Геометрические характеристики зондов

 

Схема зонда	Длина, м	База, м	Точка записи, м
И6 0.40 И5 1.60 Г5	2.00	0.40	3.28
И5 0.28 И4 1.13 Г4	1.41	0.28	2.88
И4 0.20 ИЗ 0.80 ГЗ	1.00	0.20	2.60
ИЗ 0.14 И2 0.57 Г2	0.71	0.14	2.40
И2 0.10 И1 0.40 Г1	0.50	0.10	2.26
ПС		3.72

Все генераторные и измерительные катушки зондов меньшей длины размещены между катушками двухметрового зонда

Структурная схема аппаратуры

 

Структурная схема скважинного прибора представлена на рис. 20.1. Блок электроники обеспечивает поочередную работу зондов. Первой включается генераторная катушка Г1, и измеряется разность фаз между э.д.с., наведенными в измерительных катушках И2, И3. Второй включается катушка Г2, и измеряется разность фаз между э.д.с., наведенными в измерительных катушках И2, И3. Далее поочередно включаются генераторные катушки остальных зондов.

 

 

Г5

Г4

Г3

Г2

Г1

 

И1

И2

И3

И4

И5

И6

 

 

Рис. 20.1. Структурная схема скважинного прибора.

 

 

Электронная схема содержит: усилители мощности — 1-5; смесители — 6-11; аналоговый коммутатор — 12; перестраиваемый гетеродин — 13; устройство управления скважинным прибором — 14; усилители промежуточной частоты — 15, 16; опорный кварцевый генератор — 17; широкополосный фазометр — 18; передатчик телесистемы—19; выходное устройство — 20; блок питания — 21.

Смесители расположены в зондовом устройстве рядом с измерительными катушками. Там же установлен аналоговый коммутатор. Остальные элементы схемы расположены в блоке электроники.

Скважинный прибор подключается к наземной панели с помощью трехжильного кабеля.

При регистрации на компьютеризированную каротажную станцию функции наземной панели может выполнять соответствующая программа.

Наземная панель — автономная микропроцессорная система, которая выполняет следующие основные функции:

- обеспечивает питание скважинного прибора;

- принимает цифровые сигналы от скважинного прибора;

- учитывает сигналы «нули воздуха» (фазовые сдвиги в непроводящей среде);

- трансформирует принятые сигналы в значения нормированной разности фаз;

- преобразует результаты обработки в аналоговые сигналы (если используются аналоговые регистраторы);

- передает результаты обработки по стандартному последовательному интерфейсу RS-232;

- отображает на светодиодном индикаторе коды текущих режимов и результаты измерений.

 

 

К скважинному прибору

 

Рис.20.2. Структурная схема наземной панели.

 

Наземная панель состоит из следующих блоков (рис. 20.2.):

- микроконтроллера;

- формирователя входного сигнала;

- 5-канального ЦАПа;

- интерфейса RS-232;

- энергонезависимого ОЗУ;

- светодиодного индикатора;

- блока управления;

- фильтра сигнала ПС (ФПС);

- сетевого источника питания;

- источника питания для скважинного прибора.

 

Микроконтроллер обеспечивает общее управление панелью.

Формирователь сигнала отделяет информационный сигнал от напряжения питания зонда (они передаются по одной жиле кабеля), а также преобразует его в последовательность прямоугольных импульсов с уровнями транзисторно-транзисторной логики.

Для аналоговых регистраторов 5-канальный ЦАП формирует напряжения постоянного тока, пропорциональные измеренным значениям разности фаз.

Интерфейс RS-232 предназначен для передачи измеренных значений в цифровом коде.

Энергонезависимое ОЗУ обеспечивает хранение значений «нулей воздуха» скважинного прибора, которые учитываются при каждом измерении.

Индикаторный светодиодный модуль отображает результаты измерений, а также коды текущих режимов работы.

Фильтр сигнала ПС осуществляет низкочастотную фильтрацию.

Сетевой источник питания преобразует сетевое напряжение в ряд постоянных напряжений: +5В, +24В и -12В, которые используются для питания собственно элементов панели.

Источник питания скважинного прибора преобразует выходное напряжение сетевого источника (+24В) в напряжение постоянного тока (+140В).

 

 

Схема функционирования скважинного прибора и наземной панели

 

Скважинный прибор работает следующим образом (см. рис. 4.2). Сигнал, стабилизированный по частоте, с опорного генератора 17 поступает в устройство управления скважинным прибором 14, в котором вырабатываются сигналы, управляющие генераторными частотами. По команде из того же устройства 14 через усилитель мощности на катушку Г1 первого зонда подается рабочая частота. По команде из устройства 14 настраивается частота гетеродина 13, смещенная относительно генераторной частоты на величину промежуточной частоты. Переменный ток в генераторной катушке возбуждает в окружающей среде электромагнитное поле. Это поле наводит в измерительных катушках И1-И6 э.д.с., зависящие от электрофизических свойств горных пород. Эти э.д.с. передаются на входы смесителей 6-11, а на их вторые входы поступает сигнал гетеродинной частоты. На выходе смесителей появляются сигналы промежуточной частоты с теми же фазами, что и у высокочастотных сигналов.

Процесс измерения происходит в два этапа. На первом этапе по команде из устройства 14 аналоговый коммутатор 12 подключает сигнал от смесителя 6 к усилителю промежуточной частоты 15, а сигнал от смесителя 7 — к усилителю промежуточной частоты 16. Усиленные и сформированные сигналы подаются на входы фазометра 18. После окончания переходных процессов в генераторных, гетеродинных цепях и усилителях 15, 16 по команде из устройства 14 фазометр 18 начинает первое измерение, в конце которого данные сохраняются. Затем начинается второй этап работы. По команде из устройства 14 аналоговый коммутатор 12 подключает сигнал от смесителя 6 к усилителю промежуточной частоты 16, а сигнал от смесителя 7 — к усилителю промежуточной частоты 15. Усиленные и сформированные сигналы подаются на входы фазометра 18. После окончания переходных процессов по команде из устройства 14 фазометр 18 начинает второе измерение. Измеренные данные суммируются с результатом первого измерения, при этом полезное значение разности фаз удваивается, а паразитное, возникающее из-за влияния на каналы усиления дестабилизирующих факторов, вычитается. Таким образом, перекрестная коммутация позволяет увеличить точность измерения. В фазометре происходит измерение разности фаз Δφ между входными сигналами и их периода Т, усредненного по двум измерениям. Величины Δφ и Т с помощью передатчика ТЛС-19 по линии связи передаются на регистрацию через выходное устройство 20. Это устройство выделяет передаваемую информацию на фоне тока, поступающего по кабелю к блоку питания 21. Блок 21 преобразует постоянный ток в напряжения питания узлов прибора.

После этого из устройства 14 поступает новая команда, обеспечивающая прекращение работы первой генераторной катушки Г1 и включение в работу второй генераторной катушки Г2, работающей на другой частоте. Одновременно на выходе гетеродина 13 появляется сигнал новой гетеродинной частоты, которая отличается от новой генераторной частоты на ту же самую величину Δφ. Аналоговый коммутатор 12 выбирает новую пару измерительных катушек И2, И3, и процесс измерения повторяется. Далее по очереди работают все остальные генераторные катушки Г3, Г4, Г5, каждая на своей частоте. Соответствующие подключения осуществляются в гетеродине 13 и в аналоговом коммутаторе 12. После окончания всего цикла вновь работает первая генераторная катушка Г1, и весь цикл повторяется.

Блок управления (тумблер «Тест-работа» и кнопки «Прокрутка вверх», «Прокрутка вниз») определяет режимы работы панели. Тумблер «Тест-работа» определяет два основных режима: тесты собственно для панели и для работы панели со скважинным прибором. Кнопки «Прокрутка вверх», «Прокрутка вниз» выбирают подрежимы в каждом из них.

 

Режим «Тест»

В этом режиме кнопками можно выбрать следующие подрежимы:

Тест 1:на всех аналоговых выходах выставлено напряжение +2.50В, соответствующее нулевому фазовому сдвигу;

Тест 2: на всех аналоговых выходах выставлено напряжение +3.19В, соответствующее фазовому сдвигу 25 градусов;

Тест 3-7:индикация по каждому каналу значений «нуль воздуха», записанных при калибровке прибора;

Тест 8—12:тестирование отдельных каналов путем подачи пилообразного напряжения 0-5В;

Тест 13: общий тест, когда пилообразное напряжение подается на все каналы.

Типы режимов и соответствующие им показания отображаются на индикаторном модуле.

 

Режим «Работа»

В этом режиме панель принимает сигналы от пяти зондов скважинного прибора, пропорциональные фазовому сдвигу и периоду измерения. Затем она преобразует их в фазовый сдвиг, нормированный на период измерения, после чего полученные значения модифицируются на величину «нулей воздуха», записанных при калибровке. В заключение выполняется масштабирование результатов в градусах, и выводятся показания на индикаторную панель. В процессе работы происходит автоматическая подстройка приемного устройства к уровню сигнала, принимаемого с кабеля. Настройка производится при подключении к панели скважинного прибора. Для регулировки уровня настройки используется один из каналов ЦАПа.

В режиме «Работа» кнопками «Прокрутка вверх» и «Прокрутка вниз» можно выбрать следующие подрежимы:

1:основной режим с последовательным отображением на индикаторной панели номеров принимаемых каналов. В случае ошибочного приема, когда относительное число ошибок передачи превышает 2-3%, на панель выводится мигающая надпись ERROR;

2-6:на индикаторах отображается текущее значение фазового сдвига соответствующего канала;

7: режим калибровки, при котором в энергонезависимое ОЗУ заносятся калибровочные константы, на величину которых модифицируются принимаемые сигналы.

 

Метрологическое обеспечение

 

Основным методом контроля метрологических характеристик является измерение в однородной среде с известным УЭС. Однородная среда может быть заменена водоемом с минерализованной водой. Для достижения допустимых погрешностей, обусловленных конечными размерами водоема, его глубина и поперечные размеры должны превышать 6 м. При этом необходимо обеспечить одинаковые значения УЭС во всем объеме раствора с погрешностью не более 1%. Из-за нелинейности зависимости разности фаз ∆φ от величины УЭС необходимо проводить измерения, по крайней мере, в пяти точках рабочего диапазона измерений. Это можно реализовать путем изменения минерализации воды.

Другим способом метрологического контроля является использование физической модели, имитирующей сигналы как в однородной среде. К такой модели предъявляют два основных требования: параметры должны поддаваться измерению с необходимой точностью; математическая модель, описывающая физическую, должна обеспечивать требуемую точность расчета. Для этих целей было выбрано проволочное кольцо, соосное с катушками зонда. Оно представляет собой замкнутый одновитковый контур, состоящий из последовательно включенных индуктивности L, сопротивления R и емкости конденсатора С. Схема расположения кольца приведена на рис. 4.

Здесь L1 и L2 — расстояния от измерительных катушек И1 и И2 до генераторной катушки Г, b — радиус кольца, z — расстояние от плоскости кольца до измерительной катушки И. Ток в генераторной катушке изменяется по закону: J=Jo·еίφt. Рабочая частота зонда: f=ω/2π. Комплексное сопротивление цепи кольца на рабочей частоте: R+iX. Активное сопротивление Д складывается из потерь в высокоомном проводе и в конденсаторе, включенном в разрыв цепи. Реактивное сопротивление: Х=l/wC—ωL.

Таблица 2