Устройство для импедансного диэлектрического каротажа Советский патент 1984 года по МПК E21B47/12 G01V3/26 E21B47/00 

2, Устройство по п,1, о т ли чающееся тем, что, с целью автоматизации управления частотой опорного генератора ,его вход сое-. динён с выходом вольтметра переменного напряжения на измерительном контуре .

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПЕДА НОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАРОТАЖА, со держащее каротажный зонд-конденсатор, перестраивающийря генератор высокой частоты, опорный генератор стабильной частоты и смеситель, а также частотомер и вольтметр переменного напряжения, имеющие незави симые выходы на наземный регистрирующий блок, отличающеес тем, что, с целью повышения точнос ти измерений и помехозащищенности устройства, в него дополнительно введены измерительный LC-контур, амплитудный детектор, избирательный усилитель, ограничитель, импульсный амплитудно-фазовый детектор, генератор прямоугольных колебаний низкой частоты, переключатель, два полосовых фильтра и усилитель-ограничитель с большим выходным сопротивлением, пр14чем измерительный LC-KOHтур с подключенным к нему зондомконденсатором соединен с усилителемограничителем, вольтметром переменного напряжения и aмплитyдны 1 детектором, между которым и управляющим входом перестраивающегося генератора высокой частоты последовательно включены избирательный усилитель, ограничитель и амплитудно-фазовый детектор, соединенный с генератором прямоугольных колебаний, другой выход которого соединен с переключателем, а к выходам переключателя подключены два полосовых фильтра, -соединенные через усилитель-ограничитель с измерительным контуром, при этом вход управления частотой опорного генератора соединен с наземным регистрирующим блоком, а выход смесителя соединен с входом переключателя. - т:

Изобретение относится к горному делу,в частности к устройствам,приме няемым в разведочной геофизике и пре назначенным для изучения разрезов ги рогеологических скважин,и может быть использовано для изучения разрезов нефтяных, газовых- и иных- скважин, а также для каротажа в процессе ста тической и динамической пенетрации. Известно устройство для волнового диэлектрического каротажа, содержащее каротажный зонд, в котором размещены генератор высокочастотных колебаний, подключенный к генераторному датчику, выполненному в виде индукционной катушки, и измери тель, содержащий измерительные датчики, выполненные в виде индукционных катушек, подключенных к блохам измерения фаз и амплитуд электромагнитного поля tl. При этом мерой диэлектрической проницаемости и проводимости пород, пересеченных скважиной, служат измерения разности фаз или отношение амплитуд электромагнитной волны в двух точках на оси скважины, удален ных от источника поля на заданное расстояние. Недостатком этого устройства является то, что измеряемый парамет (разность фаз или отношение амплитуд 1 является функцией одновременно и диэлектрической проницаемости и проводимости пород. Это требует выполнения измерений либо на сущест венно различных частотах, когда . влиянием одной из указанных характе ристик можно пренебречь, либо испол зования ; для вычисления диэлектрической проницаемости данных об удел ном сопротивлении пород, измеренном на более низкой частоте или даже на постоянном токе. Во всех случаях возникают соответствующие погреш ности в измерениях и вычислениях названнь1х характеристик. Кроме того недостатком устройства, является невозможность одновременных, выполняемых на одной частоте, измерений и диэлектрической проницаемости и проводимости пород, пройденных -сква жиной , а также невозможность выполнять измерения диэлектрической проницаемости низкоомных пород, имеющих удельное электрическое сопротивление менее 4-5 Ом.м. Наиболее близким к изобретению по техническому решению является устройство для импедансного диэлектрического каротажа, содержащее каротажный зонд-конденсатор, перестраивающийся генератор высокой частоты, опорный генератор стабильной частоты . и смеситель, а также частотомер и вольтметр переменного напряжения, имеющие независимые выходы на регистрирующий блок I23. В этом устройстве каротажный зондконденсатор специальной конструкции, который может рассматриваться как зашунтированный активным сопротивлением электрический конденсатор с большим внешним полем рассеяния, включен в колебательный контур перестраивающегося генератора высокой частоты. Мерой диэлектрической проницаемости пород, пересеченных скважин, является частота генератора, зависящая от емкости зонда-конденсатоР Недостатком этого устройства является то, что из-за низкой добротности зонда и необходимости соблюдения условий сохранения автоколебаний в перестраивающемся генераторе, зонд включается в его колебательный контур через разделительную емкость, вследствие чего частота перестраивающегося генератора оказывается сложным образом зависящей не только от величины входной емкости зонда и, следовательно, от диэлектрической проницаемости окружающей зонд среды, но и от величины шунтирующего зонд сопротивления(т.а. от электропроводности изучаемой среды и переходного сопротивления электроды зонда - среда ) и от частоты, на которой выполняются измерения. Возникающая з этот счет погрешность в определениях диэлектрической проницаемости изучаемых пород может достигать нескольких сот процентов, а уменьшение этой погрешности выполняется лишь при специальной обработке результатов измерений. В итоге снижается точность и достоверность получаемых данных, а также помехозащищенность устройства от случайных колебаний шунтирующего зонд сопротивления.

Цель изобрет.ения - повышение точности измерений и по1иехозащищенности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для импедансного диэлектрического каратажа, содержащего каротажный зонд-конденсатор, перестраивающийся генератор высокой частоты, опорный генератор стабильной частоты и смеситель, а также вольтметр переменного напряжения и частотомер, имеющие неэависимые выходы на наземный регистрирующий блок, дополнительно введены измерительный LC-контур, амплитудный детектор, избирательный усилитель, импульсный амплитудно-фазовый детектор, генератор прямоугольных колебаний низкой частоты, переключатель, два полосовых фильтра и усилитель-ограничитель с большим выходным сопротивлением, причем измерительный контур с подключенным к нему зондом-конденсатором соединен с усилителем-ограничителем, вольтметром переменного напряжения и амплитудным детектором, между которым и управляющим входом перестраивающегося генератора высокой частоты последовательно включены избирательный усилитель, ограничитель и амплитудно-фазовый детектор, соединенный с генератором прямоугольных колебаний, другой выход которого соединен с переключателем, выходам переключателя подключены два полосовых фильтра, соединенные через усилитель-ограничитель с измерительным контуром, при этом вход управления частотой опорного генератора соединен с наземным регистрирующим блоком, а выход смесителя соединен с входом переключателя.

С целью дополнительного удобства, т.е. автоматического управления частотой опорного генератора, его вход соединен с выходом вольтметра переменного напряжения на измерительном контуре.

При таком конструктивном выпол- -. нении устройства между зондом-конденсатором и измерительным контуром отсутствует разделительный коненсатор, что делает резонансную частоту контура однозначной функцией лишь емкости зонда-конденсатора вне зависимости от величины шунтирующего сопротивления потерь,

Это существенно повышает помехоустойчивость устройства по отноению к нестабильностям, связанным изменением переходного сопротивения между электродами зонда и кружающей его средой при непрерывом перемещении зонда по стволу кважины. Питание измерительного

контура независимЕлм от него генераТбром и отсутствие в контуре нелинейных элементов позволяет оптимизировать его параметры, поскольку функции погрешности в измерениях вне5 сенной в контур емкости, возникающая за счет влияния изменений сопротивления при определенных значениях характеристического сопротивления контура имеет минимум, что также 0 уменьшает указанную погрешность измерений.

На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2иллюстративный график, поясняющий 5 его работу.

измерительное устройство содержит каротажный зонд-конденсатор 1, измерительный LC-контур 2 с клеммами- для подключения зонда, вольт метр 3 переменного напряжения, амплитудный детектор 4, избирательный усилитель 5, ограничитель б, фазочувствительный синхронный детектор 7, генератор 8 прямоугольных колебаний низкой частоты, перестра5ивающийся генератор 9 высокбй частоты, гетеродинный частотомер 10, опорный генератор 11, смеситель 12, переключатель.13, два полосовых

фильтра 14 -и 15 и усилитель-ограни0 читель 16.

Устройство работает следующим образом.

С генераторов 9 и 11 сигналы поступают на смеситель 12, с выхода 5 которого снимается напряжение, со держащее две частоты и . lAij . Ыд где сОг и LOg - соответ-. .ственно частоты перестраивающегося 9 и опорного 11 генераторов, причем 0 всегда существенно меньше

Это напряжение через переключатель 13, управляемый низкочастотным генератором 8, поступает на полосовые фильтры 14 и 15, где разделяет ся на сигналы двух частот U) и Wj попеременно поступающие через усилитель-ограничитель 16 на измерительный контур 2, составленный из параллельно включенных индуктивности U - и емкости. Сд. При включении в измерительный контур 2 каротажного зонда 1 и перемещении его вдоль скважины, в зависимости от электрических свойств пород меняется входной импеданс (входная емкость и доброт5 ность| зонда 1 и соответственно емкость и добротность измерительного «контура 2, что приводит к изменениям его собственной резонансной час.тоты, а также к изменениям формы 0 (амплитуды и остроты J резонансной кривой контура 2.

Сигнал с перибдически меняющейся частотой u) и W2 f попадая на измерительный контур 2, вызывает низко5 частотную модуляцию его параметров. так как при этом периодически меняется полное сопротивление z контура и на нем возникает модуляция высокочастотного напряжения , амплитуда (м и фаза которого зависит от положения частот LO и u) питающего напряжения относительно резонансной частоты измерительного контура 2. Прямоугольная огибающая модулированного напряжения U вьщеляется амплитудным модулятором 4, усиливается избирательны усилителем 5 и через ограничитель б и синхронный детектор 7 поступает на управляющий вход высокочастотного генератора 9 замыкс1Я тем самым систему автоматической подстройки его частоты. Все УСТРОЙСТВО стремится возвратиться в такой режимJ когда частоты Ыт и Ыт располагаются симметрично относительно собственной резонансной частоты ujp измерительного контура 2 поскольку при этом выполняется равенство модулей ( и ( полного со противления контура на састотах w и 0/2 и на нем исчезает амплитудная модуляция напряжения высокоГ: часто ты, т.е. напряжение и (((z 12 pu становится равным нулю, где 3 ест амплитуда высокочастотного тока, питающего измерительный контур 2. Это в свою очередь означает, что частота ш генератора 9, измеряемая частотомером 10 и передаваемая на регистрирующий блок, становится равной резонансной частоте иЗр измерительного контура 2 с включенны в него зондом 1, а ее значение опр деляется не зависящим от электропр водности изучаемой среды соотношениемр-рч Е где К - коэффициент зонда; ЕХ эффективная диэлектрическа проницаемость окружающей зонд среды. Поскольку в этом выражении все величины кроме f известны и остают ся в процессе измерений неизменным то частота оказывается однозначной функцией искомой величины Е Для получения информации о велиине эффективного удельного электриеского сопротивления р, окружающей зонд среды, определяемого на частоте Ыр, вольтметром 3 измеряется амплитуда высокочастотного напряжения на измерительном контуре 2, связанная с величиной р соотношением U K K-UU; Uijj - амплитуда напряжения на контуре 2; (Дц и г- - соответственно, добротность и характеристическое сопротивление ненагружен.ного контура 2 ; k,- коэффициент зонда (причем все величины кроме 0 известны из конструктивных расчетов устройства и в процессе измерений остаются неизменными ). Кроме того, на управляющий вход опорного генератора 11 с наземного пульта управления (не показан ) может подаваться сигнал, позволяющий ступенчато в заданных пределах менять частоту WQ, изменяя тем самым рэзнос частоты u и , что становится особенно важным при слабо выраженных резонансных кривых измерительного контура 2 из-за низких значений шунтирующего его эквивалентного сопротивления потерь , Процесс подбора частоты Wp может быть и автоматизирован путем использования для этой цели напряжения, снимаемого с измерительного контура 2 и измеряемого вольтметром 3, Введение в устройство новых элементов и связей отличается от прототипа повышенной точностью измерений и возросшей помехозащищенностью, что приводит к увеличению разрешаюгдей способности импедансного диэлектрического каротажа и получению более достоверной информации о свойствах пород, вскрытых скважиной. В итоге возрастет эффективность и информативность импедансного диэлектрического каротажа скважин.