Устройство для импедансного диэлектрического каротажа

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПЕДА НОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАРОТАЖА, со держащее каротажный зонд-конденсатор , перестраивающийря генератор высокой частоты, опорный генератор стабильной частоты и смеситель, а также частотомер и вольтметр переменного напряжения, имеющие незави симые выходы на наземный регистрирующий блок, отличающеес тем, что, с целью повышения точнос ти измерений и помехозащищенности устройства, в него дополнительно введены измерительный LC-контур, амплитудный детектор, избирательный усилитель, ограничитель, импульсный амплитудно-фазовый детектор, генератор прямоугольных колебаний низкой частоты, переключатель, два полосовых фильтра и усилитель-ограничитель с большим выходным сопротивлением , пр14чем измерительный LC-KOHтур с подключенным к нему зондомконденсатором соединен с усилителемограничителем , вольтметром переменного напряжения и aмплитyдны 1 детектором , между которым и управляющим входом перестраивающегося генератора высокой частоты последовательно включены избирательный усилитель, ограничитель и амплитудно-фазовый детектор, соединенный с генератором прямоугольных колебаний, другой выход которого соединен с переключателем , а к выходам переключателя подключены два полосовых фильтра, -соединенные через усилитель-ограничитель с измерительным контуром, при этом вход управления частотой опорного генератора соединен с наземным регистрирующим блоком, а выход смесителя соединен с входом переключателя . - т:

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ъ

4 )

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (211 3537300/18-25 (22) 10.01.83 (461 15.05.84. Бюл. Р 18 (72) Г.Я.Черняк (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (531 550.837.02 (088.8) (56) 1. Даев Д. С. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин. M., "Недра", 1977, с. 139-153.

2. Черняк Г.Я. Диэлектрические методы исследования влажных грунтов. М., "Недра", 1964,. с.83-84,95 (прототип ). (54) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПЕДАНСНОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАРОТАЖА, содержащее каротажный зонд-конденсатор, перестраивающийся генератор высокой частоты, опорный генератор стабильной частоты и смеситель, а также частотомер и вольтметр переI менного напряжения, имеющие независимые выходы на наземный регистрирующий блок, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений и помехозащищенности устройства, в него дополнительно

„„SU„„1092376 А

3<5)) Я 01 ) ) 3/26//Е 21 В 47/00 введены измерительный (,С-контур, амплитудный детектор, избирательный усилитель, ограничитель, импульсный амплитудно -фазовый детектор, генератор прямоугольных колебаний низкой частоты, переклЮчатель, два полосовых фильтра и усилитель-ограни. читель с большим выходным сопротивлением, причем измерительный ).С-контур с подключенным к нему зондомконденсатором соединен с усилителемограничителем, вольтметром переменного напряжения и амплитудным детектором, между которым и управляющим входом перестраиваЮщегося генератора высокой частоты последовательно 2 включены избирательный усилитель, ограничитель и амплитудно-фазовый детектор, соединенный с генератором прямоугольных колебаний, другой выход которого соединен с переключателем, а к выходам переключателя подключены два полосовых фильтра, соединенные через усилитель-ограничитель с измерительным контуром, при этом вход управления частотой опорного генератора соединен с наземным регистрирующим блоком, а вы- Я ) ход смесителя соединен с входом переключателя.

1092376 тотой опорного генератора,его вход сое-. ди не н с выходом вольтметра п ереме н ного напряжения на измерительном контуре.

Недостатком этого устройства является то, что измеряемый параметр 30 (разность фаз или отношение амплитуд ) является функцией одновременно и диэлектрической проницаемости и проводимости пород. Это требует выполнения измерений либо на сущест- 35 венно различных частотах, когда влиянием одной из указанных характеристик можно пренебречь, либо использования; для вычисления диэлектрической проницаемости данных об удель- 40 ном сопротивлении пород, измеренном на более низкой частоте или даже на постоянном токе. Во всех случаях возникают соответствующие погрешности в измерениях и вычислениях названных характеристик. Кроме того, недостатком устройства. является невоэможность одновременных, выполняемых на одной частоте, измерений и диэлектрической проницаемости и проводимости пород, пройденных .скважиной, а также невозможность выполнять измерения диэлектрической проницаемости низкоомных пород, имею50

2. Устройство по п.1, о т л ч а ю щ е е с я тем, что, с целью автоматизации управления час1

Изобретение относится к горному делу,в частности к устройствам, применяемым в разведочной геофизике и предназначенным для изучения разрезов гидрогеологических Скважин,и может быть использовано для изучения разрезов 5 нефтяных, газовых и иных скважин, а также для каротажа в процессе статической и динамической пенетрации.

Известно устройство для волнового диэлектрического каротажа, содержа- 10 щее каротажный зонд, в котором размещены генератор высокочастотных колебаний, подключенный к генераторному датчику, выполненному в виде индукционной катушки, и измери- 5 тель, содержащий измерительные датчики, выполненные в виде индукционных катушек, подключенных к блокам измерения фаз и амплитуд электромагнитного поля Т13.

При этом мерой диэлектрической проницаемости и проводимости пород, пересеченных скважиной, служат измерения разности фаз или отношение амплитуд электромагнитной волны в двух точках на оси скважины, удаленных от источника поля на заданное расстояние. щих удельное электрическое сопротивление менее 4-5 Ом,м.

Наиболее близким к изобретению по техническому решению является устройство для импедансного диэлектрического каротажа, содержащее каротажный зонд-конденсатор, перестраивающийся генератор высокой частоты, опорный генератор стабильной частоты и смеситель, а также частотомер и вольтметр переменного напряжения, имеющие независимые выходы на регистрирующий блок 123.

В этом устройстве каротажный зондконденсатор специальной конструкции, который может рассматриваться как зашунтированный активным сопротивлением электрический конденсатор с большим внешним полем рассеяния, включен в колебательный контур перестраивающегося генератора высокой частоты. Мерой диэлектрической проницаемости пород, пересеченных сква-. жин, является частота генератора, зависящая от емкости зонда-конденсатоPB..

Недостатком этого устройства является тр, что из-за низкой добротности зонда и необходимости соблюдения условий сохранения автоколебаний в перестраивающемся генераторе, зонд г включается в его колебательный контур через разделительную емкость, вследствие чего частота перестраивающегося генератора оказывается сложным образом зависящей не только от величины входной емкости зонда и, следовательно, от диэлектрической проницаемости окружающей зонд среды, но и от величины шунтирующего зонд сопротивления(т.е. от электропроводности изучаемой среды и переходного сопротивления "электроды зонда — среда" ) и от частоты, на которой выполняются измерения.

Возникающая за этот счет погрешность в определениях диэлектрической проницаемости изучаемых пород может достигать нескольких сот процентов, а уменьшение этой погрешности выполняется лишь при специальной обработке результатов измерений. В итоге снижается точность и достоверность получаемых данных, а также помехозащищенность устройства от случай1092376 ных колебаний шунтирующего зонд сопротивления.

Цель изобретения — повышение точ ности измерений и помехозащищенности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для импедансного диэлектрического карсьтажа, содержащего каротажный зонд-конденсатор, перестраивающийся генератор высокой частоты, опорный генератор стабильной частоты и смеситель, а также вольтметр переменного напряжения и частотомер, имеющие независимые выходы на наземный регистри рующий блок, дополнительно введены измерительный L ный детектор, избирательный усилитель, импульсный амплитудно-фазовый детектор, генератор прямоугольных колебаний низкой частоты, переключатель, два полосовых фильтра и уси литель-ограничитель с большим выходным сопротивлением, причем измерительный контур с подключенным к нему зондом-конденсатором соединен с усилителем-ограничителем, вольтметром переменного напряжения и амплитудным детектором, между которым и управляющим входом перестраивающегося генератора высокой частоты последовательно включены избирательный усилитель, ограничитель и амплитудно-фазовый детектор, со, единенный с генератором прямоугольных колебаний, другой выход которого соединен с переключателем, а к выходам. переключателя подключены два полосовых фильтра, соединенные через усилитель-ограничитель с изме рительным контуром, при этом вход управления частотой опорного генера тора соединен с наземным регистрирующим блоком, а выход смесителя соединен с входом переключателя.

С целью дополнительного удобства т.е. автоматического управления частотой опорного генератора, его вход соединен с выходом вольтметра переменного напряжения на измерительном контуре.

При таком конструктивном выпол- . нении устройства между зондом-конденсатором и измерительным контуром отсутствует разделительный конденсатор, что делает резонансную частоту контура однозначной функцией лишь емкости зонда-конденсатора вне зависимости от величины шунтирующего сопротивления потерь.

Это существенно повышает помехоустойчивость устройства по отношению к нестабильностям, связанным с изменением переходного сопротивления между электродами зонда и окружающей его средой при непрерывном перемещении зонда по стволу скважины. Питание измерительного контура независимым от него генерат6ром и отсутствие в контуре нелинейных элементов позволяет оптимизировать его параметры, поскольку функции погрешности в измерениях вне5 сенной в контур емкости, возникающая за счет влияния изменений сопротивления при определенных значениях характеристического сопротивления контура имеет минимум, что также

10 уменьшает указанную погрешность измерений.

На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2иллюстративный график, поясняющий его работу.

Измерительное устройство содержит каротажный зонд-конденсатор 1, измерительный LC-контур 2 с клеммами.для подключения зонда, вольт.метр 3 переменного напряжения, амплитудный детектор 4, избирательный усилитель 5, ограничитель 6, фазочувствительный синхронный детектор 7, генератор. 8 прямоугольных колебаний низкой частоты, перестраивающийся генератор 9 высокбй частоты, гетеродинный частотомер 10, опорный генератор 11, смеситель 12, - переключатель.13, два полосовых фильтра 14 .и 15 и усилитель-ограниЗО читель 16.

Устройство работает следующим образом.

С генераторов 9 и 11 сигналы поступают на смеситель 12, с выхода

35 которого снимается напряжение, со держащее две частоты ш =и — О, и

1 г о" 2 - ш +ш, где и3< и о„- соответ.ственно частоты перестраивающегося

9 и опорного 11 генераторов, причем

40 î всегда существенно меньше со

Это напряжение через переключатель 13, управляемый низкочастотным генератором 8, поступает на полосовые фильтры 14 и 15, где разделяется на сигналы двух частот м и ы попеременно поступающие через усйлитель-ограничитель 16 на измерительный контур 2, составленный иэ парал.лельно включенных индуктивности и емкости, С . При включении в изме.рительный контур 2 каротажного зонда 1 и перемещении его вдоль скважины, в зависимости от электрических свойств пород меняется входной импеданс (входная емкость и добротность) зонда 1 и соответственно емкость и добротность измерительного

- контура 2, что приводит к изменениям его собственной резонансйой час.тоты, а также к изменениям формы

60 (амплитуды и остроты ) резонанснОй кривой контура 2.

Сигнал с периЬдически меняющейся частотой ы„ и ы, попадая на измерительный контур 2, вызывает низко65 частотную модуляцию его параметров, 109237á так как при этом периодически вменяется полное сопротивление 2 контура и на нем возникает модуляция высокочастотного напряжения, амплитуда У и фаза которого зависит от положения частот из и xi питающего напряжения относительно резонансной частоты измерительного контура 2.

Прямоугольная огибающая модулированного напряжения 0 выделяется амплитудным модулятором 4, усили— вается "избирательным усилителем 5 и через ограничитель б и синхронный детектор 7 поступает на управляющий вход высокочастотного генератора 9, замыкая тем самым систему автоматической подстройки его частоты. Вое устройство стремится возвратиться в такой режим когда частоты ы„ и

ы располагаются симметрично отно2 сительно собственной резонансной частоты шо измерительного контура 2, поскольку при этом выполняется равенство модулей 2 „и 2„ полного сопротивления контура на частотах и 1 им и на нем исчезает амплитудная

2 модуляция напряжения высокой частоты, т.е. напряжениЕ 3„, фк -(2к(213, становится равным нулю, где 3 есть амплитуда высокочастотного тока, питающего измерительный контур 2.

Это в свою очередь означает, что частота ui генератора 9, измеряемая частотомером 10 и передаваемая на регистрирующий блок, становится равной резонансной частоте измерительного контура 2 с включенным в него зондом 1, а ее значение опре деляется не зависящим от электропро водности изучаемой среды соотношением

P где К вЂ” коэффициент зонда;

E — эффективная диэлектрическая проницаемость окружающей зонд среды.

Поскольку в этом выражении все величины кроме E„ известны и остают-. ся в процессе измерений неизменными, то частота мд=< оказывается однозначной функцией искомой величины Е„ для получения информации о величине эффективного удельного электрического сопротивления „ окружающей зонд среды, определяемого на частоте о р, вольтметром 3 измеряется ампли5 туда высокочастотного напряжения на измерительном контуре 2, связанная с величиной р„ соотношением

О 6 г о к к 3 о

=k где Ц„> — амплитуда напряжения на контуре 2, 6„ и „ — соответственно, 15 добротность и характеристическое сопротивление ненагруженного контура 2, коэффициент зонда

2О (причем все величины кромец известны из конструктивных расчетов устройства и в процессе измерений остаются неизменными ).

Кроме того, на управляющий вход

25 опорного генератора 11 с наземного пульта управления (не показан 1 может подаваться сигнал, позволяющий ступенчато в заданных пределах менять частоту м, изменяя тем самым разнос частоты и „ и ш2, что становится особенно важным при слабо выраженных резонансных кривых измерительного контура 2 из-за низких значений шунтирующего его эквивалентного сопротивления потерь 8, Процесс подбора частоты в может быть и автоматизирован путем использования для этой цели напряжения, снимаемого с измерительного контура 2 и измеряемого вольтметром 3.

Введение в устройство новых элементов и связей отличается от прототипа повышенной точностью измерений и возросшей помехозащищенностью, что приводит к увеличению разреша45 ющей способности импедансного диэлектрического каротажа и получению более достове о свойствах пород, вскрытых скважиной. В итоге возрастет эффективность

5Q и информативность импедансного диэлектрического каротажа скважин.

10923 76

/Ек/

/Ук/2

Составитель Л.Воскобойников

Редактор A.Химчук Техред С.Мигунова Корректор В.Бутяга

Заказ 3245/26 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ ГосударствеНного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4