Устройство для электромагнитного каротажа скважин

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (н960700 ф, (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 060381 (21) 3257186/18-25 с присоединением заявки ¹И1М Кл з

С 01 Ч 3/18

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет —, Опубликовано 230982. Бюллетень ¹ 35

РЗ) УДК 550.83 (088. 8) Дата опубликования описания 230932 (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

KAPOTAXA СКВАЖИН

Изобретение относится к геофизическим исследованиям -скважин, в частности к техническим средствам, применяемым для изучения злектричес- 5 ких свойств горных пород методами электромагнитного каротажа.

Однако информация об электрических свойствах исследуемых пород, содержащаяся в разности фаз о диэлектричес-. кой проницаемости не всегда может быть выделена без использования данных других методов каротажа, что снижает оперативность и точность получаемых результатов каротажа.

Известны также устройства, пред назначенные для измерения отношения сигналов электромагнитного поля, со-. держащие генератор с излучазхдей катушкой, две приемные катушки, усилители, измеритель отношения сигналов и регистратор (3 1.

Известны устройства диэлектрического каротажа, содержащие трехэлементный зонд с двумя приемными элементами (катушками) и одним излучающим (генераторной катушкой), генератор, возбуждающий электромагнйтное 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 (1).

Известно также устройство, предназначенное для измерения лишь разности фаз сигналов электромагнитного поля на приемных катушках трехкатушечного зонда, содержащее генератор, Ю двухканальный приемник, гетеродинный преобразователь частоты и фазоизмери; тельный блок (.2).

Однако измеряемое отношение сигналов сложным образом связано как с диэлектрической проницаемостью .6, так и с удельным сопротивлением 9 среды на высоких частотах и не позволяет точно определять без дополнительной информации любую из этих величин.

Кроме того, недостаток известных устройств заключается в низкой производительности и необходимости учета влияния проводимости среды по данным других методов каротажа при определении диэлектрической проницаемости и наоборот.

В.Г.Бурков, В.M.Лобанков и В.Ф.Мечетин

)

1

I

Всесоюзный научно-исследовательский инстйтут """" 1.": .,,,: нефтепромысловой геофизики

960700

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для электромагнитного каротажа скважин, содержащее многоэлементный зонд с элементами для излучения и приема электромагнитного поля, генератор, усилители высо- 5 ких и низких частот, гетеродин, усилитель, преобразователи частоты, блок формирования отношения принятых сигналов, фазометрический блок и регистратор, 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 гетеродину, выходы преобразователей частоты соединены с усилителями низкой частоты, первые выходы которых соединены с блоком формирования отношения принятых сигналов, вторые †с фазометрнческим блоком, а генератор — с излучающим элементом (4 Д.

Однако известное устройство не позволяет измерить диэлектрическую проницаемость и.(или) удельное сопротивление изучаемой среды непосредственно, в процессе каротажа, что сопряжено со значительными затратами времени на последующую обработку и интерпретацию зарегистрированных относительных характеристик поля по палеткам вручную или с использованием

ЭВМ, при вычислении диэлектрической проницаемости и (или) удельного со- З5 противления по измеренным характеристикам поля с номограмм (палеток) возникают дополнительные субъективные погрешности интерпретатора (алгоритма обработки и интерпретации на ЭВМ),40 связанные с выбором точек и снятием отсчетов в них для вычислений.

Цель изобретения — повышение точности и оперативности измерения диэлектрической проницаемости и удель- 45 ного 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 частоты, 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 60 входами преобразователей частоты, вторые входы которых соединены с выходами усилителя, вход последнего подключен к гетеродину, выходы преобразователей частоты соединены с 65 усилителями низкой частоты, первые выходы которых соединены с блоком формирования отношения принятых сигналов, вторые - c фазометрическим блоком, а генератор — с излучающим 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 — восходом блока функциональных преобразователей.

Зависимости между относительными. характеристиками поля (обозначим их

Х и Х ) и электрическими свойствами горных пород (диэлектрической проницаемостью E и, удельным электрическим сопротивлением р ) можно представить как Е =F (Х.,Х ),р =Fg(X„,Х .) где, напримеР Х„= 81П вЂ”, Х = l4zl/ 1 Н„I или

Щ другая приемлемая для целей каротажа пара относительных характеристик электромагнитного поля, измеряемая трехэлементными зондами. Вид функций

Fq(Xq,Х ) и Fg(X Х ) весьма сложен и аналитически не выражается точно практически никогда. В известных способах для получения величин Е и р по измеренным Х „ и Х используют палетки (номограммы) или числовые таблицы для интерполяции. Недостатки подобных измерений охарактеризованы.

Используя аппарат равномерных чебышевских аппроксимаций строят с помощью ЭВМ экономизированные аппроксимации сложных функциональных взаимосвязей Е =Р„(Х„,Х ) и р=Г (Х„,Х ) набором задайных (базисных) функций от

960700!

+. °

Эдесь коэффициенты а„ соответствуют аппроксимации E =Фq(Х1,X2), а коэф- 15 фициенты b;для р= Ф2(X„,Õ )соответственно. Погрешность приблйжения такими конструкциями исходных функциональных зависимостей E =Г1(Х„,Х ) и р =F2(X 1,Х2) может быть задана и определена прй построении оптимальных наборов коэф20 фициентов а„. и b; (i=0, 1, 2, ..., 9) соответствейно по специальным программам на ЭВМ. Во всей области рабочего диапазона по Х и Х равномерные

1 2 25 приближения выполняют с погрешностью, не превышающей уровней погрешностей измерения аргументов X 1 и Х2.

Полученные таким способом оптимальные по точности аппроксимации функциональных зависимостей f =--F (Х„, Х2) и (или) р =Г (Х „,Х ) от формируемых характеристик дроля X и Х реа2. лизуют набором функциональных преобразователеи, соответствующих заданной при построении аппроксимаций структуре этих приближающих функций ф.(Х

X2); j-=1,2. ,1 1

На фиг. 1 показана функциональная блок-схема устройства; на фиг. 2 один из вариантов выполнения блока 40 функциональных преобразователей; на фиг.3 — один из вариантов реализации блоков формирования полиномов.

Устройство содержит генератор 1, излучающий элемент (генераторную ка- 45 тушку) 2, приемные элементы (катушки)

3 и 4, усилители 5 и б высокой частоты, 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 источников 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 среде электромагнитное поле. В приемных элементах 3 и 4 поле наводит электри еские сигналы, характеризующиеся ам- 65, Х1 и Х1, котоРые выбирают из соображений наилучшей реализации их в аппаратуре, с задаваемой при построении допустимой погрешностью. Например полиномами вида

О + 1 Х + 2 Х2+ Ъ Х + 4 Х.,Х2+ о 1 С Ь с(7 1 +g 2. 9 3

+ Х + X1X2+ Х1Х1+ „А + g0

1 9 9 плитудами 1 Ь2(,lb1I и фазами 4Z, Ч., одновременно. Эти сигналы через усилители 5 и б высокой частоты соответственно поступают на входы преобразователей 7 и 8 частоты. На другие входы преобразователей 7 и 8 поступают сигналы от гетеродина 9 через усилитель 10, Преобразованные по частоте сигналы усиливаются далее усилителями 11 и 12 низкой частоты и поступают на входы блока 14 формирования отношения амплитуд сигналов,пропорциональных принятым Ь q l и 1 Ь1! и на входы фазометрического блока 13.

Фазометрический блок 13 осуществляет формирование сигнала, пропорционального разности фаз принятых сигналов

aV = 4 1 в <2 на приемных элемЕнтах

3 и 4, так что на его выходе. сигнал пропорционален а . или функции от

ЬЧ (например з;д « ). Блок 14 форми2

Рует отношение амплитуд сигналов

lll2tll b,(, поступивших на его входы.

Он может быть выполнен в виде вычис- лителя, 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 выхода усилителя 12 низкой частоты.

Сигналы с блоков 13 и 14 поступают на блок 15 функциоиальных преобразователей, который осуществляет преобразование их в сигналы, пропорциональные величинам диэлектрической проницаемости и (или) удельного электрического сопротивления горных qoрод, 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

tnt =P 1(X „, Х2) Q 1(X„ X2)

=P (Х„,Х1)/Q2(X X2) где Р; (Х1 Х>) =a„„. +а1„Х1+аз„хт+a41

Х1+аб„Х1Х2+аб,- Х

Я; (Х1 ° X2) =Ь„; +Ь2; 1+Ьь; Х2+Ь4. X

+Ь51 Х1Х 2+ЬЬ Х Х (i = l и 2); 1-1 для зависимости Еп 6; i =2 — для Рп р, 960700 ко э ффи ци- с .1 енты

Измеряемая величина

0,0452 15,565 -14,1267 -1,3305 7,8167 1,1948

Впб =Р> а„

1,0687 3,0864 -3,4392 -0,7021 2,3701 0,1869

Ь1„

40,0341 -9,1958 39,248 -0,5743 3,2479 -11, 3062

i.Р =

18,9778 1,4783 24,477 -0,1258 0,8704 6,2806 ь11 Х а(И2)/)Ъ„) - сигнал на выходе блока 14 формирования отношения амплитуд принятых сигналов, Х4ИМв 1 -. сигнал н4 выхо,це фазометрического блока

13.

Блок 15 включает блок 18 формирования полинома Р; Х„,Х2), блок 19 Формирования полинома а;(х„,х1), а также блок 20 деления получающихся в 10 блоках 18 и 19 сигналов.

Блоки 18, 19 и 20 могут быть вы полнены в виде схем, содержащих операционные усилители, которые в аналоговом виде реализуют операции умноже- )5 ния, деления и возведения в степень.

Йа Фиг.З представлен пример одного из вариантов реализации полиномов

Р,(Х„,Х ) или а;(Х1,Х2), приведенных к виду 20 а,(х„,у= х,.(а,х ы )х;((а х;х )+ с 4Х„)Х„, () где R<(Х Х ) " условное обозначение .1 полинома Р;(Х „,Х ), 25 либо а;(Х„,Х1);

К -. 36 - значения йостоянных коэффициентов, соответствующие а,4„-а61. для Р„ (Х4,Х ) или ЗО

Ь4 Ь6; для Q ° (X„, Х,).

Преобразованные к виду R1. (Х,Х ) по- линомы Р„и а; эквивалентны по результатам их вычисления, но реализу- 35 ют н (Х „, Х 1} с меньшим числом умножений сигналов (либо возведений в степень).

Блоки 18 или 19 (фиг.2) реализованы на суммирующих усилителях 21-24 40 (Фиг.3) масштабном усилителе 25, блоках 26 и 27 умножения сигналов. Такое устройство работает следующим образом.

На входы суммирующего усилителя

21 поступают постоянное напряжение 45

Щ,2, пропорциональное коэффициенту

1 iKg, и сигнал Х1. На выходе этого уси.лителя вырабатывается сигнал (dgXg+

+ с(2), который поступает на вход суммирующего усилителя 22, где суммируется с сигналом (А4.Х„ ), полученным после прохождения сигнала Х„ через масштабный усилитель 25. Полученная сумма сигналов (Ы5X24 OL2 )t 4 X< c BH хода усилителя 22 подается на один из входов блока 26 умножения сигналов, к второму входу которого подается также сигнал Х4 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 Х> на сигнал суммы (х> 6Х <с 3) полученного на выходе суммирующего усилителя 23.

На третий вход .усилителя 24 поступает постоянный сигнал Og пропор,циойальный коэффициенту d,q в выраже, нии (3). Сигнал на выходе суммирующего усилителя 24 пропорционален сумме R„(Х „,Х2) при любых значениях

Х -81n2H Х2 = )1ъ2(/ %1) дЧ

Значенйя коэффициентов с(- . cL6 для зонда электромагнитного каротажа с длиной зонда L 1м (расстояние между генераторной катушкой 2 и приемной катушкой 4) и базой зонда aL 0,3 м (расстояние между приемными катушками 3 и 4) в области диэлектрической проницаемости пород 2 < E 4 60 в относительных единицах и удельных сопротивлений 2 < Р «(100 Ом м приведены в таблице. При этом аргументы

Х1, Х > для примера приведены к стандартным интервалам Х =m„= 2, 69254, и„= — 1, 52862

m2= 0,42134, n2= - 1,36579 и коэффициенты а 1е и Ь„ в таблице соответствуют этим нормйрованным величинам входных сигвалов Х1 и Х2 их диапазона 5-1,17..

960700

Предельная погрешность аппроксимации зависимости tnt или Рп р в виде рационального чебышевского приближения по выражению (2 ) не превышает

5%. При аппроксимации этих зависимостей полиномами более высоких степеней погрешности могут быть существенно уменьшены. Например, приближение кубическими полиномами дает погрешность уже не более 1%.

Для учета влияния вмещающих пород, 1О минерализованной внутрискважинной жид кости и других факторов на оценки E и у в блок 15 вводят дополнительные поправочные сигналы, подаваемые на вход блока 15 с блока 17 источников 15 постоянных сигналов коррекции влияющих факторов, которые дополнительно устанавливают перед проведением измерений или в процессе каротажа.

Элементы блока 15 могут быть реали- щ зованы по предлагаемой блок-схеме на дискретных элементах, если входные сигналы Х1 и Х1 блока подавать на него в дискретной форме. В таком виде они могут быть получены в блоках формирования отношения и фазометрическом. При этом погрешности выполнения функциональных преобразований сигналов относительных характеристик в оценки электромагнитных свойств могут 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 и удельное электрическое сопротивление горных пород, что обеспечивает более высокую производительность геофизических 40 работ на основе повышения оперативности анализа геофизических данных, а также повышает точность огределения K и р за счет исключения субьективных погрешностей, возникающих при 45 снятии отсчетов двух относительных параметров поля с диаграммы регистратора, переносе их на палетку и при отсчете значений Е и р с палеток. Измерение непосредственно K и р позволяет физически реализовать эталонные условия для проверки устройства, как

|измерителя электрических свойств.

Формула изобретения

1. Устройство для электромагнитного каротажа скважин, содержащее многоэлементный зонд с элементами для излучения и приема электромагнитного поля, генератор, усилители высоких О и низких частот, гетеродин, усилитель, преобразователи частоты, 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 с усилителями низкой частоты, первые выходы которых соединены с блоком формирования отношения принятых сигналов, вторые — с фазометрическим блоком, а генератор — с излу-. чающим элементом, о т л и ч а ю щ е е с я . 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 як:ляется реализацией равномерных чебышевских аппроксимаций преобразуемых зависимостей, и блок. источников постоянных корректирующих сигналов, при этом первые два

\ I 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 по п.1, о т л и ч аю щ е е с я 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 фун-. кциональных 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. N., "Недра", 1974, с.139-154.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 212387, кл ° G 01 V 3/18, 1966.

3. Заслонов И.М. Каротаж скважин, основанный на измерении затухания электромагнитного поля.-Сб. "Прикладная геофизика". M., "Недра", 1972, вып.67, с.53.

4. Авторское свидетельство СССР

9427302,кл.G 01 V 3/18,1972 (прототип).

9б0700 и«

Составитель Н.Журавлева

Редактор С.Патрушева Техред Л.Пекарь Корректор С.Шекмар

Эаказ 7269/53 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4