Скважинные приборы АК-цементометрии, оснащенные компенсированными измерительными зондами, представляют собой лучшие достижения метода начала 90-х годов. Однако практически все фирмы и предприятия продолжают эксплуатацию более старых приборов с трёхэлементными и, даже, двухэлементными измерительными зондами. По-видимому, это делается с целью полной амортизации ранее изготовленных приборов. В других случаях такие приборы предназначены для исследований скважин с экстремальными условиями: диаметр скважин - менее 120 мм, забойные температуры близки или превышают 200°С, необходимость работы с одножильным каротажным кабелем.
Конструкции сканеров АК-цементометрии более разнообразны ( табл. 7 , б). Их можно разделить, по крайней мере, на три обособленных группы: 1) сканеры с одним совмещённым преобразователем "излучатель-приёмник", вращающимся вокруг оси прибора; 2) сканеры с восемью преобразователями "излучатель-приёмник", установленными в корпусе прибора неподвижно, по винтовой линии, через 45° в проекции на азимутальную плоскость; 3) приборы с шестью парами преобразователей "излучатель-приёмник", установленными на близком расстоянии (микрозонды АК) на 6 выносных башмаках. Излучатели и приёмники соседних башмаков заменены местами. Башмаки (через один) размещены в двух горизонтальных плоскостях таким образом, что верхний излучатель первого башмака (И1), верхний приёмник второго (П1), нижний приёмник третьего (П2) и нижний излучатель четвёртого башмака (И2) образуют короткий компенсированный измерительный зонд И1П1П2И2 и т.д. Всего таких зондов 6; они расположены под углом к оси прибора и скважины, охватывая сегмент раскрытостью 60° [81,140]. Все сканеры АК-цементометрии оснащены дополнительным преобразователем "излучатель-приёмник" для определения скорости упругой волны в жидкости, заполняющей скважину.
Первичные данные сканеров АК-цементометрии включают время распространения и амплитуды упругой волны, отражённой от внутренней и внешней стенок обсадной колонны и стенки скважины, время реверберации колонны, резонансную частоту колебаний колонны, интервальное время распространения упругой волны в скважинной жидкости. Эту информацию получают почти непрерывно приборами с вращающимся преобразователем "излучатель-приёмник" (от 6-10 оборотов в минуту, до 18-32 опросов за один оборот) или в сегментах с раскрытием 45° либо 60° другими приборами. Помимо первичных данных (обычно это кривые затухания и ФКД), стандартные заключения зарубежных фирм содержат с теми или иными вариациями у разных фирм сведения о внутреннем диаметре и эксцентриситете колонны, её толщине, наличии интервалов внутренней и внешней коррозии, положении муфт и центраторов, карту распределения цемента за колонной с выделением вертикальных каналов, индекс сцепления цемента с колонной (в кг/см2). Часто, подобно тому как это делается для открытого ствола, изображение обсадной трубы может быть представлено в псевдотрехмерном отображении, на котором видны дефекты - перфорационные отверстия, коррозионные воронки, следы выработки от движения бурильных труб или НКТ и т.п.).
К сожалению, уровень решения перечисленных задач отечественными сканерами АК-цементометрии намного ниже. Сканер АВК-42 позволяет получить лишь изображение внутренней стенки скважины и её дефектов (порывов, трещин, перфорационных отверстий). Сканер САТ-4 обеспечивает измерение профиля колонны и отображение её поверхности. Линейная разрешающая способность САТ-4 по дефектам внутренней поверхности составляет 6 мм, абсолютная погрешность измерения внутреннего радиуса - не более ±0,7 мм [68]. Методические возможности сканера АРКЦ-Т-1 в общедоступной литературе не раскрыты.
Предполагается, что возможности, близкие к зарубежным сканерам, будут достигнуты у сканеров, разрабатываемых НПП "Геометр". Авторы сообщают [44], что они разрабатывают аналоги сканеров АК-цементометрии СЕТ и USI фирмы Schlumberger и сканера СВТ фирмы Western Atlas International. Организация начала опытные работы со сканером АКЦ ВМ, разработка двух остальных находится на стадии лабораторных исследований.
2.4. Основные конструктивные элементы измерительных зондов
Измерительные зонды АК составляют излучатели и приёмники упругих колебаний, в совокупности обеспечивающие необходимое для измерений соотношение информационных сигналов и шума, а также акустическая развязка (акустический изолятор) между ними, препятствующая распространению сигнала-помехи по корпусу зонда. Непременными атрибутами измерительных зондов и приборов АК в целом являются центрирующие устройства, обеспечивающие соосное расположение зонда и исследуемой скважины. В зависимости от назначения скважинного прибора, решаемых с его помощью задач и условий эксплуатации перечисленные элементы зонда основаны на разных принципах работы, обладают различным конструктивным исполнением и эксплуатационными характеристиками. Вероятно, никогда не удастся достичь в этих устройствах совершенства или хотя бы каких-либо стандартов. Во всяком случае, количество изобретений в этой области знаний не снижается, хотя в отдельные годы наблюдаются всплески, обусловленные, как правило, появлением новых материалов или принципов измерений. Так, в середине 80-х годов (1983 -1986 гг.) наблюдалась "вспышка" изобретений, связанных с дипольными преобразователями. Её вызвало сообщение об успешном применении низкочастотных антисимметричных колебаний для измерения скорости распространения поперечной волны в слабоконсолидированных средах, в которых её значение vs существенно меньше скорости vж упругой волны, заполняющей скважину [111]. Основными патентовладельцами способов измерений и измерительных зондов скважинных приборов АК являются фирмы Schlumberger Technology Corporation, Ezzon Production Research Company, Mobil Oil Corporation, Atlantic Richfield Company. В сфере дипольных преобразователей с ними конкурирует Горный колледж университета Акита (Япония). В сфере АК-сканеров приоритетные позиции занимают Western Atlas International, Inc. и Chevron Research and Technology Company. Российские предприятия и организации в последние 5-7 лет практически прекратили патентование, и поэтому трудно судить об уровне и направлении их деятельности в данной области техники. Отдельные появляющиеся в российской литературе сообщения носят рекламный характер и не позволяют судить об уровне разработок.
За последние годы не произошло радикальных изменений в применении материалов для изготовления монопольных электроакустических преобразователей. В приборах АК используются преимущественно электрострикторы на основе пермендюра и пьезокерамики. Применение этих материалов обусловлено их высоким электроакустическим КПД, достигающим 50% в импульсном режиме излучения и приема, технологичностью изготовления и относительно высокой термостойкостью.
Магнитострикционные материалы чаще всего применяются в отечественных приборах АК для изготовления излучателей упругих волн. В зарубежных приборах и отечественных приборах последнего поколения излучатели выполняют из пьезокерамики, очевидно, научившись преодолевать её более низкую механическую прочность. Приёмники упругих колебаний с середины 80-х годов выполняют только из пьезокерамики. Это тем более относится к АК-сканерам, в которых один и тот же преобразователь выполняет функции излучателя и приёмника. Такой преобразователь имеет, как правило, форму вогнутого пьезоэлектрического диска [135,147]. Редко в приборах массового применения предлагается использовать преобразователи, работающие на других принципах, например, электродинамические [137], хотя они заняли прочное место в зондах для исследования низкоскоростных разрезов (дипольные зонды).
Традиционно в скважинных приборах АК применялись излучатели с диаграммами направленности, близкими по форме к сферической ( рис.4 ), что обусловлено необходимостью возбуждения головных продольной и поперечной волн в широком (20°-90°) диапазоне критических углов. Такие излучатели выполняются в форме сфер и пустотелых цилиндров либо в форме двух магнитострикционных колец с общей обмоткой, включённой таким образом, чтобы маг- нитные потоки в кольцах были направлены в разные стороны. Высота h цилиндрического излучателя должна находиться в пределах 0.5l <= h <= 0,7l, где l - длина волны в скважинной жидкости на основной частоте излучателя.
В связи с растущей востребованностью измерений параметров поперечной и поверхностных волн в приборах АК всё чаще появляются монопольные излучатели направленного действия [45,82,118]. Их выполняют в двух вариантах: а) в виде колец, размещённых вдоль оси измерительного зонда и возбуждаемых с временной задержкой, чтобы обеспечить создание диаграммы направленности, вытянутой вдоль оси скважины [117]; б) в форме поршневых преобразователей с активными элементами (толкателями), выполненными из пьезокерамических столбиков или магнитострикционных стержней и излучающих энергию вдоль оси прибора. Для формирования диаграммы направленности, обращённой к стенке скважины, и уменьшения интенсивности прямой волны по корпусу прибора между поршнем и приёмником размещают отражатель.