Способ электромагнитного каротажа и устройство для его осуществления

(19 5 а 01 Ч ГОС ПО АРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР М ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ПИ ОБРЕТЕНИ АТЕМ ТУ(53 ) 550,837 (088.8) гное папе возхвысоких част тлича екгромвгнитновзоне частот ч а юэлектромагни астоте 1,1 Г нама) нглии108824,ик. 1965.А3 551797,ик, 1970 (про(56) 1,кл, 0.1.2, Патенткл, 324/6,Патент А И, опубл тотип). нЕТРОМ АГНИТНОГО РОЙСТВО ДЛЯ ЕГО электромагни гн ог электромвгни гну окружающие форм них вторичной в рение скорости ра магнитной энергии гь окружающих ф рость является по земных формаций и й с я тем, что я точности измере остоянной исследу(54) СПОСОБ ЭЛ КАРОТАЖА И УС ОСУЩЕСТВЛЕНИ (57) 1. Способ тажв, при котором энергию вводят в для образования в включающий изме странения электро сквозь данную ча ций, при этом ско гелем параметров о тличвющ с целью увеличен диэлектрической п формаций, электрома буждают в области 2, Способ по п. щ и й с я тем, чт поле возбуждают в 500 МГц - 2 ГГц. 3, Способ по п,щ и й с я тем, чг поле возбуждают на+ 0,1 ГГц. 4. Устройство оба по 1 со едля осуществления спос и д ржвщее опорную стойку, установленную в буровой скважине, средства введения электромагнитной энергии в окружающие формации, расположенные на опорной стойке, передающую анте ну, первую и вторую приемные антенны, установленные в пространственной связи по отношению к средствам введения электромагнитной энергии и на заданном расстоянии по отношению к окружающей формации, при этом средства введения электромагнитной энергии соединены с приемными антеннами, и устройство для измерения скорости распространения электромагнитной энергии через данную часть окружающих формаций, являющейся показателем параметров земных формаций, о г л и ч а ю щ е е с я тем, что средства введения электромагниты ной энергии содержат источник сверх; высоких частот.762 18 17 1 О 8 Оческом проводящем корпусе 40 имеетсяполость, глубина которой равна Я 14т,е, примерно 3,75 см. Посредством коаксиального кабеля 10 антенна Т соединяется с развяэываюшим устройством(изолятором) 22 (фиг, 5). Кабель 10с одержит внутренний проводник 41 ивнешнюю проводящую оболочку 42, которая обычно заполняется изолирующимматериалом 43, Внутри полости 44 вер Отикально расположен зонд 45, являющийсяпродолжение центрального проводника 41,Обычно эонд 45 входит своим концом внебольшую цилиндрическую выемку 46,распопоженную в верхней части полости,которая также запопнена изопируюшимма териалом.Приемные антенны 5 и 6 имеют такуюже конструкцию, как и передаюшая антенна, конструция которой показана на фиг,8 2 Ои фиг 9. Посредством коаксиальногокабеля приемные антенны соединяются сосмесителями 23 и 24, показаннымина фиг, 5, Указанные три кабелямогут быть выполнены в виде одногокабеля с бронированной оболочкой, который соединяет башмак-подушку 13с устройством 1, в которой размещаетсяпа ружаемая электронная аппаратура.Что касается выбора рабочей частотыи определения размеров устройств, тоЬ,следует иметь в виду, что в соответствиис уравнением (4) выгодно использоватьочень высокую частоту щ с тем, чтобыуменьшить величину тангенса угла потерь. Пля сопесодержаших горных уород, З 5насышенных водой,например,песчаника,составляющая потерь диэлектрической постоянной Яф (имеется в виду комплек.снаявеличина, рассмотренная в :=ЕФЕбольше Я при частотах ниже 100 МГц.При больших частотах Я" уменьшается и в диападрне, близком к частоте500 М Гц, Я становится больше Яв результате чего измерение величиныЯ" становится простой задачей. Это опи 45сано, например, в (1), В данном случаеописывается способ, в соответствии скоторым часть подпюерхностной рормациииспоаьзуется в качестве диэлектрического материала, распатакенного междупластинами конденсатора, причем электроды регистрирующего устройства используются в качестве указанных пластин.Однако такой способ, как и относящиесяк нему схемы, в соответствии с которы-ми исследуемая формация должна использоваться в качестве линии передачи илиоконечной нагрузки, не пригодна для промышленного использования в качестве регистрирующего прибора, С увеличением рабочей частоты в гигагерцовом диапазоне составляющая Я . Становится существенно больше ", Такое явление предрасполагает к выбору бцпее высоких частот. Однако на практике оказывается, что имеются пределы для выбора высоких значений рабочих частот. Одной иэ причин их сушествоВния является возрастание11величины Е, обусловленное потерями иэ-еа биполярной релаксации, что имеет место. при возрастании частоты до значений, сушес твенно. превышающих 1 Гйь. Вругая причина обусловлена впиянием твердой буровой массы на образование поперечной волны в формации при очень высоких частотах. Дпя частот гигагерцового диапазона дпина волны. с распрос граня юшейся энергии чрезвычай,. но мала, вследствие чего она начинает, проникать в более толстые слои твердой буровой массы. Если это явление имеет место, то твердая буровая масса начинает выполнять ропь ваановода, по которому ответвляется часть передаваемой энергии. В результате уменьшается количество энергии для образования попе- речной волны. Указанный эффект буровой массы начинает сказываться серьезно в том случае, когда половина длины волны передаваемой энергии в буровую массу проникает в толщу буровой массы. 13 пя приблизительного подсчета следует предположить, что максимальная топшина буро вой массы около 2 см, а максимальная диэлектрическая постоянная этой массыравна примерно 20, Это означает, что максимальное значение для поповины дли,ны волны Э( для свободного просю ранства, которое удовлетворяет данномуусловию, определяется следуюшим образомф Я, (2 (2 см) ( -20) = 9 см,или= 18 см, что соответствуетоколо 3 ГТп. Иэ приведенных рассуждений следует, что оптимальный диапазон рабочих частот расположен меж ду частотами несколько большими 500 МГц и нескоько меньшими 2 Пц, Частота, используемая в данном варианте, расположена посредине указанного дианазона и состыщяет 1,1 Пи. Эта. частота является удовлетворительной.Выбор рабочих размеров устройства диктуется практическими соображениями,некоторые из которых уже рассмотрены.Что касается расстояния 33, отделяю 1 080762.Данное уравнение используется длявычисления пористости посредством схемы, показанной на фиг. 10, которуюможно рассматривать как допапнительнуючасть вычислительного модуля (фиг. 5).Выходной сигнал схемы для извлечения квадратного корня 3 9, показан.ной на фиг. 7, соответствует йкорвеличина которой, как видно из уравнения (9), пропорциональна ГсВ тех случаях, когда величина 1 Гопределяется из информации, получаемой регистрирующим устройствомили взятием пробы, сигналы напряжения,пропорционыльные этим значениям,могут подаваться на соответствующие 35входные клеммы усилителей рази остныхсигналов 47 и 48, Выходные сигналы, указанных усилителей разностных сигналов соответственно пропорциональнычислителю и знаменателю уравнения ( 10), 40Указанные выходные сигналы поступаютна вход схемы деления 49, которая формирует на своем выходе сигнал напряжения, представляющий собой пористостьсоставной формации, 45На схеме фиг. 11 показан второйвариант устройства, которое предназначено для исследования подповерхносзных формаций 4, пересекаемых буровойскважиной 2, Буровая скважина 2 обычно заполняется промывочной жидкостьюдпя бурения или буровой массой, содержащей измельченные твердые частицыв виде суспензии. Каротажное устройство1 погружается в буровую скважину 2 55с помощью бронированного кабеля 10,длина которого по существу соответствует относительной глубине погружения то величину пористости можно вычислить,после измерения величины Гс, Так,например, если известно, что какая либоформация с остоит из известняка ( Е ,(Е = 8), то пористость может быть вычислена иэ следующего соотношениямис (1 +ф) Г 75 + СР Ч 80,Если норис тость предварительно определена, то могут быть вычислены значения 10насыщения или литология посредствомопределения диэлектрической постояннойсоставной формации,Уравнение (15) может быть переписаноследующим образом: 15 устройства 9, Управление перемещениемкабеля осуществляется соответствующимсредством, рвспсдоженкым ка поверхности,например, с помощью барабана или лебедки (не показаны).Каротажное устройство включает всебя удлиненный несущий элементцилиндрической формы, внутренняя частькоторого выполнена в виде водонепроницаемого корпуса, в котором размещаетсяпогружвемая в буровую скважину электронная аппаратура, К несущему элементу крепится пара дуговых пружин 11и 12,К пружине 11 крепится подушка13, внутри которой расположены отдельно друг от друга по вертикали передающие антенны Т,и Т и две отдельнорасположенные друг от друга приемныеантенны 5 и 6, причем последние распопожены между передатчиками по существу,ка одной оси с ними, К пружине 12крепится вторая подушка 14, котораяможет быть неактивной и служит дляобеспечения ровного вертикального пере.мещения каротажного устройства 1внутри буровой скважины. В случае необ-,ходимости, однако, в подушке 14 могутбыть расположены электроды и другиедополнительные средства для исследования окружающих формаций, Электронныесигналы, содержащие информацию, полученную каротажным устройством, передаются по кабелю 10 к вычислительномумодулю и записывающему устройству(не показаны), распапоженным на поверхности земли. Показанное на фиг. 11 специальное средство для удержания антенйв соприкосновении со стенкой буровойскважины носит иллюстративный характер, причем возможно испопьэование идругих средств, например гидравлическогосредства,На фиг. 12 в упрощенном виде показан характер распространения электромагнитной волны, параметры которой измеряются устройством, показанным на фиг. 11. Как показано на фиг. 12, подушка 13 распопоженв напрцтив стенки буровой скважины 2, нв которую, как указано, воздействует промывочная жидкость для бурения. Обычно даьпение жидкости, содержащейся в В ормвпиях, пересекаемых буровой скважиной, меньше гидростатического давления стьчба буровой массы, имеющейся в буровой скважине, вследствие чего буровая масса и ее фильтр в некоторой степени проникают в исследуемые формации, Указанные формацииу1080762представляют собой экран для меленьких дичастиц, взвешенных в буровой жидкости ивследствие чего на стенках буровой сква- ижины образуется твердая буровая масса,Ее толщина зависит от параметров конк.регнай формации, например от проницае- фмости, но в любом случае на стенке пбуровой скважины образуется по меньшей, Умере очень тонкий спой твердой буровой гмассы, Как показано на фиг, 12, подуш ика 13 находится в контакте с твердойщбуровой массвй 17 (изображена в уве- боличенном масштабе), РаспространениеУэлектромагнитной волны начинается от допередатчика Т, по стрелке А, при этом 15части волновой энергии воспринимаютсяантеннами 5 и 6, Лоперечная волна,Яраспространяющаяся в формации смежнонис поверхностью, разделена между твердой буровой массой 17 и формациями 4, 20представлена на чертеже стрелкой В, аее продолжение - стрелкой С, Энергиявепоперечной волны непрерывно рассеиваетмися в твердой буровой массе при этом52части энергии, которые рассеиваютсяввблизи расположения приемников 5 и 69,непредставттены стрелками 3 и Е.паДругая распрос траняюшаяся волна9 покак показано, начинается у передатчикапрТ по пунктирной стрелке Г и распрось- Зобтраняется в виде поперечной волны в наниправлении, показанной пунктирнойзастрелкой 0 . Некоторая часть энергиикаэтой волны распространяется в направлении приемной антенны 6, а другая часть З 5анв направлении приемной антенны 5. Иэ-еагигеометрического совпадения данная волМтона ог антенны Т проходит расстояние,подлины которых соответствуют стрелками слЕ и С + 3 . Ниже поясняются причи О рины использования волн, распространение диакоторых начинается от антенн Т и Т 2, сит1 На фиг, 11 на заштрихованном учаське у стенки буровой скважины показана погружаемая электронная аппаратура, расположенная внутри элемента 3. Генератор заданной частоты 8 генерирует на своем выходе сигналы энергии с часто той микроволнового диапазона спектра, В данном случае указанный генератор генерирует сигналы с частотой 1,1 Гйц т;е. с частотой 1,1 х 10 тт. Выход9генератора 8 через развязываюшее 55 устройство 22 соединен с электронным переключателем 50, два выходакоторого по коаксиальньтм проводам соеиены с передающими антеннами ТГ . Предпочтительный тип антеннспапьзуемый в данном случае дпя передающих и приемных антенн, такой же, какой описан подробно со ссылкой наиг. 8, т,е. в данном случае также исопьзуются полые антенны с вырезом,праьпяюший сигнал, снимаемый с одноо из дополняющих выходов генераторарямоугсцтьных импульсов 51, работаюего .с частотой 100 ГЪ, управляет ратой электронного переключателя 50,правляющий прямоугольный сигнал и егополняюший сигнал, сдвинуты относиельно друг друга на 180 о, используютдля обеспечения синхронной работы.результате посредством испольэовая управляющего сигнала Ь Т передатков Т и Т поочередно производит2запись на время 10 мс.Приемные антенны 5 и 6 соответстнно соединены коаксиальными проводас каналами ттля обработки данныхи 53, каждый из которых включаетсебя смеситель и усилитель, соединные последовательно, Сигналы, постующие к приемным антеннам, сдвинутыфазе относительно друг от друга,ичем величина этого сдвига зависитзначения постоянной фазы (3,а отношее их амплитуд опредетяется постояннойтухания К,На соответствующие входыждого из смесителей 23 и 24 помисигналов, поступающих от приемныхтени 5 и 6, поступают сигналы энери, частота которых отличается от часты передатчика на некоторую величинудмикроволнового диапазона, В данномучае генератор заданной частоты генерует сигналы энергии микровопновогоназона, воздействующие на входы сме.елей 23 и 24, частоты которых равны 1,1001 Птт или на 100 кГц выше частоты передатчика. В соответствии с известными принципами сигналы смесителей 23 а и 24 а сохраняют соотношение фаз и амплитуд сигналов, поступающих от приемных антенн 5 и 6, но в этом случае в значительной мере облегчается задача определения разности фаз указанных сигналов, поскопьку они имеют меньшую частоту. Для обеспечения заданной разности частот сигналов между генераторами 18 и 25 100 кГц выходы этих генераторов соединены со смесителем 26, Выходные сигналы смесителя 26 поступают в схему стабилизации частоты 27, которая ттпределяег отклонение частоты ог значе 1080762 26ния 100 кГц и при непичии такового формирует корректирующий сигнал 27 е, который управляет работой генератора 25 по известному способу контура с эапирением фазы, 5Выходные сигналы смесителей 23 и 24 усиливаются усилителями 54 и 55, после чего выходные сигналы по двум каналам, обозначенные 54 а и 55 а, передаются на входы функциональных узлов 56 и 57. 0 Сигналы 54 а и 55 а соответственно передаются на входы детекторов нуля 56 и 57,выходные сигналы которых поступают по проводам, обозначенным 56 а и 57 а, Провод 56 а соединен с одним из входов 5 каждого логического элемента И 58 и 59. Провод 57 соединен с одним из входов каждого логического элемента И 60 и 61, На вторые входы догических элементов И 58 и 59 воздейст вует сигнал управляющий с генератора 51, на вторые входы логических элементов 60 и 61 воздействует про-тивофазный ему сигнал от того же генератора, Выходы логических элементов 58 и 61 соединены вместе, причем сиг, налы образующиеся на этих выходах, используются для перебрасывания триггера 62 в прямом направлении. Выходы логических элементов 60 и 61 также з 0 объединены, причем их выходные сигналы используются дпя перебрасывания триггера 62 в обратном направлении. Выходной сигнал триггера 62 воспринимается усредняюшей или измерительной схемой 63, уровень выходного сигнала которой является функцией среднего значения разности фаэ сигналов 54 а и 55 а.Работа функционального уапа 64 можег быть описана с помощью фиг. 13; 40 на графиках 1 н Ц которого показаныфхарактеристики сигналов 54 а и 55 а, Предположим, что часть показанного сигнале является положительной (или разрешающей включение); в резул ьтате 45 чего приводится в действие передатчик . Т. В этом случае распространяющаяся энергия вначале воспринимается приемной антенной 5, е затем 6. В результате в конечном счете формируются сив налы 54 а и 55 а, причем сигнал 54 аопережае по фазе сигнал 55 е на угоп9, как показано не фиг, 13, Детекторы нуля 56 и 57 формируют не своих выходах короткие пиковые импульсы 55 каждый раэ, когча сигнапы воздействующие на их входы, уменьшаются от положительного значения до нуля и пересекают наперед заданный опорный уровень нуля, 1 Ья этой цели можно применять и другие типы детекторов, например такие, которые определяют пересечение нулевого уровня как при уменьшении от положительных энвчений, таки при возрастании от отрицательныхзначений, На графиках Ш и 1 У фиг, 13показаны выходные сигналы 56 а и 57 а,Если действует от генератора 51 один .сигнал, то противофвэный ему сигналотсутствует, вследствие чего пиковыесигналы детекторов могут проходитьтолько через логические элементы 58 и61. Выходной сигнал логического элемента 58 перебрасывает триггер 62в прямом направлении, в то время каквыходной сигнал логического элемента60 перебрасывает триггер 62 в обратном направлении, Соответственно этомуна выходе триггера 62 образуются сигкалы, показанные на графике У, представляющие собой серию импульсовширина которых соответствует фазовому углу 9, Измерительная схема63 воспринимает указанные импульсыи формирует на своем выходе сигнал,уровень которого соответствует плошадинекоторого числа последовательно поступаюших импульсов, Высота поступающихимпульсов имеет постоянное значение,в результате чего уровень выходногосигнале измерительной схемы 63 соотвествует величине фазового угла 91 Следует рассмотреть случай, когдапрошло 10 мс, после чего с выходагенератора 51 управляющий сигнал йзменил попярнос ть. В этом спучае вклк- чается в работе передатчик Т и рас 2пространяюшаяся энергия микроволнового диапазона вначале воспринимается антенной 6, а затем 5, В данном случае сигнал55 а опережаег по феэе сигнал 54 а на ,величину угла 8 . Это приводит ктому, что пиковые сигналы 57 а опережают пиковые сигналы 56 в на время, длительность которого соответствуег фазовому углу 6, Поскольку в это время действует другой управляющий сигнал от генератора 51, то пиковые сигналы детекторов могут пропускатьсятолько.логичес-" гми элементами 60 й 61, в результате -,:его сравнение фаэ в данном случае производится наоборот относительно рассмотренного случая. Выходной счгнвл логического элементе 61 перебрасывает триггер 62 в прямом762 28 Ае 27 1 080 направлении, в то время, как выходной сигнал логического элемента 59 перебрасывает указанный триггер 62 в обратном направлении, В результате триг гер 62 генерирует на своем выходе 5 импульсные сигналы, ширина которых соответствует величине угла В, а на выходе измерительной схемы Ы образуется сигнал, уровень которого отражает значение фазового угла 8, 10В предпочтительном варианте постоянные времени измерительной схемы 63 выбираются таким образом, чтобы их величина была достаточной для обеспечения сложения поступающих импульсных 15 сигналов с выхода триггера, образующихся в результате многократного последовательного воздействия сигналов от генератора 51, Таким образом, выходной сигнал интегрирующего устрой ства является функцией усредненного значения разности фаз, измеряемой во время множества циклов, т.е. является средней величиной фазовых углов 91 иЦ .25функциональный узел 64 предназначен для измерения относительного затухания сигналов, поступающих по каналам 52 и 53, Сигналы 54 а и 55 а воздействуют соответственно на входы 30 логарифмических усилителей 65 и 66, выходные сигналы которых в свою очередь воздействуют соответственно на входы детекторов 67 и 68, Выходные остроконечные сигналы детекторов 67 а и 68 а через электронные переключатели35 69 и 70 передаются по внешним проводникам 71 и 72. Управление работой переключателей осуществляется противофазными сигналами от генератора 5140 в результате чего их выходные сигналы по очереди поступают на выходные линии 71 и 72. Синхронизация в этом случае такова, что сигнал, поступающий от близ. кого приемника, всегда передается по линии 71, а сигнал, поступающий от45 дальнего приемника, всегда передается по линии 72. Проводники 71 и 72 соединены с входными клеммами усилителя . разиостных сигналов 73, который формирует на своем выходе сигнал, являющийся функцией постоянной затухания для данной формации 0(, . Это можно легко заметить, если амплитуду волновой энергии, воспринимаемой близким приемникам, представить в виде Ае "ф где А - постоянная амплитуды, а 3 расстояние между действующим передатчиком и ближайшим приемником, Отсюда следует, что амплитуда волновой энергии, воспринимаемой дальним приемником, может быть представлена как Ае ц l;", где- расстояние между указаннымиФприемниками. Таким образом, отношение амплитуд волновой энергии, воспринимаемой данными двумя приемниками, может, быть записано следующим образом:значение фазы йредставляет собой информацию о фазовой постоянной исследуемойформации. В том случае, когда Е и,Оидентичны друг другу, фазовые уюпы6, и 6 равны . Влияние длины пути, 5проходимого сигналами, на измерениефункциональным унтом 64 затухания посуществу такое же, как и рассМогренное. Предположим, что по одному из работающих каналов, например 52, посту" пает сигнал с очень малым ошибочным сдвигом фазы 3, который не вводит ся по соответствующему каналу 83.В гаком случае сигнал 54 а имеет не большую составляющую ошибки фазы 8 которая не является функцией исследуемой формации, Наничие такой составляю щей ошибки фазы не нарушает правильного определения фазового угла, поскопь ку она уничтожается при усреднении, В частности, при наличии однао управляющего сигнала от генератора 81 данная ошибка равна +3, а при его отсутствии эта ошибка. равна - 3, поскльку25 сравнение в этом случае производится в обратном направлении. Такая же коррекция имеет место при отклонении амплитуды сигнала, поступающего по одному или другому канщту, ЗО Выходные сигналы, соотве тствуюшие измеряемым значениямн о(, передаются по кабелю 10 на поверхность земли и поступают на вход вычислительного модуля и/или записывающего уст ройства или подобного устройства дпя регистрации поступающей информации, Допжна быть некоторая гибкость в выборе устройства, которое воспринимает передаваемые на землю сигналы дпя дальнейшей их обработки. Например, сигнщты, передаваемые по проводникам 71 и 72, могут быть переданы на вход усилителя разностных сигнапов, расположенного на поверхности земли. Однако большая часть устройства, показанного на фиг. 11, в предпочтительном случае является погружаемой в скважину.Следует иметь в виду, что возможны различные изменения, не нарушающие смысла и не выходящие за рамки дзтного изобретения, Например, устоойство, показанное на фиг. 11, может включатьпредварительные усилили сигналов дпя каналов 52 и 83, стоящие до смесителей.Описанное исключение возможных малых ошибок может быть применено дпя любого из дополнительных усилителей, а также дпя других элементов данного устройства, например для детекторов нулевого сигнала.1 С 18(1762 О 6=6 ФЕ Изобретение относится к способу электромагнитного каротажа и устройству для его осуществления, а именно к исспедованию земных формаций с помощью электромагнитной энергии и, в 5 частности к способу и устройству дпя определения диэлектрических свойств подповерхностных формаций посредством пропускания через них электромагнитной энергии,Известны разпичные способы измерения диэлектрической постоянной или диэлектрической проницаемости подповерхностных формаций, В результате проведенных исследований установпено, что диэлектрическая постоянная различных материалов земных формаций колеблется в широких пределах (например, 2,2 дпя нефти, 7,5 для известняка и 80 для воды) и что измерение диэлектрических свойств можно испапьзовать для оценки этих формаций, Например, если посредством способа каротажа скважины определены, литопогия и степень насыщения водой какой-либо формации, то пористость 5 атих формаций может быть установлена посредством измерения диэлектрической постоянной данного материала. Подобным образом, если заданы в качестве известных данных литапогия и пористость, то 30 путем измерения диэлектрической постоянНой данной формации можно определить степень насыщения ее водой.Известен способ измерения диэлектрической постоянной или диэлектрической проницаемости подповерхностных формаций 1Известные устройства для регистрации диэлектрических постоянных земных формаций в буровых скважинах не позво О ляют получить надежных результатов по ряду причин. Рассмотрим общую при " роду диэлектрической постоянной материала с бапьшими потерями, которую можно представить в виде комплексной величины 45 Вещественная часть Я в атом ра 50 венстве представляет собой истинную вели чину диэлектрической постоянной дпя материала беэ потерь, т.е, величину, получаемую в резульае измерения распрост ранения токов дпя конкретного электри,55 ческого пня в материале, не вносящем потерь, Мнимая часть данного равенства Е" представляет собой коэффициент потерь дпя данного материала, т.е. потерь, обусловленных эффектами проводимос ти и отражения, Большая час ть известных способов основана на измерениивеличины Я дпя какой-либо подповерх(ностной формации, Однако материалыподповерхностных формаций обладают существенной проводимостью и, следовательно, имеют значительный коэффициентпотерь Г, величина которого зачас1тую превышаФт значение Е, В результате папучение точных значенийвеличины б в значительной мере искажается напичием существенного коэффициента потерь,Наибцпее бпизким к данному являетсяснос об электромагнитного каротажа,в котором электромагнитную энергиювозбуждают в окружающих формациях дпяобразования в них вторичной волны, предусматривающей измерение скоростираспространения электромагнитной энергии сквозь данную часть окружающихформаций, при этом скорость являетсяпоказателем параметров земных формаций ЯПроводимость исследуемой формацииустанавливапась посредством косвенного измерения толщины скин-слоя в пьсперечном направлении данной формации,которая поясняется следующим образом.Напряженность магнитного попя Нна расстоянии , при бапьших значениях Е, от передатчика выражаетсяследующим образом где 1 - представляет собой основание натуральных логарифмов,- мнимая единица,Н р - напряженность магнитного папя у передатчика,3 - толщина скин-слоя, определяемая какгде (д - круговая частота (в радианах) сигнала передатчика,- магнитная проницаемостьисяе умой формации, в общем сучае считаемая постоянной;(5 - проводимость формации,Подобное уравнение может быть записано и для диэлектрического поля, Уравнение (1) указывает на то, что злектро30 С другой стороны, для вычисления толщины скин-слоя используется разность фаз сигналов, измеренная для двух отдельно распспоженных точек приема, которая обозначается .как и вы числяется в соответствии с таким со отношением ьФ= -е 340 Зная О, проводимость формации мож. но вычислить, пользуясь равенством (2),Указанный способ основан на предположении, что постоянные фазы и затуха 45 ния электромагнитной энергии по существу равны. Для такого предположения справедливо следующее 50 где Я прдставляет собой диэлектрическую постоянную материала, через который распространяется электромагнитная 55вына. Величинаб(и Я, известная кактангенс угла потерь, представляет собойотношение потерь токов проводимости к 3 080магнитное попе является затухающим, аего фаза сдвигается по мере увеличениярасстояния 2, т .е, по мере распросгранения электромагнитной энергии висследуемых формациях, Величина сдвига 5фазы выражается членом -2фа степень ослабления папя выражается,членом - /3, Составной член41 ) носит название постояннойраспространения, при этом член 80называется постоянной затухания, а член- постоянной фазы,Постоянная затухания и фазовая постоянная имеет одинаковые значения,вследствие чего толщина скин-слоя может 5быть определена либо путем измерениявеличины затухания, либо путем измерения фазы. Йпя вычисления затухания требуется измерить величину электромагнитной энергии в пунктах приема, распопоженных на расстоянии ЬХ друг отдруга в данной формации, Измеренныеамплитудные значения в двух пунктахприема, обозначаемые как А и АЪиспцпьзуются для вычисления тцпщины 25скин-слоя Я в соответствии со следующим соотношением;А2,д= еАЯ току смешения. Тангенс угла потерь,мера относительного уменьшения проведимости, способствует чпену коэффициен,т Ита потерь с, Таким образом, если величина б имеет существенное значение,а рабочая частота относительно низкая,постоянная распространения электромагнитного копебания мало зависит от истинной величины диэлектрической постоянной исспедуемого материала. Это очевидно следует из уравнения (2), котороене отражает зависимости от диэлектрической постоянной, и результирующеговыражения для постоянной распространения 1 (1 +бИзвестный способ реализован устройством, содержащим опорную стойку, установленную в буровой скважине, средствавведения электромагнитной энергиив окружающие формации, распространенныена опорной стойке, передающую антенну,первую и вторую приемные антенны, установленные в пространственной связипо отношению к средствам введенияэлектромагнитной энергии и на заданномрасстоянии по отношению к окружающейформации, при этом средства введенияэлектромагнитной энергии соединены сприемными антеннами, и устройство дпяизмерения скорости распространенияэлектромагнитной энергии через даннуючасть окружающих формаций, причем измеренная скорость является показателемпараметров земных формаций.Цель изобретения - увеличение точности измерения диэлектрической постоянной исследуемых формаций,Укаэанная цель Достигается тем,что согласно способу электромагнитногокаротажа, при котором электромагнитнуюэнергию возбуждают в окружающих формациях дпя образования в них вторичнойволны, включающему измерение скорости распространения электромагнитнойэнергии сквозь данную часть окружаккцих формаций, когда скорость являепся показателем параметров земных формаций, возбуждают алектромагни тноепопе в области сверхвысоких частот, аименно в диапазоне 500 Мгц - 2 ГГцили предпОчтительно на частоте 1,1 ГГц++0,1 ГЬ,В устройстве дпя осуществления способа, содержащем опорную стойку, уста;новпенную в буровой скважине, средствавведения электромагнитной энергии вокружакзцие формации, распипоженныена опорной стойке, передающую, первую( 081Мала, ЧДРНОМ ГтННГЕНС: УРДа НОТОРН МОЖНОпренебречь (6/ (д Я ), вследствие чегопппучится, чтя= Р =Ичг Ичто имеет место дня уравнения (4) пдяслучая, когда рассматривается материалбез потерь, Если 6 представляет собойзначительную величину, то тангенс углапотерь может быть относитедьно небольшим при очень больших значениях рдля этих случаев опять приближенно 1 Осправедливо рввенс тво (4)Например,если 6 (д (: = 0,2, то вычислениепо уравнению (4) дает ошибку топько0,5% по сравнению со случаем, когдаб/ = 0,15Существуют практические пределы ддявыбора значений высокой частоты, которвя может быть использована дпя осуществления значимых измерений в буровойскважине. Так, например, ддя формаций, 20обпадающих значительной проводимостью,применение наиболее высоких частот,используемых нв практике, может привести к значительному возрастанию тангенса угла потерь, который, если им пренеб речь, приводит к ошибке измерения действительной величины диэлектрическойпостоянной. В данном варианте производимые измерения автоматически корректируются с учетом тангенса угла потерь. З 0Для наглядного пояснения производимойкоррекции вещественную и мнимые частивктоянйой распространенияудобнопредставить соответственно каки (, . В таком случае эта величиназапишется следующим образом35и .-Ъ М (7)где К, - величина, зависящая от затухания водны или от потерь.Следует обратить внимание на то, что постоянная распространения испапьзуегся в вопновом уравнении в виде фявсдедствие вещественная часть постоянной распространения становится мнимой частью данной экспоненты и наоборот. Возведя в квадрат уравнения (6) и (7) и приравняв друг к другу их вещественные частя, можно получить следующее250Ъ -а:р(8),Теперь, если величину 3 взять изуравнения (4) и заменить ее на откорректированное значение ( 3 ;,р ) , которое учитывает имеющиеся потери, го можно папучить(30) гВ варианте воплощения данного изобрете- НИЯ ВЕЛИЧИНЫ 3 И 01, , ВХОДЯШИЕ В уравнение (10), являются измеряемыми величинами, причем величина (3 опрьделяется посредством измерения скорости или фазы, а 01, - путем измерения затухания. Требуемое значение /31. КОР определяют затем, используя уравнение (10). Скомпенсированное значение диэлектрической постоянной вычисляется из уравнения (9), Принимая во внимание приведенное представление диэлектрической постоянной в виде комплексной величины ( Я а " 1Е н ), можно заметить, что значение диэлектрической постоянной, определяемой данным способ ом, соответствует Е р т.е. диэлектрической постоянной исследуемого материала, не вносящего потерь..Устройство ддя осуществления способц представлено на фиг. 1, имеет опорную стойку 1, выполненную в виде несущего цилиндрического элемента, установленную в буровой скважине 2, средства введения электромагнитной энергии 3 в окружающие формации 4, распопоженные на опорной стойке, первую и вторую приемные антенны 5,6, расположенные на опорной стойке,установленные в пространственной связи по отношению к средствам введения электромагнитной энергии и на определенном расстоянии окружающей формации друг ог друга, при этом средства введения электромагнитной энергии соединены с приемными антеннами и устъройством дпя измерения скорости рас пространения электромагнитной энергии 7 через данную часть окружающих формаций, причем измеренная скорость явдяеъся показателем параметров земных формаций, в средства введения электромагнитной энергии содержат источник сверхвысоких частот 8. Данное устройство предназначено дпя исследования подловерхностных формаций, пересекаемых буровой скважиной 2.Буровая скважина обычно зап 1 аняется промывочной жидкостью для бурения или буровым раствором, содержащим мепко измельченные твердые частицы, образующие суспенэиюя Устройство для иссле 9 1 О 8 О 7 дования (зонд) или регистрирующее устройство 9, его длина по существу определяет относительную глубину погружения устройства 9. Регулирование длины кабеля осуществляется соответствующим средством, расположенным на поверхности, например с помощью барабана ипи лебедки (не показаны),Регистрирующее устройствона фиг. 1 имеет продопьный цилиндрический несу ший элемент 1, внутренняя часть которого выполнена в виде непроницаемого для жидкости корпуса, в котором размещается погружаемая электронная аппаратура, К несущему элементу,1 крепятся две Луго образные пружины 11 и 12. К пружине 11 крепится подушка-башмак 13, которая содержит передающую антенну Т и вертикально расположенные на некотором расстоянии друг от друга приемные ан тенны 5 и 6, К пружине 12 крепится дополнительная подушка 14, не ямяюшаяся активной подушкой, которая предусмот- рена дпя обеспечения центровки по вертикали регистрирующего устройства 9 внутри данной буровой скважины. При необхо димости, однако подушка 14 может содержать электроды или подобн.ое допсанительное средство, предназначенное дпя исследования окружающей, фор мации. Электронные сигналы, содержащие информацию, полученную регистрирующим устройством, передаются по кабелю к вычислительному модулю 15 и записывающему устройству 16, распопоженным на поверхности земпи. Устройство, показанное на фнг, 1 и предназначенное для обеспечения соприкосновения антенны со стенкой буровой скважины, носит иллюстративный характер, в 40 связи с чем следует иметь в виду, что дпя этой цепи возможно использование других средств, например гидравли веского средства. 62 10фильтрат в некоторой степени проникаютв формации, Последние задерживают мелкие частицы, образующие суспензию вбуровом растворе, в результате чего настенках буровой скважины отлагаетсятвердая буровая масса. Тапцина ее опредяется параметрами формации, напримернроницаемосгью, но на стенке буровойскважины всегда имеется по меньшеймере очень терпкий слой твердой буровоймассы, Как показано на фиг. 2, подушка13 контактирует с твердой массой 17,показанной дпя батьшей наглядности вувеличенном масштабе,Передающая антенна Т излучает микроволновую электромагнитную энергию висследуемую формацию (показано стрелкой А). Для выяснения характера движения данной ватны в напрамении приемников следует рассмотреть фиг, 3, накоторой изображена поверхность раздела18 между нижней областью с потерями,диэлектриЧеская постоянная которой равна Г, и верхней областью без потерь,диэлектрическая постоянная которойфавна Е, Известно, что энергия, распространяющаяся от источника бпредстамяюшего собой возбужденныйдиполь, в пункт наблюдения О, носитназвание поверхностной волны, котораясостоит из трех основных воин: прямойотраженной и поперечной, что показанона фиг. 3, Поперечная волна составляетосновную часть данного попя и распопожена рядом с поверхностью раздела,особенно когда расстояние между точкамиб и О велико по сравнению с их соответствующими расстояними ог данной поверхности раздела, Поперечная вопна начинается у источника в среде с потерями и распространяется в виде Луча кповерхности раздела в напрамении, определяемом величиной критического угле,который определяется следующим образомНа фиг, 2 и 3 в упрощенной форме45 представлен характер распространения электромагнитной ватны, пераметры которой измеряются устройством, показанным на фиг, 1, Подушка 13 (фиг. 2) расположена напротив стенки буровой скважины 2, причем пространство между ними заполняется промывочной жидкостью дпя бурения 17, В общем случае давление жидкости в формациях, пересекаемых буровой скважиной, меньше гидростатяческого давления столба бурового раствора, находящегося в буровой скважине, вследствие чего буровой раствор и его бл Ф=-1Данная волна распространяется вдопь границы в среде без потерь, при этом онапостоянно теряет энергию, рассеивающуюся в среде с потерями. Прямая и отраженная вопны ограничены средой с потерями. Скорость затухания этих вопиописывается экспонентной, причем онапревышает алгебраическую скорость,с которой происходит затухание поперечной ватны.Принципы идеолиэированной ситуации,показанной на фиг, 3, логут быть использованы для случая, когда верхнее полупространство предстаьпяет собой средус низкими потерями, что справедливо 5при условии, если диэлектрическая постоянная верхнего попупространства меньшедиэлектрической постоянной нижнего полупространства, Необходимым условием возбуждения поперечных вапн для устройства,10показанного на фиг, 2, в общем случаеявляется испатьзование бурового растворана водной основе, Они имеют относительно высокую проводимость, вследствиечего образующиеся из них отложения буровой массы допжны иметь относительновысокую диэлектрическую постоянную(благодаря большому содержанию воды),как и относительно высокую проводимость. Таким образом, твердую буровую 20массу можно рассматривать как нижнееполупространство с большими потерями, асмежную формацию - как верхнее папуапространство с Ьтносительно низкимипотерями. Поскольку предполагается, что 25,диэлектрическая постоянная твердойбуровой массы значительно выше диэлектрической постоянной смежной формации, величина критического угла (т.е.угла, под которым энергия поперечнойводны входит в формацию) будет атносительно небольшой,П оперечная волна, распространяющаяся в формации, представлена на фиг, 2 . З 5 стрелкой В, а ее продолжение - стрелкой С. Поперечная волна непрерывно теряет часть своей энергии, рассеиваю- шейся в среде с большими потерями, при этом отдельные количества ее энергии, 40 . поступающие на участки расположения приемников 5 и 6, обозначены соответветственно стрелками З и Е. Если предположить, что расстояния, представ- ленные стрелками Д и Е, по существу 45 равны друг другу, то можно видеть, что разность между расстоянием, соответствующим пути прохождения энергии, поступающей в приемник 5 (путь А-В-Д), и расстоянием, соответствующим пути прохождения энергии, поступающей в приемник 6 (путь А-Б-С-Е), равна расстоянию, представленному стрелкой С, т.е. Расстоянию между указанными приемниками энергии. В соответствии 55 с этим для исследования участка формации, расположенного напротив участка между приемниками 5 и 6, может быть использован приемник раэностных сигналов.для упрощения на фиг. 2 показана вымываемая зона или зона проникновения, которая окружает твердую буровую массу в буровой скважине, Как известно, эона проникновения содержит жидкостиЭ проникающие из бурового раствора, который фильтруется через твердую буровую массу и проникает в окружающие формации. Глубина такой зоны проникновения в общем случае различна и колеблется примерно от 2,54 см до нескопьких десятков сантиметров, что зависит от таких факторов, как связующие свойства бурового раствора и литологии формаций. Если глубина эоны проникновения относительно велика, например 3 0 см или более, то поперечная вопна в общем случае проходит через эту зону так же как показано на фиг, 2, ,Биэлектрическая постоянная, определяемая регистрирующим устройством, представляет собой, таким образом, диэлектрическую постоянную проницаемой формации, в результате чего данная информация может быть использована совместно с с другими данными дпя определения таких параметров исследуемой формации, как пористость или литопогия, Если глубина зоны проникновения относительно небольшая, например порядка 5 см, то значительная поперечная волна может - образоваться в чистой формации, расположенной эа .пределами зоны проникновения. Этот случай представлен в упрощенном виде на фиг. 4. При использовании бурового раствора,на водной основе жидкость, содержащаяся в зоне проникновения 19, обуславливает существенно более высокую проводимость данной зоны и более высокую диэлектрическую постоянную по сравнению с аналогичными показателями для чистой формации, По этой причине показанную на фиг. 4 зону проникновения 19 можно рассматривать как нижнее палупространство с большими потерями, а смежную чистую формациюкак верхнее попупространство с относительно низкими потерями, что аналогично показанному йа фиг, 3. Тасим образом, поперечная волна может быть образована в чистой формации по границе с зоной проникновения, что показано стрелкой 20.Дпя того, чтобы в чистой формации для случая, показанного на фиг. 4, образовать значительную поперечную вопну, расстояние между Т и 5 должно быть20 На фиг. 7 показана .схема вычисли 50 тельного модуля 15, который воспринимает сигналы, передаваемые по проводам 28 а и 29 а, информация которых соответствует измеренным значениям ( и. Указанные сигналы вначале поступают на усилители с переменным коэффициентом усиления 34 и 35, которые могут быть использованы для осушесьлов, поступающих к приемникам 5 и 6, выражается следующим образом;-0 С(Е 1 ЫИз полученного выДе-ф"5 ражения следует, что логарифм отношения амплитуд волновых сигналов пропорционален о., Таким образом, устройство 29, показанное на фиг. 6, выполняет те же функции и формирует требуемый результат при оперировании с разностью логарифмов амплитуд указанных сигналов.Выходные сигналы фазового детектора 28 и блока сравнения амплитуд 29 (см. фиг. 5) передаются наверх по проводам 28 а и 29 анаходящимся в бронированном кабепе 10, Обычно эти сигналы передаются в виде уровней постоянного тока, которые усиливаются перед передачей.В устройстве, расположенном на поверхности земли, данные сигналы, передаваемые по проводам 28 а и 29 а, воздействуют на вход вычислительного модуля 15, который производит вычисление скорректированной с учетом потерь величины диэлектрической постоянной измеренной регистри,руюшим устройством, расположенным в буровой скважине, .в З 0 соответствии с уравнениями(8) и /или (9) и (10). Вычисленное значение диэлектрической постоянной записывается записывающим устройством 16,. которое обычно работает в зависимости от глуби ны буровой скважины и приводится в действие механическим соединением блок- баланса - вращающегося колеса 33, Колесо 33 соединено с кабелем 10 и вращается синхронно относительно пере мешения данного кабеля, чем и обеспечивается уабота записывающего устройства как функции глубины буровой скважины. В результате значения диэлектрической постоянной, скорректированные с учетом потерь, записываются посредством записывающего устройства 16 в соответствии с глубиной буровой скважины. впения тарирования, Сигналы, снимаемые с выхода указанных усилителей,поступают на соответствующие входыизвестных схем для возведения вквадрат 36 и 37, на выходах которыхобразуются сигналы, пропорциональныевеличинам 32 и 2 . Полученные сигналы передаются на вход усилителяразностных сигналов 38, на выходекоторого формируется сигнал,.величинакоторого пропорциональна разности подаваемых на его вход сигналов, т.е,разности (32 - о 2 , Как следует изуравнения (8), полученный выходнойсигнал представляет собой измеряемоезначение ; , поскольку данное уравнение может быть переписано следуюшям образом Тарирование каких-либо параметров измери тельного ус тройства напримерчастоты, может быть выполнено с помощью усилителей 34 и 35., В случаенеобходимости выходной сигнал усилителяразностных сигналов 38 может бытьпередан на вход схемы 3 9, извлекающейквадратный корень. Получаемый в резуль -тате выходной сигнал представляет собой значение величиныщ в соответствии с уравнением (10), Данный сигналможет быть записан записывающим устройством 16 в дополнение или вместодиэлектрической постоянной, скорректированной с учетом потерь,На фиг. 8 представлен вид сбоку наповерхность башмака - подушки 13, которая образует контакт со стенкой буровойскважины. Подушка 13 содержит антенны Т, 5 и 6, Установлено, что дляпередачи и приема поперечных волн наиболее эффективно использовать полыеантенны с вырезом, Показанные на фиг,8отверстия для полостей заполняются водонепроницаемым керамическим изолирующим материалом,В данном случае длина выреза равнаЯ, т .е, около 7,5 см для рабочейчастоты 1,1 Пц (диэлектрическаяпостоянная изолирующего материала равна 4). Расстояние Я между антеннамиТ и 5 8 см, а расстояние Ь междуприемными антеннами 4 см, Ниже описывается выбор рабочей частоты и соотве тствуюших размеров,На фиг, 9 в увеличенном масштабе пказан разрез А-А на фиг, 8, В металли