ПЛАСТОВЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАКЛОНОМЕР
STRATAL INDUCTION TILTMETER

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может быть использовано для определения углов наклона и азимутов падения пластов и трещин в разрезах нефтяных, газовых, угольных, рудных и других месторождений полезных ископаемых.
Известен пластовый индукционный наклономер [Патент №1393902 SU, МКИ: E21B 47/02. Заявлен 28.04.84; Опубл. 07.05.88. Бюлл. №17. Зарегистрирован в Госреестре изобретений РФ и действует с 16.03.1993 г.]. Этот наклономер содержит равномерно вращающийся вокруг оси скважины индукционный зонд, генератор высокочастотных колебаний, усилитель, фазочувствительный детектор, анализатор спектра и феррозондовый индикатор азимутальной ориентации зонда, причем индукционный зонд выполнен в виде излучающей катушки, магнитный момент которой направлен под углом 1-25° к оси зонда, и системы приемных дипольной и квадрупольных катушек. Магнитный момент приемной дипольной катушки перпендикулярен к магнитному моменту излучающей, т.е. направлен под углом 65-89° к оси зонда, а магнитные моменты приемных квадрупольных катушек, компенсирующих прямое поле излучающей катушки, перпендикулярны к оси индукционного зонда или совмещены с ней. Для помехоустойчивого варианта известного наклономера оптимальным значением направления магнитного момента излучающей катушки рекомендуется угол 8-12° к оси зонда.
Известный пластовый индукционный наклономер обеспечивает надежное определение углов наклона пластов горных пород в разрезах скважин в диапазоне 0÷45° и азимутов их падения в диапазоне 0÷360°. В этих же диапазонах он обеспечивает надежное выявление также и наклонных трещин, секущих пласт под другими несогласными углами, отличающимися от пластовых.
Однако, обладая круговой диаграммой направленности излучения и приема высокочастотных электромагнитных колебаний, он недостаточно чувствителен к вертикальным и субвертикальным трещинам с углами наклона в диапазоне 60÷90°. Такие трещины в пластах за счет их большей раскрытости по сравнению с наклонно-горизонтальными резко повышают их коллекторские (гидропроводные) свойства и, следовательно, продуктивность нефтегазовых и гидрогеологических скважин. (Из геомеханики горных пород известно, что большая раскрытость вертикальных и соответственно закрытость горизонтальных трещин в массиве горных пород обусловлена закономерным превышением вертикальной компоненты горного давления над горизонтальной). В то же время вертикальная и субвертикальная трещиноватость пород резко снижает прочность и устойчивость кровель в угольных шахтах и рудниках, бортов угольных и рудных карьеров, обусловливает внезапные выбросы (суфляры) взрывоопасного метана в горные выработки и, следовательно, снижает безопасность горных добычных работ.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка. Эта цель достигается тем, что в предлагаемом пластовом индукционном наклономере излучающая катушка выполнена из двух одинаковых секций, соединенных между собой последовательно через две спараллеленные квадрупольные компенсирующие катушки, причем излучающая катушка выполнена в виде сильно вытянутой вдоль оси зонда осесимметричной шестиугольной рамки с не менее чем 20-кратным отношением ее длины к ширине, сориентированной более острой вершиной в сторону приемной дипольной катушки и обеспечивающей наклон распределенного вдоль рамки вектора магнитного момента на заданный угол, например, 82° к оси зонда, а квадрупольные компенсирующие катушки установлены на противоположных острых треугольных вершинах шестиугольной рамки соосно с зондом встречно направленными магнитными моментами, при этом магнитный момент приемной дипольной катушки находится в плоскости магнитного момента излучающей катушки и направлен соответственно под углом 8° к оси зонда, т.е. сориентирован перпендикулярно к магнитному моменту излучающей катушки.
На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого пластового индукционного наклономера: 1 - диэлектрический корпус (стержень) зонда; 2 - верхний и нижний подшипники; 3 - привод равномерного вращения; 4-приемная дипольная катушка; 5 и 6 - левая и правая секции излучающей катушки; 7 и 8 - нижняя и верхняя квадрупольные компенсирующие катушки; 9 - феррозонд; 10 - высокочастотный генератор; 11 - усилитель; 12 - фазочувствительный детектор; 13 - анализатор спектра; 14 - частотно-модулированный генератор; 15 - частотный детектор.
На фиг.2 - условное изображение конструкции излучающих и квадрупольных катушек: 5 - обмотка левой секции излучающей катушки без каркаса; 6 - каркас правой секции излучающей катушки без обмотки; 7 и 8 - нижняя и верхняя квадрупольные компенсирующие катушки в разрезе.
На фиг.3 - векторное представление магнитных моментов катушек индукционного зонда: 4 - приемной дипольной катушки; 5-6 - излучающих катушек; 7 и 8 - нижней и верхней квадрупольных (компенсирующих) катушек; 9 - феррозондовой катушки; α и β - углы наклона соответственно векторов магнитных моментов приемной и излучающей катушек.
Пластовый индукционный наклономер (фиг.1) содержит индукционный зонд, смонтированный на диэлектрическом (пластмассовом) стержне 1, вращающемся внутри диэлектрического (керамического) герметичного кожуха (не показан на блок-схеме) в подшипниках 2 с помощью электропривода 3. На диэлектрическом стержне 1 размещены приемная дипольная катушка 4, намотанная на ферритовом стержне и установленная на оси стержня 1 под углом, например, 8° относительно ее, секции 5 и 6 излучающей катушки, намотанные на общем каркасе в виде сильно вытянутой вдоль оси стержня 1 шестиугольной рамки с не менее чем 20-кратным отношением ее длины к ширине, сориентированной более острой вершиной в сторону приемной дипольной катушки 4, квадрупольные (компенсирующие) катушки 7 и 8, намотанные в виде конусных соленоидов, установлены на противоположных острых треугольных вершинах шестиугольной рамки 5, 6 соосно с диэлектрическим стержнем 1, запараллелены между собой встречными выводами обмоток и соединены последовательно между секциями 5 и 6 излучающей катушки. Датчик азимутальной ориентации зонда выполнен в виде одноэлементного феррозонда 9, катушка которого намотана на магнитном (пермаллоевом) сердечнике, установленном перпендикулярно к оси стержня 1 в вертикальной плоскости магнитных моментов приемно-излучающей системы зонда. Система излучающе-компенсирующих катушек 5-7 подключена к высокочастотному генератору 10 с рабочей частотой, например, 225 или 450 кГц, т.е. в нерабочем радиовещательном диапазоне, а приемная катушка 4 - к усилителю 11, соединенному с фазочувствительным детектором 12, выход которого соединен со входом анализатора спектра 13. Опорное напряжение на фазочувствительный детектор 12 поступает с высокочастотного генератора 10. Феррозонд 9 соединен с частотно-модулируемым генератором 14 и частотным детектором 15, выход которого соединен со вторым входом анализатора спектра 13.
Предлагаемая конструкция излучающей катушки существенно отличается от таковой в известном наклономере особенностью ее геометрии и ориентации относительно оси зонда (фиг.2). Оригинальная форма ее в виде сильно вытянутой вдоль оси зонда шестиугольной рамки, суженной в сторону приемной катушки и разделенной на две одинаковые секции 5 и 6, намотанные на общем каркасе и соединенные между собой последовательно с квадрупольными компенсирующими катушками 7 и 8, обеспечивает фокусированную (условно «щелевую») диаграмму направленности возбуждения распределенного преимущественно по вертикали электромагнитного поля (фиг.3), максимально охватывающего вертикально распределенным магнитным моментом катушки (5-6) вертикальную трещину по ее длине. За счет этого электропроводящая (флюидопроводная) вертикальная трещина концентрирует излучаемую электромагнитную энергию, повышая избирательность наклономера преимущественно к вертикальным трещинам. Такая концентрация излучаемой энергии повышает также (хотя и в меньшей степени) избирательность наклономера и к субвертикальным трещинам.
Треугольная форма острых вершин (торцов) излучающей рамки (5-6) обеспечивает более полную (по сравнению с круглой) компенсацию ее прямого электромагнитного поля вдоль оси зонда квадрупольными катушками 7-8, а следовательно, и более полное подавление этого поля как помехи на выходе приемной катушки 4. В результате повышается чувствительность (отношение полезного сигнала к помехе) наклономера в целом. Вытянутая вдоль оси зонда шестиугольная рамка формирует (фиг.3) диаграмму направленности магнитных моментов, распределенных по ее длине, под углом наклона условной «щели» 82°. Например, при длине измерительного зонда 1 м, т.е. расстоянии между центрами излучающей и приемной катушками 1 м, оптимальная длина рамки составляет 500 мм при поперечном сечении ее не более 25 мм. Такие размеры зонда обеспечивают достаточно большую (0,5 м) радиальную глубинность сканирования околоскважинного пространства и выявления в нем вертикальных и субвертикальных трещин. К тому же, малые поперечные размеры катушек зонда позволяют конструировать малогабаритные скважинные приборы диаметром от 36 мм.
Предлагаемый пластовый индукционный наклономер работает следующим образом.
Возбуждаемое излучающей катушкой 5-6 высокочастотное электромагнитное поле индуктирует в горных породах околоскважинного пространства радиусом до 0,5 м вторичное магнитное поле вихревых токов, которое принимается приемной дипольной катушкой 4. При этом прямое электромагнитное поле излучающей катушки компенсируется квадрупольными катушками 7-8. Принятый сигнал вторичного поля усиливается усилителем 11 и детектируется по частоте излучаемого поля фазочувствительным детектором 12. Вследствие вращения катушек индукционного зонда детектируемый сигнал модулируется гармониками частоты вращения и на выходе детектора 12 появляется напряжение огибающей, которое поступает на первый вход анализатора спектра 13. При вращении феррозонда 9 в магнитном поле Земли его индуктивность периодически изменяется, вызывая модуляцию частоты частотно-модулируемого генератора 14. Частотным детектором 15 модулированное напряжение генератора 14 преобразуется в синусоидальное напряжение, синхронное и синфазное с вращением зонда, и поступает на второй вход анализатора спектра 13. Выходными сигналами анализатора спектра 13 являются амплитуда нулевой гармоники (постоянная составляющая входного сигнала) и амплитуды и фазы гармоник частоты вращения, по которым вычисляются углы наклона и азимуты падения пластов и трещин.
Технический эффект. Основным достоинством предлагаемого индукционного пластового наклономера является расширенный диапазон чувствительности и избирательности, позволяющий выявлять и определять элементы залегания (углы наклона и азимуты падения) как пологих и наклонных, так и крутопадающих пластов пород, вертикальных и субвертикальных трещин, выявлять зоны вертикальной анизотропии электропроводимости, а следовательно, гидропроводности пластов пород в разрезах скважин, прогнозировать структурно-геологические, геолого-промысловые и горно-геологические условия разработки нефтегазовых, угольных, рудных и других месторождений.