Квалификационная работа (стр. 14 )

В процессе каротажа измеряются комплексные напряжения U1(ω1) и U2(ω2) с частотами ω1 и ω2, приложенные к электрическому разделителю и комплексные токи I1(ω1, ω2) и I2(ω1, ω2) , протекающие в измерительной цепи между электрическим разделителем и корпусной точкой прибора, металлическим кронштейном приборного контейнера и корпусной точкой прибора. Об электрофизических параметрах разбуриваемого пласта судят по комплексным проводимостям, характеризующим разбуриваемый пласт и буровой раствор внутри бурильной трубы в зоне расположения приборного контейнера ЗТС.

Калибровка измерительной системы сводится к измерению токов I1, I2 и напряжений U1,U2 при заданных тестовых воздействиях на входе системы.

Принцип действия ЭМК изображён на схеме замещения модуля (рис.3.22), где 1 и 2 – бурильные трубы, электрически изолированные друг от друга электрическим разделителем, 3- металлический кронштейн, д. т.1 и д. т.2- датчики тока; Y1 и Y2 –комплексные проводимости между бурильными трубами 2,1 и кронштейном 3; Y3 – комплексная проводимость между трубами 1 и 2, обусловленная электрофизическими параметрами разбуриваемого пласта и бурового раствора; Y10, Y20, Y30 – комплексные проводимости, обусловленные паразитными емкостными и гальваническими связями между электродами.

Рис.3.22.

Система функционирует следующим образом.

Переменное двухчастотное электрическое поле возбуждается в зоне контроля напряжениями U1(ω1) и U2(ω2), приложенными к электрическому разделителю, т. е. между бурильными трубами 2 и 1 и корпусной точкой прибора(┴).

Сигналы реакции контролируемой среды определяются комплексными токами, измеряемыми датчиками тока 1 и 2. Измеряются следующие величины:

где U1, U2 и I1, I2- истинные напряжения и токи в измерительной цепи; Uu1, Uu2, Iu1, Iu2-измеренные напряжения и токи; К1(ω1), К2(ω2), К3(ω1), К5(ω2), К6(ω2), К(ω1)- комплексные коэффициенты передачи измеренных тока и напряжения. По измеренным токам и напряжениям определяют комплексные проводимости Yu1, Yu2,Yu3, связанные с их истинными значениями соотношениями

Из измеренных комплексных проводимостей Yu1, Yu2,Yu3 выделяют информативные составляющие Y1, Y2,Y3, проводится калибровка измерительной системы. Прибор отключается от электродов 1,2 и 3, к соответствующим зажимам подключается калиброванная нагрузка: Y3k1, Y1k1, Y2k1- между зажимами 1-2, 1-3, 2-3(см. рис.2), затем-Y3k1, Y1k1, Y2k1. При этих калиброванных нагрузках измеряются комплексные токи I1, I2 и напряжения U1,U2, затем определяются комплексные проводимости

Аналогично определяют проводимости Yu3k1(ω1), Yu1k2(ω1), Yu2k2(ω2), Yu2k2(ω2) при калиброванной нагрузке Y3k2,Y3k2, Y2k2. По результатам калибровки определяют неинформативные составляющие Y10, Y20, Y30 и комплексные коэффициенты передачи К14(ω1), К13(ω1), К25(ω2), К26(ω2).

Информативные составляющие комплексных проводимостей определяют по результатам измерения и калибровки.

Полученные комплексные проводимости характеризуют электрофизические параметры разбуриваемого пласта горных пород и бурового раствора.

Модуль ЭМК выполняет контрольно-измерительные операции в процессе бурения.

1.  Возбуждение переменного двухчастотного электрического поля в зоне контроля с использованием конструкции электрического разделителя и приборного контейнера ЗТС в качестве электродов-зондов.

2.  Измерение комплексных напряжений U1(ω1) и U2(ω2), приложенных к разделителю, и комплексных токов I1, I2, протекающих в измерительной цепи между разделителем и корпусной точкой прибора, металлическим кронштейном и корпусной точкой прибора.

3.  Определение комплексных проводимостей, характеризующих разбуриваемые пласты и буровой раствор внутри бурильной трубы в зоне расположения приборного контейнера.

4.  Калибровка измерительной системы каротажа, сводящаяся к измерению токов I1, I2 и напряжений U1(ω1) и U2(ω2) при заданных тестовых воздействиях на входе системы.

5.  Определение скорректированных комплексных проводимостей, характеризующих электрофизические параметры разбуриваемого пласта и бурового раствора внутри бурильной трубы с учётом помех паразитных проводимостей и приборных погрешностей системы каротажа.

6.  Определение изменений электрофизических параметров разбуриваемого пласта в зоне расположения КНБК по отношению к скорректированным комплексным проводимостям, характеризующим пласт и буровой раствор.

7.  Выбор рабочих частот ω1 и ω2 зондирующего электрического поля в соответствии с требуемой радиальной дальностью контроля электрофизических свойств околоскважинного пространства.

3.2.4.2.Функциональная схема модуля электромагнитного каротажа.

Функциональная схема модуля ЭМК изображена на рис.3.24: 1, 2, 3 –электронные ключи, 4 –первый датчик тока (д. т.1) , 5 – второй датчик тока (д. т.2), 6 – первый преобразователь напряжения, 7 – второй преобразователь напряжения, 8 – порт управления коммутацией

(ПУК) , 9 - двухканальный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), 10 – цифровой сигнальный процессор, 11 – многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

12 – устройство ввода-вывода (УВВ), 13 – память команд, 14 – память хранения результатов измерений.

Модуль работает следующим образом. Сигнал синхронизации поступает с передатчика

электромагнитного канала связи ЗТС на УВВ процессора, через ПУК сигналы подаются на электронные ключи 1, 2 и 3. Ключ 1 размыкается, отключая выходную цепь передатчика ЗТС от электрического разделителя, ключ 2 размыкается, преобразователь напряжения 7 расшунтируется и с него на разделитель подается зондирующий сигнал – напряжение U2(ω2). Ключ 3 замыкается, подключая преобразователь напряжения 7 к измерительной цепи. С преобразователей напряжений 7 и 6 через многоканальный АЦП 11 сигналы поступают в процессор 10, где они измеряются и обрабатываются. После замыкания ключа 3 и подачи зондирующего сигнала на электрический разделитель через датчики тока 4 и 5 (д. т.1 и д. т.2) протекают токи, замыкающиеся по следующим контурам.

Два токовых контура с преобразователем напряжения 6 – U1(ω1). Для датчика тока 4:

корпусная точка прибора (КТП)→ датчик 4 → ключ 3→блок 6→проводимости (Y1 – Y10) → КТП.

Для датчика тока 5: датчик 5 →ключ 3 →блок 6 → проводимости (Y3 – Y30) → блок 7 → датчик 5.

Во втором случае токами проводимости (Y1 – Y10) и (Y2 – Y20) пренебрегают из-за малых внутренних сопротивлений преобразователей.

Два токовых контура с преобразователем напряжения 7 – U2(ω2). Для датчика тока 4:

КТП → датчик 4 →датчик 5 →блок 7→ проводимости (Y2 – Y20) →КТП.

Для датчика тока 5: датчик 5 → ключ 3 → блок 6 → проводимости (Y3 – Y30) → , блок 7 → датчик 5.

Во втором случае током проводимости (Y1 – Y10) пренебрегают из-за малого внутреннего сопротивления преобразователя 6.

Преобразователи 6 и 7 выдают напряжения U1(ω1) и U2(ω2) с частотами ω1 и ω2, они работают одновременно в непрерывном режиме. Синусоидальные напряжения U1(ω1) и U2(ω2) формируются в цифровую форму в сигнальном процессоре 10 и через двухканальный ЦАП 9 подаются на блоки 6 и 7. Сигналы, пропорциональные токам с датчиков 4 и 5, после преобразования в многоканальном АЦП 11 в цифровой форме поступают в процессор 10. В нём фильтруются и измеряются токи I1, I2 с частотами ω1 и ω2. С преобразователей напряжения 6 и 7 напряжения U1(ω1) и U2(ω2) через АЦП 11 подаются в процессор 10, где измеряются и обрабатываются. Через УВВ 12 они поступают в передающее устройство ЗТС. В памяти команд 13 содержатся алгоритмы измерения и обработки сигналов. Память 14 хранит результаты, не передающиеся в наземную часть из-за ограниченной пропускной способности канала связи ЗТС.

Модуль ЭМК имеет преимущества с другими известными средствами каротажа в процессе бурения:

1.  Использование конструктивных элементов передающей части ЗТС в качестве электродов-зондов ЭМК.

2.  Одновременный каротаж разбуриваемого пласта и бурового раствора на двух рабочих частотах зондирующего электрического поля по двум параметрам: диэлектрической проницаемости среды и удельной электрической проводимости, что повышает надёжность и информативность каротажа.

3.  Выделение наиболее информативных составляющих измеряемых сигналов электрофизических параметров околоскважинного пространства и бурового раствора.

4.  Обработка информации бортовым компьютером ЗТС в реальном масштабе времени и передача в наземную часть ЗТС по беспроводному ЭМКС.

5.  Совместная работа системы каротажа с электромагнитным каналом связи в режиме разделения по времени.

6.  Простота изготовления модуля ЭМК на современной элементарной базе и микропроцессорной технике.

Модуль ЭМК изготовлен на двух платах, на одной размещена аналоговая часть, на другой - цифровая. Аналоговая часть геофизического модуля ЭМК состоит из усилителей мощности ортогональных сигналов возбуждения; нормирующих усилителей тока, выполненных на резисторах, конденсаторах и трансформаторах тока; мультиплексора измеряемых сигналов; коммутационных транзисторов; вспомогательных транзисторов; генератора управляющих напряжений; фазового выпрямителя.