Скважинный вибратор с управлением через каротажный кабель

 

Использование: в геофизике в качестве источника сейсмических колебаний при изучении строения земных недр. Сущность изобретения: возможность функционирования сейсмического вибратора через трехжильный каротажный кабель достигается включением обмотки фазочастотного датчика обратной связи между нулем звезды фаз вибрационного двигателя и грузонесущей оплеткой кабеля. На поверхности к жилам кабеля подключен преобразователь частоты. Между линейными жилами и оплеткой установлен фильтр выделения сигнала датчика, выход которого через частотный и фазовый дискриминатор соединен с элементами сравнения в петле обратной связи между задающим генератором и блоком управления преобразователя частоты. Фазочастотный датчик скважинного вибратора типа индукторного генератора с кольцевой обмоткой выполнен с кольцевыми магнитами с аксиальной намагниченностью, причем один из зубцов на роторе и статоре имеет меньший радиальный зазор, чем остальные. 1 з. п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к скважинным сейсмическим вибраторам, управляемым через каротажный кабель.

Широко распространенные поверхностные сейсмические вибраторы отрабатывают сигнал, задаваемый программой, посредством достаточно сложной системы управления, содержащей набор усилителей, преобразователей, датчиков, элементов коррекции с развитыми обратными связями по частоте и фазе сигналов. Общие сведения по этому вопросу содержатся в (Вибрационная сейсморазведка. /Под ред. М. Б.Шнеерсона. М.: Недра, разд. 2, 1990. Патентная информация по устройствам управления весьма обширна авт. св. N 648927 МПК G 01 V 1/14, 1/28, 1/36 и др.). В сейсмических вибраторах с дебалансными электрическими вибродвигателями, напр. модели Вибролокатор, управление близко к классическим системам электроприводов. Потребность в скважинных сейсмических вибраторах возникла сравнительно недавно, и патентные материалы здесь немногочисленны (патент США N 4751688; N 4715470; СНГ N 1728817 и др.).

Одна из трудностей реализации скважинного источника, спускаемого в скважину на каротажном кабеле, заключена в ограниченной проходной мощности и малом числе жил кабеля. Каротажный кабель предназначен для спуска в глубокие скважины снарядов с измерительным и другим оборудованием. Кабель имеет грузонесущую оплетку и размещаемые под ней изолированные жилы. Преобладают одно- и трехжильные кабели. Имеются семижильные, но с худшими техническими и ресурсными показателями (А.А. Молчанов и др. Аппаратура и оборудование для геофизических исследований нефтяных и газовых скважин. Справочник. М.: Недра, 1987).

Сейсмический вибратор должен отрабатывать с требуемой точностью сигнал программы. Через каротажный кабель с поверхности от силового преобразователя передается электрическое напряжение и ток, необходимый для работы приводного двигателя. Двигатель рациональнее выполнить бесконтактным, трехфазным. Но управление с достаточным для сейсмического вибратора качеством может быть реализовано лишь при замкнутой системе с обратными связями по частоте и фазе. В этом случае, при использовании более мощного и надежного 3-жильного кабеля, не достает жил для передачи информации от датчиков обратной связи.

В ограниченном объеме скважинного снаряда трудно разместить не только силовое оборудование вибратора, но и стандартный комплект датчиков системы управления. Трудности с каналом связи исключают использование параметрических датчиков. Работая в параллель с силовой, шумящей кабельной линией, датчик должен быть более мощным, многофункциональным и компактным в сравнении с датчиками, используемыми на поверхности. Основу датчика может составить электрическая машина типа индукторного генератора, способная сформировать сигнал напряжения с необходимой частотной последовательностью f = zf_вр (Костенко М. П. , Пиотровский Л. М. Электрические машины ч. 2, разд. 1.7. Л.: Энергия. 1973; Алексеева А. А. Машинные генераторы повышенной частоты. Л.: Энергия. 1967). Однако в таком сигнале отсутствует фазовый признак, необходимый для управления сейсмическим вибратором.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности работы вибратора через трехжильный каротажный кабель.

Указанный результат достигается тем, что в скважинном вибраторе, содержащем дебалансный вибратор с электродвигателем и устройствами управления, трехфазный электродвигатель соединен с жилами кабеля и снабжен фазочастотным датчиком обратной связи, установленным на валу, сопряженном с двигателем и вибратором, причем обмотка датчика подключена между нулем звезды фаз двигателя и грузонесущей оплеткой кабеля, а на входе кабеля к линейным жилам подключен преобразователь частоты, а между линейными жилами и оплеткой включен фильтр выделения сигнала фазочастотного датчика, с выхода которого через частотный и фазовый дискриминатор соединен с элементами сравнения в петле обратной связи между задающим генератором и блоком управления преобразователя частоты.

Фазочастотный датчик типа индукторного генератора с кольцевой обмоткой выполнен с кольцевыми магнитами с аксиальной намагниченностью, причем один из зубцов на роторе и статоре имеет меньший радиальный зазор, чем остальные.

Соединение фаз двигателя в уравновешенную звезду позволяет, используя силовые жилы, а также оплетку кабеля, включить в систему управления датчик и выполнить информационный канал с обратной связью по частоте и фазе. Обладая специально организованной зубчатой зоной для модуляции магнитного потока Ф, датчик генерирует напряжение u = dФ/dt с частотной последовательностью и фазовой меткой, связанной с положением дебаланса, т.е. с положением вектора возбуждающей силы вибратора. Генераторный, а не параметрический тип датчика, с достаточным количеством зубцов, повышающих частоту в сравнении с частотой питания двигателя, создает гарантии точной и надежной работы через кабель, имеющий помехи от токов двигателя.

На фиг. 1 изображена схема скважинного вибратора с управлением через каротажный кабель; на фиг. 2 - устройство фазочастотного датчика.

В корпусе 1 скважинного вибратора на статоре двигателя содержатся три фазные обмотки 2, соединенные в звезду с нулевым выводом 3. Ротор 4 двигателя сопряжен валом 5 с дебалансным вибровозбудителем и зубчатым ротором 6 фазочастотного датчика. Обмотка 7 датчика подключена между нулевым выводом и оплеткой 8 каротажного кабеля. Рабочее напряжение к обмоткам двигателя через герметизированный ввод подведено к трем изолированным жилам кабеля от преобразователя частоты 9, размещенного на поверхности. Здесь же между линейными жилами и оплеткой включен фильтр 10 выделения сигнала фазочастотного датчика. Управление двигателем вибратора от преобразователя выполнено через блок управления 11 и элементы сравнения 12 от задающего программного генератора 13. Сигнал датчика от фильтра через дискриминаторы разделения частоты и фазы 14 подается по петле обратной связи на входы элементов сравнения.

Установленный на валу 5 двигателя фазочастотный датчик содержит шихтованный из листов электротехнической стали двухпакетный ротор 6 и аксиально расположенный двухпакетный статор с зубцами на поверхностях, обращенных друг к другу. Обмотка 7 в форме кольца размещена между пакетами статора. Пакеты ротора и статора соединены двумя кольцевыми магнитами 15 с аксиальной намагниченностью. Создается замкнутая магнитная цепь, охватывающая обмотку датчика. Количество зубцов на роторе и статоре одинаково, но один из зубцов 16 на роторе и статоре имеет меньший зазор, чем остальные.

Скважинный вибратор с управлением через каротажный кабель работает следующим образом.

Снаряд опускают в скважину на расчетную глубину и на малой частоте питания от преобразователя 9 выполняют операцию прижима корпуса 1 снаряда к стенкам скважины. Последующая операция вибрационного зондирования выполняется по программе задающего генератора 13. Программный генератор выдает частотно-модулированную последовательность импульсов с фазовой меткой. Этот сигнал через элементы сравнения 12 подается на блок 11, управляющий работой преобразователя частоты 9. Силовое напряжение от преобразователя 9 через три изолированных жилы кабеля подводится к обмоткам 2 двигателя, вращая ротор 4, вибратор и датчик 6. Информация о частоте и фазе вращения вибратора в виде переменного напряжения с фазовой меткой генерируется в обмотке 7 датчика и по линейным жилам и оплетке 8 кабеля подается на фильтр 10. В фильтре 10 сигнал обратной связи отделяется от помех и формируется в виде однополярной последовательности. С выхода фильтра сигнал поступает на дискриминаторы 14, где по амплитудному признаку разделяется частотная последовательность и фазовый импульс, которые соответственно подаются на входы элементов сравнения 12, замыкая систему управления отрицательной обратной связью. При этом вибратор сможет работать в полном соответствии с сигналом программы задающего генератора 13.

Замкнутый контур управления и его управляющие элементы 10 - 13 используются, как известные устройства. Отличительными признаками обладает сопряжение с трехжильным каротажным кабелем и новый элемент - фазочастотный датчик обратной связи, обеспечивающие возможность работы через такой кабель.

Фазочастотный датчик выполнен по типу индукторного генератора, но с некоторыми существенными отличительными признаками. Общими с индукторной машиной признаками являются исполнение датчика из двух шихтованных из электротехнической стали пакетов ротора и статора с зубцами, обращенными друг к другу и расположенной между пакетами статора обмотки 7. Магнитный поток, в небольшом по габариту датчике, создается с помощью постоянных магнитов 15, а не обмоткой возбуждения, как это делается в крупных машинах. Существенным отличием является исполнение на статоре и роторе больших зубцов 16 с меньшим воздушным зазором между ними, чем у остальных зубцов. Напряжение, генерируемое в обмотке 7 индукторного датчика, создается за счет модуляций магнитного потока зубцами при вращении ротора. В момент совпадения больших зубцов генерируется фазовый импульс, а при вращении в иных положениях - частотная последовательность с меньшей амплитудой. Большой зубец совмещается с положением дебаланса, и тогда импульс фазовой метки становится ориентиром азимута вибрационной силы снаряда в скважине. На роторе и статоре расположено по z зубцов, поэтому частота импульсов, генерируемых в обмотке 7, в z раз больше частоты вращения. Для технологий сейсморазведки приемлема точность с квантованием периода на z = 20 - 40. В ограниченном объекте датчик данного типа обеспечивает достаточный разнос частот сигнала и силовой помехи и обладает необходимой мощностью, гарантирующей помехоустойчивость канала обратной связи. Повышенная индуктивность датчика снижает токи нулевой последовательности и способствует стабилизации амплитуды сигнала при значительном изменении частоты.

Формула изобретения

1. Скважинный вибратор с управлением через каротажный кабель, содержащий дебалансный вибратор с электродвигателем и устройства управления, отличающийся тем, что трехфазный электродвигатель соединен с жилами кабеля и снабжен фазочастотным датчиком обратной связи, установленным на валу, сопряженном с двигателем и вибратором, причем обмотка датчика подключена между "нулем" звезды фаз двигателя и грузонесущей оплеткой кабеля, а на входе кабеля к линейным жилам подключен преобразователь частоты, а между линейными жилами и оплеткой включен фильтр выделения сигнала фазочастотного датчика, выход которого через частотный и фазовый дискриминаторы соединен с элементами сравнения в петле обратной связи между задающим генератором и блоком управления преобразователя частоты.

2. Вибратор по п.1, отличающийся тем, что фазочастотный датчик типа индукторного генератора с кольцевой обмоткой выполнен с кольцевыми магнитами с аксиальной намагниченностью, причем один из зубцов на роторе и статоре имеет меньший радиальный зазор, чем остальные.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2