Устройство для каротажа скважин

Устройство для каротажа скважин

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСК©МУ СВ ТИЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических .

Республик

<и>851309 (6t) Дополнительное к авт. сеид-еу (22) Заявлено 2%107> (21) 2831354/18-25 р )м, к.з с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

G 01 Ч 3/18

Государстмнный комитет

СССР но деяам нзобретеннй и отконтнй ()публиковано 300781 бюллетень |4928 (53) УДК 550.83 (088. 8) Дата опубликования описания 300781 (72) Авторы изобретения

В.Ф. Мечетин и В.A. Королев (71) Заявитель

Всесоюзный научно-исследовательский инст нефтепромысловой геофизики (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАРОТАЖА СКВАЖИН

Изобретение относится к промысло- . во-геофизической технике, в частности к аппаратуре, предназначенной для исследования характеристик, например, электрических, горных пород, пересеченных скважиной,и может быть использовано для исследования нефтяных, газовых и гидрогеологических скважин °

Известно устройство для каротажа скважин, включающее геофизические датчики, генератор переменного тока и измерительные преобразователи.

С целью повышения помехоустойчивости системы и стабильности нуля 15 это устройство снабжено каналом низкочастотного опорного напряжения и фаэочувствительными устройствами, управляемыми опорным сигналом (1).

Однако данное устройство не об- 20 ладает необходимой точностью измерения из-за недостаточной стабильности нулевого уровня. Так как s устройстве применяется амплитудная модуляция, то, несмотря на фаэочувствительное выпрямление, помехоустойчивость также недостаточна.

Недтабильность нулевого уровня ограничивает и динамический диапазон. Кроме того, -из-за неконтро- 30 лируемого изменения .параметров градуировочных характеристик изме- рительных каналов, а также влияния нестабильности тока питания датчиков появляются дополнительные погрешности измерения.

Известно также устройство, со- . держащее несколько геофизических датчиков, токовая цепь которых соединена с генератором переменного тока, и измерительные преобразователи с ключами переменного тока на входе (2).

1рименекые частотной модуляции в таком устройстве для передачи информации позволяет повысить стабильность нуля, расширить динамический диапазон, увеличить помехоустойчивость. Однако в ряде случаев точность измерений оказывается недостаточной. Кроме того, не устранены дополнительные погрешности измерений, обусловленные изменением температуры и нестабильностью тока питания датчиков. Измерения производятся на фиксированных поддиапазонах, при этом необходимы калибровка измерительных каналов перед началом измерений.

851309

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для каротажа скважин, включающее несколько геофизических датчиков, генератор переменного тока, цепь которого последовательно соединена с блоком эталонных сигналов и токовой цепью датчиков. Выходы блока эталонных сигналов и каждого из датчиков через многопозиционный электромеханический коммутатор, снабженный блоком индикации его положений, состоящим иэ скважинной и наземной частей, и блоком управления, подключены ко входам блока измерительных преобразовате лей, а выходы последнего — к выходным зажимам устройства (3). 15

Однако известное устройство характеризуется недостаточной точностью измерений из-за наличия погрешностей, обусловленных нестабильностью нулевого уровня, что ограничи- 20 вает точность измерения в нижней части поддиапаэона измерения, неконтролируемым изменением параметров градуировочной характеристики при изменении температур окружающей сре- 25 ды, нелинейностью градуировочной характеристики, достигающей ЗЪ,что ограничивает точность в верхней части подднапазона измерения, нестабильностью тока питания датчиков, а также взаимным влиянием между измерительными каналами. Кроме того, недостаточно широкий динамический диапазон измерительных каналов вызывает необходимость проведения измерений на фиксированном поддиапазоне измерения, что в случае сильного различия измеряемого параметра по величине, когда приходится работать на грубом поддиапазоне, приводит к большим погрешностям измерения в нижней 40 части поддиапазона. Недостатками этого устройства являются также необходимость ручной корректировки нулевых уровней и коэффициентов передачи в измерительных каналах 45 перед началом измерений, а также вы бора оператором необходимого поддиапаэона измерения, что усложняет процесс измерения и увеличивает время исследования скважин,и наличие 50 в составе устройства дистанционно управляемого электромеханического коммутатора.

Цель изобретения — повышение точности измерения. 55

Указанная цель достигается тем, что в устройство для каротажа скважин, включающее геофизические датчики, выходные зажимы, генератор переменного тока, цепь которого последовательно соединена с блоком эталонных 60 сигналов и токовой цепью датчиков, а выходы блока эталонных сигналов через коммутатор, снабженный блоком управления, подключены ко входам блока измерительных преобразователей, 65 дополнительно введены вычислительный блок и блок автоматического выбо.ра поддиапазона измерения, а коммутатор выполнен в виде двух управляемых ключей, первого и второго, причем выходы датчиков подключены ко

i входам блока автоматического выбора поддиапазона измерения, выходы которого соединены со входами блока измерительных преобразователей, управляющие входы первого и второго ключей соединены с выходом блока управления, второй выход которого подключен ко входу вычислительного блока, два другие входа вычислительного блока соединены с выходами блока измерительных преобразователей, а два выхода подключены к выходным зажимам устройства.

Кроме того, блок автоматического выбора поддиапазоюа выполнен управляемым величиной входного сигнала и включает в каждом канале устройства трансформатор управления, амплитудный детектор, два компаратора, два источника опорных напряжений, третий, четвертый и пятый управляемые ключи, схему управления этими ключами, трансформатор входного сигнала, шестой и седьмой управляемые ключи, эталонный резистор индикации, причем первичная обмотка трансформатора управления соединена с выходом датчика, а вторичная подключена к амплитудному детектору, выход которого соединен с первыми входами двух компараторов, а вторые входы компараторов подключены к источникам опорных напряжений, выходы компараторов соединены со входами схемы управления третьим, четвертым и пятым ключами, а выходы схемы управления подключены к управляющим входам третьего, четвертого и пятого ключей, включенным в отводы вторичной обмотки трансформатора входного сигнала, первичная обмотка которого через управляемые шестой и седьмой ключи соединена с выходами датчика, к этой же обмотке посредством седьмого управляемого ключа подключен эталонный резистор индикации, включенный в токовую цепь датчика.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства. устройство содержит геофизические датчики 1, . ° . 1„, блок 2 измерительных преобразователей, вычислительный блок 3, блок 4 управления, генератор 5 переменного тока, блок

6 эталонных сигналов, состоящий из эталонного резистора 7 и трансфор-. матора 8, блок 9 автоматического выбора поддиапаэона иЪмерения, каждый канал которого состоит иэ трансформатора 10 управления, амплитуд851309 ного детектора 11, компараторов 12 и 13, источников 14 и 15 опорного напряжения, схемы 16 управления ключами, третьего, четвертого и пятого управляемых ключей 17, 18 и 19, трансформатора 20 входного сигнала и резистора 21 индикации, седьмой, щестой, первый и второй управляемые ключи 22 — 25 в каждом канале, выход ные зажимы 26 и п-й канал 27 устройства.

Генератор 5 переменного тока последовательно соединен с эталонным резистором 7 блока 6 эталонных сигналов, резистором 23 индикации, блока 9 автоматического выбора поддиапазона измерения и токовой цепью датчиков 1 ... 1„ . Выходная цепь

f датчика 1 через управляемый ключ 23 подключена к первичной обмотке трансформатора 20 входного сигнала. К этой же обмотке посредством управ- . ляемого ключа 22 подключен резистор

21 индикации. Выводы обмотки трансформатора 20 через третий, четвертый и пятый управляемые ключи 17, 18 н 19 блока 9 автоматического выбора поддиапаэона соединены со входом блока 2 измерительных преобразователей. К этому же. входу через первый и второй управляемые ключи 24 и 25 подключены выводы вторичной обмотки трансформатора 8 блока 6 эталонных сигналов. Выход блока 2 измерительных преобразователей соединен со входом вычислительного блока 3, а выход последнего - с выходным зажимом 26. Управляющие входы ключей

22 — 25, а также один иэ входов вычислительного блока 3 соединены с выходами блока 4 управления.

Выходная цепь датчика 1„ соединена также с первичной обмоткой трансформатора 10 управления блока 9 автоматического выбора поддиапазона измерения. Вторичная обмотка трансформатора 10 подключена ко входу амплитудного детектора ll выход которого соединен с первыми входами компараторов 12 и 13, вторые входы которых подключены к источникам 14 и 15 опорных напряжений. Выходы компараторов 12 и 13 соединены со входами схемы 16 управления ключами, выходы которой подключены к управляющим входам ключей 17, 18 и 19 °

Устройство работает следующим образом.

Процесс измерения разбивается иа циклы, в каждом иэ которых выполняется несколько тактов измерения.

В первом из них измеряется исследуе мая величина, а в последующихэталониые сигналы, подключаемые ко входу измерительного канала. По.пОказаниям, полученным в каждом такте, рассчитывается величина измеряемого

I параметра. Работу устройства рассмотрим на примере одного из каналов.

Допустим, что при измерении кажущегося сопротивления пород градуиро10 вочная характеристика измерительного канала линейна и имеет вид

+ap, (1) где N - показания на выходе измерительного канала величина измеряемого кажуще — гося сопротивлениями а„,а - параметры градуировочной характеристики - нулевой уровень и коэффициент передачи измерительного канала.

В таком случае для получения результата измерения в каждом цикле необходимо выполнить по четыре такта измерений.

В первом такте измерения блок 4 управления открывает ключи 23, а ключи 22, 24 и 25 остаются закрытыми.

Генератор 5 создает переменный ток, протекающий через эталонный резистор 21 индикации и токовую цепь датчиков 1, ...1„. Выходное напряжение

25 датчика 1,, пропорциональное величине измеряемого кажущегося сопротивления, через Ьткрытые ключи 23 пода-. ется на первичную обмотку трансформатора 20 входного сигнала. Одновре30 менно это же напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора

10 управления, со вторичной обмотки которого оно подается на амплитудный детектор 11, где детектируется

З5 и в виде напряжения постоянного тока, пропорционального величине измеряемого кажущегося сопротивления, подается на входы компараторов 12 и 13 и сравнивается с опорными на10 пряжениями, задаваемыми источниками

14 и .15 и определяющими границы поддиапазонов измерения. В данном случае диапазон,измерения разделен на три поддиапаэона. Выходы компара торов 12 и 13 соединены со входами

45 схемы 16 управления ключами. Схема .16 управления ключами анализирует состояния .компараторов 12 и 13 и выдает команды управления ключами

17, 18 и 19 по следующему алгоритму.

50 Если компараторы 12 и 13 не срабатывают, то открывается ключ 17, а ключи 18 и 19.закрыты и измерение производится в первом подднапаэоне.

Если срабатывает компаратор 12, то открывается ключ 18, а ключи 17 и

l9 закрыты и измерение производится во втором поддиаиаэоне. Если же срабатывают оба компаратора, то открывается ключ 19, а ключи 17 и 18 закрыты и измерение производится © в третьем поддиапазоне.

Входной сигнал через открытый в данный момент один иэ ключей 17, 18 и 19 поступает на вход блока 2

Я измерительных преобразователей и на

851309

20

40

1д т

К зт (5) -(и -н„)(Отсюда р (12} го выходе формируется результат первого такта измерения

+ >g К ю (2)

Кn где К„ — коэффициент ослабления (увеличения) сигнала на данном поддиапазоне измерения.

Этот результат фиксируется в памяти вычислительного блока 3.

Во втором такте измерения блок 4 управления открывает ключ 24, а ключи 22, 23 и 25 остаются закрытыми. При этом на вход блока 2 измерительных .преобразователей подается напряжение, пропорциональное эталонной мере кажущегося сопротивления.

Это напряжение образуется на эталонном резисторе 7, включенном в токовую цепь датчика 1 . Значения эталонных мер, формируемые блоком эталонных сигналов, состоящим из резистора 7 и трансформатора 8 с многоотводной вторичной обмоткой, можно определить из следующих условий. Как известно, разность потенциалов, возникающая íà измерительнЫх электродах датчика (зонда), определяется формулой

1р (3)

К где I - ток питания зонда

К вЂ” коэффициент зондау кажущееся сопротивление среды.

Падение напряжения на резисторе

7 величиной R равно

Пэт = 1Пэт (4}

Требуя, чтобы падение напряМЬния

Пзт было равно разности потенциалов дП между измерительными электродами зонда в среде с кажущимся сопротивлением p, получают

Рэт= КьВэт- " (6)

Значения эталонных мер кажущихся сопротивлений, получаемых со вторичной обмотки трансформатора 8 равны эт= Кч Къ R (7) где К вЂ” коэфФициент трансформации 50 для каждого иэ выводов вторичной обмотки.

Таким образом, во втором такте измерения на вход блока 2 измерительных преобразователей подается напряжение, пропорциональное эталонной мере кажущегося сопротивления

9эт = Кр КЭ Взт.

На выходе получаются показания

М = а„+ а оэ„„, (8) которые запоминаются вычислительным 66 блоком 3.

В третьем такте блок управления открывает ключ 25, а ключи 22, 23 и 24 закрывает. На вход блока 2 измерительных преобразователей подает- Я ся напряжение, пропорциональное эталонной мере кажущегося сопротивления

1 зт,2 Ктф.Q "зт

В вычислительном блоке 3 запоминается результат третьего такта измерения

1Р (9)

Четвертый такт измерения проводится с целью определения коэффициента ослабления (увеличения) входного сиг-. нала в блоке автоматического выбора поддиапазона. В этом такте блок 4 управления открывает ключ 22, а ключи 23, 24 и 25 закрывает. При этом к первичной обМотке трансформатора 20 входного сигнала подается напряжение, пропорциональное эталонной мере кажущегося сопротивления

РМн,А. K> йин*. где R — величина сопротивления имад. резистора 21 индикации в

0 токовой цепи датчика.

Величина pä„ выбирается такой, чтобы она принадлежала первому, м самому чувствительному поддиапазону измерения. Это напряжение проходит через тот ключ блока автоматического выбора поддиапазона, который в данный момент открыт величиной входного сигнала, поэтому коэффициент ослабле ния (увеличения) сигнала эталонной меры р такой же, как и в случае измеренйя исследуемого кажущегося сопротивления, так как время цикла измерения выбирается таким образом, чтобы величина измеряемого сигнала эа это время практически не изменялась. Поэтому результат такта измерения имеет вид

Р н (11)

Полученные четыре уравнения с четырьмя неизвестными а,а,К„ и р решаются относительно р в вычислительном блоке 3 по алгоритму ("» "я) Рэт.,-("З »} Рэт., а результат выводится на выходной зажим 2б. Если же градуировочная характеристика измерительного преобразователя существенно нелинейна, ее можно аппроксимировать полиномом вида

N =. а + а х + ...+ а х ", (13) где а,а,...а — параметры градуиро.вочной характеристики.

В этом случае в каждом цикле измерения для исключения из конечного результата параметров градуировочной характеристики необходимо произвести m + 2 такта измерений.

В первом из тактов измеряется исследуемая величина, а в последующих - m эталонных мер и одна индикационная. В вычислительном блоке ре9 851309 10 шается система уравнений относитель- но

x x

N<= а„+ а — + ...а„

"11 и

Б = а+ а х „+ ..1„а x " (14)

ll и

На практике достаточно ограничиться первыми тремя членами полинома.

Как видно из выражения (12), полученного для конечного результата, он не зависит от параметров градуировочной характеристики. Следовательно, конечный результат измерений йе зависит от нестабильности нулевого уровня в измерительных каналах и от изменений параметров градуировочной характеристики под воэдействием.температуры.

Погрешность иэ-за нелинейности градуировочной характеристики также может быть снижена, даже если пользоваться алгоритмом для линейной характеристики. Это достигается тем, что одна иэ эталонных мер )э, выбирается в начале поддиапаэона, а вторая в конце его. Так как взаимное влияние измерительных каналов проявляется в изменении нулевых уровней, то, как указано выше, погрешность, обусловленная взаимным влиянием каналов, также уменьшается ° Погрешность, обусловленная нестабильностью тока питания датчиков, также снижается. Измеряемое кажущееся сопротивление определяется иэ формулы (3) следующим образом (15)

Значения эталонных мер кажущихся сопротивлений можно также выразить следующим образом

Ъ.—

Гзт. 1 I

При подстановке полученных выражений для р, S i "P t в формулу для конечного результата (12) ToK I в обеих частях равенства сокращается.

Независимость конечного результата от тока питания вытекает также и иэ физических соображений: через исследуемую среду и эталонные резисторы

7 и 21 протекает один и тот же ток.

Следовательно, результат измерений не зависит от изменений тока питания, если в каждом такте измерения внутри цикла ток I постоянен, что практически выполняется всегда выбором соответствующего времени цикла.

Автоматический выбор поддиапазона измерения в зависимости от измеряемой величины означает расширение динамического диапазона, что позволяет измерять геофизические параметры, изменяющиеся в широком диапазоне с одинаковой точностью независимо от их величины.

Если для известного устройства пределы измерения кажущегося сопротивления 200, 1000 и 5000 Ом м, а динамический диагаэон 1000, то, tlpH нимая нижнее значение измеряемого кажущегося сопротивления равным

0,2 Ом м, для предлагаемого устройства при трех поддиапазонах измерения получают,динамический диапазон, равный о оп м 2500. увелиI чением числа поддиапазонов эта вели)чина может быть увеличена и далее, причем точность измерения во всем диапазоне практически одинакова. Реализовать величину динамического диапазона можно, производя обработку информации в цифровой форме. Поэтому в предлагаемом устройстве вычислиЩ тельный блок 3 выполнен цифровым.

Для производства записи результатов измерений вычислительный блок 3 может включать цифроаналоговый преоб= разователь с разбивкой значений выходной величины на-подпиапазоны.

Так как результат измерений не зависит от нулевого уровня и коэффициента передачи измерительного канала, а выбор поддиапаэона измерения осуществляется автоматически, то отпадает необходимость в калибровке измерительного канала, а также в выборе оператором поддиапаэонов измерения, т.е. процесс измерения автоматизирован.

Предлагаемое устройство для каротажа скважин обеспечивает по сравнению с известным иовыаение точности измерения эа счет снижения погрешностей, обусловленных нестабиль40 ностъю нулевого уровня в измерительных каналах, неконтролируемым изменением параметров градуировочной характеристики, нелинейностью градуировочной характеристики, нестабиль-

4 ностью тока питания датчиков и взаимным влиянием измерительных каналов друг на друга.

Поскольку результат измерений не зависит от изменений параметров градуировочной характеристики, то измерительные преобразователи могут быть построены по самым простым, а следовательно, надежным схемам, что особенно важно для скважинных преобразователей, работающих в условиях высоких температур и механических нагрузок.

В предлагаемом устройстве осуществляется автоматический выбор поддиапаэона измерения, что значиЩ тельно расширяет динамический диапазон и точность измерений. Кроме того, устройство характеризуется отсутствием электромеханических коммутирующих узлов, что повышает его

Я надежность, автоматизацией процесса

851309 измерения и благодаря этому сокращением времени исследования скважин,i особенно при многоканальных измерениях и независимостью результатов измерений от параметров линии связи (каротажного кабеля). Устройство обладает также возможностью обработки информации и регистрации ее в цифровой форме.

Формула изобретения

1. Устройство для каротажа скважин, включающее геофизические датчики, выходные зажимы, генератор переменного тока, цепь которого последовательно соединена с блоком эталонных сигналов и токовой цепью датчиков, а выходы блока эталонных сигналов через коммутатор, снабженный блоком управления, подключены ко входам блока измерительных преобразователей, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно вве ены вычислительный блок и блок автоматического выбора поддиапаэона измерения, а коммутатор выполнен в виде двух управляемых ключей, первого и второго, причем выходы датчиков подключены ко входам блока автоматического выбора поддиапазона измерения, выходы которого соединены со входами блока Измерительных преобразователей, управляющие входы первого и второго ключей соединены с выходом блока управления, второй выход которого подключен ко входу вычислительного блока, два другие входа вычислительного блока соединены с выходами блока измерительных преобразователей, а два выхода подключены к выходным зажимам устройства.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок автоматического выбора подциапазона измерения выполнен управляемым величиной входного сигнала и включает в каждом канале трансформатор управления, амплитудный детектор, два компаратора, два источника опорных напряжений, третий, четвертый и пятый управляемые ключи, схему управления этими ключами, трансформатор входного сигнала, шестой и седьмой управляемые ключи, эталонный резистор индикации, причем первичная обмотка трансформатора управления соединена с выходом датчика, а вторичная подключена к амплитудному детектору, выход которого соединен с первыми входами двух компараторов, а вторые входы компараторов подключены к источникам опорных напряжений, выходы компараторов соединены со входами схемы управления третьим, четвертым

20 и пятым ключами, а выходы схемы управления подключены к управляющим входам третьего, четвертог и пятого ключей, включенным в отводы вторичной обмотки трансформатора входчого сигнала, первичная обмотка которого через управляемые шестой и седьмой ключи соединена с выходами датчика, к этой же обмотке посредством седьмого управляемого ключа подключен эталонный резистор индикации, включенный в токовую цепь датчика.

Ъ Источники информации, принятые во внимание прн экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 155115, кл. С 08 С 15/04, 1961.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 512445, кл. G 01 V 9/00, 1973.

3. Бармский A.Ã. Телеизмерительная система с частотным разделением каналов и частотной модуляцией для

4О скважинной измерительной аппаратуры.

Сб. Разведочная геофизика, М., Недра, 1967, вып.20, с. 84-91 (прототип).

851309

Закаэ 6347/64

Тиран 732 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r. Ухгород, ул. Проектная, 4

Составитель Н. Журавлева

Редактор М. Митровка ТехредИ. Астолош Корректор М. Демчих