и Кпр = 4000 ф • м1 для модели из стеклянных шариков и цемента. Для изучения влияния упругих параметров прискважинной зоны на характеристики волны стенка отверстия покрывалась материалом, отличающимся от основной модели по упругим и поглощакмцнм свойствам. В качестве материала, кольматирующего стенку скважины и устраняющего поглощение энергии волны в исходной модели, использовался портланд-цемент в слое толщиной 2 мм. Глинистая корка имитировалась слоем парафина 1-3 мм. Пропитка моделей водой. осуществлялась погружением в водный бассейн и выдержкой их там в течение нескольких недель. Упругие колебания возбуждались поршневым излучателем (видимая частота колебаний 25 кГц; соотношение возбуждаемых амплитуд (Аъ&/А^Ар) не ниже 50. Измерения проведены вдоль оси отверстие по профилю с шагом наблюдений 50 мм и многократно повторены с временным интервалом между циклами до 5 суток. Погрешность измерения скорости волны Лэмба-Стоунли по всем циклам составила 0,5 %, эффективного затухания - 20%. Опыт был полностью повторен на идентичных моделях. Различие .скоростей и затухания волны в основном и контрольном экспериментах составило соответственно 0% и 10%, т.е. полученные результаты можно считать достоверными. Основные результаты эксперимента сводятся к следующему:

1. Влияние межзерновой проницаемости на скорость распространения Ь^ волны не обнаружено, т.к. значения скоростей, измеренных в высоко- и низкопроницаемых моделях совпали. Скорость Ы51 волны существенно зависит от акустических параметров зоны, прилегающей к

поверхности отверстия. Наличие слоя парафина толщиной I ми уменьшает значения скорости на 12 %.

2. Коэффициенты затухания, измеренные в моделях с абсолютной проницаемостью 138 ф • м2 н 4000 ф • м2, различаются между собой меньше, чем на две погрешности измерений, поэтому нет оснований для утверждения о нали чии влияния проницаемости среды на затухание волны Лэмба-Стоунли. Значение коэффициента затухания зависит от свойств поверхности отверстия. Покрытие из материала с малым затуханием (цемент) толщиной 2 мм уменьшает затухание в 10 раз, а из материала с большим затуханием (парафин) увеличивает затухание L-St волны. Слой парафина I мм, при котором проницаемость стенки скважин уже отсутствует, увеличивает затухание на 44 дБ/м, а слой парафина толщиной 3 мм создает затухание о 100 дБ/м. Следовательно, даже тонкая "корка" из материла с большим затуханием волны Лэмба-Стоунли превосходит по своему влиянию эффект от проницаемости.

Результаты экспериментов были подвергнуты теоретическому анализу и численной проверке, которые выполнены автором со-вместсно с П.В. Крауклисом и Л.А. Краухлис. Расчет подтвердил большое влияние на характеристики L-St волны акустических параметров и размеров зон, прилегающих к поверхности скважины. Аналогичные результаты позже были получены другими исследователями: В.И. Ишенко, М.Б. Белоусовой, Ю.М. Востриковым, Ю.М. Болы-чевским, K.W. Winkler, H.L. Liu. Влияние проницаемости зоны перфорации на характеристики L-St волны впервые отмечено И.П. Дзебанем. Однако неоднозначность истолкования результатов, связанная с неучетом изменений упругости обсадной трубы после просгрелочиых работ или фрезеровки, обусловила необходимость постановки эксперимента по изучению влияния перфорационных отверстчй и деформации (раздутия, приобретения овальности) стальной трубы на затухание

волны.

В эксперименте использована стальная труба с внутренним диаметром 43 мм и толщиной стенки 3,5 мм. Ь-Б! волна возбуждалась поршневым излучателем на частоте 10 кГц (коэффициент подобна 1:5). Измерения выполнены по профильной методике при следующих условиях: 1 - груба цельная; 2 - труба перфорирована вдоль образующей круглыми отверстиями диаметром 3 мм с шагом 30 мм, т.е. без нарушения ее акустической жесткости; 3 - труба механически деформирована. Установлено отсутствие реакции фаз волны Лэмба-Стоунли на появление перфорационных отверстий. В то же время снижение поперечной упругости стенки трубы в условиях эксперимента привело к увеличению затухания этой волны на 55 дБ/м.

В четвертой главе приведены краткие сведения о конструкции скважинного прибора и средствах метрологической поверки. Электронная схема скважинного прибора выполнена в стандартной конфигурации программно-управляемых модулей АК и способна работать в связке приборов серии "П". Питание скважинного прибора осуществляется от промышленной сети 220 В 50 Гц. Передача первичной информации от скважинного прибора в каротажную лабораторию осуществляется по фантомной схеме в виде аналоговых волновых пакетов. Оцифровка пакетов длительностью 4 мс с шагом 1; 2 или 4 икс и регистрация цифровых данных производится компьютеризованным регистратором КАРАТ-П. Опрос шести зондов последовательный с временным интервалом 60 мс по квантам глубины 0,1; 0,2 или 0,5 метра. Основные технические характеристики: длина - 4000 мм, вес - 90 кг, максимальная температура окружающей среды - 150°С, формулы зондов: для регистрации Р волны - П0,5П1,5И; Б и волн • П0,5П1,7И. Выбор длины зондов произведен на основе оптимизации параметров "сигнал/шум" и "сигналУпомеха".

В конструкции узлов скважшшого прибора максимально использованы детали серийной аппаратуры СПАК б и АК-П. Коренным изменениям подвергнуты сами электроакустические преобразователи и акустические изоляторы, описанные, во второй главе. Излучатель Р волны выполнен аналогично излучателю СПАК-6, но крепится на зонде так, чтобы экранировать излучение с его внутренней поверхности. Излучатели Б и волн конструктивно совмещены и различаются только обмотками возбуждения. Фактически, это один излучатель, работающий в двух режимах. Излучатель выполнен из четырех одинаковых стержней из пф.мендюра, установленных параллельно продольной оси зонда и симметрично относительно нее, К шлифованным торцам стержней жестко прикреплены излучающий и опорный поршни массой 50 г и 3 кг, соответственно. Излучатель установлен в корпусе через герметизирующие уплотантельные кольца. Для компенсации гидростатического давления виутрення полость излучателя заполнена электроизоляционной жидкостью. Со стороны излучающего поршня, на расстоянии 30 мм, установлен отражатель, выполненный из стали и имеющий форму половины эллипсоида вращения с отношением осей 1:3. Между основанием отражателя и излучающим поршнем имеются четыре окна для выхода упругих колебаний в скважиниую жидкость.

Конструкция -крепления узла приемника аналогична используемой з аппаратуре АК-П. Сферический пркешппс диаметром 30 мм изго- • топлен го пьезохерампки 1ДТС-26 и заполнен эпоксидным компаундом.

Корпусом зоада служит акустический изолятор, списанный в главе 2.

Средство метрологической поверил, предложенное автором, представляет собой толстостенную металлическую трубу, заполненную дегазированной жидкостью. Аттестация трубы производится с помощью . эталонных излучателей, по конструкции аналогичных используемым в

зонде, и гидрофона. Наблюдения проводятся по профилю, проходящему вдоль оси трубы. Идентификация поперечной волны производится с учетом справочного значения ее скорости для материала, из которого изготовлена труба.

В пятой главе приведены примеры решения геологических задач по материалам аппаратуры АВЛК, полученным автором и специалистами производственных организаций, и дан анализ полученных результатов.

Аппаратура применена в различных регионах страны, представляющих широкий спектр геолого-техннческих условий. Исследовались скважины с открытым стволом и обсаженные, породы карбонатные и терригенные. Диапазон измеренных скоростей распространения продольной волны составил 1500-7000 м/с, поперечной - 1500-3600 м/с. Оценка качества полученных материалов проводилась на основе критериев, используемых при приемке материалов серийной аппаратуры АК, и по сравнению с данными других типов аппаратуры СПАК-б, АКВ-1. Полученные материалы оценены как имеющие хорошее качество.

Аппаратура показала высокое отношение "сигнал/шум" при регистрации Р волны - в 1,3 раза в сравнении со СПАК-6 и в 4 раза в сравнении с АКВ-1. Достигнута уверенная регистрация Р и Б волн в относительно низкоскоростных разрезах Западной Сибири, в том числе, в обсаженных скважинах.

Значения интервальных времен и коэффициентов затухания Р, Б и воли, а также фазокорреляционные диаграммы полных волновых пакетов использованы при решении следующих геологических и технологических задач:

- литологического расчленения разрезов и выделения низкопоро-вых, преимущественно, трещинных карбонатных коллекторов п сква-

2J<

жинах Тимано-Печорской провинции, Прикаспийской впадины и Красноярского края;

- определения коэффициентов пористости и упругих характеристик террнгенных коллекторов, в различной степени глинистых,' в обсаженных скважинах Западной Сибири с целью расчета параметров гидроразрыва пластов;

- изучении реологических свойств глин, залегающих на глубинах 400-700 м, для прогноза интервалов разрушения обсадных колонн на Федоровском месторождении (Зап. Сибирь);

Поведение характеристик L-St волны в необсаженных скважннах против водонасыщенных коллекторов и в обсаженных скважинах с перфорированной • колонной подтверждает результаты лабораторных экспериментов. Так, в скважине N2 Южно-Сенгейская выделяемые по комплексу ГИС и данным ГДК два водонасыщенных коллектора отличаются по Кпр более, чем на порядок, но отмечаются одинаковыми значениями. затухания L-St волны. В действующей скважнне N1124 Южно-Родниковая аномалия затухания L-St волны против интервала перфорации составляет всего 2дБ/м, что даже ниже, чем в интервалах с плохим схватыванием цементного камня с колонной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями обоснованы основные технические требования tf узлам скважннного прибора волнового АК. Показано, что для повышения достоверности измерений характеристик волн необходимо каждую волну возбуждать в собственном частотном диапазоне, формируя также соответствующую диаграмму направленности.

Приемники, используемые при регистрации всех трех волн, долж ны иметь постоянную чувствительность в диапазоне частот 1-30 кП». •по достигается заливкой компаундом внутреннего объема пьезой ;

мических сфер диаметром 30 мм.

Увеличение отношения "сигнал/шум" достигается возбуждением магнитосгрикционных излучателей в режиме магнитного насыщения, использованием коротких измерительных зондов и применением акустического изолятора с повышенной жесткостью при изгибе.

Исходя нз результатов экспериментальных исследований и опыта макетирования разработана аппаратура волнового АК - АВАК, представляющая собой акустический модуль, способный работать в связках серии "П" и обеспечивающий за одну спуско-подъемную операцию регистрацию полных волновых картин трех трехэлементных зондов, каждый из которых предназначен для измерения характеристик одной из информативных волн.

Испытания разработанной аппаратуры в скважинах, находящихся в различных геолого-технических условиях, показали ее высокую эффективность в сравнении с действующей широкополосной аппаратурой АК.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Возбуждение кольцевых магнитосгрикционных излучателей в импульсном режиме. - Геофизическая аппаратура. Л., 1986, вып. 87, с. 97-103 (совместно с Д.В. Беяоконем и А.А. Ширяевым).

2. К вопросу использования параметров волны Лэмба для определения фильтрационных свойств горных пород. - В сб. "Вопросы дин. теории распростр. сейсм. волн." Л., 1987, вып.ХХУИ, с. 159-170 (совместно с Л.А. Крауклис и П.В. Крауклисом).

3. Пьезокерамические приемники для приборов акустического каротажа. - В сб. "Новые компьют. комплексы и аппаратура для исслед. нефтегазоразведочных скважин." Тверь, 1990, с. 87-92 (совместно с Д.В. Белоконем, А.Ю. Юматовым, Б.С. Вознесенским).

4. Зонд скважинного прибора волнового акустического каротажа. A.c. СССР N1749870, G01V1/40, 1992 (совместно с Е.И. Богдановым и Д.В. Белоконем).

5. Акустический изолятор. A.c. СССР N1770928, G01V1/40, 1992 (совместно с Е.И. Богдановым).