Устройство для каротажа скважин Советский патент 1981 года по МПК G01V3/18 

Изобретение относится к промыслово-геофиэической технике, в частности к аппаратуре, предназначенной для исследования характеристик, например электрических, горных пород, пересеченных скважиной,и может быть исполь овано для исследования нефтяных газовых и гидрогеологических скважин. Известно устройство для каротажа скважин, включающее геофизические датчики, генератор переменного тока и измерительные преобразователи. С целью повышения псмлехоустойчивости системы и стабильности нуля это устройство снабжено каналом низкочастотного опорного напряжения и фазочувствительнымн устройства ми, управляемыми опорным сигналом I Однако данное устройство не облгъдает необходимой точностью измерения из-за недостаточной стабильнос ти нулевого уровня. Так как в устройстве применяется амплитудная ; модуляция, то, несмотря на фазо чувствительное выпрямление, помехоустойчивость также недостаточна He-yTSiQKnbHocTb нулевого уровня ограничивает и динамический диап зон. Кроме того, -из-за неконтро ируемого изменения .параметров радуировочных характеристик измеительных каналов, а также влияия нестабильности тока питания датчиков появляются дополнительные погр ешности ;4змерения. Известно также устройство, содержащее несколько геофизических датчиков, токовая цепь которых соединена с генератором переменного тока, и измерительные преобразователи с ключами переменного тока на входе 2. Лрименение частотной модуляции в таком устройстве для передачи информации позволяет повысить стабильность нуля, расширить динамический диапазон, увеличить помехоустойчивость. Однако в ряде случаев точность измерений оказывается недостаточной. Кроме того, не устранены дополнительные погрешности измерений, обусловленные изменением температуры и нестабильностью тока питания дат чиков. Измерения производятся на фиксированных поддиапазонах, при этом необходимы калибровка измерительных каналов перед началом изме.рений.

НаиОолее близким к предлагаемому является устройство для каротажа скважин, включающее несколько геофизических датчиков, генератор переменного тока, цепь которого последовательно соединена с блоком эталонных сигналов и токовой цепью датчиков. Выходы блока эталонных сигналов и каждого из датчиков через многопозиционный электромеханический коммутатор, снабженный блоком индикации его положений, состоящим из скважинной и наземной частей, и блоком управления, подключены ко входам блока измерительных преобразоватешей, а выходы последнего - к выходным зажимам устройства 3.

Однако известное устройство характеризуется недостаточной точностью измерений из-за наличия погрешностей, обусловленных нестабильностью нулевого уровня, что ограничивает точность измерения в нижней части поддиапазона измерения, неконтролируемым изменением параметров градуироврчной характеристики при измейении температуры окружающей среды, нелинейностью градуировочной характеристики, достигающей 3%,что ограничивает точность в верхней части поддиапазона измерения, нестабильностью тока питания датчиков, а также взаимным влиянием между измерителными каналами. Кроме того, недостаточно широкий динамический диапазон измерительных каналов вызывает необходимость проведения измерений на фиксированном поддиапазоне измерения, что в случар сильного различия измеряемого параметра по величине, когда приходится работать на грубом поддиапазоне, приводит к большим погрешностям измерения в нижней части поддиапазона. Йедостатками этого устройства являются также необходимость ручной корректировки нулевых уровней и коэффициентов передачи в измерительных каналах перед началом измерений, а также выбора оператором необходимого поддиапазона измерения, что усложняет процесс измерения и увеличивает время исследования скважин,и наличи в составе устройства дистанционно управляемого электромеханического коммутатора.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для каротажа скважин, включающее геофизические датчики, выходные зажимы, генератор переменного тока, цепь которого последовтельно соединена с блоком эталонных сигналов и токовой цепью датчиков, а выходы блока эталонных сигналов через коммутатор, снабженный блоком управления, подключены ко входам Олока измерительных преобразователей

дополнительно введены .вычислительный блок и блок автоматического выбора поддиапазона измерения, а коммутатор выполнен в виде двух управляемых ключей, первого и второго, приJ чем выходы датчиков подключены ко входам блока автоматического выбора поддиапазона измерения, выходы которого соединены со входами блока измерительных преобразователей, уп0 .равляющие входы первого и второго ключей соединены с выходом блока управления, второй выход которого подключен ко входу вычислительного блока, два другие входа .вычислительноi;o

блока соединены с выходами блока измерительных преобразователей, а два выхода подключены к выходным зажимам устройства.

Кроме того, блок автоматического выбора поддиапазоюа выполнен управляемым величиной входного сигнала и включает в каждом канале устройства трансформатор управления, амплитудный детектор, два компаратора, два источника опорных напряжений,

5 третий, четвертый и пятый управляемые ключи, схему управления этими ключами, трансформатор входного сигнала, шестой и седьмой управляемые ключи, эталонный резистор индиQ кации, причем первичная обмотка

трансформатора управления соединена с выходом датчика, а вторичная подключена к амплитудному детектору, выход которого соединен с первыми

с входами двух компараторов, а вторые входы компараторов подключены к источникам опорных напряжений, выхрды компараторов соединены со входами cxeN&i управления третьим, четвертым и пятым ключами, а выходы

схемы управления подключены к управляющим входам третьего, четвертого и пятого ключей, включенным в отводы вторичной обмотки трансформатора входного сигнала, первичная обмотка

5 которого через управляемые шестой и седьмой ключи соединена с выходами датчика, к этой же обмотке посредством седьмого управляемого ключа подключён эталонный резистор индикации, включенный в токовую цепь датчика.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит геофизические датчики 1,... 1„, блок 2 измерительных преобразователей, вычислительный блок 3, блок 4 управления, генератор 5 переменного тока, блок

б эталонных сигналов, состоящий из эталонного резистора 7 и трансфор-. матора 8, блок 9 автоматического выбора поддиапазона измерения, каждый канал которого состоит из трансформатора 10 управления, амплитудного детектора 11, компараторов i2 и 13, источников 14 и 15 опорного напряжения, схемы 16 управления клю чами, третьего, четвертого и пятого управляемых ключей 17, 18 и 19, трансформатора 20 входного сигнала и резистора 21 индикации, седьмой, шестой, первый и второй управляемые ключи 22 - 25 в каждом канале, выхо ные зажимы 26 и п-й канал 27 устрой ства,Генератор 5 переменногЪ тока последовательно соединен с эталонньо резистором 7 блока 6 эталонных сигналов, резистором 21 индикации, блока 9 автоматического выбора поддиапазона измерения и токовой цепь датчиков 1 ,., „ . Выходная цепь датчика 1, через управляемый ключ 2 подключена к первичной обмотке тран сформатора 20 входного сигнала. К этой же обмотке посредством управляемого ключа 22 подключен резистор 21индикации. Выводы обмотки трансформатора 20 через третий, четверты и пятый управляемые ключи 17, 18 и 19 блока 9 автоматического выбора поддиапазона, соединены со входом блока 2 измерительных преобразователей. К этому же входу через первы и второй управляемые ключи 24 и 25 подключены выводы вторичной обмотки трансформатора В блока 6 эталонных сигналов. Выход блока 2 измерительных преобразователей соединен со входом вычислительного блока 3, а выход последнего - с выходным эажимом 26. Управляющие входы ключей 22- 25, а также один из входов вычислительного блока 3 соединены с выходами блока 4 управления. . Выходная цепь датчика 1 соедине также с первичной обмоткой трансфор матора It) управления блока 9 автоматического выбора поддиапазона измерения. Вторичная обмотка трансФорматора 10 подключена ко входу амплитудного детектора 11, выход которого соединен с первыми входами компараторов 12 и 13, вторые входы которых подключены к источникам 14 и 15 опорных напряжений. Выходы ком параторов 12 и 13 соединены со входами сх.емы 16 управления ключами г выходы которой подключены к.управляющим входам ключей 17, 18 и 19. Устройство работает следующим образом. Процесс измерения разбивается л циклы, в каждом из которых выполняется несколько тактов измерения. В первом из них измеряется исследуемая величина, а в последующих эталонные сигналы, подключаемые ко входу измерительного канала. По показаниям, полученньш в каждом такте рассчитывается величина измеряемого параметра. Работу устройства рассмотрим на примере одного из каналов. Допустим, что при измерении кажущегося сопротивления пород градуировочная характеристика измерительного канала линейна и имеет вид N а, + , (1) где N - показания на выходе измерительного канала; Р - величина измеряемого кажуще - гося сопротивление; а ,a,j - параметры градуировочной характеристики - нулевой уровень и коэффициент передачи измерительного канала. В таком случае для получения результата измерения в каждом цикле необходимо выполнить по четыре такт«4 измерений. В первом такте измерения блок 4 управления открывает ключи 23, а ключи 22, 24 и 25 остаются закрытыми. Генератор 5 создает переменный ток, протекающий через эталонный резистор 21 индикации и токовую цепь датчиков I,...,,. Выходное напряжение датчика 1 , пропорциональное величине измеряемого кажущегося сопротивления, через Открытые ключи 23 пода-, ется на первичную обмотку трансформатора 20 входного сигнала. Одновременно это же напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора 10 управления, со вторичной обмотки которого оно подается на амплитудный детектор 11, где детектируется и в виде напряжения постоянного тока, пропорционального величине измеряемого кажущегося сопротивления, подается на входы компараторов 12 и 13 и сравнивается с опорными напряжениями, задавае1«ыми источниками 14 и -15 и определяющими границы поддиапазонов измерения. В данном случае д иапазон,измерения разделен на три поддиапазона. Выходы компараторов 12 и 13 соединены со входами схемы 16 управления ключами. Схема 16 управления ключами анализирует состояния компараторов 12 и 13 и выдает команды управления ключами 17, 18 и 19 по следующему алгоритму. Если компараторы 12 и 13 не срабатывают, то открывается ключ 17, а ключи 18 и 19 закрыты и измерение производится в первом поддиапазоне. Бели срабатьшает компаратор 12, то открывается ключ 18, а ключи 17 и 19 закрыты и измерение производится во втором поддиапазоне. Если же срабатывают оба компаратора, то открывается ключ 19, а ключи 17 и 18 закрыты и измерение производится в третьем поддиапазоне. Входной сигнал через открытый в данный момент один из ключей 17, 18 и 19 поступает на вход блока 2 измерительных преобразователей и на

его выходе формируется результат NC pBOfo такта измерения

Р

(2)

NI 1 + 1

кГ

где К - коэффициент ослабления (увели1ения) сигнала на данном поддиапазоне измерения.

Этот результат фиксируется в памяти вычислительного блока 3.

Во втором такте измерения блок 4 управления открывает ключ 24, а ключи 22, 23 и 25 остаются закрытыми. При этом на вход блока 2 измерительных .преобразователей подается напряжение, пропорциональное эталонной мере кажущегося сопротивления. Это напряжение образуется на эталонном резисторе 7, включенном в токовую цепь датчика Ij . Значения эталонных мер, формируемые блоком эталонных сигналов, состоящим из резистора 7 и трансформатора 8 с многоотводной вторичной обмоткой, можно определить из следующих условий. Ка известно, разность потенциалов, возиикающая на иэмерительн лх электродах датчика (зонда), определяется формулой

ли ОН.

(3)

1

где I К - ток питания зонда;

- коэффициент зонда;

Р

- кажущееся сопротивление срды.

Падение напряжения на резисторе 7 величиной Rg равно

(4)

IR

и

эт

зт

Требуя, чтобы падение напряя&иия иэт &НЛО равно разности потенциалов ДО между измерительными электродами зонда в среде с кажущимся сопротивлением рэт/ получают

. ., JP

(5) К, Э7

Отсюда

Рэт К,г,Кэя (6) Значения эталонных мер кажущихся сопротивлений, получаемых со вторичной обмотки трансформатора 8,равны

Р9Т К-ь- э-, (7) где - коэффициент трансформации для каждого из выводов вторичной обмотки. Таким образом, во втором такте измерения на вход блока 2 измерительных преобразователей подается напряжение, пропорциональное эталонной мере кажущегося сопротивления

Рэт . z эт. На выходе получаются показания

(8)

Nn

+ а.

Рэт.

1

которые запоминаются вычислительным блоком 3.

В третьем такте блок управления открывает ключ 25, а ключи 22, 23 и 24 закрывает. На вход блока 2 измерительных преобразователей подается напряжение, пропорциональное эталонной мере кажущегося сопротивления

Рэт.2 рл т

В вычислительном блоке 3 запоминается результат третьего такта измерения

N, а, + (9) Четвертый такт измерения проводится с целью определения коэффициента ослабления (увеличения) входного сигг нала в блоке автоматического выбора поддиапазона. В этом такте блок 4 управления открывает ключ 22, а ключи 23, 24 и 25 закрывает. При этом к первичной обмотке трансформатора 20 входного сигнала подается v напряжение, пропорциональное эталонной мере кажущегося сопротивления

(10)

РЦНДГ -i,

UHAгде R - величина сопротивления

резистора 21 индикации в токовой цепи датчика. Величина выбирается такой, чтобы она принадлежала первому, м самому чувствительному поддиапазону измерения. Это напряжение проходит через тот ключ блока автоматического выбора поддиапазона, который в данный момент открыт величиной входного сигнала, поэтому коэффициент ослабления (увеличений) сигнала эталонной меры рни такой же, как и в случае измерения исследуемого кажущегося сопротивления, так как время цикла измерения выбирается таким образом, чтобы величина измеряемого сигнала за это время практически не изменялась. Поэтому результат такта измерения имеет вид

РИНА,

(11)

NA а,+ а

ч к.

Полученные четыре уравнения с четырьмя неизвестными а,а,2,К„ ир решаются относительно р в вычислительном блоке 3 по алгоритму

р . PuHi..rC u- g)P3T.r(Ni-N,)(paT..;-pflT.«)3

(12)

(-)Яэт.9(..

а результат выводится на выходной зажим 26. Если же градуировочная характеристика измерительного преобразователя существенно нелинейна, ее можно аппроксимировать полиномом

«, -(

N « а + а,х + ...+ , (13)

где а ,ад,,...а - параметры градуирог .вочной характеристики.

В этом случае в каждом цикле измерения для исключения из конечного результата параметров градуировоч0 ной характеристики необходимо произвести m + 2 такта измерений.

В первом из тактов измеряется исследуемая величина, а в последующих - m эталонных мер и одна индикационная. В вычислительном блоке решается система уравнений относитель но р а, + а 1+ ..+ 1, На практике достаточно ограничит ся первыми тремя членами полинома. Как видно из выражения (12), полученного для конечного результата, о не зависит от параметров градуирово ной характеристики. Следовательно, конечный результат измерений йе зав сит от нестабильности нулевого уров ня в измерительных каналах и от изменений параметров градуировочной характеристики под воздействием тем пературы. Погрешность из-за нелинейности градуировочной характеристики также может быть снижена, даже если пользоваться алгоритмом для линейной характеристики. Это достигается тем что одна из эталонных мер j3g выбир ется в начале поддиапазона, а втора рэт а в конце его. Так как взаимно влияние измерительных каналов прояв ляется в изменении нулевых уровней, то, как указано выше, погрешность, обусловленная взаимным влиянием каналов, также уменьшается. Погрешность, обусловленная нестабильностью тока питания датчиков, также снижается. Измеряемое кажущееся сопротивление определяется из формулы (3 следующим образом р Р . (15) Значения эталонных мер кажущихся сопротивлений можно также выразить следующим образом п - Kj-p Цэт.уКй ГЭТ.л I И РЭ .DgT.a-.Kn, - При подстановке полученных вьфажений дляр ,}, ирэг.а Формулу для конечного результата (12) ток I в обеих частях равенства сокращается. Независимость конечного результата от тока питания вытекает также и из физическ)1Х соображений: через исследуемую среду и эталонные рюзисторы 7 и 21 протекает один и тот же ток. Следовательно, результат измерений не зависит от изменений тока питания если в каждом такте измерения внутри цикла ток I постоянен, что практичес ки выполняется всегда выбором соответствующего времени цикла. Автоматический выбор поддиапазона иэмереиия в зависимости от измеряемой величины означает расширение , динамического диапазона, что позволяет измерять геофизические параметры, изменяющиеся в широком диапазоне с одинаковой точностью нозависимо от их величины. Если для известного устройства пределы измерения кажущегося сопротивления 200, 1000 и 5000 Омм, а динамический диапазон 1000, то принимая нижнее значение измеряемого кажущегося сопротивления равным 0,2 ОмМ, для предлагаемого устройства при трех поддиапазонах измерения получают динамический диапазон, Р3« ол 2500. Увеличением числа поддиапазонов зта вели|чина может быть увеличена и далее, причем точность измерения во всем диапазоне практически одинакова. Реализовать величину динамического диапазона можно, производя обработку информации в цифровой форме. Поэтому в предлагаемом устройстве вычислительный блок 3 выполнен цифровым. Для производства записи результатов измерений вычислительный блок 3 может включать цифроаналоговый преобразователь с разбивкой значений выходной величины на- поддиапазоны. Так как результат измерений но зависит от нулевого уровня и коэффициента передачи измерительного канала, а выбор поддиапазона измерения осуществляется автоматически, то отпадает необходимость в калибровке измерительного канала, а также в выборе оператором поддиапазонов измерения, т.е. процесс измерения автоматизирован. Предлагаемое устройство для каротажа скважин обеспечивает по сравнению с известным повышение точности измерения за счет снижения погрешностей, обусловленных нестабильностью нулевого уровня в измерительных каналах, неконтролируемым изменением параметров градуировочной хараТстеристики, нелинейностью градуировочной характеристики, нестабильностью тока питания датчиков и взаимным влиянием измерительных каналов друг на друга. Поскольку результат измерений не зависит от изменений параметров градуировочной характеристики, то измерительное преобразователи могут быть построены по самым простым, а следовательно, надежным схемам, что особенно важно для скважинных преобразователей, работающих в условиях высоких температур и механических нагрузок. В предлагаемом устройстве осуществляется автоматический выбор поддиапазона измерения, что значительно расширяет динамический диапазон и точность измерений. Кроме того/ устройство характеризуется отсутствием электромеханических коммутирующих узлов, что повышает его надежиость, автоматизацией процесса

измерения и благодаря этому сокращением времени исследования скважин, особенно при многоканальных измерениях и независимостью результатов измерений от параметров линии связи (каротажного кабеля). Устройство обладает также возможностэью обработки информации и регистрации ее в цифровой форме.

Формула изобретения

1.Устройство для каротажа скважин, включающее геофизические датчики, выходные зажимы, генератор переменного тока, цепь которого последовательно соединена с блоксян эталонных сигналов и токовой цепью датчиков, а выходы блока эталонных сигналов через коммутатор, снабженный блоком управления, подключены ко входам блока измерительных преобразователей, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены вычислительный блок и блок автоматического выбора поддиапаЗона измерения, а коммутатор вьшолнен в виде двух управляемых ключей, первого и второго, причем выходам датчиков подключены ко входам блока автоматического выбора поддиапазона измерения, выходы которого соединены со входами блока измерительных преобразователей, управляющие входы первого и второго ключей соединены с выходом блока управления, второй выход которого подключен ко входу вычислительного блока, два входа вычислительного блока соединены с выходами блока измерительных преобразователей, а два выхода подкл1очены к выходным зажимам устройства.

2.Устройство поп. 1, о т л ичаюцеес я тем, что блок автоматического выбора поддиапазона измерения выполнен управляемым величиной входного сигнала и включает в каждом канале трансформатор управления, амплитудный детектор, два компаратора, два источника опорных напряжений, третий, четвертый и пятый управляемые ключи, схему управления этими ключами, трансформатор входного сигнала, шестой и седьмой управляемые ключи, эталонный резистор

0 15 20 25 индикации, причем первичная обмотка трансформатора управления соединена с выходом датчика, а вторичная подключена к амплитудному детектору, выход которого соединен с первыми входами двух компараторов, а вторые входы компараторов подключены к источникам опорных напряжений, выходы компараторов соединены со входами схемы управления третьим, четвертым и пятым ключами, а выходы схемы управления подключены к управляющим входам третьего, четвертого и пятого ключей, включенным в отводы вторичной обмотки трансформатора входного сигнала, первичная обмотка которого через управляемые шестой и седылой ключи соединена с выходами датчика, к этой же обмотке посредством седьмого управляемого ключа подключен эталонный резистор индикации,

D включенный в токовую цепь датчика.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 155115, кл. G 08 С 15/04, 1961.

5 40

2.Авторское свидетельство СССР 512445, кл. G 01 V 9/00, 1973.

3.Бармский Л.Г. Телеизмерительная система с частотным разделением каналов и частотной модуляцией для скважинной измерительной аппаратуры. Сб. Разведочная геофизика , М.,

Недра, 1967, вып.20, с. 84-91 (прототип). .:Л -CZD 11