Способ электромагнитного каротажа и устройство для его осуществления

 

1. Способ электромагнитного каротажа , при котором электромагнитную энергию вводят в окружающие формации дпя образования в них вторичной вопны, включающий измерение скорости распространения электромагнитной энергии сквозь данную часть окружающих формаций , при этом скорость является показателем параметр земных формаций, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения ; диэлектрической постоянной исследуемых формаш1й, электромагнитное попе возбуждают в рбпасти сверхвысоких частот. 2.Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что электромагнитное попе возбуждают в диапазоне частот 500 МГц - 2 ГГц. 3.Способ ПОП.2, отличающий с,я тем, что электромагнитное поде возбуждают на частоте 1,1 ГГц± ,1 ГГц. 4.Устройство дпя осуществления способа по п, 1, содержащее опорную стойку , установленную в буровой скважине, средства введения электромагнитной в окружающие формации, расположенS ные на опорной стЫ)ке, передающую антенО ) ну, первую и вторую приемные антенны, установленные в пространственной связи по отнощению к средствам введения электромагнитной энерши и ва заданном расстоянии по отнощению к окружающей формации, прк этом средства введения электромагнитной энергии соединены с приемными антеннами, и устрсйство для измерения скорости распространения электромагнитной энергии через данную часть окружающих формаций, являющейся показателем параметров земных формацнй , отличающееся тем, что средства введения электромагнитоной энергии содержат источник сверхвысоких частот.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (!9) (1!) 3<5п а 01Ч 3л8

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К flATEMTV (21 ) 2057153/18-25 (22) 22,08.74 (31) 390987, 390989 (32) 23.08.73 (33) США (46) 15.03.84. Бкцт. № 10 (72) Рама Н.Рау (Индия) и Томас

ДЖ.Кальберт (США) (71) Шлюмбергер Оверсиз С.А. (Панама) (53 ) 550.83 7 (088.8) (56) 1. Патент Англии № 108824, кл. & 1 . л, опублик. 1965.

2. Патент США № 3551797, кл. 324/6, опублик. 1970 (прототип). (54) СПОСОБ ЭЛЕЕТРОМ АГНИТНОГО

КАРОТАЖА И УСТРОЙСТВО LUIS ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, (57) 1. Способ электромагнитного каротажа, при котором электромагнитную энергию вводят в окружающие формации для образования в них вторичной волны, включавший измерение скорости распространения электромагнитной энергии сквозь llaHHyIo часть окружающих формаций, при этом скорость является показателем параметров земных формаций, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью увеличения точности измерения диэлектрической постоянной исследуемых формаций, электромагнитное поле возбуждают в области сверхвысоких частот.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся reM что электромагнитное поле возбуждают в диапазоне частот

500 МГц - 2 ГГц.

3. Способ по п. 2, о т л и ч а ющ и и с,я тем, что электромагнитное поле возбуждают на частоте 1,1 ГГц+

+ 0,1 ГГц.

4. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержашее опорную стойку, установленную в буровой скважине, средства введения электромагнитной энергии в окружающие формации, расположен- в ные на опорной стойке, передаюшую антенну, первую и вторую приемные антенны, установленные в пространственной связи по отношению к средствам введения электромагнитной энергии и на заданном расстоянии по отношению к окружающей формации, при этом средства введения электромагнитной энергии соединены с приемными антеннами, и устройство для измерения скорости распространения электромагнитной энергии через данную часть окружающих формаций, являющейся показателем параметров земных форма-ций, о г л и ч а ю щ е е с я тем, что средства введения электромагнит ной энергии содержат источник сверх; высоких частот.

108 Лб .

lO м ц6

E = 6+j6"

Изобретение относится к способу электромагнитного каротажа и устройству для его осуществления, а именно к исследованию земных формаций с помощью электромагнитной энергии и, в частности к способу и устройству для определения диэлектрических свойств подповерхностных формаций посредством пропускания через них электромагнитной энергии, Известны различные способы измерения диэлектрической постоянной или диэлектрической проницаемости подповерхностных формаций. В результате проведенных исследований установлено, что диэлектрическая постоянная различных материалов земных формаций колеблется в широких пределах (например, 2,2 для нефти, 7,5 для известняка и 80 для воды) и что измерение диэлектрических свойств можно использовать для оценки этих формаций. Например, если посредством способа каротажа скважины определены. литология и степень насыщения водой какой либо формации, то пористость этих формаций может быть ycraHDBBeHa посредством измерения диэлектрической постоянной данного материала. Подобным образом, если заданы в качестве извест ных данных литапогия и пористость, то 30 путем измерения диэлектрической постоянной данной формации можно определить степень насыщения ее водой.

Известен способ измерения диэлектри ческой постоянной или диэлектрической проницаемости подповерхностных форций (1)

Известные устройства для регистрации диэлектрических постоянных земных формаций в буровых скважинах не позво- 4О ляют получить надежных результатов по ряду причин. Рассмотрим общую при роду диэлектрической постоянной материала с бальшими потерями, которую можно представить в виде комплексной величины45

Вещественная часть Я в этом ра° 50 венстве представляет собой истинную вели чину диэлектрической постоянной тя материала без потерь, т.е. величину, получаемую в резульrare измерения распрост ранения токов для конкретного электри,55 ческого псаря B материале, не вносящем потерь. Мнимая часть данного равенст ва Я" представляет собой коэффициент потерь для данного материала, т.е. потерь, обусловленных эффектами проводимости и отражения, Большая часrb из вестных способов основана на измерении величины Я для какой либо подповерхI ностной формации. Однако материалы подповерхностных формаций обладают существенной проводимостью и, следовательно, имеют значительный коэффициент потерь E величина которого зачасII

3 тую превышаФт значение Е, В результате папучение точных значений величины t в значительной мере искажается наличием существенного коэффициента потерь.

Наиболее близким к данному является снос об электромагнитного каротажа, в котором электромагнитную энергию возбуждают в окружающих формациях для образования в них вторичной волны, предусматривающей измерение скорости распространения электромагнитной энергии сквозь данную часть окружающих формаций, при э т оМ ск орос ть явля е тся показателем параметров земных формаций Я

Проводимость исследуемой формации устанавливалась посредством косвенного измерения толщины скин-слоя в пос перечном направлении данной формации, которая поясняется следующим образом.

Напряженность магнитного патя Н на расстоянии Z, при больших значениях Е, от передатчика выражается следующим образом

К =И,е (1 ), (М) где 6 - представляет собой основание натуральных логарифмов, - мнимая единица, Н р — напряженность магнитного паля у передатчика, 3 - толщина скин-слоя, определяемая как где (д - круговая частота (в радианах) сигнала передатчика, — магнитная проницаемость ис: 1е уемой формации, в общем с..:учае считаемая постоянной;

6 - проводимость формации.

Подобное уравнение может быть записано и для диэлектрического поля, Уравнение (1) указывает на то, что злектро3 <0ЕО магнитное пале является затухающим, а его фаза сдвигается по мере увеличения расстояния Z, т .е. по мере распространения электромагнитной энергии в исследуемых формациях. Величина сдвига фазы выражается членом—

2 а степень ослабления попа выражается ,членом - /3 . Составной член

4 (3<1) носит название постоянной распространения, при этом член 1/S 10 называется постоянной затухания, а член

- постоянной фазы.

Постоянная затухания и фазовая постоянная имеет одинаковые значения, вследствие чего толщина скин-слоя может быть определена либо путем измерения величины затухания, либо путем измерения фазы. Йпя вычисления затухания требуется измерить величину электромагнитной эНергии в пунктах приема, распопо- 20 женных на расстоянии ЬХ друг от друга в данной формации. Измеренные амплитудные значения в двух пунктах приема, обозначаемые как А и А

Ъ испцеьзуются для вычисления толщины 25 скин-слоя Я в соответствии со сцеRYIoRHM соотношением:

А

2 д

= е

А Я

С другой стороны, для вычисления толщины скин-слоя используется разность фаз сигналов, измеренная для двух отдельно распспоженных точек приема, которая обозначается .как и вы- 35 чнсляется в соответствии с таким со отношением

Зная 0, проводимость формации можно вычислить, пользуясь равенством (2).

Указанный способ основан на предпо ложении, что постоянные фазы и затуха» 45 ния электромагнитной энергии по существу равны.,Бля такого предположения cIIpaBelQIHBo следующее

d у У

50 где 6 - приставляет собой диэлектрическую постоянную материала, через который распространяется электромагнитная55

BNIHa. Величина 6/Q Я, известная как тангенс угла потерь, представляет собой отношение потерь токов проводимости к току смеш ния (ангенс угла потерь, мера относительного уменьшения прове» димости, способствует чпену коэффициен И та потерь с,, Таким образом, если величина б имеет существенное значение, а рабочая частота относительно низкая, постоянная распространения электромагнитного копебания мало зависит от истинной величины диэлектрической постоянной исспедуемого материала. Это очевидно следует из уравнения (2), которое не отражает зависимости от диэлектрической постоянной, и результирующего выражения для постоянной распространения « 1 (1 +

Известный способ реализован устройством, содержащим опорную стойку, установленную в буровой скважине, средства введения электромагнитной энергии в окружающие формации, распространенные на опорной стойке, передающую антенну, первую и вторую приемные антенны, установленные в пространственной связи по отношению к средствам введения электромагнитной энергии и на заданном расстоянии по отношению к окружающей формации, при этом средства введения электромагнитной энергии соединены с нриемными антеннами, и устройство дпя измерения скорости распространения электромагнитной энергии через данную часть окружающих формаций, причем измеренная скорость является показателем параметров земных формаций.

Цель изобретения - увеличение точности измерения диэлектрической постоянной исследуемых формаций.

Укаэанная цель Достигается тем, что согласно способу электромагнитного каротажа, при котором электромагнитную энергию возбуждают в окружающих формациях щ я образования в них вторичной волны, включающему измерение скорости распространения электромагнитной энергии сквозь данную часть окружаккцих формаций, когда скорость являе

cs показателем параметров земных формаций, возбуждают электромагни тное поле в области сверхвысоких частот, а именно в диапазоне 500 Мгц - 2 ГГц или предпочтительно íà частоте 1,1 ГГц+

+ 0,1 ГЙ .

В устройстве для осуществления способа, содержащем опорную стойку, уста— новленную в буровой скважине, средства введения электромагнитной энергии в окружакацне формации, paclloHOIKeHHhle на опорной стойке, передающую, первую ф1

Е= (аг 1.г(н (5) 1

V=- 7 ðÅ.

50 и вторую приемные антенны, установпенные в пространственной связи IID oTHD шению к средствам введения электромат»нитной энергии и на заданном расстоянии по отношению к окружающей формации, причем средства введения электромагнитной энергии соединены с приемными антеннами, и устройство для измерения скорости распространения электромагнитной энергии через данную часть окружающих формаций, являющейся показателем параметров земных формаций, средства введения электромагнитной энергии содержат источник сверхвысоких частот 15

На фиг. 1 схематически изображена блок-схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2 и 3 - в упрощенной форме характер распространения электро магнитной поперечной ванны в формации, 20 на фиг. 4 — то же, в зоне чистой" формации на фиг. 5 - блок-схема устройства фиг. 1, на фиг. 6 — блок-схема устройства показанного на фиг. 5 дпя сравнения амплитуд", на фиг. 7 — блок- 25 схема вычислительного модуля, показанного на фиг. 1 и 5, на фиг. 8 - вид сбоку на прижимную поверхность подушки, показанной на фиг. 1 и 5; на фиг.9разрез A-А на фиг. 8 в увеличенном 30 масштабе., на фиг. 10 — блок-схема дпя вычисления пористости, представляющей часть вычислительного модуля, изображенного на фиг. 5; на фиг. 11 бл ок-схема ус тройс тва, представляющего собой второй вариант изобретения на фиг. 12 - прижимная подушка, поясняющая природу электромагнитной вопны, измеряемой устройством, показанным на фиг. 11", на фиг. 13 — группа графиков, на которых показаны различные формы сигналов, имеющих место в подсистеме устройства, показанного на фиг, 11.

Прежде всего, следует рассмотреть плоскую электромагнитную волну, рас- 45 пространяюшуюся в диэлектрической среде без потерь. Указанная волна pacllpDCP» раняется со скоростью где p - магнитная проницаемость, - диэлектрическая постоянная данной среды.

Если исследуемый материал в общем случае явпяется немагнитным материалом, то (0 можно рассматривать как извес ную п1м тоянпую величину, в этом слу lap E может быть определена из следующего соотн ошения

Е= „Чг

Следует рассмотреть две точки, распоп оженны е на фиксированн ом расс тоянии друг от друга вдоль направпения распространения электромагнитной волны. Для заданного значения угловой частоты M разность фаз волны между указанными двумя точками определяется спедуюшим равенством где L — расстояние между данными двумя точками, - фазовая постоянная волны, равна (3 = id /Ч

11елая подстановку из уравнения (3 ) можно видеть, что может быть получена поспе определения фазовой постоянной из соотношения P = И6"6 следующим образ ом

Р, (4) г „

Соответствующее выражение, испсдь щее измеряемую фазу между двумя точками,;имеет следующий вид

Приведенные соотношения справедивы дпя материала без потерь, однако исследуемая подповерхностная среда в общем спучае обпадает существенной проводимостью. Постоянная распространения плоской электромагнитной волны, распространяющейся в среде без потерь, представпяет собой комплексную величину вида = у р 1

1 6 (6) где - проводимость среды.

Если величина 0 / Я значительно больше 1, то постоянная распространения уменьшается до величины, определение которой производится, как показано при описании области изобретения. для случая, когда 6 равна нулю или очень

P loop = - 6C, (3 О) g = 3 М,, (7) Pxop => 4PK. (l. 08< малаи членом Гт1нГен(: угла НОТ(pfя можно пренебречь (6! (д Я ), вследствие чего пппучится, чтя I = P =u pg что имеет место для уравнения (4) дпя случая, когда рассматривается материал без потерь. Если 6 представпяет собой значительную величину, то тангенс угла потерь может быть относительно небольшим при очень больших значениях у для этих случаев опять приближенно lO справедливо равенство (4) ° Например, если 6! (д (: = 0,2, то вычисление

llo уравнению (4) дает ошибку только

0„5% по сравнению со случаем, когда

6/ = о.

l5

Существуют практические пределы дпя выбора значений высокой частоты, коточ рая может быть использована дпя осуществления значимых измерений в буровой скважине. Так, например, дня формаций, 20 обпадающих значительной проводимостью, применение наиболее высоких частот, используемых на практике, может привесч ти к значительноМу возрастанию тангенса угла потерь, который, если им пренеб-25 речь, приводит к ошибке измерения дейст витепьной вепичины диэлектрической постоянной. В данном варианте производимые измерения автоматически коррек1 тируются с учетом тангенса угла потерь. ЗО

Для наглядного пояснения производимой коррекции вещественную и мнимые части цзстоянной распространения )(удобно представить соответственно как и (, . B таком случае эта величина запишется следующим образом

35 где К, - величина, зависящая от затухания BMIBII HJIH от потерь.

Следует обратить внимание на то, что постоянная распространения используется в BolIHDBDM уравнении в виде я вследствие вещественная часть постоянной распространения становится мнимой частью данной экспоненты и наоборот.

Возведя в квадрат уравнения (6) и (7) и приравняв друг к другу их вещественные частя, можно получить следующее

50 Ъ -a, =tll (8), Теперь, если величину (3 взять из уравнения (4) и заменить ее на откорректированное значение (P xop),,которое учитывает имеющиеся потери, то можно папучить

)7(>2 8

Из уравнения (8) видно что соответс.твуюшая величина /3 xo p определяется так В варианте воплощения данного изобретеНИЯ ВЕПИЧИНЫ Р И О(т, ВХОДЯШИЕ уравнение (10), являются измеряемыми величинами, причем величина P one деляется посредством измерения скорости или фазы, а о(, - путем измерения затухания. Требуемое значение /3 (- kop определяют затем, используя уравнение (10). Скомпенсированное значение диэлектрической постоянной вычисляет ся из уравнения (9), Принимая во внимание приведенное представление диэлектрической постоянной в виде комплексной величины (Я" "- Q + j Я" ), можно заметить, что значение диэлектрической постоянной, определяемой данным способ ом, соответствует Е, т.е. диэлектриI ческой постоянной исследуемого материала, не вносящего потерь. .Устройство дпя осуществления способц представпено на фиг . 1, имеет онори ею стойку 1, выполненную в виде несущего цилиндрического элемента, установленную в буровой скважине 2, средства введения электромагнитной энергии 3 в окружающие формации 4, распопоженные на опорной стойке, первую и вторую приемные антенны 5,6, расположенные на опорной стойке установленные в пространственной связи по отношению к средствам введения электромагнитной энергии и на определенном расстоянии окружающей формации друг от друга, при этом средства введения электромагнитной энергии соединены с приемными антеннами и ус ройством дня измерения скорости рас» пространения электромагнитной энергии 7 через данную часть окружающих формаций, причем измеренная скорость являет ся показателем параметров земных формаций, а средства введения электромагнитной энергии содержат источник сверхвысоких частот 8. банное устройство предназначено дпя исследования подц формаций, пересекаемых буровой скважиной 2.

Буровая скважина обычно заполняется промывочной жидкостью для .бурения или буровым раствором, содержащим мелко измельченные твердые частицы, образующие суспенэиюя Устройство дпя иссле9 1 0807 дования (зонд) ипи регистрирующее устройство 9, его длина по существу определяет относительную глубину погружения устройства 9. Регулирование длины кабеля осуществляется соответствующим средством, распопоженным на поверхности, например с помощью барабана ипи лебедки (не показаны).

Регистрирующее устройство на фиг. 1 имеет продопьный ципиндрический несу- lp ший элемент 1, внутренняя часть которого BbUIOIIHeHa в виде непроницаемого дпя жидкости корпуса, в котором размещается погружаемая электронная аппаратура. К несущему элементу,1 крепятся две дуго- g образные пружины 11 и 12. K пружине

11 крепится подушка-башмак 13, zornрая содержит передаюшую антенну Т и вертикально распопоженные на некотором расстоянии друг от друга приемные ан- zp тенны 5 и 6. К пружине 12 крепится дополнительная подушка 14, не явпяющаяся активной подушкой, которая предусмот рена дпя обеспечения центровки по вертикали регистрирующего устройства 9 внут-2 ри данной буровой скважины. При необхо» димости, однако подушка 14 может содержать электроды или подобн.ое допопнитепьное средство, предназначенное дпя исследования окружающей, фор- зо мации. Электронные сигналы, содержащие информацию, подученную регистрирующим устройством, передаются an кабелю к вычиспитспьному модулю 15 и записывающему устройству 1 6, распопоженным на поверхности земпи. Устуойство, показанное на фиг. 1 и предназначенное дпя обеспечения соприкосновения антеннь1 со стенкой буровой скважины, носит иппюстративный характер, в 4О связи с чем следует иметь в виду, что дпя этой цепи возможно испопьэование других средств, например гидравпического средства.

62 10 фильтрат в некоторой степени проникают в формации, Последние задерживают мепкие частицы, образующие суспензию в буровом растворе, в результате чего на стенках буровой скважины отлагается твердая буровая масса. Толщина ее опредяется параметрами формации, например нроницаемосгью, но на стенке буровой скважины всегда имеется по меньшей мере очень звонкий слой твердой буровой массы, Как показано на фиг. 2, подушка .13 контактирует с твердой массой 17, показанной дпя бопьшей наглядности в увеличенном масш табе.

Передающая антенна Т иэпучаег микровапновую эпекгромагнитную энергию в исследуемую формацию (показано стрелкой А). Дпя вьсяснения характера движения данной водны в направпении приемников следует рассмотреть фиг, 3, на которой изображена поверхность раздела

18 между нижней областью с потерями, диэлектрическая постоянная которой равна Г, и верхней обцастью без потерь, диэпекгрическая постоянная которой фавна E Z . Известно, что энергия, распространяющаяся от источника б представпяюшего собой возбужденный диполь, в пункт набпюдения О, носит название поверхностной вопны, которая состоит из трех основных воин: прямой„ отраженной и поперечной, что показано на фиг. 3, Поперечная ватна составляет основную часть данного папя и распопожена рядом с поверхностью раздела, особенно когда расстояние между точками

6 и О велико по сравнению с их соответствующими расстояними or данной поверхности раздела. Поперечная вопна начинается у источника в среде с потерями и распространяется в виде пуча к поверхности раэдепа в направпении, определяемом величиной критического угле, который определяется следующим образом

На фиг. 2 и 3 в упрощенной форме

45 представлен характер распространения электромагнитной BQHHbl, пераметры которой измеряются устройством, пМазанным на фиг. 1. Подушка 13 (фиг. 2) распапожена непротив стенки буровой скважины 2, причем пространство между ними эапопняется промывочной жидкостью дпя бурения 17. В общем случае давпение жидкости s формациях, пересекаемых буровой скважиной, меньше гидростатического давпения сгопба бурового раствора, находящегося в буровой скважине, вследствие чего буровой раствор и его

Данная вопна распространяется вдопь гра ницы в среде без потерь, при этом она постоянно теряет энергию, рассеивающуюся в среде с потерями. Прямая и отраженная вопны ограничены средой с потерями. Скорость затухания этих вопи описывается экспонентной, причем она превышает апгебраическую скорость, с которой происходит затухание поперечной вопны, 1 ОЙ0762.1. 2

Принципы идеализированной ситуации, показанной на фиг. 3, могут быть использованы для случая, когда верхнее попупространство представпяет собой среду с низкими потерями, что справедливо 5 при условии, если диэлектрическая постоянная верхнего попупространства меньше диэлектрической постоянной нижнего попупространства, Необходимым условием возбуждения поперечных вапн для устройства,10 показанного на фиг. 2, в общем случае является испатьзование бурового раствора на водной основе, Они имеют относительно высокую проводимость, вследствие чего образующиеся из них отложения бу- 15 ровой массы допжны иметь относительно высокую диэлектрическую постоянную (благодаря большому содержанию воды), как и относительно высокую проводимость. Таким образом, твердую буровую о массу можно рассматривать как нижнее попупространство с большими потерями, а смежную формацию - как верхнее псдупространство с Ьтносительно низкими потерями. Поскольку предполагается, что 25, диэлектрическая постоянная твердой буровой массы значительно выше диэлектрической постоянной смежной формации, величина критического угла (т.е.

yea, под которым энергия поперечной волны входит в формацию) будет относительно небольшой.

П оперечная волна, распространяющаяся в формации, представлена на фиг. 2 стрелкой В, а ее продолжение - стрелкой С. Поперечная волна непрерывно теряет часть своей энергии, рассеиваюшейся в среде с большими потерями, при этом отдельные количества ее энергии, 4О

- поступающие на участки расположения приемников 5 и 6, обозначены соответветственно стрелками З и Е. Если предположить, что расстояния, представ- ленные стрелками и Е, по существу 45 равны друг другу, то можно видеть, что разность между расстоянием, соответствующим пути прохождения энергии, поступающей в приемник 5 (путь А-B-))), и расстоянием, соответствующим пути прохождения энергии, поступающей в приемник 6 (путь А-Б-С-Е), равна расстоянию, представленному стрелкой

С, т.е. расстоянию между указанными приемниками энергии. В сООтВетстВии 55 с этим дпя исследования участка формации, расположенного напротив участка между приемниками 5 и 6, vomer быть использован приемник раэностш|х сигналов.

Для упрощения на фиг. 2 показана вымываемая зона или зона проникновения, которая окружает твердую буровую массу в буровой скважине. Как известно, эона проникновения содержит жидкости

Э проникающие из бурового раствора, который фильтруется через твердую буровую массу и проникает в окружающие формации. Глубина такой зоны проникновения в общем случае различна и колеблется примерно от 2,54 см до нескопьких десятков сантиметров, что зависи or таких факторов, как связующие свойства бурового раствора и литологии формаций. Если глубина эоны проникновения относительно велика, например

30 см или более, то поперечная вапна в общем случае проходит через эту зону так же, как показано на фиг. 2,,Биэлектрическая п остоянная, определяемая регистрирующим устройством, представляет собой, таким образом, диэлект» рическую постоянную проницаемой формации, в результате чего данная информация может быть использована совместно с с другими данными дпя определения таких параметров исследуемой формации, как пористость или литопогия, Если глубина зоны проникновения относительно небольшая, например порядка 5 см, то значительная поперечная волна может— образоваться в чистой формации, расположенной эа .пределами зоны проникновения. Этот случай представлен в упрощенном виде на фиг. 4. При использовании бурового раствора,на водной основе жидкость, содержащаяся в зоне проникновения 19, обуславливает существенно более высокую проводимость данной зоны и более высокую диэлектрическую постоянную по сравнению с аналогичными показателями для чистой формации. По этой причине показанную на фиг. 4 зону проникновения 19 можно рассматривать как нижнее палупространство с большими потерями, а смежную чистую формациюкак верхнее попупространство с относительно низкими потерями, что аналогично показанному йа фиг, 3. Таким образом, поперечная волна может быть образована в чистой формации по границе с зоной проникновения, что показано стрелкой 20.

Для того, чтобы в чистой формации для случая, показанного на фиг. 4, образовать значительную поперечную вопну, Расстояние между Т и 5 должно быть

13 108 большим по сравнению с глубиной проникновения. Существуют практические пределы максимальна 0 расстояния между передатчиком и приемниками, используемыми в устройстве данного типа. Кроме того, еспи в чистой формации образуется значительная поперечная волна, го в зоне проникновения по границе с твердой буровой массой может образоваться вторая поперечная ватна, показанная 1О на фиг. 4 пунктирной стрелкой 21, НвлиЧне ДВУХ ВОЗМОжнЫХ ПОПеРеЧНЫХ ВОПИ связано с проблемой представления результатов исследования. Вследствие укаэанных причин в предпочтительном BG 15 рианте расстояние между передатчиком и приемником выбирается относительно небольшим, при этом значительная поперечная волна воздаемся только по границе формации, наиболее близко рвс- щ положенной к твердой буровой массе, г.е.

s пределах зоны проникновения.

На фиг. 5 показана электронная аппаратура, расположенная в корпусе несущего элемента 1, показана нв заштриховайнсв 25 участке у стенки буровой скважины.

Источник-генератор 8, работающий с заданной частотой, генерирует на своем выходе энергию микроволнового диапазона спектра. Зля данного случая микроватн овый диапазон включает частоты, распсдоженные в интервале 300 М Гц, (т.е, в интервале 300 МГц - 300 П ц), Генератор 8 может работать с требуемой частотой порядка 1,1 Пц, т.е. с часто той 1,1 х 109Гц. Выбор требуемоф частоты работы генератора 8 производится следующим образом. Выход генератора 8, через раэвяэывающее устройство 22 воздействует на передающую антенну Т,. 1п

Поступающая при этом микровопновая энергия передается в окружающие формации, в которых распространяется указанным образом. Энергия, поступающая к приемным антенная 5 и 6,соответственно передается на входные кпеммы смесителей 23, 24, Сигналы, поступающие or приемных антенн 5 и 6, сдвинуты уо фазе относительно друг друга на величину, которая Опредэпяегся фаэовой посто- 5р янной P а отношение их амплитуд опре депяет".я постоянной затухания ® . На вторые входные клеммы указанных. смесителей подвегся микроволновая энергия, частота которой отличается 0г час 55

roan передатчика на некоторую сравнительно небольшую величину, используемую, например, в радиодиапвзоне. В данном

0762

1 4 варианте генератор с фиксированной частотой 25 подаег на входы смесителей

23 и 24 микроволновую энергию с частотой примерно на 1,1001 ГГП, или

100 кГП бопьшей частоты работы передатчика. B результате выходные сигналы

23 в и 24а смесителей 23 и 24.имеют разностную частоту 100 кГП. В coor» ветсгвии с известными принципами сигналы 23в и k4a сохраняют фвэовые и амплитудное соотношение сигналов, посту- паюших от приемных устройств 5 и 6, йо задача определения фазы значительно упрощается дпя сигналов с низкой частотой, в данном случае для смещенных сигналов.,Пля того, чтобы обеспечить разность рабочих частот генераторов 8 и 25, равную 100 кГц и выходные сигналы указанных генераторов поступают в смеситель 26. На выходе последнегоимеется устройство дпя стабилизации частоты 27 которая определяет отклонение or заданной частоты 100 кГц и при наличии такого отклонения формирует корректирующий сигнал 27а, который упраьтяет работой генератора 25 по известному способу контура с запиранием фазы.

Сигналы 23в и 24 а воспринимаются фаэовым детектором 28 и устройством дпя сравнения амплитуд 29. На выходе фазового детектора 28 образуется сигнал, уровень которого пропорционален разности фаз Ф между сигналами, воспринимаемыми приемниками 5 и 6, а спедоввтельно, пропорционален /3 в соответствии с ооотношением J3= Ф/ где L — расстояние между указанными приемниками. Нв выходе- устройства дпя сравнения амплитуд 29 образуется сит нвл, уровень которого пропорционален Об, что показано нв фиг. 6. Сигналы 23а и

24а усиливаются соответствующими логарифмическими усилитепями 30 и 31, выходы которых передаются на вход усилителя раэностных сигналов 32. На выходе указанного усилитапя 32 образуется сигнал, уровень которого пропорционален Ы:

Это можно видеть, если представить амплитуду вопны, воспринимаемой приемником 5 в виде A|,, где A - постояянная амплитуды, а 2 - paccroHHIIe между антенной Т и приемником 5. Отсюда следует, что амплитуда волновой энер-. гии, воспринимаемой приемником 6, равна Ае Т1- + 1", где L - расстояние между укаэанными приемниками 5 и 6.

В таком случае отношение амплитуд сигнв1 г.-, 1.08076> -

На фиг. 7 показана .схема вычисли50 тельного модуля 15, который воспринимает сигналы, передаваемые по проводам

28а и 29а, информация которых соответствует измеренным значениям р и (. Указанные сигналы вначале посту-55 пают на усилители с переменным коэффициентом усиления 34 и 35, которые могут быть использованы дпя осушест пов, поступаюших к приемникам 5 и 6, выражается следующим образом:

-фс(Е t .1

Иэ полученного выАе 5 ражения следует, что логарифм отношения амплитуд волновых сигналов пропорционален о .. Таким образом, устройство 29, показанное на фиг. 6, выполняет

re же функции и формирует требуемый результат при оперировании с разностью логарифмов амплитуд указанных сигналов, Выходные сигналы фазового детектора

28 и блока сравнения амплитуд 29 (см. фиг. 5) передаются наверх по проводам 28а и 29а,,находяшимся в бронированном кабепе 10, Обычно эти сигналы передаются в виде уровней постоянного тока, которые усиливаются перед передачей.

В устройстве, расположенном на поверхности земли, данные сигналы, передаваемые по проводам 28а и 29а, воздействуют на вход вычислительного модуля

15, который производит вычисление скорректированной с учетом потерь величины диэлектрической постоянной, измеренной регистри,руюшим устройством, расположенным в буровой скважине, .в щ0 соответствии с уравнениями(8) и /или (9) и (10), Вычисленное значение диэлектрической постоянной записывается записываюшим устройством 16, которое обычно работаег в зависимости от глуби ны буровой скважины и приводится в действие механическим соединением блокбаланса — вращающегося колеса 33, Колесо 33 соединено с кабелем 10 и врашается синхронно относительно пере- 40 мешения данного кабеля, чем и обеспечивается работа эаписываюшего устройства как функции глубины буровой скважины. В результате значения диэлектрической постоянной, скорректированные с учетом потерь, записываются посредством записываюшего устройства 16 в соответствии с глубиной буровой скважины. впения тарирования . Сигналы, снимаемые с выхода указанных усилителей, поступают на соответствуюшие входы известных схем дпя возведения в квадра т 3 6 и 3 7, на выходах кот орых образуются сигналы, пропорциональные величинам Р 2 и ф 2 . Полученные сигналы передаются на вход усилителя раэностных сигналов 38, на выходе которого формируется сигнал, .величина которого пропорциональна разности подаваемых на его вход сигналов, т.е. разности P 2 — g 2 . Как следует из уравнения (8), полученный выходной сигнал представляет собой измеряемое значение ., поскольку данное уравнение может быть переписано следуюшям образом р -о

2 2

E= (ц с ) 2

Тарирование каких-либо параметров измери тельного ус тройства например частоты, может быть выполнено с помошью усилителей 34 и 35 .. В случае необходимости выходной сигнал усилителя разностных сигналов 38 может быть передан на вход схемы 3 9, извлекающей квадратный корень. Папучаемый в резупь—

I тате выходной сигнал представляет собой значение величины „о в соответст вин с уравнением (10), Данный сигнал может быть записан записывающим устройством 16 в дополнение или вместо диэлектрической постоянной, скорректированной с учетом потерь.

На фиг. 8 представпен внд сбоку на поверхность башмака — подушки 13, которая образует контакт со стенкой буровой скважины. Подушка 13 содержит антенны Т, 5 и 6. Установлено, что для передачи и приема поперечных волн наиболее эффективно испольэовать попые антенны с вырезом. Показанные на фиг.8 отверстия дпя полостей заполняются водонепроницаемым керамическим изолируюшим материалом, В данном случае длина выреза равна

pJg, т .е, около 7,5 см для рабочей „ частоты 1,1 ITg (диэлектрическая постоянная иэопируюшего материала равна 4). Расстояние Я между антеннами

Т и 5 8 см, а расстояние L между приемными антеннами 4 см. Ниже описывается выбор рабочей частоты и соотве тствуюших размеров.

На фиг, 9 в увеличенном масштабе п казан разрез А-А на фиг, 8. В металли762

17 1080 ческом проводящем корпусе 40 имеется полость, глубина которой равна h(4 т,е, примерно 3,75 см. Посредством коаксиального кабеля 10 антенна Т соединяется с развяэываюшим устройством (изолятором) 22 (фиг, 5). Кабель 10 с одержит внутренний проводник 41 и внешнюю проводящую оболочку 42, которая обычно заполняется изопирующим материалом 43. Внутри полости 44 вер- Ip тикально расположен зонд 45, являющийся продолжение центрального проводника 41.

Обычно эонд45 входит своим концом в небольшую цилиндрическую выемку 46, расположенную в верхней части полости, которая также заполнена изолирующим ма териалом.

Приемные антенны 5 и 6 имеют такую же конструкцию, как и передающая антен« на, конструция которой показана на фиг.8 2р и фнг 9. Посредством коаксиального кабеля приемные антенны соединяются со смесителями 23 и 24, показанными на фиг. 5. Указанные грн кабеля могут быть выполнены в виде одного кабеля с бронированной оболочкой, который соединяет башмак-подушку 13 с устройством 1, в которой размещается погружаемая электронная аппаратура.

Что касается выбора рабочей частоты и определения размеров устройств, то следует иметь в виду, что в соответствии с уравнением (4) выгодно использовать очень высокую частоту щ с тем, чтобы уменьшить величину тангенса угла потерь, Пля сапесодержащих Горных пород, насышенных водой,например, песчаника,составляющая потерь диэлектрической постоянной f" (имеется в виду комплексная величина, рассмотренная в g =Е Ф g Е больше Я при частотах ниже 100 МAt.

При больших частотах Я" уменьшается и в диападрне, близком к частоте

500 М Гц, Я становится больше Я в результате чего измерение величины

Я" становится простой задачей. Это опи 45 сано, например, в (1). В данном случае описывается способ, в совгветствии с которым часть подпюерхностной рормации используется в качестве диэлектрического материала, распмакенного между пластинами конденсатора, причем электроды регистрирующего устройства используются в качестве указанных пластин.

Однако такой способ, как и относящиеся к нему схемы, в соответствии с которы- >> ми исследуемая формация должна использоваться в качестве линии передачи или оконечной нагрузки, не пригодна для промышленного использования в качестве регистрирующего прибора. С увеличением рабочей частоты в гигагерцовом диапазоне составляющая f . Становится существенно больше " . Такое явление предрасполагает к выбору батее высоких частот. Однако на практике оказывается, что имеются пределы для выбора высоких значений рабочих частот. Одной иэ причин их сушествоВ ния является возрастание (! величины E обусловленное потерями иэ-за биполярной релаксации, что имеет место. при возрастании частоты до значений, существенно. превышающих

1 ITa. Dpyx ая причина обусловлена влиянием твердой буровой массы На образование поперечной вопны в формации при очень высоких частотах. Лпя частот гигагерцового диапазона дпина BNIHbI c распространяющейся энергии черезвычай .. но мала, вследствие чего она начинает, проникать в более толстые слои твердой буровой массы. Если это явление имеет место, то твердая буровая масса начинает выполнять ропь ваановода, по которому ответвляется часть передаваемой энергии. В результате уменьшается количество энергии для образования попе- речной волны.

Указанный эффект буровой массы начинает сказываться серьезно в том случае, когда половина длины волны передаваемой энергии в буровую массу проникает в толщу буровой массы.,Пля приблизительного подсчета следует предположить, что максимальная толщина буро вой массы около 2 см, а максимальная диэлектрическая постоянная этой массы

I равна примерно 20. Это означает, что максимальное значение для поповины дли,ны волны 3 l2 для свободного проси ранства, когорм удовлетворяет данному условию, определяется следующим образом: Яо/Z (2 см) (20) = 9 см, или ) = 18 см, что соответствует около 2 П п Иэ приведенных рассуждений следует, что оптимальный диапазон рабочих частот расположен меж ду частотами несколько большими 500

МГц и нескппько меньшими 2 ГГц, Частота, используемая в данном варианте, расположена посредине указанного дианазона и состыщяет 1,1 ITg. Эта. частота является удовлетворительной.

Выбор рабочих размеров устройства диктуется практическими соображениями, некоторые из которых уже рассмотрены.

Что касается расстояния )3, отдепяю19

1 0807 62

20 щего антенну Т от антенны 5 (фиг.8), то, как cneäóeT иэ приведенных рассуждений со ссылками на фиг. 3 и 4, в части установления преобладающей поперечной волны желательно, чтобы рас- S стояние 2 было значительно бопьше толщины буровой массы. Однако еспи это расстояние сделать черезвычайно большим, то это может привести к затуханию, что затрудняет выполнение точных иэ- 10 мерений. Установпено, чт о расстояние

Q., равное 8 см (в общем случае в четыре раза больш ожидаемой максимальной толщины буровой массы), является удовлетворительным. Выбор ука- 15 занного расстояния дцпжен производиться с учетом конкретных условий.

Расстояние 1 между приемными антеннами даикно быть достаточно большим для обеспечения возможности 20 определения требуемых значений разности фаз и достаточно малым для избежания возможных неоднозначностей измерения. Рабочая частота 1,1 IT@ соответс твует длине волны дпя свобод- 25 ного пространства окопо 27 см. Сдвиг фаэ, связанный с расстоянием 1. отделяющим приемные антенны друг от друга, дпя свободного пространства в результате составляет 30

Ф своб.простр. = 13 (11-)

= 360 о

27

При высоких частотах сдвиг фаз1 м примерно пропорционален квадратичной зависимости диэлектрической постоянной 35 исследуемой среды (см., например, равенство 3 ), вследствие чего общее соотношение, получающееся из уравнения (11) имеет вид

40 м = — .Й 1 1-/ = Л. S Åì J L ) (1 )

Наименьшее значение диэлектрической постоянной обычно на практике равно 45 примерно 4, что имеет место в случае непористых кварцевых пород. Йля такой величины диэлектрической постоянной минимальный сдвиг фазы при расстоянии определяется следующим образом:

Фмин = »3,3 Г4)1l Я,6 / "l (13)

Наибольшая диэлектрическая постоянная встречается у известняка, полностью насыщенного водой, пористость которого около 3 5%. Запаздьв ание азы микро» волновой энергии, распространяющейся в составной формации, представляет собой отнесенную к объему сумму запаздывания В жидкости и ор и запаздывания в кристаллической массе. Таким образом, действующее максимальное значение диэлектрической постоянной определяется из приближенного соотношения:

Я 0,35- +0,65 1Еизвеаю

0,35 - ) 80 + 0,65 47,5.

Из приведенного соотношения вычисляется (составпяет в данном спумакс. чае окопо 30), Таким образом, испцпьзуя уравнение (12), максимальное значение сдвига фазы дпя длины L может быть определено так:

13,3 (30). (L ) = 73,2 (6 (14)

Из уравнений (13 ) и (14) видно, что предпагаемая длина разделения L = 4 см дпя данного варианта является удовпе ворительной. При таком значении обеспечивается минимальный и максимальный сдвиг. фаэ, равные окало 106 и

293 соответственно. В указанном диапаО зоне фазовый сдвиг может быть определен с хорошей разрешающей способностью (в диапазоне бапьшем 200 ) при отсут

crass неоднозначности, которая возникает при наличии диапазона большего

300 . Памимо этого расстояние 4 см

0 не связано с частой проблемой слишком большого затухания, в результате чего такое расстояние удовлетворительно. В данном случае выбор укаэанного размера может производиться с некоторой гибкостью в пределах допустимых значений и с учетом практических особенностей.

Посредс твом измерения диэлектрической постоянной, измерение которой производится в соответствии/с изобретением может быть получена требуемая информация в отношении пористости, литопогии или насыщенности водой исследуемой формации. Если диэлектрическая постоянная входящего кристаллического semec ва и жидкости пор обозначаются соответ» ственно как Я и Е то с учетом изложенного можно записать

46 =l»-

4 <с (1 +Ф) 7,5 + 9 80.

Если пористость предварительно опредепена, то могут быть вычислены значения 1О насыщения ипи питология посредством определения диэлектрической постоянной с остави ой формации.

Уравнение (15) может быть переписано следующим образом: 15 (16) .Данное уравнение используется для вычисления пористости посредством схемы, показанной на фиг. 10, которую можно рассматривать как допапнительную часть вычислительного модуля (фиг. 5).

Выходной сигнал схемы для из- 25 влечения квадратного корня 3 9, показанной на фиг. 7, соответствует и кор величина которой, как видно из уравнения (9), пропорциональна ГЁС

В тех случаях, когда величина 1ГЁ определяется из информации, получаемой регистрирующим устройством или взятием пробы, сигналы напряжения, пропорционыпьные этим значениям, могут подаваться на соответствующие 35 входные клеммы усилителей рази остных сигналов 47 и 48. Выходные сигналы, указанных усилителей разностных сигналов соответственно пропорциональны числителю и знаменателю уравнения(16).

Указанные выходные сигналы поступают на вход схемы деления 49, которая фор.» мирует íà csoeM выходе сигнал напряжения, представляющий собой пористость составной формации. 45

На схеме фиг. 11 показан второй вариант устройства, которое предназначено дпя исследования подповерхносч ных формаций 4, пересекаемых буровой скважиной 2. Буровая скважина 2 обыч- 511 но заполняется промывочной жидкостью дпя бурения или буровой массой, содержашей измельченные твердые частицы в виде суспензии. Каротажное устройство

1 погружается в буровую скважину 2 55 с помощью бронированного кабеля 10, длина которого по существу соответствует относительной гпубине погружения устройства 9, Управление перемещением кабеля осуществляется соответствующим

cp! дством, расположенным ка поверхности, например, с помощью барабана ипи лебедки (не показаны).

Каротажное устройство включает в себя удлиненный несущий элемент цилиндрической формы, внутренняя часть которого выполнена в виде водонепроницаемого корпуса, в котором размещается погружаемая в буровую скважину электронная аппаратура. К несущему элементу крепится пара дуговых пружин 11 и 12,К пружине 11 крепится подушка

13, внутри которой расположены отдельно друг от друга по вертикали передающие антенны Т .и Т и две отдельно расположенные друг от друга приемные антенны 5 и 6, причем последние распапожены между передатчиками по существу, ка одной оси с ними. К пружине 12 крепится вторая подушка 14, которая может быть неактивной и служит для обеспечения ровного вертикального пере мещения каротажного устройства 1 внутри буровой скважины. В случае необ-, ходимости, однако, в подушке 14 могут быть расположены электроды и другие дополнительные средства дпя исследования окружающих формаций. Электронные сигналы, содержашие информацию, полученную каротажным устройством, передаются по кабелю 10 к вычислительному модулю и записывающему устройству (не показаны), распапоженным на поверх ности земли. Показанное на фиг. 11 специальное средство для удержания антенй в соприкосновении со стенкой буровой скважины носит иллюстративный характер, причем возможно испопьэование и других средств, например гидравлического средства.

На фиг. 12 в упрощенном виде показан характер распространения электромагнитной волны, параметры которой измеряются устройством, показанным на фиг. 11. Как показано на фиг. 12, подушка 13 распопожена напрцтив стенки буровой скважины 2, на которую, как указано, воздействует промывочная жидкость дпя бурения. Обычно даьпение жидкости, содержащейся в формапиях, пересекаемых буровой скважиной, меньше гидростатического давпения стсцтба буровой массы, имеющейся в буровой скважине, вследствие чего буровая масса и ее фильтр в некоторой степени проникают в исследуемые формации. Указанные формации Э Э

1080762 представляют собой экран для меленьких ди частиц, взвешенных в буровой жидкости и вследствие чего на стенках буровой сква- и жины образуется твердая буровая масса.

Ее толщина зависит от параметров конкретной формации, например от проницае- Ф мости, Но в любом случае на стенке п буровой скважины образуется по меньшей . У мере очень тонкий спой твердой буровой г массы, Как показано на фиг. 12, подуш- 10 и ка 13 находится в контакте с твердой ш буровой массвй 17 (изображена в уве- бо личенном масштабе), Распространение

У электромагнитной волны начинается or до передатчика Т, по стрелке А, при этом 15 части волновой энергии воспринимаются антеннами 5 и 6. Поперечная волна, Я распространяющаяся в формации смежно ни с поверхностью, разделена между гверчи дой буровой массой 17 и формациями 4, 20 представлена на чертеже стрелкой В, а ее продолжение - стрелкой С. Энергия ве поперечной ванны непрерывно рассеиваетми ся в твердой буровой массе при этом

52 части энергии, которые рассеиваются в вблизи расположения приемников 5 и 6

Э ,не представлены стрелками Q и Е. па

Другая распрос траняюшаяся волна

Э по как показано, начинается у передатчика пр

Т по пунктирной стрелке Г и pacHpocr- 3o бт раняется в виде поперечной волны в нани правлении, показанной пунктирной эа стрелкой G . Некоторая часть энергии

Ка этой волны распространяется в направлении приемной антенны 6, а другая часть З5 ан в направлении приемной антенны 5. Из-яа ги геометрического совпадения данная волV то на ог антенны Т проходит расстояние, по длины которых соответствуют стрелками

Е и С + 3 ° Ниже поясняются причи- 4О ри ны использования волн, распространение диа которых начинается от антенн Т и Т2, сит

На фиг. 11 на заштрихованном учась -45 ке у стенки буровой скважины показана погружаемая электронная аппаратура, расположенная внутри элемента 3. Генератор заданной частоты 8 генерирует на своем выходе сигналы энергии с часто- 5о той микроволнового диапазона спектра.

В данном случае указанный генератор генерирует сигналы с частотой 1,1 Гйц г.е. с частотой 1,1 х 10 Гц. Выход

9 генератора 8 через развязывающее устройство 22 соединен с электронным переключателем 50, два выхода которого по коаксиальным проводам соеHeHbI c ПередаЮщими антеннами

1 1

Г . Предпочтительный тип антенн спсцтьзуемый в данном случае для передающих и приемных антенн, такой же, какой описан подробно со ссылкой на иг. 8, т.е. в данном случае также исопьзуются попые антенны с вырезом. правпяюший сигнал, снимаемый с одноо из дополняющих выходов генератора рямоугопьных импульсов 51, работаюего .с частотой 100 At, управляет ратой электронного переключателя 50. правляющий прямоугольный сигнал и его полняюший сигнал, сдвинуты относиельно друг друга на 180, используютдля обеспечения синхронной работы. результате посредством испольэовая управляющего сигнала Ь Т передат ков Т и Т поочередно производитI

2 запись на время 10 мс.

Приемные антенны 5 и 6 соответст нно соединены коаксиальными проводас каналами для обработки данных и 53, каждый из которых включает

1 себя смеситель и усилитель, соединные последовательно. Сигналы, постуюшие к приемным антеннам, сдвинуты фазе относительно друг от друга, ичем величина этого сдвига зависит значения постоянной фазы Р,а отноше е их амплитуд определяется постоянной тухания К .На соответствующие входы ждого из смесителей 23 и 24 помисигналов, поступающих от приемных тени 5 и 6, поступают сигналы энери, частота которых отличается от часты передатчика на некоторую величину дмикроволнового диапазона. В данном учае генератор заданной частоты генерует сигналы энергии микровапнового назона, воздействующие на входы смеелей 23 и 24, частоты которых равны 1,1001 ГГц или на 100 кГц выше частоты передатчика. В соответствии с известными принципами сигналы смесителей 23а и 24а сохраняют соотношение фаз и амплитуд сигналов, поступающих or приемных антенн S и 6, Но в этом случае в значительной мере облегчается задача определения разности фаз указанных сигналов, поскольку они имеют меньшую частоту. Для обеспечения заданной разности частот сигналов между генераторами 18и

25 100 кГц выходы этих генераторов соединены со смесителем 26. Выходные сигналы смесителя 26 поступают в схему стабилизации частоты 27, которая определяет отклонение частоты ог значе1080762

26 ния 100 кГц и при наличии такового формирует корректируюший сигнал 27а, который управляет работой генератора 25 по известному способу контура с эапиранием фазы. 5

Выходные сигналы смесителей 23 и 24 усиливаются усилителями 54 и 55, после чего выходные сигналы по двум каналам, обозначенные 54а и 55а, передаются на входы функциональных узлов 56 и 57. 0

Сигналы 54а и 55а соответственно передаются на входы детекторов нуля 56 и

57, выходные сигналы которых поступают по проводам, обозначенным 56а и 57а.

Провод 56 а соединен с одним из входов 1 каждого логического элемента И 58 и 59. Провод 57 соединен с одним из входов каждого логического элемента

И 60 и 61. На вторые входы логических элементов И 58 и 59 воздейст- 2О вует сигнал управляюший с генератора 51, на вторые входы логических элементов 60 и 61 воздействует противофазный ему сигнал or того же генератора. Выходы логических элементов

58 и 61 соединены вместе, причем сиг, налы, образующиеся на этих выходах, используются для перебрасывания триггера 62 в прямом направлении. Выходы логических элементов 60 и 61 также зо объединены, причем их выходные сигналы используются для перебрасывания триггера 62 в обратном направлении. Выходной сигнал триггера 62 воспринимается усредняюшей или измерительной схемой

63, уровень выходного сигнала которой является функцией среднего значения разности фаэ сигналов 54а и 55а.

Работа функционального узла 64 может быть описана с помощью фиг. 13; на графиках 7 н lj которого показаны

I характеристики сигналов 54а и 55а.

Предположим, что часть показанного сигнала является положительной (или раэрешаюшей включение), в резул ьтате 45 чего приводится в действие передатчик . Т. . В этом случае распространяюшаяся энергия вначале воспринимается приемной антенной 5, а затем 6 . .В результате в конечном счете формируются си налы 54а и 55а, причем сигнал 54а опережает по фазе сигнал 55а на угаа, как показано на фит, 13. Детекторы нуля 56 и 57 формируют на своих выходах короткие пиковые импульсы 55 каждый раэ, когла сигналы воздействующие на их входы, уменьшаются or положительного значения до нуля и пересекают наперед заданный опорный уровень нуля. ibis> этой цели можно применять и другие типы детекторов, например такие, которые определяют пересечение нулевого уровня как при уменьшении от положительных эначений, так и при возрастании от отрицательных значений. На графиках Ш и 1У фиг. 13 показаны выходные сигналы 56а и 57а.

Если действует от генератора 51 один . сигнал, то противофаэный ему сигнал отсутствует, вследствие чего пиковые сигналы детекторов могут проходить только через логические элементы 58 и

61. Выходной сигнал логического элемента 58 перебрасывает триггер 62 в прямом направлении, в то время как выходной сигнал логического элемента

60 перебрасывает триггер 62 в обратном направлении. Соответственно этому на выходе триггера 62 образуются сиг калы, показанные на графике У, представляющие собой серию импульсов1 ширина которых соответствует фазовому углу 8 . Измерительная схема

63 воспринимает указанные импульсы и формирует на своем выходе сигнал, уровень которого соответствует плошади некоторого числа последовательно поступающих импульсов. Высота поступаюших импульсов имеет постоянное значение, в результате чего уровень выходного сигнала измерительной схемы 63 соотвествует величине фазового угла 8<

Следует рассмотреть случай, когда прошло 10 мс, после чего с выхода генератора 51 управляющий сигнал йзменил полярнос ть. В этом случае вклк . чается в работе передатчик Т и рас2 ° пространякзцаяся энергия MHKpoBMIHDBopo диапазона вначале воспринимается антенной 6, а затем 5. В данном случае сигнал

55а опережает по фазе сигнал 54а на ,величину угла 8 . Это приводит к тому, что пиковые сигналы 57а опережают пиковые сигналы 56а на время, длительность которого соответствует фазовому углу 6 . Поскольку в это время действует другой управляющий сигнал от генератора 51, то пиковые сигналы детекторов могут пропускаться ° только.логичес-" ми элементами 60 и

61, в результате -.:его сравнение фаэ в данном случае производится наоборот относительно рассмотренного случая.

Выходной счгнал логического элемента

61 перебрасывает триггер 62 в прямом

762

Ае

27 1-080 направлении, в то время, как выходной сигнал логического элемента 59 перебрасывает указанный триггер 62 в обратном направлении. В результате триг гер 62 генерирует на своем выходе 5 импульсные сигналы, ширина которых соответствует величине угла Hg а на выходе измерительной схемы 63 образуется сигнал, уровень которого отражает значение фазового угла 8

В предпочтительном варианте постоянные времени измерительной схемы 63 выбираются таким образом, чтобы их величина была достаточной дпя обеспечения сложения поступающих импульсных f5 сигналов с выхода триггера, образующихся в результате многократного последоваиельного воздействия сигналов

or генератора 51. Таким образом, выходной сигнал интегрирующего устрой- 20 ства является функцией усредненного значения разности фаз, измеряемой во

Ъ время множества циклов, т,е. является средней величиной фазовых углов 8 и

Qg .

Функциональный узел 64 предназначен дпя измерения относительного затухания сигналов, поступающих по каналам

52 и 53. Сигналы 54а и 55а воздействуют соответственно на входы 30 логарифмических усилителей 65 и 66, выходные сигналы которых в свою очередь воздействуют соответственно на входы детекторов 67 и 68, Выходные остроконечные сигналы детекторов 67а и 68а через электронные переключатели

69 и 70 передаются по внешним проводникам 71 и 72. Управление работой переключателей осуществляется противофазными сигналами от генератора 51

40 в результате чего их выходные сигналы по очереди поступают на выходные линии

71 и 72. Синхронизация в этом случае такова, что сигнал, поступающий от близкого приемника, всегда передается по линии 71, а сигнал, поступающий or

45 дальнего приемника, всегда передается по линии 72. Проводники 71 и 72 соединены с входными клеммами усилителя . раэностных сигналов 73, который формирует на своем выходе сигнал, являющийся функцией постоянной затухания дпя данной формации ц(, . Это макно легко заметить, если амплитуду волновой энергии, воспринимаемой близким приемникам, представить в виде Ае " где А - постоянная амппитуды, а 7, расстояние между действующим передатчиком и ближайшим приемником, Отсюда следует что амплитуда волновой энергии, воспринимаемой дальним приемником может быть представлена как Ае где g - расстояние между указанными

\ приемниками. Таким образом, отношение амплитуд волновой энергии, воспринимаемой данными двумя приемниками, может, быть записано следующим образом:

Ае

Как следует из данного уравнения, логарифм отношения вапновых амплитуд пропорционален g . Функциональный узел 64 производит указанное математическое вычисление путем вычисления разности логарифмов указанных волновых амплитуд. Переключатели 69 и 70 осуществляют последовательное изменение на обратное сравнение значений амплитуд, в результате чего на входы усилителя разнос Hblx сигналов 73 сигналы поступают с соответствующим соотношением амплитуд Образующийся на выходе усилителя раэностных сигналов

73 сигнал передается в схему усреднения 74, на выходе которой формируешься сигнал, уровень которого является функцией усредненного относительного затухания, вычисляемого для множества циклов воздействия сигналов М или М.

При рассмотрении работы устройства, показанного на фиг,11 - следует прецпопожить, что элементы приемной схемы работают в установленном режиме. В таком случае фазовые углы, т.е. уюты

8 и 82, являются действительной функцией длины пути прохождения сигнала между передатчиком и приемниками (фиг. 12) и фазовой постоянной Р присущей царя рассматриваемых контуров, прохождения сигналов, Таким образом, g является функцией проходимого сит калом расстояния Т1 10 - Т1 9, что можно записать, используя обозначения фиг. 12, следующим образом: (А2В+С+Е)(A+B+I3) = С + Е -1) . Аналогично фазовый угол 8g является функцией проходимого сигнала пути Т2-10-Т2-9, что иначе можно записать так (I+/+ С-+ l, )(Г + Cj + Е) С + Х) - Е. Принимая во внимание, что значения фазовых углов

8 и 6 g усредняются функциональным узлом 64, после сокращения чеченов пв лучается, что измеряемое среднее значение фазы является функцией только С, Поскольку С представляет собой постоянное расстояние, то измеряемое среднее

1080762

80 значение фазы представляет собой инфорMaltalo о фаэовой постоянной исследуемой формации. В том случае, когда Е и Д идентичны друг друт;у, фвзовые уппы бт, и 9g равны . Влияние длины пути, 5 проходимого сигналами, на измерение функциональным уттом 64 затухания по существу такое же, как и рассмотренное.

Предположим, что по одному из ра- 1О богаюших каналов, например 52, посту пает сигнал с очень малым ошибочным сдвигом фазы 8, который не вводит ся по соответствующему каналу 53.

В гаком случае сигнал 54а имеет не- 15 большую составляющую ошибки фазы 8 которая не являетса функцией исследуемой формации. Нвничие такой сосгавпяюшей ошибки фазы не нарушает правильного определения фазового утпа, поскщть- 20 ку она уничтожается при усреднении. В частности, при наличии однтго управляющего сигнщта от генератора 51 данная ошибка равна +3, в при его отсутствии эта ошибка. равна - 3, поскольку

25 сравнение в этом случае производится в обратном направлении. Такая же коррекция имеет место при отклонении амплитуды сигнала, поступающего по одному или другому квнщту. 30

Выходные сигналы, соотве тствуюшие измеряемым значениям Р н (, передаются по кабелю 10 на поверхность земли и поступают на вход вычислительного модуля и/или записывающего уст ройства или подобного устройства дпя регистрации поступающей информации, Допжна быть некоторая гибкость в выборе устройства, которое воспринимает передаваемые на землю сигнщты дпя дальнейшей их обработки. Например, сигнщты, передаваемые по проводникам 71 и 72, могут быть переданы нв вход усилителя разностных сигнвпов, распатоженного на поверхности земли. Однако бапьшвя часть устройства, показанного на фиг. 11, в предпочтительном случае является погружаемой в скважину.

Следует иметь в виду, что возможны различные изменения, не нарушакацие смысла и не выходящие за рамки джного иэобрегеииФ, Например, устоойство, показанное на фиг. 11, может включать предварительные усилигщти сигналов дпя каналов 52 и 53, стоящие до смесителей.

Описанное исключение возможных малых ошибок может быть применено дпя любого из дополнительных усилителей, а также дпя других элементов данного устройства, например для детекторов нулевого сигнала. . IH< 1762 3.080762

17 2 ф !У f8 17 2

97ие. 4

1 ()RO762

1 080762 ,РУ

Г

L — J сриаб коР

97и8.7

ФО

46

Т

М аф Я

Щи2.Я

@crt 10

ВНИИ ПИ

Тираж 711

Закал 1395/56

Попписное

Фип иал ППП " Пат е н т, г. Ужгород, ул. Проектная, 4