Зонд для радиочастотного индукционного амплитудно-фазового каротажа Советский патент 1992 года по МПК G01V3/18 

Изобретение относится к устройствам для геофизических исследований скважин, в частности к устройствам высокочастотного индукционного каротажа и может быть использовано для совместного определения диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности, а также волнового коэффициента и коэффициента поглощения горных пород на фиксированных частотах диапазона 0,5-5 МГц способом радиочастотного индуктивного амплитудно- фазового каротажа при удельном сопротивлении изучаемых горных пород от первых десятков до 3-5 тыс. Ом.м.

Известны устройства для радиочастотного (на частоте 2-5 МГц) индукционного

амплитудно-фазового каротажа, содержащие одну измерительную катушку и две ге- нераторные катушки: основную и фокусирующую для полной компенсации в воздухе поля в измерительной катушке.

Особенностью этого устройства является лежащее в основе его конструирования соотношение для осевой составляющей напряженности Н м&гнитного поля на оси магнитного диполя:

ю

00

VJ

СА)

М

М К

н- з+2ЖТ + Нвол

О)

2л

получаемое путем разложения по малому параметру k(jk| I 1) строгого выражения для указанной составляющей

Н Мelkl (1-ikl) 2л13 V

где М - магнитный момент диполя;

I - расстояние между излучающим диполем и точкой регистрации поля;

k - волновое число, для которого имеет место соотношение

(e+sj5),(2)

(о - круговая частота возбуждаемых электромагнитных колебаний;

10 магнитная постоянная, равная 4 л- Гн/м;

Е- диэлектрическая проницаемость;

р - удельное электрическое сопротивление;

Нвол волновая составляющая напряженности магнитного поля.

Первая компонента правой части соотношения (1) - статическая, так называемое прямое поле, полностью компенсируется в точке регистрации поля с помощью фокусирующих генераторных катушек; вторая компонента - индукционная, представляющая индукционный вклад поля, несущий полезную информацию в способах индукционного и высокочастотного индукционного каротажа при предположении

k -; i Ш1Л0р(шрЕ 1) и диэлектрического индуктивного каротажа при предпо- пожении k2 - a)u0f( 1) ; третья компонента - волновая, представляющая вклад волновой части поля, принимается близкой нулю, так как искажения, вносимые ею при определении амплитуды индукцион,

ной компоненты поля

М 2л

когда

|kll 1, не превышают 10%.

Недостатком этого устройства с фокусирующими катушками является ограниченность по удельному электрическому сопротивлению областей их эффективного применения

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для радиочастотного амплитудно-фазового каротажа с фокусированным зондом, предназначенное для изучения амплитудной и фазовой характеристик магнитной составляющей поля. Устройство содержит генераторные основную и фокусирующую катушки и две измерительные катушки: основную, в которой компенсируется прямое поле, и .опорную, позволяющую путем измерения разности фаз Ду - ( и ( - фазовые сдвиги сигналов соответственно основной и опорной измерительных катушек относительно фазы тока в генераторных катушках)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

и отношения амплитуд |Hi| / магнитно го поля в основной (Н i) и опорной (I i) измерительных катушках определять с помощью специальных монограмм модуль волнового числа | k| и его фазу рь , от которых легко перейти к р и е, используя соотношение (2), либо к коэффициенту поглощения k |k|« «sin (рь и волновому коэффициенту k1 |k| «cos (fa . При этом для пород с удельным электрическим сопротивлением от 30 до 3000 Ом м интервал значений у на частотах 1-5 МГц составляет (0,03-0,05) л- (0,4- 0,5) я Как показали расчеты, условием удовлетворительной точности получения k , /эие является выполнение соотношений1

Д (р - 2(рь для значений 0,03л /ъ 0,4 л, или (3)

Ду для значений 0,4 л , Недостатком этого устройства является то, что на частотах, меньше 1-0,5 МГц. уровень полезного сигнала относительно прямого поля настолько мал, что не обеспечивает возможности определения электрических параметров среды при р большем 300-500 ОМ м, а при частотах 1 МГц и выше диапазон изменения Д существенно уже пределов, предусмотренных условиями (3), при этом он сужается с увеличением частоты возбуждаемого поля. Причиной последнего недостатка является наложение фазы, обусловленное вкладом, от волновой составляющей поля (НВол) в основной измерительной катушке, приводящее к существенному ограничению Д снизу, и наложение фазы, обусловленное вкладом от индукционной составляюМ k2 щей поля ту-т , на фазу прямого поля в

опорной измерительной катушке, приводящее к ограничению Д сверху, а также к неоднозначной связи между f при (fb , больших 0,3-0,4 п .

Ограничение снизу пределов изменений А(р приводит к тому, что ,1 п величина Д существенно превышает 2 де . вследствие чего относительная погрешность d«pk определения fb становится в 2-5 раз больше относительной погрешности дДр определения Ду . неизбежной при ее измерениях. Нетрудно показать, что при реальной погрешности измерений Д - д д« - 10% и при 10%, погрешность определенрия |k| составит соответственно (40-70)% и (30-60)% (где погрешность определения |kj).

Цель изобретения - повышение точности, а также однозначного определения параметров горных пород путем компенсации

5

ПЧ9873

Использование: в области геофизических исследований скважин. Сущность изобретения: алгебраическая сумма моментов основной и двух фокусирующих I aiyim к i e нераторг-ой цепи зонда равна нулю чю обеспечивает компенсацию волновой ком поненты поля в цепях основного и опорного сигналов и позволят тем самым выделить в чистом виде индукционную компоненту по ля в цепи основного сигнала. Соотношение витков основной и фокусирующей катушек в цепи опорного сигнала обеспечивает компенсацию индукционной компоненты поля в цепи опорного сигнала, что вместе с компенсацией волновой компоненты поля в этой цепи позволяет выделить в чистом виде статическую компоненту поля, называемую прямым полем, которая используется в качестве опорного сигнала. Физические эффекты, достигаемые в предлагаемом зонде, позволяют измерить практически в чистом виде амплитудную характеристику и фазо вую характеристику комплексного волнового числа горных пород. 3 ил. со С

волновой компоненты поля в цепях основ ного и опорного сигналов и индукционной компоненты поля в цепи опорного сигнала

На фиг 1 приведена электрическая схе ма зонда с генератором и измерительным блоком; на фиг. 2 - номограмма для определения |k| и (/неиспользованием известного устройства; на фиг. 3 - номограмма для определения |k|u / с ипользованием предложенного зонда.

Зонд содержит последовательно- встречно включенные основную генераторную катушку 1, первую фокусирующую генераторную катушку 2 и вторую фокусирующую генераторную катушку 3, а также основную катушку А в цепи основного сигнала и включенные последовательно опорную катушку 5 и фокусирующую катушку 6 в цепи опорного сигнала Катушки 1-3 подключены к выходу генератора 7 электромагнитных колебаний, а катушки 4-6 - к двум входам измерительного блока 9.

На фиг. 2 показана номограмма 10 для определения kin на частоте 5 МГц при использовании известного устройства.

На фиг. 3 показана номограмма 11 для определения |k и /3k на частоте 5 МГц при использовании предложенного зонда.

Базовая длина зонда, т. е. расстояние между основной катушкой 1 генераторной цепи и основной измерительной катушкой 4. предполагается равной 0,6-0,8 м по аналогии с существующими зондами индукционного каротажа

Рекомендуемые наиболее оптимальные расстояния между катушками: 1 и 2 - 0,15- 0.2м;3и 1 -0,1-0.15м; 4 и 5-0,1-0,15м; 5 и 6 - 0,07-0,1 м. При этом общая длина зонда, те. расстояние между крайними катушками 3 и 5, составит 1,0-1.2 м.

Для числа витков m катушки 1; П2 - катушки 2 и пз - катушки 3 к расстояний h между катушками 1 и 4,12 между катушками 2 и 4 и 1з между катушками 3 и 4 имеют место следующие соотношения:

П1 П2 + ПЗ,(4)

Hi tf

выполнение которых обеспечивается при следующих условиях з h 2, пз П2. Примерное соотношение чисел

ni : па : пз 10 : 3 : 7.

Расстояния H.I2. и з, подбираются с учетом соотношения (5) при заданных числах т, П2 и пз.

Для числа витковп основной катушки 5 и пп- фокусирующей катушки 6 цепи опорного сигнала выполняется соотношение (4), в котором

+

(5)

1 п

in

ni

И {

Ч1

(п-2 п

(li

где гг число витков nuoppimii клюшки i

П ЧИСЛО ВИТКОВ фОКуСНруЮЩРИ КЗ III

к и 6 п цепи опорного сигнала

Щ ЧИСЛО ВИТКОВ ОСНОВНОЙ KrliyillNll 1 П

() генераторной цепи,

П2, nj число витков первой и в юрой фокусирующих катушек 2 и 3 в генераторной цепи:

И расстояние от основной катушки 1 5 генераторной цепи до опорной катушки 5

И расстояние от основной катушки 1 генераторной цепи до фокусирующей ка тушки 6 в цепи опорного сигнала

12 - расстояние от первой фокусирую 0 щей катушки 2 генераторной цепи до опор

ной катушки 5,

,

12- расстояние от первой фокусирую

щей катушки 2 генераторной цепи до фокусирующей катушки 6 цепи опорного 5 сигнала;

13- расстояние от второй фокусирующей катушки 3 генераторной цепи до опорной катушки 5;

1з - расстояние от второй фокусирую 0 щей катушки 3 генераторной цепи до фокусирующей катушки 6 цепи опорного сигнала„ „ (

Величины h I и 1з определяются при заданных величинах И, 12, и I з из соотношеп

И + а, 12 12 +а, 1з , (7)

ий й И

где й - расстояние между катушками 4 и 6, выбираемое произвольно в рекомендованных выше пределах, а величины h , (2 и 1з

определяются из соотношений „

li h + b, 12 12 + b, 12 1з +b, (8) где b - расстояние между основной катушкой 5 и фокусирующей катушкой 6 цепи опорного сигнала, определяемое при заданных величинах щ, П2. пз Н , I з . п и п из соотношения

55

ш

( Р2 + П3 rf rn1 - (Hi + hlfq Vii . . .и . . ) i Iи vii .Н -К3

7f+b M+b -д+ь п 1,ч viH .a

вытекающего из соотношений (6) и (8). 50 Примерное соотношение чисел п и п следующее: п : п 10 : 9.

На номограммах 10 и 11 (фиг. 2 и 3} по оси абсцисс отложены теоретические значения разности фаз Дуэ, а на оси ординат - отношения амплитуд основного и опорного сигналов.

Горизонтальные кривые соответствуют фиксированным значениям (модуля волнового числа) от 0,35 до 1,07 м с логарифмическим шагом (каждое следующее значе ние больше предыдущего в 1,15 раза или на 15%), а вертикальные кривые - фиксированным значениям аргумента волнового числа (угла потерь) pk от 0,073 я до 0,677 п (от 4,2 до 38,8°) с логарифмическим шагом 1,16, Номограмма 10 (фиг, 2) построена для известного с генераторными катушками с соотношением числа витков основной m и фокусирующей П2 катушек : гм 1 2 при расстояниях И от основной к г от фокусирующей катушек генераторной цепи до катушки цепи основного сигнала, удовлетворяющих условию полной компенсации прямого поля в цепи основного сигнала:

Л1 Л1

tf $ и равных соответственно 0,85 и 0,67 м.

Номограмма 11 (фиг. 3) построена для предлагаемого зонда с тремя генераторными катушками 1, 2 и 3, располбжёГнными на расстояниях И 0,85, h 0,686, з 1 м от катушки 4 при соотношении числа витков в основной катушке 1 - m в первой и второй фокусирующих катушках 2 и 3 генераторной цепи , ni:

щ : П2 : пз 10 : 3 7

и расстоянии между катушками 4 и 6, равном 0,1 м, и катушками 6 и 5 равном 0,079 м.

Интервал изменения Ду при заданных пределах величины рь на номограме 10 составляет 21-78° при | k 0,35 м 1 и 52-82° при|И 1,07 м Кривые (фиг. 2), соответствующие трем наибольшим значениям рь , взаимно пересекаются, что приводит к неоднозначному соответствию между fa и Дуэ а, кривые, соответствующие наименьшим значениям рь расположены так плот- но, что если учесть неизбежные погрешности измерений, однозначное определение р также становится невозможным На фиг. 3 наблюдается четкая и метрологическая выдержанная связь Ду и рь, с одной стороны, и | Hi) / JHgl и lk| - с другой, выраженная на всем интервале значений (рь и I k I, соотношениями

A In (Д 00-Д In у

Aln(|Hi|/|H2|) Д1п|М, что обеспечивает высокую точность интерпретации скважинных измерений.

Формула изобретения Зонд для радиочастотою индукцион ного амплитудно-фазового каротажа, содер жащий основную и фокусирующую катушки

в генераторной цепи, основную катушку в цепи основного сигнала и опорную катушку в цепи опорного сигнала, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности, а также однозначного определения параметров горных пород путем компенсации волновой компоненты поля в цепях основного и опорного сигналов и индукционной компоненты поля в цепи опорного сигнала, в гене- раторную цепь введена вторая

фокусирующая катушка, которая расположена по другую сторону от основной катушки, причем сумма витков фокусирующих катушек равна числу витков основной катушки, а в цепь опорного сигнала введена

фокусирующая катушка, соединенная по- следовательно с опо рной при следующем соотношении чисел витков и расстояний между катушками

п п П|/1 (П2/ + пз/ )

ni/l i - (п2/12 + п3/1з) где п - число витков опорной катушки;

п - число витков фокусирующей катушки в цепи опорного сигнала; щ - число витков основной катушки в генераторной цегГи;

п2, пз - число витков первой и второй фокусирующих катушек в генераторной цепи; |

h - расстояние от основной катушки генераторной цепи до опорной катушки;

И - расстояние от основной генераторной катушки до фокусирующей катушки в цепи(опорного сигнала;

2 -расстояние от первой фокусирующей катушки в генераторной цепи до опорной катушки;

2 - расстояние от первой фокусирующей катушки в генераторной цепи до фоку- сирующей катушки в цепи опорного сигнала.

1з - расстояние от второй фокусирующей катушки в генераторной цепи до опорной катушки;

з расстояние от второй фокусирую- щзй катушки генераторной цепи до фокусирующей катушки цепи опорного сигнала.

2 Itl

98

7

6- 5 «

J

2

Ук-4,2 град

10-1

11-|1111-pi-

J 5 6 7 8 9 Ю2 Д(,град Фиг. 2

Ю

„nrw

6

Г J

8

Фиг 1

I

|/4

/

1

9

В 7

б 5

4- 3

ГТ

5 7 8 9 10

г

Риг,3

x Ш

,35м-1

т

1-|-г

4 S 6 7 8 9 Ю Aifcspad