Загальні принципи будови апаратури для акустичних досліджень свердловин

2.1.1 Основні елементи апаратури та структурна будова апаратури АК. Апаратура АК складається з пристроїв для: випромінювання пружних хвиль, їх детектування, підсилювання, обробки і реєстрації інформації.

Основні елементи апаратури:

- свердловинний прилад (один чи декілька випромінювачів в комплексі з генераторами збуджуючих електричних імпульсів, один чи декілька приймачів з відповідною кількістю підсилювачів, акустичні ізолятори);

- наземна аппаратура.

Акустичні ізолятори застосовують для зменшення перешкод від прямої хвилі, що розповсюджується по корпусу (і по колоні). Акустичні ізолятори затримують пряму хвилю на шляху до приймача до моменту приходу головної (заломленої) хвилі. Застосовують вирізи в корпусах, чергування “гума-метал”, центратори.

Структурна будова апаратури АК. Реєстрація всієї хвильової картини в свердловині здійснюють окремими станціями АК, що дозволяють реєструвати хвильову картину чи фазокореляційну діаграму (ФКД). На хвильовій картині в будь-який момент часу відображаються всі коливання, що поступили до обидвох приймачів. На ФКД видно час приходу хвилі, періоди хвиль, можна розрізнити P i S хвилі, а також можна якісно оцінити амплітуду коливань. Недоліки ФКД – складність апаратури, низька точність вимірювання часу t і амплітуди А.

В акустичному каротажі для дослідження розрізів свердловин використовують імпульсну ультразвукову установку (рис. 2.1), випромінювач якої періодично посилає пакети із трьох-чотирьох періодів ультразвукових коливань частотою 10-75 кГц, які розділенні в часі. Апаратура акустичного каротажу складається із свердловинного приладу I і наземної панелі II (рис. 2.1).

У свердловинному приладі знаходиться випромінювач 1 пружних ультразвукових коливань. Для збудження випромінювача використовується генератор або накопичувач енергії 2, живлення якого здійснюється від наземної панелі за допомогою кабелю. Збудження випромінювача здійснюється за командою від синхронізуючого пристрою 3.

Ультразвукові коливання, які виникли після проходження в гірських породах, що складають геологічні розрізи свердловин, приймаються приймачем 4, який створює відповідні електричні коливання. Оскільки величина електричних коливань мала, то перед передачею електричних сигналів за допомогою геофізичного кабелю в наземну панель вони підсилюються підсилювачем 5. Для зменшення спотворення сигналу, що передається кабелем, використовується узгоджувальний пристрій 6, який має низькоомний вихід і узгоджений із вхідною ланкою наземної панелі.

У трьохелементному свердловинному пристрої є ще один приймальний канал (другий приймач 7, підсилювач 8, узгоджуючий пристрій 9), який ідентичний першому.

 

1 - випромінювачпружних ультразвукових коливань; 2 - генератор; 3 - синхронізуючий пристрій; 4 – перший приймач; 5- підсилювач; 6 – перший узгоджувальний пристрій; 7 - другий приймач; 8 – підсилювач; 9 – другий узгоджуючий пристрій; 10, 12 – фільтри; 11, 13 – підсилювачі.

Рисунок 2.1 – Узагальнена блок-схема апаратури ультразвукового каротажу

 

У сучасній апаратурі акустичного каротажу в якості випромінювачів використовуються магнітострикційні або п’єзокерамічні перетворювачі, які працюють на основі резонансної частоти, а в якості приймачів – п’єзокерамічні перетворювачі, які працюють на частотах нижче частоти основного резонансу.

Сигнали, які надходять від свердловинного приладу на наземну панель, за інтенсивністю недостатні для реєстрації реєструючим пристроєм 14. Для того, щоб збільшити амплітуди сигналів, у наземну панель включають підсилювачі 11 і 13. Коефіцієнт підсилення переважно складає 10⁵-10⁶. Для відкидання некорисних сигналів у наземній панелі використовують фільтри 10 і 12, які включаються перед основними підсилювачами 11 і 13 або після них. Підсилені сигнали поступають на реєстратор 14.

На практиці, в основному, реєструють часи проходження хвилі T₁, T₂ і інтервальний час D T, а також величини амплітуд коливань A ₁ і A ₂, які реєструються ближнім і віддаленим приймачами, та логарифм відношення амплітуд lg (A ₁/ A ₂). Такий спосіб реєстрації даних використовується в апаратурі акустичного каротажу СПАК-2М, СПАК-4 і СПАК-6.

Короткий опис та принцип роботи апаратури АК. Вихідний сигнал свердловинного приладу по каротажному кабелю поступає на вхід блоку керування, в якому виділяються синхроімпульси, що відповідають моментам спрацювання випромінювачів у приладі. У блоці керування здійснюються регулювання рівня і частотна фільтрація сигналу, що приймається, і формуються синхроімпульси які використовуються для обробки сигналу. Фіксація моменту приходу інформаційного сигналу здійснюється дискримінатором. Захист дискримінатора від спрацьовування на шуми забезпечується пристроями ручного і автоматичного блокування.

До блоку автоматичного блокування входять формувачі імпульсів часових інтервалів t₁ і t₂, тривалість яких рівна часу розповсюдження поздовжніх хвиль, і власне схема автоматичного блокування, що підвищує завадостійкість пульта. У спеціальних пристроях імпульси t₁ і t₂ і амплітуди вхідних сигналів А₁ і А₂ перетворюються у напругу, яка подається на модулі первинної обробки та акумуляції інформації.

При вимірюванні амплітуди поздовжніх хвиль схема керування детектором спрацьовує від імпульсів, відповідних моментів приходу сигналів по першому і другому каналах. При вимірюванні амплітуди поперечних хвиль схема спрацьовує від вихідних імпульсів трансформатора тривалості.

Вихідна напруга інтегратора і детектора подається на вхід фотореєстратора або аналого-цифрового перетворювача (у цифровій каротажній станції).

Калібратор забезпечує калібрування і реєстрацію стандарт-сигналів вимірювальних каналів, а також загальну перевірку працездатності пульта.

Блок керування роботою свердловинних приладів змінний, що дозволяє використовувати пульт спільно з свердловинними приладами акустичного каротажу різних модифікацій.

Контроль за роботою основних вузлів апаратури і спостереження за сигналом здійснюють за допомогою підключення до пульта АНК-А осцилографа, на вхід якого поступають сигнали з виходу пристрою відеоконтролю

2.1.2 Будова, принцип дії і характеристики випромінювачів пружних коливань. Випромінювачі перетворюють електричну енергію в механічну, приймачі – навпаки. Їх об’єднують в одну групу – електроакустичні (ультразвукові) перетворювачі. Приймачі бувають п’єзоелектричні та магнітострикційні. Основні характеристики електроакустичних приймачів – чутливість, коефіцієнт корисної дії.

Чутливість – це відношення електрорушійної сили до тиску звукових коливань. В ГФ апаратурі складає n∙10^-5 В/Па.

Коефіцієнт корисної дії – це відношення потужностей вихідного і вхідного сигналів. В геофізичній апаратурі складає близько 50%.

Фізичні основи вимірювання параметрів акустичного поля магнітострикційними і п’єзоелектричними перетворювачами. Створення високоефективного випромінювача пружних хвиль, призначеного для свердловинних умов роботи, є складною задачею геофізичного приладобудування. Свердловинні випромінювачі повинні задовольняти наступним вимогам:

- випромінювати пружні хвилі в мінералізовану воду, промивну рідину або нафту, тобто в агресивне середовище з високим (по відношенню до повітря) хвильовим опором;

- випромінювач повинен бути придатним до роботи при гідростатичних тисках до 2000 кгс/см² і температурах до 250ºС;

- зовнішній діаметр випромінювача обмежений діаметром свердловини та геофізичної апаратури, тобто може мати величину 32, 36, 42, 60, 90 мм;

- випромінювач повинен бути максимально стійким до механічних ударів;

- випромінювач повинен володіти високою довготривалою стабільністю, тобто малим розмахом по динамічних характеристиках збуджуючого імпульсу в однорідному середовищі;

- потужність, яка використовується випромінювачами, не повинна перевищувати 200 В, тому що вона обмежується пропускною здатністю кабелю (частота повторення повинна бути при цьому не менше 6 Гц, виходячи зі швидкості каротажу);

- випромінювач повинен збуджувати максимально потужний короткий акустичний імпульс з основною енергією в досліджуваній області частот.

До прийомних перетворювачів висувають наступні вимоги:

- приймач повинен забезпечувати прийом істинних по динамічних ознаках сигналів з динамічним діапазоном не менше 60 дБ;

- приймач повинен мати рівномірну амплітудно-частотну характеристику по всій лінії прийому.

Найбільш перспективними для акустичного каротажу є перетворювачі з магнітострикційного і п’єзоелектричного матеріалів, які також називаються п’єзоактивними матеріалами. Вони володіють прямим і оберненим електроакустичним ефектом, тобто можуть використовуватись і як випромінювачі, і як приймачі звуку. Прямий і обернений ефекти засновані на зв’язку між пружним і електричним або магнітним станом речовини.

Магнітострикція – зміна форми і розмірів тіла при намагнічуванні. Найбільш характерна для феро- і паромагнетиків (Fe, Ni, Co та їх сплави). Магнітострикції властивий і зворотній напрям процесу, тобто при зміні розмірів і форми магнітостриктора змінюється його намагніченість, і в котушці (навколо нього) виникає ЕРС.

Залежність зміни розмірів від напруженості магнітного поля Н нелінійна: при великих значеннях Н спостерігається насичення. Магнітострикція насичення _s – це гранична величина відносної зміни розмірів тіла при збільшенні Н. Для типових магнітострикційних матеріалів _s складає тисячні долі %. З ростом t⁰ магнітострикційний ефект зменшується.

Форма магнітострикційних випромінювачів в геофізичній апаратурі – це пустотілий циліндр максимально можливого діаметру, розташований по осі свердловини приладу. Складається він з тонких кілець (товщиною 0,1-0,3 мм) – для зменшення струмів Фуко. Максимальна амплітуда коливань – з торців випромінювача, але за рахунок більшої площі бічної поверхні (в порівнянні з торцями) основна енергія випромінюється в радіальному напрямі.

Амплітуда коливань магнітостриктора, як випливає з _s, складає до десятка мікрон, діапазон робочих частот 1 - 60 кГц. Випромінювання хвиль з більшою частотою ускладнюється збільшенням втрат на вихрові струми, а для утворення хвиль з нижчими частотами необхідне збільшення діаметра випромінювача, бо довжина хвилі власних коливань прямо пропорційна діаметру випромінювача.

Після подачі електричного (збуджуючого) імпульсу на обмотку магнітостриктор починає коливатися з власною частотою f_О

 

, (2.1)

 

де V – швидкість розповсюдження коливань в матеріалі магнітостріктора, м/с; d – діаметр магнітостриктора, м; E – модуль Юнга матеріалу магнітостріктора, Па; δ – густина матеріалу магнітостріктора,кг/м³.

Переваги магнітострикційних випромінювачів – простота, дешевизна, висока потужність і міцність. Недолік – обмеження верхньої частоти коливань.

До магнітострикційних перетворювачів відносять нікель, кобальт, пермендюр та інші феромагнітні речовини, які при накладанні на них змінного механічного (магнітного) поля збуджують в навколишньому середовищі змінне магнітне (механічне) поле. Перетворення енергії в цих матеріалах пов’язане з явищем магнітострикції, яка полягає в зміні лінійних розмірів тіл при їх намагнічуванні. Магнітострикційні перетворювачі, як правило, використовуються в діапазоні частот 3 – 80 кГц. Такий частотний діапазон пов'язаний з тим, що для збудження більш низьких частот потрібні великі розміри перетворювачів, а збудження хвиль з частотою більшою 80 кГц супроводжується великими втратами енергії на стуми Фуко, які виникають.

Магнітострикційні матеріали можна віднести до феромагнітних речовин, які володіють великою магнітною сприйнятливістю і критичною точкою Кюрі, де відбувається стрибкоподібне зменшення намагніченості.

Магнітна сприйнятливість визначається реакцією речовини на зовнішнє магнітне поле. У феромагнітних матеріалах невеликій зміні зовнішнього магнітного поля відповідає більша величина намагніченості. Це пов’язано з наявністю внутрішнього молекулярного поля, яке створюється окремими доменами матеріалу. Домен являє собою деякий об’єм матеріалу, заповнений його частинками, в якому їх раптова намагніченість має однорідний напрямок. Зазвичай домени мають лінійні розміри 10^-1 – 10^{-3 см і форму призми, прямокутників або подовгастих багатогранників в залежності від молекулярних зв’язків в матеріалі. Домени взаємодіють між собою через перехідний шар (товщиною 10 - 5000 ), в якому орієнтація частинок поступово змінюється. Зовнішнє магнітне поле викликає напрямлену орієнтацію доменів, що призводить до магнітострикції, яка оцінюється відносною зміною розміру доменів в напрямку намагнічування .}

Зв'язок між відносним подовженням δ і напруженістю магнітного поля має нелінійний характер (рис 2.2).

При досягненні якоїсь визначеної величини напруженості ріст відносного подовження припиняється (або різко зменшується), що відповідає магнітострикції насичення для даного матеріалу. Кінцева величина відносного подовження є важливою характеристикою матеріалу для перетворювачів.

 

 

Рисунок 2.2 – Залежність магнітострикції δ від напруженості магнітного поля Н для нікелю (1) і фериту нікелю (2)

 

В акустичному каротажі в якості випромінювачів знайшли широке застосування циліндричні магнітострикційні перетворювачі. Значно рідше використовуються стержневі випромінювачі, наприклад для збудження прямих пружних хвиль при притиснутому до стінки свердловини глибинним приладом.

Для виготовлення свердловинних акустичних випромінювачів використовують такі матеріали, як нікель, пермендюр та інші. До найбільш стабільних, за своїми характеристиками, особливо при температурах до 200ºС і вище, можна віднести пермендюр К49Ф2. Свердловинні перетворювачі з цих матеріалів виготовляють шляхом штампування пластин з плівки, товщиною 0,1 – 0,2 мм і їх подальшому склеюванню. Можливе також виготовлення перетворювачів шляхом їх намотування з плівки відповідного матеріалу і подальшого наклеювання у вигляді циліндра.

Перетворювачі з феритових матеріалів володіють високим магнітострикційним ефектом (40∙10^-6), порівняно дешеві і стійкі до корозії, однак вони рідко застосовуються при акустичному каротажі. Це зумовлено, по-перше, недостатньою механічною міцністю і, по-друге, добротністю, яка погіршує рішення хвильових картин акустичного каротажу.

Магнітопружні перетворювачі в свердловинній акустичній апаратурі найчастіше застосовуються в якості випромінювачів, а рідше у якості приймачів пружних коливань. Робота магнітопружних перетворювачів заснована на явищах, яке виникає в результаті взаємодії між магнітними і механічними станами феромагнітних тіл, за звичаєм об’єднаними під назвою магнітопружний ефект.

Розрізняють власне магнітопружній ефект - зміна магнітних властивостей феромагнітних тіл під впливом механічних деформацій та магнітострикційний ефект - зміна форми і розмірів феромагнітних тіл під впливом зовнішнього магнітного поля.

При магнітопружному ефекті дія зовнішньої сили P викликає в феромагнітному тілі механічні напруги, які обумовлюють зміну магнітної проникності μ тіла. Якщо феромагнітне тіло використовується в якості осердя котушки індуктивності, то зміна магнітної проникності призводить до зміни опору магнітного ланцюга і, як наслідок, до зміни повного електричного опору в котушці і утворення електрорушійної сили. При магнітострикційному ефекті відбувається зворотне явище.

Величина магнітопружного і магнітострикційного ефектів може бути охарактеризована відносною зміною магнітних властивостей ε_μ = Δμ/μ та відносним видовженням ε_l = Δl/l феромагнітних тіл. Числові значення коефіцієнтів ε_μ та ε_l залежать від матеріалу феромагнетику, напруженості магнітного поля H або величини навантаження P, оточуючої температури та інших факторів. В багатьох випадках залежності ε_μ =f(P) та ε_l =f(H) є нелінійними.

В загальному випадку магнітопружній ефект характеризується коефіцієнтом відносної магнітопружної чутливості K_OM= ε_μ/ε_l. В якості матеріалів для магнітопружних перетворювачів використовують нікель, залізо - нікелеві (пермалой, пермендюри К49Ф2, і К-65) та залізо-алюмінієві (альфери Ю-8, Ю-10 і Ю-12) сплави, а також ферити (окиси заліза, цинку та закис нікелю), які характеризуються значеннями K_OM ≈ 200.

П’єзоелектричні перетворювачі. П’єзоелектричний ефект – це явище виникнення електричних зарядів на гранях кристалів при механічній дії на них. Найбільш типові представники п’єзоелектриків – кварц, турмалін, титанат барію (BaTiO₃), деякі солі.

Хоча п’єзоелектричний ефект має і зворотню дію, п’єзовипромінювачі рідко застосовують в геофізичній апаратурі через низьку міцність, що вимагаєвикористання міцного корпусу і призводить до зменшення ККД.

П’єзоелектричні перетворювачі використовуються в якості приймачів пружних хвиль. Керамічні п’єзоелементи, що використовуються в якості приймачів коливань, мають форму пустотілого циліндра, диска чи сфери з електродами на зовнішніх поверхнях. П’єзоелектричні матеріали при накладанні на них змінного механічного поля мають властивість поляризуватися, а при накладанні електричного поля збуджують в середовищі змінне пружні поля. Найбільш розповсюдженими п’єзоелектричними матеріалами є керамічні сполуки, які виготовлені з титанубарію, цирконататітанату, свинцю або ніобатасвинцю, барію. Спочатку готовлять з дрібних синтетичних монокристалів потім масу цих кристалів піддають дії тиску і температури.

П’єзокерамічні перетворювачі зручні тим, що можуть бути виготовлені будь-якої заданою формою (сфери, пластини, циліндра), володіють високими п’єзоелектричним коефіцієнтом.

П’єзоелектричні перетворювачі в апаратурі акустичного каротажу переважно використовують в якості приймачів пружних хвиль. П’єзоелектричні перетворювачі будуються на явищі п’єзоефекту, який виникає в результаті взаємозв’язку між електричними і механічними властивостями деяких діелектричних матеріалів, які називаються п’єзоелектриками. Розрізняють прямий і зворотній п’єзоелектричний ефекти.

Прямий п’єзоефект проявляється у виникненні електричних зарядів на гранях п’єзоелектриків під впливом механічних напружень та зникненні зарядів після зняття зовнішнього навантаження. Зворотній п’єзоефект проявляється в зміні форми і геометричних розмірів п’єзоелектрику, розміщених у електричному полі.

Існують інші види акустичних випромінювачів:

- електрогідравлічні, що працюють за рахунок потужного (10-20 кВ) - електричного розряду у непровідній рідині;

- електродинамічні, в яких здійснюється відштовхування металевої

мембрани від котушки індуктивності;

- гідроакустичні, в яких здійснюється періодичне переривання потоку рідини.

Загальним недоліком цих випромінювачів є низький ККД.

.

---

Дата добавления: 2016-01-04; просмотров: 104; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!