Пластовый индукционный наклономер

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Ai (19) (11) (д1 4 Е 21 В 47/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / "

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21), 3780109/22-03 (22) 28.04.84 (46) 07,05.88. Бюл. У 17 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт геофизических исследований геологоразведочных скважин (72) А.Д.Гайдаш (53) 622.24!(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 859614, кл. Е 21 В 47/02, 1978. (54)(57) 1. ПЛАСТОВЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ

НАКЛОНОМЕР, содержащий вращающийся вокруг оси скважины индукционный зонд, генератор переменного напряжения и усилитель, выход которого соединен с детектором, о т л и ч а ю, щ и йс я тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения точности измерения залегания и электрической аниэотропии пластов, он снабжен приводом равномерного вращения зонда, ана" лизатором спектра и индикатором ориентации зонда, причем индукционньж зонд выполнен в виде излучающей катушки, магнитный момент которой направлен под углом 1-25 к оси индукционного зонда, приемной дипольной катушки, магнитный момент которой перпендикулярен к магнитному моменту излучающей катушки, и приемной квадрупольной катушки, магнитный момент и направление плеча которой перпендикулярны к оси индукционного зонда или совмещены с ней, при этом выход индикатора ориентации зонда соединен с управляющим входом анализатора, второй вход которого подключен к выходу детектора, а приемные катушки соединены последовательно или параллельно между собой и с входом усилителя, причем соотношение чувствительностей приемных катушек выбрано иэ 6 условия равенства нулю электродвижущей силы прямого поля индукционного зонда. С.

2. Наклономер по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что индикатор ориентации, зонда выполнен в виде последовательно соединенных ферроэонда, частотно-модулируемого генератора и частотного детектора.

1 393902 2

Изобретение относится к геофизи ческим исследованиям в скважинах, а именно к определению угла падения (наклона) и электрической анизотро5 пии пластов, Цель изобретения -- упрощение конструкции и повынение точности измерения залегания и электрической анизотропии пластов. 10

На фиг. 1 изображена блок-схема пластового индукционного наклономера; на фиг ° 2 — первый вариант наI клономера с расположением приемной

- квадрупольной катушки перпендикуляр,но стержню; на фиг. Э вЂ” второй вариант с расположением указанной катушки по оси стержня; на фиг. 4 †сравнительные характеристики точности определения коэффициента анизотропии пред- 0 лагаемым наклономером и методом поперечной проводимости, Один из возможных вариантов пластоного индукционного наклономера (фиг. 1) содержит индукционный зонд, 25 состоящий нз диэлектрического стержня 1, на котором смонтированы излуча, ющая катушка 2, магнитный момент которой направлен под углом 1-25 к оси стержня, приемная дипольная катушка

3, магнитный момент которой перпендикулярен магнитному моменту излучающей катушки, приемные квадрупольные катушки 4 и 5 и одноэлементный феррозонд 6, В другом варианте приемные квадрупольные катушки 4 и 5 направлены по оси стержня (фиг. 3). Диэлектрический стержень установлен на подшипниках 7 и механически соединен с приводом 8 равномерного вращения. Излучающая катушка 2 соединена с генера40 тором 9 переменного:напряжения. Приемные катунки 3-5 соединены с усили-телем 10,фазочувствительным детектором 11 и анализатором 12 спектра.

Опорное напряжение на фазочувствитель- 45 ный детектор 11 поступает от генератора 9. Индикатор ориентации занда образован ферроэондом 6, соединенным с частотно-модулируемым генератором

13 и частотным детектором 14, выход 50 которого соединен с управляющим вхоpом анализатора 12 спектра.

Выходной сигнал индикатора ориентации зонда содеРжит информаци о 55 мгновенном положении зонда, например импульс, соответствующий моменту совпадения фиксированной радиальной полуплоскости вращающегося зонда с известным направлением. Таким направлением может быть„ например, направление магнитного поля Земли, оси гироскопа или вертикали в случае наклонной скважины, Для упрощения на фиг. 1 не показан токосъемник (коллектор), служащий для электрического соединения вращающихся и неподвижных узлов наклономера, причем блоки 9-11 и 13 или часть их для уменьшения внутренних помех и числа колец токосъемника целесообразно смонтировать на шасси, вращающемся вместе с зондом. На схеме .не показан также каротажный кабель, соединяющий наземную часть наклономера, содержащую блоки 12 и 14 со скважинным прибором.

Последний защищен от воздействия бурового раствора герметичным кожухом, ! который на участке расположения индукционного зонда радиопрозрачен.

Наклономер работает следующим образом.

Возбуждаемое излучающей катушкой

2 электромагнитное поле индуцирует в прилегающих к скважине горных породах вихревые токи, магнитное поле которых принимается катушками 3-5. Далее принятый сигнал усиливается усилителем 10 и детектируется по частоте излучаемого поля фазочувствительным детектором 11, который в зависимости от частоты поля и удельной электрической проводимости горных пород может быть настроен на выделение активной или реактивной составляющих сигнала.

Вследствие вращения катушек индукционного зонда детектируемый сигнал модулируется гармониками частоты вращения, а на выходе детектора ll появляется напряжение огибающей, которое затем поступает на информационный вход анализатора 12 спектра. Феррозонд 6 имеет легконасыщающийся пер- . маллоевый сердечник и является частотозадающим элементом генератора 13.

Поэтому при вращении феррозонда в магнитном поле Земли его индуктивность периодически изменяется, что вызывает модуляцию частоты напряжения генератора 13, Чтобы не было удвоения частоты модулирующего сигнала, на феррозонд 6 с генератора 13 подают ток подмагничивания.

Частотным детектором 14, расположенным в наземной части наклономера частотно-модулированное напряжение преобразуется в синусоидальное, синх02

4 источника (чему соответствует магнитный диполь), направленного осью симметрии перпендикулярно к слоистости, также осесимметрично. И наоборот, ес ли ось симметрии (т.е. направление излучения) источника не перпендикулярна слоистости, вторичное поле не осесимметрично. Измерение компонент по ля и проиэводной по перпендикулярному к оси скважины направлению позволяет рассчитать направление излучения, при котором вторичное поле осесимметрично, и по полученному направлению, перпендикулярному к слоистости определить угол падения, пластов. Результатом такого расчета и является формула (1).

В формуле (1) азимутальное направление падения пластов считается известным. Оно определяется по максималь-.

R наму значению компоненты поля Н„, если систему координат XJJZ вращать вокруг оси Z. т,е. вокруг оси скважиныо

Таким образом, измерив нужные компоненты поля, можно вычислить угол падения. Числитель и знаменатель выражения (1) можно рассматривать как первый и второй информационные сигналы, сравнивая их на любом этапе преобразования, например усиления или детектирования.

Используя уравнение Максвелла а.н=о, (г) Р

НчУ - 2 Hz

13939 ронное и синфазное с вращением зонда, Относительно этого напряжения в анализаторе спектра определяются фазы первои и второй гармоник частоты

5 вращения, содержащихся в информационном сигнале. Выходными сигналами анализатора спектра являются амплитуда нулевой гармоники (постоянная составляющая входного сигнала) и, в (О зависимости от конкретной схемы анализатора, амплитуды и фазы первой и второй гармоник или ортогональные

/ составляющие этих гармоник. В последнем случае по ортогональным составля- 15 ющим не трудно определить амплитуды и фазы гармоник, а анализатор при, этом состоит из фильтра низких частот для выделения нулевой гармоники, двух фазочувствительных детекторов первой гармоники, двух фазочувствительных детекторов второй гармоники и схемы формирования опорных напряжений.

Согласно известному способу изме- 25 ряются величины, входящие в следующую формулу для определения угла падения пластов: (1)

Н где 1 — угол падения пластов;

H„(i K--ХУЕ) — К-я компонента магнитного поля, возбуждаемого магнитным диполем, направленным по i-й оси координат; 35

1 — расстояние между расположенными на оси скважины точкой излучения и точкой наблюдения поля1

ХУЕ " прямоугольная система коорди-40 нат, ось Z которой совмещена с осью скважины, а ось Х направлена против падения плаИ стон

Н„„- производная по оси У от ком- 45 поненты - поля Н„.

Под .компонентой поля понимается или комплексная амплитуда гармонического ноля, или определенная фазовая составляющая гармонического поля (ак- ц> тивная или реактивная составляющая}, или мгновенное значение напряженности при более сложной временной зависимости, Соотношение (1) математически дока-55 зывается для плоскослоистой среды без учета влияния скважины. Доказательство основано на том, что вторичное магнитное поле осесимметричного можно получить другой вариант способа.

Применяя (2} к полю диполя, направленного по оси Е, и обозначая производные поля индексами, как в выражении (1), получают; (3) Если индексы Х и У встречаются в обозначении компоненты поля четное или нечетное число раз (в совокупности), компонента будет соответственно четной или нечетной функцией угла падения. Поэтому первые два слагаемых в выражении (3) являются четной функцией угла падения и, так как при нулевом угле падения они равны между собой и не равны нулю, для малых углов падения (с точностью порядка квадрата угла) имеют из (3} приближенное равенство

Подставляя (4) в (1), получают формулу для определения угла падения по второму варианту способа

Н„ с : — — —,— "-,— — -.. (5 н, -н„ + н,, Если квадрупольная катушка ориентирована перпендикулярно к оси стержня, наклономером реализуется первый вариант способа (,1),„ достоинством

; которого является воэможность опре деления углов падения любой величи-! ны. Однако поперечную квадрупольную катушку трудно реализовать для скважин малого диаметра„

Этого недостатка лишен второй вариант (5), когда квадрупольная катушка s наклономере ориентирована по оси стержня. В этом случае длина катушки не ограничена внутренним диаметром наклономера, что позволяет получить большую чувствительность и точность. Однако при этом сужается диапазон измеряемых углов падения.

Практически по формуле (5) можно иэ" мерить углы падения до 30, а для больших углов приходится использовать более сложные частные функциональные зависимости электромагнитного поля, например зависимости для однородной анизотропной среды.

Второй информационный сигнал, соответствующий знаменателю формул (1) или (5), состоит из суммы различных компонент поля двух различных источников,,причем практически нужна только сумма. Однако попытка возбуждать поле одновременно обоими источниками приводит также к возникновению сигналов, соответствующих ненужным комбинациям источников и приемников поля — комбинационной помехе.

В известном наклономере второй информационный сигнал получается в два этапа со сложной коммутацией катушек, в предЛагаемом » сразу, а комбинированная помеха благодаря наклону осей катушек ослабляется в ctg d раз, где

d - угол между направлением магнитного момента излучающей катушки и осью зонда. Поэтому влиянием помехи можно пренебречь. Например, при зна О чеиии угла 7=1-25 коэффициент ослабления от 3300 до 4,6.

Верхняя граница интервала обосновывается верхней границей допустимой погрешности из-за комбинационной по93902 6 мехи. Из формулы следует, что помеха

Z о подавляется в et@ К раз, т.е. при уги ле 25 составляет 21,7% от ее полной величины.

Полезный сигнал и полная величина комбинационной помехи являются величинами одного порядка. Поэтому составляющую погрешности измерений, обусловленную комбинационной помехой и для угла 25, можно считать не превышающей 20% (округленно). Это значение погрешности соответствует опыту йаклонометрии как верхняя граница допустимой погрешности.

С уменьшением угла д между магнитным моментом излучающей катушки и осью зонда, т.е. с приближением к нижней границе диапазона, подавление

2 помехи больше и теоретически угол сможет быть сколь угодно малым, но не равным нулю. Так как угол требуется выдержать с определенной относительной погрешностью, допустимая величи2 на абсолютной погрешности для угла

К тем меньше, чем меньше сам угол д, т.е. нижняя граница диапазона углов

d определяется тем, насколько точно при изготовлении и эксплуатации наЗО клономера можно выдержать заданные направления магнитных моментов катушек.

В свою очередь, это зависит от технологических воэможностей завода-изготовителя, метрологического обеспеЗб чения для контроля и юстировки моментов катушек, конструкции наклономера диаметра, длины и материала радиопрозрачной части корпуса скважинного

40 прибора и несущего диэлектрического стержня зонда, использования для центровки стержня зонда дополнительных немагнитных и неэлектропроводных подшипников и т,д, 45 Таким образом, нижняя. граница диапазона углов с точки зрения достижения цели теоретически может быть сколь угодно малой, но не равной нулю, однако практически она зависит бп от опыта и возможностей разработчика наклономера. Так, при нижней границе о диапазона 1 направление оси приема дипольной приемной катушки должно отклоняться от заданног0 не более чем на 3 . Технологически обеспечить намотку катушки с такой точностью трудно. Однако после закрепления витков катушки компаундом можно измерить полученное направление оси приема

02 8

Для этого варианта можно вообще не измерять вторую гармонику или использовать ее лишь как дополнительнув информацию, В этом случае в формуле (6) коэффициент К полагают равным нулю и получают у ч

v -к (н — - + н ). (11) (=arctic

К А к (8) U =K (Н -Н -1,Н„ ), (9) если магнитный момент и плечо диффе- 50 ренциальной катушки совмещены с осью зонда, по формуле (6) получают второй информационный сигнал, соответствующий второму варианту способа

55 (10) 7 13939 катушки и путем изменения числа вит- ков дополнительной введенной юстироночной катушки произвести подгонку.

В предлагаемом наклономере второй информационный сигнал суммируется не5 посредственно в приемных катушках и оба информационных сигнала проходят в виде гармоник частоты вращения по одному электрическому каналу вплоть до последнего звена — анализатора спектра, что повышает точность измерений.

С использованием выходных величин наклономера второй информационный сигнал Uq определяют по формуле

U =Ê (A +K Ассов(29, - +g)) (6) где Kf,Ê и 1 — аппаратурные константы зависящие только от кон 20 структивных параметров наклономера;

А — амплитуда нулевой гармоники со знаком;

А — амплитуда второй гармоники; 25

Ф и 1 — фазы первой и второй гармоник.

Угол падения пластов 1 определяют по формуле где К вЂ” аппаратурная константа;

А„ — амплитуда первой гармоники. . Азймут падения 9 определяют по формуле

У= g,+9,, где, — аппаратурная поправка за начало отсчета фаз гармоник;

9, — фаза первои гармоники, при- 40 чем знак перед Ч „ зависит от направления вращения зонда.

Если магнитный момент и плечо квадрупольной катушки перпендикулярны к оси зонда, выражение (6) пропорцио- 45 нально знаменателю формулы (1) Ъ где Н вЂ” производная по направлению оси Е от компоненты поля Н

В области малых углов падения (менее 30 ) и низких частот (когда не сказывается скинэффект) выражения (9-11) пропорциональны разности продольной и поперечной удельных электрических проводимостей анизотропного пласта. Это обосновывает возможность применения второго информационного сигнала для определения коэффициента анизотропии. При этом сведения о продольной удельной электрической прово-. димости должны быть получены какимлибо другим методом, например методом инкубационного каротажа. Рекомендуемые сигналы имеют лучшую радиальную характеристику, чем сигнал известного метода поперечной проводимости.

Связь между гармониками частоты вращения зонда и информационными сигналами, по которым определяют угол падения, следующая. Пусть магнитные моменты катушек и феррозонда расположены в одной плоскости (фиг. 2). На фиг. 2 векторами 2-5 показаны направления магнитных моментов катушек, изображенных на фиг. 1. Вектор 6 соответствует оси феррозонда, причем момент совпадения этого вектора с направлением на север принят за начало отсчета фаз гармоник. Соотношение моментов катушек 3 и 4, 5 полностью определяется требованием перпендикулярности векторов 2 и 3 и равен- . ства нулю ЭДС прямого поля зонда.

Это означает, что соотношение чувствительностей катушек (число и площадь витков) и полярность включения приемных катушек выбираются такими, чтобы в воздушной среде сигналы катушек на входе усилителя 10 компенсировались до нуля. При этом автоматически учитывается и множитель L в формулах (1) и (5).

Система координат ХУЕ (ось У перпендикулярна чертежу) вращается вместе с катушками с угловой частотой, причем направление вращения правое и в момент t=O ось Х направлена на се9 13939 вер, Сигнал на входе анализатора спектра можно представить в виде

U=K ((й -й„"-1,й „ ) р(-Н„ +(й"- н„„ )tg, 12) 02 lO

U<=A А cos(-2 Y, )=К tg,1(Н

Таким образом, по формулам (7) и (8) можно определить угол падения пластов и азимут, а величину (15) использовать для определения анизотропии.

При втором варианте расположения квадрупольной приемной катушки сигнал на входе анализатора спектра во вращающейся системе координат ХУ7, имеет вид где K> — аппаратурная константа;

t„(i K=X 7.) - К-я компонента магнитного поля, возбуждаемого

i-й составляющей излучающей катушки 2;

Й„, - производная по оси Х от компоненты поля Й„;

d — угол между вектором 2 и осью Z;

Ь - длина зонда.

Последнее слагаемое в квадратной скобке является помехой. Можно докафать9 что первое слагаемое в квадатной скобке содержит нулевую и вто- о ую гармонику частоты вращения, втоое — только первую гармонику, а тре гье " первую и третью гармоники частоты вращения. Поэтому на выходе анализатора спектра помеха может исазить только первую гармонику. Так ак третье слагаемое в квадратной кобке имеет множитель tg d много

2 еньший единицы, по сравнению со торым слагаемым, дающим полезную асть первой гармоники, третьим сла1.аемым можно пренебречь.

Зависимость сигнала (12) от вращения зонда становится явной, если комоненты поля представить s неподвижой системе координат ХУЕ. Ось Z этой З5 истевя4 координат совмещают с осью вращающихся координат, а ось Х аправляют против падения пород. От 1росив соответствующее помехе третье слагаемое в квадратной скобке выраI 40

Фения (12), получают ч

M=K,((н - - >- -ь - -- )tgJ Н+Н Н „+Н„

В

Н -Н„"

-Н„СОВ(МС У)+(1=-" +L .. -- )

tgd cos2(t- т) J 9, (13)

\ (16) 45

Так как элементы залегания пластов, определяются наклономером относительно оси скважины, в случае наклонной скважины вместо азимута и угла падения пластов получают величины, котоБО рые можно назвать азимутом и углом наклона пластов . По этим величинам, используя данные инклинометрии, можно вычислить азимут и угол падения.

: де М- азимут падения пластов.

Или

Ао+A„cos(wt+ Ф< )+Ахcos(2 t+ tz) 9 (14) где А,,А,9А9 — амплитуды гармоник; Y< - фазы гармоник.

Сравнйвая (13) и (14) можно полу»1 чить второй информационный сигнал, соответствующий знаменателю выраже.ния (1) - Š— z

U=K,((й -н„+ н„)tgd й„+(й +

+ A )tg J ), где К вЂ” аппаратурная константа;

B (i,K=X,Z) — К-я компонента магнитного поля, возбуждаемого -й составляющей излучающей катушки 2;

Й„"z — производная по оси 7. от с компоненты поля Й„;

d — угол между вектором 2 и осью Z;

? — длина зонда.

Комбинационная помеха (последнее слагаемое в квадратной скобке) имеет только первую гармонику частоты вращения и может исказить только второе слагаемое в квадратной скобке, которое также содержит только первую гармонику. Как и в первом варианте испол.нения, помеха подавляется множителем

tg сГ, много меньшим единицы. г

Окончательное выражение для второго информационного сигнала при втором варианте исполнения зонда

Ъ=А,-A cos(-2+„)=K< tgo(H Н„+

Д

+, н„). (17) Равенства (13-15) справедливы только для плоскослоистой среды.

Чем меньше К„ тем лучше подавляется помеха, но с уменьшением d уменьшается относительная величина второ11 139 го информационного сигнала (15). Оптималь1ым значением угла d ñëåäóåò

0 считать 8-12, при этом помеха ослабляется в 20-50 раз.

Аналогичные рассуждения можно привести для второго варианта наклономера, когда дифференциальная приемная катушка 4(5) направлена по оси зонда (фиг.3).

Указан лишь случай расположения магнитных моментов катушек в одной вращающейся плоскости. Однако те же результирующие сигналы могут быть получены и в более общем случае, при этом усложняется лишь вид математических выражений.

Аналогично, можно изменить назначе ние излучающих и приемных катушек, т.е. катушки 3-5 на фиг. I подключить к генератору 9, а катушку 2 — к усипп 10. .На фиг. 4 приведено сравнение влияния скважины на точность определения аниэотропии горных пород предлагае мым наклономером и методом поперечной проводимости. Расчеты соответствуют следующей ситуации: длина зонда равна

1 м, диаметр скважины 0 15 м, коэффициент анизотропии пласта 1,41. По оси абсцисс откладывают отношение удельной электрической проводимости бурового раствора к продольной удельной проводимости пласта, по оси орди нат — отношения"рассматриваемых величин А при наличии скважины к значениям А тех же величин, соответствующих скважине бесконечно малого диаметра. Прямая 1 соответствует идеальному случаю, когда влияние скважины отсутствует. Кривая 2 соответствует разности продольной и поперечной удельной электрической проводимости, полученной индукционным наклономером, а кривая 3 — поперечной удельной

3902 12 электрической проводимости, измеренной методом поперечной проводимости.

Как видно из графика, кривая 2, соответствующая наклономеру, с увеличе5 нием проводимости бурового раствора скважины выходит на горизонтальную асимптоту, и погрешность не превьппает десяти процентов, в то время как зна10 чения кривой З,соответствующей методу поперечной проводимости, непрерывно уменьшаются, достигая весьма большой погрешности. Кривая 4 соответствует продольной удельной электричес1 кой проводимости, полученной методом индукционного каротажа не фокусированным зондом, кривая 5 — коэффициенту анизотропии, определенному с использованием сигнала индукционного

>< наклономера. Аналогично, кривая 6 характеризует коэффициент анизотропии, . определенный методом поперечной проводимости.Как видно из графика, погрешность определения коэффициента

2б анизотропии с использованием второго информационного сигнала пластового индукционного наклономера более чем на порядок меньше погрешности метода поперечной проводимости.

Пластовый индукционный наклономер проще известного, так как не содержит схемы автоматической ориентации зонда и схемы коммутации катушек. К схеме индикатора ориентации зонда предъявляются менее жесткие требоваЗ ния, чем к схеме измерения азимута в известном наклономере. Уменьшение числа катушек индукционного зонда, использование одного измерительного канала для обоих информационных сиг;

4О налов повьппает точность измерений.

Применение пластового индукционного наклономера повысит достоверность геологической информации при разведке полезных ископаемых.

1393902

1393902

10

Корректор СД1екмар

Заказ 1943/29 Тираж 531

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель А.Цветков

Редактор И.Горная Техред M.Õîäàíè÷

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 бскв. б