УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН Российский патент 1996 года по МПК G01V3/18 

Изобретение относится к области геофизических исследований и касается приборных методов исследования свойств горных пород. Предложенное техническое решение предназначено для измерения электрического сопротивления пород на разных расстояниях вокруг скважин, бурящихся на нефть и газ.

В настоящее время продолжают оставаться проблемы, касающиеся точности таких измерительных приборов, особенно при увеличении скорости измерений параметров породы вдоль скважины и соответственно повышения детальности в геологическом расчленении разреза и производительности геофизических исследований. Разрешение такого рода ограничений связано с электромагнитными помехами, которые снижают достоверность измерений. В методическом плане для получения качественных геофизических выводов отмеченные недостатки уменьшают путем увеличения частот электромагнитного поля и проведения многократных измерений в ущерб производительности работ.

В известном устройстве для электромагнитного каротажа [1] приняты меры с целью снижения систематической погрешности. Устройство для этого содержит генераторный блок, приемно-преобразующую часть, измерительно-телеметрическую часть и наземную аппаратуру. Генераторный блок включает в свой состав задающий генератор двух частот и два усилителя мощности. Два трехэлементных зонда состоят из генераторных катушек и двух приемных катушек. Приемно-преобразующая часть включает генератор-гетеродин, смесители-мультиплексоры, ограничители. В измерительно-телеметрическую часть входят блок управления, формирователь разности фаз и периода, измеритель разности фаз, измеритель периода промежуточной частоты, мультиплексор.

Повышение точности в данном устройстве достигается тем, что широкополосный фазометр измеряет две характеристики преобразованных сигналов: временной сдвиг и период промежуточной частоты, заполненные высокочастотными импульсами. В отличие от обычного фазометра в широкополосном фазометре величина разности фаз образуется путем нормирования временного сдвига на период, устраняя таким образом зависимость измерений от нестабильности промежуточной частоты.

Что касается погрешностей, связанных с электромагнитными помехами, то они продолжают вносить свою долю в снижение общей точности измерений параметров околоскважинной породы.

Известно устройство [2] наиболее близкое по технической сущности его построения и принципа работы, в котором использованы схемотехнические, функциональные и геометрические предложения, позволившие повысить производительность и точность скважинных приборных геофизических исследований, в т.ч. за счет уменьшения в отдельных зонах зондов уровня электромагнитного поля.

Устройство для каротажного электромагнитного зондирования выполнено следующим образом. Оно включает в свой состав трехэлементные зонды, генераторные катушки, которые подключены к выходам усилителей мощности, а измерительные катушки к входам усилителей-преобразователей. Вторые входы последних соединены с выходом генератора-гетеродина. Выходы усилителей-ограничителей промежуточной частоты электрически связаны со входами фазоизмерительного блока, выход которого через блок телеметрии соединен с блоком коммутации. В дополнение к этому в устройство введены электронные ключи в генераторные и измерительные цепи трехэлементных зондов. В схеме устройства использован предложенный полезный принцип параметрической и конструктивной оптимизации устройства, заключающийся в том, что трехэлементные зонды выполнены геометрически и электродинамически взаимоподобными с теоретически обоснованными коэффициентами подобия. При этом генератор выполнен в виде генераторов рабочих частот по числу генераторных катушек трехэлементных зондов. Количество генераторов-гетеродинов соответствует числу пар измерительных катушек трехэлементных зондов. Электронные ключи генераторных цепей трехэлементных зондов включены между генераторами рабочих частот и усилителями мощности. Электронные ключи измерительных цепей трехэлементных зондов исполнительными линиями включены между выходами усилителей-преобразователей и входами усилителей-ограничителей промежуточной частоты. При этом управляющие входы электронных ключей подключены к блоку коммутации, содержащему схему автоматического управления. Коэффициент геометрического подобия зондов справедлив (достаточно достоверен) в пределах ряда 1.1 ≅ L_i+1/L_i ≅ 1,5
где L_i расстояние между любыми одноименными элементами ряда трехэлементных зондов, соответственно, длинного и короткого; i- 1, 2. n - порядковый номер трехэлементного зонда.

Рассматриваемое устройство имеет недостаточную помехозащищаемость, в первую очередь измерительных цепей от электромагнитных полей рабочих ВЧ-частот, наводимых на проводные линии, связывающие блок коммутации ключей генераторов рабочих частот, а также проводные линии к фазоизмерительному блоку и другие сквозные линии между индуктивными излучателями и приемниками электромагнитного поля. Повышение помехозащищенности в данном случае путем снижения рабочих частот привело к увеличению габаритных размеров, например, излучающих и приемных индуктивностей и соответственно снижению компактности прибора, а в методическом плане к снижению разрешающей способности геологического разреза. Принципиальным для этого устройства остается вопрос повышения производительности геофизических исследований, который в некоторой степени обусловлен недостаточной точностью и избыточностью измерений.

Задача изобретения повышение точности измерения электрических неоднородностей в пластах-коллекторах, повышения производительности геофизических работ и упрощение конструкции зондового устройства.

Предложенное устройство выполнено следующим образом. В его состав входит комплекс трехэлементных с геометрическим и электродинамическим подобием между собой зондов. Последние имеют ВЧ-генераторы рабочих частот в комплекте с усилителями мощности и электронными ключами, а также индуктивные излучатели и приемники электромагнитного поля (приемники ЭП) в виде катушек индуктивности. Приемникам ЭП приданы усилители-преобразователи промежуточной частоты, связанные исполнительными линиями через совмещенный в едином узле m-индуктивный фильтр и ключевой мультиплексор с широкополосным фазометром, введенным вместо обычного фазометра. Широкополосный фазометр предназначен для измерения двух характеристик преобразованных амплитудных сигналов: временного сдвига и периода промежуточной частоты. Совмещенный m-индуктивный фильтр и ключевой мультиплексор установлены между зонами расположения индуктивных излучателей и приемников ЭП. Входы электронных ключей мультиплексора соединены c блоком автоматического управления. Через ключевой мультиплексор блок гетеродинных частот подключен к входам приемников ЭП. Устройство имеет разъединитель каротажного кабеля для связи скважинного прибора с наземной регистрирующей аппаратурой. Кроме того, m-индуктивный фильтр содержит число катушек индуктивности, равное m т.е. количеству транзитных (сквозных) цепей, проходящих через зону между индуктивными излучателями и приемниками ЭП.

Кроме того, кольцевой магнитопровод совмещенного m-индуктивного фильтра расположен симметрично оси диэлектрического стержня зондов, а его витки выполнены из транзитных проводов и кабельных линий, исключающих электромагнитные помехи от конструктивных неоднородностей в электропроводных соединениях.

Возможно также, что в структуру с n-зондами введено по меньшей мере n+1 приемников электромагнитного поля, программным образом в каждом цикле измерений создающим трехэлементный зонд.

Возможно также, что приемники электромагнитного поля компактным образом размещены в нижней части зондов по отношению к разъединителю каротажного кабеля.

В дополнение, в нижнюю часть зондов введен металлический электрод для контакта с промывочной буровой жидкостью и транзитным проводом для измерения сигнала самопроизвольной поляризации, соединенный через совмещенный m-индуктивный фильтр, преобразователь, блок телеметрической системы и каротажный кабель с наземной регистрирующей аппаратурой.

В предложенном устройстве новыми принципиальными признаками являются следующие. Зонды, в которых размещены индуктивные излучатели и приемники ЭП, разделены не только пространственно, но и по электромагнитным помехам. Для этого между индуктивными излучателями и приемниками ЭП установлен совмещенный в едином узле m-индуктивный, по количеству транзитных цепей через зонды электромагнитный фильтр рабочих частот. Упомянутую зону раздела дополняет ключевой мультиплексор с перекрестным переключением приемников ЭП, который вводит потенциальную развязку по исполнительным цепям и устраняет электрические помехи, обусловленные неидентичностью пар приемников с усилителями-преобразователями. Реверсивное переключение приемников ЭП на входе широкополосного фазометра ликвидирует аддитивную помеху при формировании разности фаз.

Через m-индуктивный фильтр и ключевой мультиплексор усилители-преобразователи соединены с блоком гетеродинных частот, широкополосным фазометром и блоком автоматического управления. Кроме того, у совмещенного m-индуктивного фильтра кольцевой магнитопровод расположен симметрично оси диэлектрического стержня зондов, а его витки, образующие индуктивность, выполнены из транзитных проводных и кабельных линий, являющихся продолжением исполнительных линий. В качестве дополнительных предложений в структуру устройства n-зондами введено, по меньшей мере, n+1 приемников ЭП, что упрощает конструкцию зонда. Избрать нужную пару приемников ЭП позволяет ключевой мультиплексор по управляющим сигналам от блока автоматического управления. Предложено также приемники ЭП разместить в нижней части зондов по отношению к разъему каротажного кабеля и, кроме того, в нижней части зондов установить дополнительно металлический электрод для контакта с промывочной буровой жидкостью для измерения сигнала самопроизвольной поляризации скважины. Металлический электрод соединен через совмещенный m-индуктивный фильтр, преобразователь, блок телеметрической системы и каротажный кабель с наземной регистрирующей аппаратурой.

Предложенное устройство для электромагнитного зондирования скважин иллюстрируется следующим графическим материалом.

На чертеже дана блочная схема устройства.

Устройство функционально в скважинном приборе имеет узел электроники 1, узел индукционных зондов 2 и узел электромагнитной развязки 3.

Узел электроники 1 состоит из телеметрического блока 4, блока 5 автоматического управления со схемой коммутации, широкополосного фазометра 6, блока 7 генераторов рабочих частот с ключевым мультиплексором, генератора 8 опорной частоты, блока 9 гетеродинных частот с ключевым мультиплексором и преобразователя 10.

Узел 2 индукционных зондов содержит индуктивные излучатели 11-14, приемники электромагнитного поля 15-18 с усилителями-преобразователями промежуточной частоты.

Узел 3 электромагнитной развязки содержит ключевой мультиплексор 19 с реверсивным переключением приемников ЭП на входе широкополосного фазометра 6 и m-индуктивный фильтр 20.

Кроме того, устройство дополнено металлическим электродом 21 для измерения сигнала самопроизвольной поляризации и разъединитель 22 каротажного кабеля для скважинной аппаратуры.

Магнитопровод m-индуктивного фильтра расположен соосно непроводящему стержню. Количество индуктивных катушек m-индуктивного фильтра равно числу проводников, проходящих через зону между индуктивными излучателями 11-14 и приемниками ЭП 15-18. Витки выполнены из целых продолжающихся проводов и кабельных линий, в т.ч. экранированных, в которых исключены клеммные соединения и пайки на интервале между излучателями и приемниками.

Рассмотрим принципиальную схему устройства (Фиг.1). Оно имеет трехэлементные зонды с геометрическим и электродинамическим подобием между собой. Индукционные излучатели ЭП 11-14 подключены к блоку 7 генераторов рабочих частот с ключевым мультиплексором, в котором содержатся усилители мощности и электронные ключи, управляемые по программе от блока 5 автоматического управления. Приемники электромагнитного поля 15-18, в комплекте с усилителями-преобразователями промежуточной частоты, электрически связаны исполнительными линиями через ключевой мультиплексор 19 и m-индуктивный фильтр 20 с широкополосным фазометром 6. Своими входами приемники ЭП 15-18 подключены единым ВЧ-кабелем к блоку 9 гетеродинных частот с ключевым мультиплексором. Входы ключевого мультиплексора 19 через m-индуктивный фильтр 20 подключены к блоку 5 автоматического управления, который соединен с преобразователем 10, с блоком 7 генераторов рабочих частот с ключевым мультиплексором, с генератором 8 опорной частоты, блоком 9 гетеродинных частот с ключевым мультиплексором, с широкополосным фазометром 6 и с телеметрическим блоком 4. Телеметрический блок 4 подключен к разъединителю 22 каротажного кабеля для связи с наземной регистрирующей аппаратурой. Кроме того, металлический электрод 21 через m-индуктивный фильтр 20, преобразователь сигналов 10 и телеметрический блок 4 соединен с разъединителем каротажного кабеля 22.

Устройство работает следующим образом. По принципу функционирования оно состоит из трех связанных частей: задающей генераторной группы, приемо-измерительной и управляющей (регулирующей) частей. Последние совместно с наземной регистрирующей и программно-обрабатывающей аппаратурой образуют измерительно-исследовательский комплекс для контроля с достаточной точностью неоднородностей электрических параметров в виде проводимостей горных пород в прискважинной зоне. Для этого горную породу вокруг скважины облучают ВЧ-электромагнитным гармоническим полем в импульсном режиме. Для этого в блоке 7 генераторов рабочих частот с мультиплексором от генератора 8 опорной частоты создают сигналы рабочих частот для индуктивных излучателей 11-14 всех n-зондов. Разные частоты в блоке 7 генераторов устанавливаются в соответствии с величинами коэффициентов геометрического (α) и электродинамического (β) подобий, которые определяются выражениями:

где L_i и L_i+1 расстояния между любыми одноименными элементами зондов (L_iL_i+1);
i I, 2, n порядковый номер зонда.

С учетом глубинности и детальности исследования зондов соотношение между длинами зондов может быть установлено в пределах 1,1≅α≅1,5 , а величина
β = L2i

f_i= L2i+1f_i+1
в пределах от 0,5 до 15
Как видно из сопоставления выражении для α и b, кратное деление рабочих частот определяет оптимальность коэффициента геометрического подобия. В частности, при получении рабочих частот путем деления опорной частоты и всех последующих в два раза, коэффициент геометрического подобия равен ≈ 1,41. Такое соотношение длин зондов в их последовательном ряду близко к стандартному комплексу электрического каротажного зондирования и обеспечивает необходимую разрешающую способность при сложном строении электрических неоднородностей в зоне проникновения фильтрата промывочной (буровой) жидкости в проницаемых горных осадочных породах.

По командному электрическому сигналу от схемы коммутации блока 5 автоматического управления ключевой мультиплексор в блоке 7 генераторов рабочих частот подключает выход одного из генераторов рабочей частоты к соответствующему индуктивному излучателю, например 14. Гармонический ток, протекая по индуктивному излучателю, возбуждает в окружающей скважину горной породе вихревые токи и соответствующее электромагнитное поле, интенсивность которого зависит, в частности, от ее электрических параметров (электропроводности). Это поле индуцирует в приемниках ЭП зонда 15-18 Э.Д.С. Эти Э. Д. С. усиливаются и преобразуются теми приемниками, на которые подан сигнал с выхода блока 9 гетеродинных частот по кодовому сигналу от блока 5 автоматического управления на подключение ключевым мультиплексором, находящимся в блоке 9, необходимого гетеродина, сигнал от которого по ВЧ-кабелю через m-индуктивный фильтр 20 подается на усилители преобразователи в приемниках ЭП 15-18. Через некоторый интервал времени, по завершению переходных процессов, ключевой мультиплексор 19 по команде из блока 5 автоматического управления выберет необходимую пару приемников ЭП, например 15-16, которые соответствуют наиболее короткому зонду в совокупности с индуктивным излучателем 14. При этом момент подключения осуществляется после завершения переходных процессов в излучающем и приемных элементах зондов. Поскольку рабочая частота f_o в индуктивном излучателе 14 отличается от гетеродинной частоты f_r, поданной от блока 9 гетеродинных частот на усилители-преобразователи в составе приемников ЭП 15-16, на величину промежуточной частоты Df = f_o- f_r, то на вход широкополосного фазометра 6 от ключевого мультиплексора 19 через m-индуктивный фильтр 20 поступают гармонические сигналы, период которых соответствует низкой промежуточной частоте, а разность фаз обусловлена базой измерения (расстоянием между приемниками ЭП) и параметрами исследуемой среды.

В процессе получения сигналов от приемников ЭП 15-16 производится перекрестное подключение их выходных цепей ключевым мультиплексором 19 на вход широкополосного фазометра 6, в котором производят оценку временного сдвига между гармоническими сигналами, ограниченными по амплитуде до определенного уровня, и периода промежуточной частоты. При перекрестном переключении сигналов от приемников ЭП и формировании разностного фазового сигнала исключаются аддитивные помехи, образующиеся из-за неидентичности конструктивных элементов в приемных цепях. Усредненная за два переключения величина разности фаз нормируется на период гармонического сигнала промежуточной частоты и свободная в результате от нестабильностей при получении промежуточной частоты, оступает через телеметрический блок 4 по каротажному кабелю в наземную регистрирующую аппаратуру.

После завершения регистрации сигналов от приемников ЭП 15-16 короткого зонда, из схемы коммутации блока 5 автоматического управления поступает командный сигнал в блок 7 генераторов рабочих частот на подключение индуктивного излучателя 13, далее соответствующей задержкой от блока 5 автоматического управления поступает командный сигнал в блок 9 гетеродинных частот и ключевой мультиплексор 19 на подключение другой пары приемников ЭП для зонда последовательно большей длины, например, 16-17. Процесс измерений и формирования разности фаз для этого зонда аналогичен рассмотренному выше. Следует отметить, что промежуточная частота для данного зонда и всех последующих устанавливается постоянной. После завершения первого полного цикла измерений со всеми n-зондами устройства, следующие циклы повторяются многократно.

В интервалах времени, когда передача информации от индукционных зондов не производится и линия связи наземной аппаратуры со скважинным устройством электромагнитного зондирования свободна, передается сигнал о потенциале самопроизвольной поляризации от электрода 21 через m-индуктивный фильтр, преобразователь 10 и телеметрический блок 4 по каротажному кабелю в регистратор наземной части аппаратуры.

Расположение приемников ЭП 15-18 в нижней части каротажного стержня позволило конструктивно удалить их от проводных линий питания индуктивных излучателей зондов (поскольку эти линии создают помехи) и тем самым повысить точность и достоверность измерений. С этой целью между генераторной и измерительной зонами предложено разместить в одном сосредоточенном месте единый m-индуктивный фильтр 20 на одном магнитопроводе, количество витков которого равно количеству транзитных проводов, кабелей и пр. Фильтр как заграждающий элемент рассчитан на высокие рабочие частоты и гармонические составляющие. Выполнение его витков индуктивности продолжающимися проводниками и экранированными кабелями, прокладываемыми между элементами зондового устройства исключает образование электромагнитных помех от конструктивных неоднородностей (по сечениям и длинам проводников, мест спаек и скруток). Введение в схему прибора совмещенного m-индуктивного фильтра и ключевого мультиплексора, строгое разделение между собой генераторной и измерительной частей, а также размещение приемников ЭП в нижней части стержня позволили уменьшить электромагнитные помехи, электростатические и электродинамические наводки, оптимально выбрать рабочие частоты с условиями кратности опорной частоте и друг другу, а также рационально расположить приемники ЭП по длине стержня и между собой по отношению к индуктивным излучателям.

Используя также известные принципы многозондовой системы с временным разделением работы каждого зонда, удалось повысить точность и достоверность измерений, в том числе за счет информации о характере распределения электрических свойств пород от скважины в глубь пласта.

Отмеченные факторы определили повышение точности измерений и общей достоверности информации геофизических исследований и повышения за счет этого производительности скважинных работ.

Разработаны рабочие чертежи устройства и изготовлен опытный образец, проводимые испытания которого подтверждают его надежную работу и достаточные для практики геофизических исследований характеристики.

Некоторые технические параметры опытного образца устройства:
комплект из пяти зондов, от 0,5 до 2,0 (м) с шагом ;
рабочие частоты от 14 до 0,875 (мГц) с шагом 0,5;
база измерений (расстояние между приемниками ЭП) равна 0,2 от максимальной длины зонда.

Использование: при геофизических исследованиях электрических параметров пород при разведке нефти и газа. Сущность изобретения: устройство содержит три основных группы электронных блоков, а именно телеметрии и автоматического управления, генераторов с индуктивными излучателями и приемников для измерений электромагнитного поля (ЭП). Между индуктивными излучателями и приемниками ЭП установлен совмещенный в одном узле m-индуктивный фильтр, а также ключевой мультиплексор. Через эти элементы приемники ЭП электрически соединены с блоком автоматического управления, блоком гетеродинных частот, широкополосным фазометром. Катушки индуктивности m-фильтра представляют продолжение транзитных проводов и кабелей. Количество катушек равно числу проводников и кабелей. Магнитопровод m-индуктивного фильтра расположен соосно стержню зондов. В результате m-индуктивный фильтр и ключевой мультиплексор образуют заграждение для измерительных цепей от помех электромагнитного поля и различного рода проводимостей . 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для электромагнитного каротажа скважин, включающее комплекс трехэлементных с геометрическим и электродинамическим подобием между собой зондов, которые имеют генераторы рабочих частот в комплекте с усилителями мощности и электронными ключами, приемники электромагнитного поля с электронными ключами с исполнительными линиями между собой, приемники зондов имеют также усилители-преобразователи промежуточной частоты, связанные исполнительными линиями с усилителями-ограничителями промежуточной частоты, входы электронных ключей электрически связаны со схемой коммутации блока автоматического управления, устройство имеет также опорный генератор, фазометр с усилителями-ограничителями, блоки гетеродинных частот, преобразователь сигналов и телеметрический блок с разъединителем каротажного кабеля для связи с наземной регистрирующей аппаратурой, отличающееся тем, что между индуктивными излучателями и приемниками электромагнитного поля с усилителями-преобразователями установлен совмещенный в едином узле m-индуктивный, по количеству транзитных электрических цепей через зонды, электромагнитный m-фильтр рабочих частот, приемники электромагнитного поля попарно через m-индуктивный фильтр и ключевой мультиплексор соединены с блоком гетеродинных частот, широкополосным фазометром и схемой коммутации блока автоматического управления, при этом кольцевой магнитопровод совмещенного m-индуктивного фильтра расположен симметрично оси диэлектрического стержня зондов, а его витки выполнены из транзитных проводных и кабельных линий. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в его структуру с n-зондами введено по меньшей мере n+l приемников электромагнитного поля. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемники электромагнитного поля размещены в нижней части зондов относительно разъединителя каротажного кабеля. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нижнюю часть зондов дополнительно введен металлический электрод для контакта с промывочной буровой жидкостью и транзитным проводом для измерения сигнала самопроизвольной поляризации, соединенный через совмещенный m-индуктивный фильтр, преобразователь сигналов, телеметрический блок и разъединитель каротажного кабеля с наземной регистрирующей аппаратурой.