Основные конструктивные элементы измерительных зондов

Измерительные зонды АК составляют излучатели и приёмники упругих колебаний, в совокупности обеспечивающие необходимое для измерений соотношение информационных сигналов и шума, а также акустическая развязка (акустический изолятор) между ними, препятствующая распространению сигнала-помехи по корпусу зонда. Непременными атрибутами измерительных зондов и приборов АК в целом являются центрирующие устройства, обеспечивающие соосное расположение зонда и исследуемой скважины. В зависимости от назначения скважинного прибора, решаемых с его помощью задач и условий эксплуатации перечисленные элементы зонда основаны на разных принципах работы, обладают различным конструктивным исполнением и эксплуатационными характеристиками. Вероятно, никогда не удастся достичь в этих устройствах совершенства или хотя бы каких-либо стандартов. Во всяком случае, количество изобретений в этой области знаний не снижается, хотя в отдельные годы наблюдаются всплески, обусловленные, как правило, появлением новых материалов или принципов измерений. Так, в середине 80-х годов (1983 -1986 гг.) наблюдалась "вспышка" изобретений, связанных с дипольными преобразователями. Её вызвало сообщение об успешном применении низкочастотных антисимметричных колебаний для измерения скорости распространения поперечной волны в слабоконсолидированных средах, в которых её значение v_s существенно меньше скорости v_ж упругой волны, заполняющей скважину [111]. Основными патентовладельцами способов измерений и измерительных зондов скважинных приборов АК являются фирмы Schlumberger Technology Corporation, Ezzon Production Research Company, Mobil Oil Corporation, Atlantic Richfield Company. В сфере дипольных преобразователей с ними конкурирует Горный колледж университета Акита (Япония). В сфере АК-сканеров приоритетные позиции занимают Western Atlas International, Inc. и Chevron Research and Technology Company. Российские предприятия и организации в последние 5-7 лет практически прекратили патентование, и поэтому трудно судить об уровне и направлении их деятельности в данной области техники. Отдельные появляющиеся в российской литературе сообщения носят рекламный характер и не позволяют судить об уровне разработок.

За последние годы не произошло радикальных изменений в применении материалов для изготовления монопольных электроакустических преобразователей. В приборах АК используются преимущественно электрострикторы на основе пермендюра и пьезокерамики. Применение этих материалов обусловлено их высоким электроакустическим КПД, достигающим 50% в импульсном режиме излучения и приема, технологичностью изготовления и относительно высокой термостойкостью.

Магнитострикционные материалы чаще всего применяются в отечественных приборах АК для изготовления излучателей упругих волн. В зарубежных приборах и отечественных приборах последнего поколения излучатели выполняют из пьезокерамики, очевидно, научившись преодолевать её более низкую механическую прочность. Приёмники упругих колебаний с середины 80-х годов выполняют только из пьезокерамики. Это тем более относится к АК-сканерам, в которых один и тот же преобразователь выполняет функции излучателя и приёмника. Такой преобразователь имеет, как правило, форму вогнутого пьезоэлектрического диска [135,147]. Редко в приборах массового применения предлагается использовать преобразователи, работающие на других принципах, например, электродинамические [137], хотя они заняли прочное место в зондах для исследования низкоскоростных разрезов (дипольные зонды).

Традиционно в скважинных приборах АК применялись излучатели с диаграммами направленности, близкими по форме к сферической ( рис.4 ), что обусловлено необходимостью возбуждения головных продольной и поперечной волн в широком (20°-90°) диапазоне критических углов. Такие излучатели выполняются в форме сфер и пустотелых цилиндров либо в форме двух магнитострикционных колец с общей обмоткой, включённой таким образом, чтобы маг- нитные потоки в кольцах были направлены в разные стороны. Высота h цилиндрического излучателя должна находиться в пределах 0.5l <= h <= 0,7l, где l - длина волны в скважинной жидкости на основной частоте излучателя.

В связи с растущей востребованностью измерений параметров поперечной и поверхностных волн в приборах АК всё чаще появляются монопольные излучатели направленного действия [45,82,118]. Их выполняют в двух вариантах: а) в виде колец, размещённых вдоль оси измерительного зонда и возбуждаемых с временной задержкой, чтобы обеспечить создание диаграммы направленности, вытянутой вдоль оси скважины [117]; б) в форме поршневых преобразователей с активными элементами (толкателями), выполненными из пьезокерамических столбиков или магнитострикционных стержней и излучающих энергию вдоль оси прибора. Для формирования диаграммы направленности, обращённой к стенке скважины, и уменьшения интенсивности прямой волны по корпусу прибора между поршнем и приёмником размещают отражатель.

Второй тип излучателя направленного действия нашёл большее применение вследствие простоты конструкции и надежности. Основные его преимущества состоят в следующем: более высоком (в 3-10 раз), по сравнению с традиционными излучателями, отношении амплитуд S и Р волн; возможности возбуждения доминирующей в волновом пакете волны Стоунли; уменьшении влияния обсадной колонны при измерении упругих характеристик горных пород в обсаженных скважинах. К недостаткам поршневых излучателей следует отнести заниженные в 1,5-3 раза (в зависимости от частоты и угла раскрытия основного лепестка диаграммы направленности) амплитуды продольной волны по сравнению с излучателями со сферической диаграммой направленности.

Приёмники направленного действия в виде специальных механических конструкций практически не применяются, по крайней мере, не патентуются. Большинство фирм пошли путём построения измерительных зондов с антеннами приёмников, в которых каждый приёмный элемент выполнен из пьезокерамики в форме сферы или пустотелого цилиндра со сферической диаграммой направленности. Расстояние между приёмными элементами варьирует от 0,05 до 0,20 м, длина антенны - от 0,5 до 2,0 м, количество приёмников - от 4 до 16 [5,16,81,96 и др.]. Направленность приёмной антенны создаётся программами обработки сигналов, зарегистрированных от каждого приёмника [150].

Сочетание разночастотных и направленных излучателей, приёмных антенн (в том числе фазированных) позволяет получить максимально эффективные монопольные измерительные зонды АК. С их помощью в открытых и обсаженных скважинах получают волновые пакеты продольной, поперечной и Стоунли волн с максимально возможным отношением "сигнал-помеха". Для измерения параметров поперечной волны в низкоскоростных разрезах (v_s<v_ж) востребованы дипольные (мультипольные) преобразователи.

Интенсивная разработка мультипольных преобразователей для скважинных приборов АК началась с 1980 г., когда экспериментально была доказана возможность измерения параметров поперечной волны в низкоскоростных неконсолидированных осадках [111]. Пик разработок пришёлся на середину 80-х годов, хотя патентование дипольных преобразователей продолжается до сих пор [128,145]. Принцип работы мультипольных преобразователей связан с созданием и приёмом антисимметричных колебаний и низкой чувствительностью к симметричным колебаниям ( рис. 4 , б). Это позволяет измерять значения скорости распространения поперечных (S) волн, значительно меньшие скоростей упругих волн, распространяющихся в жидкости, заполняющей скважину, и по корпусу скважинного прибора [112,113].

Основными типами дипольных преобразователей в приборах АК являются электродинамические [125] и пьезокерамические [80]. Реже предлагается изготавливать их из магнитострикционных материалов [91]. Эффективность дипольного преобразователя определяется соотношением дипольной и монопольной составляющих в общем сигнале. Монопольная компонента обусловлена неидеальной симметрией диполя и колебаниями, вызванными реакцией несущей конструкции (сигнал отдачи).

Идеальным диполем является излучатель, состоящей из двух пьезокерамических пластин, возбуждаемых противофазно [80]. Однако высокая добротность и малые относительные деформации пьезокерамических пластин не обеспечивают достаточную для приборов АК акустическую мощность излучения на низких (менее 3 кГц) частотах. Поэтому для возбуждения низкочастотных колебаний предложено конструировать диполи на основе электродинамических преобразователей, КПД которых ниже, чем у пьезокерамических. Построение магнитострикционного диполя основано на противоположной (по знаку) стрикции пермендюра и никеля. Принципиально такие диполи можно сконструировать, но строгую симметрию обеспечить трудно, и, следовательно, не удаётся добиться приемлемого соотношения амплитуд поперечной и Стоунли волн, распространяющихся с близкими скоростями.

Теоретически и на физических моделях показана возможность возбуждения антисимметричных колебаний мультипольными, в частности, квадрупольными ( рис. 4 , в) электроакустическими преобразователями [36,83,87]. Имеются также многочисленные патенты на эти преобразователи и зонды с ними, но сообщения об их применении в скважинах отсутствуют. Очевидно, преимущества квадрупольных преобразователей, обладающих явно выраженными по сравнению с монопольными преобразователями диаграммами направленности, не превалируют над их недостатками - сложностью конструкции и низким уровнем "сигнал/шум". В то же время положительный эффект применения системы ортогональных дипольных преобразователей для определения акустической анизотропии горных пород, в первую очередь, их трещиноватости, очевиден и получает в последнее время широкое распространение [100,109,124 и др.].

Применение дипольных преобразователей радикально расширило возможности АК для решения геологических и технических задач, поэтому в ближайшие годы следует ожидать их дальнейшего развития. В первую очередь должны появиться новые материалы, способные к большим деформациям и обладающие достаточно высоким КПД электроакустического преобразования, или конструкции, позволяющие увеличить мощность излучения диполя на низких (1-5 кГц) частотах. Это тем более важно, что теоретические предпосылки [26] и первый отечественный опыт исследований скважин дипольными зондами [25] свидетельствуют о более низкой мощности дипольных излучателей по сравнению с монопольными. Безусловно, актуальными будут конструкции дипольных приёмников, обеспечивающих приём полезных сигналов в двух ортогональных направлениях и обладающих достаточно высокими отношениями "сигнал/шум" Если удастся создать дипольные приёмники с резко выраженными диаграммами направленности, может возникнуть задача увеличения количества приёмников, расположенных в одной плоскости, до 6-8 с целью создания объёмного изображения скважины (технология Imager).

В последние годы получены единичные патенты на акустические изоляторы для скважинных приборов АК, что указывает на исчерпанность возможных вариантов их конструкций. В то же время необходимость измерений параметров волн, распространяющихся со скоростями, меньшими 1500-2000 м/с, вновь привлекает внимание конструкторов к решению этой задачи. Из двух возможных схем построения акустических изоляторов - гибкой и жёсткой конструкций - в последнее время преобладала первая Гибкие изоляторы, представляющие собой отрезок каротажного кабеля, использованы в серийных скважинных приборах АКШ, АК-П, АКМ. В опытных образцах прибора АКАС (ВО ИГИРГИ) акустический изолятор представляет собой цепь, собранную из отдельных колец. Такие изоляторы подавляют волну-помеху, распространяющуюся по корпусу скважинного прибора, в ущерб центровке измерительного зонда. Наоборот, жёсткие изоляторы позволяют поднять уровень полезных сигналов за счёт центровки прибора в скважине и развязки электроакустических преобразователей с корпусом зонда [66,116 и др ] Опыт применения в приборе АВАК-7 разночастотных монопольных и дипольных излучателей для преимущественного возбуждения волн разных типов свидетельствует о новых возможностях жёстких изоляторов. Данным прибором зарегистрированы значения скорости поперечной волны, равные 1000 м/с, и волны Стоунли, равные 900 м/с, на длинах измерительных зондов, близких к 1,5 м. Из-за отсутствия единства мнений по вопросу акустической развязки электроакустических преобразователей можно надеяться на появление новых технических решений этого простого, но важного узла скважинных приборов АК

К настоящему времени полностью стабилизировались конструкции центрирующих устройств измерительных зондов. Приборы для открытых скважин центрируют двумя-тремя рессорными фонарями, которые обеспечивают положение прибора на оси скважины, если диаметр последней изменяется в диапазоне 140-400 мм (реже до 500 мм). Иногда для обеспечения равномерного прижатия рессор к стенке скважины при больших изменениях её диаметра рессоры поддерживают изнутри подпружиненными штангами (тягами, рычагами) [104]. Как правило, в зарубежных приборах рессорные фонари выполнены отдельными съёмными узлами, длина которых составляет 0,9-1,1 м. Стандартными центраторами скважинных приборов акустической цементометрии и сканеров АК-цементометрии стали рычажные устройства, аналогичные применяемым в отечественных приборах гамма-гамма-цементометрии и толщинометрии СГАТ и СГДТ. Центрирование приборов с помощью этих устройств обеспечивает измерение внутреннего радиуса обсадной колонны с погрешностью ±0,7 мм [68]. Новыми элементами измерительных зондов стали резиновые или пластиковые кольца и рёбра, выступающие над поверхностью охранного кожуха и предотвращающие непосредственное соприкосновение приборов со стенкой скважины на уступах, границах каверн и других участках ствола.