Устройство для электромагнитного каротажа буровой скважины

Устройство для электромагнитного каротажа буровой скважины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5р 4 С 01 V 3/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ йЕЬГ„, ;

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3343903/18-25 (22) 14.10.81 (31) 8022327 (32) 17. 10.80 (33) FR (46) 07. 04. 86. Бюл. Ф 13 (71) Шлюмбергер Оверсиз С.А. (PA) (72) Ивон Тораваль (FR) (53) 550;832(088.8) (56) Патент США и 2582314, кл.324-в, опублик. 1955.

Комаров С.Г. Геофизические методы исследования скважин. — M.: Недра, 1973, с. 43-51.

Патент США Ф 3944910, кл. 324-6, опублик. 1976.

Патент США Р 4052662, кл. 324-6, опублик. 1977.

Патент США Ф 4 185238, кл. 324-6, опублик, 1980, (54) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО KAPOTAEA БУРОВОЙ СКВАЖИНЫ, содержащее зонд для перемещения в буровой скважине, электроды, подсоединенные к электрической схеме, размещенные в этом зонде для осуществления преобразования электрических сигналов, генерируемых в зонде, и сигналов электромагнитной энергии, распространяющихся в окружающей среде, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения характеристик распространения электромагнитной волны в среде, окружающей ствол буровой скважины, пересекающей геологические формации, зонд имеет па„меньшей мере одну антенну, содержащую удлиненный электрод, и электрод, расположенный напротив и

ÄÄSUÄÄ 1223849 А на заданном расстоянии от удлиненного электрода по всей полезной длине последнего, при этом противоположные участки удлиненного электрода и электрода разделены изолятором и соединены электрически один с другим у одного из концов длины удлиненного электрода, причем конец удлиненного электрода электрически соединен с электродом при помощи катушки индуктивности, удлиненный электрод размещен по криволинейному пути параллельно заданной поверхности изолятора, электрод параллелен этой поверхности и удлиненный электрод расположен на (O внешней стороне зонда.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что электрическая связь между электродами выполне- Св на в виде короткозамкнутой перемычки, и полезную длину удлиненного электрода, отсчитанную от его коротке замк- р,4 нутого конца, выбирают в функции ЬЭ длины волны распространения электро- р р магнитной энергии заданной частоты © в изоляторе.

Об

3. Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что антенна соединена электрическим кабелем для передачи электромагнитной энергии с заданной частотой между антенной и электрической схемой в зонде, причем оболочка коаксиального кабеля подключена к электроду, а электрическая жила — к удлиненному электроду в месте, необходимом для согласования импеданса антенны с импедансом коаксиального кабеля.

4. Устройство по пп. 1-3, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что элект1223849

-J KD род выполнен в виде плоскости, параллельной поверхности изолятора, на

Изобретение относится к разведке подземных пластов с помощью электромагнитных волн, а точнее к устройствам для электромагнитного каротажа буровой скважины.

Известны методы разведки пересеченных стволом буровой скважины подземных пластов, согласно которым по стволу перемещают зонд и определяют в функции глубины зонда заданные физические характеристики окружающего его пласта при проведении каротажа (диаграфии), благодаря чему можно получить информацию необходимости проведения дальнейших исследований и/или промышленной разработки минералов из подземных формаций этой с.кважины.

В ходе измерений используют излучение электромагнитных волн, йапример производят замеры удельной электропроводности пересЕченных стволом скважины формаций при помощи электромагнитной индукции.

Известно устройство для каротажа с помощью электромагнитной индукции, в котором установленная на зонде излучающая катушка возбуждается от генератора с частотой порядка 20 кГц для индуктирования токов в окружающей скважину геологической формации.

Величина этих токов зависит от электропроводности формации, в которой они возникают. Токи циркулируют по кольцевым линиям с центром на оси ствола буровой скважины и вызывают появление электродвижущей силы в одНоН или нескольких приемных катушках, установленных на зонде на определенных расстояниях от излучающей катушки. Анализ параметров выходного сигнала позволяет получить информацию об электропроводности формаций, пересеченных этими токами . t l ).

Измерения удельной электрической проводимости составляют один из основных методов разведки геологических формаций, пересекаемых буровой сквакоторой размещен по криволинейному пути удлиненный электрод. жиной. Их дополнением служат методы измерения электрического удельного сопротивления, основанные на приме— некии устройств с электродами, Они особенно необходимы при заполнении ствола разведочной буровой скважины раствором, предназначенным для стабилизации ее стенок, слабо проводящим электричество и не дающим возможности использования устройств с электродами (21.

Известны устройства для измерения некоторых характеристик сред, окружающих буровую скважину, в которых использовано распространение электромагнитной энергии, в этих средах при частотах, значительно более высоких, чем частота, используемая при осуществлении индукционного каротажа. В этих устройствах используются радиочастоты, диапазон которых от низшей частоты порядка 1 МГц до частоты порядка гигагерц (III).

Известно, что характеристические параметры распространения электромагнитной волны в среде типа геологических формаций зависят и от электрической прогодимости этих формаций и их диэлектрической постоянной.

Затухание электромагнитной волны, 30 распространяющейся на расстоянии в среде рассеивающей электромагнитную энергию, меняется согласно выражению где F — символ экспоненты, оператор комплексных чисел, !

D — расстояние, пройденное энергией, волновое число — постоянная распространения, определяемая по формуле

k":- - ы)и, (8 .. . ) (2)

4$

В этом уравнении: круговая частота для рассматриваемой частоты (ы = 2ФЕ), 1223849

15 мостью. р — магнитная проницаемость расо сматриваемой среды, S — удельная проводимость среды, изучаемой на проводимость, — диэлектрическая постоянная или диэлектрическая проницаемость этой среды.

Если рассмотреть непроводящую среду, в которой 8 равно О, то из уравнения (2) следует, что постоянная K является действительным числом. Тогда показатель экспоненциальной функции в выражении (1) является мнимым членом,которому соответствует лишь фазовый сдвиг в выражении затухания передаваемых сигналов. Иначе говоря,распространение электромагнитных волн в такой среде происходит без суммарного затухания энергии при существовании лишь геометрического затухания по амплитуде.

Если электрическая проводимость возрастает (например, проводящий буровой раствор), то наступает момент, когда член становится много больше члена j K . Из формулы (2)

2 видно, что член К становится мнимым. В выражении (1) показатель степени становится членом, имеющим составляющую и действительную составляющую, в сущности равные между собой.

Когда постоянная распространения

К продолжает возрастать с электрической проводимостью, действительная составляющая затухания пастет экспоненциально вместе с К. Из анализа следует, что в первой аппроксимации сдвиг фаз растет с диэлектрической проницаемостью, тогда как затухание амплитуды растет с электрической проводимостью.

Чтобы измерить характеристические параметры распространения электромагнитной во1 ны, передаваемой на радиочастоте в подземную формацию от передатчика, используют обычно по меньшей мере два приемника, продольно разнесенных друг относительно друга. Расстояние от передатчика до наиболее близкого из приемников в направлении ствола буровой скважины определяется поперечной глубиной формации, проводимость которой измеряется. Расстояние между приемниками определяется толщиной формации, используемой для замера характеристик распространения излучаемой волны. Этими характеристиками являются

55 относительное затухание сигналов, уловленных наиболее близким и наиболее удаленным к передатчику приемником, и фазовый сдвиг между сигналами, принятыми такой парой приемчиков.

Влияние электрической проводимости формаций на затухание и фазовый сдвиг становятся решающими с понижением частоты разведки. И наоборот, по мере увеличения частоты в область сверхвысоких частот становится решающим влиния диэлектрической постоянной или диэлектрической проницаемости пересекаемой зоны формации по сравнению с электрической проводиДля замера характеристических па, раметров формации, а именно удельной электрической проводимости и диэлектрической проницаемости или диэлектрической постоянной, проводят два замера распространения электромагнитных волн для каждой из зон исследуемой формации, например, измерение относительного затухания и измерение относительной фазы, Известно устройство, работающее в области сверхвысоких частот (микроволн), для определения характеристик распространения электромагнитных волн в среде, непосредственно окружающей стенку скважины, пересекающей подземные образования. Такое устройство содержит зонд, снабженный башмаком, предназначенным для прижима к стенке скважинв ствола, по которому его перемещают. На башмаке установлены передающая антенная и несколько приемным антенн типа объемных резонаторов. На рабочей частоте 1, 1 ГГц измеряют затухание и фазовый сдвиг волн, уловленных приемными антеннами, с целью нахождения величины диэлектрической постоянной зоны малой толщины вокруг ствола скважины непосредственно позади слоя бурового раствора (или глинистой корки). На столь высоких частотах величина диэлектрической постоянной среды оказывает определяющее влияние на замеры затухания и фазового сдвига в ущерб электрической проводимости, влияние которой на замеры слабеет по мере повышения частоты. Сочетание замеров затухания и фазового сдвига дает возможность полностью исключить влияние последнего фактора на определение диэлектрической постоянной

5 122З849 Ь или диэлектрической пронипаемости исследуемой среды (4).

Однако использование сверхвысоких частот ограничивает глубинность ис50 следований, 5

Наиболее близким к предлагаемому" является устройство для электромагнитного каротажа буровой скважины, содержащее зонд для перемещения в буровой скважине, электроды подсоеди- нения к электрической схеме, размещенные на этом зонде для осуществления преобразования между электрическими сигналами в зонде и сигналами электромагнитной энергии, распространяющимися в окружающей среце $5j.

Замеры затухания и относительной фазы волн, распространяющихся через подземные формации, выполняются поразному при данной расстоянии между исследуемой зоной и осью ствола.

При необходимости достичь больших глубин разведки приходится разносить электроды на расстояния, делающие их

25 установку на башмак сложно выполнимой. Тогда их устанавливают непосредственно на корпусе каротажного зонда.

Если расстояние, проходимое волнами между электроцами, растет с глубиной разведки и затухание электромагнитной волны в среде ее распространения является возрастающей функцией частоты, используют более низкие рабочие частоты, например, 35

20 — 30 МГц.

Чтобы получить замеры фазового сдвига, вызванного распространением в зоне подземного образрвания, расположенного на определенном расстоянии от скважины, используют электроды, расположенные от передатчика на расстоянии, большем того, которое их отделяет от электродов, предназначенных для замера затухания волны 5 в этой же зоне.

Используемые для электрического каротажа преобразователи излучения, а именно излучатели и .приемники, должны удовлетворять определенным условиям. В частности, они должны быть приспособлены к передаче энергии в сильно рассеивающие зоны, т.е, в зоны, где передача энергии сопровождается сильными потерями. Во вре- 55 мя передачи такие преобразователи должны передавать в окружающую среду большие количества энергии, во время приема они наоборот должны улавливать часто черезвычайно низкие уровни сигналов. Кроме того„ преобразователи должны обладать особыми свойствами ro направленности. При электромагнитном каротаже волны распространяются в направлении подземных формаций„а не продольному в стволе скважины. Поэтому так важно предусмотреть, чтобы используемые при каротаже преобразователи обладали выраженными свойствами направленности.

Применение катушек в некоторой степени дает возможность устранить недостатки, присущие антеннам, образованным обкладками конденсаторов.

В частности, катушки могут функционировать в слабо проводящих буровых растворах. Однако замечено, что у этого улучшения есть свои пределы и что уровень сигналов, приходящих к приемникам после расйространения сквозь подземные формации, часто черезвычайно мал. Для устранения искажений уловленных приемниками сигналов возникает необходимость в применении черезвычайно чувствительных электронных схем, что делает реализацию устройства более трудной, а

его работу более сложной. Особенно это характерно для устройств, paGoтающих вместе с относительно удаленной от передатчика парой катушек, где есть устройства, действующие по замеру сдвига фаз, соответствующего изучаемой формации.

Кроме того, следует учитывать, что затухание элек-.ромагнитной волны в среде ее распространения резко возрастает с электрической проводимостью этой среды. Поэтому при использова— нии известных устройств с падением удельного сопротивления бурового раствора менее О, 1 Ом на метр затухания волн в буровом растворе при передаче и приеме становятся такими, что от приемников невозможно получить пригодные к обработке показания о распространении волн через рассматриваемые формации.

Увеличивать мощность, излучаемую катушками, можно путем увеличения их диаметра, преимуществом чего является также уменьшение толщины бурового раствора, пересекаемого электромагнитной эгергией, выходящей из этих катушек, и соответствующего затухания. Однако возрастание. внешнего диа1223849 метра устройства ограничено размерами скважин, в которых оно должно ис— пользоваться, и габаритными соображениями, В области авиационной и космической связи известно использование антенн, образованных диэлектрической пластинкой, на поверхности которой располагается удлиненный проводящий элемент, тогда как другая ее поверхность металлизируется для образования второго проводящего элемента или плоскости массы. В таких двухпластинчатых антеннах использованы методы изготовления печатных плат. Их преимуществом является относительная простота согласования с формой авиационных или космических устройств при относительно ограниченном объеме.

Они хорошо показали себя при всенаправленной передаче в воздухе или в вакууме, где распространение электромагнитных волн происходит практически без потерь. Отдача таких антенн возрастает в квадрате использованной частоты и вполне приемлема для использования при связи на частотах до нескольких сот мегагерц. Но она не настолько велика, как у классических авиационных антенн, размеры которых возрастают в функции длины волны распространения излучения, которое они должны передавать в воздухе или в вакууме. Однако с учетом малого затухания, вносимого средой распространения, ухудшение отдачи двухпластинчатых антенн компенсируется их

l преимуществами, особенно в отношении габаритов.

Целью изобретения является повышение точности измерения характеристик распространения электромагнитной волны в среде, окружающей ствол буровой скважины, пересекающей геологические формации.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для электромагнитного каротажа буровой скважины, содержащем зонд для перемещения в буровой скважине, электроды, подсоединенные к электрической схеме, размещенные в этом зонде для осуществления преобразования электрических сигналов генерируемых в зонде, и сигналов электромагнитной энергии, распространяющихся в окружающей среде, упомянутый зонд имеет по меньшей мере одну антенну, содержащую удлиподключена к электроду, а электрическая жила — к удлиненному электроду в месте, необходимом для согласования импеданса антенны с импедансом коаксиального кабеля.

Электрод выполнен в виде плоскости, параллельной поверхности изоля40 тора, на которой размещен по криволинейному пути удлиненный электрод.

Улучшение возможностей устройств электромагнитного каротажа достигается увеличением мощности излучения, 45 создаваемой этими устройствами, в пределах размеров зондов, действующих в эксплуатационных условиях в буровых скважинах.

Устройство содержит в качестве

50 преобразователя излучения настоящую антенну, которая может быть при необходимости согласована в функции частоты передаваемого излучения. Для этого электрическая связь между дву55 мя элементами является короткозамкнутой,.и полезная длина первого элемента настраивается в функции длины волны распространения упомянутой

30 ненный» электрод, и электрод, расположенный напротив и на заданном расстоянии от удлиненного электрода по всей полезной длине последнего, при этом противоположные участки удлиненного электрода и электрода разделены изолятором и соединены электрически друг с другом у одного из концов длины удлиненного электрода, причем конец удлиненного электрода электрически соединен с электродом при помощи катушки индуктивности, удлиненный электрод размещен по криволинейному пути, параллельно заданной поверхности изолятора, электрод параллелен этой поверхности, а удлиненный электрод расположен на внешней стороне зонда.

При этом электрическая связь между электродами выполнена в виде короткозамкнутой перемычки, и полезную длину удлиненного электрода, отсчитанную от его короткозамкнутого концы, выбирают в функции длины волны распространения электромагнитной энергии заданной частоты в изоляторе.

Кроме того, упомянутая антенна соединена электрическим кабелем для передачи электромагнитной энергии с заданной частотой между антенной и электрической схемой в зонде, при этом оболочка коаксиального кабеля

1223849 электромагнитной энергии в непроводящей среде, Укаэанные антенны могут быть эффективно приспособлены для использования в устройствах каротажа для передачи или приема излучений вблизи ствола буровой скважины при существовании в плоскости отдачи эксплуатационных характеристик, намного превышающих характеристики излучающих систем известных устройств.

Такую антенну можно реализовать, используя технологию производства так называемых двухпластинчатых линий, согласно которой первый удлиненный проводящий элемент — электрод, наносится с помощью печати на первую поверхность пластины из изолирующего материала, тогда как другая поверхность металлизируется для образования второго проводящего элемента или плоскости массы. Эта технология используется для получения антенн, предназначенных для ненаправленной передачи электромагнитных излучений в непоглощающей среде типа воздуха или вакуума, т.е. в которой распространение эоектромагнитных воля происходит практически без потерь, что существенно для передачи информации.

Такие антенны с хорошими эксплуатационными характеристиками могут работать в сильно поглощающих средах типа тех, в которых происходит изменение при каротаже стволов буровых скважин, рля выполнения замеров искажений передаваемых электромагнит-ных сигналов. Кроме того, в срецах, окружающих ствол буровой скважины, в частности, в жидкостях типа буровых растворов, такие антенны дейст уют с очень хорошей отдачей на частотых порядка нескольких десятков мегагерц, используемых в устройствах для электромагнитного каротажа при глубинной разведке. Полученная отдача значительно превышает отдачу тех же антенн в воздухе или в вакууме при тех же частотах. Этот эффект черезвычайно благоприятен при относительных размерах распространения из лучекия в таких средах. Ведь чем больше мощность, излученная при передаче, и чем больше мощность сигнала ка входе приемника после распространения в излучаемой среде„ тем проще и точнее могут быть соответствующие замеры затухания и/или фа-. ,зового сдвига.

1(J

3.2

4п

Можно приспособить антенны указанного типа цля придания им соответствующих характеристик направленности, пригодных для каротажа в скважинах.

В то же время, регулирование механической длины антенны, установленной, например, на корпусе каротажного устройства, вызывает фазовый сдвиг токов по длине антенны, что способствует распространению излучения в окружающую среду в поперечном направлении относительно корпуса между передающей и приемной антеннами.

Применение антенн указанного типа в устройствах для каротажа буровых скважин дает значительный эффект.

Непроводящая среда зонда является пластиной из диэлектрического материала. Согласно другому варианту конструкции, приспособленному для работы в устройстве на низких частотах, непроводящий материал зонда является магнитным материалом с большой магнитной проницаемостью.

Соглас: о предпочтительному варианту импеданс каждой антенны согласуется с импедаксом коаксиальной ликии связи путем регулировки положения точки поцключения жилы коаксиалькой ликии связи по длине первого проводящего элемента.

В одной из конструктивных форм антенна устанавливается ка корпусе устройства. Желательно первый проводящий элемент разместить вокруг этого корпуса для уменьшения его длины параллельно продольному размеру последнего. Второй элемент, образующий цилиндрический элемент массы, расположен внутри первого элемента.

Тогда второй элемент может играть роль экрана относительно первого элемента против воздействия помех от сигналов внутри зонда, наприг ер от тока,, питающего генератор передатчика„ В частности, можно продлить второи элемент за пределы антенны для образования трубы экрана зонда изнутри„ где идут проводники питания схем устройства. Для улучшения защиты кокструкции антенны предусмотрены различные варианты, предельно уменьшающие или совсем исключающие распространение электромагнитной энергии с поперечной модой (вол55 на типа TEN) от передатчика к приемникам, обеспечивающие также наилучшую планировку внутреннего про)странства устройства.

11

12

Когда второй элемент антенн образует цилиндрический элемент массы внутри первого элемента, можно продлить последний с одной и с другой стороны антенны для получения непосредственного электрического контакта с внешней частью зонда. Предпочтительно образование зонда с помощью трубчатой стальной конструкции, часть которой используется для образования второго антенного элемента закрытого диэлектрическим материалом, служащим опорой для первого или излучающего элемента антенны.

Таким образом, в предлагаемом устройстве корпус зонда является проводником. Такая конструкция может найти применение во всех областях частот использования устройства, в том числе и при наиболее низких частотах. При этом появляется возможность сочетания устройств, использующих электромагнитные излучения, с устройствами, где применяются другие типы физических явлений. Один из вариантов конструкции предусматривают металлический электрод-проводник тока поперек исследуемой формации для измерения удельного сопротивления вместе с антенной указанного типа, второй проводящий элемент которой электрически соединен с корпусом электрода.

Можно предусмотреть увеличение отдачи антенн, используемых в предлагаемом устройстве, по сравнению с традиционными катушками, используемыми в устройствах для каротажа буровых скважин. Минимальные регистрирующие мощности распространения.излучения стали на порядок больше по величине в сравнении с ранее получаемыми. Такое улучшение значительно расширяет возможности предлагаемых устройств и область их применения, особенно когда антенны используются и как приемники, и как передатчики, при этом эффективность излучающей системы оказывается большей в несколько тысяч раз.

Устройства, снабженные антеннами указанного типа, дают возможность разведки сред, окружающих ствол скважины, в которой удельное сопротивление бурового раствора значительно меньше величины, которую раньше считали минимальной для точной работы устройств с электромагнитным распространением. Предлагаемые устройства

23549

) 7

t0

55 обладают уменьшенными как внешними, так и внутренними габаритами.

Рассмотренные антенны особенно хорошо сочетаются с монтажом на корпусе устройств глубинной разведки, которые должны действовать на частотах порядка несколько десятков мегагерц, как и устройства на катушках.

Вместе с тем обнаружено, что эти антенны могут применяться с устройствами для электромагнитного каротажа в относительно низкочастотном диапазоне, например ниже 10 МГц, что особенно предпочтительно при использовании материала с большой магнитной проницаемостью между двумя проводящими элементами антенны, а также могут использоваться в более высокочастотном диапазоне, например более

200 МГц. В частности, в последнем случае сравнительно просто получаются антенны, устанавливаемые на башмаках.

На фиг. 1 схематично изображено известное устройство для электромагнитного каротажа, на фиг. 2 — электрическая схема подключения известной антенны, на фиг. 3 — антенна двухпластинчатого типа, на фиг. 4 и 5 схема конструкции и подключения двухпластинчатой антенны, на фиг ° 6 — антенна для корпуса зонда, на фиг. 7 другая форма конструкции антенны для корпуса зонда,на фиг. 8 — схема монтажа антенны на устройстве для электромагнитного каротажа, на фиг. 9— вариант конструкции антенны для корпуса зонда, на фиг. 10 — зснд для каротажа, снабженный антеннами на корпусе, на. фиг. 11 — вариант конструкции зонда, на фиг. 12 — то же, разрез по диаметральной продольной плоскости, на фиг. 13 и 14 — схемы подключения двухпластинчатых антенн, на фиг. 15 — двухпластинчатая антенна в форме диска, на фиг. 16 — башмак устройства для каротажа, содержащий двухпластинчатые антенны, на фиг. 17 — второй вариант конструкции башмака, на фиг. 18 — третий вариант конструкции башмака, на фиг. 19— схематичное изображение конструкции устройства в сочетании с электродами и антеннами.

Буровая скважина 1 (фиг. 1), ограниченная стенкой 2 скважины, проходит сквозь геологические формации 3 от поверхности почвы 4 в вертикальном направлении. Скважина заполнена

13

1 буровым раствором 5, причем плотность бурового раствора определяется и регулируется с тем, чтобы гидростатическое давление, создаваемое буровым раствором на стенку 2 буровой скважины 1, уравновешивало внутреннее давление пройденных формаций и обеспечивало поддержание целостности стенки 2, В буровой скважине 1 подвешено устройство 6 для электромагнитного каротажа (диаграфии). Оно крепится на кабеле 7, служащем для его механической подвески,, во время перемещения в буровой скважине 1 и для электрической связи устройства

6 с наземным пунктом каротажной станции 8. На своем пути к этой станции кабель 7 проходит по блок-балансу 9, угловое перемещение которого дает возможность отслеживания изменений глубины устройства, а также позволяет управлять регистрирующим носителем, магнитным или фотографическим, например, в устройстве 10 регистрации для осуществления измерений или диаграфии данных, переданных от устройства 6 по кабелю 7, в- функции устройства 6.

Устройство 6 содержит удлиненный корпус 11 зонда или патрон, подвешенный за верхний край 1Z на кабеле

7 и содержащий внешнюю оболочку

13, предназначенную для изоляции рабочих частей устройства от скважины 1. По соседству с внутренним краем корпуса 11 установлен излучатель

14, образованный антенной, предназначенной для передачи электромагнитной энергии на радиочастотах в непосредственные окрестности ствола буровой скважины 1 и прилегающих формаций 3.

Над излучателем 14 на корпусе 11 установлена первая пара приемных антенн

15 и 16, вертикально разнесенных на заданное расстояние. Расстояние меж/ ду излучателем 14 и серединой L интервала, разделяющего приемную антенны 15 и 1-6, равно Оп

Над этой ларой антенн на корпусе

11 установлена другая пара приемных антенн 1? и 18, также разнесенных

/ продольно. Середина . интервала между этими антеннами располагается на расстоянии 0 из излучателя 14, . превышающем расстояние Эи

Излучатель 14 предназначен для излучения электромагнитной волны в о двугранный угол 360 вокруг оси корпуса 11 зонда. Он получает питание

223849 от генератора 19, расположенного внутри оболочки 13 при помощи коаксиального кабеля 20. Генератор 19 управл.яет также генератором 21, предназначенным для работы на несколько более высокой или низкой частоте (сс сдвигом на несколько десятков килогерц).

Приемные антенны 15 и 16 предназначены для выявления электромагнитных излучений, достигающих приемники после распространения через формации о

3 в двуграннсм угле 360 вокруг оси ствола буровой скважины 1. Они под— ключены к амплитудному ксмпаратору

22, воспринимающему частоту с выхода. генератора 21 на своем входе 23.

Приемпые антенны 17 и 18 соединенены со входами фазового детектора

24, на вход 25 которого поступает частота с выхода генератора 21.„

". 1

КО

Я)

55.!риемные антенны 15 и 16 соединены с амплитудным ксмпаратором 22 по коаксиальным кабелям 26 и 27 соответственно. Приемные антенны 17 и 18 соединены с фазовым детектором 25 коаксиальными кабелями 28 и 29 соответственно. Амплитудный компаратср

22 и фазовый детектор 24 содержит каждый смеситель сигналов, поступающих от генератора 21, и сигналов, воспринимаемых приемными антеннами

15, 16 и 17, 18 соответственно, с целью получения сигналов с относительно низкой частотой (несколько десятков килогерц) для определения, с одной стороны, разницы амплитуц сигналов, принятых приемными антеннами: 15 и 16, и, с другой стороны, разности фаз сигналов, принятых приемньы антеннами 17 и 18. Два соответствующих типа информации появляются на выходах 30 H 31 амплитудного компаратора 22 и фазового детектора Z4 соответственно и передаются на. поверхность по кабелю 7 к устройс.тву обработки 32, предназначенному для подачи на регистрируюшее устройство 10 сигналов каротажа, гредставляющих, например, диэлектрическую постоянную и/или электрическую проводимость исследуемых формапий при помощи распространения волн, излучаемых излучателем 14, Кабель 7 обеспечивает подачу энергии к гене-," раторам 19 и 21 а также к амплитудному компаратору 22 и фазовому детектору 24, расположенным в зонде 11.

1223849

Однако при применении таких устройств возникают определенные трудности из-за недостаточной мощности электромагнитного излучения, которое они могут обеспечить в исследуемых формациях. gàê, если затухание электромагнитных волн, распространяющихся в некоторой среде, возрастает с проводимостью этой среды, невозможно использовать такие устройства в буровых растворах с удельным сопротивлением менее О, 1 Ом на метр, что значительно сужает область их применения.

Излучатель 14 и приемные антенны

15 и 16 таких устройств обычно состоят из катушек с малым числом витков, например двух, устанавливаемых на изолирующей втулке, сделанной, например, из керамики. Известны по-, пытки увеличения мощности излучения, создаваемой с помощью таких катушек.

Однако эти усилия наталкиваются на габаритные пределы буровых устройств

15

20 и на электрические мощности, которые

25 могут быть созданы в устройствах, подвешенных на конце кабеля длиной в несколько тысяч метров, Антенна 33 двухпластинчатого типа (фиг. 3) образована сочетанием двух металлических элементов, нанесенных с обеих сторон диэлектрика с использованием методов, применяемых при изготовлении печатных схем. Плоская диэлектрическая пластина 34 содержит 35 на одной из своих поверхностей 35 проводящую медную пластину 36, имеющую в данном случае криволинейную форму и выполненную в виде плеча на диэлектрической пластине 34. Таким 40. диэлектриком может быть, например, высокотемпературная керамика. Противоположная поверхности 35 диэлектрической пластины 34 поверхность 37 полностью закрыта металлическим пок- 45 рытием, т.е. пластиной 38, выполненной., например, из меди, алюминия или инвара. Край 39 металлической пластины 36 диэлектрически соединена с металлическим покрытием 38 при помо- 50 щи короткозамкнутой связи 40 через диэлектрическую пластину 34, Со стороны нижней поверхности 37 к антенне 33 проходит коаксиальный кабель

41. Оболочка этого кабеля 41 элект- 55 рически соединяется с пластиной 38, тогда.как его жила после прохода сквозь диэлектрик припаивается к пластине 36 в точке 42, расположен— ной на заданном расстоянии от края

39. Криволинейная длина пластины 36 на диэлектрической пластине 34 между одним ее краем 39 и другим 43 электрически.не подключенным, равна в данном случае четверти длины волны распространения рабочей частоты антенны.

Пластину 38 обычно называют плоскостью массы, а пластину 36 рассматривают как собственно излучающий элемент.

В общем случа.е пластины, содержащие первый и второй металлические элементы из параллельных пластин 36 и 38, разделены непроводящей средой, образованной, например, твердой диэлектрической пластиной 34. Эти элементы электрически соединяются друг с другом у края, причем длина первого элемента определяется в функции длины волны, с которой электромагнитные сигналы распространяются в диэлектрике, разделяющем проводящие элементы при заданной частоте. Известно, что когда длина антенны передающей электромагнитное излучение, равна четверти длины волны этого излучения или кратна последнему, то входной импеданс антенны является действительным, В этом случае достигается оптимальность излучения такой антенны.

В антенне этого типа проводящие элементы разделены диэлектриком и расположены друг против друга, но для работы необязательно, чтобы второй проводящий элемент, соответствующий по "фиг. 3 пластине 38, простирался по всей поверхности.

Можно реализовать антенны, у которых второй проводник также является удлиненным элементом, располагающимся параллельно пути первого проводника и напротив последнего. Такое расположение, при котором второй элемент простирается в двух направлениях по плоскости или поверхности массы, дает определенное преимущество.

Когда рабочая частота антенны относительно низка, например, порядка нескольких десятков мегагерц, четверть длины соответствующей волны в воздухе представляет сравнительно большую величину в сравнении с размерами устройств для проведения ка1 2 23849

18 ротажа буровых скважин. При частоте

25 ИГц четверть длины волны распространения излучения в воздухе равна примерно 3 м. Если антенна устанавливается не в .воздухе, а в диэлектрическом материале (фиг. 3), длина волны, излучаемой в этот диэлектрик, меньше длины волны излучения в воздухе в силу большего значения диэлектрической постоянной материала, Это ясно из соотношения (2), определяющего постоянную распространения К. Когда проводимость Я среды, в которой помещена антенна, нулевая, можно записать уравнение (3)

Зная, что при нулевой проводимости постоянная распространения равна

K =г% д, гдето — длина волны, можно записать д (=-„=,Г

Если диэлектрическая проницае— масть диэлектрического материала, на котором нанесен первый элемент, превышает 1, т. е. диэлектрическую проницаемость воздуха или ваку ма, то длина волны распространения излучения в этой среде уменьшается в функции квадратного корня. этой диэлектрической проницаемости. Для диэлектрической среды с проницаемостью, равной 4, длина соответствующей волны будет порядка половины длины волны распространения излучения той же частоты в воздухе. Отсюда следует, что длина антенны, согласованной для четверти или полови-. ны длины волны, может быть разделена на два, когда эта антенна помещается в диэлектрик. Тогда при частоте

25 МГц длины антенны, необходимая для получения хорошей отдачи в диэлектрике, равна 1,5 м. Предусмотрены различные меры для реализации таких антенн в минимальных габар