Спосіб фокусування електричного струму та вимірювання опору гірських порід

Винахід відноситься до гірської промисловості, а саме, до галузі геофізичних промислових досліджень свердловин методами електричного каротажу по опору. Спосіб може бути використаний при управлінні гірсько-інженерними впливами на масиви гірських порід в процесі розвідки корисних копалин, будівництві та експлуатації свердловин та підземних гірських розробок. Відомий спосіб фокусування електричного струму для визначення питомого опору прилеглих до нафтових та газових свердловин гірських порід [Геофизические методы исследования скважин. Под. Ред. Запорожца В.М., Недра, 1983, с.279]. Згідно цього способу використовуються як мінімум три електроди, один з яких є екранним, другий - вимірювальним, а третій - зворотним, і підключені вони таким чином, що потенціали екранного та вимірювального електродів в процесі вимірювання підтримуються рівними між собою, а їхній струм замикають на зворотний електрод. Оскільки різниця потенціалів між екранним і вимірювальним електродами теоретично рівна нулю, струм між ними не протікає і впливом промивного розчину свердловини можна знехтувати. При цьому струм вимірювального електрода витісняється в глибину прилеглого пласта породи; завдяки чому досягається визначена глибинність дослідження питомого опору породи. В цьому способі вирівнювання потенціалів екранного і вимірювального електродів досягають завдяки автокомпенсації, коли в ланцюзі вимірювального електрода струм підтримується постійним, а струм через екранний електрод вимірюють так, щоб різниця напруг між екранним та вимірювальним електродом прагне до нуля. Недоліком відомого способу є необхідність застосування в ланцюгу зворотного зв'язку підсилювачів з коефіцієнтом підсилювання сотні тисяч, що приводить до погіршення стійкості системи та її збудження в процесі вимірювання. Крім цього, при такому способі вимірювання одночасно може працювати лише один вимірювальний електрод, що значно ускладнює процес вимірювання. Для живлення екранних електродів потрібні досить потужні джерела струму, що знижує надійність вимірювань та термостійкість. Відомий також спосіб електромагнітного каротажу свердловин, який включає збудження електромагнітного поля з допомогою двох горизонтальних генераторів та затухаючих горизонтальних магнітних компонент кожного генератора, осі яких розміщують під гострим кутом одне до одної, та реєструють затухання магнітних компонент, які ортогональні збуджуючому полю [авт. свід. СРСР №1805430 А1, кл. G0LV3/18,1993, бюл. №12]. Недоліком цього способу є значна трудомісткість та складність забезпечення відповідного гострого кута з віддаленням від осі свердловин та ненадійністю реєстрації затухання магнітних компонент. Відомий також спосіб геофізичного визначення неоднорідності масивів гірських порід шляхом оперативного управління інженерним впливом на масив з допомогою буріння шнурів та розміщення в останніх датчиків, які вимірюють фізичні параметри при двох значеннях вимірювальної бази [патент СРСР №1794253 A3, кл. G01V3/18, 1993, бюл. №5]. Недоліком відомого способу є складність у його здійсненні та недостатня надійність, що обумовлено значною кількістю вимірюваних фізичних параметрів при багаторазовій процедурі початкових і повторних вимірюваннях. Найбільш близьким технічним рішенням до винаходу є спосіб фокусування струму в апаратурі бокового каротажу та бокового мікрокаротажу з застосуванням екранного і вимірювального електродів, на які подають постійний струм, а вимірювання опору виконують у момент дотримання умови фокусування струму вимірювального електрода [патент UA №62298 А, Кл. 7 G01V3/20, 2003, бюл. №12]. Недоліком цього способу є його низька інформативність. Недостатня стійкість та збудження вимірювальної системи в процесі роботи. Для проведення вимірювання потрібні досить потужні джерела струму, що збільшує його вартість та унеможливлює застосування в автономному режимі при заживленні приладів від внутрішніх акумуляторів. Задачею, поставленою при реалізації запропонованого винаходу, є усунення зазначених недоліків, особливо при дослідженні глибоких свердловин, де має особливе значення термостійкий фактор. Технічний результат при реалізації даного винаходу полягає в забезпеченні надійності вимірювання та вдосконаленні відомого способу фокусування струму та вимірювання опору гірських порід, а також збільшення рівня сигналів, зменшення споживаної потужності. У запропонованому способі, який може бути використаний як для бокового, так і для мікробокового каротажу, досягається компенсація як температурного впливу, так і впливу опору промивного розчину. Причому форма струму може бути як постійною, так і змінною (синусоїдальною або імпульсною). Згідно винаходу, процес фокусування та вимірювання потенціалів екранного та вимірювального електродів здійснюють за допомогою додаткових двох електронних ключів та операційного підсилювача, підключеного по схемі диференційного підсилювача, входи якого підключені до екранного та вимірювального електродів, причому цикл вимірювання складають з чотирьох інтервалів, а питомий електричний опір пласта гірських порід визначають згідно співвідношення: RP=UE/IР, де PR - опір породи; UE - напруга екранного електрода; IP - величина струму через породу. В основу запропонованого винаходу закладена послідовність дій з вимірювальними електричними характеристиками згідно схеми (Фіг.1). Ця схема містить два підсилювача, які включені по диференційній схемі. Опір R1 та R2, R3 та R4, R5 та R6, R7 та R8 попарно рівні між собою. Таким чином, коефіцієнт підсилення кожного операційного підсилювача рівний 1. Джерело напруги екранного електрода VE формує струм екранного електрода. Опір RE являє собою еквівалентний опір в ланцюзі екранного електрода (форма струму може бути як постійною, так і змінною). Операційний підсилювач U1 формує напругу вимірювального електрода UA. Струм вимірювального електрода пропорційний опору прилеглих до нього пластів породи, які зазначені на схемі як RP. Напругу URO, пропорційну струму вимірювального електрода і відповідно провідності породи, вимірюють на резисторі RO операційним підсилювачем U2. Одночасно цю напругу подають на другий інверсний вхід підсилювача U1. Таким чином напругу на вимірювальному електроді визначають наступним чином: UA=UE-URO+URO=UE Величину резистора RO вибирають в діапазоні від десятків до сотень Ом в залежності від величини максимального вихідного струму підсилювача в діапазоні реєстрованих величин опору породи RP. Різницю в напрузі UA та UE визначають точністю резисторів та параметрами напруги нуля операційних підсилювачів, які в типовому випадку можуть складати десятки мікровольт. Таким чином, видно, що напруга екранного електрода є постійною, як і вимірювального, а змінним є струм вимірювального електрода. Питомий опір породи тоді визначають згідно співвідношення: RPO=K*UE*RO/URO=K*RP, де K - коефіцієнт зонда. Через вказаний резистор можуть протікати досить значні струми в порівнянні з струмом породи, особливо при високих опорах останньої, зокрема, величина цього струму може змінюватися завдяки дрейфу нулів операційного підсилювача та інших параметрів електронної схеми. Цьому також сприяє наявність шунтуючого опору промивного розчину, глини тощо. На Фіг.2, згідно винаходу, зображена послідовність вимірювання та алгоритм розрахунку опору породи і розчину, що дозволяє компенсувати температурний чинник та вплив опору промивного розчину. В схему фокусування та вимірювання різниці напруги між екранним та вимірювальними електродами додатково вводять два електронних ключа K1 та K2 та ще один операційний підсилювач U3, підключений по схемі диференційного підсилювача, входи якого підключають до екранного та вимірювального електродів. Схема містить операційні підсилювачі U1 та U2, які включені по диференційній схемі, опорів R1 та R2, R3 та R4, R5 та R6, R7 та R8, попарно рівних між собою, так, що їхні коефіцієнти підсилення кожного операційного підсилювача рівні одиниці, а напруга на вимірювальному електроді UA підтримується в процесі вимірювання рівною напрузі екранного електрода, джерело напруги екранного електрода VE, форма струму якого може бути як постійною так і змінною (синусоїдальною чи імпульсною), резистор RO, струм через який вимірюється еквівалентним опором породи RP та еквівалентним опором розчину промивної рідини RR, операційний підсилювач U3 з опорами R9 та R10, R11 та R12, який вимірює різницю напруги між вимірювальним та екранним електродами, що виникає через неідеальність операційних підсилювачів та вплив підвищених температур. Крім того, схема містить тестовий опір RT відомої величини, електронні ключі K1 та K2, які дозволяють організувати цикл вимірювання з чотирьох інтервалів Т1, Т2, Т3, Т4 так, що на інтервалі Т1 джерело напруги екранного електрода вимкнено і напруга екранного електрода рівна 0, ключі Κ1, Κ2 розімкнуті і вимірюють напругу URR1, яка в поточному інтервалі Т1 визначає нуль підсилювача U3, на інтервалах T2-Τ4 джерело екранного електрода включене, причому на інтервалі Т2 ключ K1 замкнутий, а K2 - розімкнутий і вимірюють напругу URR2 і URO2, величини яких залежать від поточного значення еквівалентних опорів породи та розчину, на інтервалі Т3 обидва ключа замкнені і до струму невідомого опору породи додається тестовий струм через відомий резистор RT і вимірюють напруги URR3 та UR03, на інтервалі Т4 обидва ключа розімкнуті і виконують фіксацію UR04 при нульовій проводимості в ланцюзі вимірювального електрода та проводять калібрування підсилювачів U1 і U2 при нульовій проводимості в вимірювальному ланцюзі. Завдяки цьому цикл вимірювання складається з чотирьох інтервалів Т1, Т2, Т3, Т4. на протязі першого інтервалу напруга екранного електрода рівна 0, ключі K1 та K2 розімкнуті, потім проводять послідовну фіксацію напруги URR1, яка в поточному інтервалі Т1 визначає нуль підсилювача U3. На інтервалах Т2, Т3, Т4 включають джерела напруги екранного електрода. На інтервалі Т2 ключ K1 замкнутий, а ключ K2 розімкнутий. Фіксують напругу URR2 і UR02, величини яких залежать від поточного значення опору розчину та гірської породи. На інтервалі Т3 обидва ключа замкнуті, а до струму невідомого опору породи додається тестовий струм через відомий резистор RT, а потім фіксують напругу URR3 та UR03. Струм в тестовому ланцюзі IT визначають з рівняння: IT=UE/RT На інтервалі Т4 обидва ключі розімкнуті; потім проводять фіксацію напруги UR04 при нульовій провідності в ланцюзі вимірювального електрода. На цьому інтервалі проводять калібровку підсилювачів U1 та U2 при нульовій провідності в вимірювальному ланцюзі. В запропонованому винаході послідовність визначення опору породи наступна. Різниця між струмами в вимірювальній DIR023, виміряних в інтервалах Т2 і Т3, і різниця між струмами через опір промивного розчину RR DIRR23 визначають згідно з наступним співвідношенням: DIRR23=IT-DIR023=UE/RT-(UR02-UR03)/RO Після цього поточні величину еквівалентного опору промивного розчину RR визначають як: RR=(URR2-URR3)/DIRR23 Величину струму через породу визначають як IP=DIR024+(URR1-URR2)/RR=(UR02-UR04)/RO+(URR1+URR2)/RR В кінцевому етапі вимірювання еквівалентний опір породи визначають із співвідношення: RP=UE/IP. В запропонованому способі досягнення технічного результату забезпечується завдяки введенню нових операцій вимірювання з допомогою додаткових підсилювачів та електронних ключів. Використання даного винаходу забезпечує в порівнянні з відомими способами підвищення рівня сигналів, зменшення використаної потужності та підвищення надійності вимірювання.