Структурная схема аппаратуры

Структурная схема скважинного прибора представлена на рис. 3.20. Блок элект­роники обеспечивает поочередную работу зондов. Первой включается генераторная катушка Г_: и измеряется разность фаз между э.д.с., наведенными в измерительных ка­тушках И_р И₂. 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.

Рис. 3.20. Структурная схема скважинного прибора. Поясн. см. в тексте.

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.

Схема функционирования скважинного прибора и наземной панели

Скважинный прибор работает следующим образом (см. рис. 3.20). 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 1 на катушку Г₁ первого зонда подается рабочая частота. По команде из устройства 14 на­страивается частота гетеродина 20, смещенная относительно генераторной частоты на величину промежуточной частоты ) f. 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 А<р между входными сигналами и их периода Т, усредненного по двум измерениям. Величины А.<р 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 Г_: 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 А/ 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.

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. 3.21.

Рис. 3.21. Схема положения кольца. Поясн. см. в тексте

Здесь L₁ и L₂ — расстояния от из­ мерительных катушек И₁и И₂ до генера­торной катушки Г, b — радиус кольца, Z — расстояние от плоскости кольца до измерительной катушки И₁ ток в генера­торной катушке изменяется по закону

J = J ₀ ∙ e^iωt. Рабочая частота зонда f = ω /2π. Комплексное сопротивление цепи коль­ца на рабочей частоте R+iX. Активное сопротивление R складывается из потерь в высокоомном проводе и в конденсато­ре, включенном в разрыв цепи. Реактив­ное сопротивление Х= l/ ω C- ω L. В этом случае э.д.с., наводимая в j -й измери­тельной катушке, равна

где N = J * S * n — момент генераторной катушки; S, n — ее площадь и число витков; k = ω/ c — волновое число; с = 3*10⁸ м/с — электродинамическая постоянная; μ₀=4*π*10^-7 Гн/м — магнитная проницаемость воздуха. Остальные геометрические обо­значения даны на рис. 3.21. Расчет э.д.с. для многовитковых генераторной и измеритель­ных катушек выполняется на основе принципа суперпозиции.