СКВАЖИННЫЙ ПРИБОР ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к измерителям электрических характеристик горных пород в скважинах, бурящихся на нефть и газ.
Известно устройство волнового каротажа для зондирования (Костин А.И. и др. Аппаратура волнового каротажа для зондирования по проводимости. "Сб. Проблемы нефти и газа Тюмени". Тюмень, 1979, вып.44, с.19-21). Устройство содержит генератор, трехэлементные зонды, состоящие из генераторной и пары измерительных катушек, усилители мощности, усилители-преобразователи, генератор - гетеродин, усилители-ограничители промежуточной частоты, фазоизмерительный блок, блок телеметрии и блок коммутации. Катушки трехэлементных зондов соединены с входами усилителей-преобразователей, вторые входы которых соединены с выходом генератора-гетеродина, выходы усилителей-ограничителей промежуточной частоты соединены с входами фазоизмерительного блока, выход которого через блок телеметрии соединен с блоком коммутации. Двухканальная система с преобразованием частоты позволяет измерять фазовый сдвиг амплитуд сигналов, индуцированных в измерительных катушках. Блок измерения состоит из высокочастотных усилителей, гетеродина, смесителей, усилителей промежуточной частоты, усилителей ограничителей, фазоизмерительного блока и блока коммутации, которым переключают выход генератора рабочей частоты между генераторными катушками зондов и отключают один из измерительных каналов с целью формирования стандарт-сигнала при калибровке аппаратуры. При этом за одну спускоподъемную операцию выполняют диаграфию разреза только одним из зондов.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения электрических неоднородностей, образованных проникновением фильтрата бурового раствора в пласты-коллекторы, особенно в том случае, когда радиальное распределение электропроводности в зоне проникновения имеет сложную геометрию, например, за счет скопления минерализованных пластовых вод перед фронтом проникающего в пласт пресного фильтрата бурового раствора (так называемая окаймляющая зона, вал).
Наиболее близким по технической сущности является выбранное нами за прототип устройство для каротажного электромагнитного зондирования (А.с. СССР №10044940, МПК G 01 V 3/18, опубл. 15/03/83 г.), которое состоит из генератора, трехэлементных
зондов, состоящих из генераторной и пары измерительных катушек, усилителей мощности, усилителей-преобразователей, генератора-гетеродина, усилителя-ограничителя промежуточной частоты, фазоизмерительного блока, блока телеметрии и блока коммутации. Генераторные катушки трехэлементных зондов подключены к выходам усилителей мощности, измерительные катушки трехэлементных зондов соединены с входами усилителей-преобразователей (смесителей), вторые входы которых соединены с выходом генератора-гетеродина, выходы усилителей-ограничителей промежуточной частоты соединены с входами фазоизмерительного блока, выход которого через блок телеметрии соединен с блоком коммутации. Трехэлементные зонды выполнены геометрически и электродинамически подобными друг другу, генератор выполнен в виде генераторов рабочих частот по числу генераторных катушек трехэлементных зондов, число генераторов-гетеродинов соответствует числу пар измерительных катушек трехэлементных зондов.
Недостатком данного устройства является систематическая погрешность измерений в широком температурном диапазоне и погрешность, вносимая резонансными характеристиками приемных катушек и входным импедансом смесителя.
Основным техническим результатом предложенного решения является повышение точности измерения электрических характеристик в температурном диапазоне от - 40°С до 120°С и исключение временного дрейфа измерений.
Основной технический результат достигается тем, в скважинном приборе высокочастотного электромагнитного зондирования, содержащем задающий генератор, трехэлементные зонды, состоящие из генераторной и пары измерительных катушек, смесители, усилители мощности, перестраиваемый генератор-гетеродин, блок коммутации промежуточной частоты, измерительно-телеметрический модуль, отличающийся тем, что генераторные катушки трехэлементных зондов подключены к выходам усилителей мощности, а измерительные катушки трехэлементных зондов соединены с входами смесителей, причем один вывод всех измерительных катушек трехэлементных зондов соединен через резистивные делители с генератором-гетеродином, а другой вывод с обоими входами соответствующего смесителя, причем на входе смесителя включен усилитель высокой частоты, а на выходе усилитель низкой частоты.
На фиг.1 изображена блок-схема устройства.
Устройство включает:
1 - задающий генератор,
2-6 - генераторные катушки трехэлементных зондов,
7-12 - измерительные катушки трехэлементных зондов,
13-17 - усилители мощности,
18-23 - смесители,
24-35 - резистивные делители,
36 - генератор-гетеродин
37- блок коммутации промежуточной частоты
38 - измерительно-телеметрический модуль,
39 - источник питания,
40 - развязка
На фиг.2 более подробно показана схема смесителей 18-23.
В состав каждого смесителя входят усилитель высокой частоты 41, перемножитель сигналов 42 и усилитель низкой частоты 43.
Устройство работает следующим образом.
Измерение трехэлементными зондами осуществляется поочередно по циклу. Измерение каждым зондом происходит в два этапа. На первом этапе измерения измерительно-телеметрический модуль 38, выполняющий так же функцию управления всеми блоками скважинного прибора, посылает управляющие сигналы в задающий генератор 1 и генератор-гетеродин 36 для формирования частот излучения (F1) и перестраиваемый генратора - гетеродина (F2). С задающего генератора 1, сигнал возбуждения с частотой F1 через один из усилителей мощности 13...17 поступает на соответствующую генераторную катушку 2...6, которая создает в породе необходимое электромагнитное поле. Получив команду, генератор-гетеродин 36 формирует сигнал с частотой F2, который через резистивные делители 24...35 подается непосредственно в измерительные катушки 1...12, а так же формирует адрес в модуль коммутации промежуточной частоты 37 для выбора пары сигналов от смесителей 18...23, соответствующих текущему зонду. После окончания переходных процессов, возникающих в различных блоках прибора при коммутации частот, измерительно-телеметрический модуль 38 осуществляет измерение разности фаз сигналов, выбранных модулем коммутации промежуточной частоты 37 от соответствующей текущему измеряемому зонду пары смесителей 18...23. Таким образом, сигнал, принятый измерительной катушкой, суммируется с сигналом гетеродина, а затем подается на смеситель, реализующий функцию возведения в квадрат с последующим выделением разностной частоты. На втором этапе измерения назначение частот F1 и F2 меняются местами, т.е. в качестве частоты излучения используется F2, а в качестве частоты гетеродина - F1. Результаты измерений вычитаются. Соответствие генераторных и измерительных катушек трехэлементным зондам приведено в табл.1.
Таблица 1
Генераторная катушка
Измерительная катушка 1
Измерительная катушка 2
Частота излучения, МГц
Зонд 1
13
18
19
14,0
Зонд 2
14
19
20
7,0
Зонд 3
15
20
21
3,5
Зонд 4
16
21
22
1,75
Зонд 5
17
22
23
0,875
Все сигналы, соединяющие приемную и передающую части прибора, проходят через развязку 40 для предотвращения прямого прохождения паразитного сигнала по проводам.
Источник питания 39 осуществляет преобразование питающего напряжения, поступающего в скважинный прибор по кабелю, в необходимые для работы аппаратуры величины напряжений, а так же развязку между постоянным питающим напряжением и сигналом цифровой телеметрии.
Измерение электрических характеристик с помощью предлагаемого устройства позволяет стабильно работать в широком температурном и временном диапазоне, так как примененный метод измерения разности фаз позволяет полностью скомпенсировать паразитные фазовые сдвиги, как низкочастотного тракта измерения, включая амплитудно-фазовую конверсию, так и погрешности высокочастотного тракта, вызванные приемными контурами, образованным измерительными катушками 7...12 и входными цепями смесителей 18...23.
Результаты проведенных температурных испытаний данной модели прибора приведены в табл.2.
Таблица 2
Рабочая частота, МГц
Устанавливаемый фазовый сдвиг, градус
Допускаемое отклонение, градус
Измеренный фазовый сдвиг, градус
Т=22°С
Т=120°С
0,875
66,7
+1,77-1,64
65,2
65,9
27,2
+0,837-0,775
26,4
26,8
11,9
+0,439-0,4
11,5
12,1
3,81
+0,295-0,25
3,6
3,62
1,11
+0,314-0,2
1,1
1,1
1,75
66,7
+1,77-1,64
65,35
65,81
28,3
+0,837-0,775
27,55
27,89
10,5
+0,439-0,4
10,05
10,12
3,46
+0,295-0,25
3,5
3,59
1,11
+0,314-0,2
1,12
1,12
3,5
69,7
+1,77-1,64
70,1
70,3
29,3
+0,837-0,775
29,4
29,7
11
+0,439-0,4
11,2
11,8
3,27
+0,295-0,25
3,5
3,55
1,11
+0,314-0,2
1,2
1,2
7
66,5
+1,77-1,64
67,35
67,4
27,1
+0,837-0,775
27,55
27,61
10,6
+0,439-0,4
11,05
11,2
3,48
+0,295-0,25
3,65
3,65
1,11
+0,314-0,2
1,11
1,14
14
71,6
+1,77-1,64
72,37
72,5
28,4
+0,837-0,775
28,57
29,0
10,9
+0,439-0,4
11,37
11,63
3,47
+0,295-0,25
3,29
3,4
1,1
+0,314-0,2
0,99
1,11
Таким образом, как видно из таблицы 2, погрешности измерений всех зондов во всем измеряемом диапазоне не превышают допускаемого отклонения независимо от температуры окружающей среды, т.е. отсутствует дополнительная температурная погрешность.