Устройство для электромагнитного каротажа скважин Советский патент 1984 года по МПК G01V3/28 

Изобретение относится к аппарату для исследования скважин и может быть преимущественно использовано при электромагнитном каротаже скважин.

Известно устройство для диэлектрического каротажа скважин, содержащее генераторную часть, зонд с генераторной и двумя приемными катушками, двухканальный измеритель разности фаз с гетеродинным преобразов нием частоты входных сигналов, вход которого соединены с приемными катушками, а выход соединен с наземным регистратором. Устройство измерет разность фаз сигналов в приемных катушках зонда, создаваемых электромагнитным полем генераторной катушки. По величине измеренной разности фаз судят об электрических свойствах пород 1.

Регистрация начального сдвига фа в этом устройстве производится вне исследуемой среды (вне скважины) на дневной поверхности. Помещение устройства в условия исследования горных пород (в скважину), отличные от условий регистрации начального сдвига фаз, приводит к возникновению дополнительного, не учитываемого сдвига фаз, обусловленного изменением температуры и перепгщом амплитуд входных сигналов, что вызывает нестабильность величины начального сдвига фаз и снижает точность измерений.

Известно также устройство для электромагнитного каротажа скважин, включающее первый генератор, зонд с основной генераторной катушкой, подколоченной к выходу первого генератора, двумя приемными катушками и одной, расположенной между ними, дополнительной генераторной катушкой, второй генератор, настроенный на частоту, равную частоте первого генератора, подключенный к дополнительной генераторной катушке, двухканальный измеритель разности Фаз с гетеродинным преобразованием частоты входных сигналов, входы которого соединены с приемными катушками зонда, а выход соединен с наземным регистратором 2}.,

За счет наличия в составе зонда дополнительной генераторной катушки помещенной между приемными катушками и соединенной со вторым генератором, частота которого равна частоте основного генератора, это устройство позволяет регистрировать велачину начального сдвига фаз в условиях исследования горных пород, т.е. в скважине, путем дистанционного (по команде с поверхности) выключения первого генератора и включения второго.

Недостатком этого устройства является низкая точность определения начального сдвига фаз в скважине, обусловленная тем, что показания дифференциального зонда, образованного двумя приемными катушками и одной дополнительной генераторной катушкой, помещенной между приемными, зависят не только от начального сдвга фаз между измерительными каналами, но и от электрических свойств окружающих пород.

Наиболее близким к изобретению является устройство для электромагнитного каротажа скважин, включающе зонд с разнесенными излучающими и приемными катушками, размещенными на непроводящейоснове, генераторный блок, выходы которого соединен с излучающими катушками, и двухканальный измеритель разности фаз с гетеродинным преобразованием частот входы которого соединены с приемными катушками, а также назекмый регистратор. Генераторный блок содержит первый генератор, выход которого подключен к основной излучающей катушке, и второй и третий генераторы, выходы которых нагружены на дополнительную излучающую катушку, расположенную между приемными катушками; частота второго,генератора .равна частоте первого, частота третьего генератора равна частоте гетеродина, а генераторный блок соединен с коммутатором, обеспечивающим дистанционное (с поверхности) включение первого, либо второго и третьго генераторов.

За счет наличия в составе устройства третьего генератора, частота которого равна частоте гетеродина, величина сдвига фаэ, измеряемого дифференциальным зондом в скважине, не зависит от электрических свойств окружающей среды и для достаточно высокооктых сред соответствует значению начального сдвига фаз между измерительными каналами 3.

Недостатком этого устройства является низкая точность определения начального сдвига фаз в низкоомных породах или при высокой минерализации бурового раствора, заполняющего скважину. Объясняется это тем, что вследствие разной длины основного и дифференциального зондов амплитуды сигналов в приемных катушках при работе основной и вспомогательной излучающих катушек могут существенно отличаться/что ведет к возникновению сшибок в определении истинной величины начального сдвига фаз в низкоомных участках разреза.

Кроме того, данное устройство не обеспечивает непрерывный контроль за величиной начального сдвига фаз, которая непрерывно меняется в процессе каротажа вследствие изменения температуры и электрических параметров окружающей среды и, следовательно, принципиально не может обеспечить непрерывного устранения влияния нестабильности начального сдвига фаз на результаты измерений. Цель изобретения - повышение точ ности измерения электрических свойс горных пород за счет устранения вли ния нестабильности начального сдвига фаз между к.аналами измерителя разности фаз. Для достижения этой цели в устро стве для электромагнитного каротажа скважин, содержащем зонд, включающий разнесенные излучающие и приемные катушки, размещенные на непрово дящей основе, генераторный блок, вы ходы которого соединены с излучающи ми катушками и двухканальный измеритель разности фаз с гетеродинным преобразованием частоты, входы кото рого соединены с приемными катушкам а также наземный регистратор, допол нительно введены интегратор, преобразователь амплитуды сигнала с частотной девиацией в управляющий сигнал и элемент с регулируемой фазоча тотной характеристикой, при этом ин тегратор включен между выходом . двухканального измерителя разности фаз и входом наземного регистратора вход преобразователя амплитуды сигнала с частотой девиации в управляю щий сигнал соединен с выходом двухк нального измерителя разности фаз, а выход подключен к управляющему входу элемента с регулируемой фазочастотной характеристикой,, включенного между одной из приемных катуше и одним из входов двухканального. из мерителя разности фаз. При этом генераторный блок выпол нен в виде низкочастотного переключаквдего генератора и двухчастотного переключаемого генератора высокой частоты, переключающий вход которого соединен с выходом низкочастотного переключающего генератора, а выход нагружен на одну из излучающих катушек, причем значения рабочих частот двухчастотного переключаемого генератора высокой частоты отличаются друг от друга на величину удвоенной промежуточной частоты в двухканальном измерителе разности фаз и являются зеркальными по отношению к частоте его гетеродина, а частота низкочастотного переключающего генератора в- 5-10 раз выше максимальной частоты гармоник, имеющихся в спектре регистрируемого сигнала. Двухканальный измеритель разности фаз с гетеродинным преобразовани ем частоты входных сигналов выполне с линейной и четной функциональной зависимостью выходного сигнала от величины измеряемой разности фаз. Для увеличения точности измерений фазового сдвига между приемными катушками путем устранения влияния нестабильности промежуточной частоты измерителя разности фаз двухчастотный переключаеьий генератор высокой частоты выполнен с девиацией частот на величину не меньшую, чем отклонение центральных частот под воздействием дестабилизирующих факторов и с фиксированной частотой девиации, находящейся в диапазоне, ограниченном снизу значением частоты управляющего низкочастотного генератора, а свврху значением промежуточной частоты двухканального измерителя разности фаз. На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для электромагнитного каротажа скважин с автоматической регулировкой фазочастотной характеристики одного из каналов измерителя разности фаз; на фиг. 2 зависимость выходного напряжения двухканального измерителя разности фаз для двух рабочих частот - основной и зеркальной по отнсяиению к частоте его гетеродина. Устройство (фиг. 1) содержит зонд, включающий разнесенные по оси скважины приемные катушки 1-1, 1-2 и излучающие катушки 2-1, 2-2, 2-3, закрепленные, на непроводящей основе; генераторный блок 3, выполненный в виде двухчастотного переключаемого генератора высокой частоты 4 и низкочастотного переключающего генератора 5. Переключающий вход генератора высокой частоты соединен с выходом низкочастотного переключающего генератора 5, а выход нагружен на одну из излучающих катушек. Двухканальный измеритель разности фаз 6 с гетеродинным преобразованием частоты на входе, входы которого соединены с приемными катушками 1-1, 1-2 соединен интегратором 7, выход которого соединен с наземным регистратором 8. Устройство содержит также преобразователь 9 амплитуды сигнала с частотой девиации, вход которого подключен к выходу двухканального измери.теля разности фаз 6, а выход соединен с управляющим входом элемента и регулируемой фазочастотной характеристикой 10, включенного между одной из приемных катушек и входом одним из входов двухканального измерителя разности фаз. Устройство работает следующим образом. Низкочастотный переключающий генератор 5 вырабатывает управляющий сигнал, обеспечивающий поочередное включение рабочих частот двухчастотного переключаемого генератора высокой частоты 4 на равные промежут ки времени. Минимально допустимая частота переключений зависит от ма симальной скорости подъема устройс ва и для облегчения фильтрации вы хрдного сигнала выбирается в 5-10 раз выше максимальной частоты гармоник, содержащихся в пространстве ном спектре регистрируемого сигнал Цвухчастотный переключаемый генератор высокой частоты 4 генераторног блока 3 питает одну из излучающих картушек зонда, например 2-2, попере менно током двух высоких частот, основной и зеркальной по отношению к частоте- гетеродина, отличающихся друг от друга на величину равную удвоенному значению промежуточной частоты, примененной в двухканальном измерителе разности фаз 6 гетеродинным преобразованием частоты на входе. Излучакмцая катушка, например 2-2, возбуждает в окружающей среде высокочастотное электромагнитное по ле. Приемные катушки 1-1 и 1-2 регистрируют электромагнитное поле одной из рабочих частот в двух точках, удаленных на заданное расстояние по оси скважины, причем сдвиг фаз электромагнитного поля между этими точками зависит от диэлектрической проницаемости и удельного электрического сопротивления пласто ГО1РНЫХ пород, окружаквдих скважину. Двухканальный измеритель разности фаз 6, входы которого соединены с приемными катушками преобразует вели чину сдвига фаз ЭДС в приемных катушказГв постоянное напряжение, пропор циональное этому сдвигу. . В общем случае измеряемой фазовы сдвиг в условиях исследования скважин складывается из начального сдви га фаз между каналами измерителя ра ности фаз - 4/р и сдвига фаз обусловленного влиянием окружающих скважину пород. Известно,что в измерителях разнос ти фаз с гетеродинным преобразовани ем частоты на входе, при переходе с основной рабочей частоты-F (фиг. 2 на зеркальную по отношению к частот гетеродина частоту Fj, абсолютная величина измеряемого фазового сдвига сохраняется неизменной, а знак меняется на обратный, в то время как величина , обусловлен ная начальным сдвигом фаз, своего знака не изменяет. Поскольку двухкайальный измеритель разности фаз 6 в Дёшном устройстве выполнен с линейном и четной функциональной зависимостью выходного напряжения от величины измеряемой разности Фаз (см. фиг. 2), при работе на частоте F величина выходного сигнала U равна: . и 1с(л л/„| , (Я а при работе на частоте Fg величина выходного сигнала U, (4/ -drJ, (2h С где К в/раб.J - Коэффициент преобразования измерите ля разности фаз. Из (1) и (2) следует о/и. , т.е. среднее арифметическое значение выходного напряжения измерителя разности фаз при работе на основной и зеркальной частотах не зависит от величины начального сдвига фаз ЛЧ0, его нестабильности и от нулевого сигнала Up, определяется лишь фазовым сдвигом, обусловленным породами, окружающими скважину. Выделение среднего значения выходного сигнала двухканального измерителя разности фаз в соответствии с Формулой (3) осуществляет интегратор 7, с выхода которого напряжение, пропорциональное значению измеряемого сдвига фаз ( uffj ) поступает на поверхность для регистрации. Двухчастотный переключаемый генератор высокой частоты 4 генераторного блока 3 питает одну из излучающих катушек зонда, например 2-2, попеременно током двух высоких частот основной F-, и зеркальной Е, с одновременной девиацией их значений на величинуЛР , не меньшую чем отклонение центральных частот F;, и воздействием дестабилизирующих факторов и с фиксированной частотой девиации, значение которой ограничена снизу значением частоты низкочастотного управляющего генератора 5, а сверху значением промежуточной частоты, применяемой в измерителе разности фаз 7. Вследствие нестабильности промежуточной частоты двухканального измерителя разности фаз 7 девиация рабочих частот F и F. в теокочастотного электромагнитного Доля, находящегося в приемных катушках 1-1 и 1-2 приводит к появлению на выходе измерителя разности фаз 6 сигнала с частотой девиации, амплитуда которого определяется идентичностью фазочастотных характеристик измерительных Каналов двухканального измерителя разности фаз, Сигналс частотой де- Виации поступает на вход преобразователя 9 амплитуды сигнала с частотой девиации в управляющий сигнал. Управляющий сигнал, пропорциональный величине идентичности фазочастотных характеристик измерительных каналов, поступает на вход элемента с регулируемой фазочастотной характеристикой 10, который в зависимости от величины управлякяцего сигнала изменяет фазочастотную характеристику измерительного канала двухканального измерителя разности фаз 6. В результате в устройстве возникает отрицательна обратная связь по амплитуде сигнала с частотой девиации, минимизирующая разницу фазочастотных характеристик измерительных каналов двухканального измерителя разности фаз. При достигаемой таким образом идентичкости фазочастотных характеристик измерительных каналов нестабильност промежуточной частоты двухканального измерителя разности фаз вносит одинаковый сдвиг фаз в оба канала и, следовательно, не сказьтается на величине измеряемой разности фаз.

Генераторный блок выполнен следущим образом. Двухчастотный переключаемый генератор высокой частоты 4 выполнен в виде задающих генераторов с кварцевой стабилизацией частоты, рабочие частоты которых соответствуют F 43200 кГц и F 42800 кГц, которые поочередно подключаются к усилителю мощности высокой частоты (не показан), при помощи электромагнитного реле/ на обмотку которого подается напряжение от низкочастотного переключающего генератора частотой 25 Гц и скважностью 2.

Двухканальный измеритель разности фаз содержит два смесителя, подключенных первыми входами к измерительным катушкам 1-1 и 1-2, а вторыми входами к общему гетеродину (не показан) два аналогичных усилителя промежуточной частоты, входы которых соединены с выходами смесителей, а на выходы подсоединена фазоизмерительная схема с линейной и четной функциональной зависимостью от величины измеряемого сдвига фаз.

Преобразователь амплитуды сигнала с частотой девиации в управляющий сигнал 9 может быть выполнен в виде последовательно соединенных избирательного усилителя, настроенного на частоту девиации и активного выпрямителя.

Элемент с регулируемой фазочастотной характеристикой может быть выполнен в виде резонансного контура, настроенного на промежуточную частоту и содержащего емкость, ве0 личина которой изменяется под воздействием управляющего напряжения (варикап), которое подается с, выхода активного выпрямителя преобразователя амплитуды сигнала с часто5 той девиации в управляющий сигнал. Технико-экономическая эффективность применения данного технического решения заключается в повышении точности измерений сдвига фаз, созQ даваемого породами в условиях исследования скважин при изменении температуры окружающей среды и ее удельного электрического сопротивления в широких пределах. Это позволяет во5 первых, расширить область применения данного вида исследования скважин и геологическую достоверность получаекых результатов, во-вторых, увеличить производительность труда за счет сокращения времени на проведение каротажа и последующую обра-г ботку материалов, так как устройство может работать непрерывно и не требуют записи величины начального сдвига фаз в отдельных точках ис5 следуемого интервала скважин, а также последукицего учета его изменений при обработке.

Точность измерений по сравнению 0 с известным устройством за счет устранения влияния нестабильности начального фазового сдвига увеличивается приблизительно в 10 раз.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОИАГНИТНОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН, содержащее зонд, включающий разнесенные излучающие и приемные катушки, размещенные на непроводящей основе, генераторный блок, выходы которого соединены с излучакхцими катуижами, и двухканальный измеритель разности фаз с гетеродинным преобразованием частоты, входы которого соединены с приемными катушками, а также наземный регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения электрических свойств ropHbJx пород за счет , устранения влияния нестабильности начального сдвига фаз между каналами измерителя разности фаз, в него дополнительно введены интегратор, преобразователь амплитуды сигнала с частотой девиацией в управляющий сигнал и элемент с регулируемой фазочастотной характеристикой, при этом интегратор включен между выходом двухканального измерителя разности фаз и входом наземного регистратора, вход.преобразователя амплитуды сигна-ла с частотой девиации в управляющий сигнал соединен с выходом двухканального измерителя разности фаз, а вы-, ход подключен к управляющему входу элемента с регулируемой фазочастотной характеристикой, включенного между одной из приемных катушек и одним из входов двухканального измерителя разности фаз. 2.Устройство ПОП.1, отличающееся тем, что генераторный блок выполнен в виде низкочастотного переключающего генератора и двухчастотного переключаемого генератора высокой частоты, переключающий вход которого соединен с выходом низкочастотного переключающего генератора, а выход нагружен на одну из излучающих катушек, причем значения , рабочих частот двухчастотного пере- Q ключаемого генератора высокой часто- iS |ТЫ отличаются друг от друга на ве(/) личину удвоенной промежуточной частоты в двухканальном измерителе разности фаз и являются зеркальными по отношению к частоте его гетеродина, а частота низкочастотного переключающего генератора в 5-10 раз выше максимальной частоты гармоник, содержащихся в пространственном спектре регистрируемого сигнала, 3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что двухканальный измеритель разности фаз выполнен с линейной и четной функциональной зависимостью выходного сигнала от величины измеряемой разности фаз. 4.Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, двухчастотный переключаемый генератор высокой частоты выполнен с девиацией рабочих частот на величину, не меньшую,чем отклонение центральных частот под воздействием дестабилизирующих факторов и с фиксированной частотой девиации, находящейся в диапазоне, ограниченном снизу значением частоты низкочастотного переключающего генератора, а сверху значением промежуточной частоты двухканального измерителя разности фаз.