устройство и способ для акустических исследований горных пород и используемый в них акустический изолятор

Формула изобретения

1. Акустический изолятор для ослабления распространяющихся через скважинный прибор акустических сигналов, содержащий звено с набором проушин, вставляемый между проушинами промежуточный элемент с крестообразно расположенными точками шарнирного соединения и соединительный палец, соединяющий указанный промежуточный элемент с проушинами звена с обеспечением ослабления распространяющихся через прибор акустических сигналов при их прохождении от звена через соединительный палец к промежуточному элементу.

2. Акустический изолятор по п.1, содержащий также пару глухих муфт для его соединения с секциями излучателя и приемника.

3. Акустический изолятор по п.1, в котором каждое звено и каждый промежуточный элемент выполнены с осевым каналом, позволяющим пропустить через изолятор по меньшей мере один электрический провод.

4. Акустический изолятор по п.1, выполненный из металлического и/или композиционного материала.

5. Акустический изолятор по п.1, в котором каждая проушина имеет практически плоскую торцевую поверхность, обеспечивающую возможность ограниченного изгиба изолятора в заданных пределах.

6. Устройство для акустических исследований окружающих скважину горных пород, содержащее пустотелый элемент, проходящий в стволе скважины до исследуемой горной породы, излучатель, расположенный в пустотелом элементе, приемник, расположенный в пустотелом элементе на расстоянии от излучателя, и акустический изолятор по п.1.

7. Устройство по п.6, в котором излучатель содержит по меньшей мере один источник акустических волн.

8. Устройство по п.7, в котором по меньшей мере один источник акустических волн является монопольным или мультипольным источником.

9. Устройство по п.8, в котором мультипольный источник является дипольным источником.

10. Устройство по п.6, в котором приемник содержит по меньшей мере один акустический приемный элемент.

11. Устройство по п.10, в котором по меньшей мере один акустический приемный элемент представляет собой монопольный или мультипольный приемный элемент.

12. Устройство по п.11, в котором мультипольный приемный элемент является дипольным приемным элементом.

13. Устройство по п.6, в котором акустический изолятор выполнен из металлического и/или композиционного материала,

14. Устройство по п.6, в котором акустический изолятор выполнен с обеспечением электрического соединения секций излучателя и приемника.

15. Устройство по п.6, в котором пустотелый элемент представляет собой каротажный кабель, гибкую трубу или колонну труб.

16. Способ проведения акустических исследований горных пород, окружающих ствол скважины, заключающийся в том, что в ствол скважины вводят пустотелый элемент с прикрепленными к нему излучателем и приемником, расположенными на расстоянии друг от друга, возбуждают находящийся в излучателе источник акустических волн, генерируя акустические сигналы, акустические сигналы, проходящие по пустотелому элементу от излучателя к приемнику, ослабляют посредством акустического изолятора, размещенного в пустотелом элементе между излучателем и приемником и содержащего звено с набором проушин, присоединенных посредством соединительного пальца к промежуточному элементу с крестообразно расположенными точками шарнирного соединения, так что этот промежуточный элемент размещен между проушинами с обеспечением ослабления акустических сигналов, проходящих от указанного звена к промежуточному элементу через соединительный палец, и сигналы, прошедшие через горную породу и через акустический изолятор, принимают приемником, расположенным со стороны акустического изолятора, противоположной излучателю.

17. Способ по п.16, в котором в качестве источника акустических волн используют монопольный и/или мультипольный источник.

18. Способ по п.16, в котором в качестве приемника акустических сигналов используют монопольный и/или мультипольный приемный элемент.

19. Способ по п.16, в котором акустический изолятор выполнен из металлического и/или композиционного материала.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к акустическому каротажу и, в частности, к акустическим изоляторам, применяемым в аппаратуре акустического каротажа.

Широко известны приборы акустического каротажа для определения свойств материала боковой стенки стволов скважин, как обсаженных, так и необсаженных. По существу, такие приборы замеряют время прохождения акустического импульса, распространяющегося по материалу боковой стенки на участке известной протяженности. При некоторых видах исследований интерес представляют амплитуда и частота акустического импульса, прошедшего через геологическую среду.

В самом простом виде прибор акустического каротажа состоит из одного или нескольких преобразователей излучателя, периодически испускающих акустический сигнал в породу вокруг ствола скважины. После прохождения через окружающую породу этот сигнал принимают один или несколько преобразователей приемника, расположенных на известном расстоянии от излучателя. Временной интервал между моментами излучения и приема сигнала, деленный на расстояние между преобразователями, представляет собой пластовую скорость. Если преобразователи не соприкасаются с боковой стенкой ствола скважины, следует сделать поправку на запаздывание сигнала, связанное с его прохождением в скважинной жидкости.

В контексте данного описания термин "скорость", если иное особо не оговаривается, понимается как скорость распространения акустического волнового поля через упругую среду.

Акустические волновые поля распространяются через упругие среды в виде различных типов волн. К этим типам относятся: продольные волны, в которых движение частиц происходит в направлении хода волны; поперечные волны, которые при допущении однородности и изотропности среды могут быть поляризованы в двух перпендикулярных направлениях, а движение в них происходит перпендикулярно ходу акустической волны; волны Стоунли, представляющие собой поверхностные волны, распространяющиеся вдоль границы жидкой и твердой фаз в скважине; а также продольные волны, распространяющиеся через собственно скважинную жидкость. Существуют также асимметричные изгибные волны, что будет рассмотрено ниже.

Продольные волны распространяются через текучие среды и твердые тела. Поперечных волн в текучих средах не возникает. Продольные волны, распространяющиеся через скважинную жидкость, могут преобразовываться в материале стенки ствола скважины за счет рефракции в поперечные волны при условии, что скорость распространения поперечных волн в исследуемой среде превышает скорость распространения продольных волн в скважинных жидкостях. Если же это не так, то поперечные волны в материале стенки скважины могут генерироваться лишь при непосредственном возбуждении.

В числе прочих параметров различные типы волн различаются своими относительными скоростями. Скорости продольных и поперечных волн являются функцией констант упругости, а также плотности среды, через которую проходит волна. Скорость поперечной волны для практического удобства принимается примерно равной половине скорости продольных волн.

Волны Стоунли могут быть несколько медленнее поперечных волн. Продольные волновые поля, проходящие через скважинную жидкость, обычно медленнее поперечных волн, проходящих через породу, однако в том случае, когда скважины бурят в определенных типах рыхлых пород, скорость в скважинной жидкости может превышать скорость поперечной волны в породе, образующей стенку ствола скважины. Скорость изгибных волн, как полагают, приближается к скорости поперечных волн и находится в обратной зависимости от частоты акустического возбуждения. Ряд авторов называет изгибные волны псевдорэлеевскими волнами.

При каротаже скважины исследование различных типов распространения акустических сигналов дает диагностическую информацию о константах упругости горных пород, строении пласта, характере его насыщенности, проницаемости, трещиноватости, качестве сцепления цементного камня с обсадной колонной и другие данные. Обычно данные на выходе прибора акустического каротажа представляют собой диаграммы регистрации акустических волновых пакетов во временнóм масштабе (акустические волновые картины) на множестве различных уровней по глубине скважины, причем в каждом волновом пакете имеется множество разных перекрывающих друг друга вступлений, представляющих все типы волн. Для проведения количественного анализа необходимо вычленить соответствующие типы волн. Особый интерес представляют поперечные волны. Однако поскольку вступление поперечной волны запаздывает по сравнению со вступлением волны продольной, то вступление поперечной волны зачастую маскируется более поздними циклами продольной волны, а также помехами от вступлений других приходящих с задержкой волн. По этой причине известные каротажные приборы конструируются таким образом, чтобы обеспечивать подавление нежелательных волн либо за счет рационализации конструкции, либо путем последующей обработки данных соответствующими программными средствами. Как в монопольных, так и в дипольных зондах излучение и прием сигналов могут осуществляться посредством соответственно расположенных преобразователей. Поскольку в каротажных приборах измеряется интервальное время пробега сигнала, принципиально важно, чтобы взаимное пространственное расположение излучателя и приемников оставалось в процессе каротажа практически неизменным. Для монопольных сигналов расстояние между излучателем и приемниками должно оставаться практически постоянным. Для дипольных сигналов во время каротажа практически постоянными между излучателем и приемниками должны оставаться как расстояние, так и угловая ориентация.

Как известно, излучатель и приемники акустических волн устанавливаются на противоположных концах каротажного зонда. Корпус зонда обычно изготавливают из подходящего металла, такого как нержавеющая сталь или подобного, являющегося звукопроводящим. Следовательно, во избежание наложения акустических помех, распространяющихся по зонду, на проходящие через породу полезные акустические сигналы в зонде необходимо обеспечить акустическую развязку излучателя и приемников, поместив между ними акустический изолятор.

Помимо этого, применение акустических приборов с использованием гибких труб или бурильных труб привело к повышению нагрузок на акустические зонды, как осевых, так и вращательных. Например, в сильнонаклонных или горизонтальных скважинах каротажный прибор может вводиться в скважину в бурильной трубе. Для снижения сопротивления трения между трубой и стенкой скважины при подаче или извлечении каротажного прибора бурильная труба может медленно вращаться. Остаточная осевая и/или вращательная нагрузка может передаваться через прибор акустического каротажа даже во время каротажных операций.

Известные изоляторы, обычно используемые в каротажных приборах, спускаемых на кабеле, оказавшись в условиях высоких нагрузок, действующих на прибор при проведении каротажа с перемещением по скважине на трубе, показали себя довольно хрупкими либо склонными к чрезмерным деформациям в осевом или окружном направлениях. Например, в патенте US 3191141 от 22.06.1965 (Schuster) описан изолятор, расположенный между излучателем и приемником и выполненный в форме щелевой втулки. Расположение щелей задает спиралевидный путь распространения энергии акустических волн, одновременно замедляя и ослабляя волну. Применение щелевой втулки иногда дает удовлетворительные результаты для приборов только с монопольными излучателями, но зачастую не отвечает предъявляемым требованиям при использовании дипольных или прочих мультипольных излучателей. Кроме того, щелевая конструкция оказалась хрупкой при высоких осевых нагрузках.

В US 5229553 раскрывается набор приемников для прибора акустического каротажа, содержащего секции приемников, включающих внешний фланец на каждом конце, приспособленный для размещения в акустически изолированном контакте с внутренним фланцем соединительного элемента, когда прибор находится в растянутом состоянии. При этом указанные внешние фланцы включают акустически изолирующий материал, размещенный на их поверхности, а секция приемников включает внутренний фланец на каждом конце, приспособленный для размещения в непосредственном контакте с внутренним фланцем соединительного элемента, когда прибор находится в сжатом состоянии. Один из указанных соединительных элементов размещен на каждом указанном конце секций приемников, присоединяя эти секции друг к другу и к корпусу прибора.

В патентах US 4872526 от 10.10.1989 (A.Wignall и др.), US 5728978 (Roberts и др.) и US 5229553 (Lester и др.) для ослабления проходящих через прибор сигналов используются несколько зажатых элементов из эластомера, обычно резины. При проведении каротажа с перемещением по скважине на трубах такие эластомерные элементы имеют неприемлемо высокие деформации как в осевом, так и окружном направлениях. Эти деформации приводят к неприемлемым ошибкам в получаемых каротажных диаграммах, особенно при использовании мультипольных источников.

В основу изобретения положена задача создания такого акустического изолятора, который был бы достаточно гибким для прохождения через искривленные скважины и при этом достаточно жестким, чтобы обеспечивать стабильность расстояний между излучателями и приемниками каротажного прибора в осевом и окружном направлениях.

В настоящем изобретении предлагаются устройство и способ для ослабления акустических сигналов, распространяющихся через прибор акустического каротажа.

Более конкретно, для решения поставленной задачи предлагается акустический изолятор для ослабления распространяющихся через скважинный прибор акустических сигналов, содержащий звено с набором проушин, вставляемый между проушинами промежуточный элемент с крестообразно расположенными точками шарнирного соединения и соединительный палец, соединяющий указанный промежуточный элемент с проушинами звена с обеспечением ослабления распространяющихся через прибор акустических сигналов при их прохождении от звена через соединительный палец к промежуточному элементу.

В частных вариантах осуществления акустический изолятор содержит также пару глухих муфт для его соединения с секциями излучателя и приемника.

Каждое звено и каждый промежуточный элемент могут быть выполнены с осевым каналом, позволяющим пропустить через изолятор по меньшей мере один электрический провод.

Акустический изолятор предпочтительно выполняется из металлического и/или композиционного материала.

Каждая проушина имеет практически плоскую торцевую поверхность, обеспечивающую возможность ограниченного изгиба изолятора в заданных пределах.

В настоящем изобретении также предлагается устройство для акустических исследований окружающих скважину горных пород, содержащее пустотелый элемент, проходящий в стволе скважины до исследуемой горной породы, излучатель, расположенный в пустотелом элементе, приемник, расположенный в пустотелом элементе на расстоянии от излучателя, и описанный выше акустический изолятор.

В частных вариантах осуществления излучатель содержит по меньшей мере один источник акустических волн. По меньшей мере один источник акустических волн является монопольным или мультипольным источником. При этом мультипольный источник является дипольным источником.

Приемник может содержать по меньшей мере один акустический приемный элемент. По меньшей мере один акустический приемный элемент представляет собой монопольный или мультипольный приемный элемент. При этом мультипольный приемный элемент является дипольным приемным элементом.

Акустический изолятор выполнен с обеспечением электрического соединения секций излучателя и приемника.

Пустотелый элемент может представлять собой каротажный кабель, гибкую трубу или колонну труб.

Еще одним объектом изобретения является способ проведения акустических исследований горных пород, окружающих ствол скважины, заключающийся в том, что

в ствол скважины вводят пустотелый элемент с прикрепленными к нему излучателем и приемником, расположенными на расстоянии друг от друга,

возбуждают находящийся в излучателе источник акустических волн, генерируя акустические сигналы,

акустические сигналы, проходящие по пустотелому элементу от излучателя к приемнику, ослабляют посредством акустического изолятора, размещенного в пустотелом элементе между излучателем и приемником и содержащего звено с набором проушин, присоединенных посредством соединительного пальца к промежуточному элементу с крестообразно расположенными точками шарнирного соединения, так что этот промежуточный элемент размещен между проушинами с обеспечением ослабления акустических сигналов, проходящих от указанного звена к промежуточному элементу через соединительный палец, и

сигналы, прошедшие через горную породу и через акустический изолятор, принимают приемником, расположенным со стороны акустического изолятора, противоположной излучателю.

Ниже сущность изобретения поясняется на примере его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых для обозначения однотипных элементов конструкции использованы аналогичные ссылочные номера и на которых показано:

на фиг.1 - схематичное изображение расположенного в скважине каротажного устройства в одном из предпочтительных вариантов изобретения,

на фиг.2 - схематичное изображение расположенного в скважине прибора акустического каротажа в одном из предпочтительных вариантов изобретения,

на фиг.3А - схематичное изображение части изолятора в сборе в одном из предпочтительных вариантов изобретения,

на фиг.3Б - изображение в разобранном виде показанных фиг.3А деталей изолятора в одном из предпочтительных вариантов изобретения,

на фиг.4 - диаграмма принятых акустических сигналов при использовании известного изолятора, и

на фиг.5 - диаграмма принятых акустических сигналов при использовании акустического изолятора в одном из предпочтительных вариантов изобретения.

В настоящем изобретении предлагается устройство и способ для ослабления акустических волн в скважинном каротажном приборе при получении этим прибором информации о находящихся подземных горных породах, предположительно заключающих в себе залежи углеводородов.

В нижеследующем описании под осью прибора подразумевается продольная ось прибора, практически параллельная осевой линии скважины. Под угловыми смещениями подразумеваются углы, измеряемые относительно оси прибора. Под вращением подразумевается вращение вокруг оси прибора.

На фиг.1 изображена типовая буровая вышка 1, с которой в скважину 2 вводится колонна труб 6. Скважина 2 может быть искривленной, имея в том числе практически горизонтальные участки (на чертеже не показаны). В нижней части колонны труб 6 крепится прибор 10 акустического каротажа. В соответствии с общепринятой практикой к прибору 10 акустического каротажа выше и/или ниже него могут крепиться другие каротажные приборы (на чертеже не показаны). Колонна труб 6 обладает достаточной жесткостью, чтобы обеспечить введение каротажных приборов в такие искривленные скважины без деформаций с потерей устойчивости. Сам по себе каротажный прибор 10 может испытывать существенные осевые нагрузки. Кроме того, при перемещении по скважине колонна труб 6 может вращаться с целью снижения трения о боковую стенку скважины 2 или чтобы сориентировать каротажный прибор предпочтительным образом по отношению к породе 30.

Прибор 10 акустического каротажа, изображенный на фиг.2, включает в себя секцию излучателя 5, секцию приемника 3, а также акустический изолятор 4, расположенный между секциями излучателя и приемника 5 и 3. Следует отметить, что расположение секций излучателя 5 и приемника 3, приведенное на фиг.2, является лишь примером, и они могут легко поменять свое расположение относительно изолятора 4. Секция излучателя 5 может содержать источники монопольного 22 и/или дипольного 23 типа, размещенные в корпусе 51 секции излучателя, для излучения соответствующих акустических сигналов 21 в породу 30, окружающую скважину 2. Примеры таких источников описаны в патенте US 5229553, включенном в данное описание в качестве ссылки. Сигналы 21 распространяются через породу 30 и принимаются монопольными приемниками 24 и/или дипольными приемниками 25, размещенными в корпусе 52 секции приемника 3. В секции приемника 3 на заданных осевых интервалах могут располагаться несколько монопольных и/или дипольных приемников. Дипольные приемники 25 могут устанавливаться с заданной угловой ориентацией относительно дипольных источников 23.

Секция акустического изолятора 4, показанная на фиг.2, расположена между секциями излучателя 5 и приемника 3 и соединена с корпусами 51 и 52 секций излучателя и приемника соответственно с обеспечением ослабления акустических сигналов, которые могут распространяться через входящие в конструкцию прибора корпуса 51, 52 секций излучателя 5 и приемника 3. Как указывалось выше, эти сигналы, проходящие через прибор, могут искажать проходящие через породу сигналы 21 или накладываться на них, что ведет к ошибкам в интерпретации свойств породы 30. Акустический изолятор 4 состоит из заданного числа узлов 7, выполненных по типу универсального (карданного) шарнира и последовательно соединенных друг с другом. Как показано на фиг.3А и 3Б, в состав каждого узла 7 входит расположенный внутри промежуточный элемент 12 с крестообразно расположенными точками шарнирного соединения, два расположенных снаружи звена 11 с проушинами 17, 18 и соединительные пальцы 13 для соединения проушин 17, 18 с промежуточным элементом 12. Проушины 17 выполнены практически перпендикулярно проушинам 18. Промежуточный элемент 12 выполнен со сквозным каналом 27, позволяющим пропустить через него электрические провода для электрического соединения секций излучателя и приемника между собой. Помимо этого, у промежуточного элемента 12 имеется четыре боковых стороны 36a-36d, из которых 36а и 36с, а также 36b и 36d практически параллельны друг другу. Кроме того, стороны 36а, 36с практически перпендикулярны сторонам 36b, 36d. С каждой из сторон в промежуточном элементе выполнены раззенкованные отверстия 35 с поясками (на чертеже не показаны) для установки соединительных пальцев 13. В проушинах 17, 18 звена 11 высверлены соответствующие отверстия 38 такого размера, чтобы в них проходил палец 13.

Как показано на фиг.3Б, при сборке промежуточный элемент 12 оказывается окруженным проушинами 17 и 18 двух звеньев 11, при этом отверстия 35 в промежуточном элементе 12 совмещаются с отверстиями 38 в проушинах 17 и 18 звеньев 11. Обычно в группы совмещенных отверстий 38 и 35 вставляется по четыре соединительных пальца 13, которые удерживаются в этом положении при помощи фиксирующего приспособления, такого как стопорное кольцо 14, заходящее в соответствующую канавку (на чертеже не показана) на внутренней поверхности отверстия 38. Глухие муфты 31, 32, показанные на фиг.2, на одном конце снабжены набором проушин 17 для соединения с узлами 7 изолятора, а на другом - подходящим средством соединения с секциями приемника и излучателя 3, 5, например присоединительной резьбой. Электрические провода (на чертеже не показаны) проложены через центральные отверстия 26, 27 нескольких узлов изолятора и подведены к соответствующим электрическим разъемам для соединения секций излучателя 5 и приемника 3 каротажного прибора.

Как показано на фиг.3А и 3Б, торцевые поверхности 40, 41 проушин 17, 18 выполнены практически плоскими в отличие от обычных универсальных шарниров, в которых соответствующие поверхности выполняются округлыми для обеспечения свободного вращательного движения сочлененных звеньев. Аналогичным образом, практически плоскими являются поверхности 43, 44 корпуса звена 11. После сборки изолятора поверхности 40, 41 с одной стороны и 43, 44 - с другой разделены зазором 20. Специалисту понятно, что взаимодействие этих плоских поверхностей обеспечивает возможность ограниченного изгиба узла изолятора, выполненного по типу универсального шарнира, с угловым смещением звеньев по двум осям, определяемым пальцевыми шарнирными соединениями. Заданную степень изгиба изолятора можно установить, соответственно регулируя размеры проушин 17, 18 на большую или меньшую величину зазора 20. Допускаемые значения осевой и скручивающей нагрузки по существу определяются размерами соединительных пальцев 13 и проушин 17, 18, а требуемая стабильность линейных расстояний по длине прибора между приемником и излучателем и угловых расстояний между ними (относительно оси прибора) определяется люфтами и допусками в сопряжении пальцев 13 и отверстий 35 и 38. Отметим, что номинальные допуски, общепринятые при механической обработке деталей, достаточны для обеспечения осевого и углового совмещения излучателей и приемников в рамках настоящего изобретения. Предлагаемая в изобретении конструкция может масштабироваться в бóльшую или меньшую сторону для совместимости с приборами различных размеров, применяемыми в скважинах различного размера в соответствии с установившейся практикой.

Ограниченная подвижность узлов 7 обеспечивает достаточную эластичность изолятора, чтобы он мог практически гасить акустические сигналы, проходящие через прибор в виде поперечных волн. Волны продольного типа практически гасятся за счет удлиненного пути прохождения сигнала и акустических переходов на множестве пальцевых шарнирных соединений. На фиг.4 и 5 показано улучшение ослабления сигналов, достигаемое в типовом изоляторе с десятью узлами 7, в сравнении с известным изолятором, описанным в патенте US 5229553. На фиг.4 показано изменение амплитуд принятых сигналов S1-S8 по времени для группы из восьми расположенных на расстоянии друг от друга преобразователей в секции приемника. Максимумы принятых сигналов обозначены как Р1-Р8, причем обозначения Р2-Р7 на фиг.4 и 5 исключены для упрощения вида. Отметим, что пики Р1-Р8 сдвинуты во времени относительно друг друга, что указывает на возрастание интервального времени прохождения сигнала до расположенных подряд с интервалом друг от друга преобразователей. На фиг.5 показаны сигналы, полученные теми же восьмью преобразователями. Диаграмма приведена в том же масштабе амплитуды и времени, что и на фиг.4. Отчетливо видно, что при использовании предлагаемого в изобретении изолятора амплитуда полученных сигналов на примере Р1 существенно уменьшилась. Максимумы Р2-Р8 ослаблены настолько, что они уже не вполне различимы.

В предпочтительном варианте изобретения узлы 7 изолятора выполняются из металлических материалов. В другом варианте узлы 7 изолятора могут быть выполнены из известных армированных волокнами композиционных материалов. Кроме того, узлы изолятора могут иметь гибридную конструкцию, в которой используются как металлические, так и композиционные материалы.

Осуществление изобретения было рассмотрено выше на примере его конкретного варианта, однако специалисту должны быть очевидны возможности осуществления изобретения и в других видоизмененных вариантах. Предполагается, что любые такие изменения подпадают под патентные притязания, изложенные в прилагаемой формуле изобретения.