Пластовый индукционный наклономер Советский патент 1988 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к геофизическим исследованиям в скважинах, а именно к штределению угла падения (наклона) и электрической анизотро- ПИИ пластов.

Цель изобретения - упрощение конструкции и повьшение точности измерения залегания и электрической анизотропии пластов.

На фиг. 1 изображена блок-схема пластового индукционного наклономера; на фиг. 2 - первый вариант на- . клономера с расположением приемной квадрупольной катушки перпендикуляр- но стержню; на фиг. 3 - второй вариант с расположением указанной катушки по оси стеркня; на фиг. 4 - сравнительные характеристики точности определения коэффициента анизотропии пред лагаемым наклономером и методом поперечной проводимости.

Один из возможных вариантов пластового индукционного наклономера (фиг. 1) содержит индукционный зонд, состоящий из диэлектрического стержня , на котором смонтированы излучающая катушка 2, магнитный момент ко- торой направлен под углом 1-25° к оси стержня, приемная дипольная катушка 3, магнитньй момент которой перпендикулярен магнитному моменту излучающей катуржи, приемные квадрупольные катушки 4 и 5 и одноэлемеитньй феррозонд 6. В другом варианте приемные квадрупольные катушки 4 и .5 направлены по оси стержня (фиг. 3). Диэлектрический стержень установлен на подшипниках 7 и механически соединен с приводом 8 равномерного вращения. Излучающая катушка 2 соединена с генератором 9 переменного напряжения. Приемные катуики 3-5 соединены с усилителем 10,фазочувствительным детектором 11 и анализатором 12 спектра. Опорное напряжение на фазочувствитель- ный детектор 11 поступает от генератора 9. Индикатор ориентации зонда образован феррозондом 6, соединенным с частотно-модулируемым генератором 13 и частотным детектором 14, выход которого соединен с управляющим входом анализатора 12 спектра.

Выходной сигнал индикатора ориентации зонда содержит информацию о мгновенном положении зонда, например импульс, соответств тощий моменту совпадения фиксированной радиальной полплоскости вращающегося зонда с изве

д

5 0 0

5 0

стным направлением. Таким направлени- ем может быть, например, направление магнитного поля Земли, оси гироскопа или вертикали в случае наклонной скважины.

Дпя упроо ения на фиг. 1 не показан токосъемник (коллектор), служащий для электрического соединения вращающихся и неподвижных узлов наклономера, причем блоки 9-11 и 13 или часть их для уменьшения внутренних помех и числа колец токосъемника целесообразно смонтировать на шасси, вращающемся вместе с зондом. На схеме.не показан также каротажный кабель, соединяющий наземную часть наклономера, содержащую блоки 12 и 14 со скважинным прибором. Последний защищен от воздействия бурового раствора герметичным кожухом, который на участке расположения индукционного зонда радиопрозрачен.

Наклономер работает следующим образом.

Возбуждаемое излучающей катушкой 2 электромагнитное поле индуцирует в прилегающих к скважине горных породах вихревые токи, магнитное поле которых принимается катушками 3-5. Далее принятый сигнал усиливается усилителем 10 и детектируется по частоте излучаемого поля фазрчувствительным детектором 1Ь, который в зависимости от частоты поля и удельной электрической проводимости горных пород может быть настроен на вьщеление активной или реактивной составляющих сигнала. Вследствие вращения катушек индукционного зонда детектируемый сигнал модулируется гармониками частоты вращения , а на выходе детектора 11 появляется напряжение огибающей, которое затем поступает на информацкон- ньй вход анализатора 12 спектра. Феррозонд 6 имеет легконасыщающийся пер- маллоевый сердечник и является часто- тозадающим элементом генератора 13, Поэтому при вращении феррозонда в магнитном поле Земли его индуктивность периодически изменяется, что вызывает модуляцию частоты напряжения генератора 13, Чтобы не было удвоения частоты модулирующего сигнала, на феррозонд 6 с генератора 13 подают ток подмагничивания.

Частотным детектором 14, расположенным в наземной части наклономера частотно-модулированное напряжение преобразуется в синусоидальное, синхронное и синфазное с вращением зонда. Относительно этого напряжения в анализаторе спектра определяются фазы первой и второй гармоник частоты вращения, содержащихся в информационном сигнале. Выходными сигналами анализатора спектра являются амплитуда нулевой гармоники (постоянная составляющая входного сигнала) и, в зависимости от конкретной схемы анализатора, амплитуды и фазы первой и второй гармоник или ортогональные составляющие этих гармоник. В послед

источника (чему соответствует магнитный диполь),направленного осью симметрии перпендикулярно к слоистости, также осесимметрично, И наоборот, ес- ли ось симметрии (т.е. направление излучения) источника не перпендикулярна слоистости, вторичное поле не осе- симметрично. Измерение компонент по- ля и производной по перпендикулярному к оси скважины направлению позволяет рассчитать направление излучения, при котором вторичное поле осесимметрич- но, и по полученном направлению.

нем случае по ортогональным составля- 15 перпендикулярному к слоистости опреющим не трудно определить амплитуды и фазы гармоник, а анализатор при . этом состоит из фильтра низких частот для вьщеления нулевой гармоники, двух фазочувствительных детекторов первой гармоники, двух фазочувствительных детекторов второй гармоники и схемы формирования опорных напряжений

Согласно известному способу измеряются величины, входящие в следующую формулу для определения угла падения пластов:

tg .. J;.--- , ,,-LHyy

.(О.

Таким образом, измерив нужные компоненты поля, можно вычислить угол падения. Числитель и знаменатель вы- . ражения (I) можно рассматривать как первьш и второй информационные сигна30

где ci - угол падения пластон;

H||(i, ) - К-я компонента магнитного поля, возбуждаемого магнитным диполем, направленным по i-й оси координат; 35 1 - расстояние между расположенными на оси скважины точкой излучения и точкой наблюдения поля;

XYZ - прямоугольная система коорди 40 нат, ось Z которой совмещена с осью скважины, а ось X направлена против падения пластов ;

лы, сравнивая их на любом этапе преобразования, например усиления или, детектирования.

Используя зфавнение Максвелла

divH 0,(2)

можно получить другой вариант способа.

Пр1-шеняя (2) к полю диполя, направленного по оси Z, и обозначая производные поля индексами, как в выражении (1), получают-,

(3)

н.,+н|,о.

Если индексы X и У встречаются Н,- производная по оси У от ком- 45 обозначении компоненты поля четное

ТТПТ7 г1 /

°или нечетное число раз (в совокупноеПод :компонентой поля понимается ) компонента будет соответственно или комплексная амплитуда гармоничес- „ „ етной функцией угла па- кого поля, или определенная фазовая Поэтому первые два слагаемых в составляющая гармонического поля Лак- 50 тивная или реактивная составляющая), или мгновенное значение напряженности при более сложной временной зависимости,jjQg падения (с точностью порядка

Соотношение ( l) математически дока-дв квадрата угла) имеют из (3) прибли- зывается для плоскослоистой среды женное равенство без учета влияния скважины, Доказаг 1

выражении (3} являются четной функцией угла падения и, так как при нулевом угле падения они равны между собой и не равны нулю, для малых угтельство основано на том, что вторичное магнитное поле осесимметричного

Н.

:-i НГ.

(4)

0

делить угол падения пластов. Результатом такого расчета и является формула (1 ).

В формуле (1) азимутальное направление падения пластов считается известным. Оно определяется по максималь-г ному значению компоненты поля Н, если систему координат ХУ2 вращать вокруг оси Z, т.е. вокруг оси скважи- 5 ны.

Таким образом, измерив нужные компоненты поля, можно вычислить угол падения. Числитель и знаменатель вы- . ражения (I) можно рассматривать как первьш и второй информационные сигна0

5

0

лы, сравнивая их на любом этапе преобразования, например усиления или, детектирования.

Используя зфавнение Максвелла

divH 0,(2)

можно получить другой вариант способа.

Пр1-шеняя (2) к полю диполя, направленного по оси Z, и обозначая производные поля индексами, как в выражении (1), получают-,

(3)

н.,+н|,о.

) компонента будет соответственно „ „ етной функцией угла па- Поэтому первые два слагаемых в jjQg падения (с точностью порядка

выражении (3} являются четной функцией угла падения и, так как при нулевом угле падения они равны между собой и не равны нулю, для малых угг 1

Н.

:-i НГ.

(4)

Подставляя (4) в (1), получают формулу для определения угла падения по второму варианту способа

tg.-r-- -V-r- . (5)

н 2 г г

Если квадрупольная катугака ориентирована перпендикулярно к оси стерж- ня, наклономером регшизуется первый вариант способа i1}„ достоинством которого является возможность определения углов падения тпобой величины. Однако поперечн гю квадрупольную катушку трудно реализовать для скважин малого диаметра,,

Этого недостатка лишен второй вариант (5), когда квгщрупольная катушка в наклономере ориентирована по оси стержня. В этом длина катушки не ограничена внутренним диаметром наклономера, что позволяет получить большую чувствительность и точность. Однако при этом сужается .диапазон измеряемых углов падения. Практически по формуле ( 5} можно измерить углы падения до 30, а для больших углов приходится использоват более сложные частные функциональные зависимости электромагнитного поля, например зависимости для однородной анизотропной среды.

Второй информационный сигнал, соответствующий зна5 1енателю формул (1) или (5), состоит из суммь различных компонент поля двух различных источников, /причем практически нужна только сумма. Однако попытка возбуждать поле одновременно обоими источниками приводит также к возникновению сигналов, соответствующих ненужным комбинациям источников и приемников поля - комбинационной помехе, В известном наклономере второй ин- форма1Ц1Онный сигнал получается в два этапа со сложной ко1чмутацией катушек в предлагаемом - сразу, а комбинированная помеха благодаря наклону осей катушек ослабляется в ctg cTpas, где (f - угол между направлением магнит- ного момента излучающей катушки и осью зонда. Поэтому влиянием помехи можно пренебречь. Например, при значении угла коэффициент ослабления от 3300 до 4,6.

- Верхняя граница интервала обосновывается верхней границей допустимой погрешности из-за комбинационной по

15

20

ю gg

, . 5° 55

939026

мехи. Из формулы следует, что помеха подавляется в ctg crpa3, т.е. при угле 25 составляет 21,7% от ее полной величины.

Полезный сигнал и полная величина комбинационной помехи являются величинами одного порядка. Поэтому составляющую погрешности измерений, обусловленную комбинационной помехой для угла 25, можно считать не превышающей 20% (округленно). Это значение погрешности соответствует опыту на- клонометрии как верхняя граница допустимой погрешности,

С уменьшением угла «Г между магнитным моментом излучающей катушки и осью зонда, т.е. с приближением к нижней границе диапазона, подавление помехи больше и теоретически угол сГможет быть сколь угодно малым, но не равным нулю. Так как угол требуется вьщержать с определенной относительной погрешностью, допустимая величи- 25 на абсолютной погрешности для угла ( тем меньше, чем меньше сам угол сГ, т.е. нижняя граница диапазона углов с/определяется тем, насколько точно при изготовлении и эксплуатации наклономера можно вьщержать заданные направления магнитных моментов катушек.

В свою очередь, это зависит от технологических возможностей завода-изготовителя, метрологического обеспечения для контроля и юстировки моментов катушек, конструкции наклономера диаметра, длины и материала радиопрозрачной части корпуса скважинного прибора и несущего диэлектрического стержня зонда, использования дпя центровки стержня зонда дополнительных немагнитных и неэлектропроводных подшипников и т.д.

35

40

Таким образом, нижняя, граница диапазона углов с точки зрения достижения цели теоретически может быть сколь угодно малой, но не равной нулю, однако практически она зависит от опыта и возможностей разработчика наклономера. Так, при нижней границе диапазона 1° направление оси приема дипольной приемной катушки должно отклоняться от заданного не более чем на З . Технологически обеспечить намотку катушки с такой точностью трудно. Однако после закрепления витков катушки компаундом можно измерит полученное направление оси приема

KarytDKH и путем изменения числа вит ков дополнительной введенной юстиро- вочной катушки произвести подгонку.

В предлагаемом наклономере второй информационный сигнал суммируется непосредственно в приемных катушках и оба информационных сигнала проходят в виде гармоник частоты вращения по одному электрическому каналу вплоть до последнего звена - анализатора спектра, что повышает точность измерений.

С использованием выходных величин наклономера второй информационный сигнал Uj определяют по формуле

и КДАо+К А2СОБ(2 Р,)J, (6)

где Kj ,К и - аппаратурные константы, зависящие только от кон- структивных параметров наклономера;Ад - амплитуда нулевой гармоники

со знаком;

А 2. - амплитуда второй гармоники; Г и 2 фазы первой и второй гармоник.

Угол падения пластов определяют по формуле

J. arct6 ,

Ui

где Kj - аппаратурная константа;

А - амплитуда первой гармоники. . Азимут падения определяют по формуле35

4 %i4;, (8)

где % - аппаратурная поправка за начало отсчета фаз гармоник; Н - фаза первой гармоники, при- чем знак перед Т зависит от направления вращения зонда. Если магнитный момент и плечо квад- руполькой катушки перпендикулярны к оси зонда, выражение (б) пропорцио- нально знаменателю формулы (1)

( ),

если магнитньШ момент и плечо диффе- 50 ренциальной катушки совмещены с осью зонда, по формуле (6) получают второй информационный сигнал, соответствующий второму варианту способа

,(1- -2 . (10)

где Н.- производная по направлению оси Z от компоненты поля н|.

Q g

2о

25

30

35

-

50

Для этого варианта можно вообще не измерять вторую гармонику или использовать ее лишь как дополнительную информацию . В этом случае в формуле (б) коэффициент К2 полагают равным нулю и получают

u.K( 2 г - ()

В области малых углов падения (менее ЗО) и низких частот (когда не сказывается скинэффект) выражения (9-П) пропорциональны разности продольной и поперечной удельных электрических проводимостей анизотропного пласта. Это обосновывает возможность применения второго информационного сигнала для определения коэффициента анизотропии. При этом сведения о продольной удельной электрической провог димости должны быть получены каким- либо другим методом, например методом инкубационного каротажа. Рекомендуемые сигналы имеют лучшую радиальную характеристику, чем сигнал известного метода поперечной проводимости.

Связь между гармониками частоты вращения зонда и информационными сигналами, по которым определяют угол падения следующая. Пусть магнитные моменты катушек и феррозонда расположены в одной плоскости (фиг. 2). На фиг. 2 векторами 2-5 показаны направления магнитных моментов катушек, изображенных на фиг. 1. Вектор 6 соответствует оси феррозонда, причем момент совпадения этого вектора с направлением на север принят за начало отсчета фаз гармоник. Соотношение моментов катушек 3 и 4, 5 полностью определяется требованием перпендикулярности векторов 2 и 3 и равен- ства нулю ЭДС прямого поля зонда. Это означает, что соотношение чувст- вительностей катушек (число и площадь витков) и полярность включения приемных катушек выбираются такими, чтобы в воздушной среде сигналы катушек на входе усилителя 10 компенсировались до нуля. При этом автоматически учитьшается и множитель L в формулах (О и (5).

Система координат XYZ (ось У перпендикулярна чертежу) вращается вместе с катушками с угловой частотой , причем направление вращения правое и в момент ось X направлена на сеpep. Сигнал на входе анализатора спект- cos( V )К tg/(Hjра можно представить в виде

(H -H, -LH/ )tg f-fl +{H -LH, )tgV} (12)

где К - аппаратурная константа; fl(i, ) - К-я компонента магнитного поля, возбуждаемого 1-й составляющей излучающей катущки 2; ,

производная по оси X от

10

U -

оси компоненты поля

и

if- угол между вектором 2 I осью и;15

L - длина зонда.

Последнее слагаемое в квадратной ркобке является помехой. Можно доказать, что первое слагаемое в квадратной скобке содержит нулевую и вто-2Q )ую гармонику частоты вращения, второе - только первую гармонику, а тре- ье - первую и третью гармоники ча- тоты вращения. Поэтому на выходе |аналиэатора спектра помеха может ис- 25 ;«азить только первую гармонику. Так сак третье слагаемое в квадратной ;кобке имеет множитель tg сГ, много иеныпий единицы, по сравнению со иторым слагаемым, дающим полезную часть первой гармоники, третьим сла- i aeMbiM можно пренебречь.

Зависимость сигнал а (12) от враще- ия зонда становится явной, если компоненты поля представить в неподвиж-Г-LH;-). - - (15)

Таким образом, по формулам () и (8) можно определить угол падения пластов и азимут, а величину (15) использовать для определения анизотропии.

При втором варианте расположения квадрупольной приемной катушки сигнал на входе анализатора спектра во вращающейся системе координат XYZ имеет вид

г -;

L г г

,(,+ 2 l,.

22

)tgcr-H%(H

(16)

30

где К - аппаратурная константа;

fi(i,,Z) - К-я компонента магнитного поля, возбуждаемого i-й составляющей излучающей катущки 2;

производная по осу Z от

компоненты поля

угол между вектором 2 и

осью Z;

длина зонда. Комбинационная помеха (последнее слагаемое в квадратной скобке) имеет только первую гармбнику частоты вращения и может исказить только второе слагаемое в квадратной скобке, которое также содержит только первую гарHKZfL 40

нения, помеха подавляется множителем , много меньщнм единицы.

Окончательное выражение для второго информационного сигнала при втором варианте исполнения зонда

.2 ..V

и,Ай-А2.соб(;-2Ч; ),-i- S

L 5

н,,).

(7)

45

НОЙ системе координат XYZ. Ось Z этой 35 монику. Как и в первом варианте испол- системы координат совмещают с осью j вращающихся коор,1Щнат, а ось X направляют против падения пород. 0т- фросив соответствующее помехе третье Слагаемое в квадратной скобке выражения (12), получают

,(Н2- -L )tgcr2u ij tia H

-H,cos(wt-V)+(. -i-L -i jiiw-).

.tgcrcos2(ujt-),, (13)

:Где f- азимут падения пластов. Или

(u)t+4;)(2wt+4 i),(l4)

где АорА,А - амплитуды гармоник;

Y Yi - фазы гармоник. Сравнивая (13) и (14) можно получить второй информационный сигнал, соответствующий знаменателю выраже- .мия (1)

50

55

Так как элементы залегания пластов определяются наклономером относительно оси скважины, в случае наклонной скважины вместо азимута и угла падения пластов получают величины, которые можно назвать азимутом и углом наклона пластов. По этим величинам, используя данные инклинометрии, можно вычислить азимут и угол падения,

Равенства (13-15) справедливы только для плоскослоистой среды.

Чем меньше сГ, тей лучгае подавляется помеха, но с уменьшением сГ уменьшается относительная величина второU-i A -A cos( V )К tg/(Hj

-Г-LH;-). - - (15)

Таким образом, по формулам () и (8) можно определить угол падения пластов и азимут, а величину (15) использовать для определения анизотропии.

При втором варианте расположения квадрупольной приемной катушки сигнал на входе анализатора спектра во вращающейся системе координат XYZ имеет вид

г -;

L г г

,(,+ 2 l,.

22

)tgcr-H%(H

Q 5

0

где К - аппаратурная константа;

fi(i,,Z) - К-я компонента магнитного поля, возбуждаемого i-й составляющей излучающей катущки 2;

производная по осу Z от

компоненты поля

угол между вектором 2 и

осью Z;

длина зонда. Комбинационная помеха (последнее слагаемое в квадратной скобке) имеет только первую гармбнику частоты вращения и может исказить только второе слагаемое в квадратной скобке, которое также содержит только первую гарHKZfL

нения, помеха подавляется множителем , много меньщнм единицы.

Окончательное выражение для второго информационного сигнала при втором варианте исполнения зонда

.2 ..V

и,Ай-А2.соб(;-2Ч; ),-i- S

L 5

н,,).

(7)

монику. Как и в первом варианте испол

Так как элементы залегания пластов , определяются наклономером относительно оси скважины, в случае наклонной скважины вместо азимута и угла падения пластов получают величины, которые можно назвать азимутом и углом наклона пластов. По этим величинам, используя данные инклинометрии, можно вычислить азимут и угол падения,

Равенства (13-15) справедливы только для плоскослоистой среды.

Чем меньше сГ, тей лучгае подавляется помеха, но с уменьшением сГ уменьшается относительная величина второго информационного сигнала U 5). Оп- тималы-1ым значением угла О следует считать 8-12 , при этом помеха ослабляется в 20-50 раз.

Аналогичные рассуждения можно привести для второго варианта наклономера, когда дифференциальная приемная катушка 4(5) направлена по оси зонда (фиг.З),

Указан лишь случай расположения магнитных моментов катушек в одной вращающейся плоскости. Однако те же результирующие cигнaJB)I -могут быть получены и в более общем случае, при этом усложняется лишь вид математических выражений.

Аналогично, мокко изменить назначение излучающих и приемных катушек, т.е. катушки 3-5 на фиг. 1 подключить к генератору 9, а катушку 2 - к усилителю 10.

.На фиг. 4 приведено сравнение влияния скважины на точность определения анизотропии горных пород предлагав- мым наклономером и методом поперечной проводимости. Расчеты соответствуют следующей ситуации: длина зонда равна 1 м, диаметр скважины 0,15 м, коэффициент анизотропии пласта 1,41. По оси абсцисс откладывают отношение удельной электрической проводимости бурового раствора к продольной удельной проводимости пласта, по оси орди- нат - отношения рассматриваемых величин А при наличии скважины к значе- ниям АО тех же величин, соответствующих скважине бесконечно малого диаметра. Прямая 1 соответствует идеальному случаю, когда влияние скважины отсутствует. Кривая 2 соответствует разности продольной и поперечной дельной электрической проводимости, полученной индукционным наклономером, а кривая 3 - поперечной удельной

0

электрической проводимости, измеренной методом поперечной проводимости. Как видно из графика, кривая 2, соответствующая наклономеру, с увеличением проводимости бурового раствора скважины выходит на.горизонтальную асимптоту, и погрешность не превьш1ает десяти процентов, в то время как значения кривой 3,соответствующей методу поперечной проводимости, непрерывно уменьшаются, достигая весьма большой погрешности. Кривая 4 соответствует продольной удельной электричес5 кой проводимости, полученной методом индукционного каротажа не фокусированным зондом, кривая 5 - коэффициенту анизотропии, определенному с использованием сигнала индукционного наклономера. Аналогично,кривая 6 характеризует коэффициент анизотропии, . определенный методом поперечной проводимости. Как видно из графика, погрешность определения коэффициента анизотропии с использованием второго информационного сигнала пластового индукционного наклономера более чем на порядок меньше погрешности метода поперечной проводимости.

Пластовый индукционный наклономер проще известного, так как не содержит схемы автоматической ориентации зонда и схемы коммутации катушек. К схеме индикатора ориентации зонда предъявляются менее жесткие требования, чем к схеме измерения азимута в известном наклономере. Уменьшение числа катушек индукционного зонда, использование одного измерительного канала для обоих информационных сигналов повьш1ает точность измерений.

Применение пластового индукхщон- ного наклономера повысит достоверность геологической информации при разведке полезных ископаемых.

5

0

5

0

Х-«в.

Q

Z .2

. 1

Л««б.

J

г

.З

ъ

ч

Ч

ФигЛ

Составитель А,Цветков Редактор И.Горная Техред м.Ходанич

Заказ 1943/29

Тираж 531

ВНЙШШ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

4

/.-

10

15

бскв.

6i

Корректор С.Шекмар

Подписное