Сложность приборов с антеннами приёмников видна из описания измерительного зонда скважинного прибора MAC фирмы Western Atlas International. Блок излучателей длиной 2,11 м содержит 2 монопольных и 2 дипольных излучателя и 4 генератора для их возбуждения. Монопольные излучатели представлены обычными пьезокерамическими цилиндрами с широким диапазоном (1-20 кГц) излучаемых частот; они разнесены на 0,76 м. Низкочастотные (1-3 кГц) излучатели выполнены из биморфных пьезокерамических пластин; расстояние между ними - 0,305 м. Минимальные расстояния между одноимёнными излучателями и приёмниками составляют 2,44 м для монопольных и 2,59 м для дипольных преобразователей.
Блок приёмников длиной 3,36 м содержит две антенны из 8 монопольных и 8 дипольных приёмников. Первые выполнены из пьезокерамических цилиндров малого диаметра, полоса приёма частот - 1-20 кГц; вторые - из биморфных дисков с равномерной частотой преобразования в диапазоне 1-10 кГц. При стандартной конфигурации характеристики направленности всех дипольных приёмников направлены в одну сторону. Каждый второй из этих приёмников может поворачиваться на 90° посредством натяга гибкой сцепки управлением сверху. Таким образом, единая антенна дипольных приёмников трансформируется в две (по 4 приёмника в каждой) с ортогональной направленностью диаграмм чувствительности. Расстояние между соседними преобразователями в каждой антенне монопольных и дипольных приёмников равно 0,152 м.
Блок приёмников соединяется с электронным блоком герметичным мостом, который содержит 67 штырьков. Электронные схемы и программное обеспечение прибора обеспечивают синхронную работу всех элементов, оцифровку данных в пределах 4-8 мс с шагом 4-8 мкс с помощью четырёх синхронных 12-битовых АЦП (12МГц ЦП), фильтрацию принятых сигналов для лучшего выделения колебаний Р, S и St волн посредством применения трёх верхних и трёх нижних частот среза, передачу оцифрованных данных на дневную поверхность. Скорость передачи данных - 41,6 или 93,75 кбит/с. Динамический диапазон передаваемых данных составляет 102 дБ. Скорость каротажа определяется режимом работы скважинного прибора и решаемыми задачами; максимально - 500 м/ч. В реальном режиме времени регистрируются значения Dtp и Dts, полученные по методике прослеживания фазы на основе выбранного порога срабатывания, vp/vs и ФКД монопольного и дипольного зондов. Погрешность измерения интервального времени продольной волны равна ±3%, поперечной - ±5%.
Не менее сложно, но более изобретательно устроен блок приёмников скважинного прибора DSI фирмы Schlumberger [139]. Прибор предназначен для измерений параметров продольной, поперечной и Стоунли волн в любых типах пород. Блок излучателей содержит один монопольный излучатель с диапазоном рабочих частот 8-30 кГц и два дипольных излучателя, обладающих равномерной частотой преобразования в диапазоне 0,1-5 кГц. Восемь приёмников, удалённых от излучателей на 2,75 и 3,4 м, общие для монопольных и дипольных зондов. Каждый из них состоит из четырёх гидрофонов, расположенных под углом 90° друг к другу. Одновременное включение всех четырёх гидрофонов позволяет получить общую равномерную диаграмму направленности, которая соответствует монопольному приёмнику. Поперечное включение гидрофонов, расположенных по диагонали, соответствует образованию двух ортогонально расположенных дипольных приёмников. Расстояние между соседними (по оси скважины) приёмниками составляет 0,152 м.
Данные прибора DSI обрабатываются при различных способах фильтрации сигналов, что обеспечивается программным обеспечением каротажной станции MAXIS 500. Интервальные времена Р, S и St волн могут быть определены по первым вступлениям этих волн выбором порога дискриминации и согласно методу STC (когерентность "интервальное время-время"). Одновременно определяются другие параметры упругих волн (амплитуда А, эффективное затухание a, преобладающие частоты f, спектр частот, интегральное время пробега волны и др.), динамические параметры упругости (К, G, Е, v) горных пород, степень напряжённого состояния и трещиноватости пород и др. Прибор DSI комплексируется со всеми другими скважинными приборами серии MAXIS и, естественно, с техническим модулем ориентации, температуры, давления.
Отечественные скважинные приборы АК, оснащённые антеннами приёмников, имеют более скромные возможности. Они оснащены антеннами только монопольных приёмников. В этом отношении такая особенность приборов АКМ, АК-6 и АКД-8, как возможность работы на одножильном кабеле, вовсе не является их преимуществом. В самом современном из них, приборе АКД-8 [16], выбрана типовая конструкция измерительного зонда. Цилиндрический пьезокерамический излучатель малой длины (25 мм), что является далеко не лучшей конструкцией этого элемента, расположен в 2,4 м от ближайшего приёмника. Снижение резонансной частоты излучателя и расширение спектра излучаемых частот достигается демпфированием активной части стальным цилиндром и выбором заднего фронта возбуждающего импульса. Восемь приёмников с резонансной частотой 22 кГц расположены через 0,1 м. Электронная часть прибора организована в режиме общего пункта возбуждения, когда при каждом возбуждении излучателя регистрируются все 8 волновых пакетов. Применение антиаляйсинговых фильтров позволяет выбрать информационные сигналы в диапазоне 2-20 кГц и усилить их 8 усилителями с кратностью 1:4:16:64. Оцифровка сигналов в приборе достигается двумя 12-разрядными АЦП с дискретностью 10 мкс во временном диапазоне 5120 мкс. При скорости передачи оцифрованных данных на поверхность, равной 100 кбит/с, обеспечивается шаг квантования по глубине, равный 0,2 м. Столь большие шаги квантования по времени и глубине сводят на нет все преимущества прибора АКД-8. В первую очередь это относится к возможности использования частотного спектра для фильтрации волновых пакетов, выделения и идентификации волн, а также и вертикальной избирательности при исследовании тонких пластов. Настораживает также заявление об отсутствии программного обеспечения обработки первичных данных и определения интервальных времен Р, S и St волн [16], хотя такое отечественное обеспечение существует даже для простых трёхэлементных зондов [34].
Сообщается [68] о разработке многозондового прибора МАК-8, предназначенного для АК через обсадную колонну. Предполагается, что измерительный зонд составят низкочастотный (менее 10 кГц) излучатель, работающий попеременно в монопольном и дипольном режимах, и 4 широкополосных приёмника, размещенных на расстоянии до 3,5 м от излучателя. Другие характеристики прибора не раскрываются.
Пожалуй, сегодня лучшим отечественным скважинным прибором, предоставляющим возможность определения с приемлемыми погрешностями параметров Р, S и St волн, остаётся АВАК-7 [25], хотя онотносится к более простому классу приборов массового применения.
2.3. Скважинные приборы акустической цементометрии
Бурное развитие акустической цементометрии началось на заре появления скважинных приборов АК. Этому способствовали, по крайней мере, два обстоятельства: важность задач определения технического состояния обсадной колонны и цементного камня, обеспечивающих длительную работу нефтегазовых скважин, и более низкие на первых порах требования к количественным определениям параметров упругих волн по сравнению с приборами, предназначенными для исследований открытых скважин. Со временем требования к качеству решения задач и, соответственно, к приборам АК-цементометрии неизмеримо повысились. Появилась необходимость количественной оценки сцепления цемента с обсадной колонной и горными породами, выделения в цементном камне тонких вертикальных каналов, идентификации интервалов внутренней и внешней коррозии обсадной колонны и др.
Решение усложнившихся задач осуществляется в настоящее время двумя группами приборов, чётко различающихся между собой. Традиционные задачи цементометрии - определение высоты подъема цемента за колонной, степени заполнения затрубного пространства цементом и качества его сцепления с колонной и горными породами - решаются приборами АК-цементометрии (АКЦ), обладающими относительно невысокими частотами излучения (20-30 кГц) со средними для АК длинами (0,7-1,5 м) измерительных зондов ( табл. 6 ). Для этой цели часто применяют также приборы АК, предназначенные для исследований открытых скважин. Обычно ими исследуют качество цементирования промежуточных (технических) обсадных колонн во время каротажа глубже залегающих открытых интервалов. Вторую группу приборов составляют высокочастотные (250-1000 кГц) АК-сканеры. Их основное назначение заключается в обнаружении небольших дефектов, нарушающих целостность колонны и/или герметичность затрубного пространства: порывов, трещин, смятий и коррозии обсадных труб, вертикальных каналов в цементном камне, интервалов залегания газонасыщенного (вспученного) цемента.
Современные приборы АК-цементометрии обладают короткими компенсированными измерительными зондами ( табл. 7 ,а). Расстояния между ближайшими излучателем и приёмником в приборах разных фирм изменяются от 0,7 до 1,2 м; базы зондов (расстояние между приёмниками) - в пределах 0,305-0,61 м. Зарубежные и некоторые отечественные приборы содержат также третий приёмник. Его назначение заключается в регистрации ФКД на стандартной в зарубежной практике базе в 5 футов (примерно 1,5 м). С помощью этого приёмника регистрируют также положение муфт при любом качестве цементирования, воспринимая упругие колебания ближнего излучателя, расположенного на расстоянии 0,2-0,3 м от приёмника. Основная рабочая частота излучателей приборов АК-цементометрии равна 20 кГц, что благоприятно для регистрации параметров волны Лэмба, распространяющейся в колонне. Собственно, по затуханию этой волны определяется (количественно!) степень сцепления цемента с колонной. Сцепление цементного камня с горными породами фиксируется на качественном уровне по факту появления на ФКД упругих волн, распространяющихся в породах. Методические возможности и эксплуатационные характеристики приборов с компенсированными зондами близки между собой; диаметр приборов - 70-83 мм, длина - 5,4-8,5 м с центраторами. Термобарические характеристики - стандартные для зарубежных (177 °С, 138 МПа) и отечественных приборов (120°С, 80 МПа).