Каротажные осциллографы (фоторегистраторы).
Фоторегистраторы (ФР) оснащены зеркальными гальванометрами, имеющими традиционное устройство. Они включают в себя магнитную систему, между полюсами которой располагается тонкая проволочная рамка на упругих растяжках, над рамкой на верхней растяжке наклеено миниатюрное металлическое зеркальце (рис. 3.3). Когда через рамку пропускают измеряемый ток, его магнитное поле взаимодействует с магнитным полем системы, поворачивая рамку на определенный угол, а луч света от лампочки, отраженный зеркальцем, перемещается по диаграммной ленте (фотобумаге). Для повышения тряскоустойчивости рамку помещают в жидкость повышенной плотности.
Рис. 3.3. Принцип действия зеркального гальванометра
Зеркальные гальванометры имеют очень высокую чувствительность и характеризуются постоянными по току порядка Ki= 0,5 - 0,75 мкА/см. Отличительной особенностью гальванометров каротажных фоторегистраторов является низкая собственная частота fо=1-2 Гц и степень успокоения β=0,6-0,8.
Марки современных каротажных гальванометров: М007, МО 12, МОЗЗ. Все они имеют одинаковую конструкцию и отличаются только величиной постоянной по току и собственной частотой.
В составе ФР находится не один, а ряд (от 6 до 20) гальванометров, которые группируются в несколько измерительных каналов, содержащих от 1 до 3 гальванометров и набор элементов, служащих для регулировки электрической цепи измерительного канала.
Рис. 3.4. Электрическая схема измерительного канала фоторегистратора (а) и пример записи им диаграммы КС на пласте высокого сопротивления (б)
На рис. 3.4, а представлена типовая измерительная схема канала КС, содержащая 3 последовательно соединенных гальванометра. В цепи каждого из гальванометровпоследовательно с ним включен реостат Ry и параллельно реостат Rx. С помощью реостатов Rx измерительные цепи трех гальванометров регулируются таким образом, чтобы масштабы записи соседних гальванометров загрублялись в 5 раз и относились как 1:5:25. Это сделано для расширения диапазона записи измерительного канала, т.к. кажущиеся сопротивления горных пород и руд варьируют в очень широких пределах - от 0,1 до 10 -10 Омм. В случае измерения высоких значений КС блик первого, самого чувствительного гальванометра может "зашкалить", выйти вправо за пределы диаграммы, при этом в пределах диаграммы остается запись более грубого второго или самого грубого - третьего гальванометра, как это показано на рис. 3.4, б.
Реостаты Ry служат для регулировки степени успокоения гальванометров, конденсаторы С1-СЗ - для получения оптимальной собственной частоты.
Реостат Rz предназначен для регулировки полного сопротивления измерительного канала, а дроссель Др и конденсатор Со образуют фильтр, не пропускающий помехи переменного тока.
Каждый гальванометр снабжается электрическим корректором нуля, с помощью которого через гальванометр пропускают небольшой постоянный ток, знак и величину которого подбирают опытным путем, добиваясь нулевого положения блика гальванометра на диаграммной ленте . перед началом измерений.
Всего в разных фоторегистраторах бывает от 3 до 8 измерительных каналов, что позволяет за одну спуско-подъемную операцию записать сразу несколько разных каротажных диаграмм, например, 3 диаграммы КС с разными зондами и диаграмму ПС или диаграммы ГК и НТК и т.д.
В современных ФР предусмотрена возможность смещения начала записи разных кривых с учетом различного положения по глубине датчиков в скважинном приборе и возможность нанесения условных обозначений различных горных пород на литологическую колонку. Метки глубин на диаграммах "оцифровываются" - на них фотографируются показания счетчика глубин. Кроме того, на диаграмму наносятся марки времени (через каждые 0,5 мин.), а также линии горизонтальной и вертикальной разграфки (последние - через 2 см).
Лентопротяжные механизмы ФР обычно сдвоены, что позволяет записывать один и тот же параметр сразу в двух масштабах глубин: основном и детальном. Масштабы глубин стандартные и выбираются в соответствии с принятой методикой измерений. Основные масштабы глубин: 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500, 1:200; при детализации включаются дополнительные масштабы, для чего знаменатель основных уменьшается в 10 раз.
Марки каротажных ФР отечественного производства: НО13, НО15, НО17 (переносной), НО28, НО65 (с видимой фотозаписью ультрафиолетовым светом).
Каротажные станции и лаборатории, оснащенные фоторегистраторами, носят название автоматических: АКС-4, АКС/П-65, АКС/Л-7,СК-1-74идр.
Автоматические каротажные потенциометры. В этих
потенциометрах реализуется компенсационный способ измерения в автоматическом режиме (рис. 3.5, а).
Измеряемое напряжение U1, на участке реохорда lК, имеющего полную длину lN, сравнивается с компенсирующим напряжением Uк, которое создает ток от элемента Ек, питающего реохорд. Разность потенциалов небаланса ∆UНБ =UX-UK поступает на вход нуль-органа (усилителя) НО, усиливается и подается на реверсивный двигатель РД, направление вращения которого зависит от знака ∆ UНБ. Двигатель через редуктор перемещает ползунок в таком направлении, чтобы свести ∆UНБ к нулю. В момент компенсации ∆UНБ=0, следовательно:
где U2 - падение компенсирующего напряжения на всей длине реохорда lN, a U2/ lN =m - постоянная реохорда по напряжению.
Рис. 3.5. Электрическая схема измерительного канала автоматического потенциометра (а) и пример записи им диаграммы КС над пластом высокого сопротивления (б). Шкала "масштабная"
Ползунок реохорда скреплен с пером, пишущим на диаграммной ленте, которая перемещается синхронно с движением скважинного прибора по скважине.
Двигатель РД в системе автоматического потенциометра имеет такую же оптимальную собственную частоту f0 = 1 - 2 Гц и степень успокоения β = 0,6 — 0,8, как и гальванометр в системе фоторегистратора. Дроссель Др и конденсаторы С1 -С2 образуют фильтр помех переменного тока. Резистор Ro шунтирует начальную часть реохорда, благодаря чему постоянная по напряжению на ней получается в 5 раз меньше, чем на остальной части, так что в результате масштаб записи на последней загрубляется в 5 раз, как это показано на рис. 3.5, б. К шунтированию части реохорда прибегают для расширения диапазона измерения канала (по аналогии с включением 3 гальванометров в измерительный канал ФР).
Марки времени и метки глубин наносятся на диаграмму дополнительным пером, а линии вертикальной и горизонтальной разграфки наносятся на диаграммную бумагу заблаговременно, при ее изготовлении.
Большое преимущество автоматических потенциометров - это получение видимой записи, не нуждающейся в проявлении и закреплении.
Автоматические потенциометры, так же как и фоторегистраторы, содержат по несколько измерительных каналов. Так, например, потенциометры ПАСК-8, ПАСК-9 - двухканальные, а Н3010 -четырехканальный.
Лентопротяжные механизмы потенциометров также являются сдвоенными и имеют те же масштабы глубин, что и у фоторегистраторов.
Станции, которые оснащены такими потенциометрами, называются автоматическими электронными станциями: АЭКС-900, АЭКС-1500 и др.
Цифровые регистраторы. Регистрация диаграмм в цифровой форме облегчает их обработку и интерпретацию на ЭВМ, а это, в свою очередь, ускоряет интерпретацию и освобождает ее от субъективных ошибок, присущих отдельным интерпретаторам. Дополнительное преимущество цифровой записи - это возможность передачи информации на большие расстояния, например, со скважины в интерпретационные центры - по обычным системам связи, - по телефону или по радиоканалам - через спутники.
При аналоговой регистрации результаты ГИС представляют систему кривых, изображающих зависимость измеряемого параметра от глубины. Для обработки на ЭВМ геофизические данные необходимо преобразовать в цифровую форму - перейти от кривых к последовательности чисел а, представляющих значения геофизической величины на различных глубинах.
Возможны 2 способа преобразования каротажных данных в цифровую форму: с равномерным и неравномерным интервалом (или шагом дискретизации) по глубине. Наибольшее распространение получил первый способ.
При равномерной системе преобразования последовательность чисел имеет вид:
ava2,ai....ai,ai+1....an.
Значения глубин, к которым относятся эти числа, могут не записываться, а глубина каждой точки z,- определяется по формуле:
Zj=Zi +∆·i, где z, - глубина первой точки;
∆- шаг дискретизации;
i,- порядковый номер точки.
При этом неточность синхронизации может привести к погрешности в величине ∆ и, следовательно, в определении Zi. Чтобы избежать накопления ошибок, последовательность чисел аn разбивают на зоны.
Начало и конец зоны формируются по сигналу "Метка", который подается меткоуловителем, считывающим метки глубин с кабеля, на котором они установлены заранее через 20, 40, 50 или 100 м. В этом случае глубина определяется иначе:
z,- =(k-1)·l +∆·i,
где l - расстояние между метками на кабеле;
к - номер зоны (метки);
i - номер точки внутри зоны.
При этой системе погрешность в определении глубины снижается во столько раз, во сколько расстояние между метками меньше глубины исследуемого интервала.
Шаг дискретизации Д по глубине выбирается таким, чтобы отклонение кривой, построенной по цифровым данным, от исходной аналоговой кривой не превышало погрешности измерений. Обычно это 0,1-0,2 м. Для участков детализации на рудных и угольных интервалах шаг дискретизации уменьшают в 2-4 раза.
Напряжение, соответствующее величине измеряемого параметра в каждой точке, преобразуют в цифровой код с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП).
Запись цифровых данных каротажа может быть осуществлена как на магнитную ленту, так и на перфоленту. Запись на перфоленту обеспечивается быстродействующими ленточными перфораторами (150 строк в секунду), которые дают возможность, не снижая скорости каротажа, одновременно регистрировать до 5 параметров.
Цифровая запись обычно дублируется аналоговой (с помощью ФР). Аналоговая запись необходима для предварительной оценки результатов каротажа прямо на буровой.
В настоящее время отечественной приборостроительной промышленностью разработано и выпускается несколько видов цифровых регистрирующих комплексов: аппаратура цифровой регистрации данных каротажа АЦРК-2 "Тюмень", цифровые регистраторы "Триас", "Пласт", информационно-вычислительные комплексы ИВК-Н078, ИВК-Н090 и др.
С устройством цифровых регистраторов познакомимся на примере ЦР "Триас", структурная схема которого представлена на рис. 3.6.
Регистратор предназначен для цифровой регистрации данных каротажа на магнитной ленте в формате, обеспечивающем непосредственный ввод информации в ЭВМ серии ЕС. Он имеет магистральную структуру на основе шин интерфейса по международному стандарту МЭК - 625 -1.
Аналоговая информация АИ из измерительной панели каротажной лаборатории поступает непосредственно на АЦП, где преобразуется в цифровую форму.
Рис. 3.6. Функциональная схема цифрового регистратора "Триас"
Подача информации на АЦП производится путем последовательного опроса аналоговых выходов измерительных каналов панели по командам, получаемым от счетчика глубин СГ. Результаты преобразования сигналов передаются в интерфейс, а затем в накопитель на магнитной ленте НМЛ для записи в заданном формате. Управление передачей информации из АЦП в интерфейс и из интерфейса в НМЛ производится контроллером К.
Определение глубины z точек измерения скважинного прибора СП производится с помощью датчика глубин ДГ и счетчика глубин СГ. Последний определяет глубину z, формирует и передает на шины интерфейса такты запуска регистратора в соответствии с выбранным шагом квантования Д, цифровые отсчеты глубин z, признаки "Метка глубин" (МГ) и признаки направления перемещения СП в скважине.
При работе регистратора в режиме воспроизведения СГ формирует сигналы МГ и передает их устройствам каротажной лаборатории. При воспроизведении информация поступает в цифро-аналоговый преобразователь ЦАП по шинам интерфейса, а оттуда - в блок индикации БИ для визуального контроля данных каротажа и глубин при регистрации и воспроизведении. БИ производит индикацию фиксируемых данных в любом из 16 каналов регистрации в зависимости от установленного номера канала.
Регистратор обеспечивает несколько режимов работы с учетом его применения в каротажных лабораториях и системах обработки данных:
1. "Контроль" - режим для контроля входной информации при подготовке к записи.
2. "Контроль с записью" - для оценки работоспособности регистратора и записи процедур подготовки к регистрации цифровой информации на магнитной ленте (МЛ).
3. "Запись метки начала файла" - для записи на МЛ признака начала и номера файла.
4. "Запись поверок" - для регистрации положения нуля, калибровочных сигналов, стандарт-сигналов и пр.
5. "Запись данных" - для записи на МЛ величин z, МГ и показаний измерительных систем в выбранных каналах регистрации.
6. "Запись метки конца файла" - для записи на МЛ признака конца файла и его номера.
7. "Поиск" - для поиска необходимой информации на МЛ по номеру и меткам конца или начала файла.
8. "Воспроизведение" - для воспроизведения данных в аналоговой форме с помощью каротажного осциллографа.
В случае использования скважинных приборов с цифровым преобразователем информации внутри СП цифровая информация из него подается непосредственно на шины интерфейса, по которым поступает в НМЛ, где и фиксируется.
Число одновременно регистрируемых параметров - 16, включая канал z.
Шаг квантования по глубине - 0,01; 0,1 и 0,2 м.
Дискретность преобразования сигнала - 100 или 500 мкВ.
Диапазон цифрового преобразования - 80 дБ.
Носитель информации - магнитная лента шириной 25 мм, максимальная глубина каротажа, результаты которого умещаются на одной ленте - 2000 м при Д=0,1 м. Максимально допустимая скорость каротажа - 5000 м/час. Питается регистратор от сети с переменным напряжением 220 В.
Лаборатории, оснащенные цифровыми регистраторами: ЛЦК-10, ЖЦС-10,СКР-1идр.