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

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН

Изобретение относится к промыслово-геофизической технике, а более конкретно к аппаратуре электромагнитного каротс1жа скважин по затуханию поля, и может использоваться для исследования распределения удельного электрического сопротивления пород как по глубине, так и по азимутальным направлениям в сквеокине, например с целью выделения трещинных коллекторов.

Электромагнитный каротаж скважин по затуханию поля заключается в расчленении пород в скважине по величине затухания электромагнитного поля на участке между двумя точками измерения путем деления величин напряженностей электромагнитного поля в этих точках. Электромагнитное поле частотой 0,4-2,5 МГц возбуждается генераторной катушкой, а измерение затухания производится с помощью двух -измерительных катушек, расположенных в точках измерения и делительной систе,мы. Магнитные моменты генераторной и измерительной катушек направлены горизонтально.

Электромагнитный каротаж по затуханию поля обладает большой глубинностью, зависящей только от расстояния между генеральной и измерительными катушками, и высокой разрешающей способностью по мощности пластов, зависящей только от расстояния между измерительными катушками. Благодаря горизонтальному направлению момента генераторной катушки, возбуждаемое электромагнитное поле приобретает свойства азимуальной направленности;,

10 т.е. токовые линии в пласте, против которого расположены измерительные катушки, направлены по напластованию по определенному азимуту, зависящему от положения в пространстве оси ге15нераторной катушки.

В промысловой геофизике большой интерес представляет выделение в разрезе скважины проницаемых пластов, называемых коллекторами. Некоторые

20 из коллекторов, например трещинные, характеризующиеся преимущественно вертикальными направлениями трещин, являются азимутально неоднородными средами в отношении их удельного

25 электрического сопротивления, т.е. измеряемое удельное сопротивление зависит от азимута, по которому направлены токовые линии в этой среде.

Известна аппаратура низкочастот30i ной аэроразведки по методу вращающегося магнитного поля, предназначенна Для оценки степени азимутальнойнеод нородности среды/ состояпа1ая из двух взаимно перпендикулярных генераторны рамок, питае1 к1Х от генератора через усилители мощности токами одной частоты и амплитуды, сдвинутыми фаэовра ща.телем относительно, друг друга по фазе на 9Q, и двух взаимно перпен,дикулярных приемных рамок, одна из которых через усилитель, а вторая через усилитель и ортогональный (девяностоградусный) фазовращатель соединены с двумя вычитающими схемами, формирующими сигнс1лы, пропорциональные амплитудному и фазовому параметР , ,, где Uj,Uv, - сигналы в приемных рамках;Ч f. - их фазовые сдвиги относи тельно питающих токов. Ось пересечения генераторных: рамок совпадает с осью пересечения при емных. - Поле системы генераторных рамок имеет круговую поляризацию, т.е. век тор напряженности поля вращается вокруг оси пересечения этих рамок в перпендикулярной ей плоскости с час тотой, равной частоте тока в рамках, не .меняя своей величины Cl. Известна аппаратура, которая рабо тает на частотах 612,1225 и 2450 Гц 2 Однако эта аппаратура не дает воз можности получить информацию об г удельном сопротивлении даже однородной .сре|Цы, так как в однородной cpe-i де, независимо от ее удельного сопротивления, измеряемые параметры: разностная амплитуда А и разность фаз л равны нулю и может служить только для оценки степени неоднородности изучаемой среды. Применение электромагнитного поля частоты. ц) , вращающегося с такой же частотой в пространстве, не может быть использовано для получения информации, об удельном электросопротив лении азимутально неоднородных сред, так как частота модулирующего воздей ствия, обусловленного азимутальной неоднородностью среды, по крайней ме ре в два раза (в случае коллектора с вертикальной трещиноватостью) выше частоты зондирующего поля. Кроме того, применение низкочастотного поля не дает возможности использовать эффект затухания поля для расчленения горных пород, так как на низких.частотах затухание поля весьма мало. Наиболее близким к изобретению по техническойсущности является устрой ство для электромагнитного каротажа скважин состоящее изгенератора высокой частоты, генераторной катушки, первой и второй приемной катушек, избирательного усилителя, блока коммутации, входного коммутаторного ключа, делительной системы и выходного зажима, причем выход генератора высокой частоты соединен с генераторной катушкой., первая и вторая приемные катушки соединены с управляемыми входами коммутаторного ключа, выход которого подключен к входу избирательного усилителя, управляющий вход коммутаторного ключа соединен с первым выходом блока коммутации, выход избирательного усилителя подключен к первому входу делительной.системы, второй вход делительной системы соединен с вторым выходом блока коммутации, а выход делительной системы является выходным зажимом устройства. Это устройство позволяет производить расчленение разреза скважи1Н по величине затухания высокочастотного лектромагнитного поля и получать информацию об удельном электросопротив-. лении пород СЗ. Однако с помощью этого устройства невозможно выделять в разрезе скважин азимутально неоднородные среды, например коллекторы с вертикальной трещиноватостью. Показания на выхо-. де этого устройства в азимутально неоднородных средах зависит от положения оси генераторной катушки в пространстве, которая может располагаться в пространстве случайным об-, разом.. :Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет выделения и получения информации об удельно) электросопротивлении азимутально неоднородных сред. Цель достигается тем, что в устройство для электромагнитного каротажа скважин, состоящее из генератора высокой частоты, первой генераторной катушки, первой и второй приемных катушек, первого входного коммутаторного ключа, избирательного усилителя, делительной системы, блока коммутации и первого выходного зажима, причем первая и вторая приемные катушки соединены с управляемыми входами первого коммутаторного ключа, управляющий вход первого коммутато{)ного ключа соединен с первым выходом блока коммутации, вцход избирательного усилителя подключен к первому входу делительной-системы, второй вход делительной системы соединен с вторым выходом блока коммутации, дополнительно введены вторая генераторная катушка, формирователь балансно-модулированных колебаний, третья и четвертая приемные катушки, второй входной коммутаторный ключ, восстановитель несущих колебаний, блок разделения информации и второй выходной зажим, причем вторая генераторная катушка пространственно совмещена с первой, а оси их взаимно перпендикулярны, генератор высокой частоты подключен к входу формирователя балансно-модулированных колебаний, первый выход формирователя соединен с перво генераторной катушкой, второй - с второй генераторной катушкой, третий - с первым входом восстановителя несущих колебаний, четвертый - с вторым входом восстановителя несущих колебаний, третья приемная катушка пространственно совмещена с первой приемной катушкой и оси их взаимно перпендикулярны, четвертая приемная катушка пространственно совмещена с второй приемной катушкой и оси их взаимно перпендикулярны, третья и четвертая приемные катушки соединены с управляемыми входами второго входного коммутаторного ключа, управляющий вход второго входного коммутаторного ключа соединен с третьим выходом блока коммутации, выход первого входного коммутаторного ключа соединен с третьим входом восстановителя нес5 щих-колебаний , а выход второго - с его четвертым входом, выход восстановителя несущих колебаний подключен к входу избирательного усилителя, выход делительной системы соединен с входом блока разделения информации, цервый выход блока разделения информации соединен с первым выходным.зажимом устройства, а второй - со вторым выходным зажимом, при этом формирователь балансно-модулированных колебаний состоит из генератора низкой частоты, ортогонсшьного фазовращателя, первого и второго балансных модуляторов, первого и второго усилителей мощности, причем выход генератора низкой частоты соединен со входом ортогонального фазовращателя, первый выход которого соединен с первым входом первого балансного м дулятора, этот же вход является третьим выходом формирователя балансномодулированных колебаний, второй выход ортогонального фазовращателя подключен к первому входу второго балансного модулятора, которь1й является четвертым выходом формирователя бала сно-модулиро.ванных колебаний, вторые входы балансных модуляторов соединены между собой и являются входом формирователя балансно-модулированных колебаний, выход первого балансного модулятора подключен к входу первого усилителя мощности, выход которого является вторым выходом формирователя балансно-модулированных колебаний, выход второго балансного модулятора подключен к входу усилителя мощности, выход которого является первым выходом формирователя балансно-модулированных колебаний, при этом восстановитель несущих колеба- . НИИ состоит из первого и второго астотных смесителей и сумматора, причем первые входы частотных смесителей являются соответственно первым и вторым входами восстановителя несущих колебаний, а вторые входы соответственно третьим и четвертым его входами, выходы смесителей сое0динены с первым и вторым.входами сумматора, выход которого является выходом восстановителя несущих колебаний, при этом блок разделения информации содержит фильтр нижних частот (ФНЧ), фильтр верхних частот

5 (ФВЧ) и амплитудный преобразователь; причем входы фильтров соединены между собой и являются входом блока разделения информации, выход ФВЧ соединен с входом амплитудного преоб0разователя, выход которого является вторым выходом блока разделения информации, выход ФНЧ является первым выходом блока разделения информации.

На фиг.1 представлена структурная

5 схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы токов, питаюгцих первую и вторую генераторные катушки устройства.

Устройство содержит генератор 1

0 ВЫСОКОЙ частоты, первую генераторную катушку 2, первую приемную катушку 3, вторую приемную катушку 4, первый ВХОДНОЙ коммутаторный ключ 5, избирательный усилитель 6, делительную сис5тему 7, блок 8 коммутации, первый выходной зажим 9, вторую генераторную катушку 10, формирователь 11 балансно-модулированных колебаний,состоящий из генератора 12 низкой час-.

0 тоты, ортогонального фазовращателя 13, первого балансного модулятора 14, второго балансного модулятора 15, первого усилителя 16 мощности, второго усилителя 17 мощности, третыо приемную катушку 18, четвертую при5емную катушку 19, второй входной коммутаторный ключ 20, восстановитель 21 несущих колебаний, состоящий из Первого частотного смесителя 22, второго частотного смесителя 23 и

0 сумматора 24, блок 25 разделения информации, состоящий из ФНЧ 26, ФВЧ 27 и амплитудного преобразователя 28, второй выходной зажим 29 устройства.

Первая 3 и вторая 4 приемные ка5тушки соединены с управляемыми входами первого входного коммутаторного ключа 5, управляющий вход первого коммутаторного ключа 5 соединен с . первым выходом блока 8 коммутации,

0 выход избирательного усилителя 6 подключен к первому входу делительной системы 7, второй вход делительной системы 7 соединен со вторым выходом блока 8 коммутации, генератор 1 вы5сокой частоты подключен к входу формирователя 11 балансно-модулированны сигналов, первый выход формирователя 11 соединен с первой генераторной катушкой 2, второй - с второй генера торной катушкой.10 третий - с первы входом восстановителя 21 несущих колебаний, четвертый - с вторым входом восстановителя 21.несущих колебаний, третья 18 и четвертая 19 приемные ка тушки соединены с управляемыми входа ми второго входного коммутаторного ключа 20, управляьддий вход второго входного коммутаторного ключа 20 сое динен с третьим;: выходом блока 8 ком мутации, выход первого входного коммутаторного ключа 5 соединен с треть входом восстановителя 21 несущих кол баний, а выход второго входного коммутаторного ключа 20 - С четвертым входом восстановителя 21 несущих колебаний, выход восстановителя 21 несущихколебаний подключен к входу из бирательного усилителя б, выход дели тельной системы 7 соединен с входом блока 25 разделения информации,-первы выход блока 25 разделения информации средин.ен с первым выходным зажимом 9 устройства, а второй - с вторым его выходным зажимом 29. В формирователе 11 балансно-моду.лированных колебаний генератор 12 низкой ч.астоты соединен со входом ортогонального фазовращателя 13, первый выход которого соединен с первым входом первого балансного модулятора 14 Этот же вход является третьим выходом формирователя 11 балансно-модулированных колебаний, второй выход ортогонального фазовращателя 13 подключен к первому входу второго балансного модулятора 15, одновременно являясь четвертым выходом формирователя .11, вторые входы балансных модуляторов соединены между собой и являются входом формирователя 11 бгилансно-модулированных колебаний, выход первого балансного модулятора 14 подключен к входу первого усилителя 16 мощности, выход которого является вторым выходом формирователя 11, выход второго балансного модулят.ора 15 подключен к входу второго усилителя 17 мощности, выход которого является первым выходом формирователя 11 балансно-моду лированных колебаний. В восстановителе 21 несущихколебаний первый вход первого частотного смесителя 2,2 является первым входом восстановителя 21 несущих колебаний, а первый вход второго частотного смесителя 23 - вторым входом восстановителя 21, второй вход первого «частотного смесителя 22 является ±ретьимвходом восстановителя 21, а второй вход второго частсэтного смесителя 23 - четвертым входом восстановителя 21 несущих колебаний,, выходы первого и второго частотных смесителей 22 и 23 соединены с первым и вторым входами су-мматора 24, выход которого является выходом восстановителя 21 несущих колебаний, В блоке -25 разделения информации входы фильтров нижних и верхних частот -26- и 27 соединены между собой и являются входом блока 25 разделения информации, выход ФВЧ 27 соединен с входом амплитудного преобразователя 28, выход которого ярляется вторым выходом блока 25 разделения информации, выход ФНЧ 26 является первым выходом блока 25 разделения информации. На фиг.2 изображены: 30 - форма . в первой генераторной катушке 2, 31 - форма тока во второй генераторной катушке 10, i - ось токов, t - ось времени. Устройс1;во работает следующим образом. . Генератор 1 высокой частоты создает электрические синусоидальные колебания с частотой 0,4-2,5 МГц. Аналитическое выражение этих колебаний имеет вид coswt, где U - мгновенное значение напряжения на выходе генератора 1; UITI - амплитуда колебанияj lo - круговая частота колебаний; ,t - текущее время. Эти колебания подаются на входы балансных модуляторов 14 и 1.5 формирователя 11 балансно-модулированных колебаний. Генератор 12 низкой частоты этого формирователя создает электрические колебания с частотой 5-7 Гц. Эти колебания подаются на вход ортогонсшьного фазовращателя 13, на выходах которого создаются два равных по амплитуде и сдвинутых по фазе на 90° напряжения U и Uj, имеющие вид U2 Umcos Яе, ,. U3 UmCos(52 )U sin52 t, (2) где Dm - амплитуда низкочастотных колебаний 1 Я - круговая частота колебаний. Напряжения U и Uj подаются на другие входы балансных модуляторов 14и 15. Балансные модулятори 14 и 15преобразуют колебания высокочастотного генератора 1 в два балансномодулированных сигнала, т.е. амплитудно-модулированные колебания, в которых отсутствует колебание несущей частоты UJ генератора 1. При модуляции одним синусоидальным сигналом балансно-модулированное колебание имеет вид ICt) Е.,.-m-cos lotcos (u)-S2;i+. + (og + ftH I где E(t)- мгновенное значение балансно-модулированногосигнала; m - коэффициент модуляции, Е - амплитуда модулируемого колебания/ ЮИЙ - угловые частоты соответственно модулируемого и модулирующего колебаний. Таким образом, на выходе балансного модулятора 14 будет получено балансно-модулированное колебание, имеющее вид . м (t)Urn m-cosuot .c;osS2t , ) a на выходе балансного модулятора 15колебание вида PI (t)Umv -cosiut-s i nflt. 5),. Балансные модуляторы-14 и15 должны иметь равные коэффициенты модуляции т. С выходов модуляторов 14 и 15 колебания E(t) и ti(t} подаются на усилители 16 и 17 мощности, имеющие одинаковые коэффициенты усиления. Усиленные колебания с выходов усилителей, 16 и 17 подаются на первую и вторую генераторные катушки 2 и 10, оси которых перпендикулярны друг другу и оси скважины. Форма токов, протекающих в катушках и представля ощих собой балансно-модулированные колебания, изображены на фиг.2. Каждый из токов будет создавать пульсирующее с частотойQ высокочастотное электромагнитное поле, вектор напряженности, магнитной компоненты которого направлен вдоль оси своей катушки. Результирующий же вектор . напряженности такой системы катушек будет вращаться с частотой, равной частотеи изменения огибающей балансно-модулированного колебания, вокруг Линии пересечения этих в плоскости, перпендикулярной этой линии, причём амплитуда напряженности . результирующего поля остается неизменной по величине. В области распЪложения приемных катушек Зи18, 4и19 будет создано электромагнитное поле, вектор напряженности магнитной компоненты которого вращается в плоскости перпендикулярной оси скважины с частотой S , причем величина этого.вектора зависит от электрических свойств горных пород в окрестности приемных катуиек, которые, в свою очередь, в общем случае Являются функциями глубины скважины и азимута. Таким образом H;((h,e)f(h,e), (6) , где Hx(h,0) - амплитуда горизонтальной составляющей магнитной компоненты поля; - вертикальная и азимутальная координаты точки измерения в скважине Приемные катушки 3, 18 и 4, 19 преобразуют вели.чйны напряженностей пол цио 3, дик буд так дул име име / где ют ко бл из ча к см вт то 21 ды да ты во го 11 ны вид гд я в электрические сигналы, пропорнальные им. Поскольку оси катушек 18 и 4,19 .попарно взаимно перпенлярны, то сигналы в этих катушках ут сдвинуты между собой на 90° и же представлять собрй бгшансно-мрированные колебания. Сигналы в катушках 3 и 18 будут ть вид kH (1i,6)sinw4-to5Slt , (1i,0)sinuot-sinSlt, - коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех катушек, так как их параметры одинаковы; Нх(б)- напряженность горизонтальной составляющей магнитной компоненты поля в точке расположения первой 3 и третьей 18 приемных катушек, | - сигналы соответственно в первой 3 ,и третьей 18 каг тушках-. Сигналы в катушках 4 и 19 будут ть вид е .. l,e)sinu3i-COSSZt, 1(в) (ii,0)sina t-Sin t, 1,4 сигналы соответственно во второй 4 и четвертрй 19 KaTytiKax; ;( (11,в)- напряженность горизонтальной составляющей магнитной компоненты поля в точке расположения второй 4 и четвертой 19 приемнь1х катушек. Сигналы приемных катушек поступана входы первого 5и второго 20 мутаторных ключей, управляемых ком 8 коммутации. В первом такте ерения блок 8 коммутации подклют катушку 3 через первый- ключ 5 торому входу первого частотного сил-еля 22, а катушку 18 - через рой ключ 20 к второму входу часного смесителя 23 восстановителя несущего колебания. На первые вхочастотнйх смесителей 22 и 23 потся равные по амплитуде и сдвину по фазе на 90 колебания с перо и второго выходов ортогональнофазовращателя 13 формирователя балансно-модулированных сигналов. Частотные смесители 22 и 23 должиметь квадратичную характеристику а Uftbix напряжение на выходе смесителя ; Ugx - входное напряжение; с - коэффициент пропорциональности. Таким образом, напряжение на вых де первого смесителя 22 будет иметь вид СМ (,0)si JU :C05ftt+U c osЯlf с) (ti,0}s4n w)i-cos 2t + 1c1cU Hx - x{ti,e)sinwt-cos «t -cUJ cos fll, (10) а на выходе второго смесителя 23 и гсГкН (1i,e)sinujt-S n5it+U Sinai a (1i,0) sin flt+2c1 yrrt-Hx x(-h,G)sinioi..l. (11) С выходов частотных смесителей 22 и 23 эти напряжения поступают на вхо сумматора 24, в котором осуществляется суммирование напряжений UCM . Суммарное напряжение будет име вид- - JCM ,Ч,е) + lckU Hj((Vi,e)5inu)t-f-cU. (л1) Это напряжение состоит из постоян ной составляющей с и, первой гармоники 2ckUrr,H д (h ,б) S i nuJt несущего колебания генератора 1 и его.второй гармоники (|-ц,Й ) S . Эти напряжения поступают на вход избирательного усилителя 6, настроенного на первую гармонику несущего колебаний. Усиленные и преобразованные колебания несущей частоты, пропорциональные .напряженности поля Н x-|(h,6) , подаются на вход делителя системы 7 время-импульсного типа. Во втором такте измерения блок 8 коммутации отключает катушки 3 и 18 от частотных смесителей 22, 23 и подключает к-первому смесителю 22 че рез первый ключ 5 вторую приемную катушку 4, а к второму .смесителю 23 через второй, ключ 20 - четвертую при емную катушку 19. Над сигналами т. и Ё в восст ановителе 21 несущих коле ;баний выполняются те же преобразования , что и над сигналами 6 и Eg , в результате которых на выходе суммато ра 24 подключают сумму колебаний и сКЯн (h,0)sin u t 2c1tW;( (,e)sitiwt 2.л Лл, i

(13)

+ cU

пт

Из этих колебаний избирательным усилителем б выделяется первая гармоник а несущего колебани., пропорциональная амплитуде напряженности поля )- Это колеб.ание также подается на вход делительной системы 7. Делительная система 7, управляемая блоком 8 коммутации, осуществляет операцию деления величины напрях ения, пропорционального амплитуде напряженности поля Hx/2.(h,0) на величину, пропорциональную амплитуде напряженности

Формула изобретения

ffia.1

L.