УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАРОТАЖНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ
DEVICE FOR LOGGING ELECTROMAGNET PROBING

Изобретение относится к промыслово-геофизической технике и может быть использовано для измерения удельного электрического сопротивления (УЭС) или/и диэлектрической проницаемости горных пород, пересеченных скважиной, а также изучения распределения УЭС или/и диэлектрической проницаемости в околоскважинной зоне с целью выделения в разрезах скважин проницаемых пластов-коллекторов, определения характера их насыщения и других параметров.
Известно устройство для электромагнитного каротажа скважин (см. авторское свидетельство СССР №313966, МПК E21B 47/00, опубл., 07.09.1971 г., Бюл. №27), содержащее приемные катушки зонда, избирательный усилитель с системой автоматической регулировки усиления, задающий генератор, блок питания и наземную регистрирующую аппаратуру. С целью определения затухания электромагнитного поля на участке между точками измерения и повышения точности его измерения в устройство введены делительная система для измерения отношения величины напряженностей поля в точках измерения, схема коммутации сигналов с приемных катушек и схема градуировки приемного тракта. Это устройство позволяет измерять только одну относительную характеристику электромагнитного поля, а именно, отношение , где ,  - амплитуды напряженностей магнитных компонент поля в первой (ближней) и второй (дальней) приемных катушках зонда.
По величине этого отношения судят по УЭС горных пород, вскрытых скважиной. Однако большой практический интерес представляет совместное измерение и других относительных характеристик электромагнитного поля: ,  и разность фаз Δφ сигналов в первой и второй приемных катушках (см. Д.С.Даев. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин. М.: «Недра», 1974, с.37). Здесь  - амплитуда разностного сигнала приемных катушек. Совместная интерпретация результатов измерения этих характеристик позволяет повысить достоверность определения параметров изучаемых горных пород. Данное устройство не обладает возможностью измерения этих характеристик.
Известно также устройство для каротажного электромагнитного зондирования (см. авторское свидетельство СССР №1004940, МПК G01V 3/18, Бюл. №10), содержащее генератор, трехэлементные зонды, состоящие из генераторной и пары приемных катушек, усилители мощности, усилители-преобразователи промежуточной частоты, фазоизмерительный блок, блок телеметрии, блок коммутации. В устройстве имеются также электронные ключи генераторных и измерительных цепей трехэлементных зондов, а трехэлементные зонды выполнены геометрически и электродинамически подобными друг другу, генератор выполнен в виде генератора рабочих частот по числу генераторных катушек трехэлементных зондов, число генераторов гетеродинов соответствует числу пар приемных катушек.
Это устройство позволяет измерять только разность фаз Δφ сигналов в приемных катушках комплекса геометрически и электродинамически подобных зондов, обладающих различной радиальной глубинностью исследования. По значениям Δφ оценивается распределение УЭС в околоскважинном пространстве, выделяются пласты-коллекторы и производится оценка их параметров.
Однако ограниченный объем информации не всегда позволяет достоверно решать эти задачи.
Известно устройство (см. патент СССР на изобретение «Способ электромагнитного каротажа пород и устройство для его осуществления» SU №1329630, МПК G01V 3/18, опубл. 07.08.1987, Бюл. №29), близкое по технической сути и построению к заявляемому и принятое за прототип.
1
2
Один из вариантов устройства (см. фиг.12 описания патента) содержит генераторную катушку, детекторы амплитуды и фазы, выполненные в виде двух пар приемных катушек, удаленных на заданные расстояния от генераторной (образующих трехэлементные зонды), генератор высокой частоты, подключенный через усилитель мощности к генераторной катушке, формирователь (блок) сигналов коммутации, включающий первый и второй делители частоты, полосовой фильтр, формирователь прямоугольного напряжения. Имеется также формирователь (генератор) гетеродинной частоты, содержащий фазовый детектор, третий делитель частоты и генератор, управляемый напряжением. Устройство содержит три аналогичных по структуре канала обработки информации, каждый из которых включает в себя входной переключатель, подключающий сигналы A, A, предусилитель (усилитель) высокой частоты, имеющий вход управления усилением, смеситель, полосовой фильтр, усилитель промежуточной частоты (образуют тракт промежуточной частоты), измеритель амплитуды в виде пикового детектора, выход которого подключен к схеме автоматического регулирования усилением, а ее выход присоединен к управляющему входу предусилителя в качестве обратной связи. Выход измерителя амплитуды подключен также к накопителю, содержащему две схемы выборки и хранения напряжений, пропорциональных амплитудам сигналов в подключаемых приемных катушках зонда. Выходы схем выборки и хранения подключены к схеме деления, на выходе которой формируется сигнал, соответствующий отношению . Выход усилителя промежуточной частоты подключен также к входу измерителя разности фаз, содержащего последовательно соединенные схему прямоугольных сигналов, детектор нуля, триггер, интегратор, накопитель и дифференциальный усилитель. Накопитель также содержит две схемы выборки и хранения напряжений, пропорциональных фазам сигналов в приемных катушках относительно опорного сигнала, вырабатываемого формирователем сигналов коммутации. На выходе дифференциального усилителя вырабатывается напряжение, пропорциональное разности фаз Δφ сигналов в приемных катушках зонда. В состав устройства входит также вычислительный блок, расположенный на поверхности и связанный со скважинной частью устройства бронированным кабелем.
Таким образом, данное устройство одновременно измеряет как относительную характеристику поля , так и разность фаз Δφ, что расширяет его функциональные возможности.
Однако это устройство не позволяет измерять такие информационно значимые относительные характеристики поля как  и .
1
2
1
2
Другим недостатком является невысокая точность измерения разности фаз в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. Это связано с тем, что Δφ определяется как разность между фазами φ и φ сигналов приемных катушек относительно опорного сигнала, что приводит к удвоению пределов погрешности измерения Δφ по сравнению с погрешностью измерения фаз. При реально достижимой точности измерения фаз φ и φ ±1°, погрешность в определении Δφ может достигать ±2°. Это приводит к значительным погрешностям в определении удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости среды.
Кроме того схема деления и измеритель разности фаз находятся в скважинной части устройства и подвержены воздействию высоких температур, вибрационным и ударным нагрузкам, что также снижает точность измерения и эксплуатационную надежность.
Недостатком устройства является также его относительная сложность, что снижает его надежность в жестких скважинных условиях эксплуатации.
Задачами настоящего изобретения являются дальнейшее расширение функциональных возможностей, повышение точности измерений, упрощение конструкции и повышение эксплуатационной надежности устройства.
Поставленные задачи решаются тем, что в известное устройство для электромагнитного каротажа скважин, содержащее k трехэлементных зонда, состоящих из генераторной и пары приемных катушек, переключаемый генератор рабочих частот с k усилителями мощности, переключаемый генератор гетеродинных частот, k входных переключателя, k усилителей высокой частоты, имеющих вход управления усилением, тракт промежуточной частоты, k схем автоматической регулировки усиления, измеритель амплитуды, блок коммутации, блок телеметрии, вычислительный блок, при этом 1…k выходы переключаемого генератора рабочих частот соединены с входами одноименных усилителей мощности, выходы которых подключены к одноименным генераторным катушкам трехэлементных зондов, 1…k пары приемных катушек трехэлементных зондов соединены с входами одноименных входных переключателей, первый вход тракта промежуточной частоты соединен с выходом переключаемого генератора гетеродинных частот, а выход тракта промежуточной частоты подключен ко входу измерителя амплитуд, первый выход которого соединен со входом блока телеметрии, 1…k выходы схем автоматической регулировки усиления подключены к входам управления усилением одноименных усилителей высокой частоты, выходы блока коммутации электрически связаны с входами управления переключаемых генераторов рабочих и гетеродинных частот и управляющими входами входных переключателей, выход блока телеметрии посредством линии связи соединен с входом вычислительного блока, дополнительно введены мультиплексор высокочастотных сигналов, демультиплексор сигналов измерителя амплитуд и k схем калибровки, а входные переключатели выполнены с дополнительной функцией подключения разностного сигнала пар приемных катушек, при этом выходы входных переключателей соединены с входами схем калибровки, а их выходы с входами усилителей высокой частоты, входы мультиплексора высокочастотных сигналов подключены к выходам усилителей высокой частоты, а выход соединен со вторым входом, тракта промежуточной частоты, вход демультиплексора сигналов измерителя амплитуд подключен ко второму выходу измерителя амплитуд, а его выходы соединены с входами схем автоматической регулировки усиления, управляющие входы мультиплексора высокочастотных сигналов, демультиплексора сигналов измерителя амплитуд и схем калибровки электрически связаны с блоком коммутации.
В качестве трехэлементных зондов возможно использование зондов, отвечающих условиям геометрического и электродинамического подобия, для которых справедливы соотношения:
i
i+1
i
i+1
где α - коэффициент геометрического подобия; L и L - расстояния между любыми одноименными элементами зондов; i=1; 2; …k - порядковый номер зонда и L<L.
i
i+1
i
i+1
где f, f - циклическая частота возбуждения полей зондами с L и L,
где β - коэффициент электродинамического подобия.
Длины зондов от 0,5 до 2,5 м, рабочие частоты от 10 до 0,4 МГц.
Измеритель амплитуд может быть выполнен на основе линейного пикового детектора с последующим преобразованием аналогового сигнала постоянного тока в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Возможен также вариант исполнения измерителя амплитуд с использованием быстродействующего АЦП, осуществляющего непосредственное преобразование амплитуды переменного сигнала промежуточной частоты в цифровой код.
Блок коммутации может быть построен на основе микроконтроллеров или программируемых логических интегральных схем.
Вычислительный блок может быть выполнен с использованием компьютера.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, на фиг.2 - вариант выполнения входного переключателя, на фиг.3 - вариант выполнения схемы калибровки, на фиг.4 - векторная диаграмма сигналов в приемных катушках трехэлементного зонда.
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
Устройство для каротажных электромагнитных зондирований содержит (см. фиг.1) k трехэлементных зонда, включающие генераторные 1, 1 и пары 2, 2 приемных катушек, переключаемый генератор 3 рабочих частот с усилителями 4,…,4 мощности, переключаемый генератор 5 гетеродинных частот, входные переключатели 6,…,6, усилители 7,…,7 высокой частоты, имеющие вход управления усилением, тракт 8 промежуточной частоты, схемы 9,…,9 автоматической регулировки усиления, измеритель 10 амплитуд, блок 11 коммутации, блок 12 телеметрии, вычислительный блок 13, мультиплексор 14 высокочастотных сигналов, демультиплексор 15 сигналов измерителя амплитуд, схемы 16,…,16 калибровки.
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1…k - выходы переключаемого генератора 3 рабочих частот соединены с входами одноименных усилителей 4,…,4 мощности, выходы которых подключены к одноименным генераторным катушкам 1,…,1 трехэлементных зондов, пары 2,…,2 приемных катушек трехэлементных зондов соединены с входами одноименных входных переключателей 6, 6, первый вход тракта 8 промежуточной частоты соединен с выходом переключаемого генератора 5 гетеродинных частот, выход тракта 8 промежуточной частоты, подключен к входу измерителя 10 амплитуд, первый выход которого соединен со входом блока 12 телеметрии, 1…k выходы схем 9,…,9 автоматической регулировки усиления подключены к входам управления усилением усилителей 7,…,7 высокой частоты, выходы блока 11 коммутации электрически связаны с входами управления переключаемых генераторов 3 и 5 рабочих и гетеродинных частот соответственно, и управляющими входами входных переключателей 6, 6 выход блока 12 телеметрии посредством линии связи соединен с входом вычислительного блока 13, выходы входных переключателей 6, 6 соединены с входами схем 16,…,16 калибровки, а их выходы с входами усилителей 7,…,7 высокой частоты, входы мультиплексора 14 высокочастотных сигналов подключены к выходам усилителей 7,…,7 высокой частоты, а выход его соединен со вторым входом тракта промежуточной частоты 8, вход демультиплексора 15 сигналов измерителя амплитуд подключен ко второму выходу измерителя 10 амплитуд, а выходы демультиплексора 15 соединены с входами схем 9, 9 автоматической регулировки усиления, управляющие входы мультиплексора 14 высокочастотных сигналов, демультиплексора 15 сигналов измерителя амплитуд и схем 16, 16 калибровки электрически связаны с блоком 11 коммутации.
1
k
1
k
Входные переключатели 6,…,6 выполнены с дополнительной функцией подключения разностного сигнала пар 2,…,2 приемных катушек к входам устройства.
1
На фиг.2 изображен один из вариантов выполнения входных переключателей, в частности, 6. Входной переключатель содержит электронные ключи 16, 17, 18 и катушку 19 индуктивности. Электронный ключ 16 подключен параллельно катушке 19 индуктивности, а электронные ключи 17, 18 - параллельно приемным катушкам, соединенным встречно последовательно. Катушка 19 индуктивности и приемные катушки включены последовательно. Электрические параметры катушки 19 индуктивности и приемных катушек выбираются одинаковыми, что необходимо для сохранения постоянства выходного импеданса.
Возможен также вариант выполнения входных переключателей со встречно параллельным включением приемных катушек.
1
На фиг.3 представлен вариант выполнения схемы (16) калибровки. Она содержит электронные ключи 20, 21 и прецезионные резисторы 22, 23, образующие калиброванный делитель входного напряжения.
Входы ключей 22 и 23 соединены с верхним и нижним плечами делителя напряжения соответственно, а выходы связаны между собой и являются выходом схемы калибровки.
Устройство работает следующим образом.
1
1
1
г1
г1
1
гi
i
Последовательно, с временным разделением, осуществляются измерения характеристик возбуждаемого электромагнитного поля k трехэлементными зондами, образуя полный цикл работы T, длительность которого может быть выбрана в пределах 100-200 мс. Время измерения Δt одним зондом соответственно равно . При измерении первым трехэлементным зондом блок 11 коммутации устанавливает переключаемый генератор 3 рабочих частот в состояние генерации сигнала рабочей частоты f первого трехэлементного зонда, который усиливается усилителем 4 мощности до необходимого уровня и подается на генераторную катушку 1 первого трехэлементного зонда. Ток в этой катушке возбуждает в горных породах электромагнитное поле, индуцирующее сигналы в приемных катушках зонда. Блок 11 коммутации устанавливает также переключаемый генератор 5 гетеродинных частот в состояние генерации сигнала гетеродинной частоты f первого трехэлементного зонда, который подается на первый вход тракта 8 промежуточной частоты. Разность частот Δf=f-f является промежуточной частотой. Гетеродинные частоты выбраны так, что промежуточная частота Δf=f-f одинакова при измерении всеми k трехэлементными зондами. Δf выбирается в пределах 10-100 кГц.
1
1
По команде блока 11 коммутации мультиплексор 14 подключает выход усилителя 7 высокой частоты ко второму входу тракта 8 промежуточной частоты, а демультиплексор 15 соединяет второй выход измерителя 10 амплитуд с входом схемы 9 автоматической регулировки усиления. Далее после окончания переходных процессов выполняются четыре такта измерений.
1
2
1
1
В первом такте блок 11 коммутации устанавливает входной переключатель 6 в позицию подключения сигнала А второй (дальней) приемной катушки в паре 2, при этом во входном переключателе 6 (см. фиг.2) ключи 16, 18 разомкнуты, а ключ 17 замкнут.
1
1
1
1
2
1
2
1
г1
2
2
В схеме 16 калибровки (см. фиг.3) блок 11 коммутации устанавливает ключ 20 в замкнутое состояние, а ключ 21 - в разомкнутое. Таким образом, в первом такте измерений первая (ближняя) катушка пары 2 оказывается замкнутой ключом 17, а вторая (дальняя) подключается вместе с катушкой 19 индуктивности к входу схемы 16 калибровки и через ее замкнутый ключ 20 на вход усилителя 7 высокой частоты подается сигнал А второй катушки пары 2 трехэлементного зонда. Усиленный сигнал А с частотой f через мультиплексор 14 поступает на второй вход тракта 8 промежуточной частоты, где после смешивания с гетеродинной частотой f образуется разностная промежуточная частота Δf. Усиленный сигнал промежуточной частоты, пропорциональный А подается на вход измерителя 10 амплитуд. Измеритель 10 амплитуд преобразует переменный сигнал А с частотой Δf в цифровой код, эквивалентный его амплитуде. Этот цифровой код подается с первого выхода измерителя 10 амплитуд на вход блока 12 телеметрии, где преобразуется в форму, удобную для передачи по линии связи, передается в вычислительный блок 13 и фиксируется в его памяти.
1
1
1
Во втором такте измерений блок 11 коммутации устанавливает входной переключатель 6 в позицию подключения разностного сигнала ΔA пары 2 приемных катушек, при этом во входном переключателе 6 ключ 16 замыкается, ключ 17 размыкается, а ключ 18 остается в разомкнутом состоянии.
1
1
1
1
2
В схеме 16 калибровки состояния ключей 20, 21 остаются прежними. В этом такте измерений к входу усилителя 7 высокой частоты через схему 16 калибровки оказываются подключенными встречно включенные приемные катушки пары 2 и на входе усилителя 7, действует разностный сигнал ΔА. Этот сигнал претерпевает те же преобразования, что и сигнал А и в виде цифрового эквивалента его амплитуды фиксируется в памяти вычислительного блока 13.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
В третьем такте измерений блок 11 коммутации устанавливает входной переключатель 6 в позицию подключения сигнала A первой (ближней) приемной катушки в паре 2, при этом во входном переключателе 6 ключ 16 размыкается, ключ 17 остается в разомкнутом состоянии, а ключ 18 замыкается. В схеме 16 калибровки состояния ключей 20, 21 также остаются прежними. К входу усилителя 7 высокой частоты через схему 16 калибровки оказывается подключена совместно с катушкой 19 индуктивности первая приемная катушка пары 2 и на вход усилителя 7 поступает сигнал A.
1
2
Сигнал A преобразуется таким же образом как и сигналы А и ΔА, после чего фиксируется в памяти вычислительного блока 13 в виде цифрового эквивалента его амплитуды.
1
1
1
1
1
В четвертом такте измерений входной переключатель 6 остается в позиции подключения сигнала A, а в схеме 16 калибровки ключ 20 размыкается, ключ 21 замыкается. В этом случае на вход усилителя 7 высокой частоты поступает только часть сигнала А, определяемая коэффициентом m деления делителя на резисторах 22, 23, т.е.
22
23
где R, R - сопротивления резисторов 22 и 23.
Коэффициент m деления выбирается в пределах 0,03-0,08.
1
Сигнал mA проходит по тому же усилительно-преобразовательному тракту и в виде цифрового эквивалента его амплитуды фиксируется в памяти вычислительного блока 13.
1
1
1
В процессе измерений в схеме 9 автоматической регулировки усиления, подключенной ко второму выходу измерителя 10 амплитуд через демультиплексор 15, вырабатывается сигнал, управляющий усилением усилителя 7 высокой частоты и подаваемый на его вход управления усилением. В результате работы схемы 9 автоматической регулировки усиления на входе измерителя 10 амплитуд поддерживаются уровни сигналов, мало зависящие от электрических параметров окружающей зонд среды.
1
По окончании четвертого такта измерений в вычислительном блоке 13 производится корректировка измеренных значений сигналов по результатам измерения известного калибровочного сигнала mA и вычисляются амплитудные относительные характеристики поля как отношения ; ; .
Метод определения разности фаз Δφ поясняется векторной диаграммой, представленной на фиг.4. На ней в виде комплексных величин в координатах реальной ReA и мнимой ImA частей изображены векторы сигналов ,  и .
1
2
Фазы векторов  и  относительно тока в генераторной катушке - φ и φ соответственно.
2
1
Разность фаз Δφ=φ-φ является углом между векторами  и  Разностный сигнал ΔА приемных катушек это вектор , соединяющий концы векторов  и  Векторы  и  и  образуют треугольник.
Из теоремы косинусов имеем:
,
откуда следует:
Вычислительный блок 13 выполняет эти вычисления.
1
Результаты измерений первым трехэлементным зондом , ,  и Δφ запоминаются вычислительным блоком 13.
2
г2
2
2
По окончании работы первого трехэлементного зонда блок 11 коммутации устанавливает переключаемый генератор 3 рабочих частот в состояние генерации сигнала рабочей частоты f второго трехэлементного зонда, а переключаемый генератор 5 гетеродинных частот в состояние генерации сигнала гетеродинной частоты f второго трехэлементного зонда, мультиплексор 14 подключает выход усилителя 7 высокой частоты ко второму входу тракта 8 промежуточной частоты, а демультиплексор 15 соединяет второй выход измерителя 10 амплитуд с входом схемы 9 автоматической регулировки усиления.
Далее процесс измерения протекает аналогично описанному для первого трехэлементного зонда. В результате работы второго трехэлементного зонда измеряются относительные характеристики поля:
2
, ,  и Δφ, которые фиксируются в памяти вычислительного блока 13.
Полный цикл измерений заканчивается работой k-го трехэлементного зонда и получением относительных характеристик поля:
k
, ,  и Δφ.
Описанный цикл измерений повторяется во времени многократно. Результаты измерений преобразуются вычислительным блоком 13 в соответствии с градуировочными зависимостями в соответствующие значения кажущихся удельных сопротивлений и/или диэлектрических проницаемостей, которые могут записываться в виде каротажных диаграмм в функции глубины скважины.
При наличии в составе устройства, например, пяти трехэлементных зондов может быть получено двадцать относительных характеристик поля. Такой объем получаемой информации значительно увеличивает функциональные возможности устройства и позволяет более достоверно изучать параметры горных пород.
1
2
В предлагаемом устройстве измерения сигналов трехэлементного зонда производятся одним усилительно-преобразовательным трактом, поэтому изменения коэффициента передачи, например, при воздействии температуры одинаково сказываются на результатах измерения сигналов A, А, ΔА, а так как конечными результатами являются отношения амплитуд этих сигналов, то изменения коэффициента передачи тракта не влияют на их величину. Разность фаз Δφ здесь определяется непосредственно и как функция также отношения сигналов, что тоже устраняет влияние изменения коэффициента передачи на точность измерений и не требует использования опорного сигнала.
Применение схемы калибровки позволяет учесть дрейф нулевого уровня усилительно-преобразовательного тракта и скорректировать измеренные сигналы за его влияние.
В скважинной части устройства в отличие от прототипа не содержится таких блоков как схема деления и измеритель разности фаз во многом определяющих метрологические характеристики устройства.
Операции определения отношения амплитуд и разности фаз выполняются с высокой точностью наземным вычислительным блоком, находящимся в нормальных условиях.
Описанные меры позволили существенно повысить точность измерения относительных амплитудных и фазовой характеристик.
Благодаря использованию одного преобразовательного тракта для всех трехэлементных зондов, устранению из скважинной части схемы деления, а также измерителя разности фаз, устройство значительно упростилось и, следовательно, повысилась его эксплуатационная надежность.
Разработаны рабочие чертежи устройства и изготовлены опытные образцы, испытания которых подтвердили эффективность предложенных технических решений.