Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ В СКВАЖИНЕ ГЕОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Устройство относится к геофизике и применяется для исследования нефтегазовых и параметрических скважин путем изучения характеристик естественных геоакустических сигналов (ГАС) в диапазоне частот 0,1-5,0 кГц, отражающих особенности геодинамики и процессов флюидогазодинамики в объеме геологической среды скважины. Целью таких измерений является определение местоположения в стволе скважины и околоскважинном пространстве тектонических нарушений, зон ослабленных пород, выявления движения флюидов, таких как вода, нефть и газ, в поровом пространстве.

Использование геоакустических датчиков с относительными коэффициентами поперечного преобразования не более 6% позволяет уверенно разделять сигналы по направлениям в пространстве путем их сравнения по амплитудам в разных полосах частот. Измеряемыми параметрами являются геоакустические сигналы ГАС, регистрируемые тремя датчиками в трех частотных диапазонах: 100÷500 (1), 500÷5000 (2) и 2500÷5000 (4) Гц. Сигналы, поступающие с 2-х горизонтальных датчиков, программным способом преобразуются в модуль горизонтальной составляющей вектора геоакустического сигнала. По амплитудным уровням ГАС разных частотных диапазонов можно провести разделение источников, генерирующих эти сигналы: процессы интенсивного трещинообразования в геологической среде, движение флюидов в пластах-коллекторах, затрубные перетоки и т.п. Так, в толще водонасыщенных осадочных пород уровень ГАС ограничивается первым частотным диапазоном до 500 Гц, проявление сигналов в диапазоне частот 500-1500 Гц связано с движением нефтенасыщенных флюидов, сигналы на частоте выше 2500 Гц связаны, как правило, с интенсивным газовыделением. По амплитудному уровню горизонтальной и вертикальной составляющих вектора ГАС, можно сделать заключение о том, в какой плоскости происходит движение.

Для того чтобы определить направление на источник, генерирующий измеряемые сигналы, представляемое устройство дополнено тремя гравитационными датчиками - акселерометрами (X_g, Y_g, Z_g), которые измеряют проекции ускорения силы тяжести на свои оси чувствительности. Акселерометры установлены в корпусе скважинного прибора таким образом, что их оси чувствительности совпадают по направлению соответственно с осями чувствительности датчиков геоакустических сигналов.

Известно устройство [1], содержащее расположенный в скважинном приборе датчик вибрации (пьезодатчик), усилитель и наземный пульт. Недостатком этого устройства является то, что оно не может измерять три компоненты вектора вибрации и определять направление на источник вибрации.

Известно устройство [2], содержащее в скважинном приборе три взаимоортогональных датчика геоакустических сигналов, коммутаторы, частотный модулятор. К недостаткам прибора относится то, что он не может определить направление на источник геоакустических сигналов.

Наиболее близким техническим решением является устройство [3], содержащее в скважинном приборе три взаимоортогональных датчика геоакустических сигналов, коммутаторы, усилитель сигналов, блок фильтров, аналого-цифровой преобразователь, два гравитационных преобразователя. К недостаткам следует отнести то, что значение зенитного угла, вычисляемое из амплитуд гравитационных датчиков, установленных перпендикулярно оси скважинного прибора, производится с большой ошибкой.

Устройство для измерения в скважине геоакустических сигналов, содержащее три взаимоортогональных датчика геоакустических сигналов, первый коммутатор, усилитель, блок фильтров, выпрямитель, третий коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, блок передачи, блок питания, блок управления, два гравитационных преобразователя, отличается тем, что в него дополнительно введен гравитационный преобразователь, ось чувствительности которого направлена по оси скважинного прибора, три усилителя с высоким входным сопротивлением и компенсатором входного напряжения, второй коммутатор, входы которого подключены к выходам блока полосовых фильтров, а выход - к входу выпрямителя, датчик внутренней температуры скважинного прибора, подсоединенный к входу третьего коммутатора, генератор гармоник калибровки, выход которого подключен к входу первого калибратора.

На чертеже изображена функциональная схема устройства, состоящая:

1, 2, 3 - гравитационные преобразователи,

4, 5, 6 - усилители с высоким входным сопротивлением и компенсатором входного напряжения,

7, 8, 9 - датчики геоакустических сигналов,

10 - первый коммутатор,

11 - усилитель геоакустических сигналов,

12 - блок полосовых фильтров,

13 - второй коммутатор,

14 - выпрямитель геоакустических сигналов,

15 - третий коммутатор,

16 - аналого-цифровой преобразователь,

17 - блок передачи,

18 - датчик для измерения температуры бурового раствора,

19 - датчик для измерения внутренней температуры в скважинном приборе,

20 - блок питания,

21 - блок управления,

22 - генератор гармоник калибровки,

23 - одножильный каротажный кабель.

Устройство работает следующим образом. Цикл работы состоит из пятнадцати тактов. Первый такт работы устройства является паузой в передаче информации блоком 17, что позволяет синхронизировать последовательность тактов, следующих за паузой. Во второй, третий и четвертый такты выходные напряжения блоков 4, 5, 6 подаются на входы третьего коммутатора 15 и далее на АЦП 16 и блок передачи 17. Напряжения, подаваемые на вход блока 15 в каждый такт (второй, третий, четвертый…):

где K_X, K_Y, K_Z - коэффициенты преобразования акселерометров;

ϕ - зенитный угол скважины;

U_K1, U_K2, U_K3 - напряжение компенсации входного напряжения;

α - угол поворота оси чувствительности акселерометров X_g (2) и Y_g (3) относительно плоскости наклона скважины.

При равенстве коэффициентов K_X, K_Y, а также К₁, К₂

Ориентация акселерометров относительно магнитного азимута (азимут акселерометров и датчиков геоакустических сигналов)

А_а=А_скв+α,

где А_скв - магнитный азимут скважины, определяемый по инклинометрическим измерениям в процессе бурения.

Геоакустические сигналы с датчиков 7, 8, 9 поступают на первый коммутатор 10 и далее на усилитель 11, блок полосовых фильтров 12, второй коммутатор 13, выпрямитель 14 и вход коммутатора 15. С выхода коммутатора 15 сигналы поступают на АЦП (16) и далее на блок передачи 17. Азимут плоскости направления на источник геоакустических сигналов:

А_п=А_а±β,

где

где X_g - амплитуда геоакустического сигнала датчика 8 на определенной частоте,

Y_g - амплитуда геоакустического сигнала датчика 9 на определенной частоте.

А_п является существенной информацией вдобавок к измерениям составляющих ГАС.

Применяемые в устройстве гравитационные акселерометры (1, 2, 3), например ADXL203, обладают малой нагрузочной способностью. Кроме того, при напряжении питания +5 В нулевой уровень сигнала на их выходе будет +2,5 В. Чтобы произвести усиление выходного сигнала акселерометров (1, 2, 3), требуется компенсация напряжения +2,5 В, что и осуществляют блоки 4, 5, 6, обладающие, кроме этого, высоким входным сопротивлением для уменьшения нагрузки на акселерометры. В пятый, шестой, седьмой такты коммутатор 10 подключает датчик 7 к входу усилителя 11. Коммутатор 13 подключает выходные сигналы блока полосовых фильтров 12 различных частот поочередно к входу выпрямителя 14. В восьмой, девятый, десятый такты к входу усилителя 11 подключается датчик 8, а в одиннадцатый, двенадцатый, тринадцатый такты - датчик 9. Устройство работает аналогичным образом с тактами пятый, шестой, седьмой. В одиннадцатый, двенадцатый, тринадцатый такты коммутатор 10 подключает генератор гармоник к входу усилителя, и далее измерения производят с сигналами, аналогичными геоакустическим. В качестве генератора гармоник используется источник прямоугольных импульсов с нижней частотой в диапазоне измеряемых сигналов (например, 500 Гц). Третья гармоника, выделяемая блоком полосовых фильтров (1500 Гц), является калибровочным сигналом для второго диапазона 500-5000 Гц (двенадцатый такт). Пятая гармоника 2500 Гц, выделяемая полосовым фильтром, является калибровочным сигналом для третьего диапазона 2500-5000 Гц (тринадцатый такт).

Температурные измерения, которые осуществляются двумя датчиками, установленными в приборе (такты четырнадцатый, пятнадцатый), дают также дополнительную информацию. Температура бурового раствора, которая измеряется датчиком 18, может использоваться как дополнительный параметр при обнаружении и детализации местоположения негерметичности ствола скважины, при выделении интервалов обводнения горных пород, когда интерпретация акустических измерений неоднозначна. Температура внутри скважинного прибора, измеряемая датчиком 19, является техническим параметром и позволяет уменьшить погрешность устройства.

Источники информации

1. Малкин З.М., Лашневич Л.С. Скважинный спектральный шумомер. Труды Московского института нефтехимической и газовой промышленности. 1984 г., № 188.

2. Астраханцев Ю.Г., Троянов А.К. Устройство для проведения геоакустического каротажа. Патент РФ №2445653, G01V 1/40.

3. Астраханцев Ю.Г., Троянов А.К. Устройство для измерения геоакустических шумов в скважинах. Патент РФ №2123711, G01V 1/40.