УСТРОЙСТВО ДЛЯ БОКОВОГО МИКРОКАРОТАЖА Российский патент 1995 года по МПК G01V3/24 

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и может быть использовано при каротаже методом сопротивлений. Наиболее целесообразно применение изобретения в методе трехэлектродных микрозондов сопротивлений экранированного заземления с автоматической фокусировкой тока.

Известно устройство бокового микрокаротажа, где условие фокусировки тока достигается соединением центрального и экранного электродов через малое сопротивление порядка 0,01 Ом [1]
Недостатком данного устройства является то, что для обеспечения достаточного падения напряжения на малом сопротивлении необходим для питания электродов ток большой величины во всем диапазоне измерения, что накладывает ограничения по диапазону.

Известно устройство бокового микрокаротажа, где в процессе измерения эффективного сопротивления сила тока через центральный электрод поддерживается постоянной, а сила тока через экранный электрод регулируется так, чтобы разность потенциалов между центральным и измерительным электродами равнялась нулю [2]
Недостатком этого устройства является то, что для зондирования при больших значениях сопротивления породы через экранный электрод необходим ток питания большой величины, а это снижает надежность аппаратуры и ограничивает диапазон измерений.

Известна аппаратура АБК-1 (прототип), где для трехэлектродного фокусированного зонда применена система раздельной регистрации силы тока и разности потенциалов между одним из электродов зонда и удаленным электродом с последующим делением сигналов одного на другой, равенство потенциалов всех электродов обеспечивается соединением основного электрода с экранным через малое сопротивление R_o=0,01 Ом, ток измеряется по падению напряжения на сопротивлении R_o [3]
Недостатком данной аппаратуры является то, что изменение зондирующего тока в зависимости от сопротивления пород приводит к изменению тока, потребляемого от общих цепей питания скважинного прибора генератором питания зонда, который является самым мощным потребителем, что снижает надежность работы скважинного прибора и ограничивает диапазон измерения.

Задача изобретения повышение эксплуатационной надежности и расширение диапазона измерения.

Указанная задача решена за счет того, что в устройство для бокового микрокаротажа, содержащее в скважинной части зонд с токовыми, экранными и измерительными электродами, измерительные каналы тока и напряжения, входы которых подключены к соответствующим электродам зонда и цепи питания электронных схем скважинного прибора напряжением постоянного тока, введены первый и второй импульсные стабилизаторы, опорный резистор, первый и второй ключевые преобразователи постоянного напряжения в переменное, опорный генератор, элемент с управляемым сопротивлением, усилитель, синхронный детектор, нуль-орган, причем вход обратной связи первого импульсного стабилизатора соединен с общим входом первого ключевого преобразователя и через опорный резистор с общей шиной питания скважинного прибора, выход первого импульсного стабилизатора подключен к входу первого ключевого преобразователя, первый выход которого соединен с первым выходом второго ключевого преобразователя и с обратным токовым электродом, второй выход первого ключевого преобразователя через канал измерений тока соединен с токовым электродом, вход первого импульсного стабилизатора подключен к цепи питания скважинного прибора, выход первого импульсного стабилизатора соединен с входом второго импульсного стабилизатора, выход которого соединен с входом второго ключевого преобразователя, выход последнего связан с экранным электродом, вход обратной связи второго импульсного стабилизатора подключен к общему входу второго ключевого преобразователя и через элемент с управляемым сопротивлением к общей шине, первый вход усилителя соединен с измерительным электродом, второй вход усилителя подключен к токовому электроду, выход усилителя соединен с входом синхронного детектора, выход которого подключен к входу нуль-органа, выход которого подключен к входу управления элемента с управляемым сопротивлением, первый парафазный выход опорного генератора соединен с управляющими входами первого и второго ключевых преобразователей, второй парафазный выход генератора подключен к управляющим входам синхронного детектора.

На чертеже приведена структурная схема устройства для бокового каротажа.

Устройство содержит первый импульсный стабилизатор 1, опорный резистор 2, первый ключевой преобразователь 3 постоянного напряжения в переменное, канал 4 измерения напряжения, канал 5 измерения тока, опорный генератор 6, второй импульсный стабилизатор 7, второй ключевой преобразователь 8 постоянного напряжения в переменное, элемент 9 с управляемым сопротивлением, усилитель 10, синхронный детектор 11, нуль-орган 12 и электроды (А_о токовый, А_э экранный, В обратный токовый, М измерительный).

Обратный токовый электрод В и токовый электрод А_о соединены соответственно с каналом 4 измерения напряжения и каналом 54 измерения тока. Вход обратной связи импульсного стабилизатора 1 соединен с общим входом ключевого преобразователя 3 постоянного напряжения в переменное и через опорный резистор 2 с общей шиной питания. Выход импульсного стабилизатора 1 подключен к входу ключевого преобразователя 3, первый выход которого соединен с первым выходом ключевого преобразователя 8 и с обратным токовым электродом В. Второй выход ключевого преобразователя 3 через канал 5 измерения тока соединен с токовым электродом А_о. Выход импульсного стабилизатора 1 соединен с входом импульсного стабилизатора 7, выход которого соединен с входом ключевого преобразователя 8, выход последнего соединен с экранным электродом А_э. Вход обратной связи импульсного стабилизатора 7 подключен к общему входу ключевого преобразователя 8 и через элемент 9 с управляемым сопротивлением к общей шине. Первый вход усилителя 10 соединен с измерительным электродом М, второй вход подключен к токовому электроду А_о и каналу 4 измерения напряжения. Выход усилителя 10 соединен с входом синхронного детектора 11, выход которого подключен к входу нуль-органа 12, выход нуль-органа подключен к входу управления элемента 9 с управляемым сопротивлением. Первый парафазный выход опорного генератора 6 соединен с управляющими входами ключевых преобразователей 3, 8, второй парафазный выход генератора подключен к управляющим входам синхронного детектора 11.

Устройство работает следующим образом.

При подключении входа обратной связи импульсного стабилизатора 1 к опорному резистору 2 во входной цепи стабилизатор выполняет функцию стабилизации тока, потребляемого от источника тока. Напряжение на входе импульсного стабилизатора тока равно U_пит-U_оп, где U_пит постоянное стабилизированное напряжение питания электронных схем скважинного прибора; U_оп опорное напряжение, КПД импульсного стабилизатора близок к единице, поэтому мощность, вырабатываемая импульсным стабилизатором, стабильна и равна
P= (U_пит-U_оп)˙ U_оп/R˙ η (1) где R сопротивление опорного резистора;
η КПД импульсного стабилизатора.

КПД ключевого преобразователя постоянного напряжения в переменное также близок к единице. Мощность, подводимая к токовому электроду А_о, равна
Р₁= Р˙ η ₁ ˙ η ₂, (2) где η₁ КПД ключевого преобразователя;
η₂ коэффициент, учитывающий перераспределение Р между ключевым преобразователем 3 постоянного напряжения в переменное и генератором питания экранного электрода.

Генератор питания экранного электрода состоит из импульсного стабилизатора 7, аналогичного стабилизатору 1, элемента 9 с управляемым сопротивлением и ключевого преобразователя 8, управляемого опорным генератором 6. Мощность, подводимая к экранному электроду А_э, равна
P₂= (U-U_оп)˙ U_оп/R_пер˙η₁η (1-η₂), (3) где R_пер сопротивление элемента с управляемым сопротивлением
Так как КПД импульсного стабилизатора 1 и ключевого преобразователя 3 близки к единице, то стабилизируется также мощность, вводимая электродами А_о, В в исследуемую среду. Это приводит к тому, что при повышении удельного электрического сопротивления (УЭС) среды уменьшение тока в цепи питающих электродов компенсируется возрастанием напряжения на выходе импульсного стабилизатора 1 и, следовательно, на выходах ключевого преобразователя 3. Компенсация уменьшения питающего тока приводит к возрастанию напряжения, измеряемого каналом 4 измерения напряжения. Уменьшение УЭС среды, приводящее к возрастанию питающего тока, компенсируется падением напряжения на выходах ключевого преобразователя 3, что предотвращает перегрузку импульсного стабилизатора 1.

КПД импульсного стабилизатора 7 и ключевого преобразователя 8 также близок к единице, поэтому мощность, вводимая электродами А_э, В в исследуемую среду, также стабилизируется. Это приводит к тому, что при повышении УЭС среды уменьшение тока в цепи питающих электродов компенсируется возрастанием напряжения на выходе импульсного стабилизатора 7 и, следовательно, на выходах ключевого преобразователя 8, и уменьшение УЭС среды, приводящее к возрастанию питающего тока, компенсируется падением напряжения на выходах ключевого преобразователя 8, тем самым предотвращается перегрузка импульсного стабилизатора 7.

Фокусировку тока, вводимую токовым электродом А_о в исследуемую среду, можно осуществить, меняя величину тока, через экранный электрод А_э. Мощность Р₂, подводимая к экранному электроду А_э, можно определить и как
P₂=U_н˙ I_н, (4) где U_н напряжение в нагрузке.

I_н ток в нагрузке.

Из выражения (4) видно: чтобы изменить ток (увеличить или уменьшить) при данной нагрузке, необходимо изменять величину Р₂. Однако мощность на выходе импульсного стабилизатора 7 постоянна. Чтобы он изменялся, необходимо манипулировать режимом стабилизации, который задается сопротивлением элемента 9 с управляемым сопротивлением.

Элемент с управляемым сопротивлением в зависимости от уровня управляющего сигнала принимает или минимальное, или максимальное значение сопротивления. Происходит это следующим образом.

Сигнал рассогласования с электрода М, усиленный усилителем 10, выделяется синхронным детектором 11, управляемым опорным генератором 6. Сигнал с синхронного детектора подается на нуль-орган 12. Под действием сигнала управления с нуль-органа в зависимости от его уровня сопротивление элемента 9 с управляемым сопротивлением становится или максимальным, или минимальным. Если сопротивление элемента 9 стало максимальным, то Р₂ начинает уменьшаться, уменьшается ток через экранный электрод А_э, напряжение на выходе синхронного детектора уменьшается до порога срабатывания нуль-органа 12, при этом срабатывает нуль-орган, сопротивление элемента 9 становится минимальным, при этом Р₂ начинает увеличиваться, увеличивается ток через экранный электрод, напряжение на выходе синхронного детектора увеличивается до порога срабатывания нуль-органа 12, при этом срабатывает нуль-орган, сопротивление элемента 9 становится максимальным.

Таким образом, за счет изменения режима стабилизации импульсного стабилизатора 7 осуществляется управление величиной тока, вводимой экранным электродом А_э в исследуемую среду, и поддерживается режим фокусировки.

Кажущееся сопротивление породы ρ_к определяется отношением
ρ_к= K (5) где K коэффициент зонда;
U_AоB разность потенциалов между электродом Ао и обратным электродом В;
I_Aо ток через центральный электрод А_о.

I_Aо регистрируется каналом 5 измерения тока, который включен последовательно с выходом генератора питания центрального электрода и имеет малое входное сопротивление. U_AоB регистрируется каналом 4 измерения напряжения, который имеет большое входное сопротивление. Измерение значений U_AoB и I_Aо по телеметрическому каналу связи передается на поверхность, где вычисляется ρ_к.

Условие фокусировки обеспечивается при любой внешней нагрузке без повышения зондирующего тока до значительной величины, что способствует повышению эксплуатационной надежности устройства при одновременном расширении диапазона измерения.

Использование: при геофизических исследованиях скважин, в том числе методом сопротивлений. Сущность изобретения: устройство дополнительно содержит первый 1 и второй 7 импульсивные стабилизаторы, первый 3 и второй 8 ключевые преобразователи постоянного напряжения в переменное. Данные блоки во взаимосвязи с опорным генератором 6, синхронным детектором 11, элементом 9 с управляемым сопротивлением, усилителем 10, нуль-органом 12 позволяют обеспечить равенство нулю потенциалов между центральным и экранным - электродами при любой внешней нагрузке без значительного повышения зондирующего тока. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ БОКОВОГО МИКРОКАРОТАЖА, содержащее токовые, экранные и измерительные электроды, каналы измерения тока и напряжения, входы которых подключены к соответствующим электродам, опорный резистор, усилитель и источник питания, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит первый и второй импульсные стабилизаторы, первый и второй ключевые преобразователи постоянного напряжения в переменное, опорный генератор, элемент с управляемым сопротивлением, синхронный детектор, нуль-орган, причем вход первого импульсного стабилизатора соединен с общим входом первого ключевого преобразователя и через опорный резистор с источником питания, а выход подключен к входам первого ключевого преобразователя и второго импульсного стабилизатора, первый выход первого ключевого преобразователя соединен с первым выходом второго ключевого преобразователя и с обратным токовым электродом, второй выход через канал измерения тока соединен с токовым электродом, выход второго импульсного стабилизатора соединен с входом второго ключевого преобразователя, выход последнего связан с экранным электродом, вход второго импульсного стабилизатора подключен к общему входу второго ключевого преобразователя и через элемент с управляемым сопротивлением к источнику питания, входы усилителя соединены с измерительным и токовым электродами, а его выход через синхронный детектор и нуль-орган с входом управления элемента с управляемым сопротивлением, первый выход опорного генератора соединен с управляющими входами первого и второго ключевого преобразователя, второй выход подключен к управляющим входам синхронного детектора.