Устройство для электромагнитного каротажа буровой скважины Советский патент 1986 года по МПК G01V3/30 

род выполнен в виде плоскости, параллельной поверхности изолятора, наИзобретение относится к разведке подземных пластов с помощью электромагнитных волн, а точнее к устройствам для электромагнитного каротажа буровой скважины.

Известны методы разведки пересеченных стволом буровой скважины подземных пластов, согласно которым по стволу перемещают зонд и определяют в функции глубины зонда заданные физические характеристики окружающего его пласта при проведении каротажа (диаграфии), благодаря чему можно получить информацию необхо/ ;имости проведения дальнейших исследований и/или промьшшенной разработки минералов из подземных формаций этой скважины,

В ходе измерений используют излучение электромагнитных волн, например производят замеры удельной электропроводности пересеченных стволом скважины формаций при помощи электромагнитной индукции.

Известно устройство для каротажа с помощью электромагнитной индукции, в котором установленная на зонде излучающая катушка возбуждается от генератора с частотой порядка 20 кГц для индуктирования токов в окружающей скважину геологической формации. Величина этих токов зависит от электропроводности формации, в которой они возникают. Токи циркулируют по кольцевьм линиям с центром на оси ствола буровой скважины и вызывают появление электродвижущей силы в одной или нескольких приемных катушках установленных на зонде на определенных расстояниях от излучающей катушки. Анализ параметров выходного сигнала позволяет информацию об электропроводности формаций, пересеченных этими токами-fl .

Измерения удельной электрической проводимости составляют один из основных методов разведки геологически формаций, пересекаемых буровой сквакоторой размещен по криволинейному пути удлиненный элактрод.

5

0

5

0

5

жиной. Их дополнением служат методы измерения электрического удельного сопротивления, основанные на применении устройств с электродами. Они особенно необходимы при заполнении ствола разведочной буровой скважины раствором, предназначенным для стабилизации ее стенок, слабо проводя- 1ЦИМ электричество и не дающим возможности использования устройств с электродами 21.

Известны устройства для измерения некоторых характеристик сред, окружающих буровую скважину, в которых использовано распространение электромагнитной энергии, в этих средах при частотах, значительно более высоких, чем частота, используемая при осуществлении индукционного каротажа. В этих устройствах используются радиочастоты, диапазон которых от низшей частоты порядка 1 МГц до частоты порядка гигагерц (III),

Известно, что характеристические параметры распространения электромагнитной волны в среде типа геологических формаций зависят и от электрической проводимости этих формаций и их диэлектрической постоянной.

Затухание электромагнитной волны, распространяющейся на расстоянии в среде рассеивающей электромагнитную энергр Гю, меняется согласно выражению

,-JKP

(1)

где 6 - символ экспоненты

j - оператор комплексных чисел; D - расстояние, пройденное энергией,

К - волновое число - постоянная распространения, определяемая по формуле

K - aijUot6 fjCcii)

(2;

В этом уравнении:

UJ - круговая частота для рассматриваемой частоты (о) 2 frf),

(U - магнитная проницаемость рассматриваемой среды,

6 - удельная проводимость среды, изучаемой на проводимость,

- диэлектрическая постоянная

или диэлектрическая проницаемость этой среды.

Если рассмотреть непро водящую среду, в которой G равно О, то из уравнения (2) следует, что постоянная К. является действительным числом.Тогда показатель экспоненциальной функции в выражении (1) является мнимым членом которому соответствует лишь фазовый сдвиг в выражении затухания передаваемых сигналов, Иначе говоря,распространение электромагнитных волн в такой срде происходит без суммарного затухания энергии при существовании лишь геометрического затухания по амплитуде.

Если электрическая проводимость возрастает (например, проводящий буровой раствор), то наступает момент, когда член становится много больше члена joj . Из формулы (2) видно, что член К становится мнимым. В выражении (1) показатель степени становится членом, имеющим составляющую и действительную составляющую, в сущности равные между собой.

Когда постоянная распространения К продолжает возрастать с электрической проводимостью, действительная составляющая затухаш л пастет экспоненциально вместе с К. Из анализа следует, что в первой аппроксимации сдвиг фаз растет с диэлектрической . проницаемостью, тогда как затухание амплитуды растет с электрической проводимостью.

Чтобы измерить характеристические параметры распространения электромагнитной воЛны, передаваемой на радиочастоте в подземную формацию от передатчика, используют обычно по меньшей мере два приемника, продольно разнесенных друг относительно друга. Расстояние от передатчика до наиболее близкого из приемников в направлении ствола буровой скважины определяется поперечной глубиной формации, проводимость которой измеряется. Расстояние между приемниками определяется толщиной формации, используемой для замера характеристик распространения излучаемой волны. Этими характеристиками являются

0

5

относительное затухание сигналов, уловленных наиболее близким и наиболее удаленным к передатчику приемником, и фазовый сдвиг между сигналами, принятыми такой парой приемников. Влияние электрической проводимости формаций на затухание и фазовый сдвиг становятся решающими с понижением частоты разведки. И наоборот,

0 по мере увеличения частоты в область сверхвысоких частот становится решающим влиния диэлектрической постоянной или диэлектрической проницаемости пересекаемой зоны формации по

5 сравнению с электрической проводимостью.

Для замера характеристических параметров формации, а именно удельной электрической проводимости и диэлектрической проницаемости или диэлектрической постоянной, проводят два замера распространения электромагнитных волн для каждой из зон исследуемой формации, например, измерение относительного затухания и измерение относительной фазы.

Известно устройство, работающее в области сверхвысоких частот (микроволн) , для определения характеристик распространения электромагнитных волн в среде, непосредственно окружающей стенку скважины, пересекающей подземные образования. Такое устройство содержит зонд, снабженный баш5 маком, предназначенным для прижима к стенке скважинв ствола, по которому его перемещают. На башмаке установлены передающая антенная и несколько приемным антенн типа объемных ре0 зонаторов. На рабочей частоте 1,1 ГГц измеряют затухание и фазовый сдвиг волн, уловленных приемными антеннами, с целью нахождения величины диэлектрической постоянной зоны малой

5 .толщины вокруг ствола скважины непосредственно позади слоя бурового раствора (или глинистой корки). На столь высоких частотах величина диэлектрической постоянной среды ока0 зывает определяющее влияние на замеры затухания и фазового сдвига в ущерб электрической проводимости, влияние которой на замеры слабеет по мере повьш1ения частоты. Сочетание

5 замеров затухания и фазового сдвига дает возможность полностью исключить влияние последнего фактора на определение диэлектрической постоянной

0

или диэлектрической проницаемости исследуемой среды 14J,

Однако использование сверхвысоких частот ограничивает глубинность исследований с

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для электромагнитного каротажа буровой скважины, содержащее зонд для перемещения в буровой скважине, электроды подсоединения к электрической схеме, размещенные на этом зонде для осуществления преобразования между электрическими сигналами в зонде и сигналами электромагнитной энергии, распространяющимися в окружающей среде 5 .

Замеры затухания и относительной фазы волн, распространяющихся через подземные формации, выполняются по- разному при данном расстоянии между исследуемой зоной и осью ствола.

При необходимости достичь больших глубин разведки приходится разносить ,электроды на расстояния, делающие их установку на бащмак сложно вьшолни- мой. Тогда их устанавливают непосредственно на корпусе каротажного зонда.

Если расстояние, проходимое волнами между электродами, растет с глубиной разведки и зату:хание электромагнитной волны в среде ее распространения является возрастающей функцией частоты, используют более низкие рабочие частоты, например, 20 30 МГц.

Чтобы получить замеры фазового сдвига, вызванного распространением в зоне подземного образрвания, расположенного на определенном расстоянии от скважины, используют электроды, расположенные от передатчика на расстоянии, большем того, которое их отделяет от электродов, предназначенных для замера затухания волны в этой же зоне.

Используемые для электрического каротажа преобразователи излучения, а именно излучатели и .приемники, должны удовлетворять определенным условиям. В частности, они должны бьггь приспособлены к передаче энергии в сильно рассеивающие зоны, в зоны, где передача энергии сопровождается сильными потерями. Во вре- мя передачи такие преобразователи , должны передавать в окружающую среду большие количества энергии, во время

10

20

25

55

22:58496

приема они наоборот должны улавливать часто чрезпычаЙ11О низкие уровни сигналов. Кроме того, преобразователи должны облад.ать особыми свойствами по направленности. При электромагнитном каротаже волны распространяются в })аправлении подземных формаций,а не продольному в стволе скважины. Поэтому так важно предусмотреть, чтобы используемые при каротаже преобразователи обладали выраженными - свойствам - направленности.

Применение катушек в некоторой степени дает возможность устранить недостатки, .присуище антеннам, образованным обкладками конденсаторов. В частности, катушки могут функционировать в слабо проводяищх буровых растворах Однако замечено, что у этого улучщения есть свои пределы и что уровень сигналов, приходящих к приемникам после распространения сквозь подземные формации, часто чрезвычайно мг1л. Для устранения искажений уловленных приемниками сигналов возникает необходимость в применении чрезвычайно чувствительных электронных схем, что делает реализацию устройства более трудной, а его работу более сложной. Особенно это характерно для устройств, работающих вместе с относительно удаленной от передатчика парой катушек, где есть устройства, действующие по замеру сдвига фаз, соответствующего изучаемой формации.

Кроме того, следз ет учитывать, что затухание электромагнитной волны в среде ее распространения резко возрастает с электрической проводимостью этой среды. Поэтому при использовании известных устройств с падением удельного сопротивления бурового раствора менее О,1 Ом на метр затухания волн в буровом растворе при передаче и приеме становятся такими, что от приемников невозможно получить пригодные к обработке показания о распространении волн через рассматриваемые формации.

Увеличивать мощность, излучаемую катущками, можно путем увеличения их диаметра, преимуществом чего является таюке уменьшение толщины бурового раствора, пересекаемого электромагнитной эгергией, выходящей из этих катушек, и соответствующего затухания. Однако возрастание.внешнего диа30

35

40

45

50

метра устройства ограничено размерами скважин, в которых оно должно использоваться, и габаритными соображениями .

В области авиационной и космической связи известно использование антенн, образованных диэлектрической пластинкой, на поверхности которой располагается удлинеиньй проводяи й элемент, тогда как другая ее поверхность металлизируется для образовани второго проводящего элемента или плоскости массы. В таких двухпластин чатых антеннах использованы методы изготовления печатных плат. Их преимуществом является относительная простота согласования с формой авиа ционных или космических устройств при относительно ограниченном объеме Они хорошо показали себя при всенап- равленной передаче в вбГздухе или в вакууме, где распространение электромагнитных волн происходит практически без потерь. Отдача таких антенн возрастает в квадрате использованной частоты и вполне приемлема для использования при связи на частотах до нескольких сот мегагерц Но она не настолько велика, как у классических авиационных антенн, размеры которых возрастают в функции длины волны распространения излучения, которое они должны передавать в воздухе или в вакууме. Однако с учетом малого затухания, вносимого средой распространения, ухудшение отдачи двухплас.тинчатых антенн компенсируется их преимуществами, особенно в отношении габаритов.

Целью изобретения является повышение точности измерения характеристик распространения электромагнитной волны в среде, окружающей ствол буровой скважины, пересекающей геологические формации.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для электромагнитного каротажа буровой скважины, содержащем зонд для перемещения в буровой скважине, электроды, подсоединенные к электрической схеме, размещенные в этом зонде для осуществления преобразования электрических сигналов генерируемых в зонде, и сигналов электромагнитной энергии, распространяющихся в окружающей среде, упомянутый зонд имеет по меньшей мере одну антенну, содержащую удлиненньй электрод, и электрод, расположенный напротив и на заданном рас- стоялии от удлиненного электрода по всей полезной длине последнего, при

этом противоположные участки удлиненного электрода и электрода разде- лены изолятором и соединены электрически друг с другом у одного из концов длины удлиненного электрода,

причем конец удлиненного электрода электрически соединен с электродом при помощи катушки индуктивности, удлиненный электрод размещен по криволинейному пути, параллельно заданной поверхности изолятора, электрод параллелен этой поверхности, а удлиненный электрод расположен на внешней стороне зонда.

При этом электрическая связь между электродами выполнена в виде ко- роткозамкнутой перемычки, и полезную длину удлиненного электрода, отсчитанную от его короткозамкнутого концы, выбирают в функции длины волны

распространения электромагнитной

энергии заданной частоты в изоляторе.

Кроме того, упомянутая антенна соединена электрическим кабелем для передачи электромагнитной энергии с

заданной частотой между антенной и электрической схемой в зонде, при этом оболочка коаксиального кабеля подключена к электроду, а электрическая жила - к удлиненному электроду

в месте, необходимом для согласования импеданса антенны с импедансом

коаксиального кабеля. I

Электрод выполнен в виде плоскости, параллельной поверхности изолятора, на которой размещен по криволинейному пути удлиненный электрод. Улучшение возможностей устройств электромагнитного каротажа достигается увеличением мощности излучения,

создаваемой этими устройствами, в пределах размеров зондов, действую- шрх в эксплуатационных условиях в буровых скважинах.

Устройство содержит в качестве

преобразователя излучения настоящую антенну, которая может быть при необходимости согласована в функции частоты передаваемого излучения. Для этого электрическая связь меязду двумя элементами является короткозамк- нутой,.и полезная длина первого элемента настраивается в функции длины волны распространения упомянутой

9

электромагнитной энергии в непроводящей среде.

Указанные антенны могут быть эффективно приспособлены для использования в устройствах каротажа для передачи или приема излучений вблизи ствола буровой скважины при существовании в плоскости отдачи эксплуатационных характеристик, намного превышающих характеристики излучающих систем известных устройств.

Такую антенну можно реализовать, используя технологию производства так называемых двухпластинчатых линий, согласно которой первый удлиненный проводящий элемент - электрод наносится с помощью печати на первую поверхность пластины из изолирующего материала, тогда как другая поверхность металлизируется образования второго проводящего элемента или плоскости массы. Эта технология используется для получения антенн, преднаэначенных для ненаправленной передачи электромагнитных изл чений в непоглощающей среде типа воздуха или вакуума, т.е. в которой распространение эоектромагнитных волн происходит практически без потерь, что существенно для передачи информации

Такие антенны с хорошими зксплу- атационными характеристиками могут работать в сильно поглощающих средах типа тех, в которых происходит изменение при каротаже стволов бзфсвых скважин, 1,ля выполнения замеров искажений передаваемых электромагнитных сигналов. Кроме того, в средах, окружающих ствол буровой- скважины, в частности, в жидкостях типа буровых растворов, такие антенны действуют с очень хорошей отдачей на часто- тых порядка нескольких десятков мегагерц, используемых в устройствах для электромагнитного каротажа при глубинной разведке о Полученная отдача значительно превышает отдачу тех же антенн в воздухе или в вакууме при тех же частотах Этот эффект чрезвычайно благоприятен при относительных размерах распространения иа- лучения в таких средах Ведь чем больше мощность, излученная при передаче, и чем больше мощность сигнала на входе приемника после рас пространения в излучаемой среде,, тем проще и точнее могут быть соответ- ствуннцие замеры затухания и/или фа- .зового сдвига.

o

5

5

3849И)

Можно приспособить антенны указанного типа для придания им соответствующих характеристик направленности, пригодных гдля каротажа в скважинах. с В то же время, регулирование механической длины антенны, установленной, например, на корпусе каротажного устройства, вызывает фазовьш сдвиг токов по длине антенны, что способствует распространению излучения в окружающую среду в поперечном направлении относительно корпуса между передающей и приемной антеннами.

Применение антенн указанного типа в устройствах для каротажа буровых скважин дает значительный эффект.

Непроводящая среда зонда является пластиной из диэлектрического материала. Согласно другому варианту Q конструкции, приспособленному для работы в устройстве на низких частотах, непроводяш 1й материал зонда является магнитным материалом с большой магнитной проницаемостью.

Согласно предпочтительному варианту импеданс каждой антенны согласуется с им17едансом коаксиальной линии связи путем регулировки положения точки подключения жилы коаксиальной лин51и связи по длине первого проводящего элемента.

Б одной из конструктивных форм антенна устанавливается на корпусе устройства. Желательно первый проводящий элемент разместить вокруг этого корпуса для уменьшения его длины параллельно продольному размеру последнего. Второй элемент, образую- пщй и илиндрический элемент массы, расположен внутри первого элемента.

Тогда второй элемент может играть роль экрана относительно первого элемента против воздействия помех от сиА налов внутри зонда, например от тока,, питающего генератор передатчика В частности, можно продлить второй элемент за пределы антенны для образования трубы экрана зонда изнутри,, где идут проводники пита- НИН ехем устройства. Для улучшения защиты конструкции антенны предусмотрены различные варианты, предельно уменьшающие или совсем исключающие распространение электромагнитной энергии с поперечной модой (вол- 3 на типа ТЕМ) от передатчика к при- ем-никам, обеспечивающие также наилучшую планировку внутреннего про- .странства устройства.

0

0

0

Когда второй элемент антенн образует цилиндрический элемент массы внутри первого элемента, можно продлить последний с одной и с другой стороны антенны для получения непосредственного электрического контакта с внешней частью зонда. Предпочтительно образование зонда с помощью трубчатой стальной конструкции, часть которой используется для образования второго антенного элемента закрытого диэлектрическим материалом, служащим опорой для первого или излучающего элемента антенны.

Таким образом, в предлагаемом устройстве корпус зонда является проводником. Такая конструкция может найти применение во всех областях частот использования устройства, в том числе и при наиболее низких частотах. При этом появляется возможность сочетания устройств, использующих электромагнитные излучения, с устройствами, где применяются другие типы физических явлений. Один из вариантов конструкции предусматривают металлический электрод-проводник тока поперек исследуемой формации для измерения удельного сопротивления вместе с антенной указанного типа, второй проводящий элемент которой электрически соединен с корпусом электродао

Можно предусмотреть увеличение отдачи антенн, используемых в предлагаемом устройстве, по сравнению с традиционными катушками, используемыми в устройствах для каротажа буровых скважин. Минимальные регистрирующие мощности распространения излучения стали на порядок больше по величине в сравнении с ранее получаемыми Такое улучшение значительно расширяет возможности предлагаемых устройств и область их применения, особенно когда антенны используются и как приемники, и как передатчики, при этом эффективность излучающей системы оказывается большей в несколко тысяч раз.

Устройства, снабженные антеннами указанного типа, дают возможность разведки сред, окружающих ствол скважины, в которой удельное сопротивление бурового раствора значительно меньше величины, которую раньше считали минимальной для точной работы устройств с электромагнитным распространением. Предлагаемые устройства

5

0

5

обладают уменьшенными как внешними, так и внутренними габаритами

Рассмотренные антенны особенно хорошо сочетаются с монтажом на корпусе устройств глубинной разведки, которые должны действовать на частотах порядка несколько десятков мегагерц, как и устройства на катушках.

Вместе с тем обнаружено, что эти антенны могут применяться с устройствами для электромагнитного каротажа в относительно низкочастотном диапазоне, например ниже 10 МГц, что особенно предпочтительно при использовании материала с большой магнитной проницаемостью между двумя проводящими элементами антенны, а также могут использоваться в более высокочастотном диапазоне, например более 200 МГц, В частности, в последнем случае сравнительно просто получаются антенны, устанавливаемые на башмаках.

На фиг, 1 схематично изображено известное устройство для электромагнитного каротажа, на фиг, 2 - электрическая схема подключения известной антенны, на фиг, 3 - антенна двух- пластинчатого типа, на фиг, 4 и 5 - схема конструкции и подключения двух- пластинчатой антенны, на фиг, 6 - антенна для корпуса зонда, на фиг, 7 - другая форма конструкции антенны для корпуса зонда ,на фиг. 8 - схема монтажа антенны на устройстве для электромагнитного каротажа, на фиг,9 - вариант конструкции антенны для корпуса зонда на фиг, 10 - зонд для каротажа, снабженный антеннами на корпусе , на-фиг, 11 - вариант конструкции зонда; на фиг. 12 - то же, разрез по диаметральной продольной плоскости, на фиг, 13 и 14 - схемы подключения двухпластинчатых антенн на фиг, 15 - двухпластинчатая антенна в форме диска , на фиг. 16 - башмак устройства для каротажа, содержащий двухпластинчатые антенны, на фиг, 17 - второй вариант конструкции башмака, на фиг. 18 - третий вариант 0 конструкции башмака; на фиг, 19 - схематичное изображение конструкции устройства в сочетании с электродами и антеннами.

Буровая скважина 1 (фиг. 1), ограниченная стенкой 2 скважины, проходит сквозь геологические формации 3 от поверхности почвы 4 в вертикальном направлении. Скважина заполнена

0

5

0

5

5

3

буровым раствором 5, причем плотность бурового раствора определяется и регулируется с тем, чтобы гидростатическое давление, создаваемое буровым раствором на стенку 2 буровой скважины 1, уравновешивало внутрен- нее давление пройденных формаи й и обеспечивало поддержание целостности стенки 2, В буровой скважине 1 подвешено устройство 6 для электромагнитного каротажа (диаграфии), Оно -|крепится на кабеле 7, служащем для его механической подвески,, во время перемещения в буровой скважине 1 и для электрической связи устройства

6с наземным пунктом каротажной станции 8. На своем пути к этой станции кабель 7 проходит по блок-балансу 9, угловое перемещение которого дает возможность отслеживания и:зменений глубины устройства, а также позволяет управлять регистрирующим носителем, магнитным или фотографическим, например, в устройстве 10 регистрации для осуществления измерений или диаграфии данных, переданных от устройства 6 по кабелю 7, в-фyнкцJiи устройства 6.

Устройство 6 содержит удлиненный корпус 11 зонда или патрон, подвешенный за верхний край 12 на кабеле

7и содержащий внешнюю оболочку

13,предназначенную для изоляции рабочих частей устройства от скважины 1. По соседству с внутренним краем корпуса 1i установлен излучатель

14,образ ованный антенной, предназначенной для передачи электромагнитной энергии на радиочастотах в непосредственные окрестности ствола буровой скважины 1 и прилегаюш 1х формаций 3 „ Над излучателем 14 на корпусе 1f установлена первая пара приемных антен 15 и 16, вертикально разнесенных на

заданное расстояние. Расстояние межI /

ду излучателем 14 и серединой L 2 интервала, разделяющего приемную антенны 15 и 16, равно Dfi .

Над этой парой антенн на корпусе 11 установлена другая пара приемных антенн 17 и 18, также разнесенных продольно Середина Li интервала между этими антеннами располагается на расстоянии Df из излучателя 14, . превышающем расстояние Ои .

Излучатель 14 предназначен для излучения электромагнитной волны в двугранный угол 360 вокруг оси корпуса 11 зонда с Он получает питание

49

от генератора 19, расположенного внутри оболочки 13 при помощи коаксиального кабеля 20. Генератор 19 управляет также генератором 21, предназначенным для работы на несколько более высокой или низкой частоте (со сдвигом на несколько десятков килогерц)о

Приемные антенны 15 и 16 предназначены для выявления электромагнитных излучений, достигающих приемники после распространения через формации 3 в двугранном угле 360 вокруг оси ствола буровой скважины 1. Они подключены к амплитудноку компаратору 22, воспринимающему частоту с вьпхода, генератора 21 на своем входе 23,

Приемные антенны 17 и 18 соедине- нены со входами фазового детектора 24, на вход 25 которого поступает частота с выхода генератора 21„

Приемные антенны 15 и 16 соединены с амплитудным компаратором 22 по коаксиальным кабелям 26 и 27 соответственно. Приемные антенны 17 и 18 соединены с фазовым детектором 25 коаксиальными кабелями 28 и 29 соответственно. Амплитудный компаратор 22 и фазовьй детектор 24 содержит каждьпЗ; смеситель сигналов, поступаю- щих от генератора 21, и сигналов, воспринимаемых приемными антеннами 15, 16 и 17, 18 соответственно, с цел:1 ю получения сигналов с относител:ьно низкой частотой (несколько десятков килогерц) для определения, с одной стороны, разницы амготитуд сигналов, принятых приемными антеннами 15 и 16, и, с другой стороны,

разности фаз сигналов принятьк приемными антеннами 17 и 18. Два соот- ветств тощих типа информации появляются на выходах 30 и 31 амплитудного компаратора 22 и фазового детектора. 24 соответственно и передаются на поверхность по кабелю 7 к устройству обработки 32,, предназначенному для подачи на регистрирующее устройство 10 сигналов каротажа, предста.вляющих, например, диэлектрическую постоянную и/или электрическую проводимость исследуемых формаций при помощ:и распространения волн, излучаемых излучателем 14,. Кабель 7

обеспечивает подачу энергии к гене-Y ра Торам 19 и 21, а также к амплитудному компаратору 22 и фазовому детектору 24, расположенным в зонде 11.

Однако при применении таких устройств возникают определенные трудности из-за недостаточной мощности электромагнитного излучения, которое они могут обеспечить в исследуемых формациях. Уак, если затухание электромагнитных волн, распространяющихся в некоторой среде, возрастает с проводимостью этой среды, невозможно использовать такие устройства в буровых растворах С удельным сопротивлением менее 0,1 Ом на метр, что значительно сужает область их применения .

Излучатель 14 и приемные антенны 15 и 16 таких устройств обычно, состоят из катушек с малым числом витков, например двух, устанавливаемых на изолирующей втулке, сделанной, например, из керамики. Известны по-г пытки увеличения мощности излучения, создаваемой с помощью таких катушек. Однако эти усилия наталкиваются на габаритные пределы буровых устройств и на электрические мощности, которые могут быть созданы в устройствах, повешенных на конце кабеля длиной в несколько тысяч метров.

Антенна 33 двухпластинчатого типа (фиг. 3) образована сочетанием двух металлических элементов, нанесенных с обеих сторон диэлектрика с использованием методов, применяемых при изготовлении печатных схем. Плоская диэлектрическая пластина 34 содержит на одной из своих поверхностей 35 проводящую медную пластину 36, имеющую в данном случае криволинейную форму и выполненную в виде плеча на диэлектрической пластине 34. Таким диэлектриком может быть, например, высокотемпературная керамика. Противоположная поверхности 35 диэлектрической пластины 34 поверхность 37 полностью закрыта металлическим покрытием, т.е. пластиной 38, вьтолнен ной, например, из меди, алюминия или инвара. Край 39 металлической пластины 36 диэлектрически соединена с металлическим покрытием 38 при помощи короткозамкнутой связи 40 через диэлектрическую пластину 34. Со стороны нижней поверхности 37 к антенне 33 проходит коаксиальный кабель 41. Оболочка этого кабеля 41 электрически соединяется с пластиной 38, тогда как его жила после прохода сквозь диэлектрик припаивается к

пластине 36 в точке 42, расположенной на заданном расстоянии от края 39. Криволинейная длина пластины 36 на диэлектрической пластине 34 между одним ее краем 39 и другим 43 электрически, не подключенным, равна в данном случае четверти длины волны распространения рабочей частоты антенны.

Пластину 38 обычно называют плоскостью массы, а пластину 36 рассматривают как собственно излучающий элемент.

В общем случае пластины, содержащие первый и второй металлические элементы из параллельных пластин 36 и 38, разделены непроводящей средой, образованной, например, твердой диэлектрической пластиной 34. Эти элементы электрически соединяются друг с другом у края, причем длина первого элемента определяется в функции длины волны, с которой электромагнитные сигналы распространяются в диэлектрике, разделяющем проводящие элементы при заданной частотео Известно, что когда длина антенны передающей электромагнитное излучение, равна четверти длины волны этого излучения или кратна последнему, то входной импеданс антенны является действительнымо В этом случае достигается оптимальность излучения такой антенны.

В антенне этого типа проводящие элементы разделены диэлектриком и расположены друг против друга, но для работы необязательно, чтобы второй проводящий элемент, соответст- вующий по фиг. 3 пластине 38, простирался по всей поверхности.

Можно реализовать антенны, у которых второй проводник также является удлиненным элементом, располагающимся параллельно пути первого проводника и напротив последнего. Такое расположение, при котором второй элемент простирается в двух направлениях по плоскости или поверхности массы, дает определенное преимущество.

Когда рабочая частота антенны относительно низка, например, порядка нескольких десятков мегагерц, четверть длины соответствующей волны в воздухе представляет сравнительно большую величину в сравнении с размерами устройств для проведения ка17 .

ротажа буровьк скважин. При частоте 25 МГц четверть длины волны распространения излучения в воздухе равна примерно 3 м. Если антенна устанавливается не в -воздухе, а в диэлектри ческом материале (фиг. 3), длина волны, излучаемой в этот диэлектрик, меньше длины волны излучения в воздухе в силу большего значения дщ- электрической постоянной материала. Это ясно из соотношения (2), определяющего постоянную распространения Ко Когда проводимость О среды, в которой помещена антенна, нулевая, можно записать уравнение

K u) . Зная, что при нулевой проводимости постоянная распространения равна

К.217л.

гдеЛ - длина волны, можно записать

А-гТи} .y/uo t

Если диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала, на котором нанесен первый элемент, превышает 1, т. е. диэлектрическую проницаемость воздуха или вакуУма, то длина волны распространения излучения в этой среде уменьшается в функции квадратного корня этой диэлектрической проницаемости. Для диэлектрической среды с проницаемостью, равной 4, длина соответствующей волны будет порядка половины длины волны распространения излучения той же частоты в воздухе. Отсюда следует, что длина антенны, согласованной для четверти или половит ны длины волны, может быть разделена на два, когда эта антенна помещается в диэлектрик. Тогда при частоте .. 25 МГц длины антенны, необходимая для получения хорошей отдачи в диэлектрике, равна 1,5 м. Предусмотрены различные меры для реализации таких антенн в минимальных габаритах устройства для проведения каротажа буровой скважины.

Когда частота излучаемого сигнала возрастает, уменьшается соответствующая длина волны и можно придать антенне длину, равнзпо половине длины волны излучения в диэлектрике, В этом случае коротко замыкают два края первого элемента - пластины 36

2384918

с плоскостью массы, т.е. пластины 38, Разумеется, по мере возрастания час- тот) излучаемых электромагнит гьЕХ волн можно увеличивать длину антенны 5 относительно длины волны в диэлектрике при заданных габаритах, что в любом случае является фактором увеличения отдачи.

Испытания антенн рассмотренного

10

типа показали, что, с одной стороны.

антенны могут быть удовлетворительным образом применены для обмена энергией излучения с сильно поглощающей средой для излучения распространения электромагнитного излучения в этих средах, с другой стороны, с их ПОМОЩЬЮ можно получить значительную отдачу как при передаче, так и при приеме в ходе измерений электромагнитного распространения в буровых скважинах по сравнению с традиционными катушками, используемые Б этой области. В первом случае следует отметить, что свойства двухпластинчатых линий

открыты и использованы для передачи электромагнитных сигналов в таких средах, где затухание при распространении сигналов чрезвычайно слабо о Опыты показали, что антенны описанного типа могут удовлетворительно работать в сильно поглощающих средах, а что в устройствах для каротажа буровых скважин, работающих в буровом растворе, эффективность антенн превышает эффективность, которую они имеют в воздухе или вакууме при прочих равных условиях.

В воздухе эти антенны имеют отдачу, которая возрастает в квадрате

передаваемой частоты. При использовании антенн для космической или авиационной связи они действуют на частотах в несколько сот мегагерц с отдачей., которая,, хотя и меньше отдачи классических авиадаонных антенн, ,но вполне приемлема для связи при передаче в иепоглощающей среде. Таким образом, эти антенны могут использоваться с превосходной отдачей в условияк стволов буровых скважин на частотах гораздо более низких, чем существующие частоты их использования в воздухе или вакууме. Речь идет о частотах в несколько десятков мегагерц, соответствующих частотам, используемым в устройствах электромагнитного распространения для глубинной разведки.

19

Объяснение такого вызода можно получить, если рассмотреть приближенное соотношение

(-1у

(4)

где R j t

Л сопротивление излучения ан- тенны

механическая длина или эффективная высота антенны, длина волны распространения излучения в среде, в которо находится антенна. Энергия излучения, принятого или излученного антенной, является по . своей природе активной. Сопротивлением излучения г. называют величину фиктивного сопротивления, которое создаст тепловое рассеяние энергии, эквивалентное излученной энергии. Тогда чем больше сопротивление излучения антенны, тем больше мощность, которую она может передать. Отдача 1, антенны может быть охарактеризована путем.учета, с одной стороны, сопротив:}ения излучения, соответствующего полезной передаче энергии,а,с другой стороны,сопротивления потерьЯ 1--Rr-/{Rf«-Rp)

Если paccMoi peTb сопротивление излучения антенны з воздухе или вакууме, то

«---(Ы

(5)

где

АОделится согласно вьфажению воде .

Постоянная воды i равна примерно 80,. следовательно сопротивление излучения Р-г в воде примерно в ВО раз больше, чем в воздухе Отсюда следует, что при определенной отдаче антенны Т- в воздухе соответствующая отдача этой же антенны в воде значительно больше и приближается к 1 в замере, когда сопротивление потерь ftr, которое не изменялось, может быть принято пренебрежимо малым по сравнению с сопротивлением излучения антенны в воде.

Соотношение (5) справедливо для непроводящей среды. На практике рассмотрение соотношения (2), определяющего постоянную распространения, позволяет прийти к вьшоду, что если

длина волны излучения в воздухе.

Длина волны излучения в воде опре(5): Л в

1223849 °

проводимость окружающей антенну ере

5

5

ды не является нулевой, то длина волны распространения стремится еще уменьшиться относительно ее значения в непроводящей среде.

Это дает возможность эффективно приспособить антенны рассматриваемого типа к конкретным условиям их ис пользования в устройствах для проведения каротажа. Кроме того, появляется возможность удовлетворения габаритных ограничений таких устройств, наряду с приданием определенной направленности при передаче энергии в поперечном направлении относительно направления буртовой скважины. На практике можно поместить пластину из изолирующего материала таким образом, что та из ее поверхнос- 0 тей, на которой нанесен первый проводящий элемент, оказалась на поверхности устройства, будь то корпус или башмак. При необходимости этот проводящий элемент может быть нанесен на поверхность корпуса зонда или башмака с целью придать антенне необходимую электрическую длину при сохранении ее механической длины в размерах, совместимых с размерами устройства. Более того, механическая длина антенны может приспосабливаться в функции характеристик направленности, которыми должно обладать устройство Направленность антенны за- . висит от сдвига фаз токов на единицу механической длины вдоль антенны Желательно, чтобы длина антенны была достаточной для получения такого фазового сдвига токов, которьй способствует работе антенны в определенных направлениях в ущерб другим, чего обычно достигают, предусмотрев длину антенны порядка величины длины волны излучения во внещней для

антенны среде.

В отношении значительного улучшения отдачи антенны в сравнении с катушками, традиционно используемыми при замерах рассматриваемого типа, можно сказать следукицее.

Установлено, что отдача традиционных катушек чрезвычайно мала. Преобразователь излучения таких катушек (фиг. 2) типа излучателя 14, образованного кйтушкой 44, может быть представлен схемой, состоящей из катушки индуктивности 45, соединенной последовательно с резистором 46, подключенной к выходу коаксиального кабеля 47,

0

5

0

5

0

5

с генератором 48, Импеданс такой катушки 44 является в значительной степени реактивным из-за значительной величины индуктивности 4.5, тогда как коаксиальная линия связи - кабел 47, предназначенная для питания этой катушки, рассчитана на передачу к катушке, в основном, активной излучаемой энергии. Неверное согласование импедансов и яв/гяется причиной плохой отдачи энергии высокой частоты от генератора 48 к антенне-катушке 44, Оно выражается в создании системы стоячих волн между генератором 48 и антенной-катушкой 44 через коаксиальную линию связи - кабель 47, поддержание которой поглощает весьма значительную часть энергии, передаваемой этой линии, В этих условиях отдача при передаче энергии между генератором 48 и катушкой 44 не превьшзает 10%, Аналогичное явление наблюдается и в коаксиальных линиях связи приемных антенн.

Лишь небольшая часть энергии, дос тигающей катушки 44 ( в случае излучателя) , преобразуется в энергию излучения, распространяемого снаружи устройства 6 (фиг, 1), причем эта энергия соответствует сопротивлению излучения,так как имеются значительные потери,вызванные существованием эфЛекта Джоуля в обмотке катушки.

Эти омические потери суммируются с диэлектрическими потерями, вызываемыми емкостной связью между проводниками катушки и другими частями устройства, соединенными с массой. Поэтому мощность, излучаемая наружу катушки, представляет долю в несколько процентов от мощности, эффективно достигающей этой катушки, В сумме мощность, излучаемая системой с катушкой, не превьш1ает примерно 1% мощности, доступной на выходе питающего reijepaTopa, Аналогичные явления влияют на отдачу катушек при их использовании в качестве приемников.

По сравнению с этими катушками предлагаемые преобразователи излучения представляют собой настояш;ие антенны, длина которых может быть согласована в функции частоты излучения которое они передают при существо

са, что является условием хорошей отдачи при работе. Поэтому импеданс таких антенн-имеет очень незначительную реактивную составляющую в

отличие от катушек, укаяа {ный результат можно достичь, применяя предлагаемую конструкцию при ее размерах, совместимых с размерами устройств, предназначенных для использования в стволах буровых скважин.

Активная cyiuHocTb импеданса обеспечивает преимущества не только при создании благоприятных резонансных, условий преобразования антенной - электрической энергии в энергию электромагнитную, но и в плане отдачи при передаче электрической энергии вдоль коаксиальной линии связи, соединяющей антенну с взаимодействующей с ней электронной схемой. При этом исключаются потери сигнала, присущие катушкам.

Кроме того, эти антенны дают возможность очень простого согласования импеданса антенны с импедансом коаксиального кабеля, соединяющего ее с электронньц-ш схемами подачи питания или обработки сигнала,

В двухпластинчатой антенне по фиг, 4 генератор 49 подключен к одно- концу 50 коаксиальной линии связи - кабелю 41, тогда как на другом конце оболочка 51 подключена к плоскости массы - пластины 38 перпендикулярно ей, жила коаксиального кабеля 52 изолирована от плоскости массы- пластины 38 и пересекает диэлектрическую пластину 34 для стыковки в точке 42 соединения. Плоскость массы - пластины 38 образует электрический экран между пластиной 36, образующей чувствительную часть антенны-катушки 44, и электронными схемами, расположенными позади плоскости массы. Точка соединения 42 оболочки 51 кабеля 41 располагается на расстоянии оС от края 39 короткозамыкающей пере-

мычки антенны 33, выбранного для осуществления согласования импеданса, используя пластину 36 в роли автотрансформатора. Представленная на фиг. 5 схема такой антенны 33 содер- кит между краями 39 и 43 пластины 36 катушку индуктивности, число витков которой соответствует длине этой пластины, и емкость С, эквивалентную емкостной связи, су1дествующей между пластиной 36 и плоскостью массы, т,ео пластиной 38„ Плоскость массы, т,е. пластина 38 соединяется с массой. Параллельная LС-цепь представляет собой резонансную схемур эквивалентную антенне. При длине антен231

ны, равной-четверти длины волны, излучаемой в диэлектрике, импедансы цепи,.содержащей индуктивность L и емкость С , соответствует такому условию резонанса, которое позволяет получить оптимальное преобразование электрической энергии в энергию излучения „ Включенный параллельно L и С между краями 39 и 43 антенны резистор R. представляет собой эквива- .лентный импеданс потерь из-за проводимости антенны и рассеиваемой мощности (сопротивления излучения), причем эта мощность является чисто активной. Точка 42 пересечения является промежуточной точкой индуктивности, соответствующей числу витков П I этой индуктивности между плоскостью массы и пластиной 38 и точкой 42, а IT.T является общим числом витков индуктивности L , Положение точ- ки 42 выбирается таким образом, что величина (nL/nt) xR, в сущности равна импедансу коаксиальной линии связи кабеля 41. Индуктивность играет роль автотрансформатора. Отсюда импеданс, приведенньй ко входу, будет равен (ol/nt)xR Если этот импеданс равен импедансу используемой с антенной коаксиальной линии, устраняются, в сущности, все потери энергии на отражение в коаксиале, что способствует получению хорошей отдачи антенны.

Потенциальное возрастание мощности, распределяемой в окружающее . пространство устройством для каротажа стволов буровых скважин, которое следует из применения антенн двух- пластинчатого типа, имеет очень значительные последствия для применений и реализации таких устройств. Некоторые технологические особенности двухпластинчатых антенн реализуются различными их вариантами.

Например, в двухпластинчатой антенне на корпусе зонда (фиг. 6) первый проводящий элемент 53 намотан в форме спирали с регулярным шагом вокруг цилиндрической втулки 54 из диэлектрического материала, на внутреннюю поверхность которой нанесено проводящее покрытие 55, образукнцее второй проводящий элемент или элемент массы Проводящий элемент 53 является медной пластинкой, нанесенной в виде печати на поверхность 56 втулки 54 по длине, равной по развертке четверти длины волны распро238492

странения излучения при рассматриваемой частоте в материале, образующем втулку 54. Шаг намотки полосы 53 относительно сжат, и продольное расстояние между витками полосы значительно меньше ширины полосы элемента 53.

Втулка вьтолнена из керамики или композитного материала на основе

Q стекловолокна и смолы. Элемент 53 внедрен в нее с помощью классической технологии печати, используемой при получении печатных схем, например путем травления или электроосаж,- дения. Внутренний край 57 первого элемента 53 соединен электрически -с источником энергии высокой часто- :ты по коаксиальной линии связи 58, жила которой -подключена к точке 59

2Q на внутренней поверхности спирального элемента 53 (т.е. ее поверхность контактирует с диэлектриком втулки 54). Жила коаксиала пересекает диэлектрик перпендикулярно внутренней

25 поверхности диэлектрической втулки 54, оболочка коаксиала подключена к цилиндрическому покрытию 55.

Такая антенна предназначена для установки коаксиально с корпусом устройства для каротажа, представленного на фиг. 1, с целью получения излучения излучателя 14 и приемных антенн 15 и 16. Б качестве примера можно сказать, что изготовленная для этого антенна содержит восемь витков

5 металлической медной полосы толщиной в одну десятую миллиметра и шириной в 5 мм (размер определен в осевом направлении), шаг спирали равен 7,5 мм на втулке с внешним диаметром

8 сантиметров.

Внутренняя поверхность втулки пок- рыта металлическим слоем толщиной в 1 мм, образующим плоскость массы.

5 Изолирующая втулка вьтолнена из поли- сульфона и имеет толщину 5 мм. Для работы на частоте 25 МГц антенна, настроенная на четверть длины волны распространения этой частоты в ди50 электрическом материале втулки 54, имеет развернутую длину порядка 2 и общую длину в осевом направлении или. механическую длину в 6 см. Замеры .излучения, полученные с такой антен55 ной при работе в соленой воде, дали значения порядка 90%, что существенно больше, чем было с ранее использовавшимися катушками.

30

/|лина антенны настра 1вэется на четверть длины волны излучения в диэлектрике, благодаря чему соблюдается условие резонанса антенны без каких-либо дополнительньгх конструкций и особенно без необходимости предус- мотрения особьк схем согласования. Такие схемы необходимы с преобразователями на катушках для приведения схем с катушками в резонансное состояние. Исключение схем согласования является преимуществом, поскольку их сложно изготавливать, они способствуют утечкам энергии на излучение и занимают в устройстве значительное пространство.

Излучающая антенна отделяется от приемных антенн участками изолирующих труб, .с которыми они соединяются соответствующими средствами, Нр1при- мер, соединительными втулками. В другом варианте конструкции антенны располагаются вокруг внутренней общей изолирующей втулки, имеющей продольную опору в корпусе 11. В одном из вариантов конструкции оболочка 13 корпуса зонда выполнена, по крайней мере, частично по длине, путем удлинения антенной втулки типа втулки 54 (фиг. 6) на высоту корпуса, причем эта же втулка служит теперь опорой для первого и второго проводящих элементов .различных передаюищх и приемных антенн.

Согласно одному из вариантов реализации элементы массы типа покрытия 55, образующие второй элемент каждой из приемных антенн 14-16 (фиг„1) являются частью одной и той же проводящей втулки, идущей по всей высоте. Такое расположение представляет интерес, когда полученная таким образом проводящая втулка действует внутри устройства в качестве экрана для передающих и приемных антенн от сигналов помех, циркулирующих в проводниках внутри корпуса устройства. Это, например, ток питания генератора 19, создающего мощность, из- п учаемую в геологические формации,

В этой связи устройства с электромагнитным распространением содержат электронные схемы обработки сигналов, уловленных приемными антеннами 15-18 (фиг. 1), которые должны находиться из-за слабого уровня этих сигналов в непосредственной близости к приемникам излучения. Обычно

эти электронные схемы располагаются или в верхней части корпуса 11 зонда, или в спеднальном отсеке, устроенном над корпусом зонда, с которым он скрепляется кабелем 7, Излучатель 14 должен размещаться под приемником в нижней части устройства 6 и его генератор 19 мощности должен быть помещен в близости к нему для ограртичения длины питаюгдего коаксиального кабеля 20. Идущие с поверхности для питания этого генератора электрические проводники кабеля 7 должны проходи ь через весь корпус зонда близко от приемных антенн 15, 16 и т.д. При малом уровне сигналов, циркулирующих в цепях приемников, в ответ на излучение, уловленное от окружающей среды, необходимо обезопасить приемные цепи от вредного влияния токов, наводимых проводниками мощного питания генератора 1 9.

Для устранения помех может служить установка батареи питания генератора 19, предназначенной для питания генератора во время периодов измерения, когда излучатель передает электромагнитную энергию в направлении гелогических формаций, причем батарея должна подзаряжаться с поверхности во время работы по обнаружению электромагнитного излучения Однако в этом решении батарея подвергается действию неблагоприятной окружающей среды, в которой должны работать ус;тройства для каротажа в буро- Bbjx скважинах, и особенно действию очень высоких температур. Неудобство батареи заключено и в ее определенной непрочности, недостаточности резерва энергии для длительного проведения каротажа и сомнительной ее надежности. Из-за этого приходится окружать проводники питания генерато- эа в кабеле экраном, выполненным из продольной металлической трубки, проходящей сквозь зонд от генератора 19. В случае устройств на катушках, где излучаемая или принимаемая энергия зависит от магнитного потока, пересекающего катушки, пропускание экранирующей трубки вьтолняется в ущерб поверхности, доступной потоку. И наоборот, на работу двухпластинчатых антенн не оказывает влияние присутствие трубки, диаметр которой может быть увеличен для размещения электронных схем и других рабочих органов

устройства. Это дает возможность уменьшения устройства или повышения производительности электронных схем обработки сигналов внутри зонда.

Можно предусмотреть использование цилиндрических элементов массы типа элемента покрытия 55 (фиг, 6) в качестве экрана от мешающих сигналов, циркулируюну х по кабелям питания генератора и всех других схем, необходимых для работЬ устройства, соединяя их друг с другом металлическими трубками для образования непрерывной металлической цилиндрической оболочки с, Образованная такой оболочкой экранирующая трубка соединяется с антенными втулками, помещенными на малом расстоянии от периферии оболочки корпуса 11 зонда, и отделяет центральную внутреннюю часть устройства с

Однако в некоторых случаях следует опасаться, чтобы экранирующая металлическая оболочка не сыграла в сочетании с колонной буровой жидкости, окружающей корпус 11 зонда, и разделяющей изолирующей средой, роль коаксиальной связи, в которой будет распространяться часть электромагнитной энергии, излучаемой с выхода излучателя 14, в режиме поперечного распространения, известном как волны типа ТЕМ (поперечно-электромагнитные вол- ,ны). При использовании устройств для электромагнитного каротажа следует избегать такого режима распространения, так как волна, распространяющаяся между передатчиком и приемником вдоль коаксиала, созданного между внутренней оболочкой устройства и буровой жидкостью, имеет амплитуду, значительно превосходящую амплитуду сигналов, которые должны быть уловлены, и может полностью замаскировать полезные сигналы. Поэтому столь важно избежать появление этого режима распространения и сконцентрировать наибольшую часть энергии, исходящей от излучателя 14, на стенки ствола скважины и окружающие геологические формации.

Согласно одному из вариантов конструкции предусмотрено ограничение передачи волны ТЕМ путем установки проводящего элемента, намотанного вокруг втулки антенны, коаксиальной с корпусом зонда, не на плоскости (фиг, 6), а в выемке (фиг. 7), где антенна 60 содержит диэлектрическую

втулку 61, на внутренней поверхности которой находится цилиндрический проводник массы 62, соединенный с цилиндрической оболочкой (не показана), проходящей по всей длине устройства, объединяя все проводники массы, соответствующие другим антеннам. Вокруг цилиндра массы 62 в выемке 63 при электрическом контакте с этим цилиндром навита металлическая лента 64, расположенная в плоскости, приблизительно перпендикулярной поверхности цилиндра массы 62, и идущая по спирали вокруг цилиндра на высоте втулки 61, соответствующей длине антенны. Внешний край 65 ленты 64 доходит до внешней поверхности 66 диэлектрической втулки 61, Первый элемент антенны образован проводящей металлической лентой 67, навитой по спирали в толще втулки 61, образуя витки, расположенные в поле и чередующиеся с витками ленты 64, причем внешний край 68

доходит до внешней поверхности 66 диэлектрической втулки 61, Лента 67 электрически связана одним из своих краев 69 с металлическим покрытием- проводником массы 62, входящим

внутрь диэлектрической втулки 61, Полученная таким образом антенна соединяется с коаксиальным кабелем 70, конец которого перпендикулярен внутренней поверхности втулки 61, Оболочка этого кабеля электрически соединяется с цилиндром массы 62, а жила соединяется с лентой 67 в точке 71 на заданном расстоянии от края 69 вдоль этой обмотки для осуществления согласования импеданса, о чем

говорилось ранее. Спиральная лента 67 занимает вдоль втулки 61 расстояние, соответствующее развернутой длине требуемой антенны,

Такое расположение дает возможность уменьшения передачи электромагнитной энергии в направлении, параллельном оси корпуса 11 зонда (фиг,1), В самом деле, образование волн, распространяющихся в режиме ТЕМ внутри коаксиальной связи, вызвано, в основном, существованием распределенной емкости между витками ленты 67 и столбом буровой Ж1ЩКОСТИ, окружающей

устройство. Количество этой жидкости зависит от эффективных поверхностей рассматриваемых обкладок. В конструкции по фиг, 7 поверхность выемки для

витков ленты 67, находящихся против столба бурового раствора, очень уменьшена и способствует лишь самым NMHH- мапьным образом получению волн, рас- пространяющихся в режиме ТЕМ.

Для этого металлическая втулка 72 помещается внутрь изолирующей оболочки 73 корпуса устройства для электромагнитного каротажа .(Фиг. 8) в удлинении цилиндрического элемента массы 74 антенны 75 двухпластинчатого типа с проводниками создания поля 76 и 77, аналогичными проводникам антенны . 7. Металлический проводник в выемке 77 погружен в диэлектрик 78 и электрически соединен по внутреиней выемке с цилиндром массы 74. Как и ранее, питание подается по коаксиальному кабелю 79.

При необходимости противодействия режиму поперечного распространения (ТЕМ) по указанным причинам осуществляют спиральную намотку первого элемента антенны (фиг. 9) в форме, двух продольных участков, намотанных с равным шагом и в противоположном направлении. Так, на диэлектрической втулке 80, внутренняя часть которой закрыта металлическим покрытием 81, образующим цилиндрический элемент массы, спирально навита металлическая полоса 82, начиная от края 83, корот- козамкнутого с цилиндром массы 81, вплоть до точки 84 поворота, соответствующей середине развернутой длины aHTeHHjji, после которой шаг намотки меняется на противоположный для образования витков 85. Край 86 этого излучающего элемента короткозамкнут с плоскостью массы. Общая длина антенны согласована на половине длины волны, создаваемой в диэлектрической втулке 80..Питание к антенне поступает в две соседние точки соответственно по краям 83 и 86 от двух коаксиаль ньк кабелей в виде двух противоположных по фазе напряжений. В результате получают две включенные последовательно и геометрически-противоположные четвертьволновые антенны, ток в которых, однако, имеет одинаковое направление, что способствует изучению в желаемом режиме, тогда как электрические поля, соответствующие напряжению между катздым из участков обмотки с противоположным шагом, и столбом бурового раствора, имеют противоположные полярности и созда

ют обратные эффекты, стремящиеся к устранению передачи в режиме ТЕМ. В другом варианте конструкции зонд 87 (фиг. 10) содержит цилиндрический корпус, окруженный внешней металлической оболочкой 88. Вокруг оболочки располагаются в нескольких продольно разнесенных местах 89 двух- пластинчатые антенны 90, тип обмотки которых совпадает с вариантом конструкции, изображенном на фиг,6.

Из верхней части фиг. 10, где показан зонд с частичным разрезом по диаметрально продольной плоскости,

видно, что внешняя металлическая

оболочка 88 представляет в каждом месте 89 участок 91 суженного внешнего диаметра, которьй образует цилиндрический элемент массы для каждои антенны 90. Ка.ждый из суженных участков 91 закрыт диэлектрической втулкой 92, вокруг которой по спирали навита металлическая лента 93, край которой короткозамкнут с металлическим суженным участком 91 проводящей оболочки 88. Суммарная толщина диэлектрической втулки и ленты 92 93 такова, что диаметр всего узла будет меньше диаметра оболочки

88 на участках 94, разделяющих позиции 89. Сами участки 94 соединяются между собой рядом стержней 95, проходящих сверху в продольном направлении у ленты 93, образуя таким

образом решетку из параллельных

стержней вокруг антенн 90 с целью их металлической защиты. Продольные стержни 95 вместе с оболочкой 88 образуют корпус. В этом варианте конструкции цилиндрический элемент массы находится в непосредственном электрическом контакте с буровым раствором. Никакого распределения в режиме ТЕМ не может возникнуть при

отсутствии коаксиальной структуры с диэлектриком между внутренним проводником и столбом окружающего устройства бурового раствора. В другом варианте конструкции

(фиг. 11) оболочка зонда 96 образована металлической оболочкой 97, проходящей по всей высоте устройства. Вокруг оболочки 97 установлены на продольно разнесенных позициях передающая антенна 98 и ряд приемных антенн 99-102. Каждая из антенн 98, 99-102 содержит диэлектрическое пок-, рытие 103, плотно прилегающее непосредственно вокруг наружной,поверхности оболочки 97, образующее цилиндрический элемент массы, общий для всех антенн. Вокруг каждой диэлектрической втулки 103 (фиг. 12) по спирали навита излучающая металлическая лента 104, электрически соединенная с оболочкой 97 у одного из своих краев 105. Лента 104 заключена в изолирующее покрытие 106 на основе стекловолокна, осуществляющее механическую защиту от ударов и трения при перемещении устройства внутри буровой скважины, наряду с химической защитой от коррозии. Через оболочку 97 проходит коаксиальный кабель 107 питания антенны 98. Оболочка кабеля электрически соединяется с оболочкой зонда. Жила 108 подключается, как и ранее, для согласования импеданса.

Если защита, осуществляемая покрытием 106, эффективна с механической и химической точки зрения, то с электрической точки зрения защита не обязательна. Излучения в режиме ТЕМ не будет.

Необходимые для работы устройства электронные схемы помещаются во внутреннем пространстве, ограниченном проводящими оболочками 88 и 97 .у их верхней части (эти-участки не показаны). На опорах 109 устанавливают электронные блоки обработки информации, подключенные к парам приемных антенн 99, 100 и 101, 102 с помощью коаксиальных кабелей 110, 111, 1 12 и 113.

Структура электронных схем и связи, требуемых для питания передающей антенны 98 и для получения возможности обработки сигналов, приходяищх от приемных антенн 99-102, известна в технике 15 J.

Таким образом, предлагаемое устройство предста вляет собой зонд для проведения каротажа (диаграфии) с помощью распространения электромагнитных волн, содержащий металлическую оболочку и обеспечивающий, кроме подавления распространения волн в режиме ТЕМ, определенные преимущества при изготовлении устройств как в плане прочности, так и удобства монтажа, и, следовательно, стоимости изготовления, В частности, с помощью такого зонда можно предельно уменьшить или учесть раздвигание катушек вдоль корпуса зонда, вызванное тепловым расширениемо

20

25

23849 2

Рассмотренные варианты конструкций установки антенн на корпусе зондов для электромагнитного каротажа представляют определенные преимущества с по сравнению с известными, особенно по сравнению с устройствами, где в качестве преобразователей электромагнитной энергии между устройством и окружающей средой используются ка- )0 тушки.

В предлагаемых преобразованиях по сравнению с известными конструкциями существенно улучшено излучение антенн, которое в несколько десятков, (5 а порой даже в несколько сотен раз превышает отдачу ранее использовавшихся катущек.

Улучшение параметров антенн возможно не только для излучателя энергии, но и для приемников. При антеннах с излучением, увеличенным, например, в 50 раз, электрическая мощность, соответствующая сигналам, принятым при той же мощности излучения, больше в 2500 раз. Такого увеличения полезных мощностей, которые могут быть использованы для излучения распространения электромагнитных волн нельзя было достичь использовавшимися до настоящего времени техническими средствами.

Это улучшение дает много преимуществ, например его можно применить для упрощения электронных схем об- нарзпкения, взаимодействующих с приемными антеннами 15-18 (фиг. 1). Указанное существенное улучшение излучения получено с антеннами, имеющими размеры того же порядка, что и ранее использовавшиеся, причем новые антенны приспособлены к типовому диаметру корпуса зонда для каротажа. В отличие от катушечных преобразователей, эффективность которых возрастает с диаметром, отдача предлагаемых антенн, а с ней и количество энергии, которое может быть передано при излучении такими антеннами, це зависит от их диаметра. Значительное улучшение эффективности антенн сопровождается увеличением пространства, пригодного для размещения электронной аппаратуры, даже в случае питания излучателя по мощным проводникам, идущим от поверхности. 55 Следовательно, можно уменьшить общую длину устройства. Высокий уровень отдачи этих антенн дает возможность не опасаться незначительного ухуд30

35

40

45

50

33

шения отдачи, которое может возникнуть при улучшении других свойств устройства.

Возрастание излучаемой мощности дает возможность применения методов разведки геологических формаций с помощью распространения электромагнитных волн при значительно более проводящих, чем прежде, буровых раст ворах Затухание волн, распространяющихся в среде, зависит от проводимости последней. Предлагаемое устройство дает возможность работать при значительно большем затухании излучаемой энергии в окружающем буровом растворе, чем это было раньше, без уменьшения суммарного количества энергии, которое может быть обнаружено приемниками. Можно работать в буровых растворах, удельное электрическое сопротивление которых дости гает 0,05 Ом х м, что дает возможность расширить применение устройств такого типа почти на все используемые в настоящее время буровые растворы. Вместе с тем, исчезает необходимость увеличения диаметра устройст ва для предельного уменьшения толщины столба буровой жидкости, пересекаемого излучением при передаче и приеме.

Другое преимущество значительного увеличения излучаемой мощности основано на возрастании отношения сигнал/шум в приемниках, что дает возможность повьш1ения точности обнаруже ния при использовании более прочных и надежных электронных схем для получения требуемой информации. Кроме того, с антеннами такого типа можно применять проводящую трубу, проходящую по всей длине зонда и действую- щую в качестве экрана для чувствительных элементов этих нтенн без возникновения нежелательного распространения волн в режиме ТЕМ благодаря наличию различных средств.

Зонд, снабженный предлагаемыми антеннами, позволяет повысить разрешение разведки при сохранении требуемой глубины. Глубина разведки зависит от расстояния между излучателем и приемником, тогда как разрешение зависит от расстояния между приемниками каждой пары. Замеры, осуществляемые каждой парой приемников, являются дифференциальными замерами изменения некоторых параметров распространения, например зату

15

2384934

хания или фаз-ового сдвига, вносимых некоторой зоной геологической формации, толгцина которой определяется разносом этих приемников. Чем меньше разнос между приемниками, тем меньше толщина этой зоны, и, следовательно, больше разрешение проводимого замера Разнос приемников одной пары необходимо поддерживать на значении, IQ достаточном для того, чтобы электронные схемы измерения и обработки могли отметить разность между значения- , ми параметров волн По этой же причине в случае необходимости выявления разности фаз порядка доли градуса разнос cooтвeтcтвyюшJ x приемников должен быть достаточен для того, чтобы колебания этого параметра между двумя формациями различной природы представляли по меньшей мере это значение по толщине рассматриваемой формации. В данном случае происходит то же, что с затуханием.

jc Для повьш1ения разрешения необходимо достичь увеличения измеренных значений затухания и фазового сдвига электромагнитных волн, распространяющихся в зоне формации заданной толщины, чего можно добиться повьш1е- нием рабочей частоты устройства. Однако повьш1ение частоты дает значительное затухание сигналов, поэтому излучаемая мощность должна быть значительно большей при замере на уров- 35 не приемников мощностей, еще достаточных для их обнаружения и соответствующей обработки. Это можно осуществить с помощью устройств, снабженных предлагаемыми антеннами бла4® годаря значительному повьш1ению излучаемой энергии. В то же время, при типовой мощности генератора излучения можно создавать столь большие мощности, что оказывается допустимым

43 значительно большее затухание, в частности, при работе на частотах, намного более высоких, чем в известных устройствах наряду с сохранением приемного уровня сигнала на входе

50 приемников для проведения собственно обнаружения и измерения. Такой результат достигается при сохранении значительной глубины разведки, которая заключает в себе путь электромаг55 нитных волн от излучателя к приемнику, на протяжении которого затухание сигнала относительно высокой частоты может быть значительным.

30

35

Мощность, излучаемая антеннами представленного типа, вполне достатона для достижения глубин разведки порядка одного-двух метров с антеннами, установленными на корпусе зонда, и в области частот от 60 до 80 МГц. Разрешение, которого можно достичь при этой рабочей частота, примерно от 60 см до 1 метра. С повышением рабочей частоты до нескольких десятков мегагерц можно получить обмотки на корпусах зонда при полезной длине, равной поло вине длины волны и до длины волны, поскольку длина волны уменьшается с возрастанием частоты, можно при заданном продольном размере антенны вдоль корпуса зонда согласовать развернутую длину проводящего элемента с большей долей длины волны излучения, В относительно низкочастотном диапазоне развернутая длина антенны, необходимая для получения согласования с четвертью длины электромагнитной волны, может оказаться недопустимой. Однако улучшение отдачи антенн при прочих равных параметрах достаточно, чтобы сделать возможным их применение на частотах ниже 20 МГц, вплоть до 1 МГц. На этих частотах средство для уменьшения полезной длины навитого вокруг корпуса излучающего элемента (первог проводящего элемента) заключено в модификации соединений между этим элементом и элементом массы.

Излучающая обмотка двухпластинча- той антенны 114, образованной металлической лентой 115 (фиг. 12), имеет развернутую длину менее четверти длины волны. Вместо короткого замыкания с плоскостью массы 116 край 117 ленты 115 соединяется с плоскостью массы 116 при помощи индуктивности 118, размеры которой выбраны такими, чтобы резонирукщий узел, образованный излучающей лентой 115 и индуктивностью 118 и включенный параллельной погонной емкости между двумя проводящими элементами лентой 115 и плоскостью массы 116, образовывал схему настройки для рассматриваемой частоты. Точка включения 119 соединяется с генератором 120. Другой конец 121 ленты 115 электрически свободен.

Согласно одному из вариантов конструкции (фиг. 13) антенны на корпусе 121, предназначенной для работы на относительно низких частотах, излучающий элемент 122 с развернутой

10

15

23849 6

длиной менее четверти длины волны излучения в диэлектрике 123 на рассматриваемой частоте имеет на одном из концов 124 перемычку короткого замыкания с плоскостью массы. Другой его конец 125 соединяется с плоскостью массы 126 через конденсатор 127, величина которого выбирается таким образом, чтобы эквивалентная схема излучающего элемента 122 и конденсатора 127, подключенная к погонной емкости, существующей между элементом 122 и плоскостью массы 126, составляла схему, разонирующую на рабочей частоте генератора 120.

Другое средство уменьшения полезной длины излучающего элемента, намотанного вокруг корпуса зонда, которое можно объединить с предшествующим, состоит в использовании между двумя проводящиии элементами антенны материала с большой магнитной проницаемостью вместо диэлектрика. Когда диэлектрические постоянные обычных материалов меняются по сравнению с воздухом в пределах от 1 до 20, магнитная проницаемость некоторых материалов в- сравнении с магнитной проницаемостью воздуха может достигать нескольких тысяч при относительно низкой частоте, Тое„ при частоте не более нескольких десятков мегагерц.

20

25

30

Из уравнения (5) можно заметить, что длина волны меняется обратно

пропорционально квадратному корню магнитной проницаемости. В этих условиях можно получить антенны, работающие в диапазоне частот ниже нескольких десятков мегагерц, путем выбора магнитного материала с достаточно высокой точкой Кюри, чтобы он сохранял высокое значение магнитной проницаемости во всем температурном диапазоне использования устройств

для каротажа буровых скважин. Поэтому при использовании, ферромагнетика, магнитная проницаемость которого порядка 250, можно получить антенну с первым элементом, нанесенным на

внешнюю поверхность втулки из этого материала, тогда как на внутреннюю поверхность наносится плоскость маемы. При создании антенны с развернутой длиной 38 м, соответствующей четверти длины волны в этом материале ( по сравнению с 600 м в вакууме) можно заставить работать такую антенну на частоте 500 кГц.

Необходимую длину антенны можно достичь при помощи обмотки из 120 витков на корпусе диаметром 10 см.

В результате получают устройство для каротажа с помощью электромагнитного излучения, пригодного для работы на относительно низкой частоте, ниже 1 МГц, когда за замеры от- носительньпх параметров распространения существенно влияет проводимость окружающих сред и относительно мало влияет диэлектрическая постоянная этих сред. С размещением антенны на металлическом корпусе зонда получают новое средство для замера проводимости, которое в отличие от классических устройств не требует применения изолирующего корпуса по большей части своей длины. Преимуществами устройства нового типа являются простота, прочность и стабильность размеров.

Кроме того, предлагаемая конструкция позволяет объединить устройство для замера проводимости с устройством для замера удельного сопротивления на электродах, соединив антенны указанного типа, действующие на относительно низких частотах и расположенные вокруг металлического корпуса, с э.лектродами, например, из устройства типа псевдобокового каротажа ,

Новое комбинированное устройство такого типа (фиг, 18) содержит зонд 128, на котором установлен централь- ньм электрод 129. С одной и с другой стороны от электрода 129 симметрично располагаются две пары потенциальных измерительных электродов 130,- 131 и 132, 133, после которых следуют первые токовые электроды 134 и 135, затем вторые токовые электроды 136 и 137. Все эти электроды образованы установленными на поверхности корпуса проводящими кольцами, причем электроды 136 и 137 имеют форму удлиненных втулок. для питания и управления электродами известны, они дают возможность пропускания токов между электродами 129, 134 и 136 и 129, 135 и 137 и зонами, удаленными от устройства в окружающей среде, регулируя токи таким образом, что разность потенциалов между измерительными электродами 130 и 131 и между электродами 132 и 133 останется нулевой.

В левой части устройства показаны токовые линии 138 в исследуемой формации при исследовании ближней зоны скважины и в правой части показан путь токовых линий при исследовании дальней зоны скважины, когда линии токов возвращаются к буровой скважине в точку, удаленной от комплекса электродов устройства, например, к электроду массы (не показан), расположенному на кабеле 139 зонда 128. Токи, создаваемые электродами 134, 136, 135, 137 регулируются для усиления тока, создаваемого электродами 129 более или менее далеко в формации в соответствии с требуемой глубиной исследования.

Двухпластинчатая антенна 140 рассмотренного типа, совпадающего, например, с конструкцией антенны,

приведенной на фиг. 6, устанавливается с края электродного комплекса ниже электрода 137. Она подключена к генератору, действующему на частоте

500 кГц, для передачи в исследуемую геологическую формацию излучения соответствующей частоты.

Две приемных двухпластинчатых антенны 141 и 142 установлены: перваямежду электродами 135 и 137 и вторая - меж,цу электродами 134 и 136. Приемные антенны подключаются к электронным схемам обнаружения и ис- пользовар/яя сигналов, принимаемьЕх

после распространения в исследуемой формации для получения дифференциального замера проводимости. Сочетание замеров, осуществляемых с помощью антенн 141 и 142, дает возможность

получения такого дифференциального замера проводимости, который корректирует влияние зоны, расположенной непосредственно вблизи устройства,

т.е. собственно ствола,скважины, и внешней зоны вокруг стенки ствола. Антенны 140, 141, 142 имеют общую плоскость массы при частоте 500 кГц. Все токовые электроды 129, 134-137 электрически соединяются с указанной плоскостью массы. Таким образом, плоскость массы находится в электрическом контакте с буровым раствором в различных точках по своей длине. В то же время, у плоскости массы существует соответствующая емкостная связь между ее различными участками с тем, чтобы на рабочей частоте устройства псевдобокового

каротажа, составляющей несколько сотен герц, эти электроды не были электрически соединены с плоскостью массы.

Излучающие элементы антенны 140, 141 и 142 по типу относятся например к элементу 53 (фиг. 6), Они нанесены на втулку типа втулки 54 из ферромагнитного материала с магнитной проницаемостью порядка 250.

Такое устройство может успешно заменять известные устройства для проведения каротажа с использованием тех функций, которые исполняют выполненные на катушках элементы для излучения тока в окружающие формации. Для того, чтобы избежать наводки тока на кольцевых электродах, искажающей замеры, выполненные в помощью индукционных катушек, каждый электрод такого устройства выполняется в виде последовательности круглых выступов, окружающих корпус зонда, на его поверхности при удалении друг от друга о

Применение двухпластинчатых антенн дает возможность отказаться от круглых электродов и позволяет использовать массивные, более глубинные электроды. Характеристика устройства для замера проводимости с двухпластинча- тыми антеннами (фиг. 18) улучшена по сравнению с устройством на катушках в плане лучшего разрешения по вертикали и меньшего влияния находящейся в стволе скважины среды по причине дифференциального характера замеров, а также значитительно более высокого уровня сигналов.

Использование описанных антенн для электромагнитного каротажа воз- можно и при других частотах применяемого спектра, в частности на частотах выше 200 МГцо Рассмотренные антенны благодаря их чрезвычайно простой конструкции, кроме корпусов устройств, могут размещаться на башмаках микроустановок при работе на повышенных частотах. С возрастанием частоты предпочтительна установка антенны на башмаках, имеющих размерь совместимые с относительно малой глубиной разведки

В одном из вариантов конструкции такие антенны могут быть реализованы в форме кругльк дисков, похожих на пуговицы (фиг. 14), у которых пластинка из диэлектрического материала 143 с одной из своих сторон покрыта

5

0

5

проводящим металлическим слоем 144, образующим плоскость массы, а на противоположной стороне 145 отпечатана тонкая металлическая полоска в форме спирали 146, один конец 147 которой может электрически короткозамкнуто соединяться с плоскостью массы в центре, а другой конец 148 остается свободным, если развернутая длина напечатанной спирали равна четверти

длины волны распространения излучения в диэлектрическом материале 143 или нечетному числу, кратному последней, эта полоска коротко замыкается с ; плоскостью массы - слоем 144, если развернутая длина спирали равна числу, кратному половине длины волны распространения. Антенны такого типа могут быть встроены в удлиненный башмак 149, (фиг. 16), который содержит у каждого из краев своей поверхности излучающие антенны 150 и 151, подключенные к мощному генератору очень высокой частоты (на чертеже на показан) о Между двумя излучающими антеннами 150 и 151 по соседству с центральной частью ба1амака устанавливаются три приемника 152, 153 и 154, вьфовненных в продольном направлении башмака. Башмак 149 установлен (фиг. 1) известным способом на зонде 13 и шарнирно сочленяется для получения возможности прижима рычага 155 к стенке 2 ствола буровой скважины под действием постоянного упругого усилия, создаваемого дугообразными пружинами, или с помощью рычага, раскрыв которого дистанционно регулируется о

Расположение двух излучающих антенн 150 и 151 (фиг. 16) используется для компенсации эффектов при неоднородном прижиме башмака к стенке ствола при наличии в последнем неправильных форм. Методы компенсации

5 влияния ствола буровой скважины

(компенсация ВНС) в устройствах, работающих с различными типами преобразователей известны.

Изображенный на фиг. 16 башмак

0 149 действует в области частот 60-МГц- 3 ГГц (сверхвысокие частоты) и может применяться в устройстве для определения угла падения пластов о Замеры, полученные с помощью приемных антенн5 детекторов 152-154, позволяют с высо- ким разрешением обнаружить изменения Диэлектрических свойств пластов формации, пересеченной буровой скважц0

5

0

ной. в соответствии с известными методами наклонометрии совокупность указаний, получеиньк от трех, предпочтительней от четырех аналогичных башмаков, приложенных в стенке ствола скважины, позволяет определить наклон плоскостей разделения смежных пластов. Двухпластиночные антенн описанного типа могут успешно использоваться с устройством в буровых скважинах, заполненных несоленой водой или буровыми растворами на базе нефти, где классические устройства на электродах не могут работать. Более того, устройство по фиг, 1, снабженное антеннами башмака 149., позволяет получить при каждом положении башмака 149 замеры проводимости и диэлектрической постоянной, которые используются -для корреляции замеров между собой и улучшают эффективность использования полученных данных. Благодаря этому достигается чрезвычайно точное представление всех изменений геологическ их свойств, трещин и других прерывис- тостей формаций, пересеченных буровой скважиной.

Изобретение может быть также применено в башмаках для передачи и приема электромагнитной энергии сверхвысокой частоты (фиг, 17)о Башмак 156 снабжается у нижнего края передающей антенны 157, выполненной в двухпластинчатой технике и содержащей металлическое кольцо 158, напечатанное на диэлектрике, образующем поверхность башмака 156, и соединенное электрически в точке 159 с плоскостью массы, помещенной на другой стороне диэлектрической поверхности. Периметр кольца соответствует образованию полуволновой антенны рабочая частота которой может быть равна, например, 850 МГц, Расположенные у другого края башмака два приемника образованы двумя полосками 160 и 161, выровненными на поверхности башмака в его продольном направлении и в направлении антенны 157, Полоски 160 и 161 электрическ соединяются одном из краев 162 и 163 с плоскостью массы, образуя поверхность башмака. Длина полосок соответствует четверти длины волны используемой частоты. Такой башмак позволяет вььчвлять некоторые параме ры излучения электромагнитной энергии , излученной излучающей антенной

23849 2

157 вблизи стенок буровой скважины, особенно в глинистой корке бурового раствора при ее осуществлении.

Предлагаемые антенны могут быть также использованы при различных исследованиях в диапазоне и еще более высоких частот, например 200-500 МГц.

Для этого батмак 164 (фиг. 15) для исследования ближней зоны делает Q ся из изоляционной пластинки, выполненной из материала, устойчивого к истиранию, например, из смеси стекловолокна со смолой, причем пластинка выполнена удлиненной в направлении,

и соответствующем продольному перемещению относительно стенки ствола скважины. Башмак содержит внутреннюю излучающую антенну 165, вьшге которой в продольном направлении находятся

2Q две приемные антенны 166 и 167. На задней поверхности, т,е. поверхности, не обращенной к геологической формации, имеется непрерывное металлическое покрытие, образующее плоскость

25 массы и закрытое оболочкой для защиты от действия буровых растворов, омывающих башмак. Кроме плоскости массы и диэлектрического слоя каждая антенна содержит металлическую пластину 168, 166 и 167 соответственно, отпечатанную на поверхности 169 башмака по спиральному пути, составленному отрезками прямых, объединенных под определенными углами для перекрытия значительного участка поверхнос35 ти башмака.

Антенна 165 занимает нижний участок, печатная металлическая пластинка 168 этой антенны короткозамкнута с плоскостью массы у своего центрального конца 170 и у периферийного конца 171, длина антенны рассчитана для получения полуволновой антенны. Центральный конец каждой приемной антенны соответственно 172 и 173 коротко замыкается с плоскостью массы на задней поверхности башмака, тогда как другие концы металлических пластинок этих антенн оставлены свободными, причем их длина равна четверти длины волны рассматриваемого излучения.

Особый интерес представляет использование в буровых растворах на основе не соленой воды или нефти башмаков тогда, когда башмаки с .

55 электродами не работают, Его отличием является не стольбольшая чувствительность к удельному сопротивле- г нию бурового раствора благодаря диф30

40

45

50

ференциальным замерам, н он позволяет получить более точную информацию об удельном сопротивлении пластовой воды формации , Замер диэлектрической постоянной вблизи стенки ствола буровой скважины позволяет найти насыщение в воде ovv в зоне, называемой промытой зоной, где под действием давления бурового раствора в контакте со стенкой ствола его фильтрат после осаждения твердых частиц про

никает в стенку ствола буровой скважины с образованием глинистой корки, перемещая часть углеводородов, которые могут находиться в порах этой формации.

Желательно, чтобы металлические части антенн на башмаках, представленных на фиг. 14-17, быпи покрыты защитным покрытием для получения большей устойчивости от механического истирания и коррозии.

Фиг. 2

0

38

4/

Фиг.

ФигМ

Фиг.7

78 77 76

7J

Фиг.е

85

Фиг. 9

30

фиг.. JO

58

97

X

S6

.11

/«/f

/47

Фиг. fS

It

ff

- 171

Фиг IS

til

m

153

Иг

/ -tso

viy

Фиг. 17

161 I r

160

r

V/v

158 - Фиг. 18

,. IS

ВНИИПИ Заказ 1728/62 Тираж 728 Подписное Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4