Аппаратура для акустических исследований

В современной аппаратуре для изучения упругих свойств гор­ных пород (v_p, v_s, α_р, α_s) используют зонды с тремя элемента­ми и более.

Трех элементов достаточно, чтобы определить величины Δt и α, не искаженные влиянием скважины (если ось прибора па­раллельна оси скважины, а диаметр скважины и ее заполнение постоянны в интервале между крайними элементами зонда). Убедимся в этом на примере зонда П1И₁sИ₂ (рис. 54).

При этом регистрируют величины

и (III.3)

где t_i - время прихода к приемнику преломленной волны t-го излучателя; А_i – её амплитуда.

Рис. 53. Примеры волновых картин в плотных (а) и трещин­ных (б) породах

Как видно на рис. 54, отрезки и параллельны; времена прохождения волн на этих отрезках одинаковы, а часть пути явля­ется общей для волн, идущих от раз­ных излучателей. Поэтому разность времен прихода волн от двух излуча­телей равна .

Аналогично различие ослабления волн, идущих к приемнику от разных излучателей, обусловлено лишь ослаб­лением на пути , т. е.

(III.4)

Легко заметить, что полученное выражение эквивалентно формуле (III.2).

Можно легко доказать, что, используя четырехэлементный зонд, изображенный на рис. 51, в, и вычислив полусумму раз­ностей Δt₁ и Δt₂, определенных для трехэлементных зондов И₁П₁П₂ и П₁П₂И₂, получим истинное значение Δt даже в слу­чае, если ось прибора не параллельна оси скважины.

В качестве излучателей в зондах AM используют обычно магнитострикционные электроакустические преобразователи, а в качестве приемников — пьезоэлектрические.

Магнитострикция — изменение формы и размеров те­ла при намагничивании. Она обратима: при удлинении и сокра­щении магнитострикционных материалов изменяется их намаг­ниченность, и в катушке, намотанной на нем, возникает ЭДС. Поэтому их можно в принципе применять и в качестве прием­ников. Магнитострикция значительна в ферро- и ферримагнетиках (железо, никель, кобальт, сплавы Fe с кобальтом— пермендюр или с алюминием — альфер и др.). При помещении таких материалов в переменное магнитное поле они меняют свои размеры, оказывают давление на окружающую среду и возбужда­ют в них упругие колебания.

Магнитострикционным излучателям обычно придают форму цилиндров, соосных с кожухом скважинного снаряда и имеющих диаметр, близкий к диаметру последнего. Внутри магнитостриктора имеются каналы для обмотки катушки возбуждения. На обмотку излучателя подаются импульсы тока от специального импульсного генератора. После подачи импульса тока магнитостриктор начинает колебаться с собственной частотой, пропор­циональной скорости упругих волн в материале магнитостриктора и обратно пропорциональной его диаметру.

Амплитуда колебаний скважинных магнитострикционных из­лучателей обычно несколько микрометров, диапазон частот 6— 60 кГц.

В необсаженных скважинах, а также в цементомерах приме­няют излучатели на 25 кГц; для исследования разрезов обса­женных скважин используют более низкие частоты. Примене­ние низкочастотных колебаний способствует увеличению глубин­ности метода и снижению влияния на показания крепления скважин колоннами. Однако получать в скважинном приборе излучения с частотой ниже 3—5 кГц не удается, так как для этого потребовались бы излучатели слишком большого диа­метра.

Пьезоэлектрическим эффектом называют появле­ние электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов при их сжатии или растяжении. Пьезоэлектрические свойства ярко выражены у кристаллов кварца, сегнетовой соли и др. В скважинной аппаратуре используются в основном пьезоэлектриче­ские приемники из керамики титаната бария (ВаТiO₃) и неко­торых других соединений. Приемники обычно имеют вид полых цилиндров; на внешней и внутренней поверхности которых на­ходятся электроды.

В акустическом методе требуется защита приемников от прямых упругих колебаний (помех), проходящих по корпусу прибора. Для этого между излучателями и приемниками разме­щают акустические изоляторы, обладающие высоким коэффи­циентом затухания волн или же большим временем задержки, обеспечивающим приход волн-помех к приемнику позже полез­ных волн. В качестве акустических изоляторов чаще всего при­меняют последовательность элементов, изготовленных попере­менно из металла и резины.

Любая аппаратура акустического метода содержит глубин­ный прибор (скважинный снаряд, зонд) I и наземную аппара­туру II, соединенные кабелем К (рис. 55). Глубинный прибор предназначен для излучения и приема упругих колебаний, уси­ления и передачи в линию связи (кабель) сигнала приемника. Он содержит излучатели И (один или несколько), импульсные генераторы Г, вырабатывающие электрические импульсы, пода­ча которых на обмотки излучателей вызывает излучение ими упругих колебаний, приемники П (один или несколько) и соответ­ствующее число усилителей У.

Излучатели и приемники разделены акустическими изолято­рами (на рис. 55 не показаны). В глубинном приборе (иногда в наземной аппаратуре) имеются также схема управления сра­батыванием генераторов УГ, блоки питания и др.

Рис. 55. Обобщенная блок-схема аппаратуры АМ (а) и сигналы в ней (б)

Аппаратура действует циклами: излучение колебаний пер­вым излучателем — прием сигнала, затем излучение вторым из­лучателем — прием сигнала и т. д. Циклы повторяются с часто­той 25 или 12,5 Гц.

Наиболее распространенная структура наземной части аппа­ратуры содержит схему присоединения к кабелю СП, блок вы­деления синхроимпульса ВСИ, усилитель У, блоки выделения первых вступлений волны ВВ, блоки определения времени t и амплитуды волн А. Для вычисления интервального времени Δt по значениям t₁ и t₂ и коэффициента затухания α (или отно­шения A₁/A₂) по значениям А₁ и А₂ имеется вычислитель В.

Основные моменты работы аппаратуры AM можно понять из диаграмм (эпюр), приведенных для трехэлементного зонда с двумя излучателями на рис. 55, б. Излучатели И₁ и И₂ попе­ременно излучают пакеты волн, изображенные на эпюрах 1 и 2. Моменты их срабатывания определяются схемой управления ге­нераторами УГ. Одновременно с подачей импульсов в обмотку излучателя генератор Г через схему присоединения к кабелю СП посылает на поверхность синхроимпульс СИ. Синхроим­пульсы двух генераторов отличаются друг от друга, например, полярностью, как это показано на эпюре 3. При достижении волнами приемника он вырабатывает электрические сигналы (эпюр 4), которые после усиления усилителем У₂ передаются через схему на кабель и далее на поверхность.

В наземной аппаратуре сигналы от приемника и синхроим­пульсы попадают на усилитель У₂ и блок выделения синхроим­пульсов ВСИ.

Блок ВСИ не пропускает сигнал приемника, но пропускает синхроимпульсы, которые поступают в блок измерения време­ни и служат началом отсчета при определении времени прихода волн (эпюр 5).

Сигналы от приемника, усиленные усилителем У₂, подают­ся на блок выделения вступлений ВВ, который вырабатывает нормализованные импульсы 6, указывающие момент достиже­ния сигналом некоторого порогового значения. Они запускают блок измерения времени t.

Измеритель времени вырабатывает прямоугольные импульсы 9, начинающиеся в момент прихода синхроимпульса и заканчи­вающиеся при вступлении волны (при поступлении импульса 6 от блока ВВ). Таким образом, длительности импульсов 9 равны временам t₀ прохождения волн от излучателей до приемника.

Коммутирующее устройство (не показанное на рис. 55 и уп­равляемое синхроимпульсами) подает импульсы с выхода бло­ка попеременно на интегрирующие ячейки двух каналов. Они вырабатывают постоянные токи, пропорциональные длитель­ностям импульсов 9, т. е. временам прихода t₁ и t₂ волн от со­ответствующих излучателей. Регистрируя эти токи, получают (в некотором масштабе) диаграммы изменения t₁ и t₂ по глубине скважины. Сигналы одновременно поступают на вычислитель, где вычисляется их разность, и на третий канал регистратора, регистрирующий диаграмму интервального времени.

Сигналы с выхода усилителя У₂ подаются также на вход из­мерителя амплитуды А; предварительно они проходят через электронный ключ ЭК, управляемый блоком временного окна О. Блок О обеспечивает прохождение сигнала к измерителю ам­плитуд лишь в течение определенного времени (три-четыре пе­риода колебаний) после вступления волны (эпюры 7 и 8).

Блок А определяет максимальную (иногда среднюю) ампли­туду сигнала в указанном интервале времени. Значения этой величины для двух каналов регистрируются самопишущим уст­ройством (регистратором), а также подаются в вычислитель В для вычисления α или A₁/A₂.

В некоторых приборах имеются блоки волновой картины ВК, фазокорреляционных диаграмм ФКД. Блок ВК позволяет выбо­рочно или заданным шагом по глубине фотографировать с экра­на электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) развертку полной волно­вой картины обоих каналов, т. е. зависимости смещений в волне от времени, а также отметку момента срабатывания излуча­теля и марки времени (рис. 56).

Рис. 57. Блок-схема записи фазокорреляционной диаграммы (а) и сигналы в ней (б)

Блок ФКД, являющийся наи­более информативным, хотя и относительно сложным видом ре­гистрации сигналов, осуществляет непрерывную запись волно­вых картин следующим образом (рис. 57). Луч электронно-лу­чевой трубки разворачивается пилообразным напряжением (эпюр 2), подаваемым генератором развертки ГР на горизон­тальную систему отклонения ЭЛТ, начиная с момента поступле­ния синхроимпульса СИ (эпюр 1). Сигналы 3 от приемника зонда поступают на пороговую систему П, выделяющую лишь положительные полуволны сигналов или вырабатывающую им­пульсы в момент смены знака сигнала с положительного на отрицательный, т. е. 1 раз в видимый период сигнала. Эти им­пульсы в первом случае непосредственно, а во втором после формирования формирующим каскадом Ф (эпюр 4) подаются на модулятор яркости ЭЛТ. На экране ЭЛТ высвечивается ряд точек. Расстояние между соседними точками пропорционально видимому периоду, а расстояние от точки начала развертки лу­ча, т. е. от момента поступления СИ, - времени прихода соот­ветствующей фазы сигнала.

Экран ЭЛТ проецируется на фотопленку, движущуюся син­хронно с движением прибора в скважине; проекции светящихся точек создают изображения в виде диаграмм фазовых линий (эпюр 5) и позволяют получать диаграмму ФКД.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: