Устройство для каротажного электромагнитного зондирования Советский патент 1983 года по МПК G01V3/18 

Изобретение относится к измерителям электрических свойств горных пород в скважинах, бурящихся на нефть и газ.

Известно устройство, содержащее три трехэлементных зонда различной длины с двумя общими измерительными катушками, которые присоединены к измерительно-преобразовательному блоку, с помощью которого сигналы высокой частоты преобразуются и ограничиваютря по амплитуде и далее поступают к измерителю разности фаз, от которо-, го получают сигналы, соответствующие зондам малой, средней и большой глубин исследования горных лород. Полученные сигналы с помощью предусмотренных, схем согласования подают на поверхность, к регистратору. Возбуждение электромагнитного поля производят на частоте около l .

Известно устройство для диэлектрического индуктивного каротажа, состоящее из задающего кварцевого генератора, генераторных усилителей напряжения и мощности, генераторной и двух измерительных катушек зонда, подключенных к измерительным каналам, которые идентичны друг другу. Каждый канал включает измерительный усилитель высокой частоты, смеситель частоты, усилитель промежуточной частоты, ограничитель напряжения. Общим для обоих каналов является гетеродин с каскадами умножения частоты гетеродина, а также фазоизмерительный блок, усилитель мощности информационного сигнала, линейный амплитудный детектор и каскад автоматической блокировки усилителей пониженной частоты. Фазоизмерительным блоком измеряют векторную разность двух сигналов, индуцированных в разнесенных измерительных катушках зонда 2 .

Наиболее близким к изобретению является устройство для волнового каротажа для зондирования по проводимости, содержащее генератор, трехэле3100ментные зонды, состоящие из генератор ной и пары измерительных катушек, уси лители мощности, усилители-преобразователи, генератор-гетеродин, усилители-ограничители промежуточной частоты, фазоизмерительный блок, блок телеметрии и блок коммутации, при этом генераторные катушки- трехэлемент ных зондов подключены к выходам усилителей мощности, измерительные катушки трехэлементных зондов соединены с входами усилителей-преобразователей вторые входы которых соединены с выходом генератора-гетеродина, выходы усилителей-ограничителейпромежуточной частоты соединены с входами фазоизмерительного блока, выход которого через блок телеметрии соединен с блоком коммутации. Длина глубинного зонда равна 1,95 м, зонда малой глубинности - 0,55 м, расстояние между измерительными катушками (база зонда) составляет 0,3 м. Рабочая частота генератора 3,. Двухканальная система с преобразованием частоты по воляет измерять фазовый сдвиг () ак плитуд сигналов, индуцированных в измерительных катушках. Блок измерения состоит из высокочастотных усилителей, гетеродина, смесителей, усилителей промежуточной частоты, усилителей ограничителей, фазоизмерительного блока и блока коммутации, которым переключают выход генератора рабочей частоты между генераторными катушками зондов и отключают один из измерительных каналов с целью формирования стандарт-сигнала при калибровке аппаратуры. При этом за одну спускоподъемную операцию выполняют диаграфию разреза только одним из зондов З Недостатком данных устройств является низкая точность измерения электрических неоднородностей, образованных проникновением фильтрата бурового раствора в пласты-коллекторы, особенно в том случае, когда радиальное распределение электропроводности в зоне проникновения имеет сложную геометрию, например за счет скопления минерализованных пластовых вод перед фронтом проникающего в пласт пресного фильтрата бурового раствора (так называемая окаймляющая зона, вал), Привлечение результатов измерений, полученных другими методами каротажа, например кажущихся сопротиблений (КС), бокового каротажа (БК), микрокарота/ ерез блок телеметрии соединен с блоком коммутации, введены электронные ключи генераторных и измерительных цепей трехэлементных зондов, трехэлементные зонды выполнены геометрически и электродинамически подобными друг другу, генератор выполнен в виде генераторов рабочих частот по чис0индукционного,каротажа (ИК) жа (МБК), увеличивает время простоя и других, скван ин под геофизическими исследованиями, снижая прои:зводительность промысловых работ. Кроме того, в аппаратуре применены два трехэлементных зонда различной длины с двумя общими для зондов измерительными катушками, что не обеспечивает им геометрического подобия, а использование одной рабочей частоты для двух зондов различной длины лишает электродинамического подобия. Кроме того, измерение электрических свойств геологического разреза осуществляется поочередным подключением либо одной, либо другой генераторной катушки к общему генератору, что приводит к необходимости производить два спуско-подъема в скважине, тем самым ув.еличивая время простоя скважины. , При этом информация, полученная двумя зондами, дает лишь качественное представление о характере изменений электропроводимости в пласте-коллекторе. Цель изобретения - повышение производительности работ и точности из-, мерения электрических неоднородностей в пластах-коллекторах. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для каротажного электромагнитного зондирования, содержащее генератор, трехэлементные зонды, состоящие из генераторной и пары измерительных катушек, усилители мощ ности, усилители-преобразователи, генератор-гетеродин, усилители-ограничители промежуточной частоты, фазоизмерительный блок, блок телеметрии блок коммутации, при этом генераторные катушки трехэлементных зондов подключены к выходам усилителей мощности, измерительные катушки трехэлементных зондов соединены с входами усилителей-преобразователей, вторые входы которых соединены с выходом генератора-гетеродина, выходы усилителей-ограничителей промежуточной частоты соединены с входами фазоизмерительного блока, выход которого

лу генераторых катушек трехэлементных зондов, число генераторов-гетеродинов соответствует числу пар измерительных катушек трехэлементных зондов, при этом электронные ключи гене;раторных цепей трехэлементных зондов исполнительными линиями включены между генераторами рабочих частот и,усилителями мощности, а электронные ключи измерительных зондов исполнительными линиями включены между выходами усилителей-преобразователей и входами усилителейограничителей промежуточной частоты, управляющие входы электронных ключей подключены к блоку коммутации, который содержит схему автоматического управления, причем коэффициент геометрического подобия зондов находится в пределах следующего соотношения 1,1- /L 1.5, где и - расстояния между любыми одноименными элементами ряда трехэлементных зондов, соответственно длинного и короткого; i -1,2,,,.; п - порядковый номер трехэлементного зонда. Точность измерения электрических неоднородностей, образующихся за счет проникновения фильтрата бурового раст вора в пласты-коллекторы и перераспределения пластовых минерализованных вод и углеводородов, достигается выбором линейных размеров (длин) геометрически подобных зондов. Выбор длин ряда зондов диктуется латеральной глубинностью исследования, котора определяется, главным образом, длиной зонда и равна приблизительно половине длины зонда. Такая оценка глубинности 40 исследования учитывает влияние скинэффекта при распределении тока, индуцируемого в среде, относительно максимума плотности. Для геометрически подобных зондов с коэффициентом геометрического подобия справедливо следующее соотношениегде L и расстояния между любы ми одноименными элементами зондов, м i-1, 2,... п - порядковый номер зонда и L . С учетом глубинности исследования зондов соотношение между длинами зондов устанавливают в пределах , 1.1 d $ 15. При этом, чем меньше

oL для ряда зондов, тем детальней исслёдуютс геоэлектрические радиальные неоднородности вокруг скважины. Однако слишком малая величина коэффициента геометрического подобия затрудняет взаимное размещение катушек зонда на зондовой основе, вследствие того, что рёёльные размеры катушек существенно возрастают с уменьшением частоты цепей трехэлементных возбуждаемого поля в полном соответствии с принципом электродинамического подобия зондов 4 а И отношениями моментов Мя- 0 Mi где и - циклические частоты возбуждения полей короткими и длинным 1 зондами, соответственно; М магнитные моменты генераторных катуДругое ограничение коэффициента геометрического подобия (,5) обусловлено тем, что детальность ис-. следования радиальных неоднородностей снижается. В соответствии с выражениям11 (1 и (2) величина /Ъ f 1-И коэффициент электродинамического подобия ряда зондов, которым однозначно устанавливается равенство друг другу характеристик квазистационарного электромагнитного поля, измеряемых геометрически подобными зондами в однородной среде. Действительно, з этом случае, для модуля амплитуды в долях прямого поля в воздухе и фазы электромагнитного диполя имеем следующие выражения|h I ехр(-Р) V(1+P)+ Р, () --P-a -ci (5) где Р - безразмерный параметр, равный отношению длины зонда (или расстоянию вдоль оси диполя до точки измерения) к глубине проникновения поля в среде, т.е. ( Vp(tT Уи /Л- электропроводность и магнитная проницаемость среды, соответственно. Из выражения (6)видно, что если конструктивные параметры зондов, длины (Ц-) и частоты ( ) , устанавливаются в соответствии с требованиями 7 l геометрического и электродинамииес{кого подобия (1.), (2) и (3), то измеряемые характеристики поля (k) и (5), а также любые их производные (например разность фаз), остаются неизменными в однородной среде. Вмес те с тем, глубина исследования среды различна, а именно с ростом длины зонда и уменьшением частоты (|i-con$t .она максимальна и, наоборот, с сокра щением длины зонда и увеличением частоты глубинность исследования иияимальна. При этом детальность (локальность) исследования ближних участков среды возрастает. В случае неоднородной среды, вследствие проникновения фильтрата бурового раство а в пласт-коллектор и возможного об разования вала оттесняемой в глубь пласта минерализованной воды (образование окаймляющей зоны с повышенной электропроводностью) зондировани электродинамическими и геометрически подобными зондами поз.воляет восстановить характер распределения электрических неоднородностей с их количественной оценкой. Таким образом, предлагаемое устройство обеспе-чивает высокую точность измерения геоэлектрических неодно(эодностей. Обеспечить практически одновременную работу в скважине всех пяти зондов, т.е. повысить производительность работ, позволяет применение электрических ключей и блока коммутации, работа которого регламентируется схемой автоматического управления. Электронные ключи в генераторных цепях включены исполнительными линия ми между задающими генераторами рабо чих частоти усилителями мощности. Это позволяет сократить расход элект роэнергии усилителями мощности и в случае периодического их включения суммарный расход энергии соответству ет расходу мощности одним усилителем что также снижает самопрогреа электронных схем и элементов. Электронные ключи измерительных цепей исполнительными линиями включены между выходом усилителей промежуточной частоты и входами усилителей-ограничителей промежуточной частоты. Выбор такого места включения обеспечивает наименьшее .внесение помех как от коммутационных операций ключей, так и из каналов усиления и преобразования сигналов. o Электронные ключи ге.нераторных и измерительных цепей управляющими линиями подключаются к блоку коммутации ключей. Режимы включения и выключения ключей блоком коммутации регламентируются схемой автоматического управления. Так, например,-момент включения генераторных катушек под нагрузку сопровождается нарастанием амплитуды тока от нуля до оптимальной величины. Исключить этот нестационарный режим из результатов измерений удается путем более поздней (или опережающей) коммутацией измерительных цепей относительно включения (или выключения) генераторных ключей. Кроме того, режим коммутации того или иного зонда распознается в наземной станции благодаря передаче шифрованных команд, посылаемых от схемы автоматического управления в пульт наземной станции синхронно с сигналами для блока коммутации. На чертеже изображена блок-схема устройства. Устройство содержит генераторы рабочих частот 1.1 для частоты fj. | 1.2 для частоты f ; .,.; 1.5 для частоты fj-; электронные ключи 2.12.5 генераторных цепей, усилители мощности 3.1-3.5, генераторные катушки 4.1-.5 зондов, измерительные катушки 5.1-5.5 зондов (пары) зонд трехэлементный Ц. и 5.1; зонд трехэлементный 4.2 и 5.2,геометрически подобный зонду Ц 1-5.1, зонд трехэлементный ,3 и 5.3,геометрически подобный зонду 4.2-5.2, и т.д.; усилители-преобразователи 6,1-6.5 сигналов высокой частоты в сигналы низкой частоты - усилители промежуточной частоты; генераторы-гетеродины 7.1-7.5 электронные ключи 8.1-8.10 измерительных цепей, усилители-ограничители промежуточной частоты 9.19.2, фазоизмерительный блок 10, блок 11 телеметрии, блок 12 коммутации, со схемой автоматического управления. Устройство работает следующим образом. Устройство для каротаж юго электромагнитного зондирования содержит генераторы 1.1-1.5, частоту, которых различна и устанавливается в соответствии с величинами коэффициентов Геометрического (of.) и электродинамического подобия (|i) (1), (2) и (3). Выходные цепи генераторов 1.1-1.5 подключены через исполнительные линии 9100 электронных ключей 2.1-2.5 к усилителям мощности 3.1-3.5. нагрузкой которых являются генераторные катушки k,}-k.S зондов. Пары измерительных . катушек 5-1-5.5 зондов подключены к соответствующим каждойкатушке усилителям-преобразователям 6 .1-6.5 сигналов высокой частоты в сигналы низкой частоты. Автономные генераторыгетеродины 7.1-7-5 вырабатывают частоты для усилителей-преобразователей 6.1-6.5, которые отличаются от соответствующих рабочих частот зондов на одну и ту же ве 1ичину Д f. Выходные цепи усилителей-преобразЬвателей 6.1-6.5 через исполнительные линии электронных ключей 8.1-8.10 измерительных цепей подключаются попарно к усилителям-ограничителям промежуточной частоты 9.1 и 9.2 сигналов с преобразованной частотой () . Сигналы низкой частоты Af, ограниченные до определенного заданного уровня, подаются в фазоизмерительный блок 10. и далее, через блок 11 телеметрии по каротажному кабелю на поверхность к пульту управления ста.нции. Блок 12 коммутации, получая от блока 11 кодовые импульсные сигналы, обеспечивает последовательную коммутацию электронных ключей 2.1-2.5 и 8.18.10 в сяедуюи4ем порядке. Первым замыкается ключ 2.1, затем после окончания переходных процессов в цепях усилителя мощности 3-1 и генераторной катушке Ц.1 замыкаются исполнительные линии двух ключей 8.1 и 8.2. Процесс регистрации информационных сигналов длится в течение промежутка времени, равного 0,1 от промежутка, занимаемого одним зондом и включающим в себя все операции по исключению переходных процессов коммутации, передаче сигналов на поверхность, подаче команд на отключение зонда и подготовку к приему ч кодовых команд для подключения другог зонда. После окончания регистрации сигнала, отключаются ключи в измерительных цепях 8.1 и , а затем клюм 2.1 в генераторной цепи первого зонда Обработкэ измерительных сигналов и пе редача их на поверхность занимает 0,5 от всего промежутка времени, выделяемого одному каналу. После этого в блок 12 коммутации поступает кодовый сигнал для включения второго трех элементного зонда .2-5-2. После отра ботки сигналов второго зонда подается О10 команда для включения следующего зонда. Весь цикл работы пяти зондов занимает 0,1 с. При стандартной скорости подъема скважинного прибс ра, равной 2000 м/ч, все зонды производят измерения геологического разреза на интервале глубины, равной 5,5 см. В принятом масштабе записи, равном 1:200, линии записи каротажных дна -грамм будут непрерывными, Применение многозондовой системы с временным разделением работы каждого зонда выгодно ртличает предлагаемое устройство для каротажного электромагнитного зондирования, так как значительно сокращается время на проведение измерений, результаты которых несут информацию о характере распределения электрических свойств пород от скважины в глубь пласта. Предлагаемое устройство заменяет двухзондовые системы индукционного каротгча. Формула изобретения Устройство для каротажного электромагнитного зондирования, содержащее генератор, трехэлементные зонды, длинный и короткий, состоящие из генераторной и пары измерительных катушек, усилители мощности, усилители-преобразователи, генератор-гетеродин, усилители-ограничители промежуточной частоты, фазоизмерительный блок, блок телеметрии и блок коммутации, при генераторные катушки трехэле„ентных зондов подключены к выходам усилителей мощности, измерительные катушки трехэлементных зондов соедийены со входами усилителей-преобразователей, вторые входы которых соедийены с выходом генератора-гетеродина, выходы усилителей-ограничителей промежуточной частоты соединены со входами фазоизмерительного блока, выход которого через блок телеметрии ооединен с блоком коммутации, о т л и а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности работ и точности измерения электрических неоднородностей в пластах-коллекторах, вустройство введены электронные ключи генераторных и измерительных цепей , трехэлементных зондов, трехэлементные зонды выполнены геометрически и электродинамически подобными друг другу, генератор выполнен в виде генераторов рабочих частот по числу генераторных 11 .. 10 катушек трехэлементных зондов, число генераторов-гетеродинов соответствует числу пар измерительных катушек трех,элементных зондов, при этом электронные ключи генераторных цепей трехэлементных зондов исполнительными линиями включены между генераторами рабочих частот и усилителями мощности а электронные ключи измерительных цепей трехэлементных зондов исполнительными линиями включены между выходами, усилителей-преобразователей и входами усилителей-ограничителей промежуточной частоты, управляющие входы электронных ключей подключены к блоку коммутации, который содержит схему автоматического управления, причем коэффициент геометрического подобия зондов находится в пределах следующего соотношения 0 /LI 1.5, где L.i и - расстояния между любыми одноименными элементами ряда трехэлементных зондов, соответственно, длинного и короткого, f - 1,2,..,, п - порядковый номер трехэлементного зонда. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США If I 07597, кл. , опублик. 1978. 2.Даев Д.С,. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин. М., Недра, 197, с. 1 7-151. 3.Костин А.И., Ллимов Ж.З., Темиргалиев Р.Г. Аппаратура волнового каротажа для зондирования по проводимости, Сб, Проблемы нефти и газа Тюмени, Тюмень, 1979, вып, , с. 19-21 (прототип).