МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЙ ЗОНД БОКОВОГО КАРОТАЖА
MULTIPOLE SONDE OF LATERAL LOGGING

Изобретение относится к области геофизических исследований, а именно для электрического каротажа скважин.
Известен уплотнительный узел зонда для электрического каротажа (РФ, патент №2488851, G01V 3/18, Е21В 47/12, 2012 г.), содержащий цилиндрический корпус, множество установленных на корпусе диэлектрических втулок, множество кольцевых электродов, коаксиально установленных на корпусе между диэлектрическими втулками и контактирующих своими торцевыми поверхностями с торцевыми поверхностями втулок, изолирующее средство, размещенное на корпусе и обеспечивающее изоляцию кольцевых электродов от корпуса, и уплотнительный узел, оснащенный средством создания усилия поджатая на торец диэлектрической втулки, контактирующей с цилиндрическим корпусом. Отличительной особенностью известной конструкции является выполнение со скосом сопрягающихся торцевых поверхностей втулок-изоляторов и торцевых поверхностей контактирующих с ними электродов. Такое выполнение сопрягающихся поверхностей электродов и изоляторов обеспечивает упрощение сборки конструкции, а также позволяет реализовывать прибор без системы компенсации давления скважины.
Недостатки известного устройства.
1) Низкая точность измерения.
Это обусловлено тем, что электрический контакт с излучающим электродом обеспечен только в одной точке внутренней поверхности электрода. При таком исполнении наибольшая плотность тока, излучаемого в породу с поверхности электрода, возникает вокруг места электрического контакта с электродом. То есть электрическое поле, излучаемое в породу, искажается и не соответствует математически моделируемому полю, что становится особо актуальным при работе зонда бокового каротажа в сильно проводящих средах. Кроме того, одна точка контакта недостаточна для проведения, излучаемого в породу электрического тока большой силы, так как переходное сопротивление при контакте «прижимное устройство - электрод» определяется площадью контактирующих поверхностей и зависит от силы их прижатия друг к другу, а также от шероховатости контактирующих поверхностей. В процессе эксплуатации в месте контактов величина переходного сопротивления со временем увеличивается, поскольку окисляется под воздействием протекающих больших токов и повышенной температуры место контакта. Кроме того, со временем ослабевает и сила прижатия пружинного контакта, что также приводит к увеличению переходного сопротивления контакта. Увеличение падения напряжения на переходных контактах приводит к снижению чувствительности прибора.
2) Низкая надежность конструкции.
Это обусловлено тем, что в известной конструкции шасси с платами электроники установлено на опоре, обеспечивающей симметричность размещения шасси в корпусе, и для гашения внешнего динамического воздействия (вибрации, ударов) в процессе работы устройства в скважине, на корпус и, соответственно, на шасси, опора выполнена из эластичного материала.
Однако сила амортизации такой опоры будет меняться в зависимости от силы внешнего динамического воздействия, оказывая соответственно переменное воздействие на сопротивление контакта, то есть вносить дополнительную погрешность в измеряемые параметры.
Скважинные приборы работают при значительных температурах окружающей среды (более 100°C), в результате нагрева электроды и корпус, выполненные из стали, пропорционально удлиняются, но при этом цилиндрические изоляторы, выполненные из диэлектрического материала, как правило, имеющего коэффициент линейного расширения больше стали, при нагреве удлиняются вдоль корпуса в большей степени по сравнению с электродами. Таким образом, цилиндрические изоляторы вследствие нагрева начинают испытывать сдавливающее воздействие, которое может привести к разрушению изолятора, если не будет способа снять возникающее механическое напряжение.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения исследуемых параметров и повышение надежности конструкции всего зонда многоэлектродного бокового каротажа.
Поставленная задача решается следующим образом.
В многоэлектродном зонде бокового каротажа, содержащем цилиндрический корпус с нанесенным на него изолирующим средством, верхнее и нижнее присоединительные устройства с электровводами, шасси с электронным блоком и блоком питания, размещенное внутри корпуса по продольной оси, множество кольцеобразных измерительных и генерирующих сигналы кольцеобразных электродов с токосъемными контактами, выполненных со скошенными торцевыми поверхностями, сопряженными с ответными скошенными поверхностями цилиндрических изоляторов, размещенных между кольцеобразными электродами, соединительные провода и уплотнительные узлы со средством поджатая крайнего из изоляторов, контактирующего с корпусом, согласно изобретению:
- каждый из электродов оснащен как минимум тремя цилиндрическими токосъемными контактами, равномерно разнесенными относительно друг друга по окружности корпуса;
- каждый из токосъемных контактов выполнен с уступом по торцевой поверхности, контактирующей с корпусом, и установлен в теле корпуса с возможностью ограниченного хода перпендикулярно продольной оси последнего и упором в упругую электропроводящую пластину, выполненную в виде овальной рессоры, закрепленной на шасси напротив каждого из мест посадки токосъемных контактов;
- на внутренней кольцевой поверхности каждого из электродов и каждого из цилиндрических изоляторов выполнены углубления-проточки, в которых размещены уплотнительные кольца;
- скосы сопрягающихся торцевых поверхностей электродов и изоляторов выполнены под углом, при котором торцевая поверхность изолятора накрывает сопрягаемую с ней торцевую поверхность электрода или прижимного устройства.
Предложенное техническое решение имеет следующие преимущества по сравнению с аналогом.
- Наличие у каждого из электродов трех токосъемных контактов, равномерно разнесенных друг относительно друга по окружности корпуса, обеспечивает равномерное распределение между ними тока, вырабатываемого генератором, за счет чего обеспечивается равномерная плотность тока, генерируемого с поверхности измерительного электрода в породу, что, в свою очередь, повышает точность соответствия реальной информации, полученной от прибора, с параметрами его физико-математической модели.
- Увеличение числа токосъемных контактов как минимум до трех увеличивает суммарную площадь контактной поверхности электрода, снижая при этом величину тока, протекающего через каждый токосъемный контакт, и соответственно снижает их нагревание, тем самым снижается скорость окисления контактов. Кроме того снижается влияние изменения контактного сопротивления каждого отдельного токосъемного контакта на их параллельное включенное суммарное сопротивление. При этом электрическое контактное сопротивление параллельно включенных токосъемных контактов в наибольшей степени соответствует расчетной физико-геометрической модели прибора.
- Выполнение токосъемного контакта с уступом по торцевой поверхности, контактирующей с корпусом, не позволяет проваливаться токосъемному контакту в полость корпуса при сборке/разборке прибора. Установка токосъемного контакта в теле корпуса с возможностью ограниченного хода в радиальном направлении обеспечивает качественное прижатие его контактной поверхности к корпусу в процессе эксплуатации устройства. Возможность захода токосъемного контакта в тело корпуса, когда торцевая поверхность токосъемного контакта оказывается ниже уровня поверхности изолирующего корпус средства во время установки на корпус цилиндрических изоляторов и измерительных и генерирующих сигналы электродов (при сборке устройства), исключает возможность повреждения уплотнительных колец, установленных на внутренней поверхности измерительных и генерирующих сигналы электродов и цилиндрических изоляторов о торцевую поверхность токосъемного контакта.
- Наличие контактных упругих пластин, выполненных в виде рессор овальной формы, жестко закрепленных на шасси и поджимающих токосъемные контакты, позволяет равномерно распределять и гасить усилие внешних динамических воздействий на торцы токосъемных контактов, а также позволяет распределять и амортизировать энергию динамических воздействий непосредственно на шасси, повышая тем самым надежность конструкции. При этом если какой-либо один из токосъемных контактов разгружается (ослабляется его прижатие в результате внешнего динамического воздействия), то у двух других токосъемных контактов усилие прижатия возрастает, соответственно суммарное контактное сопротивление каждого из электродов изменяется незначительно и не оказывает отрицательного влияния на точность измерений.
- Наличие на внутренней кольцевой поверхности каждого из электродов и каждого из цилиндрических изоляторов углублений - проточек, в которых размещены уплотнительные кольца, повышает герметичность полости корпуса. Это повышает надежность конструкции устройства на герметичность, так как обеспечивает работоспособность устройства в случае протекания любого из внешних (торцевых) уплотнителей.
- В процессе эксплуатации многоэлектродного зонда бокового каротажа (далее - устройства) под воздействием высоких температур скважинной среды происходит линейное расширение как электродов, так и цилиндрических изоляторов. Причем коэффициент расширения материалов, из которых изготавливаются цилиндрические изоляторы, как правило, больше коэффициента расширения стали, из которой изготавливаются электроды. Выполнение скосов сопрягающихся торцевых поверхностей электродов и цилиндрических изоляторов под углом, при котором скошенная поверхность цилиндрического изолятора полностью накрывает сопрягаемую поверхность электрода или прижимного устройства, позволяет компенсировать возникающее в результате линейного расширения избыточное удлинение цилиндрического изолятора за счет его скольжения по сопрягаемой поверхности измерительного и генерирующего сигналы электрода. Возникающее избыточное удлинение электрода при этом компенсируется за счет упругой деформации цилиндрического изолятора, направленной в сторону, перпендикулярную продольной оси прибора.
Кроме того, наклонная торцевая поверхность электродов и цилиндрических изоляторов позволяет оснастить каждый из измерительных и генерирующих сигналы электродов и цилиндрических изоляторов уплотнительными кольцами, не изменяя диаметра прибора в целом и не нарушая прочностных характеристик корпуса, но обеспечивая дополнительную герметичность и надежность конструкции в процессе эксплуатации.
Что касается изобретательского уровня, заявителю известно выполнение наклонных торцевых сопрягающихся поверхностей измерительного электрода и изолятора (прототип). Однако известное техническое решение решает задачу повышения герметизации уплотнительного узла и обеспечение возможности его эксплуатации без системы компенсации давления скважинной среды, в то время как заявленная совокупность признаков обеспечивает новый технический результат, а именно:
повышение точности измерения за счет увеличения числа токосъемных контактов;
повышение герметичности корпуса за счет наличия дополнительных уплотнительных элементов - уплотнительных колец;
повышение надежности прибора за счет выполнения угла скоса торцевых поверхностей с учетом физических свойств материалов, из которых изготовлены цилиндрические изоляторы;
повышение надежности и ремонтопригодности за счет конструкции токосъемных контактов и применения упругих пластин-рессор овальной формы в качестве прижимного элемента, обеспечивающих одновременно электрический контакт и гашение механических вибрационных и ударных воздействий;
повышение, в совокупности, точности измерения исследуемых параметров и повышение надежности конструкции.
Совокупность отличительных признаков и достигаемые преимущества предложенного технического решения по сравнению с аналогами соответствуют критерию изобретения «новизна».
Предложенная конструкция многоэлектродного зонда бокового каротажа проста в реализации, не требует специальных материалов и оборудования, что соответствует критерию изобретения «промышленная применимость».
На фиг. 1 показан вариант конструкции многоэлектродного зонда бокового каротажа.
На фиг. 2 показан вариант крепления токосъемного контакта в теле корпуса.
На фиг. 3 показано расположение токосъемных контактов в плоскости поперечного сечения корпуса.
Многоэлектродный зонд бокового каротажа (далее - устройство) содержит полый цилиндрический корпус 5, покрытый изоляционным материалом 6. На корпусе 5 последовательно установлены электроды 1 и цилиндрические изоляторы 9, плотно сопрягающиеся своими скошенными торцевыми поверхностями друг с другом и оснащенные уплотнительными кольцами 8. В полости корпуса 5 установлено шасси 7 с электронным блоком и блоком питания (на фиг. не показаны). Каждый из измерительных электродов 1 оснащен тремя токосъемными контактами 2. Каждый токосъемный контакт 2 опирается на соответствующую ему упругую пластину-рессору 3 овальной формы, жестко закрепленную на шасси 7. Упругая пластина-рессора 3 электрически связана с электронным блоком посредством напаянных проводников (на фиг. не показано).
На практике на шасси 7 прибора размещается электронный блок прибора, в том числе источники тока, генерируемого в породу, и блок измерения (на фиг. не показаны) генерируемых в породу токов и напряжений, возбуждаемых электрическим полем между измерительными электродами 1. Электроды 1 разделены на группы измерительных электродов и генерирующие сигналы электродов, образующих зондовые пары. Каждая зондовая пара электродов электрически соединена с соответствующим ей источником тока. Соединение обеспечивается сквозь корпус 5 прибора непосредственно под измерительным электродом и генерирующим сигналы электродом посредством не менее трех токосъемных контактов 2 с соответствующими им упругими пластинами-рессорами 3, к которым припаяны провода, подключенные к генераторам тока. Это позволяет достичь равномерного распределения плотности тока, излучаемого в породу, особенно при работе в сильно проводящих средах. Каждый электрод 1 электрически изолируются от корпуса 5 посредством изолирующего средства 6, нанесенного посредством ленточной намотки по всей поверхности корпуса 5, и электрически изолируется от соседних электродов 1 посредством цилиндрических изоляторов 9, установленных на корпусе 5 между ними. Контакты, обеспечивающие связь электродов 1 с упругими пластинами-шасси 7, изолируются от корпуса посредством диэлектрических вставок 4 между соприкасающимися поверхностями токосъемного контакта 2 и корпуса 5. Уплотнительные кольца 8 обеспечивают герметичность внешней оболочки прибора, образованной электродами 1 и цилиндрическими втулками 9. Уплотнительные кольца 8, установленные на внутренней поверхности электродов 1, защищают от повреждения электронный блок в случае попадания раствора скважинной жидкости через торцевое уплотнительное кольцо в полость корпуса 5. Уплотнительные кольца 8, установленные на внутренних поверхностях цилиндрических втулок 9, предназначены для недопущения возникновения токов утечки между соседними электродами 1 по поверхности изолирующего средства 6 в случае проникновения проводящего раствора скважины сквозь торцевое уплотнительное кольцо 8. Таким образом, совокупность уплотнительных колец 8, установленных на концевых торцах корпуса 5 и на внутренних поверхностях электродов 1 и цилиндрических втулок 9, повышает надежность работы прибора. И даже в случае протекания уплотнительных колец 8 на концевых торцах корпуса 5 эта аварийная ситуация не скажется на работоспособности прибора и не повлияет на качество измерений, выполняемых прибором.
Работа устройства заключается в том, что электронный блок выполняет поочередное включение источников тока, подсоединенных к различным зондовым парам электродов. В данном случае на практике было применено шесть зондовых пар электродов 1. Во время каждого включения измеряется ток, генерируемый в породу, а также напряжения, возбуждаемые между измерительными парами электродов. С помощью формул математического пересчета измеренные токи и напряжения, зарегистрированные во время шести включений, используются для расчета пяти зондов бокового каротажа со схемой физического фокусирования БК-9. Зондовые пары при этом отличаются друг от друга глубинностью проникновения электрического поля в породу.
Конструктивно все измерительные электроды и генерирующие сигналы электроды выполнены в виде кольцевых электродов 1 малой длины. Это приближает их к заложенным в математической модели зонда кольцевым точечным электродам (продольным размером электрода можно пренебречь). Малая продольная длина электродов 1 позволяет достичь наибольшей равномерности поверхностной плотности тока, генерируемой при работе устройства, что в совокупности позволяет достичь наибольшего сходства между реально возбуждаемым в породе электрическим полем и моделью этого поля, полученной с помощью конечно-разностных схем математического приближения.
Таким образом, предложенное техническое решение конструкции многоэлектродного зонда бокового каротажа решает поставленную задачу изобретения в полном объеме.