УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАЛЕЖЕЙ ПОДЗЕМНЫХ МИНЕРАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК G01J3/14 

Изобретение относится к геофизике, а более конкретно к устройствам для измерения параметров залежей подземных минералов, преимущественно жидкости, например воды или нефти, использующих явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Изобретение может быть использовано для измерения глубины залегания, мощности и концентрации подземных минералов, дающих сигнал ЯМР. Оно может найти применение в инженерно-изыскательских работах, в строительстве и мелиорации, а также в гидрогеологии при выборе места для эксплуатационных водозаборных скважин и определения интервалов отбора подземных вод.

Наиболее близким по физической и технической сущности к предлагаемому решению является устройство для измерения параметров залежей подземных минералов, преимущественно жидких, основанное на возбуждении и приеме без бурения скважин сигнала ЯМР, излучаемого подземным минералом. Это устройство включает расположенную на поверхности земли проволочную петлю, к которой присоединен программно-управляемый переключатель. К одному из выводов переключателя подключен силовым выходом генератор возбуждающих импульсов переменного тока, снабженный программно-управляемыми регуляторами амплитуды и длительности возбуждающих импульсов. К другому выходу переключателя подключены последовательно соединенные усилитель сигнала с программно-управляемым регулятором усиления, синхронный детектор и программно-управляемый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с информационным входом ЭВМ. В генераторе возбуждающих импульсов имеется дополнительный выход опорного напряжения, соединенный с опорным входом синхронного детектора. Работой устройства управляет ЭВМ. Работа устройства начинается с цикла возбуждения в протонсодержащих горизонтах сигнала ЯМР путем подключения к проволочной петле на короткое время генератора импульсов, создающего в петле короткий импульс переменного тока. По окончании возбуждения к петле через переключатель подключается приемный тракт, состоящий из усилителя, синхронного детектора, АЦП и ЭВМ. В ЭВМ регистрируется амплитуда возникающего в петле после возбуждения сигнала ЯМР. Циклы возбуждения и приема повторяются, при этом площади возбуждающего импульса (произведение тока импульса I на длительность импульса Т, т. е. I*T) каждый раз придают новое значение. В результате таких измерений получают зависимость амплитуды Е сигнала ЯМР от площади возбуждающего импульса I*T, т.е. E=F(I*Т). Из полученной зависимости посредством решения так называемой "обратной" задачи находят распределение концентрации протонсодержащих минералов P=f(Z) по всем горизонтам, вносящим свой вклад в суммарный ЯМР-сигнал, в функции глубины Z. Функция Р=F(Z) во многих случаях дает достаточно полную и точную информацию об основных параметрах каждого горизонта глубине его залегания и границах, а также о содержании и концентрации в них соответствующих минералов.

По принципу действия известного устройства полезный сигнал, поступающий с петли на вход приемника, представляет собой сумму отдельных сигналов от каждого из минералсодержащих горизонтов. Выделение вклада каждого из этих горизонтов в суммарный полезный сигнал и определение по этому вкладу качественных и количественных характеристик минералов, содержащихся в каждом горизонте, выполняются ЭВМ по специальной программе в результате решения обратной задачи. Недостаток устройства заключается в том, что точность этих решений в ряде случаев является недостаточной, что снижает достоверность получаемых результатов. Кроме того, возможны погрешности измерения, обусловленные самой конструкцией устройства. Так, когда под проволочной петлей имеется горизонт с высокой электрической проводимостью (например, если он содержит сильно минерализованную воду), ЯМР-cигналы от протонсодержащих минералов, расположенных ниже этого горизонта, ослабляются и тем сильнее, чем выше проводимость. В результате устройство показывает большую глубину залегания протонсодержащего минерала по сравнению с фактической. И наоборот ЯМР-сигналы от протонсодержащих минералов, расположенных выше этого горизонта, воспринимаются устройством как исходящие от источников, расположенных на меньшей по сравнению с фактической глубине. Аналогичные ошибки возникают и при оценке мощности залежи и концентрации минералов в горизонте.

В основу изобретения положена задача повышения достоверности информации о количественных и качественных характеристиках каждого минералсодержащего горизонта за счет совершенствования устройства.

Эта задача решается заявляемым устройством для измерения параметров залежей подземных минералов, которое, как и известное устройство, содержит генератор возбуждающих импульсов переменного тока, входы управления которого соединены с выходами программно-управляемых регуляторов амплитуды и длительности импульсов переменного тока, а силовой выход соединен с силовым входом программно-управляемого переключателя, к которому подключены проволочная петля и усилитель, снабженный регулятором усиления, Выход усилителя соединен с информационным входом синхронного детектора, опорный вход которого соединен с опорным выходом генератора импульсов переменного тока, а выход через АЦП соединен с первым информационным входом ЭВМ, выходы управления которой соединены с входами управления программно-управляемых регуляторов амплитуды и длительности импульсов переменного тока, программно-управляемого переключателя, регулятора усиления и АЦП.

В отличие от известного заявляемое устройство дополнительно содержит генератор прямоугольных импульсов постоянного тока, программно-управляемые регуляторы амплитуды и/или длительности импульсов постоянного тока и дроссель, индуктивность которого в 5-10 раз больше индуктивности проволочной петли, при этом выход генератора импульсов постоянного тока соединен через дроссель с выходом генератора возбуждающих импульсов переменного тока, управляющие входы генератора импульсов постоянного тока соединены с соответствующими управляющими выходами ЭВМ и программно-управляемых регуляторов амплитуды и/или длительности импульсов постоянного тока, а управляющие входы программно-управляемых регуляторов амплитуды и/или длительности импульсов постоянного тока соединены с соответствующими управляющими выходами ЭВМ.

Достигаемый эффект в предлагаемом устройстве основывается на смещении частоты ЯМР протонсодержащих минералов под действием импульсов постоянного магнитного поля в месте расположения этих минералов. Известно, что частота ЯМР протонсодержащих образцов прямо пропорциональна величине постоянного магнитного поля, в котором находится образец. Представим, что протонсодержащий горизонт состоит из отдельных элементов или элементарных объемов, характеризуемых тем, что во всех его точках действуют одинаковые электромагнитные поля. Наложение прямоугольных импульсов постоянного магнитного поля на магнитное поле Земли приводит к изменению частоты ЯМР каждого элемента протонсодержащего минерала на величину, пропорциональную амплитуде импульсов магнитного поля в том месте, где находится этот элемент. При этом частоты ЯМР элементов смещаются относительно частоты возбуждающих импульсов переменного тока, и в результате частотной расстройки ЯМР-сигнал уменьшается. Кроме того, магнитное поле проволочной петли в плоскости, параллельной плоскости петли и находящейся от нее на глубине Z, характеризуется значительной неоднородностью. Это приводит к дополнительному уменьшению амплитуды ЯМР-сигнала за счет взаимной частотной расстройки отдельных элементов и их соответствующей расфазировки.

Степень воздействия импульса постоянного поля на сигнал ЯМР от того или иного горизонта зависит от амплитуды импульса и глубины залегания горизонта. Используя эту зависимость, можно с помощью воздействия на сигнал ЯМР от определенного горизонта определить глубину залегания этого горизонта. Пусть, например, сигнал от протонсодержащего горизонта наблюдается на некоторой глубине Z. Подавая импульсы постоянного тока одновременно с четными возбуждающими импульсами переменного тока, а затем определяя относительное изменение амплитуд сигналов ЯМР в каждых двух смежных периодах (четном и нечетном), можно определить амплитуду импульса постоянного тока, соответствующую уменьшению сигнала в четные периоды, например, до 0,9 его максимального значения. Обозначим через dU/U относительное изменение сигнала под действием импульсов постоянного тока. Тогда
dU/UU(2i+1) U(2i)} / U(2i+1), (1) где U(2i) сигналы, генерируемые протонсодержащим горизонтом в результате воздействия на него четных возбуждающих импульсов;
U(2i+1) сигналы, генерируемые протонсодержащим горизонтом в результате воздействия на него нечетных возбуждающих импульсов;
i целое число, изменяющееся от 0 до N;
2N общее число возбуждающих импульсов в серии.

dU/U зависит только от глубины залегания горизонта и амплитуды импульсов постоянного тока, изменяясь в пределах от нуля до единицы при изменении амплитуды импульсов постоянного тока от нуля до максимума, и не зависит от любых других факторов, влияющих на абсолютную величину амплитуды сигнала. В самом деле, если, например, возрастает концентрация протонов в горизонте, пропорционально увеличиваются все члены в правой части выражения (1), при этом сама величина dU/U не изменяется. Точно так же взаимно компенсируются результаты влияния всех остальных факторов.

Если ввести в память ЭВМ определенную теоретически или экспериментально зависимость I= F(Z) амплитуды импульсов постоянного тока I от глубины залегания горизонта Z, на которой ЯМР-сигнал под действием такого тока уменьшается на 10% то в дальнейшем, исходя из этой зависимости, появляется возможность по величине тока I, уменьшающего сигнал от некоторого горизонта на 10% получить дополнительную информацию о глубине залегания этого горизонта Z и в результате повысить точность его определения.

Известно, что толщина скин-слоя обратно пропорциональна корню квадратному из частоты. Поскольку длительность импульсов постоянного тока по крайней мере на два порядка превышает длительность периода частоты ЯМР, то электромагнитное поле, создаваемое импульсами постоянного поля, ослабляется экранирующим горизонтом на порядок меньше, чем поля на частоте ЯМР. Также известно, что толщина скин-слоя на частоте ЯМР в горизонтах с высокой электропроводимостью, встречающихся в практике геологоразведки, не менее 10 м. Поэтому для импульсов постоянного тока скин-слой в таких горизонтах заведомо превышает 100 м. В пределах применимости прототипа толщина экранирующих горизонтов существенно меньше этой величины (100 м). В результате импульсы постоянного тока, совпадающие с четными возбуждающими импульсами, оказывают такое же действие на ЯМР-сигнал, какое они оказывали бы в отсутствие экранирующего горизонта. Отсюда следует, что величина параметра dU/U от наличия горизонта с повышенной электропроводностью практически не зависит и для определения глубины залегания протонсодержащего горизонта, находящегося в зоне влияния экранирующего горизонта, можно использовать график I=F(Z), построенный в предположении отсутствия эффекта экранирования. При этом даже в предельных случаях точность определения глубины залегания на порядок выше, чем в прототипе.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для измерения параметров залежей полезных минералов; на фиг.2 принципиальная схема генератора импульсов постоянного тока и регуляторов амплитуды и длительности импульсов постоянного тока.

Устройство (фиг. 1) включает расположенную на поверхности земли проволочную петлю 1. Петля присоединена к программно-управляемому переключателю 2. К одному из выводов переключателя подсоединен своим силовым выходом генератор 3 возбуждающих импульсов переменного тока, соединенный входами с программно-управляемыми регуляторами амплитуды 4 и длительности 5 возбуждающих импульсов. К другому выводу переключателя присоединены последовательно соединенные усилитель 6, другим входом соединенный с программно-управляемым регулятором 7 усиления, и синхронный детектор 8, к выходу которого информационным входом подсоединен программно-управляемый АЦП 9, выход которого соединен с информационным входом ЭВМ 10. В генераторе 3 возбуждающих импульсов имеется дополнительный выход опорного напряжения, к которому подключен вход опорного напряжения синхронного детектора 8. К силовому выходу генератора 3 возбуждающих импульсов через дроссель 11 подсоединен выходом генератор 12 импульсов постоянного тока, соединенный входами с программно-управляемыми регуляторами амплитуды 13 и длительности 14 импульсов постоянного тока. Управляющие выходы ЭВМ соединены с соответствующими входами программно-управляемых переключателя 2, регуляторов амплитуды 4 и длительности 5 импульсов переменного тока, генератора 3 возбуждающих импульсов переменного тока, регулятора 7 усиления, АЦП 9, генератора 12 импульсов постоянного тока, регуляторов амплитуды 13 и длительности 14 импульсов постоянного тока.

Генератор 12 импульсов постоянного тока (фиг.2) может быть выполнен, например, на тиристорах 15 и 16 по известной схеме последовательного инвертора с обратными диодами 17 и 18. Генератор 12 включает также блокинг-генераторы 19 и 20, выполненные по любой известной схеме, логические элементы 21 и 22 и генератор 23 опорного напряжения (Коннели Дж. Аналоговые интегральные схемы. М. Мир, с. 410, 411). Общая точка тиристоров 15 и 16 через дроссель 11 соединена с силовым выходом генератора 3 возбуждающих импульсов (фиг. 1). Управляющие электроды тиристоров 15 и 16 соединены с блокинг-генераторами 19 и 20 соответственно. Входы блокинг-генераторов 19 и 20 соединены с выходами логических элементов 21 и 22 соответственно, первые входы которых подсоединены к соответствующим выходам генератора 23 опорного напряжения. Анод тиристора 15 объединен с катодом диода 17 и подсоединен к выходу регулятора 13 амплитуды. Катод тиристора 16 и анод обратного диода 18 объединены и соединены с общей шиной. Вход генератора 23 опорного напряжения является входом управления генератора 12.

В качестве регулятора 14 длительности импульсов постоянного тока может быть использован счетчик 24 импульсов, выполненный по любой известной схеме. Выход счетчика 24 соединен с объединенными вторыми входами логических элементов 21 и 22 генератора 12. Вход счетчика 24 импульсов является входом регулятора 14 длительности импульсов.

В качестве регулятора 13 амплитуды импульсов постоянного тока можно использовать схему преобразователя постоянного нерегулируемого напряжения в регулируемое по величине постоянное напряжение. Преобразователь содержит силовые транзисторы 25 и 26, трансформатор 27, вторичная обмотка которого соединена с входом диодного моста 28, а первичные обмотки подсоединены к коллекторам транзисторов 25, 26 и соединены с источником питания (не показан). Эмиттеры транзисторов 25, 26 объединены и соединены с общей шиной. Нагрузкой диодного моста 28 является буферный конденсатор 29 емкостью в несколько десятков или сотен микрофарад. Запуск такого преобразователя может осуществляться от собственного тактового генератора, в качестве которого может быть использован мультивибратор 30, выход которого соединен с первыми входами логических элементов 31 и 32, вторые входы которых объединены и соединены с выходом триггера 33 Шмитта. Первый вход триггера Шмитта соединен с общей точкой делителя напряжения, собранного на резисторах 34 и 35, свободные выводы которых соединены с выходом диодного моста 28. Второй вход триггера 33 Шмитта является входом регулятора 13 амплитуды. Выводы логических элементов 31, 32 соединены с базами транзисторов 25 и 26. Положительная обкладка конденсатора 29 является выходом регулятора 13 амплитуды.

В предлагаемом устройстве может быть использована любая ЭВМ например, как в прототипе, типа 9815S фирмы Hewlet Packard (Каталог фирмы Hewlet Packard, 1981, изд. США, с. 623).

Работа устройства заключается в возбуждении, приеме и обработке сигнала ЯМР. ЭВМ 10 устанавливает регуляторы амплитуды 4 и длительности 5 возбуждающих импульсов в начальное состояние, а переключателем 2 подключает проволочную петлю 1 к генератору 3 возбуждающих импульсов, создавая в петле короткий импульс переменного тока. По окончании возбуждения ЭВМ 10 к петле 1 через переключатель 2 подключает приемный тракт, состоящий из усилителя 6, синхронного детектора 8, АЦП 9 и ЭВМ 10. В ЭВМ регистрируется амплитуда возникающего в петле после возбуждения сигнала ЯМР. Циклы возбуждения и приема повторяются, при этом каждый раз ЭВМ придает новое значение площади возбуждающего импульса. В результате измерений и последующей обработки получают зависимость амплитуды сигнала ЯМР от площади возбуждающего импульса -Е= F(I*T), а из полученной зависимости посредством решения обратной задачи находят зависимость концентрации протонсодержащего минерала P=f(Z) в функции глубины. Затем в соответствии с предметом заявки производится уточнение границ залегания обнаруженных минералсодержащих горизонтов. Для этого, например, на глубинах, соответствующих максимумам концентрации в полученной зависимости Р=f(Z), ЭВМ во время возбуждения сигнала одновременно с генератором 3 включает и генератор 12. Площадь импульса генератора 3 устанавливается в соответствии с проверяемой глубиной, а амплитуду тока генератора 12 ЭВМ устанавливает такой, чтобы глубина модуляции сигнала ЯМР под действием импульсов постоянного тока составляла 10% и замеряет ее. По найденной амплитуде импульса постоянного тока в каждой точке максимума концентрации определяется фактическая глубина в каждой точке. Исходя из полученных результатов производится повторный, уточняющий, расчет зависимости P=f(Z), из которой уже исключены погрешности, обусловленные влиянием горизонтов с повышенной электропроводимостью.

Возможны и другие алгоритмы корректировки функции Р=f(Z) в зависимости от ее характера и особенностей исследуемой геологической структуры.

Использование: в геофизике для получения точной и достоверной информации о глубине залегания минералсодержащих горизонтов, дающих сигнал ЯМР в геомагнитном поле, их мощности и концентрации минералов. Сущность изобретения: устройство содержит проволочную петлю 1, расположенную на поверхности Земли. ЭВМ 10 через переключатель 2 подключает петлю 1 к точке соединения выхода генератора 3 возбуждающих импульсов переменного тока и через дроссель 11 выхода генератора 12 импульсов однополярного тока. Амплитуда и длительность импульсов генераторов 3 и 12 регулируются ЭВМ 10. Импульс переменного тока в петле 1 возбуждают сигнал ядерного магнитного резонанса в минералсодержащих горизонтах, который улавливается петлей. К приходу сигнала ЭВМ 10 переключателем 2 подключает петлю к усилителю 6, откуда сигнал поступает через синхронный детектор 8 и аналого-цифровой преобразователь 9 в память ЭВМ 10. Путем воздействия на сигнал ядерного магнитного резонанса импульсом постоянного поля, создаваемого генератором 12, получают дополнительную информацию о глубине нахождения соответствующего этому сигналу минералсодержащего горизонта. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАЛЕЖЕЙ ПОДЗЕМНЫХ МИНЕРАЛОВ, дающих сигнал ядерного магнитного резонанса, содержащее генератор возбуждающих импульсов переменного тока, входы управления которого соединены с выходами программно-управляемых регуляторов амплитуды и длительности импульсов переменного тока, а силовой выход соединен с силовым входом программно-управляемого переключателя, соединенного с проволочной петлей и усилителем, управляющий вход которого соединен с регулятором усиления, а выход соединен с информационным входом синхронного детектора, опорный вход которого соединен с опорным выходом генератора импульсов переменного тока, а выход через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым информационным входом ЭВМ, выходы управления которой соединены с входами управления программно-управляемых регуляторов амплитуды и длительности импульсов переменного тока, программно-управляемого переключателя, регулятора усиления и аналого-цифрового преобразователя, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены генератор импульсов постоянного тока, программно-управляемые регуляторы амплитуды и/или длительности импульсов постоянного тока и дроссель, индуктивность которого в 5 10 раз больше индуктивности проволочной петли, при этом выход генератора импульсов постоянного тока соединен через дроссель с выходом генератора возбуждающих импульсов переменного тока, управляющие входы генератора импульсов постоянного тока соединены с соответствующими управляющими выходами ЭВМ и программно-управляемых регуляторов амплитуды и/или длительности импульсов постоянного тока, а управляющие входы программно-управляемых регуляторов амплитуды и/или длительности импульсов постоянного тока соединены с соответствующими управляющими выходами ЭВМ.