антенные устройства для электромагнитных скважинных каротажных зондов

Формула изобретения

1. Антенна для электромагнитного скважинного каротажного зонда, содержащая сердечник с цилиндрической наружной поверхностью, в которой выполнены пазы и штыри для удерживания первого электрического проводника при заданной схеме расположения, причем первый электрический проводник расположен в пазах, при этом заданная схема расположения обеспечивает возможность формирования антенной первого магнитного дипольного момента, перпендикулярного продольной оси сердечника.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит второй проводник, расположенный в пазах и обеспечивающий возможность формирования антенной второго магнитного дипольного момента, перпендикулярного продольной оси сердечника и перпендикулярного первому магнитному дипольному моменту.

3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит третий электрический проводник, обеспечивающий возможность формирования антенной третьего магнитного дипольного момента, перпендикулярного первому и второму магнитным моментам и параллельного продольной оси сердечника, при этом первый, второй и третий магнитные моменты пересекаются в общей точке на оси.

4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит независимый электрический проводник, расположенный на сердечнике и размещенный по определенной схеме расположения, при этом проводник выполнен с возможностью изменять первый магнитный момент.

5. Антенна по п.4, отличающаяся тем, что независимый проводник образует замкнутый контур или диск.

6. Антенна для электромагнитного каротажного зонда, содержащая сердечник, первый электрический проводник, расположенный на диэлектрической подложке, обернутой вокруг сердечника, при этом проводник расположен таким образом, что антенна имеет первый магнитный дипольный момент, перпендикулярный продольной оси сердечника.

7. Антенна по п.6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит второй электрический проводник, расположенный на подложке таким образом, что антенна имеет второй магнитный дипольный момент, перпендикулярный продольной оси сердечника и перпендикулярный первому магнитному дипольному моменту.

8. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что содержит дополнительный электрический проводник, расположенный в антенне таким образом, что антенна имеет третий магнитный дипольный момент, перпендикулярный первому и второму магнитным моментам и параллельный продольной оси сердечника.

9. Антенна по п.8, отличающаяся тем, что дополнительный электрический проводник представляет собой элемент, выбранный из группы, состоящей из провода, металлической фольги и осажденной проводящей пленки.

10. Антенна по п.6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит независимый электрический проводник, расположенный на подложке, при этом независимый проводник выполнен с возможностью изменять первый магнитный момент.

11. Антенна по п.10, отличающаяся тем, что независимый проводник образует замкнутый контур или диск.

12. Скважинный каротажный зонд, содержащий опору, имеющую по меньшей мере одну установленную на ней антенну, и процессорные схемы, электрически соединенные с по меньшей мере одной антенной, отличающийся тем, что по меньшей мере одна антенна содержит сердечник с цилиндрической наружной поверхностью, в которой выполнены пазы и штыри для удерживания по меньшей мере одного электрического проводника при заданной схеме расположения, которая обеспечивает то, что первый и второй электрические проводники, расположенные в пазах, имеют первый и второй магнитные дипольные моменты, перпендикулярные продольной оси сердечника, причем первый магнитный дипольный момент имеет направление, отличное от направления второго магнитного дипольного момента.

13. Скважинный каротажный зонд по п.12, отличающийся тем, что дополнительно содержит третий электрический проводник, обеспечивающий возможность формирования антенной третьего магнитного дипольного момента, перпендикулярного первому и второму магнитным моментам и параллельного продольной оси сердечника, при этом первый, второй и третий магнитные моменты пересекаются в общей точке.

14. Скважинный каротажный зонд по п.12, отличающийся тем, что опора выполнена с возможностью расположения в стволе скважины на одном из элементов, выбранных из группы, состоящей из троса, удлинителя при роторном бурении или спирально свернутой трубы.

15. Скважинный каротажный зонд по п.12, отличающийся тем, что по меньшей мере одна антенна дополнительно содержит независимый электрический проводник, расположенный на сердечнике по заданной схеме расположения, при этом проводник выполнен с возможностью изменять первый или второй магнитный момент.

16. Скважинный каротажный зонд по п.15, отличающийся тем, что независимый проводник образует замкнутый контур или диск.

17. Скважинный каротажный зонд, содержащий опору, имеющую по меньшей мере одну установленную на ней антенну, и процессорные схемы, электрически соединенные с по меньшей мере одной антенной, отличающийся тем, что по меньшей мере одна антенна содержит диэлектрическую подложку, обернутую вокруг сердечника и имеющую расположенный на ней электрический проводник для формирования первого и второго проводящих путей, которые выполнены с возможностью иметь первый и второй магнитные дипольные моменты, перпендикулярные продольной оси сердечника, причем первый и второй магнитные моменты имеют разные направления.

18. Скважинный каротажный зонд по п.17, отличающийся тем, что содержит дополнительный проводник, выполненный таким образом, что антенна имеет третий магнитный дипольный момент, перпендикулярный первому и второму магнитным моментам и параллельный продольной оси сердечника.

19. Скважинный каротажный зонд по п.17, отличающийся тем, что электрический проводник представляет собой элемент, выбранный из группы, состоящей из провода, металлической фольги и осажденной проводящей пленки.

20. Скважинный каротажный зонд по п.17, отличающийся тем, что опора выполнена с возможностью расположения в стволе скважины на элементе, выбранном из группы, состоящей из троса, удлинителя при роторном бурении или спирально свернутой трубы.

21. Скважинный каротажный зонд по п.17, отличающийся тем, что антенна дополнительно содержит независимый электрический проводник, расположенный на подложке и выполненный с возможностью изменять первый или второй магнитный момент.

22. Скважинный каротажный зонд по п.21, отличающийся тем, что независимый электрический проводник образует замкнутый контур или диск.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к электромагнитному скважинному каротажному зонду, а более точно - к антенным устройствам для такого скважинного каротажного зонда.

Предшествующий уровень техники

Хорошо известны электромагнитные измерительные приборы для измерения свойств вещества или идентификации его состава. Для формирования изображений биологических тканей или для определения состава, например, горных пород используют способ ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Величины удельной электропроводности для биологических образцов или для горных пород получают, используя электромагнитные индукционные инструменты. Кроме того, известны скважинные каротажные устройства, действие которых основано на распространении электромагнитных волн и которые используются для измерения основных параметров, например амплитуды и фазового сдвига электромагнитных волн, распространяющихся через среду, чтобы определить специфические свойства среды.

Удельная электропроводность (или, наоборот, электрическое удельное сопротивление) является важным свойством подземных горных пород, определяемым при геологических изысканиях и разведке на нефть, газ и воду, потому что многие ископаемые и углеводороды являются менее проводящими, чем обычные осадочные породы. Таким образом, величина удельной электропроводности часто является показателем наличия и количества нефти, газа или воды. Способы индукционного каротажа основаны на том, что изменение электрических токов и связанное с ними изменение магнитного потока индуцируют электрические токи.

В каротажных приборах, основанных на распространении электромагнитных волн, обычно используют многочисленные продольно разнесенные передающие антенны, работающие на одном или более числе частот, и множество продольно разнесенных приемных пар. Электромагнитная волна распространяется от передающей антенны в породу вблизи ствола скважины и принимается приемной антенной (антеннами). Объединяя основные измерения фазы и амплитуды, можно определить множество параметров, представляющих интерес. В число таких параметров входят электрическое удельное сопротивление, диэлектрическая проницаемость и пористость породы, а также степень, до которой текучая среда в стволе скважины перемещается в горную породу.

Передающие антенны на индукционных каротажных приборах создают изменяющееся во времени магнитное поле, когда к ним подведен изменяющийся во времени электрический ток. Изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует вихревые токи в окружающих горных породах. Вихревые токи наводят сигналы напряжения в приемных антеннах, которые затем измеряют. Величина наведенных сигналов напряжения изменяется в соответствии со свойствами породы. Таким образом могут быть определены свойства породы.

Обычные антенны состоят из катушек, установленных на приборах так, что оси катушек параллельны центральной или продольной оси прибора. Следовательно, индуцированное магнитное поле также параллельно центральной оси скважины, а соответствующие индуцированные вихревые токи образуют петли, лежащие в плоскостях, перпендикулярных оси скважины.

При исследовании слоистых горных пород показания индукционных каротажных приборов сильно зависят от проводящих слоев, расположенных параллельно вихревым токам. Непроводящие слои, расположенные в проводящих слоях, не будут вносить вклад в сигнал реагирования, и, следовательно, их вклады будут маскироваться реагированием проводящих слоев. Таким образом, непроводящие слои не выявляются обычными каротажными приборами.

Многие горные породы состоят из проводящих слоев с проложенными межу ними непроводящими слоями. Непроводящие слои образуются углеводородами, расположенными в проводящем слое. Поэтому обычные каротажные приборы имеют ограниченное применение для исследования слоистых пород.

Известно техническое решение по выявлению непроводящих слоев, расположенных в проводящих слоях. В патенте США №5781436 раскрыт способ, который заключается в избирательном пропускании переменного тока через передающие катушки, размещенные в стволе скважины, при этом по меньшей мере одна катушка имеет ось, ориентированную в другом направлении относительно осевой ориентации остальных передающих катушек.

Катушечное устройство, раскрытое в патенте США №5781436, состоит из нескольких передающих катушек, центры которых размещены в разных местах вдоль прибора, а оси имеют различные ориентации. Несколько катушек имеют обычную ориентацию, т.е. их оси параллельны оси прибора и, следовательно, оси скважины. Оси других катушек перпендикулярны оси прибора. Это устройство обычно называют устройством с поперечным расположением катушек.

Таким образом, в способах поперечного электромагнитного каротажа используют антенны, магнитный момент которых размещен поперечно к продольной оси скважины. Магнитный момент "m" антенны катушечного или соленоидного типа определяется как векторная величина, ориентированная параллельно индуцированному магнитному полю, при этом его величина пропорциональна соответствующему магнитному моменту. В первом приближении катушку с магнитным моментом m можно рассматривать как симметричную вибраторную антенну вследствие наведенных магнитных полюсов.

В некоторых случаях желательно, чтобы множество магнитных моментов имели общую точку пересечения, но разные ориентации. Например, симметричные вибраторные антенны могли быть выполнены таким образом, что их магнитные моменты были направлены по взаимно перпендикулярным направлениям. Конструкция из множества симметричных вибраторных антенн, в которой наведенные магнитные моменты ориентированы ортогонально в трех разных направлениях, называют трехосной ортогональной системой магнитных симметричных вибраторных антенн.

Каротажный прибор, оснащенный ортогональной системой магнитных симметричных вибраторных антенн, имеет преимущество по сравнению с конструкцией, в которой используются стандартные соленоидные катушки, размещенные в разных местах по оси прибора и в разных ориентациях (см., например, патент США №5781436).

Однако непрактично оснащать ортогональные магнитные симметричные вибраторные антенны обычными соленоидными катушками из-за того, что каротажные приборы должны иметь сравнительно небольшие диаметры. Конструкции, состоящие из соленоидных катушек, оси которых перпендикулярны центральной оси скважины, занимают значительную часть пространства внутри каротажного прибора.

Кроме передающих катушек и приемных катушек, каротажный прибор обычно требуется оснащать также "компенсационными" катушками, в которых магнитное поле индуцирует электрический ток в приемных катушках, противоположный и равный по величине току, который индуцируется в приемной катушке, когда прибор расположен в непроводящей среде, например в воздухе. Компенсационные катушки могут быть последовательно соединены как с передающей катушкой, так и с приемной катушкой. Выход приемника устанавливают на нуль, изменяя осевое расстояние между передающей или приемной катушками и компенсационными катушками. Этот способ тарирования обычно называют взаимным симметрированием (балансированием).

Поперечные магнитные поля полезны также при использовании способов на основе ЯМР. Например, в патенте США №5602557 описывается устройство, которое имеет два контура проводника, каждый из которых образован двумя седлообразными рамками, расположенными противоположно друг другу и повернутыми друг относительно друга на 90°.

Краткое изложение существа изобретения

Одним аспектом изобретения является антенна для электромагнитного скважинного каротажного зонда, которая содержит сердечник с цилиндрической наружной поверхностью, имеющей пазы и штыри для удерживания первого электрического проводника в определенном положении в схеме расположения, причем первый электрический проводник расположен в пазах, а схема расположения выполнена так, что обеспечивает формирование у антенны первого магнитного дипольного момента, перпендикулярного продольной оси сердечника.

Другим аспектом изобретения является антенна для электромагнитного каротажного зонда, которая содержит сердечник и электрический проводник, расположенный на диэлектрической подложке, обернутой вокруг сердечника, при этом проводник расположен таким образом, что антенна имеет первый магнитный дипольный момент, перпендикулярный продольной оси сердечника.

Еще одним аспектом изобретения является скважинный каротажный зонд, содержащий опору, на которой установлена по меньшей мере одна антенна, и процессорные схемы, электрически соединенные с по меньшей мере одной антенной, при этом по меньшей мере одна антенна содержит сердечник с цилиндрической наружной поверхностью, которая имеет пазы и штыри, выполненные с возможностью удерживать по меньшей мере один электрический проводник в определенном положении в схеме расположения, при этом первый и второй электрические проводники, расположенные в пазах, имеют первый и второй магнитные дипольные моменты, перпендикулярные продольной оси сердечника, причем второй магнитный момент имеет направление, отличное от направления первого магнитного момента.

Другим аспектом изобретения является скважинный каротажный зонд, содержащий опору, на которой установлена по меньшей мере одна антенна, и процессорные схемы, электрически соединенные с по меньшей мере одной антенной, при этом по меньшей мере одна антенна содержит диэлектрическую подложку, обернутую вокруг сердечника и имеющую расположенный на ней электрический проводник, образующий первый и второй проводящие пути, имеющие первый и второй магнитные дипольные моменты, перпендикулярные продольной оси сердечника, причем второй магнитный дипольный момент имеет направление, отличное от направления первого магнитного момента.

Другие аспекты и преимущества изобретения будут очевидны из нижеследующего описания и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых

фиг.1 изображает каротажный прибор, который расположен в стволе скважины, пройденной через горную породу, согласно изобретению;

фиг.2А - схему поперечного электромагнитного устройства согласно изобретению;

фиг.2В - схему поперечного электромагнитного устройства согласно изобретению;

фиг.3 - схему антенной рамки согласно изобретению;

фиг.4 - общий вид поперечного электромагнитного устройства согласно изобретению;

фиг.5А - схему конструкции сердечника в поперечном электромагнитном устройстве согласно изобретению;

фиг.5В - разрез сердечника на фиг.5А согласно изобретению;

фиг.6 - схему блока катушек согласно изобретению;

фиг.7А - конфигурацию катушки взаимного уравновешивания согласно изобретению;

фиг.7В - общий вид другой конфигурации катушки взаимного уравновешивания согласно изобретению;

фиг.7С - общий вид еще одного варианта конфигурации катушки взаимного уравновешивания согласно изобретению;

фиг.8 - вариант размещения каротажного зонда в скважине согласно изобретению;

фиг.9 - другой вариант размещения каротажного зонда в скважине согласно изобретению;

фиг.10 - общий вид антенны согласно изобретению;

фиг.11 - вид сверху поперечного электромагнитного устройства, показанного на фиг.4, согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На фиг.1 показана скважина 9 в горной породе, которая содержит слои проводящего 3 и непроводящего 5 материала. Каротажный зонд 7 расположен в скважине 9 и закреплен на тросе 11. Зонд 7 содержит передающие катушки 13, приемные катушки 15 и компенсационные катушки 17, оси которых параллельны оси зонда и, соответственно, оси скважины. Магнитное поле, созданное передающими катушками 13, индуцируют вихревые токи 19, которые детектируются приемными катушками 15.

Поперечное электромагнитное устройство 21 (фиг.2) содержит множество катушек 23, расположенных вокруг центральной оси 25 таким образом, что нормальные векторы 27 катушек перпендикулярны центральной оси 25.

Возможен вариант, когда поперечное электромагнитное устройство 21 (фиг.2B) содержит дополнительно катушку 24, нормальный вектор которой параллелен центральной оси 25.

На фиг.2А и 2В показана ортогональная система магнитных симметричных вибраторных антенн, магнитные моменты которых имеют общее начало отсчета, что позволяет в плоскости 26, 28, т.е. на одинаковой глубине скважины, обеспечивать магнитные поля в направлении X,Y для схемы на фиг.2А и в направлении X, Y, Z для схемы на фиг.2В. Трехосная ортогональная система магнитных симметричных вибраторных антенн, расположенная на выбранном расстоянии от передатчика, способна воспринимать и обнаруживать вихревые токи в контурах, параллельных и перпендикулярных оси зонда.

Катушка 23 (фиг.3) состоит из двух дуг 29, концы которых соединены двумя линиями 31. Ток i, протекающий по катушке 23, индуцирует магнитное поле В, которое окружает каждый элемент катушки. Составляющие Y и Z магнитного поля суммируются до нуля вследствие симметрии катушки. Таким образом, катушка 23 имеет магнитный момент m только параллельно координате X.

Согласно другому варианту выполнения катушка 23 (фиг.4) состоит из нескольких витков 34, размещенных один внутри другого. Катушка 23 может быть получена обмоткой одиночного провода 55 вокруг центральной точки 37.

Магнитные моменты поперечных симметричных вибраторных антенн согласно вариантам осуществления изобретения могут быть определены так, как поясняется ниже.

Модуль (M _x) магнитного момента m для пары катушек 23 определяется выражением:

где I_x - ток _, N_x - число витков и A _x ^e - приблизительная эффективная площадь, определяемая выражением:

где h_i - высота седлообразной катушки, r_c - радиус дуги, r _m - радиус внутреннего сердечника и _i - угол, стягиваемый дугой, образованной катушкой (фиг.11). Этот результат является первым приближением, потому что поперечный магнитный момент суммируется по всем виткам, образующим катушку, так как угол _i изменяется на каждом витке. Из уравнения 2 следует, что магнитный момент может быть увеличен посредством увеличения высоты катушки в тех случаях, когда радиус дуги принимается постоянным.

Модуль M_x магнитного момента седлообразной катушки может быть больше, чем модуль магнитного момента вдоль продольной оси соленоидной катушки для одинаковых токов I_x и I _z, где: I_z - ток соленоидной катушки, обычно используемой в скважинных каротажных приборах. M _z осевого соленоида, намотанного на изолятор вокруг металлической оправки, определяется выражением

где I_z - осевой ток, N _z - число витков по оси и A_z ^e - эффективная площадь, определяемая выражением

где r_c - радиус катушки.

Передающая седлообразная катушка может рассматриваться как цепь, имеющая электростатические характеристики. Можно показать, что сопротивление R, индуктивность L и емкость C обусловливаются геометрией провода и/или траектории. Желательно иметь высокий фактор Q качества для передатчика. При этом Q определяется выражением

где _o - резонансная угловая частота цепи, R - сопротивление и L - собственная индуктивность седлообразной катушки. Сопротивление катушки определяется выражением

где - электрическое удельное сопротивление, l - общая длина провода, T - температура, T₀ - эталонная температура и A - площадь поперечного сечения проводников, которые образуют соответствующую катушку, не учитывая влияния толщины покрытия. Собственная индуктивность седлообразной катушки определяется выражением

где а - средняя ширина катушки, b - средняя высота катушки, - радиус провода, - константа проницаемости и N - число витков.

Желательно получить фактор качества (фиг.5) около 10-20 для передатчика с седлообразной катушкой. Этого можно достигнуть увеличением резонансной частоты соответствующей цепи, увеличивая L или уменьшая R. Большую величину фактора качества Q можно получить, используя более высокие рабочие частоты, с учетом того, что рабочая частота влияет на глубину исследования. Например, при обычных индукционных способах измерения потребовались бы частоты около 15 - 50 кГц. L можно увеличить посредством увеличения b и/или N, но это налагало бы требования на величину конденсатора , необходимого для последовательного или параллельного регулирования цепи передатчика. Кроме того, можно уменьшить R, увеличивая площадь поперечного сечения проводника.

Собственная индуктивность седлообразных катушек определяется выражением

где C_d - распределенная емкость на единицу длины параллельных проводов. Приближенная формула для емкости двух параллельных проводов

где c - расстояние между проводниками, а - радиус проводников. Предпочтительно, чтобы резонансная частота _о была меньше, чем w _s/3.

Как показывает проверка полученных уравнений величины R, L и C для катушек 23 можно регулировать, изменяя, например, высоту катушки h и число витков N, которые образуют катушку. Из уравнения 6 следует, что сопротивление R можно изменять, изменяя эти параметры. Аналогично этому можно регулировать емкость C либо увеличением, либо уменьшением расстояния между проводниками, которые образуют каждый виток, как это следует из уравнения 9.

Поперечное электромагнитное устройство 32 (фиг.4) согласно одному из вариантов осуществления изобретения содержит сердечник 39, изготовленный из диэлектрического материала, на котором закреплено множество катушек 23. Диэлектрическим материалом может быть керамика, стеклопластик или другие известные подходящие материалы и композиты. Согласно одному варианту осуществления изобретения сердечник 39 выполнен в виде круглого цилиндра, в который вставлен металлический стержень 41.

Согласно изобретению предложено несколько вариантов размещения катушек 23 на сердечнике 39. На фиг.5А и 5В показан сердечник 39, в котором выполнены прорези для направления и удержания витков. Сердечник 39 содержит штыревые части 41, 41' и пазовые части 43. Штыревые части 41, 41' расположены на концах сердечника и содержат множество штырей 45, размещенных в виде матрицы. Пазовая часть 43 расположена между штыревыми частями 41, 41' и образована множеством пазов 47, которые параллельны продольной оси сердечника (обозначена пунктирной линией на фиг.5В) и находятся вровень с пазами 49, образованными между столбцами штырей, расположенных в виде матрицы. Пазы 49 обеспечивают направляющие пути для вставления проводов 55, которые образуют катушку (катушки).

Виток 51 формируют путем размещения провода в пазах 47 и обмоткой желаемого участка 53, который включает в себя как штыревые части 41, 41', так и пазовую часть 43. Например, чтобы образовать виток, вставляют провод 55 в паз 49 у одной штыревой части 41', затем поворачивают провод у выбранных штырей 45 и перемещают к противоположной штыревой части 41, вводя его в соответствующий паз 47 пазовой части 43. Аналогично этому у противоположной штыревой части 41 провод, выходящий из паза 47 пазовой части 43, входит в соответствующий паз 49. Провод 55 проходит по пазу 49, пока не достигнет желаемых штырей 45, затем провод 55 поворачивают и возвращают к другой штыревой части 41' по соответствующему пазу 47. Внутри ранее намотанного витка 51 можно поместить дополнительный виток 59, повторяя эту операцию для охвата меньшего участка 61. Поперечное электромагнитное устройство 32 (фиг.4) является вариантом осуществления изобретения, который получают путем повторения указанной операции для образования структуры с большим количеством витков.

В одном варианте осуществления изобретения штыри 45 наклонены относительно наружной поверхности 63 сердечника 39. Наклон направлен к концам сердечника 39. Ориентация штырей дает возможность поддерживать контакт провода 55 с наружной поверхностью 63 сердечника. Таким образом, провод 55 удерживается в соответствующих пазах 49. Кроме того, наклонные штыри 45 позволяют прочнее удерживать провода на наружной поверхности сердечника, предотвращая провисание. Во избежание повреждения провода 55 углы 65 наклонных штырей могут быть закруглены.

В еще одном варианте осуществления изобретения катушки 33 (фиг.6) прикреплены к изолирующему листу 67 в соответствии с требуемой схемой размещения. Катушки 33 могут быть выполнены из любого подходящего электропроводника, включая провод или металлическую фольгу. С другой стороны, катушки могут быть образованы осаждением проводящих пленок на изолирующий лист, что известно из уровня техники. Для соединения проводника с изолирующим листом могут быть использованы клеящие вещества, например полиимидные, эпоксидные и акриловые.

В указанном варианте множество катушек 33 расположено рядом друг с другом и размещено на изолирующем листе 67 для образования гибкой схемы 69. Проводники 71 обеспечивают соответствующее электрическое соединение для подключения катушек 33 к источнику питания. Гибкая схема 69 может быть обернута вокруг наружной поверхности сердечника и прикреплена к ней посредством клеящих веществ или механических крепежных средств. Изолирующим листом может быть любая не проводящая электричество или диэлектрическая пленочная подложка, например полиимидная пленка или полиэфирная пленка, имеющая толщину, обеспечивающую возможность ее сгибания. Проводники 71, которые используют для взаимного соединения катушек 33, предпочтительно помещают на слои, ближайшие к наружной поверхности устройства. Это помогает минимизировать сжатие проводников 71 и усиливает их натяжение, что значительно улучшает надежность устройства.

Кроме того, согласно изобретению предлагаются способы взаимного симметрирования (балансирования) вибраторной антенны. На фиг.7А и 7В показаны варианты выполнения независимо и взаимно симметрированной вибраторной антенны 73, 74. Один способ заключается в выборе одного или большего числа витков в главной катушке 75, 76. Выбранные витки составляют отдельную катушку 77, 78, называемую катушкой взаимного симметрирования (балансирования).

Способ взаимного симметрирования (балансирования) согласно изобретению включает в себя вырезание или удаление нескольких витков между катушкой взаимного симметрирования 77, 78 и главной катушкой 75, 76 с образованием промежутка 79, 80 между катушками (фиг.7А и 7В). На фиг.7В взаимное симметрирование выполнено на вышеописанном сердечнике 74, имеющем пазы для приема соответствующих катушки взаимного симметрирования 78 и главной катушки 76, разделенных промежутком 80.

Согласно еще одному варианту выполнения на антенне 74 (фиг.7С) в пределах главной катушки 76 помещены отдельные проводящие элементы или диски 72. Это позволяет симметрировать антенну, помещая диски 72 соответствующих размеров на антенну, пока не будет достигнуто желаемое симметрирование. Диски 72 могут быть образованы из любого проводящего элемента, например меди. Диски 72 можно приклеить или прикрепить к подложке, используя любое подходящее клеящее вещество. Кроме того, диск (диски) 72 может быть помещен в выемку, образованную в самой подложке (не показана). Диск (диски) может быть также прикреплен к герметику или заливочному компаунду (не показан), обычно используемому для установки антенн на каротажных приборах.

Оставленные внутри проводящие витки, образующие катушки 77, 78 симметрирования, и проводящие диски 72 возбуждают противоположные токи (по закону Ленца), которые противоположны образованному магнитному полю, чтобы эффективно уменьшать магнитный момент главной катушки 75, 76. Взаимно симметричные антенны согласно изобретению обеспечивают бóльшую гибкость в размещении приемных антенных решеток в разных точках по оси зонда. Взаимно симметричные антенны согласно изобретению могут быть использованы в качестве приемных или компенсационных антенн.

Каротажный зонд 80 (фиг.8) согласно одному варианту осуществления изобретения расположен внутри скважины на тросе 11. Зонд 80 имеет передающую антенну 81, компенсационную антенну 83 и приемную антенну 87. Компенсационная антенна 83 может быть при обратной полярности соединена как с передающей антенной 81, так и с приемной антенной 87. Электронные схемы 89 передатчика соединены с передающей антенной 81 для образования изменяющихся во времени электрических токов, чтобы индуцировать изменяющиеся во времени магнитные поля. Схемы 89 запитываются от источника 91 электропитания. Схемы 85 приемника соединены с приемной антенной 87 для обнаружения и измерения полученных электромагнитных сигналов.

Компенсационная антенна 83 может быть исключена посредством использования передающей антенны 81 или приемной антенны 87, приспособленных для независимого взаимного симметрирования (фиг.7А, 7В и 7С).

Бурильный инструмент 92 (фиг.9), расположенный в скважине 9, имеет передающую антенну 93, компенсационную антенну 95 и приемную антенну 97. Компенсационная антенна 95 может быть при обратной полярности соединена как с передающей антенной 93, так и с приемной антенной 97. Электронные схемы 99 передатчика соединены с передающей антенной 93 для обеспечения изменяющимися во времени электрическими токами, чтобы индуцировать изменяющиеся во времени магнитные поля. Схемы 99 запитываются от источника 103 питания. Схемы 101 приемника соединены с приемной антенной 97 для обнаружения и измерения получающихся электромагнитных сигналов. В другом варианте осуществления изобретения компенсационная антенна 95 также может быть исключена посредством использования антенн, приспособленных для независимого взаимного симметрирования (фиг.7А, 7В и 7С). Однако это может уменьшить эффективность в тех случаях, когда желательно, чтобы M_x , M_y и M_z имели общее начало отсчета.

Специалистам в данной области понятно, что антенные устройства согласно изобретению не ограничены их применением для одного конкретного вида измерительных или разведочных работ, они могут быть расположены в стволе скважины на опорном элементе любого типа, например на спирально свернутых трубах, удлинителях или инструментах, спускаемых в скважину на тросе.

Ниже представлены параметры для независимо и взаимно симметрированных антенн 77, 78 согласно изобретению. Исключение нежелательной индукционной связи приводит к следующей зависимости:

где индексы B и R относятся соответственно к катушке взаимного симметрирования и приемной катушке и N - число витков, A - эффективная площадь катушки и L - расстояние от передающей катушки.

Решением уравнения 10 относительно A _B получают:

Преобразование поперечной катушки для небольшой L_b является проблематичным, поэтому добавляют сравнимую A_B. С этой целью рассматривается следующая зависимость физической производной

Чтобы это утверждение было верным, контур площадью A_B должен иметь индуктивность намного больше, чем его сопротивление по постоянному току. Это верно, потому что сопротивление контура обычно находится в субмиллиомовом интервале. Индуктивность небольшого круглого контура из провода определяется выражением

где а - радиус проводника, r - радиус контура, K(k) и E(k) - эллиптические интегралы, и

Другими словами, этот контур должен генерировать небольшое противоположное комплексное напряжение в цепи приемной/компенсационной катушки. Уравнение 12 может быть переписано как

Таким образом, радиус компенсационного контура может быть определен выражением

На фиг.10 показано устройство с передающей или приемной антенной согласно изобретению. Это устройство состоит из поперечной электромагнитной антенной пары 105, объединенной с соленоидной катушкой 107, ориентированной таким образом, что ее дипольный момент был параллелен продольной оси Z прибора. Соленоидная катушка 107 окружена катушками 109, магнитные моменты которых перпендикулярны магнитному моменту соленоида.

Возможны другие варианты выполнения изобретения, которые не выходят за пределы заявленного. Например, антенны согласно изобретению могут быть выполнены с многочисленными диэлектрическими подложками, перекрывающими друг друга, чтобы при желании достигнуть модифицированных соединений или изменить магнитный момент (моменты). Использование многослойных подложек позволяет расположить антенны на опоре, например компенсационную и приемную антенны. Для выполнения вариантов согласно изобретению может быть использован любой подходящий материал или компаунд (известные в настоящее время или разработанные в будущем).