№ 32. Аппаратура акустики.

В аппаратуре для изучения упругих свойств горных пород (V_P, V_S, α_P, α_S) используют зонды с тремя элементами и более. Трех элементов достаточно, чтобы определить величины Δt (интервальное время Δt = 1/V_P) и α, не искаженные влиянием скважины. При­мер зонда П1И_1SИ₂. При этом регистрируют величины Δt = (t₂ – t₁)/S и α = (1/S)ln(A₁/A₂), где t_i — время прихода к приемнику преломленной волны i-го излу­чателя; Δt — ее амплитуда.

К ак видно на рисунке, разность времен прихода волн от двух излучателей равна: И’₁И’₂/V = S/V = SΔt. различие ослабления волн, идущих к приемнику от разных излучателей, обусловлено лишь ослаблением на пути И`<sub>1</sub>И`₂, т. е.: A₂/A₁=e^-αS.

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 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 поддаются 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.

Пьезоэлектрический эффект - 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 приёмники 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.

Л юбая аппаратура акустического метода содержит глубинный прибор (скважинный снаряд, зонд) I и наземную аппаратуру II, со­единенные кабелем К. 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. 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 А₁/А₂) 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 рисунке. 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 У 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 б от блока ВВ). Таким образом, длительности импульсов 9 равны време­нам t_i прохождения волн от излучателей до приемника.

Коммутирующее устройство (не показанное на рис. 62 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 t₂ и t₁ волн от соответствующих излучателей. Регистрируя эти токи, получают (в некотором масшта­бе) диаграммы изменения t₂ и t₁ 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 A, 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 А₁/А₂.

В наиболее совершенных видах аппаратуры осуществляется цифровая регистрация полной волновой картины для всех сраба­тываний излучателей. Это в сочетании с обработкой результатов на ЭВМ и применением широкополосных излучателей («волновой акустистический каротаж» — ВАК), позволяет повысить надеж­ность и полноту выделения различных типов волн (многоволно­вые методы). Это повышает надежность и детальность решения традиционных задач акустических методов (определение порис­тости, выделение трещинных пород, изучение состояния цемент­ного камня) и дают надежду на решение других, более сложных и тонких задач.

Специальные акустические приборы, регистрирующие время прихода и амплитуду волн, отраженных от стенок скважины (или обсадной колонны), позволяют определять диаметры и профиль сква­жины (акустические каверномер и профилемер), судить о строении стенок (акустические телевизоры). При исследовании этими приборами на стенку скважины направ­ляют короткий импульс высокочастотной (0,1-10 МГц) упругой вол­ны. Приемник регистрирует отраженную волну. Излучатель и при­емник непрерывно вращаются с помощью электродвигателя вокруг вертикальной оси. На оси мотора размещен также азимутный отмет­чик, вырабатывающий импульс в момент пересечения лучом плос­кости магнитного меридиана. Сигнал приемника передается на поверхность, где в наземной ап­паратуре акустических телевизоров этот сигнал используется для модуляции яркости луча электронно-лучевой трубки, так же как в обычных телевизорах. В результате на экране ЭЛТ возникает изоб­ражение стенок скважины, где достаточно ясно видны трещины, ка­верны в породах или обсадной колонне.