Скважинные приборы для измерения полных волновых пакетов

Такие приборы предназначены для измерения в открытых и обсаженных скважинах параметров всех информативных волн - L, Р, S, St - в широких диапазонах изменения этих параметров ( табл. 4 ). С их помощью решается наиболее широкий круг геологических и технических задач, в том числе таких сложных, как количественные определения коэффициентов трещиноватости пород и направления преимущественного распространения трещин, расчет параметров гидроразрывов и прогнозирование пространственного положения трещины разрыва, выделение проницамых интервалов, оценка текущей насыщенности пород и т.д. ( табл. 4 ).

Все приборы этой группы содержат один или два монопольных широкополосных излучателя и от 4 до 16 (обычно 8) также широкополосных (1-30 кГц) приёмников, составляющих приёмную антенну ( табл. 5 ). В качестве излучателей, расположенных через 0,5-0,76 м друг от друга, применяют пьезоэлектрические цилиндры или, редко, пьезоэлектрические сферы диаметром не менее 50 мм. Диапазон излучаемых частот - обычно 1-30 кГц при средней рабочей частоте 11-17 кГц. Приёмниками служат пьезоэлектрические цилиндры малого диаметра или сферы диаметром 20-30 мм. Расстояние между приемниками - 0,15-0,31 м, но применяют также меньшие 0,05-0,10 м и большие 0,61-1,0 м расстановки. Длины наиболее короткого измерительного зонда (расстояние между ближайшими излучателем и приёмником) изменяются в разных приборах в пределах 0,9-3,5 м, но имеется ряд приборов, по определению фирм "с особо длинными базами", в которых они составляют 4-10 м. Как правило, в сборках приборов с антеннами приёмников имеются также 1-2 преобразователя для измерения скорости упругой волны в скважинной жидкости.

Наиболее совершенные, но и сложные скважинные приборы содержат, помимо антенны монопольных приёмников, ещё и антенну из 8 дипольных приёмников, воспринимающих сигналы от одного-двух низкочастотных (1-3 кГц) дипольных излучателей. Такие излучатели выполнены из биморфных пьезоэлектрических пластин, и только в скважинном приборе LFDT фирмы Halliburton применён магнитострикционный излучатель с преобладающей частотой излучения, равной 1,5 кГц. Дипольные приёмники располагаются между монопольными; характеристики направленности соседних дипольных приёмников могут быть ортогональны друг другу. С помощью дипольных измерительных зондов измеряют скорости поперечной волны, существенно меньшие скорости упругой волны в скважинной жидкости. Остронаправленные диаграммы излучения и приёма колебаний дипольными преобразователями позволяют определять анизотропию горных пород по скорости S волны и решать тем самым геологические задачи, связанные с оценкой преимущественного направления естественных и искусственных трещин. Приборами с антеннами монопольных и дипольных приёмников владеют 3 ведущие зарубежные фирмы (Schlumberger, Halliburton, Western Atlas International). Стоимость таких приборов составляет несколько сотен тысяч долларов.

Сложность приборов с антеннами приёмников видна из описания измерительного зонда скважинного прибора MAC фирмы Western Atlas International. Блок излучателей длиной 2,11 м содержит 2 монопольных и 2 дипольных излучателя и 4 генератора для их возбуждения. Монопольные излучатели представлены обычными пьезокерамическими цилиндрами с широким диапазоном (1-20 кГц) излучаемых частот; они разнесены на 0,76 м. Низкочастотные (1-3 кГц) излучатели выполнены из биморфных пьезокерамических пластин; расстояние между ними - 0,305 м. Минимальные расстояния между одноимёнными излучателями и приёмниками составляют 2,44 м для монопольных и 2,59 м для дипольных преобразователей.

Блок приёмников длиной 3,36 м содержит две антенны из 8 монопольных и 8 дипольных приёмников. Первые выполнены из пьезокерамических цилиндров малого диаметра, полоса приёма частот - 1-20 кГц; вторые - из биморфных дисков с равномерной частотой преобразования в диапазоне 1-10 кГц. При стандартной конфигурации характеристики направленности всех дипольных приёмников направлены в одну сторону. Каждый второй из этих приёмников может поворачиваться на 90° посредством натяга гибкой сцепки управлением сверху. Таким образом, единая антенна дипольных приёмников трансформируется в две (по 4 приёмника в каждой) с ортогональной направленностью диаграмм чувствительности. Расстояние между соседними преобразователями в каждой антенне монопольных и дипольных приёмников равно 0,152 м.

Блок приёмников соединяется с электронным блоком герметичным мостом, который содержит 67 штырьков. Электронные схемы и программное обеспечение прибора обеспечивают синхронную работу всех элементов, оцифровку данных в пределах 4-8 мс с шагом 4-8 мкс с помощью четырёх синхронных 12-битовых АЦП (12МГц ЦП), фильтрацию принятых сигналов для лучшего выделения колебаний Р, S и St волн посредством применения трёх верхних и трёх нижних частот среза, передачу оцифрованных данных на дневную поверхность. Скорость передачи данных - 41,6 или 93,75 кбит/с. Динамический диапазон передаваемых данных составляет 102 дБ. Скорость каротажа определяется режимом работы скважинного прибора и решаемыми задачами; максимально - 500 м/ч. В реальном режиме времени регистрируются значения Dt_p и Dt_s, полученные по методике прослеживания фазы на основе выбранного порога срабатывания, v_p/v_s и ФКД монопольного и дипольного зондов. Погрешность измерения интервального времени продольной волны равна ±3%, поперечной - ±5%.

Не менее сложно, но более изобретательно устроен блок приёмников скважинного прибора DSI фирмы Schlumberger [139]. Прибор предназначен для измерений параметров продольной, поперечной и Стоунли волн в любых типах пород. Блок излучателей содержит один монопольный излучатель с диапазоном рабочих частот 8-30 кГц и два дипольных излучателя, обладающих равномерной частотой преобразования в диапазоне 0,1-5 кГц. Восемь приёмников, удалённых от излучателей на 2,75 и 3,4 м, общие для монопольных и дипольных зондов. Каждый из них состоит из четырёх гидрофонов, расположенных под углом 90° друг к другу. Одновременное включение всех четырёх гидрофонов позволяет получить общую равномерную диаграмму направленности, которая соответствует монопольному приёмнику. Поперечное включение гидрофонов, расположенных по диагонали, соответствует образованию двух ортогонально расположенных дипольных приёмников. Расстояние между соседними (по оси скважины) приёмниками составляет 0,152 м.

Данные прибора DSI обрабатываются при различных способах фильтрации сигналов, что обеспечивается программным обеспечением каротажной станции MAXIS 500. Интервальные времена Р, S и St волн могут быть определены по первым вступлениям этих волн выбором порога дискриминации и согласно методу STC (когерентность "интервальное время-время"). Одновременно определяются другие параметры упругих волн (амплитуда А, эффективное затухание a, преобладающие частоты f, спектр частот, интегральное время пробега волны и др.), динамические параметры упругости (К, G, Е, v) горных пород, степень напряжённого состояния и трещиноватости пород и др. Прибор DSI комплексируется со всеми другими скважинными приборами серии MAXIS и, естественно, с техническим модулем ориентации, температуры, давления.

Отечественные скважинные приборы АК, оснащённые антеннами приёмников, имеют более скромные возможности. Они оснащены антеннами только монопольных приёмников. В этом отношении такая особенность приборов АКМ, АК-6 и АКД-8, как возможность работы на одножильном кабеле, вовсе не является их преимуществом. В самом современном из них, приборе АКД-8 [16], выбрана типовая конструкция измерительного зонда. Цилиндрический пьезокерамический излучатель малой длины (25 мм), что является далеко не лучшей конструкцией этого элемента, расположен в 2,4 м от ближайшего приёмника. Снижение резонансной частоты излучателя и расширение спектра излучаемых частот достигается демпфированием активной части стальным цилиндром и выбором заднего фронта возбуждающего импульса. Восемь приёмников с резонансной частотой 22 кГц расположены через 0,1 м. Электронная часть прибора организована в режиме общего пункта возбуждения, когда при каждом возбуждении излучателя регистрируются все 8 волновых пакетов. Применение антиаляйсинговых фильтров позволяет выбрать информационные сигналы в диапазоне 2-20 кГц и усилить их 8 усилителями с кратностью 1:4:16:64. Оцифровка сигналов в приборе достигается двумя 12-разрядными АЦП с дискретностью 10 мкс во временном диапазоне 5120 мкс. При скорости передачи оцифрованных данных на поверхность, равной 100 кбит/с, обеспечивается шаг квантования по глубине, равный 0,2 м. Столь большие шаги квантования по времени и глубине сводят на нет все преимущества прибора АКД-8. В первую очередь это относится к возможности использования частотного спектра для фильтрации волновых пакетов, выделения и идентификации волн, а также и вертикальной избирательности при исследовании тонких пластов. Настораживает также заявление об отсутствии программного обеспечения обработки первичных данных и определения интервальных времен Р, S и St волн [16], хотя такое отечественное обеспечение существует даже для простых трёхэлементных зондов [34].

Сообщается [68] о разработке многозондового прибора МАК-8, предназначенного для АК через обсадную колонну. Предполагается, что измерительный зонд составят низкочастотный (менее 10 кГц) излучатель, работающий попеременно в монопольном и дипольном режимах, и 4 широкополосных приёмника, размещенных на расстоянии до 3,5 м от излучателя. Другие характеристики прибора не раскрываются.

Пожалуй, сегодня лучшим отечественным скважинным прибором, предоставляющим возможность определения с приемлемыми погрешностями параметров Р, S и St волн, остаётся АВАК-7 [25], хотя онотносится к более простому классу приборов массового применения.