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

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин, в частности к техническим средствам, применяемым для изучения электрических свойств горных пород методами электромагнитного каротажа. ,

Известны устройства диэлектрического каротажа, содержащие трехэлементный зонд с двумя приемными элементами (катушками) и одним излучающим (генераторной катушкой).генератор, возбуждающий электромагнитное поле высокой частоты в окружающей зонд среде через генераторную катушку, высокочастотные и низкочастотные усилители, гетеродин, преобразователи частоты, блоки для получения сигналов, пропорциональных разности фаз и отношению амплитуд поля в точках приема (на приемных элементах), а также регистратор измеряемых величин 11.

Известно также устройство, предназначенное.для измерения лишь разности фаз сигналов электромагнитного прля на приемных катушках трехкатушечного зонда, содержащее генератор, двухканальный приемник, гетеродинный преобразователь частоты и фазоизмерктельный блок 2.

Однако информация об электрических свойствах исследуемлх пород, содержащаяся в разности фаз 6 диэлектрической проницаемости не всегда может быть выделена без использования данных других методов каротажа, что снижает оперативность и точность получаемых результатов каротажа.

IQ Известны также устройства, предназначенные для измерения отношения сигналов электромагнитного поля, со-. держащие генератор с излучёиоцей катушкой, две приемные катушки, усилители, измеритель отношения сигналов

5 и регистратор З ..

Однако измеряемое отношение сигналов сложным образом связано как с ди-f. электрической проницаемостью 6 , так и с удельным сопротивлением f среды на высоких частотах и не позволяет точно определять без дополнительной информации любую из этих величин. Кроме того, недостаток известных

25 устройств заключается в низкой производительности и необходимости учета влияния проводимости среды по данным других методов каротажа при определении диэлектрической проницаемости

30 и наоборот. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для электромагнитного каротажа скважин, содержаще многоэлементный зонд с элементами для излучения и приема электромагни ного поля, генератор, усилители выс ких и низких частот, гетеродин, уси ли-тель, преобразователи частоты, блок формирования отношения приняты сигналов, фазометрический блок и ре гистратор, при этом выходы приемных элементов соединены со входами усилителей высокой частоты, выходы которых соединены с первыми входами преобразователей частоты, вторые входы которых соединены с выходами усилителя, вход последнего подключен к 1етеродину, выходы преобразователей частоты соединены с усилите лями низкой частоты, первые выходы которых соединены с блоком формирования отношения принятых сигналов вторые - с фазометрическим блоком, а генератор - с излучающим элементом 4. Однако известное устройство не позволяет измерить диэлектрическую проницаемость и. (или) удельноесопр тивление изучаемой среды непосредст венно, в процессе каротажа, что сопряжено со значительными затратами времени на последующую обработку и интерпретацию зарегистрированных от носительных характеристик поля по п леткам вручную или с использованием ЭВМ, при вычислении диэлектрической проницаемости и (или) удельного сопротивления по измеренным характерис тикам с номограмм (палеток) воз никают дополнительные субъективные погрешности интерпретатора (алгоритма обработки и интерпретации на ЭВМ связанные с выбором точек и снятием отсчетов в них для вычислений. Цель изобретения - повыкюние точности и оперативности измерения диэлектрической проницаемости и удельного электрического сопротивления горных пород. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для электромагнитного каротажа скважин, содержащее многоэлементный зонд с элементами для излучения и приема электромагнитного поля, генератор, усилители высоких и низких частот, гетеродин, усилитель, преобразователи часто1ы, блок формирования отношения Принятых сигналов, фазометрический блок и регистратор, при этом выходы приемных элементов соединены с входами усилителей высокой частоты, выходы которых соединены с первыми входами преобразователей частоты, вторые входы которых соединены с выходами усилителя, вход последнего подключен к гетеродину, выходы преобразователей частоты соединены сусилителями низкой частоты, первый выходы которых соединены с блоком формирования отношения принятых сигналов, вторые - с фазометрическим блоком, а генератор - с излучаняаим элементом, введены блок функциональных преобразователей сигналов относительных характеристик электромагнит ного поля в сигналы оценок электромагнитных свойств пород, структура которого является реализацией равномерных чебышевских аппроксимаций преобразуемых зависимостей, и блок источников постоянных корректирующих сигналов, при этом первые два входа блока функциональных преобразователей соединены с выходами фазометрического блока и блока формирования отношения принятых сигналов, третий вход - с выходом блока источников постоянных корректирующих сигналов а выход блока функциональных преоб|разователей - с входом регистратора, при этом блок функциональных преобразователей выполнен в виде блока формирования сигнала оценки диэлектрической проницаемости и блока формирования сигнала оценки удельного сопротивления исследуемой среды, .причем каждый из блоков формирования сигналов оценок содержит по два блока формирования полиномов и блок деления получающихся в блоках формирования полиномов сигналов, при этом выходы блоков формирования полиномов соединены со входами блока деления, входы блоков формирования полиномов являются входами блока функциональных преобразователей, а выход блока деления - выходом блока функциональных преобразователей. Зависимости между относительными характеристиками поля (обозначим их Х и X-j) и электрическими свойствами горных пород (диэлектрической проницаемостью 6 и. удельным электрическим сопротивлением р) можно представить как (X,X2),P F2.(X-,, Ха) где, например Х2 Ih7.|/I (ц I или другая приемлемая для целей каротажа пара относительных характеристик электромагнитного поля, измеряемая трехэлементными зондами. Вид функций ,X) и F(2(X,X2) весьма сложен-и аналитически не выражается точно практически никогда. В известных способах для получения величин и р по змеренным Х и Х используют палети (номограммы) или числовые таблицы ля интерполяции. Недостатки подобных змерений охарактеризованы. Используя аппарат равномерных чеышевских аппроксимаций строят с поощью ЭВМ экономизированные аппроксиации сложных функциональных взаимовязей Р (Х.Х) (Х,Х) наором заданных (базисных) функций от которые выбирают из сообраХ и Х жений наилучшей реализации их в аппа ратуре, с задаваемой при построении допустимой погрешностью. Например по линомами вида i:ti::lvi::Fi:: v ,H Здесь коэффициенты а соответствуют аппроксимации ,Х2) , а коэффициенты р Ф (X jXj cooTBeTCTBeHHp. Погрешнодть приближения таким конструкциями исх6дн111х функциональны зависимостей F (Х,Х,) ир F(X,X может быть задана и определена при построений оптимальных наборов коэффициентов а,- и Ь,- (, 1, 2, ,.., 9 соответственно по специальным программам на ЭВМ. Bci всей области рабо чего диапазона по X,, и X ,j равномерны приближения выполняют с погрешностью не превышающей уровней погрешностей измерения аргументов х и Х. Полученные таким способом оптимальные по точности аппроксимации функциональных, зависимостей g F (Х Х) и (или) р F,j (х, Х). от формируемых характеристик поля Х и Х реализуют набором функциональных преобразователей, соответствукщих заданно при построении аппроксимаций структуре этих приближающих функций ф,-(X XQ.); j l,2.. На ФИГ..1 показана функциональная блок-схема устройства; на фиг.2 один из вариантов, выполнения блока функциональных преобразователей; на фиг-З - один из вариантов реализации блоков формирования полиномов. Устройство содержит генератор 1, излучающий элемент (генераторную катушку) 2, приемные элем.енты (катушки 3 и 4, усилители 5 и 6 высокой часто ты/ преобразователи 7 и 8 частоты, гетеродин 9 с усилителем 10, усилители 11 и 12 низкой частоты, фазо- метрический блок 13, блок 14 формирования отношений амплитуд принятых сигналов, блок 15 функциональных преобразователей, регистратор 16,. блок 17 иcтo JHикoв корректирующих постоянных сигналов для функциональных преобразователей (блоки постоянного напряжения). Устройство работает следующим образом. Генератор 1 питает током высокой частоты излучающий элемент 2, который возбуждает в окружающей зонд сре де электромагнитное поле. В приемных элементах 3 и 4 поле наводит электри еские сигналы, характеризующиеся ам плитудами t , I h I и фазами Ч . i одновременно. Эти сигналы через усилители 5 и 6 высокой частоты соответственно поступают на входы преобразователей 7 и 8 частоты. Надругие входы преобразователей 7 и 8 поступают сигн.алы от Гетеродина 9 через усилитель 10. Преобразованные по частоте сигналы усиливаются далее-усилителями 11 и 1.2 низкой частоты и поступают на входы блока 14 формирования отношения амплитуд сигналов,пропорциональных принятым 1 h 11 и I h 1 и на входы фазометрического блока 13. Фазометрический блок 13 осуществляет формирование сигнала, пропорционального разности фаз принятых сигналов utfs 1 - fi на приемных элементах 3 и 4, так что на его выходе сигнал пропорционален , или функции от ДЧ например sin ) Блок 14 форми2рует отношение амплитуд сигналов |1i(/|ti 1, поступивших на его входы. Он может быть выполнен в виде вычислителя, реализующего операцию деления, или любого другого устройства, сигнал на выходе которого будет пропорционален отношению амплитуд сигналов на его входах. Например, если сигнал в катушке 3 стабилизировать путем введения отрицательной обратной связи с выхода усилителя 11 низкой частоты на вход генератора 1 через блок 14, то блок 14 операцию деления будет выполнять обычным линейным усилением сигнала с другого измерительного элемента (катушки) 4, поступающего с выхЬда усилителя 12 низкой частоты. , Сигналы с блоков 13 и 14 поступают на блок 15 функциональных преобразователей, который осуществляет преобразование их в сигналы, пропорциональные величинам диэлектрической проницаемости и (или) удельного элек- трического сопротивления горных пород, которые регистрируются в процессе каротажа регистратором 16. В аппроксимациях, реализуемых блоком 15,, имеются постоянные коэффициенты, которые вводятся в этот блок из блока 17 источников постоянного напряжения. На фиг.2 представлен один из вариантов реализации блока 15 функциональных преобразователей для случая рационального чебышевского приближения вида (X,X.) U(X.Xi) и En Pa(Xi.Xi)/Qi(X,X.) .(2) где PI- (Х,Х j)a.,- .;Хг+а4 ,Qi(X,Xi)bi (,+b,,; +Ь. Х + +b5i ,- Х ( И 2); -1.для зависимости En € ; i 2 - для Pnj, X,e{fi f/}h |- сигнал на выходе блока 14 формирования отнесения aмплит (, принятых сигналов, X icSln -. сигнал нЗ ыходе фазометрического блока 13. Блок 15 включает блок 18 формирования полинома блок 19 фо мирования полинома Q.-jiX,} I а также блок 20 деления получающихся в блоках 18 и 19 сигналов. Блоки 18, 19 и 20 могут быть выполнены в виде схем, содержащих операционные усилители, которые в анало говом виде реализуют операции умноже ния, деления и возведения в степень. На фиг.З представлен пример одного из вариантов реализации полиномов Pi(X,Xj) или Q(X,X), приведенных к виду, Д.Ха))2( ci4X)X. , где «(Х.Х) условное обозначени полинома РI (X , Xj), либо QI(X,XI); А, d значения постоянных коэффициентов, соот ветствующие а, Pi (Х,Хо) или (,{ для С1(Х, XT.). Преобразованные к виду R,-{X,X:j) прлиноли и Q эквивалентны по результатам их вычисления, но реализуют .,,X2} с меньшим числом умножений сигналов (либо возведений в степень). Блоки 18 или 19 (фиг.2) реализованы на сумлшруквдйх усилителях 21-24 (фиг.З) масштабном усилителе 25, бло ках 26 и 27 умножения сигналов. Тако устройство работает следующим образо На входы суммирующего усилителя 21 поступают постоянное напряжение d,2t пропорциональное коэффициенту ctV, и сигнал KI, На выходе этого уси Лителя вырабатывается сигнал (€l5X2i + + di}, который поступает на вход суммирукндего усилителя -22,..где суммируется с сигналом () , полученным после прохождения сигнала Х через масштабный усилитель 25. Полученная сумма сигналов (.015X7 oLj ) с выхода усилителя 22 подается на один из входов блока 26 умножения сигналов, к второму входу которого подается также сигнал Х с выхода блока 13 (фиг.1). Сигнал, полученный с выхода блока 26, подается на один из входов суммирующего усилителя 24. На другой вход этого усилителя поступает сигнал с блока 27, который выполняет операцию умножения сигнала Х7 на сигнал суммы ((4.d) t полученного на выходе суммирующего усилителя 23. На третий вход усилителя 24 поступает Постоянный сигнал 0 , пропорциойальный коэффициенту ot-j в выражении (3). Сигнал на выходе суммирующего усилителя 24 пропорционален сумме ,Xn) при любых значениях дУ Х In t/l-hTi Значения коэффициентов сСцтЫ- для зоНда электромагнитного каротажа с длиной зонда L 1м (расстояние между генераторной катушкой 2 и приемной катушкой 4) и базой зонда л10,3м (расстояние между приемными катушками 3 и 4) в области диэлектрической проницаемости пород 2 60 в относительных единицах и удельных сопротивлений 2 р 100 Ом-м приведены в таблице. При этом аргументы Х, Х для примера приведены к стандартным интервалам Xg mgXg+ng,,l, где для , 2 т 2,69254, i 1,52862 m 0,42134, П2 - 1,36579 и коэффициенты и Ь в таблице соответствуют этим нормированным величинам входных сигналов X и Sf х диапазона -1,1..

40,0341 -9,1958 39,248

PI

tnp ё 18,9778 1,4783 24,477-0,1258 0,8704

-0,5743 3,2479 -11,3062 6,2806 Предельная погрешность аппроксимации зависимостиеп или Епр в виде рационального чебышевского прибли жения по выражению (2 ) не превышает 5%. При аппроксимации этих зависимос тей полиномами более высоких степене погрешности могут быть существенно уменьшены. Например, приближение кубическими полиномами дает погрешност уже не более 1%. Для учета влияния вмещающих пород минерализованной внутрискважинной жи кости и других факторов на оценки и р в блок 15 вводят дополнительные поправочные сигналы, подаваемые на вход блока 15 с блока 17 источников постоянных сигналов коррекции влияющих факторов, которые дополнительно устанавливают перед проведением измерений или в процессе каротажа. Элементы блока 15 могут быть реализованы по предлагаемой блок-схеме на дискретных элементах, если входные сигналы Х и Х блока подавать на него в дискретной форме. В таком виде они могут быть получены в блоках формирования отношения и фазометрическом. При этом погрешности выполне ния функциональных преобразований сигналов относительных характеристик в оценки электромагнитных свойств мо гут быть сведены к уровню неувязок самих аппроксимаций, реализованных в преобразователях. Таким образом, введение в устройство блока функциональных преобразователей позволяет непосредственно в процессе каротажа измерять диэлектрическую проницаемость иудельное электрическое сопротивление горных пород, что обеспечивает более высокую производительность геофизических работ на основе повышения оперативности анализа геофизических данных, а также повышает точность определения . и р за счет исключения субъективных погрешностей, возникающих при снятии отсчетов двух относительных параметров поля с диаграммы регистра тора, переносе их на палетку и при отсчете значений Е и р с палеток. Из мерение непосредственно и р позволяет физически реализовать эталонные условия-для проверки устройства, как (Измерителя электрических свойств. Формула изобретения 1. Устройство для электромагнитно го каротажа скважин, содержащее многоэлементный зонд с элементами для излучения и приема электромагнитного поля, генератор, усилители высоких и низких частот, гетеродин, усилитель; преобразователи частоты, блок формирования отношения принятых сигналов, фазометрическип блок и регист ратор, при этом выходы приемных элементов соединены.с входами усилителей высокой частоты, выходы которых соединены с первыми входами преобразователей частоты, вторые входы которых соединены с выходами усилителя, вход последнего подключен к гетеродину, выходы преобразователей частоты соединены с усилителями низкой частоты, первые выходы которых соединены . с блоком формирования отношения принятых сигналов, вторые - с фазометрическим блоком, а генератор - с излу-. чецощим элементом, отличающееся, тем, что, с целью повышения точности и оперативности измерения диэлектрической проницаемости и удельного электрического сопротивления горных пород, в него введены блок функциональных преобразователей сигналов относительных характеристик электромагнитного поля в сигналы оценок электромагнитных свойств пород, структура которого ярляется реализацией равномерных чебышевских аппроксимаций преобразуемых зависимостей, и блок.источников постоянных корректирующих сигналов, при этом первые два входа блока функциональных преобразователей соединены с выходами фазометрического блока и блока формирования отношения принятых сигналов,третий вход - с выходом блока источников постоянных корректирующих сигна-, лов, а выход блока функциональных преобразователей - с входом регистратора. 2. Устройство ПОП.1, отличающееся тем, что блок функциональных преобразователей выполнен в виде блока формирования сигнала оценки диэлектрической проницаемости и блока формирования сигнала оценки удельного сопротивления исследуемой среды, причем каждый Из блоков формирования сигналов оценок содержит по два блока формирования полиномов и блок деления получающихся в блоках формирования полиномов сигналов, при этом выходы блоков формирования полиномов соединены со входами блока деления, входы блоков формирования полиномов являются входами блока функциональных преобразователей, а выход блока деления - выходом блока функциональных преобразователей. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Даев Д.С. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин. М., Недра, 1974, с.139-154. 2.Авторское свидетельство СССР 212387, кл. G 01 V 3/18, 1966. 3.Заслонов И.М. Каротаж скважин, основанный на измерении затухания электромагнитного поля.-Сб. Прикладная геофизика. М., Недра, 1972, вып.67, с.53. 4.Авторское свидетельство СССР 427302,кл.С 01 V 3/18,1972 (прототип).