ПЛАСТОВЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАКЛОНОМЕР Российский патент 2015 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может быть использовано для определения углов наклона и азимутов падения пластов и трещин в разрезах нефтяных, газовых, угольных, рудных и других месторождений полезных ископаемых.

Известен пластовый индукционный наклономер [Патент №1393902 SU, МКИ: E21B 47/02. Заявлен 28.04.84; Опубл. 07.05.88. Бюлл. №17. Зарегистрирован в Госреестре изобретений РФ и действует с 16.03.1993 г.]. Этот наклономер содержит равномерно вращающийся вокруг оси скважины индукционный зонд, генератор высокочастотных колебаний, усилитель, фазочувствительный детектор, анализатор спектра и феррозондовый индикатор азимутальной ориентации зонда, причем индукционный зонд выполнен в виде излучающей катушки, магнитный момент которой направлен под углом 1-25° к оси зонда, и системы приемных дипольной и квадрупольных катушек. Магнитный момент приемной дипольной катушки перпендикулярен к магнитному моменту излучающей, т.е. направлен под углом 65-89° к оси зонда, а магнитные моменты приемных квадрупольных катушек, компенсирующих прямое поле излучающей катушки, перпендикулярны к оси индукционного зонда или совмещены с ней. Для помехоустойчивого варианта известного наклономера оптимальным значением направления магнитного момента излучающей катушки рекомендуется угол 8-12° к оси зонда.

Известный пластовый индукционный наклономер обеспечивает надежное определение углов наклона пластов горных пород в разрезах скважин в диапазоне 0÷45° и азимутов их падения в диапазоне 0÷360°. В этих же диапазонах он обеспечивает надежное выявление также и наклонных трещин, секущих пласт под другими несогласными углами, отличающимися от пластовых.

Однако, обладая круговой диаграммой направленности излучения и приема высокочастотных электромагнитных колебаний, он недостаточно чувствителен к вертикальным и субвертикальным трещинам с углами наклона в диапазоне 60÷90°. Такие трещины в пластах за счет их большей раскрытости по сравнению с наклонно-горизонтальными резко повышают их коллекторские (гидропроводные) свойства и, следовательно, продуктивность нефтегазовых и гидрогеологических скважин. (Из геомеханики горных пород известно, что большая раскрытость вертикальных и соответственно закрытость горизонтальных трещин в массиве горных пород обусловлена закономерным превышением вертикальной компоненты горного давления над горизонтальной). В то же время вертикальная и субвертикальная трещиноватость пород резко снижает прочность и устойчивость кровель в угольных шахтах и рудниках, бортов угольных и рудных карьеров, обусловливает внезапные выбросы (суфляры) взрывоопасного метана в горные выработки и, следовательно, снижает безопасность горных добычных работ.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка. Эта цель достигается тем, что в предлагаемом пластовом индукционном наклономере излучающая катушка выполнена из двух одинаковых секций, соединенных между собой последовательно через две спараллеленные квадрупольные компенсирующие катушки, причем излучающая катушка выполнена в виде сильно вытянутой вдоль оси зонда осесимметричной шестиугольной рамки с не менее чем 20-кратным отношением ее длины к ширине, сориентированной более острой вершиной в сторону приемной дипольной катушки и обеспечивающей наклон распределенного вдоль рамки вектора магнитного момента на заданный угол, например, 82° к оси зонда, а квадрупольные компенсирующие катушки установлены на противоположных острых треугольных вершинах шестиугольной рамки соосно с зондом встречно направленными магнитными моментами, при этом магнитный момент приемной дипольной катушки находится в плоскости магнитного момента излучающей катушки и направлен соответственно под углом 8° к оси зонда, т.е. сориентирован перпендикулярно к магнитному моменту излучающей катушки.

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого пластового индукционного наклономера: 1 - диэлектрический корпус (стержень) зонда; 2 - верхний и нижний подшипники; 3 - привод равномерного вращения; 4-приемная дипольная катушка; 5 и 6 - левая и правая секции излучающей катушки; 7 и 8 - нижняя и верхняя квадрупольные компенсирующие катушки; 9 - феррозонд; 10 - высокочастотный генератор; 11 - усилитель; 12 - фазочувствительный детектор; 13 - анализатор спектра; 14 - частотно-модулированный генератор; 15 - частотный детектор.

На фиг.2 - условное изображение конструкции излучающих и квадрупольных катушек: 5 - обмотка левой секции излучающей катушки без каркаса; 6 - каркас правой секции излучающей катушки без обмотки; 7 и 8 - нижняя и верхняя квадрупольные компенсирующие катушки в разрезе.

На фиг.3 - векторное представление магнитных моментов катушек индукционного зонда: 4 - приемной дипольной катушки; 5-6 - излучающих катушек; 7 и 8 - нижней и верхней квадрупольных (компенсирующих) катушек; 9 - феррозондовой катушки; α и β - углы наклона соответственно векторов магнитных моментов приемной и излучающей катушек.

Пластовый индукционный наклономер (фиг.1) содержит индукционный зонд, смонтированный на диэлектрическом (пластмассовом) стержне 1, вращающемся внутри диэлектрического (керамического) герметичного кожуха (не показан на блок-схеме) в подшипниках 2 с помощью электропривода 3. На диэлектрическом стержне 1 размещены приемная дипольная катушка 4, намотанная на ферритовом стержне и установленная на оси стержня 1 под углом, например, 8° относительно ее, секции 5 и 6 излучающей катушки, намотанные на общем каркасе в виде сильно вытянутой вдоль оси стержня 1 шестиугольной рамки с не менее чем 20-кратным отношением ее длины к ширине, сориентированной более острой вершиной в сторону приемной дипольной катушки 4, квадрупольные (компенсирующие) катушки 7 и 8, намотанные в виде конусных соленоидов, установлены на противоположных острых треугольных вершинах шестиугольной рамки 5, 6 соосно с диэлектрическим стержнем 1, запараллелены между собой встречными выводами обмоток и соединены последовательно между секциями 5 и 6 излучающей катушки. Датчик азимутальной ориентации зонда выполнен в виде одноэлементного феррозонда 9, катушка которого намотана на магнитном (пермаллоевом) сердечнике, установленном перпендикулярно к оси стержня 1 в вертикальной плоскости магнитных моментов приемно-излучающей системы зонда. Система излучающе-компенсирующих катушек 5-7 подключена к высокочастотному генератору 10 с рабочей частотой, например, 225 или 450 кГц, т.е. в нерабочем радиовещательном диапазоне, а приемная катушка 4 - к усилителю 11, соединенному с фазочувствительным детектором 12, выход которого соединен со входом анализатора спектра 13. Опорное напряжение на фазочувствительный детектор 12 поступает с высокочастотного генератора 10. Феррозонд 9 соединен с частотно-модулируемым генератором 14 и частотным детектором 15, выход которого соединен со вторым входом анализатора спектра 13.

Предлагаемая конструкция излучающей катушки существенно отличается от таковой в известном наклономере особенностью ее геометрии и ориентации относительно оси зонда (фиг.2). Оригинальная форма ее в виде сильно вытянутой вдоль оси зонда шестиугольной рамки, суженной в сторону приемной катушки и разделенной на две одинаковые секции 5 и 6, намотанные на общем каркасе и соединенные между собой последовательно с квадрупольными компенсирующими катушками 7 и 8, обеспечивает фокусированную (условно «щелевую») диаграмму направленности возбуждения распределенного преимущественно по вертикали электромагнитного поля (фиг.3), максимально охватывающего вертикально распределенным магнитным моментом катушки (5-6) вертикальную трещину по ее длине. За счет этого электропроводящая (флюидопроводная) вертикальная трещина концентрирует излучаемую электромагнитную энергию, повышая избирательность наклономера преимущественно к вертикальным трещинам. Такая концентрация излучаемой энергии повышает также (хотя и в меньшей степени) избирательность наклономера и к субвертикальным трещинам.

Треугольная форма острых вершин (торцов) излучающей рамки (5-6) обеспечивает более полную (по сравнению с круглой) компенсацию ее прямого электромагнитного поля вдоль оси зонда квадрупольными катушками 7-8, а следовательно, и более полное подавление этого поля как помехи на выходе приемной катушки 4. В результате повышается чувствительность (отношение полезного сигнала к помехе) наклономера в целом. Вытянутая вдоль оси зонда шестиугольная рамка формирует (фиг.3) диаграмму направленности магнитных моментов, распределенных по ее длине, под углом наклона условной «щели» 82°. Например, при длине измерительного зонда 1 м, т.е. расстоянии между центрами излучающей и приемной катушками 1 м, оптимальная длина рамки составляет 500 мм при поперечном сечении ее не более 25 мм. Такие размеры зонда обеспечивают достаточно большую (0,5 м) радиальную глубинность сканирования околоскважинного пространства и выявления в нем вертикальных и субвертикальных трещин. К тому же, малые поперечные размеры катушек зонда позволяют конструировать малогабаритные скважинные приборы диаметром от 36 мм.

Предлагаемый пластовый индукционный наклономер работает следующим образом.

Возбуждаемое излучающей катушкой 5-6 высокочастотное электромагнитное поле индуктирует в горных породах околоскважинного пространства радиусом до 0,5 м вторичное магнитное поле вихревых токов, которое принимается приемной дипольной катушкой 4. При этом прямое электромагнитное поле излучающей катушки компенсируется квадрупольными катушками 7-8. Принятый сигнал вторичного поля усиливается усилителем 11 и детектируется по частоте излучаемого поля фазочувствительным детектором 12. Вследствие вращения катушек индукционного зонда детектируемый сигнал модулируется гармониками частоты вращения и на выходе детектора 12 появляется напряжение огибающей, которое поступает на первый вход анализатора спектра 13. При вращении феррозонда 9 в магнитном поле Земли его индуктивность периодически изменяется, вызывая модуляцию частоты частотно-модулируемого генератора 14. Частотным детектором 15 модулированное напряжение генератора 14 преобразуется в синусоидальное напряжение, синхронное и синфазное с вращением зонда, и поступает на второй вход анализатора спектра 13. Выходными сигналами анализатора спектра 13 являются амплитуда нулевой гармоники (постоянная составляющая входного сигнала) и амплитуды и фазы гармоник частоты вращения, по которым вычисляются углы наклона и азимуты падения пластов и трещин.

Технический эффект. Основным достоинством предлагаемого индукционного пластового наклономера является расширенный диапазон чувствительности и избирательности, позволяющий выявлять и определять элементы залегания (углы наклона и азимуты падения) как пологих и наклонных, так и крутопадающих пластов пород, вертикальных и субвертикальных трещин, выявлять зоны вертикальной анизотропии электропроводимости, а следовательно, гидропроводности пластов пород в разрезах скважин, прогнозировать структурно-геологические, геолого-промысловые и горно-геологические условия разработки нефтегазовых, угольных, рудных и других месторождений.

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может быть использовано для наклонометрии пластов и трещин в разрезах нефтегазовых, угольных, рудных и других месторождений. Предложен наклономер, состоящий из герметичного диэлектрического корпуса с вращающимся внутри него сканирующим индукционным зондом, включающим излучающую, две компенсирующие и приемную дипольные катушки с взаимно перпендикулярными магнитными моментами, высокочастотный генератор, усилитель, фазочувствительный детектор, анализатор спектра и азимутальный датчик. При этом излучающая катушка выполнена из двух одинаковых секций, соединенных между собой последовательно через две запараллеленные квадрупольные компенсирующие катушки. Кроме того, излучающая катушка выполнена в виде сильно вытянутой вдоль оси зонда шестиугольной рамки с не менее чем 20-кратным отношением ее длины к ширине, сориентированной более острой вершиной в сторону приемной катушки и обеспечивающей наклон распределенного вдоль рамки вектора магнитного момента на заданный угол относительно оси зонда 82°. А квадрупольные компенсирующие катушки установлены на противоположных острых вершинах шестиугольной рамки соосно с зондом встречно направленными магнитными моментами. При этом магнитный момент приемной дипольной катушки находится в плоскости магнитного момента излучающей катушки и направлен под углом 8º к оси зонда. Техническим результатом является расширение диапазона чувствительности и избирательности наклономера. 3 ил.

Пластовый индукционный наклономер, содержащий герметичный диэлектрический корпус с вращающимся внутри его индукционным зондом, включающим излучающую и приемную дипольную катушки с взаимно перпендикулярными магнитными моментами, квадрупольные катушки, компенсирующие прямое поле зонда, электропривод равномерного вращения зонда, высокочастотный генератор и усилитель, выход которого соединен с фазочувствительным детектором и анализатором спектра, феррозондовый датчик азимутальной ориентации зонда, отличающийся тем, что излучающая катушка выполнена из двух одинаковых секций, соединенных между собой последовательно через две спараллеленные квадрупольные компенсирующие катушки, причем излучающая катушка выполнена в виде сильно вытянутой вдоль оси зонда осесимметричной шестиугольной рамки с не менее чем 20-кратным отношением ее длины к ширине, сориентированной более острой вершиной в сторону приемной дипольной катушки и обеспечивающей наклон распределенного вдоль рамки вектора магнитного момента на заданный угол, например, 82° к оси зонда, а квадрупольные компенсирующие катушки установлены на противоположных острых вершинах шестиугольной рамки соосно с зондом встречно направленными магнитными моментами, при этом магнитный момент приемной дипольной катушки находится в плоскости магнитного момента излучающей катушки и направлен соответственно под углом 8° к оси зонда.