Устройство для каротажного электромагнитного зондирования

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗЬБРЕТЕНИЯ

Сотоэ Совет<ими

Соцмалмстмческмк

Республик (11)1004940

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сана-ву(22)Заявлено 06.05.81 (21) 3285838/18-25 с присоеаииением заявки М вЂ”вЂ” (23) Приоритет(5l)M. Кл.

G 01 Ч 3/18

Гесуаарствель4 кеалтет

CCCP (53) УДK550. 83 (088.8) Опубликовано 15.03.83. Бюллетень У..10 . ва аллам лэевретеиий и вткрытий

Дата опубликования описания 15. 03. 83 еЬ

IO.Н.Антонов, С.С.Жмаев, В.И.Большаков, В.В. и А.В.Иышлявцев (72) Авторы изобретения . .с ., !

Институт геологии и геофизики Сибирского ет и Сибирская геофизическая экспедиция Минист промышленности СССР (7l) Заявители (4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАРОТАЖНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ЗОНДИРОВАНИЯ

Изобретение относится к измерителям электрических свойств горных пород в скважинах, бурящихся на нефть и газ.

Известно устройство, содержащее три трехэлементных зонда различной длины с двумя общими измерительными катушками, которые присоединены к измерительно-преобразовательному блоку, с помощью которого сигналы высокой частоты преобразуются и ограничива- lо ются по амплитуде и далее поступают к измерителю разности фаз, от которо-, го получают сигналы, соответствующие зондам малой, средней и большой глубин исследования горных пород. Полученные сигналы с помощью предусмотренных, схем согласования подают на .поверхность, к регистратору. Возбуждение электромагнитного поля производят на частоте около 3 10 Гц $1)

Известно устройство для диэлектрического индуктивного каротажа, состоящее из задающего кварцевого генера2 тора, генераторных усилителей напряжения и мощности, генераторной и двух измерительных катушек зонда, подключенных к измерительным каналам, которые идентичны друг другу. Каждый канал включает измерительный усилитель высокой частоты, смеситель частоты, усилитель промежуточной частоты, ограничитель напряжения. Общим для обоих каналов является гетеродин с каскада" ми умножения частоты гетеродина, а также фазоизмерительный блок, усилитель мощности информационного сигнала, линейный амплитудный детектор и каскад автоматической блокировки усилителей пониженной частоты. Фазоизмери" тельным блоком измеряют векторную разность двух сигналов, индуцированных s разнесенных измерительных катушках зонда (2)

Наиболее близким к изобретению является устройство для волнового каротажа для зондирования по проводимос/ ти, содержащее генератор, трехэле3 10049 ментные зонды, состоящие из гвнераторной и пары измерительных катушек, усилители мощности, усилители-преобразователи, генератор-гетеродин, усилители-ограничители промежуточной частоты, фазоизмерительный блок, блок телеметрии и блок коммутации, при этом генераторные катушки трехэлементных зондов подключены к выходам усилителей мощности, измерительные ка- )o тушки трехэлементных зондов соединены с входами усилителей-преобразователей, вторые входы которых соединены с выходом генератора-гетеродина, выходы усилителей-ограничителей промежуточ- !5 ной частоты соединены с входами фазоизмерительного блока, выход которого через блок телеметрии соединен с блоком коммутации. Длина глубинного зонда равна 1,95 м, зонда малой глубин- рв ности — 0,55 м, расстояние между измерительными катушками (база зонда) составляет 0,3. м. Рабочая частота генератора 3,3 10 Гц. Двухканальная система с преобразованием частоты поэ.23 воляет измерять фазовый сдвиг (АЧ ) амплитуд сигналов, индуцированных в измерительных катушках. Блок измерения состоит из высокочастотных усилителей, гетеродина, смесителей, усили- Зв телей промежуточной частоты, усилителей ограничителей, фазоизмерительного блока и блока коммутации, которым переключают выход генератора рабочей частоты между генераторными катушками зондов и отключают один из измери" тельных каналов с целью формирования стандарт-сигнала при калибровке аппаратуры. При этом за одну спускоподъемную операцию выполняют диаграфию разреза только одним из зондов (3)

Недостатком данных устройств является низкая точность измерения электрических неоднородностей, образованных проникновением фильтрата f$ бурового раствора в пласты-коллекторы, особенно в том случае, когда радиальное распределение электропроводности в зоне проникновения имеет сложную геометрию, например за счет скопления минерализованных пластовых вод перед фронтом проникающего в пласт пресного фильтрата бурового раствора (так называемая окаймляющая зона, вал), Привлечение результатов измерений, полученных другими методами каротажа, например кажущихся сопротивлений (КС) бокового каротажа (БК), микрокарота40 4 жа (МБК), индукционного каротажа (ИК) и других, увеличивает время простоя скважин под геофизическими исследованиями, снижая производительность промысловых работ.

Кроме того, в аппаратуре применены два трехэлементных зонда различной длины с двумя общими для зондов измерительными катушками, что не обеспечивает им геометрического подобия, а использование одной рабочей частоты для двух зондов различной длины лишает электродинамического подобия.

Кроме того, измерение электрических свойств геологического разреза осуществляется поочередным подключением либо одной, либо другой генераторной катушки к общему генератору, что приводит к необходимости производить два спуско-подъема в скважине, тем самым увеличивая время простоя скважины.

При этом информация, полученная двумя зондами, дает лишь качественное представление о характере изменений электропроводимости в пласте-коллекторе.

Цель изобретения — повышение производительности работ и точности измерения электрических неоднородностей в пластах-коллекторах.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для каротажного электромагнитного зондирования, содержащее генератор, трехэлементные зонды, состоящие из генераторной и пары измерительных катушек, усилители мощ ности, усилители-преобразователи, генератор-гетеродин, усилители-ограничители промежуточной частоты, фазоизмерительный блок, блок телеметрии и блок коммутации, при этом генераторные катушки трехэлементных зондов подключены к выходам усилителей мощности, измерительные катушки трехэлементных зондов соединены с входами усилителей-преобразователей, вторые входы которых соединены с выходом генератора-гетеродина, выходы усилителей-ограничителей промежуточной частоты соединены с входами фазоизмерительного блока, выход которого ,через блок телеметрии соединен с блоком коммутации, введены электронные ключи генераторных и измерительных цепей трехэлементных зондов, трехэлементные зонды выполнены геометрически и электродинамически подобными друг другу, генератор выполнен в ви- де генераторов рабочих частот по чис10Р49

40 4

О для ряда зондов, тем детальней исследуются геоэлектрические радиальные неоднородности вокруг скважины. Однако слишком малая величина коэффициента геометрического подобия затрудняет взаимное размещение катушек зонда на зондовой основе, вследствие того, что реальные размеры катушек существенно возрастают с уменьшением частоты возбуждаемого поля в полном соответствии с принципом электродинвмического подобия зондов (2) Li+ 1 (1) р где L q u L + — расстояния между любыми одноименными элементами зондов, м;

i=. 1, 2,... и - порядковый номер зонда

L4 11„.1

С учетом глубинности исследования зондов соотношение между длинами зондов устанавливают в пределах

1,1 а(1,5. При этом, чем меньше лу генераторых катушек трехэлементных зондов, число генераторов-гетеродинов соответствует числу пар измери тельных катушек трехэлементных зондов, при этом электронные ключи гене- s .:раторных цепей трехэлементных зондов исполнительными линиями включены между генераторами рабочих частот и, усилителями мощности, а электронные ключи измерительных цепей трехэлементных 1в зондов исполнительными линиями включены между выходами усилителей-преобразователей и входами усилителейограничителей промежуточной частоты, управляющие входы электронных ключей 1 подключены к блоку коммутации, который содержит схему автоматического управления, причем коэффициент геометрического подобия зондов находится в пределах следующего соотношения 20

1,1 а „. „ /1„- 1,51 где „ и „ — расстояния между любыми одноименными элементами ряда трехэлементных зондов, соответственно длинного и короткого; i - 1,2,...; 25

n - порядковый номер трехэлементного зонда.

Точность измерения электрических неоднородностей, образующихся за счет проникновения фильтрата бурового раст ЭО вора в пласты-коллекторы и перераспределения пластовых минерализованных вод и углеводородов, достигается выбором линейных размеров (для .} гео. метрически подобных зондов. Выбор длин ряда зондов диктуется латеральной глубинностью исследования, которая определяется, главным образом, длиной зонда и равна приблизительно половине длины зонда. Такая оценка глубинности в исследования учитывает влияние скинэффекта при распределении тока, индуцируемого в среде, относительно максимума плотности.

Для геометрически подобных зондов с коэффициентом геометрического подобия справедливо следующее соотношение

f1

141

I и отношениями моментов

М 1+1 б

М1 где Г; и f +„ — циклические частоты возбуждения полей короткими и длинным зондами, соответственно; M .: и M

1 + магнитные моменты генераторных катушек.

Другое ограничение коэффициента геометрического подобия (с(1 5) обусловлено тем, что детальность исследования радиальных неоднороднос) тей снижается.

В соответствии с выражениями (1) и (2) величина P =L f -=1,;+,,, + коэффициент электродинамического подобия ряда зондов, которым однозначно устанавливается равенство друг другу характеристик квазистационарного электромагнитного поля, измеряемых геометрически подобными зондами в однородной среде.

Действительно, з этом случае, для модуля амплитуды в долях прямопо поля в воздухе и фазы электромагнит- . ного диполя имеем следующие выражения

t h j = ехр (-Р) 4 (1+Р) + Р, (4)

Ч =Р-О1.С+ Р,. (g)

1+P» где Р— безразмерный параметр, равный отношению длины зонда (или расстоянию вдоль оси диполя до точки измерения) к глубине проникновения поля в среде, т,е. р цд „ . -,, @ — р-, (ь>. уи,(2- электропроводность и магнитная проницаемость среды, соответственно.

Из выражения (6)видно, что если конструктивные параметры зондов, длины (L) и частоты (f; ), устанавливаются в соответствии с требованиями

7 100Ф9 геометрического и электродинамичес,кого подобия (1.), (2) и (3), то измеряемые характеристики поля (4) и (5), а также любые их производные (например разность фаз), остаются неизменными в однородной среде. Вместе с тем, глубина исследования среды различна, а именно с ростом длины зонда и уменьшением частоты (Pcongt) .она максимальна и, наоборот, с сокра- 1в щением длины зонда и увеличением частоты глубинность исследования ми.нимальна. При этом детальность (локальность) исследования ближних участков среды возрастает. В случае неоднородной среды, вследствие проникновения фильтрата бурового раство " ра в пласт-коллектор и возможного образования вала оттесняемой в глубь пласта минерализованной воды (обра. зование окаймляющей зоны с повышенной электропроводностью) зондирование электродинамическими и геометрически подобными зондами позволяет восстановить характер распределения электрических неоднородностей с их количественной оценкой. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность измерения геоэлектрических неоднородностей.

Обеспечить практически одновременную работу в скважине всех пяти зондов, т.е. повысить производительность работ, позволяет применение электрических ключей и блока коммутации, работа которого регламентиру35 ется схемой автоматического управле-. ния.

Электронные ключи в генераторных цепях включены исполнительными линия° 46 ми между задающими генераторами рабочих частот и усилителями мощности.

Это позволяет сократить расход электроэнергии усилителями мощности и в случае периодического их включения

4$ суммарный расход энергии соответствует расходу мощности одним усилителем, что также снижает самопрогрев электронных схем и элементов.

Электронные ключи измерительных цепей исполнительными линиями включены между выходом усилителей промежуточной частоты и входами усилителей-ограничителей промежуточной частоты. Выбор такого места включения обеспечивает наименьшее, внесение по мех как от коммутационных операций ключей, так и из каналов усиления и преобразования сигналов.

40 8

Электронные ключи генераторных и измерительных цепей управляющими линиями подключаются к блоку коммутации ключей. Режимы включения и выключения ключей блоком коммутации

,регламентируются схемой автоматичесI кого управления. Так, например, мо-! мент включения генераторных катушек под нагрузку сопровождается нарастанием амплитуды тока от нуля до оптимальной величины. Исключить этот нестационарный режим из результатов измерений удается путем более поздней (или опережающей) коммутацией измерительных цепей относительно включения (или выключения) генераторных ключей. Кроме того, режим коммутации того или иного зонда распознается в наземной станции благодаря передаче шифрованных команд, посылаемых от схемы автоматического управления в пульт наземной станции синхронно с сигналами для блока коммутации.

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Устройство содержит генераторы рабочих частот 1.1 для частоты Ф, 1.2 для частоты f>, ..., 1.5 для частоты f, электронные ключи 2.12.5 генераторных цепей, усилители мощности 3.1-3.5, генераторные ка- тушки 4.1-4.5 зондов, измерительные катушки 5.1-5.5 зондов (пары), зонд трехэлементный 4. 1 и 5. 1; зонд трехэлементный 4.2 и 5.2, геометрически подобный зонду 4.1-5.1, зонд трехэлементный 4.3 и 5.3, геометрически подобный зонду 4.2-5.2, и т.д.; усилители-преобразователи 6.1-6.5 сигналов высокой частоты в сигналы низкой частоты - усилители промежуточной частоты; генераторы-гетеродины .

7.1-7.5, электронные ключи 8. 1-8.10 измерительных цепей, усилители-ограничители. промежуточной частоты 9.19.2, фаэоиэмерительный блок 10,. блок

11 телеметрии, блок 12 коммутации. со схемой автоматического управления.

Устройство работает следующим образом.

Устройство для каротажного электромагнитного зондирования содержит генераторы 1. 1-1. 5, частота которых различна и устанавливается в соответствии с величинами коэффициентов геометрического 09 и электродинамического подобия (P) (1), (2) и (3).

Выходные цепи генераторов 1.1-1.5 подключены через исполнительные линии

9 1004940 10 электронных ключей 2.1-2.5 к усили- команда для включения следующего зонтелям мощности 3. 1-3. 5, нагрузкой ко- да. Весь цикл работы пяти зондов эаторых являются генераторные катушки нимает 0,1 с. При стандартной скорос4.1-4.5 зондов. Пары измерительных . ти подъема скважинного прибора, равкатушек 5.1-5.5 зондов подключены к 5 ной 2000 м/ч, все зонды производят соответствующим каждой катушке уси" измерения геологического разреза на лителям-преобразователям 6.1-6.5 сиг- интервале глубины, равной 5,5 см. налов высокой частоты в сигналы низ- В принятом масштабе записи, Равном кой частоты. Автономные генераторы- 1:200, линии записи каротажных диагетеродины 7. 1-7. 5. вырабатывают час- 10 грамм будут непрерывными.

П именение многозондовой системы с тоты для усилителей-преобразователей :: Примене

6.1-6.5, которые отличаются от соот- ременным Раздел Р еменным аз елением работы каждого зон а выгодно отличает предлагаемое ветствующих рабочих частот зондов на эонД одну и ту же ве ичину д д т Выходные устройство для каротажного электроцепи усилителей-преобраэйввтелей 15 магнитного зондирования, так как значительно сокращается время на прове6.1-6.5 через исполнительные линии электронных ключеи . - . измери-

8. 1-8 10 3 ри» дение измерений, результаты которых тельных цепей подключаются, попарно к несут инФормацию о характере распре. усилителям-ограничителям промежуточ- деления we p еления электрических свойств пород ной частоты 9. и 9. сигналов с и

9. 1 9.2 c r алов c npe- 20 от скважины в глУбь пласта. ПРеДла(ф). g гналы гаемое устройство заменяет двухзондообразованной частотои (д т ). игналы низкой частоты дf, Ограниченные до вые системы индукционного карота la. определенного заданного уровня, подаются в Фазоизмерительный блок 10 Формула изобретения и далее, через блок 11 телеметрии по каротажному кабелю на поверхность к Устройство для каротажного электро У у р н стан"ии Бло". 12 магнитного зондирования, содержащее у ц, олучая от блока 11 ко- генератор, трехэлементные зонды, длиндовые импульсные сигналы, обеспечи-,ный и короткий, состоящие иэ генеравает послеДоват;.ЛьнУю коммутаЦию 30 торной и пары измерительных катушек, . электронных ключей 2.1-2.5 и 8.1- усилители мощности, усилители-преоб8.10 в следующем порЯдке. Первым за- разователи, генератор- гетеродин, усимыкается ключ 2. 1, затем после окон- лители-ограничители промежуточной чания переходных процессов в цепях частоты, фазоизмерительный блок, блок уСилителя мощнос™ 3.1 и генераторной 35 телеметрии и блОк коммутации, при катушке 4.1 замыкаются исполнительные этом генераторные катушки трехэлелинии двух ючеи 8-1 и 8 2 Процесс ментных зондов подключены к выходам регистрации информационных сигналов усилителей мощности, измерительные

AslNTcR в течение пРомежутка вРемени, катушки трехэлементных зондов соедиРавного 0,1 От промежутка, занимаемо- 40 нены со входами усилителей-преобразого одним зондом и включающим в себЯ вателей, вторые входы которых соедивсе операции по исключению переходных нены с выходом генератора-гетеродина, процессов коммутации, передаче сигна- выходы усилителей-Ограничителей пролов на поверхность, подаче команд на, межуточной част и частоты соединены со вхоами Фазоизмерительного блока, выход отключение зонда и подготовку к приему <5 дами Фазоизмер кодовых команд для подключения другого которого через б з блок телеметрии ооеди. зонда. После окончания регистрации . нен с блоком коммутации, о т л исигнала, отключаются ключи в измери- ч а ю щ е е с я тем; что, с целью тельных цепях 8.1 и 8;2, а затем ключ повышения производительности работ и

2.1 в генераторной цепи первого зонда.50 точности измерения электрических неодОбработка измерительных сигналов и пе- нородностей в пластах-коллекторах, в редача их на поверхность занимает устройство введены электронные ключи

0,5 от всего промежутка времени, вы- генераторных и измерительных цепей деляемого одному каналу. После этого трехэлементных зондов, трехэлементные в блок 12 коммутации поступает кодо- 55 зонды выполнены геометрически и электвый сигнал для включения второго трех- родинамически подобными друг другу, элементного зонда 4.2-5.2. После отра- генератор выполнен в виде генераторов ботки сигналов второго зонда подается рабочих частот по числу генераторных

10049 катушек трехэлементных зондов, число генераторов-гетеродинов соответствует числу пар измерительных катушек трехэлементных зондов, при этом электронные ключи генераторных цепей трехэлементных зондов исполнительными линиями включены между генераторами рабочих частот и усилителями мощности а электронные ключи измерительных цепей трехэлементных зондов исполни- lo тельными линиями включены между выходами. Усилителей-.преобразователей и входами усилителей ограничителей промежуточной частоты, управляющие входы электронных ключей подключены )з к блоку коммутации, который содержит схему автоматического управления, причем коэффициент геометрического подобия зондов находи ся в пределах следующего соотношения 26

40 12

1,1 с L + Lz с 1 5 где L>. „ и „. - расстояния между любыми одноименными элементами ряда трехэлементных зондов, соответственно, длинного и короткого, 1 - 1,2,..., n - порядковый номер трехэлементного зонда.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США N 4107597, кл. 324-6, опублик. 1978.

2. Даев Д.С.. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин. М., "Недра", 1974, с.147-151.

3. Костин А.И., Алимов Ж.3., Темиргалиев P.Ã. Аппаратура волнового каротажа для зондирования по проводимости. Сб. "Проблемы нефти и газа

Тюмени", Тюмень, 1979, вып. 44, с. 19-2 l (прототип).

ВНИИПИ Заказ 1888/59 Тираж 708 Подписное

Ь филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4