Устройство для электромагнитного каротажного зондирования

 

Использование: при проведении измерений электрических свойств горных пород в скважинах, бурящихся на нефть и газ. Сущность изобретения: устройство содержит геометрически и электродинамически подобные друг другу зонды, состоящие из генераторных и измерительных катушек, мультиплексор генераторных цепей, усилители мощности, усилители-преобразователи, гетеродин, коммутатор, усилители-ограничители промежуточной частоты, фазометр, блок автоматического управления, телеметрическую систему, соединенные между собой. Дополнительно в устройство введены опорный генератор, электрод поляризации скважины (ПС), преобразователь сигнала ПС и электромагнитный фильтр, гетеродин выполнен перестраиваемым, коммутатор выполнен в виде мультиплексора измерительный цепей, фазометр выполнен широкополосным, при этом мультиплексор генераторных цепей исполнительными линиями включен между выходом блока автоматического управления и входами усилителей мощности, выход перестраиваемого гетеродина соединен с входами усилителей-преобразователей, электрод ПС соединен с входом преобразователя сигнала ПС, выход которого соединен с входом блока автоматического управления, выходы которого соединены с входами перестраиваемого гетеродина, широкополосного фазометра и телеметрической системы, причем электромагнитный фильтр расположен между генераторными и измерительными катушками, усилители-преобразователи и мультиплексор измерительных цепей расположены между электромагнитным фильтром и измерительными катушками, число которых K находится в пределах 3 - 2n, где n - число генераторных катушек, а коэффициент электродинамического подобия находится в пределах (0,5^oC15)·10⁶ Гц·м². 1 ил.

Изобретение относится к измерителям электрических свойств горных пород в скважинах, бурящихся на нефть и газ.

Известно устройство (1), содержащее три трехэлементных зонда различной длины с двумя общими измерительными катушками, которые присоединены к измерительно-преобразовательному блоку, с помощью которого сигналы высокой частоты преобразуются и ограничиваются по амплитуде и далее поступают к измерителю разности фаз, от которого получают сигналы, соответствующие зондам малой, средней и большой глубин исследования горных пород. Полученные сигналы с помощью предусмотренных схем согласования подают на поверхность, к регистратору. Возбуждение электромагнитного поля производят на частоте около 3 МГц.

Недостатком данного устройства является отсутствие геометрического и электродинамического подобия, которое приводит к различной точности и разным диапазонам измерения электрических свойств горных пород. Наличие нескольких генераторных катушек, работающих на одной и той же частоте, обусловливает их взаимное влияние, что существенно снижает точность измерения.

Наиболее близким к изобретению является устройство для электромагнитного каротажного зондирования (2), содержащее трехэлементные геометрически и электродинамически подобные друг другу зонды, каждый из которых состоит из генераторной и пары измерительных катушек, генераторы рабочих частот по числу зондов, электронные ключи генераторных цепей, усилители мощности, усилители-преобразователи по числу измерительных катушек, генераторы-гетеродины по числу зондов, электронные ключи измерительных цепей, усилители-ограничители промежуточной частоты, фазометр, блок автоматического управления и телеметрическую систему, при этом электронные ключи генераторных цепей исполнительными линиями включены между выходами генераторов рабочих частот и входами усилителей мощности, генераторные катушки подключены к выходам усилителей мощности, измерительные катушки соединены с входами усилителей-преобразователей, вторые входы которых соединены с выходами генераторов-гетеродинов, электронные ключи измерительных цепей исполнительными линиями включены между выходами усилителей-преобразователей и входами усилителей-ограничителей промежуточной частоты, выходы которых соединены с входами фазометра, выход которого через телеметрическую систему соединен с входом блока автоматического управления, выходы которого соединены с управляющими входами электронных ключей, при этом коэффициент геометрического подобия зондов находится в пределах 1,1 1,5.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения параметров электрических неоднородностей в пластах-коллекторах, обусловленная наводками в зондах и несовершенством измерительного тракта, а также отсутствие записи диаграммы потенциалов самопроизвольной поляризации скважины (ПС).

Задача, решаемая изобретением, создание более простого по конструкции устройства, позволяющего повысить производительность работ и точность измерения электрических параметров неоднородностей в пластах-коллекторах.

Решение задачи обеспечивается введением в устройство для электромагнитного каротажного зондирования структурных изменений, изменением функций некоторых блоков, оптимизацией конструкции зондов.

Сущность изобретения состоит в том, что в известное устройство электромагнитного каротажного зондирования, содержащее геометрически и электродинамически подобные друг другу зонды, состоящие из генераторных и измерительных катушек, мультиплексор генераторных цепей, усилители мощности, усилители-преобразователи, гетеродин, коммутатор, усилители-ограничители промежуточной частоты, фазометр, блок автоматического управления, телеметрическую систему, при этом генераторные катушки зондов подключены к выходам усилителей мощности, измерительные катушки зондов соединены с входами усилителей-преобразователей, коммутатор исполнительными линиями включен между выходами усилителей-преобразователей и входами усилителей-ограничителей промежуточной частоты, выходы которых соединены с входами фазометра, выход которого соединен с входом телеметрической системы, выход которой подключен к линии связи с наземной регистрирующей аппаратурой, выходы блока автоматического управления соединены с управляющими входами мультиплексора генераторных цепей и коммутатора, причем коэффициент геометрического подобия находится в пределах 1,1 1,5, дополнительно введены опорный генератор, электрод ПС, преобразователь сигнала ПС и электромагнитный фильтр, гетеродин выполнен перестраиваемым, коммутатор выполнен в виде мультиплексора измерительных цепей, фазометр выполнен широкополосным, при этом мультиплексор генераторных цепей включен между выходом блока автоматического управления и входами усилителя мощности, выход перестраиваемого гетеродина соединен единой линией с входами усилителей-преобразователей, электрод ПС соединен с входом преобразователя сигнала ПС, выход которого соединен с входом телеметрической системы, выход опорного генератора соединен с входом блока автоматического управления, выходы которого соединены с входами перестраиваемого гетеродина, широкополосного фазометра и телеметрической системы.

Кроме того, все генераторные катушки сгруппированы в одной, генераторной, части устройства, все измерительные катушки сгруппированы в другой, измерительной, части устройства, электромагнитный фильтр расположен между генераторной и измерительной частями, усилители-преобразователи и мультиплексор измерительных цепей расположен в измерительной части между измерительными катушками и электромагнитным фильтром, остальные блоки устройства расположены в его генераторной части, причем число генераторных катушек равно n, а число измерительных катушек k находится в пределах 3 2n.

В процессе работы в устройстве с помощью мультиплексоров последовательно реализуются n электродинамически подобных трехкатушечных зондов, каждый из которых содержит одну генераторную и две измерительные катушки. Коэффициент электродинамического подобия зондов β L²·f одинаков для всех зондов. Здесь L расстояние между генераторной и более удаленной от нее измерительной катушками, f рабочая частота зонда. Величина b ограничена сверху влиянием диэлектрической проницаемости на результаты измерения, а снизу снижением чувствительности зондов к электрическим свойствам горных пород высокого удельного электрического сопротивления. Оптимальное значение величины b зависит от геоэлектрических свойств пород, пересеченных скважиной. Экспериментально установлено, что при исследовании нефтяных и газовых скважин оптимальная величина b должна находиться в пределах (0.5^oC15)·10⁶ Гц·м².

Повышение производительности работ достигается введением электрода ПС, с помощью которого происходит регистрация сигнала ПС одновременно с сигналами от электромагнитных зондов за одну спуско-подъемную операцию, что сокращает время исследования скважины.

Правильность определения электрических параметров неоднородностей в пластах-коллекторах непосредственно связана с точностью измерения разности фаз Dv между э. д. с. наведенными в измерительных катушках каждого зонда. Главными источниками погрешностей измерения величины Dv являются наводки, неидеальность передаточных характеристик и нестабильность измерительного тракта аппаратуры.

Основным источником наводок являются транзитные линии связи, проходящие как мимо генераторной, так и мимо измерительной частей устройства. Для уменьшения наводок сокращено количество транзитных линий и в устройство введен электромагнитный фильтр, обеспечивающий электромагнитную развязку на рабочих частотах зондов между генераторной и измерительной частями. Одним из вариантов такого фильтра может быть магнитопровод, на который намотаны провода и кабели транзитных линий связи и который помещен в интервале между генераторной и измерительной частями. Другим возможным вариантом электромагнитной развязки является использование оптронов или стекловолоконных линий связи.

Уменьшению наводок в значительной степени способствует расположение усилителей-преобразователей между электромагнитным фильтром и измерительными катушками. При этом по транзитным линиям, подверженным наводкам со стороны генераторных катушек, передаются сигналы промежуточной частоты, которые легко отфильтровывают от высокочастотных наводок.

Неидентичность передаточных характеристик измерительных каналов, по которым передаются сигналы от каждой пары измерительных катушек, приводит к значительным погрешностям измерения Dv. Для уменьшения этой погрешности в устройство вместо коммутатора введен мультиплексор измерительных цепей, обеспечивающий в каждом цикле измерения для каждого зонда не только прямое, но и перекрестное подключение катушек к измерительным каналам. Одновременно соответствующее переключение с помощью блок автоматического управления осуществляется в счетчиках широкополосного фазометра. Расположение мультиплексора измерительных цепей между измерительными катушками и электромагнитным фильтром в самом начале измерительного тракта также снижает погрешность, вызванную неидентичностью передаточных характеристик, снижает высокочастотные наводки за счет уменьшения числа транзитных линий связи.

Одним из источников погрешности измерения является нестабильность характеристик отдельных блоков устройства. Для снижения этой погрешности в устройство введен стабильный опорный генератор, обеспечивающий синхронизацию работы всех блоков. Кроме этого, в устройство вместо обычного фазометра введен широкополосный фазометр, измеряющий не только временной сдвиг между сигналами промежуточной частоты, но и период этой частоты. Величина разности фаз, получаемая в результате нормировки временного сдвига на период, практически не зависит от нестабильности промежуточной частоты. Тем самым облегчаются требования к точности поддержания частоты перестраиваемым гетеродином и упрощается его конструкция.

Упрощение конструкции достигается также заменой отдельных генераторов-гетеродинов единым перестраиваемым гетеродином, с выхода которого по единственному кабелю подается сигнал, соответствующий зонду, работающему в данный момент времени.

На чертеже изображена блок-схема устройства электромагнитного каротажного зондирования.

Устройство содержит генераторные катушки 1.1, 1.2, 1.n, измерительные катушки 2.1, 2.2, 2.k, электрод ПС 3, усилители мощности 4.1, 4.2, 4.n, электромагнитный фильтр 5, усилители-преобразователи 6.1, 6.2, 6.k, мультиплексор генераторных цепей 7, мультиплексор измерительных цепей 8, усилители промежуточной частоты 9.1, 9.2, широкополосный фазометр 10, телеметрическую систему 11, блок автоматического управления 12, перестраиваемый гетеродин 13, опорный генератор 14, преобразователь сигнала ПС 15.

Устройство работает следующим образом. Сигнал, стабилизированный по частоте, с выхода опорного генератора 14 поступает на вход блока автоматического управления 12, задающего программу работы устройства и вырабатывающего сигналы рабочих частот зондов. По команде из блока автоматического управления 12 рабочая частота первого зонда подается из блока автоматического управления 12 через мультиплексор генераторных цепей 7 на вход усилителя мощности 4.1, выход которого подключен к генераторной катушке 1.1. Ток в генераторной катушке возбуждает в окружающей среде электромагнитное поле. Это поле наводит в измерительных катушках 2.1-2.k э.д.с. зависящие от электрических параметров окружающей среды. Эти э.д.с. подаются на входы усилителей-преобразователей 6.1-6.k. Одновременно по команде из блока автоматического управления 12 перестраиваемый гетеродин 13 настраивается на частоту, смещенную относительно рабочей частоты первого зонда на величину промежуточной частоты Df. Сигнал с выхода перестраиваемого гетеродина 13 поступает на вторые входы усилителей-преобразователей 6.1-6.k. На выходе усилителей-преобразователей появляются сигналы промежуточной частоты Δf с теми же фазами, что и у высокочастотных сигналов. Процесс измерения происходит в два этапа. На первом этапе по команде из блока автоматического управления 12 мультиплексор измерительных цепей 8 выбирает два усилителя-преобразователя 6.1 и 6.2. к которым подключены катушки 2.1 и 2.2, входящие в состав первого зонда. При этом выход усилителя-преобразователя 6.1 подключается к входу усилителя-ограничителя промежуточной частоты 9.1, а выход 6.2. к входу 9.2. С выходов усилителей-ограничителей усиленные и сформированные сигналы подаются на входы широкополосного фазометра 10, где производится первое измерение фазового сдвига Δϕ между входными сигналами. На втором этапе выход усилителя-преобразователя 6.1 отключается от входа усилителя-ограничителя 9.1 и подключается к входу 9.2. Выход 6.2 соответственно подключается к входу 9.1. Сигналы с выходов усилителей-ограничителей промежуточной частоты 9.1 и 9.2 подаются на входы широкополосного фазометра 10, где производится второе измерение величины Dv. Результаты двух измерений суммируются, при этом значение полезного фазового сдвига удваивается, а большая часть помех вычитается. Таким образом, перекрестная коммутация позволяет увеличить точность измерения. Измерение фазового сдвига в широкополосном фазометре производится путем измерения временного сдвига между входными сигналами и их периода и нормировки первой величины на вторую. Усредненная за два измерения величина Dv с помощью телеметрической системы 11 передается по линии связи на регистрацию.

После этого по команде из блока автоматического управления 12 прекращается подача рабочей частоты первого зонда на катушку 1.1 и подается рабочая частота второго зонда через мультиплексор генераторных цепей 7 на вход усилителя мощности 4.2, выход которого подключен к генераторной катушке 1.2. Одновременно перестраиваемый гетеродин 13 настраивается на частоту, которая отличается от рабочей частоты второго зонда на ту же величину Df, что и для первого зонда. Мультиплексор измерительных цепей 8 выбирает новую пару усилителей-преобразователей, к входам которых подключены измерительные катушки, входящие в состав второго зонда, и происходит процесс измерения и передачи информации, как и для первого зонда. Далее по очереди осуществляются процессы измерения для остальных зондов. После окончания измерения для n-го зонда с помощью телеметрической системы 11 по линии связи на регистрацию передается информация о величине ПС, поступающей с электрода ПС 3 через преобразователь сигнала ПС 15. Затем начинается новый процесс измерения для первого зонда, и весь цикл повторяется.

Формула изобретения

Устройство для электромагнитного каротажного зондирования, содержащее геометрически и электродинамически подобные друг другу зонды, состоящие из генераторных и измерительных катушек, мультиплексор генераторных цепей, усилители мощности, усилители-преобразователи, гетеродин, коммутатор, усилители-ограничители промежуточной частоты, фазометр, блок автоматического управления, телеметрическую систему, при этом генераторные катушки подключены к выходам усилителей мощности, измерительные катушки соединены с входами усилителей-преобразователей, коммутатор исполнительными линиями включен между выходами усилителей-преобразователей и входами усилитилей-ограничителей промежуточной частоты, выходы которых соединены с входами фазометра, выход которого соединен с входом телеметрической системы, выход которой подключен к линии связи с наземной регистрирующей аппаратурой, выходы блока автоматического управления соединены с управляющими входами мультиплексора генераторных цепей и коммутатора, причем коэффициент геометрического подобия находится в пределах 1,1 1,5, отличающееся тем, что в устройство введены опорный генератор, электрод поляризации скважины (ПС), преобразователь сигнала ПС и электромагнитный фильтр, гетеродин выполнен перестраиваемым, коммутатор широкополосным, при этом мультиплексор генераторных цепей исполнительными линиями включен между выходом блока автоматического управления и входами усилителей мощности, выход перестраиваемого гетеродина соединен с входами усилителей-преобразователей, электрод ПС соединен с входом преобразователя сигнала ПС, выход которого соединен с входом телеметрической системы, выход опорного генератора соединен с входом блока автоматического управления, выходы которого соединены с входами перестраиваемого гетеродина, широкополосного фазометра и телеметрической системы, причем электромагнитный фильтр расположен между генераторными и измерительными катушками, усилители-преобразователи и мультиплексор измерительных цепей расположены между электромагнитным фильтром и измерительными катушками, число которых находится в пределах 3 2n, где n - число генераторных катушек, а коэффициент электродинамического подобия находится в пределах (0,5 15,0)·10⁶ Гц/м².

РИСУНКИ

Рисунок 1