СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО КАРОТАЖА

Название	СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО КАРОТАЖА
Разработчик (Авторы)	Ратушняк Александр Николаевич, Теплухин Владимир Клавдиевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2575802
Дата регистрации	23.10.2014
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича Уральского отделения Российской академии наук
Область применения (класс МПК)	G01V 3/30 (2006.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Предлагаемый способ относится к области геофизических исследований переменным электромагнитным полем, возбуждаемым индуктивным способом в геологоразведочных скважинах, и предназначен для определения электрического сопротивления вмещающих горных пород.

Область преимущественного применения - изучение электрических свойств горных пород в геологоразведочных скважинах.

Известен способ индукционного каротажа скважин, предложенный Г. Доллем в 1946 г. [1] и развитый в работах Аксельрода СМ., Кауфмана А.А. и Плюснина М.И. [2, 3, 4] и реализующая этот способ аппаратура различных российских и зарубежных фирм.

Этот способ индукционного каротажа основан на возбуждении индукционных токов во вмещающих горных породах гармоническим магнитным полем от тока в генераторной катушке с моментом, направленным вдоль оси скважины. Сопротивление вмещающих пород определяют по величине индуцируемого токами вторичного магнитного поля, измеряемого приемной катушкой, соосной генераторной [1-4].

Развитием индукционного каротажа с определением удельного сопротивления пород являются разработка способов высокочастотного изопараметрического каротажного индукционного зондирования скважин (ВИКИЗ) [5] и высокочастотного электромагнитного метода каротажа с определением диэлектрической проницаемости пород [6].

Однако известным способам присущи существенные недостатки. В способах индукционного каротажа, использующих соосные генераторные и измерительные катушки, с моментами вдоль оси скважины, определение удельного сопротивления пород возможно до величин не более 100 Ом·м [3, 4].

В работе [7] предложено выполнять индукционный каротаж с магнитными передатчиками и приемниками (индукционные катушки), ориентированными в поперечном направлении относительно продольной оси скважинного прибора, снимающими это ограничение.

Дальнейшим развитием индукционного каротажа является разработка многозондовых установок, содержащих системы трех ортогональных генераторных и измерительных зондов и измерений магнитного поля на разных частотах [8-10]. К недостаткам данного способа относятся сложность ее технического исполнения и необходимость применения мощных вычислительных систем для интерпретации измеренных данных [8].

Наиболее близким техническим решением является способ [11], взятый нами в качестве способа-прототипа.

В способе-прототипе, который относится к методам аэроэлектроразведки, электромагнитное поле в окружающем пространстве возбуждают гармоническими токами в двух взаимоперпендикулярных генераторных контурах, размещенных на одном самолете, сила тока в которых сдвинута по фазе на 90° относительно друг друга. Равные по величине магнитные моменты контуров направлены ортогонально направлению движения самолета. Результирующий вектор переменного магнитного поля вращается вокруг оси направления движения с частотой, равной частоте возбуждающего тока в генераторных контурах.

Измерения магнитного поля выполняют на некотором расстоянии от генераторных контуров с помощью второго самолета, буксирующего гондолу с двумя совмещенными измерительными контурами с равными моментами, ориентированными ортогонально друг другу и направлению движения самолетов. Ось гондолы с измерительными контурами находится на продолжении оси первого самолета. В однородной среде наводимые в измерительных контурах величины ЭДС, пропорциональные составляющим магнитного поля, равны по амплитуде, но сдвинуты по фазе на 90°.

Однако способ-прототип имеет недостаток, связанный с тем, что измерения магнитного поля проводят в условиях сбалансированного поля в однородной среде. Это достигается тем, что величина ЭДС в одном из измерительных контуров, сдвинутая по фазе на 90°, вычитается из ЭДС во втором измерительном контуре и общий сигнал в однородной среде равен нулю. Наличие проводящего тела около установки нарушает балансировку, что и отмечается регистратором, размещенным на борту второго самолета [11]. Таким образом, данный способ наблюдений пригоден для обнаружения локальных проводящих объектов и применяется для поисков проводящих руд. Этот способ не может быть использован для определения величины удельного сопротивления вмещающей среды, поскольку ее влияние на измеряемое магнитное поле является скомпенсированным.

Цель предлагаемого технического решения - увеличение диапазона определения удельного сопротивления горных пород и увеличение дальности зоны исследований при проведении геофизических исследований в геологоразведочных скважинах.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе индукционного каротажа индукционные токи во вмещающих горных породах возбуждают гармоническим магнитным полем от токов, равных по амплитуде, но находящихся в противофазе с частотой ω, в системе двух генераторных катушек с равными моментами М_x=J_xN_xS_x=J_yN_yS_y=Μ_y, ориентированными ортогонально друг другу и оси скважины Ζ, и перемещаемых по исследуемой скважине, а по фазочувствительным измерениям квадратур Re и Jm горизонтальных составляющих магнитной индукции В_х и В_y на различных расстояниях L_x и L_y по оси скважины определяют удельное электрическое сопротивление вмещающих горных пород.

Величина радиального момента общей системы двух генераторных катушек в течение одного периода остается постоянной, а направление момента изменяется по азимуту, описывая окружность с круговой частотой ω.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ. На фиг. 2 представлена зависимость Reh_x составляющей магнитного числа, создаваемого магнитным диполем с моментом Μ_X, от волнового параметра поля ρ=ωμ_OL²/ρ. На фиг. 3 представлена зависимость Jmh_x составляющей магнитного числа, создаваемого магнитным диполем с моментом Μ_X, от волнового параметра поля р. На фиг. 4 представлена зависимость фазового угла  создаваемого гармоническим магнитным диполем с моментом Μ_X, от волнового параметра поля р. На фиг. 5 представлены кривые ReB_x и JmB_x составляющей магнитной индукции, создаваемой магнитным диполем с моментом Μ_X при разносе Lx=2 м, по оси Z, пересекающей горизонтальный контакт пород с различными удельными сопротивлениями. На фиг. 6 представлены кривые ReB_y и JmB_y составляющей магнитной индукции, создаваемой магнитным диполем с моментом Μ_Y при разносе Ly=3 м, по оси Z, пересекающей горизонтальный контакт пород с различными удельными сопротивлениями.

Устройство (фиг. 1) содержит: силовой генератор 1, датчики фаз тока 2 и 3, совмещенные генераторные катушки 4 и 5 с горизонтальными моментами Μ_X и Μ_Y, измерительные катушки 6 и 7 горизонтальных составляющих магнитной индукции Вх и By, усилители сигналов 8 и 9, аналого-цифровые фазочувствительные измерители 10 и 11, регистрирующее устройство 12.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Электромагнитное поле в окружающем пространстве создают гармоническими токами, протекающими в возбуждающих катушках 4 и 5 с равными ортогональными моментами, с помощью силового генераторного устройства 1, сила тока в которых изменяется в противофазе с круговой частотой ω. Выходные напряжения с измерительных катушек 6 и 7, пропорциональные величинам горизонтальных составляющих вектора магнитной индукции, поступают через усилители сигналов 8 и 9 в аналого-цифровые фазочувствительные преобразователи 10 и 11, в которых с помощью сигналов с датчиков фаз токов 2 и 3 осуществляется определение значений параметров квадратур Re и Jm величин составляющих Вх и By магнитной индукции, регистрируемые в устройстве 12.

Переменный магнитный диполь с моментом Μ_X=JSN в безграничной среде с удельным электрическим сопротивлением ρ создает в экваториальной плоскости магнитное поле с единственной составляющей индукции, совпадающей с моментом [12]

 - волновое число среды.

В случае x=y=0, R=z≡|L| - разнос между диполем и точкой измерений, обозначив k²L²=jωµ_OL²/ρ=jp, где p - вещественный безразмерный волновой параметр поля, безразмерное магнитное число h_x имеет вид:

Аналогично описывается h_y - составляющая магнитного числа гармонического магнитного диполя с моментом Μ_Y.

Зависимость горизонтальной составляющей магнитного числа магнитного диполя от волнового параметра поля p=ωµ_OL²/ρ для известных величин частоты ω и разноса L используют для определения удельного сопротивления вмещающей среды.

На фиг. 2-4 представлены зависимости квадратур Re и Jm составляющей магнитного числа h_x и фазового угла  создаваемого гармоническим магнитным диполем с моментом Μ_X, от волнового параметра поля р.

Областями однозначного определения волнового параметра поля p в низкочастотной области спектра по измерениям квадратур Rehx, Jmhx и фазового угла φh_x являются:

- для квадратуры Re h_x: р<3.2;

- для квадратуры Jm h_x: р<0.7;

- для фазового угла φh_x: p<0.6.

Наилучшим разрешением для определения волнового параметра поля p по измерениям магнитного поля обладает квадратура Rehx, амплитуда которой в диапазоне 0.01<р<3.2 изменяется в 1.4 раза относительно величины поля на постоянном токе (р<0.01). В то же время квадратура Jmhx обладает большей чувствительностью к изменениям волнового параметра поля р, поскольку измеряется относительно нулевой величины при p<0.01.

Для однозначного определения волнового параметра поля и удельного сопротивления среды ρ=ωμ_OL²/p измерения двух горизонтальных составляющих Вх и By выполняют на различных разносах Lx и Ly в фазе с соответствующим им максимальным амплитудам моментов магнитных диполей Μ_X и Μ_Y.

Величины разносов L и оптимальные частоты ω измерений магнитного поля определяются по экстремальным значениям удельного электрического сопротивления вмещающей среды по всему разрезу скважины в области однозначных значений определения волнового параметра поля р.

Как видно из фиг. 2-4, предлагаемый способ позволяет определять удельное электрическое сопротивление вмещающих горных пород по значениям измеряемых величин горизонтальных составляющих магнитной индукции, возникающих от токов во вмещающих горных породах, индуцируемых магнитным полем от гармонических токов, равных по амплитуде и находящихся в противофазе в системе двух генераторных катушек с равными моментами, ориентированных ортогонально друг другу и к оси скважины и перемещаемых по исследуемой скважине.

Предлагаемый способ обладает большим радиусом исследования пород в окрестности скважины, поскольку магнитное поле магнитного диполя в квазистационарном случае на полярной оси вдвое превосходит по величине магнитное поле в экваториальной плоскости [12], используемое в известных способах индукционного каротажа [1, 5, 6].

Для определения горизонтальных границ сред, обладающих различными удельными электрическими сопротивлениями, с помощью предложенного способа выполнено математическое моделирование для подошвенной установки (точка измерений расположена ниже источника электромагнитного поля) с магнитным диполем, момент которого параллелен границе раздела сред.

На фиг. 5 представлены кривые ReB_x и JmB_x по оси Ζ составляющей магнитной индукции, создаваемой магнитным диполем с моментом Μ_X=1 А*м², пересекающей горизонтальный контакт пород с удельными сопротивлениями ρ₁=500 Ом·м, ρ₂=100 Ом·м при разносе Lx=2 м на частоте f=10⁶ Гц.

На фиг. 6 представлены кривые ReB_y и JmB_y по оси Ζ составляющей магнитной индукции, создаваемой магнитным диполем с моментом Μ_Y=1 А*м², пересекающей горизонтальный контакт пород с удельными сопротивлениями ρ₁=500 Ом·м, ρ₂=100 Ом·м при разносе Ly=3 м на частоте f=10⁶ Гц.

При наличии горизонтальной границы раздела сред с различными удельными сопротивлениями перемещение установки по скважине из среды с удельным сопротивлением ρ₁ в среду с удельным сопротивлением ρ₂ приводит к изменению величин составляющих магнитного поля вблизи границы сред в зависимости от контрастностей сред по удельному электрическому сопротивлению ρ₁/ρ₂, а также характеристик установки (моментов генераторных катушек М_х и М_у, частоты тока f, разносов между генераторными и измерительными катушками Lx и Ly).

Из графиков, представленных на фиг. 5 и 6, следует, что контакт сред с различными удельными электрическими сопротивлениями можно определить по положениям характерных точек локальных экстремумов на кривых ReB_x, JmB_x, ReB_y и JmB_y с учетом разносов Lx и Ly.

Как видно из фиг. 5 и 6, предлагаемый способ с использованием питающей установки, создающей вращающееся гармоническое магнитное поле, позволяет определять горизонтальные границы горных пород, обладающие различными удельными электрическими сопротивлениями, по поведению горизонтальных составляющих магнитной индукции, измеряемых вдоль оси скважины.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, который выражается в увеличении диапазона определения удельного электрического сопротивления горных пород в скважинах и большем радиусе исследуемой зоны.

Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым результатом. Анализ современного уровня техники показал, что предлагаемое техническое решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень" и может быть промышленно реализовано при использовании существующих технических средств.

Формула изобретения

Способ индукционного каротажа скважин, заключающийся в возбуждении индукционных токов в пространстве магнитным полем от гармонических токов, равных по амплитуде, но находящихся в противофазе, в системе двух совмещенных генераторных катушек с равными моментами, ориентированными ортогонально друг другу и направлению перемещения, и измерении составляющих магнитной индукции, совпадающих с направлениями моментов генераторных катушек, отличающийся тем, что измерения двух составляющих магнитной индукции выполняют на различных расстояниях от генераторных катушек и по их величинам на заданном спектре частот определяют удельное электрическое сопротивление вмещающих горных пород.

Изобретение "СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО КАРОТАЖА" (Ратушняк Александр Николаевич, Теплухин Владимир Клавдиевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога