УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАРОТАЖНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC LOGGING PROBING (VERSIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области геофизических исследований в скважинах и может быть использовано для измерения электрических характеристик горных пород, находящихся вокруг скважин, бурящихся на нефть и газ.
Уровень техники
Определение нефтенасыщенности коллекторов бурящихся скважин нефтегазовых месторождений остается одной из наиболее актуальных потребностей нефтепромысловой геофизики. Для правильного определения структуры пласта и восстановления параметров зоны проникновения бурового раствора в пласт, т.е. для решения обратной задачи, получают информацию об удельном электрическом сопротивлении пласта с совокупности зондов различной глубинности исследования. Для этого варьируется длина и рабочая частота электромагнитного зонда. Как правило, измеряется сдвиг фазы между сигналами от передающей и приемной антенн, но в некоторых методах измеряется и дополнительное затухание амплитуды сигнала, что позволяет увеличить количество независимых зондов.
Если до 1990-х годов были распространены устройства каротажного электромагнитного зондирования, работающие на одной частоте, то современные геофизические устройства используют несколько рабочих частот, что позволяет увеличить количество независимых зондов, повысить информативность получаемых сигналов и, тем самым, повысить точность решения обратной задачи проводимости в окружающей породе.
В известной практике для генерации электромагнитного сигнала на нескольких частотах (от 20 кГц до 200 МГц) создают передатчик с совокупностью резонансных контуров, связанных с передающей антенной, или помещают в корпус зонда несколько генерирующих антенн, работающих на своих фиксированных частотах.
Известно устройство для электромагнитного каротажа скважин согласно патенту [RU 2230344 C1, 2004], имеющее в своем составе наземный и скважинный приборы, соединенные каротажным кабелем, скважинный прибор содержит геометрически и электродинамически подобные друг другу зонды с генераторными и измерительными катушками и средство электромагнитной развязки между генераторной и измерительной частями скважинного прибора на рабочих частотах зондов, генераторная часть скважинного прибора включает в себя генераторные катушки, усилители мощности, мультиплексор, гетеродин, полосовые фильтры, усилители-ограничители промежуточной частоты, фазометр, опорный генератор, блок автоматического управления, телеметрическую систему, а измерительная часть скважинного прибора включает в себя измерительные катушки, усилители-преобразователи, коммутатор и электрод ПС, при этом генераторные катушки подключены к выходам усилителей мощности, а входы усилителей мощности соединены с выходами мультиплексора, измерительные катушки соединены с сигнальными входами усилителей-преобразователей, коммутатор аналоговыми входами подключен к выходам усилителей-преобразователей, каждый из, по крайней мере, двух выходов коммутатора подключен к последовательно соединенным полосовому фильтру и усилителю-ограничителю, выходы усилителей-ограничителей соединены с измерительными входами фазометра, выход которого соединен с первым информационным входом телеметрической системы, выход которой соединен с наземным прибором, выход гетеродина подключен к гетеродинным входам усилителей-преобразователей, вход блока автоматического управления соединен с выходом опорного генератора, выходы блока автоматического управления соединены соответственно с управляющими входами мультиплексора генераторных цепей, коммутатора измерительных цепей, фазометра, телеметрической системы и гетеродина, электрод ПС подключен к наземному прибору.
Известен способ и устройство для многопараметрического зондирования породы вокруг спускаемого в скважину зонда. Согласно способу, раскрытому в патенте [RU 2365946 C1, 2009] зондирование породы выполняют набором из N-го количества 2-катушечных зондов различной длины, состоящих их одной генераторной и одной измерительной катушки. Генераторные катушки зондов питают током различных гармонических частот при равных величинах произведений длины зонда в квадрате на частоту. Измеряют каждой смежной парой зондов пары фаз несинхронных колебаний ЭДС гармонических частот. По ним вычисляют для каждой пары смежных зондов приведенную разность фаз. По приведенным разностям фаз определяют удельную электропроводность среды с большей и (или) меньшей разрешающей способностью. При этом произведение длины зонда (расстояние от излучающей до приемной катушки) на квадрат частоты зондирования остается постоянным.
В скважинных устройствах для электромагнитного каротажа используют либо генераторы периодического гармонического сигнала, либо источники периодического импульсного сигнала. Поэтому техника генерации периодического импульсного сигнала нужной формы является смежной областью техники для данного изобретения. Так, в электротехнике известны инверторы с квазипрямоугольной формой выходного напряжения. В таких инверторах преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью группы ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки и обеспечить контролируемый режим циркуляции в цепи реактивной энергии. В зависимости от конструктивного исполнения модуля переключения (модуля силовых ключей инвертора) и алгоритма формирования управляющих воздействий, таким фактором могут быть относительная длительность импульсов управления ключами или фазовый сдвиг сигналов управления противофазных групп ключей. Близким примером генератора на группе ключей является генератор импульсов треугольной формы, описанный в патенте [US 7626430 В2, 2009]. В одном из вариантов осуществления такого устройства возможна также генерация периодического трапециевидного сигнала (при смещении по фазе циклов разрядки и зарядки через усправляемые ключи, выполненные на МОП-транзисторах (n-транзисторы и р-транзисторы)).
В патенте [US 7038455 В2, 2006], выбранном в качестве ближайшего аналога, описывается каротажное устройство, включающее корпус устройства, подходящее для спуска в ствол скважины; приемную антенну внутри корпуса устройства, передающую антенну внутри корпуса, при этом передающая антенна может работать на трех или более резонансных частотах для излучаемого электромагнитного сигнала; схему настройки антенны в соединении с передающей антенной, схема настройки выборочно соединяет емкость с передающей антенной для формирования излучающего сигнала на трех или более резонансных частотах. При этом схема настройки антенны включает реле с катушкой, причем катушка подсоединена к сигнальному проводу, по которому передают сигнал в передающую антенну, указанное реле имеет набор контактов, которые выборочно соединяются с помощью запускающего сигнала от катушки, при этом для первого положения контакта реле осуществляется соединение емкости с предающей антенной, а для второго положения контакта реле не осуществляется соединение емкости с передающей антенной. В качестве примера приводится устройство генерации электромагнитного сигнала на трех фиксированных частотах: 2 МГц, 500 кГц, 250 кГц.
Из практики известно, что электромагнитный (индукционный) каротаж на фиксированных частотах генерации несет ограниченную информацию о неоднородной проводимости породы и полученные первичные даннные затрудняют решение обратной задачи проводимости для неоднородной породы.
СУЩНОСТЬ
Технической задачей изобретения является создание каротажного устройства электромагнитного зондирования для получения расширенной информации о неоднородной проводимости породы, с возможностью оперативно перестраивать рабочие частоты излучаемого сигнала, снижение паразитных потерь мощности электромагнитного сигнала в генераторной части устройства, а также понижение дрейфа рабочих параметров и упрощение калибровки устройства при изменении внешних условий (температура и давление среды).
Поставленная техническая задача достигается тем, что согласно первому варианту настоящего изобретения предложено устройство для каротажного электромагнитного зондирования. Устройство включает корпус, блок управления устройством, источник питания, передатчик с передающей антенной внутри корпуса устройства, совокупность приемников с приемными антеннами внутри корпуса устройства. При этом, передатчик генерирует трапециевидный сигнал, получаемый при управлении коммутирующими ключами, соединенными по мостовой схеме.
Согласно другому варианту настоящего изобретения предложено устройство для каротажного электромагнитного зондирования, в котором реализована схема, при которой передатчик генерирует трапециевидный сигнал, получаемый при управлении коммутирующими ключами, соединенными по полумостовой схеме.
Согласно первому и второму варианту устройства передатчиком генерируется периодический трапециевидный сигнал. Перестраиваемую рабочую частоту генератора определяют как первую гармонику периодического трапециевидного сигнала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена общая схема устройства для каротажного элетромагниного зондирования.
На Фиг. 2 представлена схема передатчика с передающей антенной; коммутирующие ключи соединены по мостовой схеме.
На Фиг. 3 представлена схема передатчика с передающей антенной; коммутирующие ключи соединены по полумостовой схеме.
На Фиг. 4 представлена временная развертка для напряжений и токов в генераторной части устройства.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В электротехнике генератор негармонического (трапециевидного) сигнала также называют генератором квазипрямоугольного сигнала, и далее эти понятия используются взаимозаменяемым образом.
Генератор трапециевидного сигнала имеет фазу и частоту, задаваемые управляющими сигналами от блока управления. Такое гибкое управление параметрами трапециевидного сигнала позволяет оперативно задавать последовательность рабочих частот (две и более) в генераторном блоке. Другими словами, нет потребности перестраивать параметры генераторного блока (как в известных устройствах), поскольку управление частотой и фазой периодического сигнала происходит на уровне программирования управляющего блока.
Формирование генерирующего сигнала периодической трапециевидной формы согласно первому варианту реализации настоящего изобретения достигается с помощью мостовой схемы из четырех коммутирующих ключей. В диагональ мостовой схемы включено реактивное сопротивление, включающее индуктивность передающей антенны. Благодаря управляющим сигналам от блока управления устройством напряжение периодического трапециевидного сигнала приложено на катушку передающей антенны. При этом основная гармоника периодического трапециевидного сигнала считается рабочей частотой излучаемого электромагнитного сигнала (передающей антенны генератора).
Устройство включает генерирующую часть (источник питания, блок управления, мостовая схема из коммутирующих ключей, передающая антенна) и регистрирующую часть (набор приемных антенн с усилителями). Генерирующая часть и регистрирующая часть устройства помещены в цилиндрический корпус из непроводящего материала. Корпус выполняет защитную роль для электроных компонентов устройства и выполнен из непроводящего материала (например, стеклопластик, полимерный композит), чтобы электромагнитное излучение антенны не поглощалось корпусом и проникало в породу. Излучаемый реактивным сопротивлением генерирующей части устройства электромагнитный сигнал проникает в окружающую породу и затем регистируется в приемных антеннах каротажного зонда в виде индуцированного напряжения, которое зависит от проводимости окружающей породы.
Для получения рабочего периодического сигнала на иной рабочей частоте достаточно изменить частоту управляющего воздействия на коммутирующие ключи мостовой схемы генераторной части устройства. Таким образом, с помощью одной передающей антенны и одной схемы соединения электронных компонентов можно получить заданный набор рабочих частот излучения (две и более частоты) для зондирования проводимости окружающей породы.
Общая схема устройства для каротажного электромагнитного зондирования показана на Фиг. 1 и описывает следующие составляющие устройства:
Корпус устройства 1, каротажный кабель 2, наземная станция 3, блок управления устройства 4, источник питания постоянного напряжения 5, передатчик 6 с передающей антенной 7 внутри корпуса устройства, совокупность приемников 8 с приемными антеннами 9 внутри корпуса устройства. Передатчик (генератор периодического сигнала) 6 генерерирует периодический электромагнитный сигнал в передающей антенне 7, при этом электромагнитный сигнал проходит черех радиопрозрачный корпус 1 и попадает в окружающие пласты горных пород и наводит в породе индукционые токи. Индуцированное напряжение (эдс) от зондирующего сигнала принимается и усиливается в приемниках 8 с помощью приемных антенн 9, затем принятый сигнал обрабатывается в блоке управления 4 и передается в наземную станцию 3 по каротажному кабелю 2 для регистрации и компьютерной обработки совокупности полученных сигналов.
На Фиг. 2 приведена схема передатчика 6 с передающей антенной 7. Источником энергии для излучения электромагнитного сигнала на заданной частоте является источник питания постоянного напряжения 5, к которому подсоединены развязывающий дроссель 10 и конденсатор 11 с большой емкостью. Генерация периодического трапециевидного сигнала происходит путем управления коммутирующими ключами 12, 13, 14, 15, подключенными по мостовой схеме. В стандартном электротехническом обозначении ключа в виде МОП транзистора (транзистор типа «металл-оксид-полупроводник»), а также обозначен встроенный диод.
Устройство для каротажного электромагнитного зондирования породы работает следующим образом.
Напряжение питания из источника питания постоянного напряжения 5 поступает на схему из четырех коммутирующих ключей 12, 13, 14, 15, соединенных в мостовую схему. Коммутирующие ключи могут быть выполнены на биполярных транзисторах или на полевых транзисторах (в частности, на МОП транзисторах). В предпочтительной реализации устройства управляемые ключи являются МОП транзисторами. Каждый ключ содержит встроенный диод, подключенный параллельно коммутирующим выводам. В зависимости от сигнала управления ключ может находиться либо в закрытом, либо в открытом состоянии. Управление ключами производится с помощью блока управления 4, соединенного с генератором опорной частоты (не показан на Фиг. 2).
Возможен вариант реализации изобретения, когда питание от источника постоянного напряжения 5 подают на полумостовую схему из двух ключей 12, 13, где ключи 14, 15 заменены на конденсаторы 17 и 18 с высокой емкостью (Фиг. 3).
В диагональ мостовой схемы, показанной на Фиг. 2 (между точками А1 и А2), включено реактивное сопротивление, состоящее из катушки индуктивности передающей антенны 7 и параллельно подключенного конденсатора 16. Причем индуктивность 7 и емкость параллельно подключенного конденсатора 16 подбираются таким образом, чтобы резонансная частота получающегося реактивного сопротивления была выше рабочей частоты сигнала, которая задается блоком управления 4 устройства.
Для разъяснения принципа работы передатчика каротажного зонда важно понимать, что в блоке-передатчике, описанном в прототипе (US 7038455), в колебательном контуре происходит резонансное усиление реактивной энергии, подводимой от источника постоянного напряжения, при этом колебательный контур известного устройства обязательно настроен в резонанс с рабочей частотой сигнала, а усиление энергии принимаемого сигнала прямо связано с добротностью резонансного контура. В заявленном изобретении отсутствует резонансный колебательный контур (тем самым уменьшается дрейф параметров генератора из-за изменения внешних условий).
В отличие от прототипа, в схеме передатчика, изображенной на Фиг. 2, усиление реактивной энергии в индуктивности передающей антенны 7 относительно подводимой энергии из источника питания 5 происходит за счет периодической рекуперации накопленной реактивной энергии в конденсатор 11. При этом, в отличие от прототипа, отсутствует колебательный контур, настроенный на резонанс рабочей частоты, при этом выбор частоты генерируемого периодического трапицевидного сигнала происходит за счет своевременного управления коммутирующими ключами 12-15 мостовой схемы (с помощью блока управления 4) или управления коммутирующими ключами 12 и 13 при варианте с полумостовой схемой.
На Фиг. 4 показана схема управления коммутирующими ключами 12-15 мостовой схемы и временная развертка для напряжений и токов в генераторной части устройства.
Генерация сигнала с нужной частотой (первая гармоника периодического трапециевидногоо сигнала) и формой в передатчике электромагнитного сигнала происходит следующим образом.
Периодический сигнал с периодом Т, показанный на Фиг. 4А, вызывает периодическое открывание и закрывание коммутирующих ключей 12-15 в мостовой схеме. Например, сигнал, показанный на Фиг. 4В, открывает диагональ моста с ключами 12 и 15, а сигнал, показанный на Фиг. 4С, открывает диагональ моста с ключами 13 и 14.
Временная развертка напряжения в схеме передающей антенны 7 показывает периодический трапециевидный сигнал, генерирумый в мостовой схеме. Здесь понятие «трапециевидный» означает постоянный уровень напряжения во время интервалов Т/2 и Т/2 (различной полярности) и резкий переход между этими интервалами постоянного напряжения. В литературе такая форма сигнала также называется «квазипрямоугольный импульс», особенно если характерное время для смены знака напряжения намного меньше продолжительности импульса. На приведенных временных диаграммах напряжений и тока (Фиг. 4) характерное время смены знака напряжения сигнала составляет Тм (так обозначено «мертвое время», когда управляемые ключи в мостовой схеме закрыты). Видно, что переходное время Тм намного меньше основного интервала Т для периодического трапициевидного сигнала.
Основная гармоника (рабочая частота) периодического трапециевидного сигнала равняется f=1/T, где интервал периодичского импульса Т задают с помощью блока управления 4. Остальные (высшие) гармоники периодического трапециевидного сигнала не имеют серьезного влияния на качество электромагнитного сигнала, регистрируемого приемными антеннами устройства.
При этом временная диаграмма для тока, проходящего по диагонали мостовой схемы, имеет форму, близкую к периодическому треугольному сигналу (со сглаженной вершиной). Генерация периодического трапециевидного сигнала в генераторной части электромагнитного зонда создает ряд преимуществ, описанных ниже.
Фиг. 4D показывает диаграмму изменений напряжения на передающей антенне 7 (напряжение между точками А1 и А2 на Фиг. 2).
Полный цикл генерации сигнала, приложенного к катушке передающей антенны, включает основную серию периодических трапециевидных сигналов с интервалом Т, а также начальный и завершающий импульсы с продолжительностью приблизительно Т/4. Эти короткие (продолжительностью Т/4) трапециевидые импульсы (например, на Фиг. 4А) генерируют для управления тепловой мощностью, выделяемой на коммутирующих ключах 12-15 мостовой схемы во время включения и выключения генератора сигнала.
На диаграммах периодического трапециевидного напряжения (Фиг. 4А, 4В, 4С) время, когда четыре ключа 12-15 мостовой схемы закрыты, обозначено как Тм (то есть «мертвое время»). Общее время измерения (цикл периодических трапециевидных сигналов) между начальными и конечными моментами времени (обозначены как СТАРТ и СТОП) обозначено на диаграмме как Тизм. Здесь Тизм=Т/4+n Т+Т/4, где n - число периодических трапециевидных сигналов излучения в цикле измерения на заданной частоте.
Процесс протекания тока через антенну передатчика 7 поясняется на диаграмме Е (Фиг. 4Е). В момент времени СТАРТ четыре ключа 12-15 закрыты, поэтому напряжение на антенне передатчика и ток в антенне передатчика 7 равны нулю. Через время Тм/2 блок управления 4 открывает ключи 12 и 15, и к антенне передатчика 7 прикладывается напряжение питания, при этом ток в антенне передатчика начинает линейно возрастать (как показано на Фиг. 4Е), и к моменту Т/4 ток достигает максимального положительного значения. В этот момент ключи 12 и 15 закрываются на время Тм, и ток, накопленный в антенне 7, начинает перезаряжать емкость конденсатора 16, то есть напряжение на передающей антенне начинает линейно изменяться, и к моменту времени Т/4+Тм напряжение полностью меняет знак и приобретает максимально отрицательную амплитуду. Так как при этом четыре ключа 12-15 закрыты на время Тм, то ток начинает поступать на конденсатор 11 высокой емкости через встроенные диоды коммутирующих ключей 13 и 14, и при этом напряжение на передающей антенне 7 равно напряжению питания на конденсаторе 11 источника питания (плюс падение напряжения на двух встроенных диодах электронных ключей 13 и 14). Далее, в момент времени Т/4+Тм открываются ключи 13 и 14, напряжение на них становится близким к нулю и ток в катушке передающей антенны 7 начинает линейно уменьшаться, переходит через ноль и к моменту времени Т/4+Т/2 ток достигает максимального отрицательного значения. В этот момент ключи 13 и 14 вновь закрываются, и процесс циклически (с интервалом Т) повторяется.
В момент времени Тизм (конец измерительного цикла) четыре коммутирующие ключа (12, 13, 14, 15) закрывают, и при этом ток в передающей антенне 7 в этот момент близок к нулю, то есть передатчик с антенной 7 выключен и готов к следующему циклу генерации сигнала.
Таким образом, описанная процедура включения и выключения ключей 12-15 позволяет минимизировать тепловую мощность, которая выделяется в таких ключах в моменты включения и выключения (начало и конец цикла излучения сигнала). Действительно, мощность активных потерь в каждом ключе 12-15 равна произведению напряжения на ток через управляемый ключ мостовой схемы. Если при этом напряжение или ток близки к нулю, то потери в виде тепловой мощности на ключе минимальны. Это достигается через описанную выше схему управления коммутирующими электронными ключами, подключенными по мостовой схеме (Фиг. 1). Для скважинных устройств, которые часто работают при высоких температурах (температуры в скважине более 100°C), и при этом введение устройств для охлаждения электронных схем слишком дорого и неэффективно, снижение тепловых (паразитных) потерь в генерирующей части устройства создает дополнительные преимущества, увеличивая непрерывное время работы скважинного устройства.
Следующий цикл излучение-измерение проводится на другой выбранной (запрограмированной) частоте (программа в блоке управления 4 задает другое значение интервала Т для периодического трапециевидного сигнала). Таким образом, можно оперативно (через программу) задать последовательную генерацию зондирующего сигнала на ряде выбраннных частот. В основном варианте изобретения, число последовательных рабочих частот передающей антенны выбирается больше двух и меньше восьми.
В предпочительном варианте изобретения, первый и последний импульсы сигнала трапециевидной формы в общем измерительном цикле (Тизм) имеют длительность, близкую к одной четвертой части периода сигнала (Т) напряжения трапециевидной формы. Укороченные трапециевидные сигналы позволяют избежать переходных процессов для установления тока в передающей антенне 7.
На схеме на Фиг. 1 показана также регистрирующая часть устройства. Как видно на схеме, устройство имеет совокупность приемников 8 и приемных антенн 9, причем приемные антенны 9 с приемниками расположены на возрастающем расстоянии от передающей антенны 7.
Таким образом, в заявленном устройстве каротажного зондирования реализуется ряд преимуществ, не доступных в устройстве-прототипе. Во-первых, блок управления оперативно задает набор рабочих частот электромагнитного излучения, который не связан с резонансными частотами резонансных контуров (таких контуров в генераторе нет). Набор рабочих частот генератора может задаваться из соображений заданной точности измерений и глубинности зондирования конкретной породы. В известных многочастотных каротажных зондах внешние факторы (температура, механические нагрузки, давление в пласте) существенно влияли на положение и добротность резонансных контуров, ответственных за генерацию сигнала и детектирование сигнала приемниками. Отсутствие таких резонансных контуров в заявленном устройстве уменьшает дрейф рабочих параметров (например, частоты генератора), что упрощает калибровку устройства при изменении внешних условий (температура и давление среды).
Генерация периодического трапециевидного (квазипрямоугольного) сигнала в мостовой схеме на коммутирующих ключах позволяет держать на низком уровне тепловую мощность в используемых коммутирующих ключах (паразитные потери), что гарантирует низкие потери мощности в генераторной части зонда и позволяет более эффективно использовать источник электрической энергии.
Вышеизложенное описание изобретения является иллюстративным в отношении конкретных средств, материалов и применений и предназначено для его пояснения, при этом не подразумевало ограничиться сведениями, раскрытыми здесь, скорее это распространяется на все функциональные эквивалентные структуры, материалы, способы и применения, те, которые находятся в рамках приложенной формулы.