I
Изобретение относится к исследованию характеристик горных пород, в частности к индукционным устройствам, и может быть использовано для измерения средней проводимости и неоднород- 8 ности пород, окружающих буровые скважины.
Для осуществления этих измерений используют изменения фазовых составляющих электрического сигнала, созда- ю ваемого индукционным прибором при автоматической записи результатов каротажа. С этой целью результаты измерений обрабатываются математически для представления показаний средней 1в проводимости и неоднородности пород. Эти результаты, соответствующие средней проводимости и неоднородности, могут быть, в свою очередь, использованы для получения показаний проводи- 20 мости различных исследуемых радиальных зон, К катушке (катушкам) передатчика подводят сигналы различных частот, при этом значения напряжений, индуцированных в катушке (катушках) 25
приемника, вследствие прямой взаимной связи с катушкой передатчика на низких и высоких частотах, компенсируются. Дпя повышения точности проводимых испытаний фазовые компоненты, используемые в вычислениях, измеряются на более высоких частотах.
Известна система катушек, содержащая одну или несколько катушек передатчика и одну или несколько приемных катушек. Эти катушки могут быть смонтированы на опоре или держателе с фиксированием промежуточного,пространственного расстояния между ними. К катушкам или катушке передатчика подводят от генератора переменного тока электрические сигналы для наведения вторичного тока в окружающих породах . Электромагнитное поле, создаваемое этим вторичным электрическим током, наводит напряжение сигнала в одной катушке или в нескольких катушках приемника. Величина этого напряжения сигнала зависит от электропроводимости пород. У применяемых в 39 настоящее время индукционных каротаж ных устройств для получения показаний измеряется только та часть сигнала проводимости приемника, которая находится в фазе с током передатчика На выходе сигнал системы катушек при емника прямо пропорционален электрической проводимости пород в наибольшей части диапазона, обычно встречающихся значений проводимости 1П . На результат измерений влияют нелинейные эффекты, обусловленные явлениями электрического скин-эффекта, Величина этого скин-эффект а возрастает с увеличением рабочей частоты истемы катушек излучателя. Известны также yetроиства для кор ректирования результатов измерений проводимости с помощью индукционных .систем относительно влияния нелинейности скин-эффекта. У одной из полод ных систем первичный функциональный контур корректирует сигнал кажущейся проводимости, получаемый от индук ционного изме рительного прибора согласно предварительно заданной функции 21. 8 другой системе а Приемной катушке наводится сигнал прямоугольной формы и суммируется с обычным компонентом сигнала, находящимся в фазе для-образования сигнала проводимости, скорректированного на скин-эффект. Эта система основана на принципе, что сигнал от породы, имекадий сдвиг фазы на 90, приблизитель но равен составляющей сигнала от скин-эффекта, противофазного с этим сигналом в пределах данного диапазона значений проводимости и частоты С31. Когда значения рабочей частоты системы и проводимости близлежащих формаций не являются слишком большими, то эти известные системы обеспечивают исключтельно точные измерения проводимости формаций почти при всех встречающихся условиях. Однако, когда значение произведения частоты на проводимость пород становится очень большим, то очень трудно получить точный результат измерения проводимости из-за значительного влияния скин-эффекта. Если исследуемые горные породы являются неоднородными а произведение частоты и проводимости велики, то проблемы (юлучения точных измерений проводимости горных пород существенно усложняются. Цель изобретения - повышение точности измерений проводимости пород в широком диапазоне рабочих частот. Поставлен :1ая цель достигается тем, что в устройство, содержащее скважинный снаряд, включающий систему генераторных катушек, соединенных с генератором, и систему измерительных катушек, соединенных с двумя фазочувствительными детекторами, линии опорнык сигналов которых соединены соответственно с активным и реактивным элементами генераторной цепи, а также телеметрическую систему и наземный блок регистрации, введен блок .вцдеяения активной и реактивной составляющих комплексной проводимости пород, включеннь между телеметрической системой и блоком регистрации. При этом введенный блок содержит узел (устройство) об1 единения совпадапцих по фазе составляющих напряжений, соединенный с нелинейным каскадом, узел (устройство) сумми|зованил объединенного и нелинейного сигналов, соединенный с регистратором. Блок выделения активной и реактивной составляющих комплексной проводимости пород содержит также устройство для вычисления проводикюсти участка пород, находящегося на выбранном расстоянии от скважины. большинство исследуемых с помощью йндукцистных измерительных приборов, состоит из множества зон, обладающих различными проводимостями. Подобные породы называют неоднородными, в гчэогиаоположность породам, имещим одну проводимость (они называются однородными). Поэтому необходимо совершенствовать индукционные устройства, применяе/ше для исследования неоднородных горных пород. Согласно настоящему изобретению образовавшееся электромагнитное поле и наведенный сигнал имеют амплитуду и фазу, зависяиИе от проводимости и неоднородности .пород, значения которых сравнивают с.амплитудой и фазой эталонного сигнала, fto амплитудной и фазовой характеристикам наведенного сигнала (по двум или нескольким показаниям) можно определить необходимую характеристику породы, причем, по крайней мере по одному из показаний наход;ят проводимость. По второму показа.нию можно определить неоднородность или какой-либо другой параметр зависящий от неоднооодности.
На фиг. 1,показана функциональная схема предложенного устройства; на фиг, 2 и 3 диаграммы напряжения (и его составляющих, находящихся в фазе и со сдвигом фазы на 90°), индуцированного в приемной катушке индукционной измерительной системы при различных значениях проводимости одн родной породы; на фиг. k - диаграмма некоторых вычисленных параметров в функции напряжения от проводимости, находящегося в фазе и со сдвигом фазы на 90°; нэ фиг. 5 - функциональна схема вычислительной аппаратуры, рас крывающая п. 2 формулы изобретения; на фиг. 6 - схема цепи для программирования цифрового вычирлительного устройства ойцего назначения, котора кюжетбыть использована для вычисления некоторых параметров; на фиг. 7 и 8 - положение измерительного прибора внутри буровой скважины и приведены радиальная и вертикальная характеристики пластов пород в виде некоторых параметров, полученных с помощью аппаратуры, изображенной на фиг. 1; на фиг. 9 - кривые б и б„ дейтвительной и компс«ент проводимости пород при их горизонтальном залегании; на фиг. 10 и 11 - графики относительных сигналов в зависимости от расстояния на оси буровой скважины для геометрических факторов; на фиг. 12 - блок-схема устройства опре деления активной и реактивной состав ляющих, описанная в п. 3 формулы изо бретения. На фиг. 1 дана функциональная схема индукционного автоматического регистрирующего устройства для каротажного исследования, которая разработана для исследования пород 1, пересеченных буровой скважиной 2. Буровую скважину 2 обычно наполняют жидким раствором 3, Погружаемая в скважину подвижная часть индукционного измерительного устройства включает стержень-зонд с системой катушек, который может перемещаться внутри скважины 2. Электрические час ти устройства,опускаемые в скважину, помещены в герметичный корпус 5, который механически укреплен на верхнем конце стержн Я с системой катушек. Эта часть устройства в корпусе 5, в свою очередь, подвешена на армированном многожильном кабеле 6, который подается с поверхности земли. На поверхности земли расположены лебедка и барабан (не показаны) для подъема и опускания упомянутой части измерительного устройства в скважину. На поверхности земли расположен таюхе источник питания (не показан) от которого к устройству подается электрическая энергия через кабель 6.
Система катушек включает (фиг. 1) излучающую катушку 7 и приемную катушку 8, Обе эти катушки соосно намотаны на непроводящем немагнитном опорном стержне-зонде ч и обычно параллельны продольной оси буровой скважины 2. Центры катушек находятся на расстоянии L друг от друга. Внутри герметичного корпуса 5 расположен генератор 9 сигналов 8, выход которого подключен к катушке 7. Протекание переменного тока J через обмотку катушки 7 приводит к появлению напряжения сигнала в приемной катушке 8, величина которого зависит от электрических характеристик горных I пород. В дополнение к составляющей напря : ения, зависящей от строения пород, в приемной катушке наводится также дополнительное напряжение вследствие ПРЯ/-ЮЙ связи магнитных потокоо, пересекающих обмотки излучающей и приемной катушек. Для компенсации этого компонента напряжения в приемной катушке в аппарутуру введено устройство, выполненное в виде трансформатора 10, первичная обмотка 11, которого соединена последовательно с генератором 9 сигналов, а вторичная обмотка 12 соединена последовательно с приемной катушкой 8. Трансформатор 10 включен таким образом, что напряжение в его вторичной обмотке 12 будет иметь противоположную полярность « по отношению к полярности напряжения прямой связи, которое наводится в приемной катушке 8. Коэффициент трансформации (отношение витков трансформатора 10 выбран таким образом, что компенсирующее напряжение трансформатора равно по абсолютной величине напряжению, создаваемому в результате прямой связи в приемной катушке 8. Любая необходимая настройка трансформатора 10 обычно производится совместно с подвижной частью измерительного услройства, которая подвешивается над поверхностью земли на достаточном удалении от любых значительных магнитных тел. Следовательно, нгпряжение сигнала на входе усилителя представляет собой только напряжение в приемной катушке х, наведенное вследствие действия вихревых токов в породах 1 . Скважинная часть устройства (фигИ содержит усилитель 13, на вход го подводится напряжение от приемной катушки 8 и вторичной обмотки 12 тран сформатора 10, фазочувствитеяьный детектор И для выделения полярного выходного сигнала, величина которого пропорциональна составляющей напряжения сигнала от усилителя 13, который находится в фазе с током J в излучающей катушке. Для образования выходног сигнала с согчзотивления 15 в цепи, пи генератором 9 сигналов, снимают опорный сигнал для сравнения фазы подают его в фазочувствительный де и тектор И. Устройство (фиг. 1) содержит также второй фазочувствительный детектор 16 для создания одногюлярного выходного сигнала, который должен быть пропорционален той компонен те сигнала от усилителя 13, которая имеет сдвиг фазы на 90 относительно фазы сигнала J генератора сигналов, Дпя осуществления этого на вход фазочувствительного детектора 16 подаю для сравнения фазы сигнал, возбуждаемый в катушке 17. Компоненты напряжения в фазе и со сдвигом фазы на 90°, обозначенные соответственно Vj и УХ, создаваемые фазочувствительными детекторами ft и 16, подаются на вход усилителя 18 и далее по мног жильному кабелю 6 поступают на повер ность. Скважинная часть устройства работает следующим образом. Генератор сигналов 9 питает сигналами с постоянной частотой излучающую катушку 7. Протекание тока через катушку 7 приводит к образованию переменного электромагнитного поля в пространстве, окружающем эту катушку передатчика, и которое, в свою очередь, проникает на значительное расстояние в соседние пласты горных пород. Это приводит к возникновению вторичного тока. Как правило, этот вторичный ток Протекает по круговым цепям, вокруг зонда в скважине 2 и соосен с осью катушки 7. Величина этого вторичного тока зависит от эффективного импеданса материала вмещающих пород. Обычно этот ток содержит активную и реактивную составляющие . 8 приемной катушке 8 наведено также вторичное напряжение, обусловленное прямой магнитной связью между катушками 7 и 8. Это напряжение вследствие прямой магнитной связи не зависит от изменения проводимости соседних пород и, следовательно, остается, в основном, постоянным в течение всего процесса исследований пород, окружающих буровую скважину 2. Как видно из фиг. 1, этот сигнал от действия прямой взаимной связи компенсируется соответствующим включением трансформатора 10. Из теории электромагнитного поля и в особенности из теорий, касающихся магнитных диполей, известно, что завистмость напряжения Vie приемной катушке от тока излучающей катушки д|гя пары соосных катушек, расположенных в с)юродний изотропной среде и раздеяенных расстоянием, большим размеров катушек, может быть выражена следующим образом .-JbJJ AiAy. JrUgJrU (1) 2tL где j -1; J - ток генератора сигналов; Д - проницаемость, среды; круговая частота в радианах для сигнала генератора , где f-частота, А - произведение площади поперечного сечения на число витков излучающе катушки; АГ - произведение площади поперечного сечения на число витков приемной катушки; L - расстояние между центрами катушек; jf-константа раcfipocTранения волны в среде, окружающей катушки. Когда окружакяцая среда имеет проводящий характер, как в настоящем случае, константа распространения волны может быть описана выражением г . (2) где означает электрическую проводимость среды.Уравнение (2) может быть переписано в следующем виде где S - .глубина проникновения тока (скин-эффект) в исследуемую среду. Эта глубина S представляет собой эффективную глубину проникновения эле9
ктромагнитного поля и
она определяется из выражения 5 V2/u)S|4 Разложение уравнения (1) в степен ней ряд и введение значения величины f, определяемой уравнением (З), при водят к выражению V. di tfJAiAr ,.( L )2.(,.)( Ч г (i-j)(|) Как видно, уравнение (5) содержит действительную и мнимую части. В ко нечном виде уравнение (5) преобразуется в следующее V Vr + jVx Здесь Vf. означает действительную часть уравнения (5) и, следовательно представляет составляющую напряжения в гриемной катушке, которая находится в фазе с током сигнала в катушке 7. Зти совпадающие по фазе компонент соответствуют активному сопротивлени породы. Уд - .мнимая часть уравнения (5) и соответствует сигналам, наведенным в приемной катушке, фазы кото рых сдвинуты на 90 относительно пер вичного сигнала в излучающей катушке. Эти сдвинутые по фазе сигналы наведены действием прямой магнитной связи между катушками передатчика и приемника, а также могут быть производными и от реактивного компонента импеданса формации. При излучении действительной части уравнения (5) можно видеть GcJ /u JAfAr -1(т)4()Этой зависимости для совпадающего по фазе напряжения, определяемого уравнением (7) можно придать форму Vo - Vc A.
900823 и
10
-ЧКт)-М)- 00) Член Vg .определяемый уравнекием (9), означает так называемый сигнаш геометрического фактора, который предсказан линейной теорией. Как следует из уравнения (8), единственной переменной величиной является коэффициент б проводи.мости горных пород. Следовательно, этот сигнал Vq геометрического фактора прямо пропорционален проводимости Т материала прилегающих пород. Остальные члены уравнения (7) представляют собой совокупность нелинейных компонентов и обозначаются символом У( , определяемым уравнением (10) . Из уравнения (7) можно видеть, что этот член определяет влияние скинэффекта и является частью общего сиг- . нала V. . В уравнении (5) реактивная составляющая (сдвинутая по фазе на 90°) общего сигнала представлена мнимой частью уравнения (5). Члены этой мнимой части имеют вид ofjuJAt А. ()Ч()Ч()--1оследнее уравнение соответствует фореV. Vv« Vx tJjulAt АИ ii I Vx {i(l)-4(Tti(|-/-l « Vfy,обозначает,как это определяет равнение (13). напряжение, создааемое в результате прямой магнитной вязи между излучающей и приемной атушками и не зависящее от провоимости материала соседних пластов. а функциональной схеме устройства фиг. 1) Vjvi от прямой магнитной свяи компенсируется с помощью трансфоратора 10. V, уравнения (12) соответствует оставляющей напряжения, сдвинутой 11 по фазе на 90° и определяющей велич ну реактивного компонента, зависящего от протекания вторичного тока в материале соседних пластов. Ее ве личина зависит от влияния проводимости материала пластов, что и отмечено коэффициентом 5 в уравнении (I). Суммируя уравнения v, (7) и V, (1 согласно формуле (6), получают напр жение приемника (компонента Vy,, создаваемого в результате прямой взаи моиндукции, погашена) jVxМШ-Ш). ;f u jMiAtA r г / L f ч 21Г1 Uis/)4(f--l} Ha фиг, 2 показана диаграмма зави симости V от УХ для исследований с помощью двухкатушемного зонда однородных пород в некотором диапазоне значений пооводимости. Из фиг. 2 видно, что значения проводимости возрастают по направлению против часовой стрелки адоль кривой 19, Первоначально индукционное измерительное устройство работало только на низкой частоте, тогда сигнал при емника был прямо пропорционален про водимости. Эту пропорциональность можно определить по уравнениям (k}, (9), (10) и (14) , Из уравнения (k) следует, что при низком значении ча стоты л) глубина скин-эффекта 5 бу дет большой. Следовательно, составляющая сигнала Vj , образованного вследствие скин-эффекта (определяемого уравнением (Ю), а также компонента, сдвинуты по фазе на 90 и характеризующая проводимостьпоро ды согласно уравнению (И), являютс пренебрежимо малыми. Это означает, что и в уравнении (9) остается только компонента напряжения V , обуслов ленная геометрическим фактором. Диаграмма на фиг, 2 показывает, что вся кривая 19 спрямляется при условии уменьшения значений VH и V , под влиянием уменьшения частоты. 3 Однако увеличение Vr и V, до уровня, где новая кривая проводимости пересекает первоначальную кривую 19, приводит к тому, что кривая проводимости 3 точке 20 будет смещаться в новое положение 21, При более низкой частоте большая часть представляющих интерес значений проводимости будет лежать на участке кривой вблизи оси V,. , Однако использование низких рабочих частот значительно уменьшает отношение сигнала к помехам. Это можно видеть из уравнения (9), так как компонента Vg индуцированного напряжения пропорциональна квадрату частоты и). Следовательно, при возрастании ра бочей частоты до уровня, когда становятся значительными напряжения Vs - скин-эффекта, находящиеся в фазе, и компонента напря ; ения, сдвинутая по фазе на 90 и зависящая от проводимости пород, будет полумена кривая, аналогичная кривой 13 на фиг, 2, Для получения точных результатов измерения проводимости формации на этих сравнительно высоких рабочих частотах, для определения точных значений проводимости S формации, необходимо ввести коррекцию на скинэффект в выражение для составляющей напряжения V приемной катушки. Эта коррекция принимает форму сдвига уровня синфазного напряжения М приемника на предписываемую величину при данных значениях этого напряжения Vv , Ввиду того, что скин-эффект влияет на принимаемое напряжение нелинейным образом, как это следует из уравнений (Ю) и (l4), коррекция на скинэффект принимает форму нелинейного сдвига компоненты V напряжения приемника, находящейся в фазе, для получения скорректированных значений проводимости горных пород. Проводимость, измеренная подобной системой с коррекцией на скин-эффект, является достаточно точной для значительного большинства значений проводимости пород, как это изображено точкой 22 на кривой 19 проводимости (фиг, 2). Болыиинство пород не являются однородными и, следовательно, значения проводимости неоднородных пород не будут совпадать с кривой 19 (фиг,2) проводимости однородного пласта. При сравнительно низких значениях проводимости пласта эта разница не будет слишком заметной, так как наклон кривой 19 при подобных значениях проводимости приближается к нулю. Рассмотрим случай, когда неоднородная порода может иметь значения V и V, , соответствующие точке 23 на фиг. 2. При измерениях с помощью систем прежнего вида, когда определяет ся только не влияющая на фазу состав ляющая напряжения V.предполагается , что измеренное значение проводимости породы представляет собой вертикальную проекцию точки 23 на кривую 19 проводимости породы. В действительности по нескольким .значениям средней проводимости пород находят проводимость по кривой 19, в точке 20 которая наиболее близка проводимости в точке 23. Неточности измерений, возникающие из-за .неоднородности пород, могут быть скорректированы до некоторой степени благодаря использованию нескольких измерительных устройств сложной вычислительной техники Согласно изобретению, измеряют оба значения совпадающей по фазе с током генератора компоненты Jf и сдвинутой по фазе на 90° компоненты V напряжения приемника и, используя эти зна чения, не только более точно определяют проводимость пород в большинстве случаев, но также и степень их неодно родности. При этом предполагают, что параметр проводимости 6 в уравнении (1), а также в сочетании с уравнением (2), является комплексным числом, име ющим действительную и мнимую части. Обозначив действительный и мнимый ком поненты проводимости соответственно и и 6v комплексную проводимость G определяют уравнением 6м + J6V(16) Объединение уравнений (1), (2) и (16) дает -JuJ3/uAfAt. , V.v,,И-jLVj J4(5u JSv) Vja)jM(() С целью более полного представлени о составляющих Gj, и 6v на фиг. 3 воспроизведена кривая 19, показанная также на фиг. 2. Определяют значения компонентов Vj, и V, в точке , распо ложенной наиболее близко к кривой 19 9 3 (перпендикуляр к кривой 19); расстояние между ТОМКОЙ 2 и кривой 19 представляет значение Ь и может быть отградуировано в единицах значений ffv . Расстояние между начальной точкой 2А и кривой 19 при Vj., V 0 до точки пересечения 35 соответствует значению компоненты Gj, и может быть отградуировано в единицах измерения GU.. Из вышеизложенного можно вывести, что выбранное значение компоненты 6ц находят в точке пересечения перпендикуляра с кривой 19 проводимости, например для точки 2. Следовательно, значение компоненты б, представляет среднюю величину проводимости формации в исследуемой зоне. Таким обра-. 3OMjисследованная проводимость однородных пород выражена в данном случае в средних значениях проводимости Gfy для пород данного типа. Определим значение компоненты 5 , если искомая точка, определяемая значениями Уи и V, лежит в области, ограниченной кривой 19 проводимости (как это показано для точки 2), тогда величина является положительной и значение проводимости породы вблизи расположения катушек меньше проводимости в тех зонах, которые больше удалены от катушек. Наоборот, когда значение Gv оказывается вне кривой 19 однородной проводимости, как это представлено точкой 2б, то значение компоненты Gv является отрицательным и проводимость близлежащей зоны больше проводимости удаленной зоны. Следовательно, полярность величины Sv указывает на распределение проводимости пород. Расстояние ме) точкой 26 и ближайшей точкой на кривой 19 проводимости для однородной породы соответствует степени неоднородности. Следовательно, зная величину (v, можно определить неоднородность, т.е. относительное знамение проводимости близких и удаленных зон горных пород (вертикально и радиально) по амп.итуде и полярности вычисленного параметра GV. У однородных пород значение параетра GV равно нулю, когда значения компонентов /f и Vy соответствуют очке, лежащей на кривой проводимости для однородной породы, а измереное значение параметра (DU определятся по координатам точки, образованной пересечением перпендикуляра с кривой (V Vy - 0) . До настоящего момента описание касалось только двухкатушечного зонда. Известно, что благодаря использованию , нескольких передающих и принимающих катушек,можно получить улучшенную характеристику, т.е. можно более полно определить влияние радиальных и вертикальных геометрических факторо Методика согласно настоящему изобре тению может быть также применена к сигналам, образуемым подобными мног катушечными устройствами. Оценку результатов измерения посредством многокатушечных устройств необходимо проводить для каждой пар переедающих и приемных катушек, считая их отдельным двухкатушечным уст ройством и затем объединяя сигналы всех двухкатушечных зондов. Перепишем уравнение (17) для многокатушеч ного зонда Ju)3/4 , , J3 LviriHч/.n - г -U-jn.««) , (18) где произведение площади попе речного сечения и числа витков катушки т-го передатчика; Ауп - произ ведение площади поперечного сечения и числа витков катушки п-го приемни ка; Lwk, - расстояние между центрами катушек т-го передатчика и п-го при емника и, наконец. r /jiJ/4(e«t-jGv) Для определения проводимости в уравнении (18) правую часть этого уравнения следует разделить на Можно написать 5. Gf jGx И Ifl J tVH Ayy, 14- LWV, ud i соответствует V . Затем уравнения (18) и (19) могу быть решены относительно величин Э008 3 16 ; и (ЗУ одинаковым способом, как было решено уравнение (1) относительно тех же параметров для двухкатушечного зонда. Уравнения (18) и(19) представляют собой обобщенные выражения и они распространяются на число катушек, включая двухкатушечный зонд. Уравнение (19) может быть использовано для получения координатной сетки, определяющей значения величин 5ц и ffv а функции переменных 6 и У . Это можно осуществить, например, путем выбора значений Q и у и решения уравнения для соответствующих значений 6. и (З. На фиг. пока.зан результат подобных вычислений. На рис. 4 дана диаграмма значений б,, в завимости от 6 для многокатушечного устройства. Как следует из диаграммы (фиг. ) можно значения V,, и Vi (или (jy. и б ) определить через значения параметров бц и бу с помоцью семейства ортогональных кривых, построенных в системе прямоугольных координат, где эти семейства кривых будут криволинейными относительно прямоугольной координатной системы. По осям прямоугольной системы координат (фиг, 3 или k) можно отложить значения Sf 0,6, О и определить затем любые значения параметров 6, и 6,i с помощью этих кривых. К(эоме того, эти кривые позволяет определить параметры GU иву при построении их в системе координат для (. и 6« . Следовательно, при практическом Тспользовании изложенных способов параметры и Т измеряют с помощью измерительного устройства, опущенного в буровую скваш1ну , и те же способы согласно настоящему изобретению могут быть применены для получения Gi, и GX с помощью измеренных значений параметров би иб,. Подобный прием может быть осуществлен с помощью сложных или простых преобразований. Например, измеренные значения компонентов V/, и Уд позволяют определить по диаграмме на фиг. k значения параметров 5(. и GU. С ее помощью для любого измерительного устройства можно составить таблицы значений параметров бц и5у для любых значений Gf, и(х. Подобную таблицу можно использовать для простых вычислений или составить программу для введения ее в вычислительное устройство. 1 Можно также использовать построен ные кривые для приближенного решения уравнения (19). В зависимости от точ ности аппроксимации уравнения (19), эти выражения могут быть сложными или простыми. Некоторые выражения дл параметров 5 в функции компонентов Vr и V можно в достаточной степени упростить значения 1дбц С + А1дб,+ BG, + 06,4 . . .+ + А, IgS, + + 0(e,f + (20), где S, aV + и S, aVr + .(21 ) йлражение для параметра б), имеет вид igO. - с А JgG, + BG, + о f .. ,1 ii(it + А 1дб, + В, б, 0 (б,) + ... (22 w eVt - d6 (23 : Коэффициенты от о до с , А, В, С, О, А , в , с , D , AJ , В , Dj являют ся постоянными зависимыми только от конструкции катушек зонда и определя ются в процессе построения кривых. На фиг.5 показан пример построения блока 27 выделения активной и ре активной составляющих комплексной проводимости пород согласно п. 2 фор мулы изобретения для вычисления пара метров би и ву. который показан такхю на фиг. 1. Вычислительное устройство (фиг. 5) может определить только первые три члена уравнений (20) и (22) . Сигналы Vf и У, из измерительной аппаратуры, расположенной в скважине, поступают через каскады 28 и 29 усиления,- которые определяют среднее значение коэффициентов и е, в узел 30 объединения совпадающих по фазе напряжений 30 (суммирующий каскад). Каскад 30 суммирует эти две величины аЦ. и и образует выходной сигнал, обозначенный в соответствии с уравнением (21) буквой (5,. Выходной сигнал G поступает в нелинейный каскад - логарифмический преобразователь) 31 для получения выходного сигнала, пропорциональ ного логарифму от G/I . Этот выходной сигнал из логарифмического преобразо вателя 31 подается в каскад 32 усиле ния, где величина 1 g б для образова2318ния выходного сигнала, пропорционального произведению AIgG,, умножается на коэффициент А из уравнения (l8), Этот выходной сигнал из каскада 32 усиления вместе с сигналом, пропорциональным постоянному коэффициенту с из уравнения (20), и значению Ь5 поступает в узеп суммирования объединенного и нелинейного сигналов 33 (суммирующий контур), выходной сигнал которого пропорционален согласно уравнению (20) значению логарифма параметра 6ц . Величину В ff, дает цепь 3 усиления, которая принимает сигнал, пропорциональный параметру из суммирующего каскада и умножает на коэффициент В. Логарифм величины G может быть также преобразован в линейный параметрGJ, путем использования энтилогарифмической схемы 35. получения значения o,i следует IgG умножить на коэффициент А посредством каскада Зб усиления и полученный результат передать в суммирующий каскад 37. Дополнительно к этому ff, умножают на коэффициент в с помощью каскада 38 и результат передают в суммирующий каскад 37. Коэффициент С также вводят в тот же каскад и таким образом сигнал на выходе его будет согласно уравнению (23) пропорционаяен логарифму параметра . Логарифм параметра преобразу от в значение самого параметра посредством антилогарифмического каскада 39, сигналы с выхода которого поступают на вход дифференциального усилителя 0. Сдвинутый по фазе на 90 сигнал V, , в зависимости от свойств породы поступает затем в положительной полярности на вход дифференциального усилителя 40 через усилитель 1, так что согласно уравнению (22) сигнал на выходе последнего будет пропорци- « онален величине ( . В случае необходимости член, определяющий неоднородность пород, может быть нормализован для учета колебаний проводимости пластов. Для осуществления этого необходимо параметр S(. разделить на GU или лучше на сумму параметров ац + + SY может быть выполнено каскадом Ц2 (фиг. 5). Уравнения (17) и (19) могут быть решены с помощью цифровой вычислительной машины для каждого измеренного значения Vj. и V или б. и Q . Рассмотрим теперь фиг. 6, где показана схема запуска вычислительной 19 90 машины, которая решает уравнения относительно параметров G,j, и G. в функ ции величин G, и GX . После запуска схемы по данной про грамме измеренные параметры проводимости для одного уровня (лубины, с учетом поправочных констант измерительного прибора вводятся в вычислительную машину через блоки t} и ЦЦ обработки данных. Затем в первом при ближении параметр (Зу считают равным параметру б , а параметр бГ приводят к нулю с помощью блока 5. Это перва аппроксимация соответствует случаю однородной породы. После этого уравнение (19) с помощью блока 46 обработки данных решают относительно пар метров б. и (3); , используя для ЭТОГО значения GI, и Sy . Когда необходимо определить с достаточной точностью параметры 0„ и (э, , применяют ряд итераций. Подобная итерация состоит в определении разно сти между одним или обеими измеренны значениями величин GY и/или б и вычисленными значениями этих величин с использованием заданных Эначений параметров ц и . 8 этом случае посредством блока 7 итерацию производят, определяя разности между новым вычисленным значением Gv и прежним значением в, , когда эта разность меньше выбранного коэффициента С. Если ответ схемы совпадения соответствует Да, для ранее заданных значений параметров Gi, и(эу, то вычисления данных производят уме для следующего уровня глубины посредством бло ков 48 и 9. Если проверка схемы сов падения (блок 47) неудовлетворительна, то выбирают новые значения параметров Сц и ffy и вновь повторяют тот х(е процесс вычисления блоком 50 обработки данных, причем выходной сигнал этого блока подается для этого на вход блока 46. 8 процессе повторного выполнения вычисленных операций для ранее вычисленного значения параметра Gr , обозначенного , сравнивают его с последующим вычисленным значением того же параметра, обозначенного . Такимобразом, посредством блока 46 и схемы совпадения производят проверку, определяя правильность вычисленных значений параметра г, которые значительно изменяются от одной интерации к следующей. Если они не изменяются, то это показыва20т, что они являются для выбранных кончательными значениями параметров 0ц И(эу . Для определения правильности новых начений параметров 5Гц и бГу вычиспят отношение измеренного значения уммы oi, + JG к ее вычисленному знаению, а затем производят умножение а последнее выбранное значение параметров GU и GV . Уравнение, соотетствующее выбору новых Значений араметров ( и , имеет вид у ,/-и . .-И1 . (.и 1 б| СбГм -н jSv , J V- и .ап Jx « где обозначение (п + 1) относится к новому параметру, используемому при следующих вычислениях, а обозначение п относится к ранее вычисленному параметру. Уравнение, которое решает блок,47 имеет вид G: -G где (п - 1) определяет, что значение получено раньше данного вычисления (первоначально оно соответствовало измеренному значению Gy ); с представляет собой любую величину. Таким образом, значения параметроь р и G,i вычислены для каждого уровня глубины, а параметры у и G первоначально выбирались для различных значений 6,, включая равные нулю. Уравнение (19) затем решают относительно 6f и ву. Если вычисленное значение параметра ( 6(Г) не удовлетворяет уравнению (25), то составляет е соответствии с уравнением (24) программу вычислений новых значений параметров G и G. Эти новые значения параметров Cj, и (5. затем используются для вычисления новых значений параметров 3t- ивх, а новое вычисленное значение параметра Gx (и/или параметра G ) сравнивают с ранее вычисленным значением GT. и/или бц (согласно уравнению (25). Если уравнение (25) удовлетворено, производят вычисление новых значений параметров 3ц и SY согласно уравнению (24) и вгсь процесс вычислений повторяется. Этот процесс вычислений продолжается несколько раз до тех пор, пока полученные результаты не будут окончательно удовлетворять уравнению (25) и тогда последние вычисленные значения параметров и будут отпематаны, а 19 программа будет продолжаться и выполняться для следующего уровня глубины. Характеристика индукционного измерительного прибора для каротажа формации посредством так называемой теории геометрического фактора, т.е. использование радиальных и вертикаль ных геометрических факторов для каро тажа формации обычной индукционной системой, можно распространить на предлагаемую индукционную измеритель . ную систему. Однако геометрический фактор, применяемый для предлагаемого изобретения, имеет вид комплекс ного числа. Для двухкатушечного устройства геометрические факторы д, и Оу,связанные с результатами измерения параметров Gu и (эг , могут быть выражены следующим образом 9(-.z)X g H-jrpT e P«n-jypT) ejrt где g(r,2) - означает геометрически фактор, определяемый соответственно /|6ллю; fr - расстояние между катушкой передатчика и шиной заземления устройства; рй - расстояние между катушкой приемника и шиной заземления устройства. На фиг. 10 даны кривые, определя ющие расстояния РТ и PR. Расчлененные уравнения (2б) на отдельные выражения для действительной части д, и для мнимой части д дает (1 - xS + VP)cos(yS) + 9ц 9. + (yS 4- uP)sin(yS) QO C(1 - S + VP)sin(yS) - (yS + uP)cos(yS) «« o ТрГ V f 1 p ft -ph; u ( V u)ju-Cv /Vu4v Величины С1 и g длн многокатушеч ного устройства могут быть также вы ражены с учетом размеров, расстоя3НИИ и т.п. для всех катушек. Радиальные и вертикальные геометрические факторы могут быть выведены на основании геометрических факторов д и д для всего устройства. Радиальный геометрический фактор при геометрическом факторе дц для всего устройства равен r Jsudz Интегральный радиальный геометрический фактор для прибора для частных значений равен Gvr.J -со Интегральный вертикальный геометрический фактор для прибора д равен и вертикальный геометрический фактор для равен На фиг. 7 показаны диаграммы изменений радиальных геометрических факторов GUr и GVj, для двухкатушечного измерительного устройства. На фиг. 7 можно видеть, что отрицательные и положительные участки площади, ограниченные кривой для радиального геометрического фактора GVf , соответственно обозначенные К и L, равны по площади, поэтому в гомогенной среде общая реакция для GVr равна нулю. С другой стороны, если зона, наиболее близко примыкающая к катушкам, является более проводящей, чем радиально более удаленная зона, то реакция будет отрицательной. Наоборот, если радиально более удаленные зоны являются более проводящими, то характеристика, определяемая радиальным геометрическим фактором 6Vt будет положительной. Радиальный геометрический фактор 6Vf. в значительной степени близок с фактором Долла. На фиг. 8 даны диаграммы вертикальных геометрических факторов GU и для устройства с двумя катушками. Кривая вертикального геометрического фактора 6Vr приведена на левой части рисунка. Аналогично изменениям радиального геометрического фактора 6Vr положительные и отрицательные площади ограниченные кривой для вертикального геометрического фактора ЭУ -равны между собой, так что общая реакция, onределяемая вертикальным геометрическим фактором в гомогенной среде будет равна нулю. На фиг.8 центральная зона с отрицательной реакцией обозначена буквой Н, а верхняя и нижняя зоны с положительной реакцией обозначены соответственно j и J. Если дальний исследуемый пяаст породы является более проводящим, чем прилегающие пласты, мто соответствует по рисунку большей проводимости в зоне Н, чем в зонах j и J, то характеристика, определяемая посредством вертикального геометрического фактора бУ, , будет отрицательной и, наоборот, она будет положительной, когда ближние пласты являются более проводящими. Вертикальный геометрический фактор Си (фиг.8) очень сходен, с геометрическим для измеритель-35 ного устройства с двумя катушками, который определяется согласно теории описанной в ранее упО||данутой статье Долла. Поэтому знацения проводимости (и будут почти о/ аковыми с обычными значениями проводимости, измеренными с помо(4ыо каротажа обычными индукционными измерительными прибора ми. Геометрические факторы, как это следует из уравнений (I) и (28), изменяются в завис« «х:ти от характера проводимости. (фиг. 7 и 8) соответствуют типич« 4 усж)0иям.Хотя радиальные и вертикальные геометрические факторы SutiGv., Cur.Cvj приведены для измерительного устройства с двумя катушками, их можно вывести для конструкций с любым количеством измерительных катушек. Они также могут быть использованы как средство интерпретации результатов измерений параметров ц и G., получен ных с помощью любого подобного изме рительного устройства с несколькими катушками. Кривые логарифмических параметров Gq иб|« , полученных при исследовании пород, показаны в левой части фиг. 9. Здесь имеется три одно родных пласта, обладающих проводимостями в;, , GJ ,3г причем они показаны в верхней части фиг. 9. Проводимость Gj больше проводимости Gj, и больше проводимости Gj. Логарифм от параметра Сэ,, .полученный при ис903 следовании этих пластов, почти одинаков с кривой логарифма проводимости, полученной с помощью известного индукционного измерительного устройства. Однако кривая логарифма параметра Gf совершенно отличается от ранее записанных любых логарифмических значений. Измерение проводимости (фиг. 9) производилось перемещением измерительного устрюйства сверху вниз. При перемещении катушек от пласта П| с проводимостью бц к более проводящему пласту rij на границе пластов параметр (3ц будет сначала иметь положительное значение, а затем при переходе этой границы приобретает отрицательное значение. Далее значение параметра Of становится близким нулю, вплоть до границы пласта с проводимостью Q. Причину этого можно видеть, если учесть вертикальный геометрический d aKTOp 6Vj (рис.8). Для случая расположения измерительных катушек, соответствующего центральной части кривой между положительными участками j или J, вследствие влияния геометрического фактора данные исследования являются противоположными для более проводящей формации, которая соответствует центральной части кривой Н. В том случае, когда центральный участок Н противостоит более проводящему пласту с проводимостью (3 , отрицательные компоненты сигнала будут превышать положительные компоненты сигнала. Отсюда можно видеть, почему параметр имеет положительный знак вслед за отрицательным значением, когда измерительные катушки пересекают границу пластов от П;, к П,. Когда измерительные катушки проходят от пласта П к менее проводящему пласту П , то кривая параметра 6р отклоняется в отрицательном направлении, а затем в положительном направлении. Зто происходит потому, что участок Н кривой геометрического фактора соответствует переходу к более проводящей формации, когда катушки перемещаются по направлению к границе этого пласта. Когда измерительная катушка перемещается от границы пласта, участок Н кривой геометрического фактора будет соответствовать менее проводящей формации следовательно, создавать положительное отклонение. Эти отклонения помогают определить разграничение пластов.
Теперь рассмотрим, что получится, когда измерительное устройство исследует формации, лежащие в зонах, заполненных раствором с проводящей жидкостью. Этот пример представлен на фиг. Э, где приводятся формации с
ПрОВОДИМОСТЯМИ Gt и Qtfe-Sxfe .
Пласты Пц и П разделены пластом Пу с проводимостью Э5 . Проводимость Gti, больше проводимости G, , а проводимость G(, больше проводимости Gt. Для пластов Пц и Пц кривая логарифма параметра бц определяет среднюю проводимость каждого пласта. Одна ко криваяGV будет иметь положительное Значение в зоне, противолежащей пласту Пц, потому что зона с проводимостью Сч ц является менее проводящей, чем радиально более удаленная, непропитанная раствором зона с проводимостью . Почему это значение будет положительным можно увидеть из рассмотрения фиг. 7, где показано, что кривая для радиального геометрического фактора проходит в отрицательной области К в зоне, радиально более близкой к измерительным катушкам и в положительной области L, радиально более удаленной от этих катушек. Следовательно, если проводимость С)Сц насыщенной раствором зоны меньше проводимости Gti, , не насыщенной зоны, то положительная часть характеристики, т.е. кривой геометрического фактора (фиг. 7) будет оказывать большее воздействие на сигнал, чем отрицательный участок характеристики.
При дальнейшем движении измеритель ного устройства, когда катушки приближаются к границе между пластами Пц и П|-, логарифм параметра G покажет уменьшение проводимости, как результат уменьшения средней проводимости между двумя пластами формации. С другой стороны, логарифм параметра i будет оставаться положительным, когда измерительные катушки приближаются к границе этого пласта, так как средняя проводимость Gj пласта П больше проводимости пласта Г . Когда измерительные катушки пересекают пласт П, то значения логарифма параметра GV не будут иметь отклонений вследствие того, что пласт П является однородным. Затем, когда измерительные катушки еще больше приближаются к границе между пластами Пр и П и, следовательно, подвергаются большему влиянию пласта П, логарифмические значения параметра Gy возможно будут изменяться в область отрицательных отклонений, что указывает на тот факт, что проводимостьS захваченной проникновением зоны больше проводимости пласта, не затрюнутого проникновением.
Причина этого отрицательного отклонения связана с тем, что проводимость на отрицательном участке К кривой геометрического фактора (фиг. 7) больше проводимости на поsложительном участке L той же характеристики. Когда измерительные катушки движутся к границе между пластами Пь и Пу, логарифм параметра становится положительным, так как проводимость G больше средней проводимости пласта П. После того, как измерительные катушки будут двигаться дслее от границы пласта, кривая логарифма параметра Gy будет сначала отклоняться в отрицательном направлении по прямо противоположной причине, а затем пересекает ряд стабильных нулевых значений для случая гомогенности пласта П.
.В дополнение к регистрации параметров (эц и by для получения логарифмических кривых, которые определяют среднюю проводимость и неоднородность пород, сочетают параметры G и GV таким образом, что они дают информацию относительно проводимости различных радиальных зон формации.
На фиг. 10 показаны графики относительных сигналов в зависимости от радиального расстояния от оси буровой скважины (по которым можно определить значения радиального геометрического фактора), объясняющие каким образом сочетание параметров G, и (оу может дать необходимую информацию. Кривая д„, показанная сплошной линией. ; (фиг.Ю), представляет собой совокупность значений радиального геометрического фактора д для многокатушечной конструкции измерительного устройства. Кривая flCjigy (нанесенная сплошной линией) соответствует радиальному геометрическому фактору ду умноженному на коэффициент аС . В результате совмещения этих двух кривых геометрических факторов g получить кривую результирующего геометрического фактора дц +otj9v 27 которая соответствует исследуемой глубине залегания пород в радиальном направлении. На фиг. 11 показана вертикальная проекция объединенных геометрических факторов, показанных на фиг. 10. Сплошная кривая (фиг. 11) характеризует геометрический фактор, полученный в результате сочетания геометрического фактора д Из сравнения этой кривой с кривой геометрического фактора дц на фиг. 10 можно видеть, что геометрический фактор ду +oCj,gv допускает большую глуби ну радиального исследования, чем фак тор 9 . Геометрический фактор + + d.jgvсоответствует сочетанию параметров и (iv, согласно выражению QV . Сравнительно неглубокое радиальное исследование может быть достигнуто путем вычитания геометрического фактора д, умноженного wa выбранный множитель «,;,, из геометрического фак тора дц. Если выразить это через зна чение сигнала, то такая операция соответствует вычитанию oC,Gv изОГц. Теперь рассмотрим фиг. 12, где показано устройство для вычисления проводимости участка пород, находящегося на выбранном расстоянии от скважины и сложения параметров GU и Sv по п. 3 формулы изобретения (для получения отдельных сигналов, соответ стаующих проводимостям различных радиальных зон пород). Сигнал (5, умножен на коэффициенты + oCj и -оС в блоках 51 и 52 и затем подается в суммирующие блоки 53 и 5.- Сигнал (эц поступает в суммирующие блоки S3 и 5, в результате ,чего выходные сигналы имеют вид GU- . Блоки умножения 51 и 52 и соответствующие суммирующие блоки 53 и 5 могут отдельно содержать операционные усилители с соответствующими входными сопротивлениями причем выбор способа соединения положительного или отрицательного сигнала на выходе усилителя определяет знак множителя + и ( Эти сигналы G и 3 можно также записатьна регистратор 55 указанный на фиг. 12 и 1. Измеряемые сигналы, поступающие с кабеля 6 обычно усиливаются усилителем 56, расположенным в наземной аппаратуре. Следовательно, в результате практи ческого осуществления предлагаемого 90 328 изобретения можно получить точное измерение средней проводимости среды, окружащей систему катушек устройства, без ошибок,,обусловленных неоднородностью пород и скин-эффектом. Кроме того, можно получить значения неоднородности среды, окружающей измерительные катушки, в логарифмическом масштабе. Эти измерения могут быть получены в результате применения устройства с одной приемной катушкой. Хотя показана возможность измерения двухфазовых составляющих напряжения сигнала на выходе приемной катушки, которые были использованы для получения значений (5у и Sv , возможно также измерение и других параметров для получения тех же сигналов ои и GV. Следовательно, амплитуду напряжения сигнала на выходе приемной катушки и его фазовый угол могут быть использованы для получения тех же результатов. Например, согласно фиг. А предположим, что точка З представляет результат измерения с помощью упомянутых катушек, т.е. измерения длины вектора между этой точкой и началом координат (Vj Jf о) и измерения угла между этим вектором и любой из осей координат Vt. и Vj (или преобразованных вариантов их), которые могут быть использованы для определения положения очки 2 относительно кривой 19. Таким образом могут быть после этого получены значения, представляющие проводимость и неоднородность исследованных пород. Сигналы фазовых компонентов Vj, и vic функционально зависят от амплитуды и фазы напряжения сигнала, наведенного а приемной катушке, которые, в свою очередь, пропорциональны амплитуде и фазе электромагнитного поля в прилегающих породах. Хотя сущность изобретения описана для случая, когда измеренная точка V , V (т.е. точка 2 на фиг. 4) проектировалась перпендикулярно,на кривую 19 (фиг. ) и параллельно на ось Vjt на кривой 19, возможны другие варианты, когда проектируют измеренную точку другим способом на кривую 19, причём эти способы не изменяют сущности изобретения. Дополнительно выбранная модель формации для лучшей формы практического выполнения изобретения представляет собой однородную породу, определяемую кривой 19, можно считать, что другие модели формации также могут быть использованы. Например, может быть использована другая кривая, параллельная и удаленная от кривой 19.
Формула изобретения
1.Устройство для индукционного каротажа, содержащее скважинный снаряд, включающий систему генераторных катушек, соединенных с генератором,
и систему измерительных катушек, соединенных с двумя фазочувствительным детекторами, линии опорных сигналов которых соединены соответственно с активным и реактивными элементами генераторной цепи, а также телеметрическую систему и наземный блок регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности исследований, оно дополнительно содержит блок выделения активной и реактивной составляющих комплексной проводимости пород, включенный между телеметрической системой и блоком регистрации .
2.Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что блок выделения активной и реактивной составля юцих комплексной проводимости пород содержит узел объединения совпадающих по фазе составляющих напряжений, соединенный с нелинейны14 каскадом, . узел суммирования объединенного и нелинейного сигналов, соединенный с регистратором.
3. Устройство поп. 2,отличающееся т.ем, что блок выделения активной и реактивной составляющих комплексной проводимости пород содерх ит устройство для вычисления проводимости участка пород, находящегося на выбранном расстоянии от скважины,
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1.Доли Г. Г. Введение в индукционный метод каротажа и его применение на нефтяных скважинах.LJ. Petroleum Technology, , №6.
2.Патент США fc 3226633, кл. 32| - 6, 28.12.65.
3.Патент США ff ,
кл. 32 - 6, 01.09.6Д (прототип).
Л.
тш
-Г
f-I
Щ
i
ш б
wиг.
(н-:i
ы
S|
I
«ч
tfS
5д
Фиг.6
Фиг.7
yv
w
%
«
xi
Фи1.9
й/l./f
