Комплексный магнитометр-инклинометр для исследований скважин различного назначения Российский патент 2024 года по МПК G01V3/18 E21B47/22 G01R33/02 

Предлагаемое изобретение (комплексный магнитометр-инклинометр для исследований скважин различного назначения) относится к области измерительной геофизической техники и предназначено для проведения скважинной магнитометрии при поиске и разведке железорудных месторождений, слабомагнитных объектов (месторождения никеля, золота, алмазов и др.) и исследования параметрических и нефтегазовых скважин. За одну спускоподъемную операцию комплексный скважинный магнитометр-инклинометр производит измерение магнитной восприимчивости горных пород, подсеченных скважиной, трех составляющих вектора геомагнитного поля, зенитного угла и магнитного азимута скважины с шагом дискретизации по глубине 0,1 м. При этом значения магнитной восприимчивости горных пород с разной степенью магнитной минерализации изменяются в очень широком диапазоне (от 0.001 до 1-2 ед. СИ), что существенно больше диапазона изменения составляющих геомагнитного поля. Для решения этой проблемы при цифровой регистрации на канал измерения магнитной восприимчивости необходимо выделять больше времени по сравнению с другими каналами. С другой стороны, применяя определенные схемные решения, можно сократить время на измерения остальных каналов, что существенно повысит скорость каротажа и позволит снизить ошибки регистрации, возникающие при вращении скважинного прибора после отрыва от забоя.

Известно устройство [1], содержащее намагничивающую и компенсирующую катушки, расположенные по оси скважинного прибора на некотором расстоянии друг от друга, одноэлементный феррозонд, расположенный внутри компенсационной катушки, измерительную схему магнитометра и другие блоки. К недостаткам устройства можно отнести использование в нем одноэлементного феррозонда, обладающего более высокими собственными шумами по сравнению с дифференциальным феррозондом, а также существенную сложность измерительной схемы магнитометра. Кроме того, в данном устройстве измеряется только осевая (по оси скважинного прибора) составляющая геомагнитного поля, что целесообразно только в вертикальных скважинах.

Известно устройство [2], содержащее одноэлементные феррозонды. Один из них вертикально отвешиваемый (Z), два других (Нх, Ну) - горизонтально отвешиваемые при помощи дополнительных грузов. Датчик магнитной восприимчивости содержит осевой феррозонд, намагничивающую катушку, резисторы компенсации, измерительную схему магнитометра, два синхронных детектора. К недостаткам данного устройства можно отнести использование одноэлементных феррозондов как для измерения составляющих геомагнитного поля, так и величины магнитной восприимчивости, что существенно усложняет блок выделения и усиления сигналов. Кроме того, компенсация первичного поля намагничивающей катушки напряжением с резисторов может быть недостаточно стабильной.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является устройство [3], содержащее три жесткозакрепленных и ортогонально установленных одноэлементных феррозонда, три жесткозакрепленных и ортогонально установленных акселерометра, датчик магнитной восприимчивости, измерительную схему канала магнитной восприимчивости, измерительную схему магнитометра, аналого-цифровой преобразователь, блок управления. К недостаткам устройства можно отнести то, что время работы интегрирующего АЦП при измерении и составляющих поля и магнитной восприимчивости одинаково (40⋅10^-3 с), но для измерения величины магнитной восприимчивости необходимо гораздо больше времени.

Первым существенным моментом в данной заявке является введение в схему блока измерения величины магнитной восприимчивости дифференциального феррозонда, что существенно упрощает измерительную схему магнитометра и способствует уменьшению его собственных шумов.

Вторым существенным моментом в данной заявке является введение в состав устройства еще двух электронных блоков 15 и 16, позволяющих расширить время разряда интегратора в момент измерения магнитной восприимчивости.

Устройство работает следующим образом: выходной сигнал кварцевого генератора 13 с частотой 2048 кГц поступает на вход делителя частоты 14, который формирует ряд частот: 32 и 64 кГц - для управления работой схемы магнитометра; 2400, и 400 Гц - для работы сдвигового регистра и других блоков. Блок 15 формирует импульсы тока в намагничивающую и компенсационную катушки, управляет ключами акселерометров и феррозондов, организует импульс разряда интегратора АЦП во время измерения магнитной восприимчивости, а также паузу в передаче информации модулятором 19. Блок 16 формирует сигналы тактов заряда и разряда интегратора АЦП, поступающие с блока 15, с учетом увеличения времени разряда при измерении величины магнитной восприимчивости. Параллельный выходной код АЦП блока 17 поступает на входы сдвигового регистра 18, преобразуется в последовательный код и поступает на вход модулятора 19, где единичные биты последовательного кода заполняются частотой 32 кГц и подаются на каротажный кабель и далее на каротажный регистратор. По этому же кабелю подается напряжение питания скважинного прибора.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства. Устройство содержит:

1, 2, 3 - жесткозакрепленные и ортогонально расположенные акселерометры;

4, 5, 6 - жесткозакрепленные и ортогонально расположенные феррозонды, оси чувствительности которых по направлению совпадают с осями чувствительности акселерометров;

7, 8, 9 - дифференциальный феррозонд датчика магнитной восприимчивости;

10 - компенсационная катушка датчика магнитной восприимчивости;

11 - намагничивающая катушка датчика магнитной восприимчивости;

12 - блок преобразования сигналов акселерометров 1, 2, 3, сигналов феррозондов 4, 5, 6 и сигналов датчика магнитной восприимчивости 7, 8, 9 в импульсы постоянного тока, необходимые для подачи на вход АЦП;

13 - кварцевый генератор;

14 - делитель частоты;

15 - распределитель управляющих импульсов блока 12;

16 - формирователь импульсов управления тактом заряда и разряда;

17 - интегрирующий двухтактный аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

18 - сдвиговый регистр;

19 - модулятор выходных сигналов сдвигового регистра;

20 - блок питания скважинного прибора;

21 - одножильный каротажный кабель.

На фиг. 2 изображены временные диаграммы устройства:

- пауза в передаче информации по каротажному кабелю;

- разнополярные импульсы тока, подаваемые на намагничивающую катушку 11 и компенсационную катушку 10;

- выходной сигнал блока 15;

- сигналы управления тактом разряда интегратора АЦП (низкий уровень);

- сигналы управления тактом заряда интегратора АЦП (низкий уровень);

- выходной сигнал интегратора АЦП;

- выходной сигнал канала магнитной восприимчивости;

- выходные импульсы блока преобразования сигналов феррозондов;

- выходные сигналы канала акселерометров;

- выходные сигнала модулятора 19.

Источники информации

1. Астраханцев Ю.Г., Пономарев В.Н. Устройство для измерения магнитной восприимчивости горных пород. // а.с. №1299315, 1985.

2. Пономарев В.Н., Астраханцев Ю.Г., Леготин Л.Г., Гритчин А.Г. Автономный магнитометр для измерений в сверхглубоких скважинах // а.с. №1294137, 1985.

3. Ю.Г. Астраханцев, Н.А. Белоглазова Аппаратурно-программный комплекс для непрерывной инклинометрии нефтяных и газовых скважин // Практика приборостроения. №1. 2003, Екатеринбург, с. 17-21.

Изобретение относится к области измерительной геофизической техники и предназначено для проведения каротажа при поиске и разведке железорудных месторождений, а также слабомагнитных объектов, исследования параметрических и нефтегазовых скважин. Технический результат - расширение диапазона канала измерения магнитной восприимчивости без снижения чувствительности и повышение скорости регистрации остальных каналов. Сущность: комплексный магнитометр-инклинометр содержит три взаимно ортогональных жесткозакрепленных акселерометра, три взаимно ортогональных жесткозакрепленных феррозонда, блок преобразования сигналов датчиков, намагничивающая и компенсационная катушки, кварцевый генератор, делитель частоты, аналого-цифровой преобразователь двойного интегрирования (АЦП), сдвиговый регистр, модулятор сигналов. В устройство дополнительно введены распределитель управляющих импульсов, формирователь тактов заряда и разряда интегратора АЦП, соединенный с распределителем управляющих импульсов, дифференциальный феррозонд, подключенный к блоку преобразования сигналов датчиков. Дифференциальный феррозонд установлен на расстоянии от намагничивающей катушки и внутри компенсационной катушки, которые подключены к распределителю управляющих импульсов, к которому также подключен формирователь импульсов управления тактами заряда и разряда интегратора АЦП. 2 ил.

Комплексный магнитометр-инклинометр для исследования скважин различного назначения, содержащий три взаимно ортогональных жесткозакрепленных акселерометра, три взаимно ортогональных жесткозакрепленных феррозонда, блок преобразования сигналов датчиков, намагничивающая и компенсационная катушки, кварцевый генератор, делитель частоты, аналого-цифровой преобразователь двойного интегрирования (АЦП), сдвиговый регистр, модулятор сигналов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены распределитель управляющих импульсов, формирователь тактов заряда и разряда интегратора АЦП, соединенный с распределителем управляющих импульсов, а также дифференциальный феррозонд, установленный на расстоянии от намагничивающей катушки и внутри компенсационной катушки, которые в свою очередь подключены к распределителю управляющих импульсов, к которому также подключен формирователь импульсов управления тактами заряда и разряда интегратора аналого-цифрового преобразователя, а сам феррозонд подключен к блоку преобразования сигналов датчиков.