Пристрій для акустичного каротажу свердловин в процесі буріння

Изобретение относится к области сейсмоакустических исследований буровых скважин (БС) в процессе бурения, в частности для определения акустических свойств горных пород (ГП), находящихся на забое БС. Известно устройство, реализующее способ акустических исследований скважин в процессе бурения, в котором осуществляется прием упругих колебаний, возникающих при работе двигателей бурового станка при помощи датчика, расположенного на забое скважины [1]. При этом используется специальное забойное устройство, опускаемое в скважину при помощи проводного канала связи. Следует отметить, что измерение упругих параметров указанным устройством выполняются с большой погрешностью, обусловленной низким диапазоном частотного спектра колебаний, возбуждаемых при работе наземных буровых двигателей. Техническая реализация известных способов акустических исследований скважин в процессе бурения [2] и [3], основана на приеме упругих колебаний, возникающих в процессе бурения при взаимодействии бурового инструмента с горной породой, путем использования, в первом случае датчика упругих колебаний, устанавливаемого на колонне бурильных труб, а во втором, с использованием дополнительных датчиков, размещаемых на дневной поверхности в точках на расстоянии от колонны бурильных труб не менее преобладающей длины волны упругих колебаний, возбуждаемых при работе забойного бурового инструмента. Недостаток указанных устройств - низкая надежность и разрешающая способность измерения упругих параметров горных пород на забое скважины, связанная с большим уровнем помех на дневной поверхности от работающих механизмов. В качестве прототипа выбрано "Устройство для акустического каротажа скважин в процессе бурения" [4], содержащее генератор стабилизированной частоты, блок синхронизации, усилитель мощности, соединенный с входом электроакустического преобразователя, блок предварительного усиления, блок измерения амплитуды, блок регистрации и отображения информации, генератор переменной частоты, регулятор частоты, смеситель, кодер, декодер, блок измерения длительности, блок измерения отношения амплитуд, блок измерения разности длительностей, блок измерения взаимно корреляционных функций, блок измерения моментов вступления сигналов и блок измерения глубины забоя и вычисления динамического и временного разреза, причем выход регулятора частоты подключен к входу генератора переменной частоты, выход которого соединен с одним из входов смесителя, другой вход которого подключен к выходу генератора стабилизированной частоты, выход смесителя соединен с одним из входов кодера, другой вход которого подключен к выходу блока синхронизации, выход кодера соединен со входом усилителя мощности, при этом выход электроакустического преобразователя через последовательно соединенные блок предварительного усиления и декодер подключен к входам блока измерения длительности, блока измерения амплитуды, блока измерения взаимно корреляционных функций и одному из входов блока измерения моментов вступления сигнала, другой вход которого соединен с выходом блока измерения длительности и входом блока измерения разности длительностей, выход которого подключен к первому входу блока регистрации и отображения информации, второй вход которого соединен с выходом блока измерения моментов вступления сигналов, третий и четвертый входы подключены соответственно через блок измерения отношения амплитуд и блок измерения глубины забоя и вычисления динамического и временного разреза к выходам блока измерения амплитуды и блока измерения взаимно корреляционных функций. В основе решения задачи получения оперативной информации об упругих параметрах горных пород (ГП) на забое в процессе бурения лежит принцип акустического зондирования непосредственно с устья скважины. Его реализация базируется на использовании низкочастотных колебаний с мощностью в импульсе, обеспечивающей уверенный прием сигнала на фоне помех, с учетом затухания, при двухкратном прохождении интервала устье-забой скважины и потерь энергии при отражении. В известном устройстве низкочастотные колебания зондирующего сигнала возбуждаются путем использования параметрической антенны (ПА). Электроакустический преобразователь при этом выполняет функцию преобразователя накачки, на него подаются два сигнала высокой частоты. В процессе измерения электроакустический преобразователь опускается в скважину непосредственно в буровой раствор. При этом возникают два фактора влияющие на процесс получения волны разностной частоты, во-первых, существенно увеличивается затухание упругих колебаний в буровом растворе при повышении частоты, во-вторых, наличие криволинейной отражающей границы, образованной внутренней поверхностью обсадной колонны. Появление отраженного поля в области взаимодействия двух высокочастотных волн накачки приводит к расфазировке волны разностной частоты, и как следствие, падение уровня зондирующего сигнала. Учитывая тот факт, что достигнутый в настоящее время коэффициент преобразования ПА в оптимальных условиях не превышает единиц процента от уровня звукового давления волн накачки, то дальнейшее падение энергии зондирующего сигнала за счет отражающей границы в условиях скважины приводит к уменьшению глубинности измерения и понижению его надежности. Для уменьшения влияния отражающей границы на формирование волны разностной частоты целесообразно повысить частоту волн накачки, но при этом за счет значительного затухания упругих колебаний в буровом растворе существенно сокращается длина эффективной области взаимодействия. Это приводит к расширению диаграммы направленности и как следствие появлению волн отражения, приводящих к расфокусировке волны разностной частоты. Иными словами, использование ПА в условиях скважины не позволяет обеспечить в низкочастотном диапазоне требуемую мощность для зондирования забоя с устья скважины на всех реальных глубинах бурения. Следует также отметить, в известном устройстве как уже отмечалось, электроакустический преобразователь в процессе измерения должен опускаться в скважину на уровень нахождения буровой жидкости. Проведение спускоподъемных операций и необходимость доступа вовнутрь скважины нарушает технологические процессы бурения. В основу изобретения поставлена задача повышения глубинности и надежности измерения акустических свойств горных пород, находящихся на забое бурящейся скважины. Задача решается благодаря тому, что в известное устройство для акустического каротажа скважин в процессе бурения, содержащее устройство возбуждения, включающее блок синхронизации, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, генератор переменной частоты с подключенным к нему регулятором частоты, кодер, а также устройство приема и обработки, включающее блок предварительного усиления, блок измерения амплитуд, блок регистрации и отображения информации, декодер, блок измерения длительности, блок измерения отношения амплитуды, блок измерения разности длительностей, блок измерения взаимно корреляционных функций, блок измерения моментов вступления сигналов, блок измерения глубины забоя и вычисления динамического и временного разреза, при этом выход блока предварительного усиления через декодер подключен к входам блока, измерения длительности, блока измерения амплитуды, блока измерения взаимно корреляционных функций и одному из входов блока измерения моментов вступления сигналов, другой вход которого соединен с выходом блока измерения длительности и входом блока измерения разности длительностей, выход которого подключен к первому входу блока регистрации и отображения информации, второй вход которого соединен с выходом блока измерения моментов вступления сигналов, третий и четвертый входы подключены соответственно через блок измерения отношения амплитуд и блок измерения глубины забоя и вычисления динамического и временного разреза к выходам блока измерения амплитуды и блока измерения взаимно корреляционных функций, устройство возбуждения дополнительно снабжено многосекционным электроакустическим преобразователем, многоканальным блоком фазового сдвига, кодер и усилитель мощности выполнены многоканальными, а устройство приема и регистрации снабжено схемой "окна разрешения", причем выход генератора переменной частоты подключен к входу многоканального блока фазового сдвига, "n" выходов которого подключены к "n" входам многоканального кодера, каждый из "n" выходов которого соединен с одним из "n" входной многоканального усилителя мощности, "n" выходов которого соединены с "n" секциями многосекционного электроакустического преобразователя, многоканальный кодер одновременно подключен также к блоку синхронизации, нижняя со стороны забоя "n + 1" секция многосекционного электроакустического преобразователя подключена на вход схемы "окна разрешения", управляющий вход которой соединен с блоком синхронизации, выход схемы "окна разрешения" подключен на вход блока предварительного усиления. При этом каждая секция многосекционного электроакустического преобразователя выполнена в виде полого цилиндра, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра обсадной колонны, а сам многосекционный электроакустический преобразователь выполнен в виде отдельной сборки, нижний конец которой соединяется с выходом обсадной колонны на дневную поверхность, а верхний с технологическим оборудованием буровой скважины. Признаками предложенного технического решения, отличительными от прототипа, являются: устройство дополнительно содержит: могосекционный электроакустический преобразователь; многоканальный блок фазового сдвига; схему "окна разрешения"; кодер и усилитель мощности выполнены многоканальными; каждая секция многосекционного электроакустического преобразователя выполнена в виде полого цилиндра, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра обсадной колонны, а многосекционный электроакустический преобразователь конструктивно выполнен в виде отдельной сборки, нижний конец которой соединяется с выходом обсадной колонны на дневную поверхность, а верхний с технологическим оборудованием буровой скважины. Сущность предложенного устройства заключается в использовании дополнительных узлов и блоков, которые вместе с другими известными обеспечивают достижение нового положительного эффекта. Как уже отмечалось, в известном устройстве возбуждение низкочастотных зондирующих сигналов осуществляется путем использования параметрической антенны. На акустический преобразователь от генераторов стабилизированной и переменной частоты, через смеситель, кодер и усилитель мощности подается напряжение с ультразвуковыми частотами излучения f 1 и f 2. За счет нелинейных эффектов в скважинной жидкости возникает низкочастотный сигнал разностной частоты f н = f 2 - f 1. Однако, низкие энергетические параметры зондирующих сигналов, возбуждаемых известным устройством, не позволяют надежно определять упругие параметры горных пород на забое скважины, особенно с увеличением ее глубины. Повышение мощности излучения низкочастотных зондирующих сигналов в скважинных условиях связано с определенными техническими трудностями. Как известно, частота излучения обратно пропорциональна габаритным размерам преобразователя. На низких частотах (десятки, сотни герц) линейные размеры преобразователя значительно превышают диаметр скважины. В предлагаемом устройстве электроакустический преобразователь выполнен в виде полого цилиндра, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра обсадной колонны. Ясно, что в этом случае ограничений по габаритам преобразователя, а, следовательно, и по низкой частоте не существует. Для увеличения энергии низкочастотных зондирующих сигналов применяется метод пространственного сложения мощностей отдельных сигналов. С этой целью в предлагаемом устройстве используется многосекционный электроакустический преобразователь, отдельные секции которого размещены линейно и смешены относительно друг друга на фиксированное расстояние. При возбуждении зондирующего сигнала первой секцией и подходе его (в виде упругих колебаний) ко второй и последующих секций производится электрическое синфазное возбуждение указанных секций. Распространяющейся в скважинной жидкости зондирующий сигнал после прохождения очередной секции увеличивает свой уровень. Дополнительные узлы и блоки в предлагаемом устройстве обеспечивают процесс возбуждения низкочастотных зондирующих сигналов повышенной мощности. Дополнительный узел многоканальный блок фазового сдвига обеспечивает требуемую задержку электрического возбуждения всех последующих секций по отношению к первой. Дополнительные узлы, многоканальные кодер и усилитель мощности, включенные в цепь возбуждения каждой секции, обеспечивают формирование заданного сигнала, задержку и требуемую мощность для возбуждения многосекционного электроакустического преобразователя. Кроме того, в предлагаемом устройстве многосекционный акустический преобразователь выполнен в виде отдельной секции, нижний конец которой соединяется с выходом обсадной колонны на дневную поверхность, а верхний с технологическим оборудованием буровой скважины. Такая конструкция многосекционного акустического, преобразователя при использовании предлагаемого устройства не требует проведения спуско-подъемных операций и не влияет на проведение требуемых технологических операций в процессе бурения. Устройство приема и обработки, включая блок предварительного усиления, блок измерения амплитуды, блок регистрации и отображения информации, декодер, блок измерения длительности, блок измерения отношения амплитуд, блок измерения разности длительностей, блок измерения взаимно корреляционных функций, блок измерения моментов вступления сигналов, блок измерения глубины забоя и вычисления динамического и временного разреза, используемое в известном устройстве, остается без изменения в предлагаемом за исключением дополнительного узла - схемы "окна разрешения", включенной между приемной секцией многосекционного акустического преобразователя и предварительным усилителем. Схема "окна разрешения" подключает предварительный усилитель к приемной секции многоканального акустического преобразователя в момент прохождения зондирующего сигнала, идущего к забою скважины и в момент возвращения к устью скважины отраженного сигнала от раздела скважинная жидкость - горная порода на забое. Этим достигается снижение вероятности попадания акустических помех в тракт устройства приема и обработки. Сущность предложенного устройства для акустического каротажа скважин в процессе бурения графически представлена на чертежах, где на фиг.1 показана структурная схема реализации предлагаемого устройства; на фиг.2 конструкция многосекционного электроакустического преобразователя в виде отдельной сборки. Устройство для акустического каротажа скважины в процессе бурения (фиг.1) содержит устройство возбуждения t, включающее блок синхронизации 2, многоканальный усилитель мощности 3, многосекционный электроакустический преобразователь 4, генератор переменной частоты 5, регулятор частоты 6, многоканальный кодер 7, многоканальный блок фазового сдвига 8, и устройство приема и обработки 9, включающее блок предварительного усиления 10, блок измерения амплитуды 11, блок регистрации и отображения информации 2, декодер 13, блок измерения длительности 14, блок измерения отношения амплитуд 15, блок измерения разности длительностей 16, блок измерения взаимно корреляционных функций 17, блок измерения моментов вступления сигналов 18, блок измерения глубины забоя и вычисления динамического и временного разреза 19, схему окна разрешения 20, выход регулятора частоты 6 подключен к входу генератора переменной частоты 5, а выход генератора переменной частоты 5 подключен к входу многоканального блока фазового сдвига 8, "n" выходов которого подключены к "n" входам многоканального кодера, "n" входов которого соединены с многоканальным усилителем мощности 3, "n" выходов которого соединены с "n" секциями многосекционного электроакустического преобразователя 4, многоканальный кодер 7 одновременно подключен к блоку синхронизации 2, нижняя со стороны забоя "n + 1" секция многосекционного электроакустического преобразователя 4 подключена на вход схемы "окна разрешения" 20, управляющий вход которой соединен с блоком синхронизации 2, выход схемы "окна разрешения" 20 подключен на вход блока предварительного усиления 10, выход блока предварительного усиления 10 через декодер 13 подключен к входам блока измерения длительности 14, блока измерения амплитуды 11, блока измерения взаимно корреляционных функций 17 и к одному из входов блока измерения моментов вступления сигнала 18. другой вход которого соединен с выходом блока измерения длительности 14 и входом блока измерения разности длительностей 16, выход которого подключен к первому входу блока регистрации 12, второй вход которого соединен с выходом блока измерения моментов вступления сигналов 18, третий и четвертый входы подключены соответственно через блок измерения отношения амплитуд 15 и блок измерения глубины забоя и вычисления динамического и временного разреза 19 к выходам блока измерения амплитуды 11 и блока измерения взаимно корреляционных функций 17. Конструкция многосекционного электроакустического преобразователя 4 (фиг.2) состоит из набора пьезокерамических колец 21, резинового покрытия 22, защитного, акустически прозрачного экрана 23, акустической развязки 24, кожуха 25, гермовводов высокого давления 26, отверстия для заливки жидкости 27, пробок 28, нижнего фланца 29, верхнего фланца 30. Каждая секция многосекционного акустического преобразователя выполнена в виде полого цилиндра, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра обсадной колонны. Полый цилиндр составлен из набора пьезокерамических колец 21, на поверхности набора имеется резиновое покрытие 22. Для выхода акустической энергии во внутреннюю полость колонны служит защитный, акустически прозрачный экран 23, выполненный из пластика с низким волновым сопротивлением. Одновременно он исключает попадание бурового раствора во внутрь секции. Каждая секция имеет отверстие 27, при помощи которого внутренняя полость для компенсации давления в буровом растворе заполнена жидкостью, а пробка 28 обеспечивает герметичность. Для электрического подключения каждой секции имеются гермовводы высокого давления 26. "n + 1" секция, которая используется как приемный электроакустический преобразователь, имеет акустическую развязку 24, которая служит для уменьшения уровня помех от колебаний, распространяющихся по металлическим конструкциям. Металлический кожух 25 имеет несущую и защитную функции. Его прочность должна обеспечить предельные давления в буровой жидкости, используемые в технологии бурения. Многосекционный электроакустический преобразователь конструктивно выполнен в виде отдельной сборки, его нижний фланец 29 соединяется с обсадной колонной в месте выхода на дневную поверхность, а верхний фланец 30 с технологическим оборудованием буровой скважины. Устройство работает следующим образом. Напряжение с выхода генератора переменной частоты 5 с заданной частотой, устанавливаемой регулятором частоты 6, подается на вход многоканального блока фазового сдвига 8, сдвинутые на требуемую величину по фазе сигналы подаются на многоканальный кодер 7, где осуществляется формирование "n" сдвинутых во времени зондирующих сигналов с заданным кодированием (модуляцией). Последние, через многоканальный усилитель мощности 3 подаются на "n" секций многосекционного электроакустического преобразователя 4. Временная привязка осуществляется блоком синхронизации 2. Все зондирующие сигналы по отношению к сигналу в первой секции задержаны путем временного и фазового сдвига на интервал времени, равный времени прохождения упругой волны от первой секции ко второй и последующим секциям. Это позволяет произвести энергетическое сложение сигналов и тем самым обеспечить требуемый уровень излучаемого сигнала для зондирования забоя по всей глубине скважины. Нижняя по отношению забоя "n + 1" секция при помощи акустической развязки 24 обеспечивает подавление помех, распространяющихся по кожуху 25. Выход указанной секции соединен со схемой "окна разрешения" 20, а выход последней подается на вход блока предварительного усиления 10. Использование схемы "окна разрешения" 20 позволяет повысить помехоустойчивость, так как она подключает "n + 1" секцию к блоку предварительного усиления сигнала 10 в момент прохождения зондирующего сигнала, идущего к забою. Этот сигнал является опорным и используется для дальнейшей обработки. Затем приемный канал отключается на время прохождения упругих колебаний на участке устье скважины - забой-устье скважины и включается снова при подходе отраженного сигнала. Отраженные от горных пород, находящихся ниже забоя буровой скважины в интервале длины волны зондирующего сигнала, упругие колебания усиливаются в блоке 10. После усиления принятых сигналов в блоке 13 происходит операция декодирования полезных сигналов. Выделенные на фоне помех полезные сигналы f и поступают на входы 11, 14 и 17, где осуществляется измерение интенсивности K(f и), длительности T(f и) отраженных упругих колебаний и вычисление функций взаимной корреляции излучаемых и отраженных сигналов ФВК. Регулирование частоты излучения упругих колебаний f и (следовательно, и регулирование длины волны излучения) осуществляется при помощи регулятора частоты 6 генератора переменной частоты 5 для получения частоты зондирующего сигнала, находящейся в частотном диапазоне 10 - 1000Гц через временные интервалы Dt, задаваемые кодером 7, Такое регулирование частоты излучения и кодирование частотно-модулированных сигналов, например, в двоичном коде, позволяет осуществить частотное зондирование горных пород, находящихся под забоем скважины, на разных глубинах исследования и, таким образом, определить истинные акустические характеристики пород, неискаженные фильтратом бурового раствора, заведомо до их вскрытия, и вместе с тем обеспечить максимальную дальность передачи и приема акустических информационных сигналов. В блоках 15, 16 и 18 осуществляется сопоставление параметров и измеренных на различных частотах f I, и измерение моментов вступления отраженных сигналов; определяемых по максимумам ФВК, - tок. Вид зависимостей a(f I), T(f I) и величины tок позволяют прогнозировать наличие продуктивных пластов-коллекторов в исследуемом геологическом разрезе и, кроме того, определять их коллекторские свойства. Измерение функции взаимной корреляции ФВК сигналов, отраженных от горных пород, находящихся под забоем, позволяет также в блоке 19 вычислить временные задержки Dt' между максимумами ФВК, по которым измеряется глубина забоя скважины при известной скорости распространения продольных колебаний Vр в столбе жидкости и вычисляется временной разрез горных пород, находящихся под забоем буровой скважины. Одновременно в блоке 19 производится операция построения динамического разреза горных пород, находящихся под забоем по величинам максимумов ФВК отраженных сигналов на различных частотах излучения. Величины отношения амплитуд, разности длительностей и временной и динамический разрезы регистрируются в аналоговом и цифровом виде в блоке 12. Заранее определив затухание зондирующего сигнала на выбранной частоте f' и при прохождении сигналом расстояния, равного удвоенной длине пути: "многосекционный электроакустический преобразователь 4 - забой скважины", и принимая отраженный сигнал, по величине интенсивности сигнала K(f'и) определяется коэффициент отражения K0(f'и), усредненный на расстоянии, равном длине волны l' излучения зондирующего сигнала f' и. Повысив частоту зондирующего сигнала вдвое определяется коэффициент отражения K0(f"и), усредненный на расстоянии. При этом, если то отражающий слой горных пород можно интерпретировать как однородный по своим акустическим свойствам с толщиной h = l'; если то плотностные параметры горных пород, находящихся под забоем скважины, с глубиной увеличиваются, если то плотностные параметры горных пород, находящихся под забоем скважины, с глубиной уменьшаются. Увеличение числа используемых зондирующих сигналов с различными частотами f и позволяет повысить степень детализации геологического разреза, находящегося ниже забоя буровой скважины. Устройство позволяет прогнозировать непосредственно в процессе углубления ствола скважины находящиеся под забоем пластыколлекторы, в том числе зоны с аномально высоким (низким) пластовым давлением, что дает возможность оптимизировать процесс проходки нефтяных и газовых скважин с точки зрения качественного вскрытия пластов-коллекторов и сохранения в процессе вскрытия их коллекторских свойств. Преимущество предлагаемого устройства по отношению к известному заключается в следующем: предлагаемое устройство обеспечивает получение низкочастотных зондирующих сигналов более высокого уровня, тем самым повышается глубинность и надежность измерения упругих параметров на забое скважины; при использовании предлагаемого устройства отпадает необходимость в проведении спускоподъемных операций, само устройство не влияет на проведение требуемых технологических операций, что позволяет осуществлять сейсмоакустический мониторинг на всех этапах процесса бурения; полученные в процессе проведения сейсмоакустического мониторинга коэффициенты отражения пластов горных пород, пересекаемых скважиной по всей ее глубине, позволяют значительно уменьшить погрешности, связанные с влиянием зоны малых скоростей на интерпретацию данных сейсморазведки; предлагаемое устройство позволяет путем расшифровки отраженных сигналов получить сейсмоакустический "портрет" скважины, выделить муфты, участки сопряжения труб разного диаметра, каверны и их размеры, а также другие неоднородности с привязкой по глубине, что может служить документом о техническом состоянии скважины на момент измерения.