Способ электромагнитного каротажа пород и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕаЪБ ЛИК Ч 31 ЕТЕНИ АТЕНТ ы разнес ых в тре3, Спо ий ся ных екто размещен ей точк т л и ч а юхание электют в третьей еляют провоиде функции ой и затуб по па 1о тем, что зат о поля измер ит о которому опрегорных пород вической постоян У 29сиз, С. А. (РА) тал (ПБ) и Жак очке,имость электр ание электромагнитно держащее генера щенную в первой АГНИТНОГ О ДЛЯ ЕГ детектор-ка 1 ерителем амптухан и размещенн второй д иненную ектор-катушку, атором фазы для ельной фазы эле блок измерения оянной и/или пр компа- относиопределенияктромагнитно о поля, кой пос диэлектриоводимости орных поачений змеренных род в фиксации относительной ф ы и затухание эл омагнитного п я, отличаю - что, с целью получ еся те о н ины носит кату ельн ы, втора ена в ск торая то жи между первой и ю я тем, что детек фазы выполнены в ы амплитуды де дву сенных пар прна заданых соо оме ю точки ель амп зме ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИЕ(54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОЖА ПОРОД И УСТРОИСТЩЕСТВЛЕНИЯ(57) 1. Способ электромагнитного каротажа, предусматривающий возбуждениев заданной точке скважины электромагнитного поля, измерение затуханияэнергии поля во второй точке скважины и определение диэлектрической постоянной и/или проводимости горныхпород, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности измерений, относительный сдвиг фазы электромагнитного поля измеряют в третьейточке между парой приемников или между измерителем поля, размещенным впервой точке, и между одиночным приемником, размещенным в третьей точке,при этом вторую точку размещают междупервой и третьей точками,2, Способ по п. 1, в коТором диэлектрическую постоянную и/или проводимость горных пород определяют путемизмерения затухания электромагнитногополя посредством первой пары детекторов, находящихся во второй точке,о тл и ч а ю щ и й с я тем, что относительный сдвиг фазы электромагнитногополя измеряют посредством второй падеба 29630 А 3 4, Устройство для го каротажа пород, са торную катушку, разме точке скважины, первый тушку, соединенную с излитуды для определенияэлектромагнитного поляво второй точке скважин р ых пород с однойО стенки скважика-детектор установ в третьей точке, а мещена посередине ретьей точками,по п. 4, о т л иемных катушек, разнное расстояние иветственно во втору скважины, при этомитуды подключен к и17 329630 18 и затухание сигнала на выбранномрасстоянии до приемника 10, С учетомэтих факторов выбрано расстояние отпередатчика до приемника 10, равное2540 мм, при котором уровень принимаемого в относительно хорошо проводящих породах сигнала близок кминимальному порогу сигнала, Затемвыбирается местоположение приемника9 дальней пары приемников, Для получения хорошего разрешения при измерениях фазы и/или затухания приемник9 должен быть расположен достаточнодалеко от приемника 10, С другой стороны расстояние от приемника 10 недолжно быть слишком большим, чтобыне вносить многозначность в измерения фазы. Итак, разнесение на слишком большое расстояние ухудшает разрушающую способность каротажа, т.е,уменьшает способность различать изменяющиеся на сравнительно небольшихрасстояниях характеристики породы(например, в случае тонких слоев),В описанном варианте точка расположения приемника 9 выбирается на расстоянии 640 мм от точки расположенияприемника 10, т,ена расстоянии около 1920 мм от передатчика, После того, как выбраны точки расположенияприемников "дальней" пары, от которыхв основном варианте получают информацию об относительной фазы, определяют точки расположения приемников"ближней" пары, При этом желательновыбрать эти точки таким образом, чтобы глубина исследования относительного затухания, измеряемого приемниками "ближней" пары, совпадала с глубиной исследования относительной фазы,иЗмеряемой приемникамидальней" пары. Описанная выше методика представления нормализованной глубины исследования для различных случаев расположения пар приемников для теоретической обобщенной модели может бытьс успехом использована для достижения такого совпадения,Размещение приемников "ближней"пары (фиг, 9) на расстояних 685 и1320 мм от передатчика обеспечиваетдостаточно хорошее совпадение (в диапазоне возможных диаметров переходной зоны средней величины) глубиныисследования затухания с помощью приемников 7 и 8 с глубиной исследования относительной фазы с помощью приемников ч и 1 О, В том случае расстояние между приемниками "ближней"пары выбирается практически такимже, как и расстояние между приемниками "дальней" пары, те, около 640 мм,так что обе пары имеют приблизительно одинаковую разрешающую способность 5 10 15 20 25 30 35 ао 45 50 55 На фиг. 11 изображен график зависимости затухания от фазы при раэличных значениях 1 и 6, построенныйдля предпочтительного размещения приемников 7 и 8 (685 мм, 1320 мм), 9и 10 (1900 мм, 2540 мм) в соответствии с фиг, 8 и Э, Кривые могут бытьрассчитаны из уравнений (8) и (12)дляи Б для каждой пары значенийзатуханий иф, решение которыхосуществляется в соответствии с алгоритмом, изображенном на фиг. 10,В частности в уравнении (8) расстояния 1, иравны 685 и 1320 мм соотнетственно (поскольку ближняя пара приемников используется для получения информации о затухании), а для уравнения (12) расстояния 1, и 1, соответственно равны 1900 и 2540 мм (поскольку дальняя пара приемников используется для получения информаций о фазе). Как было описано выше первоначальные значения Г и с (в соответствии с алгоритмом фиг, 10) введены в вычислительное устройство 21,Затем осуществляется просмотр таблиц по величинам затухания и а ф , имеющимся на линиях 18 и 19 и на выходе получаются значения Г и Ь для записи, Для этой цели можно использовать итерационный метод, метод совпадения кривых или аналоговый вычислитель,Еще одним аспектом изобретения является "сверхглубокое" определение удельной проводимости с помощью приемников 9 и 1 О, Для этого следует произвести определение диэлектрической постоянной породы, т,е используя измерения затухания с помощью ближней пары приемников 7 и 9 в комбинации с измерениями фазы с помощью дальней пары приемников 9 и 10 и подставляя измеренные значения в уравнения (8) и (12), получить значение диэлектрической постоянной (диэлектрической проницаемости) породы, Далее, приняв Г за известную величину и подставив в уравнение (8) значение затухания, измеренного с помощью дальней пары приемников и расстояния между приемниками 9-10 вместо 7-8, вычисляют удельную проводи19 1329 30 35 40 45 50 мость 6 , которую в этом случае обозначают 6, Следует помнить, что подставляемое в уравнение для 6 ,1 значение диэлектрической постояни5 ной относится к породам, залегающим менее глубоко, чем те породы, к которым относится затухание, измеренное с помощью приемников 9 и 10 дальней пары. Однако в большинстве случаев это не приводит к существенной процентной ошибке в определении Б, .На фиг, 12 изображен один из вариантов изобретения, в котором информация о затухании и фазе, получаемая от каждой иэ множества пар приемников, обрабатывается одним каналом обработки. Измерение амплитуды и/или фазы волны, принимаемой одним иэ приемников какой-либо пары, произ водится одним иэ каналов обработки, подключенным к рассматриваемому приемнику. Полученное значение амплитуды и/или фазы фиксируется и запоминается в этот же канал обработки под ключается к другому приемнику данной пары. Получаемые в результате обработки информации от второго приемника значения амплитуды и фазы фиксируются и два заполненных значения фазыиспользуются затем для определениявеличины затухания и/или относительной разности фаз волн, принимаемых конкретной парой приемников. На фиг. 12 показана схема, которая используется для измерения затухания и разностифаэ для каждой из трех пар приемников, а именно 7 и 8, 8 и 9 и 9 и 10.Эта схема применена для обобщенногослучая, когда любой или все получаемые величины могут быть использованы в соответствии с изобретением, Внекоторых случаях может потребоваться не весь объем инФормации и соответственно можно использовать тольочасть схемы и часть выходов. Можноиспользовать либо выходы на самописец, либо на вычислительное устройство 2 1, Вариант, изображенный на фиг, 12, позволяет также заменить один иэ параметров, обычно получаемый от отдаленного приемника параметром, получаемым от ближнего приемника, что может потребоваться в случае, если информация от этого отдаленного приемника не отвечает определенному стандарту.Такая ситуация может сложиться в случае пород с относительно высо 630 20кой проводимостью, в которых сигнал, принимаемый отдаленными приемниками, слишком слаб вследствие повышенного затухания,На фиг, 12 изображен передатчик 6и четыре приемника 7-10. Эти приемники имеют катушки, расположенные вдользонда на некотором расстоянии другот друга, В данном варианте передатчик возбуждается на частоте 20 МГцсигналом генератора 72, Выход генератора через усилитель 73 и согласующий настроечный контур 74 присоединен к передатчику 6, Временные сигналы, используемые для переключенияприемников и их схем, получаются делением частоты 20 МГц на 250 и затемеще на 1000 делителями 75 и 76 частоты, Затем сигнал с первого делителя проходит через полосовой фильтр77 и преобразуется в прямоугольныйсхемой 78, В результате на выходнойлинии 79 имеется прямоугольный сигнал частотой 80 кГц, который поступает на вход фазового детектора 80.Сигнал, имеющийся в линии 79, поступает также в делитель 76 на 1000, свыхода которого сигнал поступает нагенератор 81 и в выходную линию 82,Сигналы с линий 83 и 82 используютсяв схеме приемника, фазовый детектор80 является частью схемы, в которуювходит управляемый генератор 84 иделитель 85 час готы, Генератор 84,управляемый напряжением, имеет номинальную частоту около 19,92 МГц, т,е,на 80 кГц меньше, чем частота генератора 72-20 МГц. Частота 19,22 МГцделится на 249 в делителе 85 для получения частоты 80 МГц, а сигнал этойчастоты поступает на другой вход фазового детектора 80, Если между частотами двух сигналов 80 МГц появляется разность, то на выходе фазовогодетектора 80 появляется сигнал ошибки, который корректирует выходнуючастоту генератора 84, управляемогонапряжением с тем, чтобы разностьмежду частотами сигналов генераторов72 и 84 сохранилась в 80 кГц,Выходы приемников 8 и 7 связаныс входными зажимами переключателя86. Таким же образом приемники 8 и9 связаны с переключателем 87, априемники 9 и 10 - с переключателем88. Каждый из этих переключателей86-88 предназначен для подключенияодного из своих входов к своему выходу и управляются переключателивременным сигналом частотой 30 кин линии 83, Выходы переключателей88-86 соответственно подключены квходам каналов 89-91 обработки. Канал 89 обработки включает согласующий настроенный контур 92, подключенный к предусилителю 93, имеющемувход управления усилением, Выходпредусилителя 93 подключен к смесителю 94, на другой вход которого подается сигнал с ликии 95, Этот сигнал имеет частоту 19,92 ИГц, котораяотличается от частоты передатчикана 80 кГц, В отношении варианта;изображенного на фиг, 1, было отмечено, что эта аппаратура облегчаетизмерение амплитуды и/или фазы тем,что детектирование происходит на более низкой частоте, хотя амплитудаи фаза принимаемого сигнала сохраняется. Выход смесителя 94 через голосовой фильтр 96 надлежащей полосычастот, средняя частота которой составляет 80 кГц, подключен к усилителю 97 промежуточной частоты, Выходусилителя 97 подключен к пиковомудетектору 98 и схеме 99, вырабатывающей сигнал прямоугольной формы, Выход пикового детектора 98 подключенк схеме 100 автоматического управления усилением, выход которой подключен к управляющему входу предусилителя 93 в качестве обратной связи.Выход пикового детектора 98, вырабатывающего сигнал огибающей волныэлектромагнитной энергии, принимаемойприемником, к которому в данный момент подключен канал 89 обработки,также подключен к накопителю 1 О 1, Накопитель имеет две схемы 102 и 103отбора и хранения, которые отбираютвходной сигнал, управляясь временными сигналами в линиях 83 и 82. В частности, схема 102 отбора и храненияпереключается на отбор входного сигнала при положительных сигналах влинии 83, а схема 103 включается сигналами противоположной полярностив линии 82. Два выхода накопителя 101подключень 1 к схеме 104 деления, выходной сигнал которой соответствуетотношению огибающей волны электромагнитной энергии, принимаемой приемником 10, к огибающей волне, принимаемой приемником Ч, т,е. затухацин,обозначенму Л ,3 4,,г5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Вьход ус илителя 97 также подключен к схеме 99 прямоугольных сигцалов, выход которой подключен к детектору 105 нуля, Выход детектора подключен к входу установки "Нуль триггера 106, Переключающий вход триггера 106 получает сигнал из линии 79,Выходной сигнал триггера 106 интегрируется интегратором 107, вырабатывающим выходной сигнал, который пропорционален ширине выходного импульса триггера 106 и соответственно пропорционален времени возбужденного состояния триггера 106Интегратор 107 возвращается в нуль блоком 108 задержки под действием как положительного, так и отрицательного сигнала частотой 80 кГц из линии 83, Вь 1 ход интегратора 107 подключен к накопителю 109, аналогичному накопителю 101 в том отношении, что он также имеет две схемы 110 и 111 отбораи хранения, которые соответственнопереключаются на отбор противоположно направленными прямоугольными сигвалами из линий 83 и 82, Два выхода накопителя 109 присоединены к дифференциальному усилителю 112, вырабатывающему выходной сигнал, обозначенный Ф 3,4, В процессе работы легко видеть, что 1 3,4 соответствует разность фаз между принимаемыми приемниками 9 и 10 волнами электромагнитной энергии. В течение времени,пока приемник 9 подключен к каналу89 обработки, измерение фазы производится по отношению к опорному сигналу, которым является сигнал частотой 80 кГц в линии 79, который относитсяк сигналу, возбуждающему передатчикб, Этот опорный сигнал устанавливаег триггер 106 и он возвращается висходное состояние сигналом, поступающим с 9 по каналу 89. Таким образом, в каждом периоде прямоугольногосигнала частотой 80 кГц триггер 106вырабатывает выходной импульс, продолжительность которого соответствует относительной фазе волны электромагнитной энергии, принимаемой приемником 9. Импульсы усредняются ин 1 егратором 107 так, что величина,заполненная в схеме 110 отбора и храценив накопителя 09, соответствуетизмеренной фазе волнь 1 электромагнитной энер ии, вс 1 ступающей на вход приемника 9. Если канал обработки переключец на приемник 10, для установкитРиггеРа 106 используется снова тот же самый опорный сигнал, но в этом случае он восстанавливается сигналом, порождаемым воЛной электромагнитной энергии, принимаемой приемником 1 О, Разность между этими двумя фазами получается с помощью дифференциального усилителя 112, выходной сигнал которого обозначен индексом Ьф 3,4.Каналы 90 и 91 могут иметь структуру, аналогичную структуре канала 89, Определение диэлектрической постоянной и/или удельной проводимости по описанной выще методике производится обычно с использованием сигналов А и Ьф 3,4. На фиг. 12 по 11 е 1,з казанй эти сигналы, а также сигналЬф 2,3, передаваемый через блок 113 к вычислительному устройству 21 (фиг. 1). Блок 113 включает переключатель 114, подключающий к устройству 21 либо сигнал Ьф 3,4, либо ьф 2,3 в зависимости от выходного сигнала порогового детектора 115. На выход порогового детектора 115 подается сигнал со схемы 100 автоматического управления усилением, т.е. сигнал, соответствующий амплитуде волны энергии, принимаемой приемниками 9 и 10, Если усиление системы автоматическоХ го управления усилением превосходитзаранее заданное пороговое значение,то уровень сигнала на приемниках 9и 1 О считается недостаточным и к вычислительному устройству 21 подключается сигнал Ь ф 2,3, Выходной сигналпорогового детектора 115, которыйопределяет состояние переключателя114, передается также и на поверхность н записывается, Так что всегда известно, какая пара приемниковиспользуется.Для определения затухания исполь зуется дифференциальная установкаприемника, как наиболее предпочтительный вариант, возможно также прямое измерение амплитуды, Дифференциальная установка приемников является более предпочтительной, поскольку она позволяет свести к минимумувлияние скважинных эффектов на результаты измерения. График на фиг.11применим к скважинам различных диа метров, в то время как соответствующий график зависимости разности фазот амплитуды (прямое измерение) может быть использован в применениик скважине одного конкретного диаметра и для каждого диаметра скважинытребуется свой график.й орректор Л Редактор Г ков Тирав; 730 ИИПИ Государственного комитета ССС по делам иэобретений и открытий 3035, Москва, Ж, Раушская наб., акаэ 3500/5 4/ Укгород, ул.Проектная, 4 ическое и иэводстненн ол329630 вой паре приемных катушек, а компаратор фазы соединен с второй паройприемных катушек,6, Устройство по п, 5, о т л ич а ю щ е е с я тем, что первыйканал обработки информации включаеткомпаратор фазы, соединенный с первой схемой выборки и хранения дляобнаружения и запоминания относительной фазы электромагнитного поля, принимаемой удаленной приемной катушкойвторой пары приемника, компараторфазы и вторую схему выборки и хранения для обнаружения и запоминанияфазы электромагнитного поля, принимаемой ближней приемной катушкой второй пары приемников, блок определения разности между запомненными фазами, соединенный с первой и второйсхемами выборки и хранения,1. Устройство по п, 5, о т л ич а ю щ е е с я тем, что второй канал обработки информации включаетблок измерения амплитуды и третьюсхему выборхи н хранения для обнаружения и запоминания амплитуды электромагнитной волны, принимаемой уда 1Изобретение относится к исследованию свойств горных пород, окружающихскважину, в частности к устройству испособу определения диэлектрическойпостоянной и/или удельной проводимос- ,ти окружающих скважину горных пород сиспользованием высокочастотной электромагнитной энергии,Цель изобретения - повышение точности измерений параметров горных породНа фиг, 1 показана блок-схема устройства; на фиг, 2 - блок-схема амплитудного компаратора;на фиг. 3блок-схема фазового детектора; нафиг, 4 - сечение скважины, на которомпоказаны линии равной фазы электромагнитной волны; на фиг, 5 - сечениескважины, на котором показаны линииравной амплитуды электромагнитной 20волны, па фиг. 6-8 - упрощенные модели, используемые для определения нормализованных значений фазы и затухаленной приемной катушкой первой парыприемника, блока измерения амплитудыи четвертую схему выборки и хранениядля обнаружения и запоминания амплитуды электромагнитной волны, принимаемой ближней приемной катушкой первой пары приемника, а также формирователь отношения, соединенный счетвертой и пятой схемами выборки ихранения для определения отношениязапомненных амплитуд.,8, Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что третий канал обработки информации включаетвторой компаратор фазы и пятую схемувыборки и хранения для определенияи запоминания относительной фазыэлектромагнитной волны, принимаемойудаленной приемной катушкой первойпары приемника, блок определения разности между запомненной фазой, определяемой ближней приемной катушкойвторой пары приемников, и запомненнойфазой, определяемой удаленной приемной катушкой первой пары приемников,соединенный с пятой схемой выборки ихранения,2ния; на фиг. 9 - график зависимости нормализованной амплитуды и фазы от диаметра модели; на фиг, 10 - упрощенный алгоритм для программирования вычислительного устройствана фиг. 11 - графики зависимости затухания от фазы для различных величини 6 на фиг, 12 - блок-схема устройства, вариант.Устройство предназначено для исследования подземных формаций 1, пересеченных скважиной 2, которая может быть заполнена воздухом или буровым раствором на основе воды или нефти, Скважина может быть открытой или закрытой непроводящим материалом. Исследуемый скважинный снаряд 3 подвешен в скважине 2 на бронированном кабеле 4, длина которого практически равна глубине скважины, Длина кабеля регулируется каким-либо расположенным на поверхности устройством, например барабаном, Бронированный ка)бсль цдыдтьц)аетсг цд бд 1;д а 1 р 1ЦОД ЕМС. СКЦДЖИЦОГО СЦ 1 РЯГД ) Ц;1 1 О -цс)рхцост, 1:Ос:е измерс ций хардкт рист 11) п)р)ДЫ э 1:убиц 1 и 1 ме )51 ст.) Изыс -ртел.И роликом 5, сцяз;цц 1Г,мо 1 ш" щм приборо",. г:уби 1;От; -Р 1 Й 511111 СТГН ИСТО 1 Ц 1.КОМ ИПИ 111 Ц1.1 у б и ц с,.1 авля 1 ссбОЙ зонд с пере;1 дтис)6, первым или ближней парой премциког 1 7 и 8, вторым и.1 и дальней парой пр:емциков 9 и 10, Пс редатчь ириемники 7-10 предпочтительно являются кольцевыми, Местоположение персддчикд в скважине обозначено 1,мс.стопо 1 ожс цие П)лижцеЙ парь) прием.:к)ц - 1., 1, . Точки 1, 1., Обоз 1 дчдю г редцие у ронни расположенияпдр р;)емциков 7 - 10 соответственно.Расстояние ГЭ, между передатчиком 6и парой приемников 7 и 8 должно бытьпрблизительно равно половице расстояния 1)1 между передатчиком 6 ипдро 1 Приеьциков 9 и 10,Передатчик 6 возбуждается схемой,в которую входит генератор 11, который может быть кварцоцанным и кото 1)ь 1. генерирует высокочастотный сгнал в диапазоне 10-100 Г 1 Гц, предцочтьцо около 20 МГц. Выходной сигнал ;ецератора 11 усиливается усилителем 12 и поступает в передатчик 6через согласующий балансный контур13, Гецератор 14, рассинхроцизированцый с генератором 11, вырабатываетвыходной сигнал с частотой, отличак)щейся от частоты генератора 11 насравнительно небольшую величину, например из 80 кГД. Выходной сигналгенератора 14 смешивается с сигналомприемника с цельо выработки новогосигнала, амплитуда и Фаза которогоСоответствуют амплитуде и фазе сигнала с выхода приемника, а частотазначительно ние (80 кГ 2), что значительно облегчает определение амплитуды и Фазы.11 змеритель амплитуды - амплитудц,Й компаратор 15 измеряет относитеИ,ное затухание электромагнитныхцол, принятых приемниками 7 и 8, ивырабатывает игнал отношения амплтуц (л.75.), где л, и л - пико 11)с з ценя аг илтуды, принятыецрс мцд и 8 и 7 соответственно. Фа): ь;Й детс.т)р 16 измеряет разностьФз Оу )1; тромдгцтцым излуче 29.).14Г.;1) м,Г)ь присцдмц 9 ц 1 О,В 1 д ц ц О) л р и д 1 т е В ьх О 1 ц ь Г ин д 31 Ыпрспиков 9 и 10 могут поступатьця цт 01 дмгятудцый компдрдтОр 17,г,; гй испог,чуется лля измерс цис 1 с Р х 1.1 У б г) к О Й Ул е л ь ц О Й и 1) О в О Димо с.цГ цсрдтор и другие узлы устройстд рдз"ещсны внутри скнажинного снаряпа, Схемь, электрически, жилами18-20 броцировдццого кабеля 4 связаны Г наземной аппаратурой, в которую входит вьчислительное устройство 21.В устройстве 21 сигнал относительного затухания, поступающий от амплитудцогс компаратора 15, и сигналрд.,ности фазы от фазового детектора16 Обрабатываются совместноВ результате вычисляется диэлектрическаяпостоянная , и удельная проводимостпороды, залегающей на определенной лубине в исследуемой скважине.25 Таким же образом выходной сигнал амплтудного компаратора 17 может бытьобработан совместно с вычисленнойвеличицой диэлектрической постояннойдля вычисления величины сверхглубокой проводимости для данной формации, Вычисленные значения диэлектрической постоянной и удельной проводимости записывснотся самопишущим прибором 22 вместе с сигналом от измери 3)ельного ро.-ика 5. Прибор 22 накапливает объем информации с диэлектричес.кой постоянной и удельной проводимости пород, окружающей скважину формации в функции от глубины залегания.40 Вычислительное записывающее и запоминающее устройства могут быть расположены достаточно далеко от скважины,Ва фиг. 2 изображен один из вари 4 ,.нтов амплитудного компаратора 15.Сигнал от приемника 7 поступает навход первого настроечного и согласующего контура 23, а сигнал от приемника 8 поступает на вход второгонастроечного и согласующего контура24, Выходы контуров 23 и 24 усиливаются в предусилителях 25 и 26, Дляоблегчения процесса амплитудногодетектирования выходы с предусили 55телей 25 и 26 подключены к смесителям 27 и 28 соответственно, на вторые входы которых подается сигналчастотой Г,.80 кГц от генератора14, т,есигнал, частота которого296305 13на 80 кГц больше или меньше частотыпередатчикаВ результате смешенияэтих двух сигналов на выходах смесителей вырабатываются сигналы, которые по амплитуде и фазе соответствуют сигналам, принятым соответствующим приемником, но частота этих вырабатываемых смесителями сигналов80 кГц, Выходные сигналы смесителей27 и 28 фильтруются полосовыми фильтрами 29 и 30, а затем поступают через усилители 31 и 32 промежуточнойчастоть 1 к пиковым детекторам 33 и 3 чсоответственно, С выходов пиковыхдетекторов снимаются сигналы, представляющие собой огибающую энергииволны. Выходы пиковых детекторовподключены к схеме 35 деления, которая выдает в жилу (линию) 18 (фиг.1)сигнал, соответствующий отношениюамплитуд волны, принятых приемниками 8 и 7.На фиг, 3 изображен один из вариантов фазового детектора 16 (фиг,1).Сигналы с приемников 9 и 10 поступают к входам настроечных согласующих контуров 36 и 38 соответственно.Выходной сигнал с контура 36 проходит через предусилитель 38, смеситель 39, фильтр 40 и усилитель 41промежуточной частоты. Сигнал с выхода контура 37 проходит через предусилитель 42, смеситель 43, фильтр44 и усилитель 45 промежуточной частоты. Выходы усилителей 41 и 45 подключены к нулевым детекторам 46 и 47,С выхода детектора 46 сигнал поступает на переключающий вход триггера48, а с выхода детектора 47 - на входоблучения триггера 48. Нулевые детекторы вырабатывают выходной сигналтолько при переходе через нуль в положительном направлении,Следовательно, на выходе триггера 48 вырабатывается импульс, длительность которого соответствует разности фаз между двумя сигналами, Выходной сигнал триггера 48 поступаетна интегратор 49, выходом которогоявляется сигнал с жилы 19, т,е. аналоговый сигнал, соответствующий разности фаз между сигналами, поступающими от приемников 10 и 9, При использовании скважинного, компенсирующего шум, оборудования с другой стороны от приемников можно разместитьеще один генератор, а пары приемников могут быть приспособлены для переключения и поочередного изменения из функций в зависимости от переключения передатчиков,Сигналы в жилах 18-20 могут при необходимости быть преобразованы в дискретные перед трансляцией их на поверхность с использованием обычного телеметрического оборудования.Амплитудный компаратор 17 может быть выполнен аналогично фиг. 2, Для 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 повышения эффективности конструкции компаратор 17 может иметь общие схемные элементы со схемами 15 и/или 16.На фиг. 4 и 5 показана скважина, наполненная буровым раствором с удельной проводимостью о и диэлеКтрической постоянной Е, зона проникновения бурового раствора с удельной проводимостью 6, и диэлектрической постоянной, зона, незатронутаяко фпроникновением бурового раствора, с удельной проводимостью 5 и диэлектрической постоянной ЕНа фиг, 4 показана общая форма линий постоянной фазы электромагнитной волны, излучаемой вертикальным магнитным диполем, расположенным в начальной точке О. Линии постоянной фазы практически имеют форму окружностей и отражают, например, тот факт,что разность фазы между сигналами, принимаемыми в точках скважины,обозначенных Г, и Г соответствует разности фаз в породе между линиями 50 и 51, т,е, в основном в зоне проникновения. Подобно этому разность фазы между сигналами, принятыми в точках Г и Г 4 скважины, соответствует разности фаз в породе, заключенной между линиями 52 и 53, включающей полосу не затронутой проникновением породы, обозначенную штриховкой. Раэностная природа сравнения сигналов способствует исключению влияния неэаштрихованных областей.На фиг, 5 показаны точки Г Г 1, Г , Г скважины. Разность амплитуды между точками Г, и Г соответствует разности амплитуд в породе, залегающей между линиями 54 и 55, так что заштрихованные участки (фиг, 5) обоэначают зоны породы, не затронутойпроникновением, разность амплитудыв которых представлена измерениями в точках Г н Г . Разность амплитудымежду точками Г и Г соответствуетразности амплитуды в зоне породы,заключенной между линиями 56 и 57,1329 ЗГ) вялю 1 ащей ) а)итрих) ванцые учас . кп породы, це затронутой проникновением.Таким образом, измерения затука" ция, проведенные с помощью размещенных в скважине приемников, зависят от свойств породы, расположенной в другой зоне, Измерения затухания позволяют заглянуть "глубже" (как в радиальном направлении, так и в направлении, параллельном скважине), чем измерения Фазы, Величины затухания, измеренные в точках Г, и Г , находятся в сильной зависимости от зоны, не затронутой проникновением н то время, как значения разности фаз в этих же точках зависят от зоны проникнонеция.Рассмотрим вертикальный магнитный диполь в однородной среде с проводимостью Ь , магнитной проницаемостьюотносительной диэлектрической постоянной г . Напряжение на расстоянии 4 от источника выражается фор- мулойК = а + Ь ) (3) где а и Ь - коэффициенты комплексно га числа.Подставляя Г 3) в (1), получаем Ч(Ь) = К, ) ы1 - ЗаЬ + ЬЬ ) х -Ь ) с). Для пары разнесенных приемников, расположенных н точках 1., и 1.причем 1, цаходится ца большем расстоянии от передатчика, чем 1 отцосительн; затухание определяется И.) Г) .)/ мажет быть выражено, как К , (1 + Ы )2 +(1 ЬЬг) +(аЬг)" (Ь, 1- ( " ( )1+ЬЬ ) +(аЬ)3 я 1. Для определения относительной фазы между излучением, принимаемымдвумя приемниками, сначала нычисля ется Фазовый угол ф, излучения, воспринимаемого первым приемником, расположенным на расстоянии Ьг."га 12 Подобно этому фаза излучения, воспринимаемая приемником, расположенным ца расстоянии Ь равна Относительная фаза или разностьфаз й Ф выражаетсяф= ф). ф)., а(1 г 1 ) + 40 1+Ы, 1 -Г 1+ЬЬ+ агсгя---- с 8-(12)Ь, 1ЬЗависимости (8) и (12) выраженыв индексах а и Ь ураннения (3), Используя уравнения (2) и (3), при равнивая их действительные и мнимыечасти, получаемг.а - Ь =-- ; (13)11 2 аЬ = ц) рь.Предположим, что расстоянияи1 и угловая частота .1 известны.Поскольку интересующие нас породыв основном немагнитны, томожносчитать постоянной, Таким образом,если значения затухания и дф измерены, неизвестныеимогутбыть вычислены из уравнений (8) и(12),После того, как получены общиеуравнения, следует указать на то,чтов варианте на фиг, 1 информацию озатухании получают от ближней парыприемников 7 и 8, в то время как информацию о фазе получают от дальнейпары приемников 9 и 10, Таким образом, в уравнении (8) расстояния 1.и 1, обозначают расстояния от перегдатчика 6 до приемников 7 и 8 соответственно. В уравнении (12) растояния Ь и Е обозначают расстояния от передатчика 6 до приемников9 и 10 соответственно, Характерныезначения будут приведены ниже.Для получения зн;.ченияи/илииз уравнений (8) и (12) и ихзаписи может быть использована различная аппаратура, устанавливаемаякак в непосредственной близости кскважине, так и на значительном расстоянии от нее (следует помнить, чтовходные величины для этих уравненийдолжны быть получены от различныхпар приемников). Например, можно использовать небольшой универсальныйвычислитель, в память которого записана таблица значений Я и Б , соответствующих конкретным значениямзатухания и 4 ф . Это можно проделать,например, вводя в уравнения (8) и(12) поочередно и парами значенияи, Для каждой пары вводимых значений уравнения решаются для затухания и д Ф, Конкретные пары значений1и 5 , которые используются для получения величин затухания и гф, затем заносятся в таблицу (фиг11)Далее в процессе выполнения работ,при получении на линиях 18 и 19 конкретных значений затухания и 0 фвычислитель отыскивает соответствующие им табличные значения б иЗатем эти значения записываются самопишущим прибором с выхода вычислительного устройства 21 (фиг. 1).Упрошенный алгоритм прогпаммирования устройства 21 для заполнния таблицы показан на фиг. 10, 1 ервоначаль 55 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ные значенияи Й выбираются с помощью блока 58, Обычно в качестве начальных значений выбираются минимальные возможные значения Е и Ь, Блок 59 выполняет функцию решения уравнений (8) и (12) для значений затухания и 4 ф . Текущие значенияи Й, соответствующие вычисленным значениям затухания и д ф, накапливаются и эта операция представлена блоком 60, Затем величина Е ступенчато изменяется., Эта операция отражена в блоке 61, После этого значения Е проверяются (ромб 62) на предмет выяснения не превышает ли его текущее значение максимально возможного для использования, Если текущее значениеспревысиломаксимально возможное, то в результате операции, обозначенной ромбом 62, вырабатывается сигнал Да", поступающий в блок 63, который отражает приращение 1 , Текущее значение б проверяется (ромб 64) на предмет выяснения, не превышает ли его значение максимальновозможного для использования. Если нет, то снова выдается сигнал на вход блок 59 и снова вычисляется весь набор значений б приступенчатом изменении Е внутри полного диапазона возможных значений Я, Эта процедура продолжается до тех пор, пока не достигнет своего максимального значения, при котором программа заканчивается и накапливается вся таблица значений, При желании набор вычисленных данных можно представить графиком, образец которого, построенный для конкретного набора величин, показан на фиг, 11. Причем по оси абсцисс откладывается затухание, а по оси координат Д ф . На самом графике изображено семейство кривых по параметрам Е и Д, Очевидно, что если такой график однажды построен, то его можно использовать для корректировки значений Еи 6 для любой заданной пары измерений затухания и дф также, как и просто для определения выходных данных графическим способом.Наряду с табличныМ способом можно применить метод совпадения кривыхс использованием метода наименьшихквадратов. Еще одна воэможность заключена в решении уравнений (8) и (12)методом последовательных приближений,запаваясь какими-то значениями, а, 1329630 12затем изменяя их, добиваясь сходства решенияМожно применить специализированный аналоговый или цифровойвычислитель, на выходе которого можно получить данные, соответствующиесемейству кривых, изображенных нафиг, 11. Таким образом, используя описанную каротажную аппаратуру, можноэмпирическим путем получить данныедля построения графика фиг. 11,На фиг, 6-9 изображены окружающиескважину породы, влияющие на изменения затухания и фазы. Рассмотрим упрощенную модель (фиг, 6), на которойпоказана скважина 65, имеющая диаметр(включая глинистую корку) в 200 мм изаполненная буровым раствором с диэлектрической постоянной Е = 70 иудельной проводимостью Б = 1 М /м,дчто является типичным для растворана основе относительно пресной воды.Промытая зона 66 переменной толщиныимеет диэлектрическую постоянную(Е, = 11 и удельную проводимость- 63 М,/м, Область 67, такжеимеющая переменную толщину, до некоторой степени затронута проникновением и называется переходной" зоной.Естественная порода 68 имеет следующие параметры; диэлектрическаяпостоянная= 5,2 м; удельная проводимость б = 20 М,/м, Средний диаметр переходной зоны , а ее параметры плавно изменяются от одной границы к другой, что приближенно отражено в этой модели восемью равнымиступенями, Диаметр полностью промытой зоны 66 обозначен 0 и являетсячастью диаметра переходной зоны 67.В данной модели он равен 11/20 О,Диэлектрическая постоянная и удельная проводимость в различных зонахпоказана кривыми 69 и 70 соответственно,Рассмотрим далее передатчик, выполненный в виде намотанной на полуюоправку катушки диаметром 38 мм ирасположенный по оси скважины наначальнсй глубине, которую обозначимкак х = О. Теперь рассмотрим такую жекатушку, которая служит приемникоми расположена в скважине на расстоянии х от передатчика. При выбранномсреднем диаметре переходной зоны О,в выбранной частоте, например 20 МГц,величина фазового угла напряженияв точке распо.ножения приемника х может быть рассчитана с помощью урав Предположим теперь, что выбрана пара расстояний, обозначенных х х на которых расположены приемники. ЬфИспользуя таблицу значений, связанных с второй моделью (фиг, 7), можно получить ожидаемое значение затухания, обозначенное А С,Ь и ожидаемое значение относительной фазы, обозначенное ф ь , если исходить из велиоь вочины и фазы напряжения, взятых иэ ранее составленной таблицы для расстояний хи хЬ 50 55 5 10 15 20 25 30 Зэ 40 45 пений Максвелла для многослойной модели, используя рекурсивный метод,т,е, проводя вычисления для коэффициента отражения на дальней границес использованием общего волновогоуравнения, а затем последовательнорешая задачи для коэффициентов отражения на последовательно приближающихся границах, Используя эту методику и изменяя местоположение приемника и диаметр переходной эоны, можно составить таблицу значений напряжения и его фазы для каждого положения приемника хпри нескольких эначениях диаметра переходной эоны П,.Другими словами могут быть составлены таблицы значений для /Ч/ = Г(х;,Р,) и таблица значения для Чр(хи),После того, как составлена таблица значений, можно рассмотреть относительную глубину исследования с помощью измерений как фазы, так и амплитуды с использованием пар приемников, расположенных на различныхрасстояниях. До этого, однако, полезно рассмотреть вторую и третью теоретические модели, чтобы получитьопорную линию, от которой можно отсчитывать "нормализованную" глубинуисследований. Вторая теоретическаямодель (фиг, 7) имеет зону 71 проникновения неорганиченной протяженности, т,е. эона 66 (фиг, 6) продолжена до бесконечности, Используявторую модель, можно составить таблицу значений, подобную описаннойвьппе, эа исключением того, что в этомслучае все породы представляют собойзону проникновения бесконечного диаметра, т,е, таблицы значений для/Ч / Г(х Э ) и для Ч р(х.,ФЭ Ф Ф90 ), где Рявляется диаметромбесконечно протяженной зоны проникновения, 3141329630(Чь (АиЬ (Ч,фсьс 1 ЧЬа ф ЧаВ третьей теоретической модели 5 (фиг. 8) проникновение отсутствует и характеристиками породы, залегающей вокруг скважины, являются диэлектрическая постояннаяс и удельная зависимость Б с, Используя третью, можно составить таблицы, подобные тем, что были составлены для второй модели, т.е, таблицы для /Ч. с1Г(х, П) иЧ г = 8(х., П) где.1 ф 3 1 15 П- относится к случаю отсутствия инструзии, т.е. к случаю, в котором вокруг скважины находится только естественная порода, Предположив, что пара приемников расположена соответственно на расстояниях хи хь, мож 20 но, взяв величины и фазовые углы напряжения для расстояний хи хь из составленных ранее таблиц, получить ожидаемые значения затухания А Ь и фазы ФдЬ,фьГ ЧЬ - 1 Ч 30Если за "нормализующие" величины принять полученные значения затухания и разности фазы для второй модели (неограниченная зона проникновения) и для третьей модели (отсутст вие зоны проникновения), то можно получить нормализованные значения затухания и фазового сдвига между приемниками, расположенными в точках х и х 1, Выполняя эту операцию, можно 40 получить представление об относительной глубине исследования (в случаях неограниченной зоны проникновения и отсутствия ее), не испытывая излишнего влияния какого-то конкретного 45 параметра, например удельной проводимости (например, удельные проводимости могут дать совершенно различные процентные изменения зависимостей разности и затухания от средиего диа метра переходной зоны для конкретного размещения приемников, если не провести нормализации). Операция нормализации позволяет получить более объективные данные о глубине исследо вания, избежав сильного влияния конкретных значений удельной проводимости и диэлектрической постоянной данной Формации.Ааь (П;) - АоыАдь- АЫ Ф ь(П,) - ф ь1 ф ь - фаь ф.ь.(П где Ас,ь(П;) и фаь(П,) получены иэ первоначальной таблицы (фиг. 6) по формулам Ф,ЬЭ,) Ф Ч( ;) 4 Ч,(П.) .Иэ выражения для А (П ) видно, что нормализованное зйачение затухания равно единице, если Аь(П;) равно А (случай неограниченной зоны проникновения), в то время как нормализованное значение затухания равно нулю, если Аь(П,) равно Адь (случай незатронутой проникновением зоны), Иэ выражения ПЬ(П;) следует, что нормализованное значение фазы равно единице, если ПЬ(П,) равно Пь , и равно нулю, если ПЬ(П;) равно ПдЬ 1.На фиг, 9 приведен график зависимостей нормализованной амплитуды и фазы А Ь и Ф,Ь от различных диамет- ров для модели, показанной на фиг.6. Сплошными кривыми отражены А С,Ь иЙ и фдЬ для пары приемников, расположенных в точках х = 700 мм и хЬ 1320 мм, а пунктирными линиями проведены кРивые зависимостей А аьи и Фдля пары приемников, расположенных на расстояниях х= 1900 мм и х = 2540 мм. Эти нормализованные кривые позволяют сделать ряд наблюдений. Сначала рассмотрим сплошные кривые АЬ идля пары приемников, расположенных на расстояниях х =700 мм и х Ь = 1320 мм. Измерения затухания заглядывают существенно "глубже" в породу, чем измерения фазы (Фиг, 4 и 5). Когда в модели (фиг6) П, равен примерно 1270 мм нормализованное значение фазы почти равно единице. Это означает, что изменения относительной фазы при таких расстояних до приемников дают почти таки же знаВ частности, нормализованные значения затухания Аь(П,) и фазы ф ь (П ) для приемников, расположенных в точках х и х , и для среднего диаметра переходной зоны (фиг, 6) выражаются в виде1513 чения относительной Фазы, что и в случае неограниченной зоной проникновения. Таким образом, изменения фазы обычно не ."заглядывают" глубже, чем на 1270 мм в зону проникновения, так как кривые показывают, что на глубине более чем 1270 мм, результаты практические такие же, что для неограниченной зоны проникновения при таких расстояниях до приемников, Таким образом, для эоны проникновения глубиной в 1270 мм и более и для параметров модели Фиг. 6 на измерения фазы практически не влияет наличие за зоной проникновения естественных пород, С другой стороны, из сплошных кривых для нормативных значений затухания следует, что для 0 , равного 1270 мм, измеренное значение затухания приближается к нормализованному значению затухания не менее чем 0,3. Это означает, что значения затухания при диаметре проникновения 1270 мм еще находятсяпод существенным влиянием естественных пород, Как видно из кривой, нормализованное значение затухания приближается к единице только при глубине зоны проникновения в 2000 мм,т,е, влияние естественных пород перестает сказываться на,результаты измерений затухания при параметрах модели фиг, 6 только при глубине проникновения около 2000 мм.Пунктирные линии, соответственноотображающие нормализованные значениязатухания Ли фазы ф, для парыприемников, расположенных на расстояниях х, =1900 мм и х 1 = 2540 мм, также показывают, что измерения затухания более глубинны, чем измерения фазы. Например, при диаметре интрудированной зоны 0, равном 2000 мм, нормализованное значение Фазы приближтельно равно единице, т,е. измеренияосуществляются почти полностью в зоне проникновения. В противоположностьэтому нормализованное значение затухания при этом еще равно почти нулю,что говорит о том, что результатыизмерения затухания при такой степени проникновения определяются естественными породами,Кривая для нормализованных значений фазы при размещении приемниковна расстоянии х= 1900 мм, хЬ =- 2500 мм и кривая дня нормалйэованных значений затухания при размещении29630 16 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 приемников на расстояниях х = 700 мм и х = 1320 мм достаточно хорошо сов-.Ьпадают на всем диапазоне диаметров проникновения. Кривые дают также хорошее совпадение в диапазоне диаметров зоны проникновения для различных моделей с другими параметрами и другими профилями переходной зоны (этот факт установлен вычислениями кривых для различных моделей), Приведенные конкретные расстояния соответствуют предпочтительному варианту, но возможны различные варианты. Например, выбор расстояний частично зависит от выбора рабочей частоты. Следует также иметь в виду, что можно вычислить и другие семейства кривых, из которых можно выбрать совпадающие.При выборе рабочей частоты следует принимать во внимание ряд соображений. При возрастании частоты увеличивается поглощение энергии породой, вследствие чего уровень принимаемого сигнала падает. Кроме того, при возрастании частоты уменьшается глубина исследования. Однако при более высоких частотах удельная проводимость оказывает меньшее влияние на результаты измерений и повышается разрешающая способность измерения диэлектрической постоянной. В связи с изложенным частота выбирается с учетом этих противоречивых условий, Частота порядка 20 МГц обеспечивает достаточно хорошее разрешение при определении диэлектрической постоянной при том, что величина сигнала на входе приемников достаточна для проведения измерений при удовлетворительной глубине исследования.Выбор расстояний до приемников также зависит от целого ряда факторов, Однако выбор этих расстояний оставляет некоторую свободу. В этом отношении приведенные ниже рассуждения в части выбора предпочтительных расстояний до приемников следует рассматривать в качестве примера, Чтобы получить максимальную глубину исследования, следует располагать дальний приемник 1 О возможно дальше, насколько это позволяют конструктивные и эксплуатационные условия. При выборе места расположения этого приемни" ка 10 лимитирующими факторами являются физическая длина каротажного устройства (которое должно хорошо проходить внутри неровной скважины)