Устройство для каротажа скважин Советский патент 1982 года по МПК G01V3/18 

Изобретение относится к промлслово-геофизической технике, а более конкретно к аппаратуре, предназначенной для измерения гёофиз.ичес1(их параметров, выраженных отношением или разностью фаз двух сигналов,и может применяться, например, в аппаратуре бокового каротажа или аппаратуре электромагнитного каротажа, основанной на измерении затухания электромагнитного поля между двумя точками в скважине или разности фаз междуСИгнешами в этих точках.

Показания некоторых методов каротажа определяются отношением двух величин. Например, показания трехэлектродного бокового каротажа определяются отношением потенциала CJHстема электродов к току, проходяцему через центральный электрод, а показания элект1ромагнитного каротажа по затуханию поля определяются отношением напряженностей магнитной компоненты в точках измерения.

Известно устройство для каротажа скважин, предназначенное для измерения параметров, выраженных отношением двух сигналов, состоящее из многоканальной телеизмерительной системы, содержащей датчики измеряемых величин, измерительные каналы делимого и делителя и делительную систему tl.

Однако это устройство не обеспечивает высокой точности измерения отнсшения двух величин, так как точность измерений ограничивается погревгНостями, обусловленными временной и температурной нестабильностью нулевых

to уровней и коэффициентов передач в измерительных каналах делимого и делителя, неидентичйостью измерительных кансшов депимогр и делителя, а также нелинейностью градуировочной харак15теристики устройства.

Показания некоторЕлх методов каротажа определяются разностью фаз двух сигналов. Например, показания диэлектрического каротажа определяются

20 разностью фаз сигналов в измеритель-г ных катушках зонда аппаратуры.

Известно устройство для диэлектрического каротажа скважин, содержащее генераторную часть, блок коммутации,

25 зонд с генераторной катушкой и двумя датчиками (приемныг-да катушками), подключенными ко входам двух измерительных преобразователей (усилительных каналов), выходы которых соеди30нены со входами блока измерения разности фаз, .В этом устройстве для повьаления точности измерений в один из каналов усиления сигналов датчиков включен блок с набором калиброванных фазосдвигаюцих цепочек. Введение это го блока позволяет градуировать измерительный тракт устройства 2. Градуировку можно проводить только на поверхности, когда разности фаз сигналов приемных катушек равна нулю; в условиях сквг1жйны выходной сигнал равен сумме сигналов, обусловленных окружающей средой и введенной фазосдвигающей цепочкой, поэтому в условиях скважины контроль нулевого уровня измерительного тракта и нелинейности градуировоч ной характеристики невозможен. Градуиррвкой провеЕ)Яется только Фазоизмерительный блок, так как блок калиброванных фазосдвигающих цепочек включен после измерительного усилите ля. Устройство требует применения идентичных измерительных преобразователей, что обеспечить в широком температурном диапазоне трудно. Указанные, недостатки ограничивают точность данного устройства. Наиболее близким к предлагаемому является устройство, включающее датчики первого и второго сигналов, измерительные преобразователи первого и второго сигналов, функциональны преобразователь сигналов, выполненный в виде делительной системы или фазоизмерительного бЛока, блок коммутации, схему градуировки, содержащую коммутаторные ключи, и выходной зажим, причем первые выходы датчиков первого и второго сигналов соединены с Первыми входами измерительных преобразователей первого и второго сигн лов соответственно, второй выход датчика первого сигнала через первый ключ схеглы грещуировки соединен со вторым входом измерительного преобразователя первого сигнала и через второй ключ схемы градуировки - со вторым входом измерительного лреобразователя второго сигнала, второй выход датчика второго сигнала через третий ключ схемы градуировки соединен со вторым входом измерительного преобразователя второго сигнала и через четвертый ключ схемы градуировки - со вторым входом измерительного преобразователя перйого сигнала, управляющие входы всех ключей соединены с выходагли блока коммутации, а выходы измерительных преобразователей первого и второго сигналов подключены ко функционального преобразователя, выход которого соединен с выходным зажимом устройства t33. В этом устройстве измерительные преобразователи первого и второго сигналов (каналы делимого и делителя) пространственно совмещены, т.е. один и тот же измерительный преобразователь используется для преобразования сигналов делимого и делителя. Это достигается тем, что блок коммутации поочередно подключают с помощью входного когФ утаторного ключа выхода датчиков сигналов делимого и делителя ко входу одного и того же измерительного преобразователя, т.е. преобразование сигналов делимого и делителя разделено во времени, поэтому в устройстве применена времяимпульсная делительная система. Благодаря этому устраняется погрешность, обусловленная неидентичностью измерительных преобразователей сигналов делителя. Однако в этом устройстве не устраняются погрешности, обусловленные нестабильностью нулевого уровня измерительного преобразователя и делительной системы, а также нестабильностью ее коэффициента передачи, поскольку устройство работает в широком диапазоне температур, а также погрешность, обусловленная нелинейностью градуировочной характеристики устройства. Кроме того, схема градуировки, используемая в устройстве, позволяет получить только одно значение эталонного отношения # равное единице. : Одно значение эталонного сигнала не дает возможности проверить.линейность .градуировочноП характеристики устройства, так как для этого необхо1ДИМО как МИНШ/1УМ три значения. . Цель изобретения - повышение точности измерений за счет устраненкЕ погрешностей, обусловленных неста- бильностью нулевого уровня, коэффициента передачи и нелинейностью градуировочной характеристики. Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для каротажа скважин, включающее датчики первого и второго сигналов, измерительные преобразователи первого и второго сигналов, функциональный преобразователь сигналов, выполненный в виде делительной системы.или фазоизмерительного блока, блок коммутации, схему градуировки, содёржа115ую коммутаторные ключи и выходной задим, при этом первые выхода датчиков первого и второго сигналов связаны с первыми входами измерительных преобразователей первого и второго сигналов соответственно, второй выход датчика первого сигнала через первый ключ схемы градуировки соединен со вторым входом измерительного преобразователя первого сигнала и через второй ключ схег-ол градуировки со ВТОЕЛЛМ входом измерительного преобразователя второго сигнала, второй выход датчика второго сигнала через третий ключ

cxenu градуировки связан со вторым входом измерительного преобразователя второго сигнала, и через четвертый ключ схег-ш градуировки со вторым входом измерительного преобразователя первого сигнала, управляющие 5 входы всех ключей соединены с выходами блока кoм yтaции, а выходы измерительных преобразователей первого и второго сигналов подключены ко входам функционального преобразова- 10 теля, между функциональным преобразователем и выходными зажимами введен вычислительный блок, а схема градуировки дополнительно содержит первый и второй блоки эталонных па- t5 раметров, выполненные в виде блоков эталонных отношений или блоков этаонных фазовых сдвигов, блок аппроксимации, а также четыре дополнительных ко№/1утаторных ключа, причем2Q входа первого и второго блоков этаонных параметров подключены к выходам датчиков первого И второго сигналов соответственно, а выходы первого и второго блоков эталонных пара- 25 етров через пятый, шестой, седьмой и восьмой ко№/1утаторные- ключи связань со вторыми входа1.1и измерительных преобразователей соответственно первого и второго сигналов, выход функционального преобразователя соед1 нен со входом блока аппроксимации, выходы блока аппроксимации подключены ко вхоам блока коммутации, второй вход вычислительного блока соединен с выходом блока коммутации.35

Блок аппроксимации выполнен управляемым величиной выходного сигнала функционального преобразователя и содержит компараторы и источники эталонных напряжений,число компараторов fO и число источников на два меньше суммарного числа выходов первого и второго блоков эталонных параметров, причем первые входы компараторов связаны с выходом функционального преобразова-,5 теля, вторые входы компараторов подключены соответственно к выходам источников эталонных напряжений, а выходы компараторов соединены с соотетствующими входами блока комглута- JQ ции.

Кроме того, в случае измерения отношения двух сигналов первый и второй блоки эталонных параметров выполнены в виде резистивных или ин- ,, дуктивных делителей напряжения, питаемых входными сигналами датчиков, а в случае измерения разности фаз первый и второй блоки эталонных параметров выполн&ны в виде наборов калиброванных фазосдвигаюцих цепочек, включаемых в выходные цепи датчиков.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства (в случае измерения отноиения или разности фаз двух сигналов); на фкг.2 - пример ку- 65

сочнолинейной аппроксимации градуировочной характеристики; на фиг.З вариант исполнения блоков эталонных параметров при измерении отношения двух сигналов в виде резистивных делителей напряжения; на фиг.4 то же, при измерении разности фаз в виде набора фазосдвигающих цепочек.

Устройство содержит датчик 1 первого сигнала, датчик 2 второго сигнала, измерительный преобразователь первого сигнала, измерительный преобразователь 4 второго сигнала, функциональный преобразователь 5 в виде делительной системы или фазоизмерительного блока, блок 6, ко№.1утации, комг таторные ключи схемы градуировки: второй 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, первый 11, третий 12, седьмой 13 и восьмой 14; вычислительный блок 15, схема 16 градуировки, первый блок 17 эталонных параметров в виде блока эталонных отношений или блока эталонных фазовых сдвигов, второй блок 18 эталонных параметров, блок 19 аппроксимации, компараторы 2 и 21, источники 22 и 23 эталонных напряжений, выходной зажим 24 устройства.

Первые выходы датчиков 1 и 2 первого и второго сигналов соединены . с первыми входагли измерительных преобразователей 3 и 4 пёрвсго и второго сигналов, второй выход датчика 1 первого сигнала через первый ключ 11 схемы 16 градуировки связан со вторым входом измерительного преобразователя 3 первого сигнала и через второй ключ 7 схемы 16 градуировки со вторым входом измерительного . преобразователя 4 второго сигнала, второй выход датчика 2 второго сигнала через третий ключ 12 схемы 16 градуировки соединен со вторым входом измерительного преобразователя 4 второго сигнала и через четвертый ключ 8 схемы 16 градуировки со вторым входом измерительногопреобразователя 3 второго сигнала. Управляющие входы ключей 7-14 связаны с выходами блока 6 коммутации. ,

Выходы измерительных преобразователей 3 и 4 подключены ко входам функционального преобразователя 5.. Входы первого блока 17 эталонных параметров подключены к выходам датчика 1 первого сигнала, входы второго блока 18 эталонных параметров к выходам датчика 2 второго сигнала. Первый и второй выходы первого блока 17 эталонных параметров соединены через пятый ключ 9 и соответственно шестой ключ 10 со вторам входом измерительного преобразователя 3 первого сигнала. Первый и второй выходы второго блока 18 эталонных параметров, связаны через седьмой ключ 13 и соответственно восьмой ключ 14 со вторым входом измерительного преобразователя 4 второго сигна ла. Вцход функционального преобразов тепя 5, выполненного в виде делитель ной системы или фазоиэмерительного блока, соединен со входомблока 19 аппроксимации и с первьям входом вычислительного блока 15. Выходы блока 19 аппроксимации подключены ко входам блока б коммутации. Второй вход вычислительного блока 15 свяэан с выходом бЛ9ка б коммутации, а выход.подключен к выходному зажиму 24 устройства. В блоке 19 аппроксимации первые входы компараторов 20 и 21 соединены с выходом функционального преобразователя 5, вторые входы - с выходами источников 22 и 23 эталонных напряжений. Выходы ком параторов 20 и 21 подключены ко вхо дам блока б коммутации, На фиг.2 изображена градуировочная характеристика устройства, пред ставляюцая собой зависимость напряжения N на выходе делительной систе lы или фазоизмерительного блока от значения измеряемого параметра Р. Эта зависимость аппроксимирована тремя отрезкс1ми пря1.1Ь1х линий. В слу чае измерения отношения двух сигналов параметр Р представляет собой отношение сигналов X и У датчиков 1 X и 2, т.е. Р- Y а в случае измерени разности фаз - разность фазовых углов Ч и Vij сигналов датчиков 1 и 2, т.е. P ff -4ti u f ялтл функцию величины дЧ-Рэт.-f/ Рэг.а РЭТ.З и Рэт.4 - значения выбранных эталонных отношений или эталонных фазовых сдвигов. N, N,2. Nj - напряжения на выходе де лительной системы или фазоизмеритель ного блока, соответствующие концам участков аппроксимации. На Фиг.З изображены первый и второй блоки 17 и 18 эталонных отноШеНИИ, выполненные в виде резистивных делителей напряжений на резисторах 25-30, а на фиг.4 - первый и второй 17и 18 блоки эталонных фазовых сдви гов, выполненные в виде фазосдвигающих цепочек 31-34, т.е. примеры выполнения первого и второго блоков эталонных параметров для случая аппроксимации градуировочной характеристики устройства тремя отрезками прямых линий. При этом, как следует из фиг.2, первый и второй блоки эталонных параметров должны воспроизводить четыре значения эталонных параметров: Рэт..4 В связи с этим суммарное число вы ходов первого и второго блоков 17 и 18эталонных параметров, изображенны на фиг.З и фиг.4, равно четырем. Эти выходы через ключи 9 и 10 подключены ко второму входу измерительного Преобразователя 3 первого сигнала, а через ключи 13 и 14 ко второму входу измерительного преобразователя 4 второго сигнала. В общем случае, в зависимости от требуемой точности измерений и вида (степени нелинейности) градуи овочной характеристики число линейных участков, которыми аппроксимируется градуировочная характеристи-. ка, может -быть иным. Иным будет и число значений эталонных параметров, которое должно быть воспроизведено блоками эталонных параметров, при этом cyMfiapHoe число выходов первого и второго блоков эталонных параметров должно быть равно числу значений эталонных параметров, которое необходимо воспроизвести в диапазоне изменения измеряемой величины для до- . стижения необходимой точности.измерения. Практически для получения точности измерения менее 1% при нелинейности исходной градуировочной характеристики до 10% достаточно аппроксимации градуировочной характеристики тремя отрезками прямых линий. Таким образом, суммарное ч;-;ело выходов первого и второго блоков эталонных параметров и, соответственно, число дополнительно вводимых коммутаторных ключей определяются требуемой точностью измерения. Устройство работает рледующим образом. Процесс измерения разбивается во времени на циклы, в каждом из которых производится три такта измерений: в первом такте измеряется исследуемый параметр, а в остальных двух - значения .эталонны:: отношений или фазовых сдвигов, выбираемые в зависимости от величины напряжения на йыходе делительной системы или фазоизмерительного .блока и принадлежащие .тому участку аппроксимации градуировочной характеристики, на котором в данный момент времени находится исследуемый параметр. Время цикла выбирается таким, чтобы измеряёмый параметр за это время практически не изменился. Указанный цикл повторяется до конца измерений. При кусочно-линейном представлении градуировочной характеристики связь между выходныгл напря}кением делительной системы или фазоизмерительного блока и величиной измеряемого параметра выражается зависимостью N aj+bjP, j l,2,3, .. .п , (1) где п - число линейных участков, которыми может быть с требуемой точностью аппроксимирована градуировочная характеристика; a;,bj- - параметры градуировочной характеристики. В первом такте измерений блок б кoм iyтaции открывает ключи 11 и 12,а ключи 7, 8, 9, 10, 13 и 14 остают ся закрытыми, при этом сигналы непосредственно с выходовдатчиков 1 и 2 поступают на входы измерительных преобразователей 3 и 4 и после преобразования на входы функционального преобразователя делительной системы или фазоизмерительного блока. На выходе делительной системы или фазоизмерительного блока образуется напряжениеN aj+bjP(2) Это значение фиксируется в памяти вычислительного блока 15. Одновременно это напряжение посту пает на вход блока 19 аппроксимации который работает следующим если значение напряжения N меньше значения N (фиг.2), то состояния компараторов 20 и 21 не изменяются; если напряжение N находится в интер Всше между значениягш N-j, Njj, то срабатывает компаратор 20; если напряжение N превышает значение N., то срабатывают оба компаратора 20 и Значения N и 1Л задаются ис -гочф ками 22 и 23 эталонных напряженней, алходы компараторов подключены ко входам блока б коммутации. ПоследНИИ анс1лизирует состояния компараторов 20 и 21 и управляет ключеили 7,8,9,10,13 и 14 на выходах блоков 17 и 18 эталонных отношений или фазовых сдвигов по следующему алгоритму; если не сработали оба компаратора 20 и 21, то блок 6 коммутации во втором такте измерений открывает те из ключей 7,8,9,10,13 и 14, которые подключгиот на входы измерительных преобразователей 3 и 4 сигналы, отношение или фазовый сдвиг кото(шх равны РЭГ.-1 (фиг. 2), а в третьем такте измерения открывает ключи, подключающие сигналы, соответствующие : эталонным отношению или фазовому сдвигу РЭТЛ если сработал компаратор 20, а состояние компаратора 21 не изменилось, то блок 6 коммутации во втором такте подключает сигналы, соответствующие эталонным отноше-нию или фазовому сдвигу а в третьем такте - Pjr.i если сработали оба компаратора 20 и 21, то блок б комглутации во втором такте Подк 1ючает сигналы, отношение или фазовый сдвиг которых Рэт.5 а в. третьем такте - PJT. 4 Пусть, например, напряжение на выходе делительной системы (в случае измерения отношения) меньше зна чения N; и датчик 1 является датчиком сигнала делимого, а датчик 2 датчиком сигнала делителя. Тогда во втором такте блок коммутации должен подключить на входы измерительных преобразователей 3 и 4 сигналы, отношение которых равно РЭТ--i Для этого блок б коммутации закрывает ключи 8, 10, 11, 12, 13 и 14 и открывает ключи 7 и 9. При этом на вход измерительного преобразователя 4 сигнала делителя через открытый ключ 7 поступает сигнал датчика 1 делимого, равный X, а на вход из ерительного преобразователя 3 через открытый ключ 9 подается с делителя на резисторах 25-27 (фиг.З) ослабленный в k раз этот же сигнал, равный kx, т.е. на входах измерительных преобразователей 3 и 4 задаются сигналы, отношение которых Р -k X 5Т.-1 же происходит и при измерении разности фаз двух сигналов. Таким образом, в результате второго такта измерений на выходе делительной системы или фазоизмерительного блока получают показания .,.p3T..j.(3) Эти показания фиксируются вычислительным блоком 15. В результате третьего такта измерения -на выходе делительной системы или фазоизмерительного блока получают значение напряжения ..Л. которое также фиксируется в памяти вычислительного блока 15. Таким образом, с помощью блока 19 аппроксимации и блоков 17 и 18 эталонных отношений или фазовых сдвигов на входы устройства во втором и третьем тактах измерения задбиотся эталонные значения измеряемого параметра такие, что.они всегда принадлежат тому же линейному участку градуировочной характеристики, что и измеряемый параметр. Как следует из алгоритмов работы блока 19 аппроксимации и блока 6 коммутации для выбора двух эталонных параметров из четырехпри аппроксимации ррадуировочной характеристики тремя отрезками прямых необходимы три различных состояния блока 19 аппроксимации, которые реализуются двумя компараторами 20 и 21, входящими в его состав. Первое состояние - оба KOf-BiapaTopa не сработали соответствует выбору эталонных параметров РЭГ. ч и РЭТ. 2 второе состояние - сработал компаратор 20, а 21 не сработал - соответствует выбору эта«, лонных параметров Рдт-0. и Рэг-3 третье состояние - сработали оба компаратора 20 и 21 - соответствует выбору этсшонных параметров Р j и РЭТ. 4 . В Общем случае при необходимости выбора двух эталонных параметров из п числа их значений блок аппроксима-ции должен иметь (п-1) состояние, которое может быть реализовано (п-2) компараторами, входящими в его сос-г тав. Так как число воспроизводимых эталонных значений п равно суммарному числу выходов первого и второго блоков 17 и 18 эталонных параметров, то число выходов блока 19 аппроксимации, а также число компараторов и число источников эталонных напряжений должно быть на два меньше суммарного числа выходов первого и второго блоков эталонных параметров ,

В результате трех тактов измерения имеем три значения выходного напряжения, зафиксированных в памяти вычислительного блока 15 ij+bj-P .bj,.j, N aj+bjP3T.a+i) J. Вычислительный блок 15 решает систе му равнений (5) относительно измеря емого napetfieTpa Р по алгоритму р-р +ГР-Р . j . UM ) JT.jJ jijirriiu Как следует из выражения (б), резул тат измерения Р не зависит от параметров а.- (нулевой уровень) и bj (коэффициент передачи) на любом участке аппроксимации градуировочно характеристики, а следовательно, не требуется идентичных каналов измере ния. Кроме того, из результата изме рения исключается погрешность, связанная с нелинейностью градуировочной характеристики. Следует отметить, что блоки эталонных отношений или эталонных фазовых сдвигов введены в оба измерительных канала устройства для расширения диапазона воспроизводимых эталонных значений измеряемого пара метра в соответствии с диапазоном его измерения. Так, при измерении отношения двух сигналов первый блок эталонных отношений служит для воспроизведения эталонных отнсшений от нуля до единицы, а второй - от единицы и выше. При измерении разности фаз двух сигналов первый блок эТалонных фазовых сдвигов воспроизводи положительные значения эталонных фазовых сдвигов, а второй - отрицательных. Если измеряемый параметр изменяется в диапазоне от нуля до единицы (от единицы и выше) или в положительной области (отрицательно области разностей фаз, то один из блоков эталонных отнетаений или фазовых сдвигов может быть исключен. В предлагаемом устройстве устранена погрешность, обусловленная нелинейностью градуировочной характеристики, погрешность, обусловленная наличием и нестабильностью нулевых уровней измерительных преобразовате

лей и делительной системы или фазоизмерительного блока, погрешностьj обусловленная нестабильностью коэффициента передачи далитальной системы или фазоизмерительного блока; а также погрешность, обусловленная нестабильно ;тью коэффициента передачи длительности системы или фазоизмерительного блока. Так как результат изме- . рения не зависит от параметров градуировочной характеристики устройства и ее нелинейности, то измерительные преобразователи и делительная -система или фазоизмерительный блок могут выполняться по самым простым и, следовательно, надежным схемам. Формула изобретения 1. Устройство для каротажа екважин, включающее датчики первого и второго сигналов, измерительные преобразователи первого и второго сиг-; налов, функциональный преобразователь сигналов, выполненный в виде делительной системы или фазоизмерительного блока, блок коммутации, схему градуировки, содержащую комг/1утаторные ключи и выходной зажим, причем первые выходы датчиков первого и второго сигналов соединены с первыми входами измерительных преобразователей первого и второго сигналов соответственно, второй выход датчика первого сигнала через первый ключ схемы градуировки соединен со вторым входом измерительного преобразователя первого сигнсша и через второй ключ схемы градуировки со вторым входом измерительного преобразователя второго сигнала, второй выход датчика второго сигнала через третий ключ схемы градуировки соединен со вторым входом измерительного преобразователя второго сигнала и через четвертый ключ схемы градуировки со вторым входом измерительного преобразователя первого сигнала, управляющие вход всех ключей соединены с выходами блока комг4утации, а выходы измерительных преобразователей первого и второго сигналов подключены к входам функционального преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, между функциональным преобразователем и выходными зажимами введен вычислительный блок, а схема градуировки дополнительно содержит первый и второй блоки эталонных параметров, выполненные в виде блоков эталонных отношений или блоков эталонных фазовых сдвигов, блок аппроксимации, а также четыре дополнительных коммутаторных ключа, причем входы первого и второго блоков эталонных параметров подключены к выходам датчиков первого и второго сигналов соответственн а выходы первого и второго блоков эталонных параметров через пятый, шестой, седьмой и восьмой комг.1утаторные ключи соединены со вторыми входами измерительных преобразователей соответственно первого и втого сигналов, выход Функционального преобразователя соединен с входом блока аппроксимации, выходы блока аппроксимации подключены к входам блока коммутации, второй вход вычислительного блока соединен с выходом блока коммутации.

2. Устройство по п.1, о т л и чающееся тем, что блок аппроксимации содержит компараторы и источники эталонных напряжений, число компараторов и число источif KOB на два меньше суммарного числа выходов первого и второго блоков эталонных параметров, причем первые входы компараторов соеди- . нены с выходом функционального преобразователя, вторые входы компараторов подключены соответственно к выхода / источников эталонных напряжений, а выходы кс5мпараторов соединены с соответствующими входами блока коммутации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 240625, . Е 21 В 47/00, 1966. . 2. Авторское свидетельство СССР 371547, кл. G 01 V 3i/18, 1971.

3. -Авторское свидетельство СССР 313966, кл. G 01 V 3/18, 1970 (пртотип) .

Рт Рзт РхЯу

Р е.2

ФагЛ