Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Физические основы и применение акустического каротажа 8
I. Зонды аппаратуры акустического каротажа. ..8
2. Упругие волны в среде, пересеченной скважиной .13
3. Анализ волновой картины при АК на головных волнах и характеристики основных типов волн, возникающих в скважине ...21
4. Трубные волны в обсаженной скважине .28
5. Применение акустического каротажа для
решения геологических задач ...30
ГЛАВА II. Аппаратурные комплексы акустического каротажа ...36
I. Аппаратура УЗКУ .". .39
2. Аппаратура АСКУ .41
3. Аппаратура ЛАК 44
4. Аппаратура СПАК, АКЦ и "Парус"... ...48
5. Аппаратура Звук-2 и AKH-I ." Si
6. Цифровая аппаратура для регистрации волновых
картин акустического каротажа ...5"4
ГЛАВА III. Пути развития аппаратуры акустического каротажа... 60
ГЛАВА IV Построения устройств для цифровой регистрации сигналов акустического каротажа ...72
1. Построение блок-схемы аппаратуры цифровой
регистрации сигналов акустического каротажа...72
2. Построение быстродействующего преобразователя аналог-код для цифровой регистрации сигналов АК ..77
3, Построение блока оперативного запоми нающего устройства . 81
4. Построение цифрового блока измерения вре мени и интервального времени распространения упругих волн .87
5. Построение цифрового регистра амплитуда и формирователя кадра .58
6. Построение блока управления .4...94
ГЛАВА V. Устройства дня цифровой обработки сигналов акустического каротажа .101
I. Запоминающее устройство 109
2. Сумматор, счетчик и устройство ввода 116
3. Информационный регистр и устройство индикации 124
4. Устройство управления
5. Выполнение арифметических операций .'140
6. Процесс обработки сигналов акустического каротажа ;149
Приложение 1 ?в
Литература
- Анализ волновой картины при АК на головных волнах и характеристики основных типов волн, возникающих в скважине
- Аппаратура СПАК, АКЦ и "Парус"...
- Построение быстродействующего преобразователя аналог-код для цифровой регистрации сигналов АК
- Сумматор, счетчик и устройство ввода
Введение к работе
Актуальность работы. Актуальность данной темы обусловлена широким использованием геофизической аппаратуры акустического каротажа для исследования скважин при поисках нефти, газа и других полезных ископаемых.
Великий вождь товарищ Ким Ир Сен указывал:
"Все члены нашей партии и трудящиеся должны с высокой революционной стратью и кипучей энергией участвовать в генеральном наступлении ради осуществления новых перспективных задач социалистического хозяйственного строительства.
Для успешного выполнения этих задач необходимо по-прежнему ускоренными темпами развивать добывающую промышленность...
Ключевой проблемой в деле ускоренного развития добывающей промышленности является усиление геологоразведочных работ. Эта отрасль должна быть полностью обеспечена буровыми машинами и другими современными геологоразведочными установками и аппаратурой; необходимо шире применять в геологоразведочных работах новые на-учные методы, повысить скорость разведки и тем самым подготовить в достаточном количестве разведанные запасы угля и других видов полезных ископаемых".
На УІ съезде трудовой партии Кореи предусмотрено дальнейшее расширение работ, направленных на обеспечение экономики КНДР минеральными ресурсами.
В настоящее время в цифровой измерительной технике еще многое не устоялось и ряд вопросов подлежит решению.
В связи с этим разработка принципиально нового типа аппаратуры акустического каротажа является важной задачей, стоящей перед геологоразведочной отраслью промышленности КНДР.
В работе по теме проведен сравнительный анализ способов цифровой регистрации и обработки волновых картин акустического каротажа, исследованы отдельные блоки аппаратуры и разработаны новые схемы.
Акустический каротаж является одним из новых методов изучения упругих свойств горных пород, вскрытых скважиной, и представляет собой раздел геоакустики, которая разрабатывается и внедряется в практику геолого-геофизических работ в течение последних 25-30 лет / 50,58 /.
С помощью акустического каротажа измеряются скорости распространения упругих волн (или времена прихода сигналов), величины амплитуд принимаемых сигналов и их затухание в интервалах, ограниченных базой между приемниками и излучателями.
Для установления связи величин этих параметров с физическими свойствами среда проводятся теоретические исследования в идеализированных средах и экспериментальные на моделях и породах.
Экспериментальные исследования физических свойств пород раскрывают все большее число факторов, влияющих на основные измеряемые при акустическом каротаже величины - скорость и затухание.
В настоящее время акустический каротаж в основном применяется в нефтяной геологии, для решения следующих основных задач:
1. Определение коллекторских свойств (пористости, проницаемости, нефтегазонасыщенности) пород, пересекаемых скважиной;
2. Выделение зон трещиноватости и каверзности в карбонатном разрезе;
3. Литологическое расчленение пород, вскрытых скважинами, и использование результатов для корреляции пластов по площади;
4. Определение средних и пластовых скоростей для интерпретации данных наземной сейсмической разведки;
5. Контроль технического состояния скважин (высоты подъема кольца в пространстве, качества цементации скважин).
Интерес, проявляемый геологами и геофизиками к методу акустического каротажа, подчеркивает его перспективность и, как следствие этого, необходимость создания более совершенной аппаратуры, предназначенной для дальнейшего расширения возможностей Ж.
Цель -работы. Диссертация посвящена исследованию аппаратурных комплексов для цифровой регистрации и обработки сигналов акустического каротажа. Перед диссертантом были поставлены следующие задачи:
- Проведение обзора работ по физическим основам и применению акустического каротажа.
- Анализ состояния разработки и путей развития аппаратурных комплексов акустического каротажа.
- Исследование ж разработка устройств для цифровой регистрации сигналов акустического каротажа.
- Исследование и разработка устройств для цифровой обработки сигналов акустического каротажа.
Научная новизна выполненных исследований.
1. Установлено, что при регистрации сигналов в акустическом каротаже достаточным является динамический диапазон приемного тракта 50-60 дб, а длительность записи полного сигнала акустического каротажа должна составлять не менее 2 мсек для регистрации головных волн для трубных волн.
2. Показано, что применение аппаратурного комплекса цифровой регистрации сигналов акустического каротажа позволяет существенно сократить число блоков регистрирующей аппаратуры и унифицировать отдельные узлы. Для повышения оперативности получения геофизической информации цифровая регистрирующая аппаратура акустического каротажа должна бнть дополнена блоком оперативной обработки и индикации результатов.
3. Показано, что для регистрации в цифровой форме сигналов акустического каротажа целесообразно применять устройства, построенные на принципе параллельной буферной регистрации, что позволяет существенно упростить структурную схему преобразователя аналог-код, для повышения быстродействия которого должен быть реализован комбинированный асинхронный метод преобразования.
Практическая ценность работы.
1. Предложены и разработаны перспективные схемы построения аппаратуры для регистрации в цифровой форме сигналов акустического каротажа.
2. Разработаны блок-схемы аппаратуры для экспресс обработки сигналов акустического каротажа.
3. Проведены испытания изготовленных макетов аппаратуры для регистрации и обработки в цифровой форме сигналов акустического каротажа и установлено, что предлагаемая для внедрения аппаратура характеризуется лучшими метрологическими характеристиками по сравнению с существующими.
Достоверность научных положений и практических выводов соискателя подтверждается результатами лабораторных испытаний изготовленных макетов блоков аппаратурного комплекса цифровой регистрации и обработки сигналов акустического каротажа.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на объединенном семинаре кафедр кибернетики и сейсмических и скважинных методов МЕТИ и на научной конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов МГРИ (1984 г.).
Объем и структура работы, диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Материал изложен на страницах машинописного текста, включает 27 рисунков, 5 таблиц и библиографию из наименований.
Анализ волновой картины при АК на головных волнах и характеристики основных типов волн, возникающих в скважине
Акустические исследования на головных волнах могут осущес твляться в широком диапазоне соотношений Л/рс , где л -длина излучаемой волны в жидкости, Rc - радиус скважины / 24 /.
Скважины, для которых A/RC « 1 , условимся называть скважинами большего диаметра, а скважины, для которых Л/Re /, - малого диаметра. С физической точки зрения, распространение волн в скважинах большего диаметра аналогично волновому процессу в твердо-жидкой среде с плоской границей, а в скважинах малого диаметра - процессу в твердо-жидкой среде с цилиндрической границей. Волны в твердо-жидкой среде с плоской границей. Если в такой среде при условии iypi} tfst) 1Уро действует источник типа центра расширения, то в жидкости возникает большое число, объемных волн: прямые продольные - ро , отраженные pop0j многократно отраженные р0 р„ р0 , преломленные (головные р0 pt ро и обменные Ро S, р0 ).
Анализ поля головных волн, проведенный для твердо-жидкой модели / 20 /, показал следующее: 1) расхождение головных волн р0р, ро и Р0 S,p0 отличается от расхождения прямых волн, показатель степени расхождения головных волн Пр0р,ро = Tlpos/p0 s 3/2, а прямых Пр = I; 2) волна ро R р0 является интегралом падающей волны и имеет относительно малую амплитуду; 3) если форма импульса падающей волны задана в виде импульса вида: h-Ь) = аг/ (bz + t2) , (I.I6) где а и Ь - параметры, з t - время, то форма волны p„S,p0 определяется формулой: CT(t) = а % Iа Со & + -ЬЛип Si) , (I.I7) 4) кажущийся период волны Ре S ft меньше кажущегося периода волны R,.
При исследовании распространения волн вдоль Гранины жидкость-твердая среда изучены головные волны, пробегающие в твердой среде как рэлеевские волны R R1P0.
Рэлеевские волны отличаются от волны R S,p0 следующими признаками: 1) волна PoRtPo имеет граничную скорость приблизительно на 8% меньшую скорости волны р0 5. Ро \ 2) волна р0 р, р0 имеет спектр в области более низких частот, чем волна Ро S, ft ; 3) показатель степени расхождения этой волны отличен от показателя волны Ро Si Ро .
В работе / 38 / приведены теоретические волновые картины, полученные для различных значений скоростей продольных волн в твердой среде. Отметим особенности, существенные для объяснения экспериментальных волновых картин АК: при твердой среде с низкой скоростью ( Vp, 1?ро ) на записи можно отметить лишь волну ро р, р0 и р0. При скоростях ifc/ ) Vpo могут регистрироваться все перечисленные волны. Интенсивность головных волн ро р, р0 убывает с ростом TJ I » однако волны Р» S, Р0 остаются интенсивнее волн Го К Го , Подчеркнем, что полученные выводы справедливы для плоской границы, т.е. для скважины большего диаметра, и не всегда применимы для цилиндрической границы жидкость-твердое тело. Волны в твердо-жидкой среде с цилиндрической границей / 24 /.
Основными волнами, возникающими при акустическом каротаже, являются объемные головные волны типа R Р, Р0 и Р0 S, Р0 . Сделаем некоторые общие замечания о характере объемных волн. Прямая волна, падая на стенку скважины под утлом полного внутреннего отражения, образует продольную либо поперечную волну, которая скользит параллельно образующей стенки и затем выходит в виде преломленной или дифрагированной волны в жидкость, где и регистрируется приемником. При расположении источника на оси скважины фронты скользящих волн представляют собой окружности, а лучи головных волн находятся в плоскостях, проходящих через ось скважины. Так же, как и в скважинах большого диаметра, регистрация головных волн p0S, Ро и Ро Р, Ро возможна, когда i}pi Vsi V0 если Vs іУр0 » волна pas, р0 отсутствует. Если имеется горизонтальный градиент увеличения скорости вблизи стенки скважины, то образуется рефрагированная волна (вместо скользящих). В этом случае волны характеризуют свойства пород на значительном удалении от стенки скважины.
Аппаратура СПАК, АКЦ и "Парус"...
Динамический диапазон индикатора станции ЛАК-І вместе с фоторегистратором ФР мал и не превышает 1,5 дб. С ЭЛТ сигналы регистрируются на фотобумагу, причем от каждого излучателя сигналы записываются отдельно, метки времени также наносятся на фотобумагу, которая протягивается синхронно с подъемом скважинного снаряда.
Импульсы длительностью t, и іг интегрируются в блоках St, и S{ 2 , а в блоке д t вычитаются один из другого для получения сигналов постоянного тока, подаваемых на регистратор. С усилителя У3 сигнал поступает на два идентичных канала измерения амплитуд. В момент окончания интервала і, запускается схема "ворот" В, , вырабатывающая импульс, который разрешает подачу сигнала с У3 на детектор д, . Детектированный сигнал интегрируется в блоке А, . Аналогично работает второй канал. Сигналы /А, и Az поступают на логарифматоры и схему вычитания для измерения параметра ы. = &-і А,/АЛ . Выходы измерительных схем соединены с каротажным осциллографом.
Таким образом, одновременно с регистрацией фазокорреляпион-ных диаграмм с ЭЛТ, на каротажном осциллографе записываются аналоговые кривые I, и lz, At и А, , /\2 , .
Все перечисленные выше типы аппаратуры: УЗКУ, АСКУ и ЛАК-І были выполнены в виде отдельных станций акустического каротажа и имели опытно-методический характер. Эти разработки позволили освоить новую модификацию каротажа - АК, создать методическое обеспечение и изучить основные конструктивные элементы скважиннои и наземной аппаратуры и их метрологические особенности. Исхоля из требований производства было принято решение создавать не специализированные станции для акустического каротажа, а отдельные скважинные приборы с наземными панелями, которые должны были раз мещаться в стендах каротажных станций (АКСЛ/7).
Производственная аппаратура должна была обеспечить непрерывную регистрацию по стволу скважины основных параметров продольных волн: , ,t2, йі » А{ Az 4дА /Алс необходимой точностью. В качестве акустических датчиков были выбраны магнито-стрикционные излучатели и приемники резонансного типа, как наиболее мощные и стабильные в работе при регистрации параметров продольных волн.
Первая серийная аппаратура была типа СПАК - для работы в необсаженных нефтегазовых скважинах, АКЦ-І в обсаженных скважинах и "ПАРУС" - для работы в рудных и угольных скважинах.
Аппаратура СПАК-2М и АКЦ-І предназначается для каротажа скважин диаметром от 120 до 600 мм при максимальной температуре до 120С и давлении 600 кгс/см2.
Аппаратура СПАК состоит из глубинного прибора и двух наземных панелей- измерения времени ВП и амплитуды А. Блок-схема аппаратуры и сигналы в ней показаны на рис.2.4. От наземной панели к глубинному прибору подаются синхроимпульсы СИ разной полярности с частотой следования 25 Гц. Селектор импульсов положительной полярности С+, размещенный в зонде, запускает генератор Г, ближнего излучателя Hj. Селектор С- запускает генератор Г? дальнего излучателя Hg. Они работают поочередно со сдвигом по времени на 40 мс. Колебания, прошедшие через исследуемую среду, воспринимаются приемником П и преобразуются в электрический сигнал, который после усиления в усилителе Уу через схему присоединения СП и каротажный кабель поступает в наземную аппаратуру. Наземная аппаратура связана с каротажным кабелем через схему СП, на которую подаются разнополярные импульсы запуска излучателей схемы синхронизации СИ. Последняя управляется делителем Д частоты питающей сети. Усиленные сигналы с приемника подаются на два усилителя У? ж я» Сигнал, прошедший через усилитель У поступает на схему выделения вступления ЕВ и далее, через схему И3 на измерительный триггер, отмечая конец измеряемых интервалов времени t, и t г .
Начало интервала совпадает с моментом посылки импульсов запуска излучателей. Схема И3 служит для запрета подачи сигнала на время от момента излучения до ожидаемого прихода первого вступления в породе с наибольшей скоростью l/p 8 км/с.
В случае отсутствия вступления, окончание интервалов 1, и tz определяется схемой блокировки Б, вырабатывающей импульс длительностью, равной максиглально возможному измеряемому интервалу времени пробега волны в породе. Измеренные значения t, , ±.z и л {, А,, А и с подаются на осциллограф каротажной станции для записи соответствующих диаграмм.
Построение быстродействующего преобразователя аналог-код для цифровой регистрации сигналов АК
Непрерывный сигнал акустического каротажа необходимо представить в цифровой форме. Эту задачу выполняет аналого-цифровой преобразователь, который преобразует входное напряжение в пропорциональное ему число. Для этого используют три принципиально различных метода: параллельный, весовой, числовой / 57 /.
В первом случае входное напряжение одновременно сравнивают со всеми опорными напряжениями и точно определяют, между какими двумя значениями оно лежит. При этом результат получают сразу, в один шаг. Конечно, аппаратурные затраты в этом случае очень велики, так как для каждого опорного напряжения необходим компаратор. Например, для измерения напряжения от 0 до 100 мВ с шагом в I мВ необходимо 100 компараторов.
При весовом методе результат не может быть получен за один шаг, поскольку на каждом шаге определяется лишь один разряд двоичного числа. Сначала устанавливают, превышает ли входное напряжение опорное напряжение старшего разряда. Если оно выше, то старший разряд получает значение "I" и из входного напряжения вычитается опорное. Остаток сравнивают с соседним младшим разрядом и т.д.
Очевидно, что для этого необходимо столько шагов сравнения, сколько разрядов в числе и сколько опорных напряжений.
Простейший метод - числовой. В этом случае последовательно подсчитывавтся число суммировании опорного напряжения младшего разряда, необходимое для получения значения, равного величине входного напряжения. Если максимальное число, которое может быть представлено, равно п. , то необходимо, следовательно, максимум п. -шагов для получения результата. J каждого из рассмотренных методов преобразования аналог-код имеются свои ограничения.
Недостаток параллельного метода состоит в том, что число компараторов экспоненциально возрастает с длиной слова. Для 8-разрядного преобразователя требуется, например, уже 255 компараторов.
Можно значительно уменьшить аппаратурные затраты, снизив скорость преобразования. Для этого комбинируют параллельные методы /12 /. На рис.4.2.6 показана схема 8-разрядного преобразователя, построенного по комбинированному методу. В первом ша-ше параллельно преобразуется четыре старших разряда кода. Результат представляет собой достаточно грубо квантованное значение входного напряжения. С помощью ЦА-преобразователя образуется соответствующее аналоговое напряжение, которое вычитается из входного напряжения. Разностное напряжение представляется в цифровой форме вторым 4-разрядным АЦ-преобразователем.
Если разность между приближенным значением и входным напряжением усилить в 16 раз, можно использовать два АЦ-преобразова-теля с одним и тем же диапазоном входного напряжения. Различие между обоими преобразователями заключается в требовании к точности: у первого АЦ-преобразователя она должна быть почти такой же, как и 8-разрядного преобразователя, так как иначе полученная разность не будет иметь смысла.
Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает временное запаздывание. Поэтому значение преобразуемого входного напряжения с помощью схемы выборки-хранения поддерживается постоянным до тех пор, пока не будет получено все число.
Простейший 4-разрядный АЩ может быть построен по схеме, приведенной на рис.4.2.а. Входное напряжение, которое может изменяться в диапазоне от нуля до напряжения источника питания, представляется на выходах АЦП в параллельном дополнительном двоичном коде.
Проведенные автором испытания собранного по схеме рис.4.1.а АЦП позволяет сделать вывод, что если требуемая точность АЦ-пре-образования не превышает четырех разрядов, то в качестве основы для АЦП можно использовать КМ0ЇЇ логические элементы "И-НЕ" или "ШШ-ВЕ".
Если заменить логические элементы "И-НЕ" компараторами (или операционными усилителями), то для нормальной работы 4-разрядного АЩ инверторы-компараторы AI-A4 должны переключаться при напряжении на их входах равном Un/s. с погрешностью не более 11п/(2п - 2.} ( п - число разрядов выходного двоичного кода), а выходные напряжения компараторов в устойчивых состояниях должны быть близкими к нулю и Uг] . Кроме того, компараторы должны обладать высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Перечисленным требованиям удовлетворяют большинство современных 07, инвертирующие входа которых должны быть подключены к соответствующим опорным напряжениям \Jn Is..
На рис.4.2.б показана блок-схема достаточно экономичного комбинированного 8-разрядного АЩ, которая состоит из двух 4-разрядных АЩ, одного 4-разрядного ЦАП, усилителя-утлножителя разности на 16 и усилителя входного сигнала.
Сумматор, счетчик и устройство ввода
Сумматор (рис.5.4.а) состоит из четырех триггеров T2J, T2Z, TI3 и ГІД , образующих счетчик с коэффициентом пересчета К=16, работающий в режиме сложения. Кроме счетных входов триггеров, необходимых для реализации схемы счетчика, каждый триггер сумматора имеет по одному счетному входу для накапливания содержимого соответствующего двоичного разряда информационного регис тра ИР. Два триггера сумматора ТІ2 и TZ3 имеют и третий счетный вход для десятичной коррекции результата.
Выходной сигнал ITZ/L сумматора I поступает на вход "I" триггера переноса Тб- через неуправляемую схему запрета ЗІ/Н. Этот триггер служит для запоминания единицы переноса в следующий старший десятичный разряд.
Работа сумматора при суммировании двух десятичных цифр подразделяется на следующие этапы: 1) подготовка сумматора I к суммированию (стирание содержимого триггеров Тії - ТІ4 без изменения состояния триггера переноса Те; 2) пересылка содержимого триггера переноса Ts в сумматор; 3) подготовка триггера Те для запоминания нового переноса (установка в "О" триггера переноса Тб-); 4) накапливание кода первой цифры а і в сумматоре I ; 5) накапливание кода второй цифры Ьі в сумматоре I или при вычитании накапливание ее дополнения 9 - bt до 9; 6) проведение десятичной коррекции, если полученный результат больше 9; 7) перезапись корректированного результата в информационный регистр ИР для записи в ЗУ.
В аппаратуре действия первых двух этапов совмещены и характеризуются некоторыми особенностями. Так, например, на первом этапе сброс триггеров ТИ - ТІ4- сумматора заменен их установкой в состояние "I" сигналом 0М2Ш, а на втором этапе осуществляется установка в состояние "О" только триггера Тії или TIZ для обеспечения действия (Те- ) - 1 .В результате этого нет необходимости в специальном каскаде сброса; отсутствует и блокировка переноса к триггеру Тб- в процессе подготовки сумматора 1 к суммированию.
При положительном фронте сигнала ІМ2ПІ через схемы запрета 22/Н или 23/Н (в зависимости от состояния триггера переноса Те) происходит сброс соответственно триггера Тії или T1Z . В первом случае ( 6 = 0) установка в состояние "О" триггера ТІ I влечет за собой сброс всех триггеров сумматора X , так как последний работает как счетчик и после его состояния f I I I (z; следует состояние 0000 т . Во втором случае ( 6 = I) установка триггера JTZ в состояние "О" приводит к установке в состояние "О" только триггеров ТІ2 » ТІЗи ТІ4- . Триггер ТЇ.Ї остается в состоянии "I", что эквивалентно перезаписи содержимого триггера переноса Ts в сумматор I , т.е. б" -» Ц .
После описанных действий триггер Т г остается всегда в состоянии "I". Установка его в состояние "О" для подготовки в восприятие нового переноса осуществляется одновременно с накапливанием кода первой цифры. При этом переноса из сумматора I к триггеру Те не возникает.
Накапливание кода первой десятичной цифры flj. в сумматоре I осуществляется следующим образом. Каждый двоичный разряд кода цифры поступает на соответствующий счетный вход сумматора через схемы совпадения I/H, 2/Н, 3/Н и 4/Н. Если код цифры поступает одновременно на все триггеры Til I4-, то переходные процессы в сушаторе в связи с распространением переносов помещают правильному срабатыванию триггеров. В таком случае необходимо предпринять меры для соответствующей задержки переносов или не допускать одновременного поступления информации в сумматор.
В аппаратуре вместо включения элементов задержки при распространении переносов код цифры к сумматору поступает не в одном такте, а разряд за разрядом при помощи задержки вспомогательных одновибраторов M\Z,MZ1, МЗХ .
