УСТАНОВКА И СИСТЕМА ДЛЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЛЕКТОРА
UNIT AND SYSTEM FOR GEOLOGICAL ACCOMPANIMENT OF WELL DRILLING AND DETERMINATION OF MANIFOLD CHARACTERISTICS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области подземной разведки, а более конкретно, к способам определения параметров среды и геологического сопровождения бурения скважины. Основная область применения изобретения - каротаж скважины, но изобретение является полезным при каротаже в процессе бурения, измерении в процессе изобретения и направленном бурении (геоуправлении).
Предшествующий уровень техники
Приборы электромагнитного каротажа используют в области подземной разведки в течение многих лет. Каждый из этих каротажных приборов или инструментов имеет удлиненную опору, снабженную антеннами, которые могут работать как источники (передатчики) или датчики (приемники). Антенны на этих приборах образованы в виде петель или рамок из монтажных проводов. При работе передающую антенну возбуждают переменным током для излучения электромагнитной энергии через скважинный флюид («буровой раствор») и в окружающий пласт или пласты. (Используемый в этой заявке «пласт» может обозначать единственный слой или может включать в себя многочисленные слои.) Излучаемая энергия взаимодействует с буровой скважиной и пластом с образованием сигналов, которые обнаруживают и измеряют с помощью одной или нескольких приемных антенн. Обнаруживаемые сигналы отражают взаимодействия с буровым раствором и пластом. Кроме того, на измерения влияет вторжение фильтрата бурового раствора, которое изменяет свойства породы вблизи ствола скважины. Путем обработки данных об обнаруженных сигналах определяют каротажную диаграмму или профиль пласта и/или характеристики буровой скважины.
Обработку измеряемых параметров геологической среды выполняют при помощи процесса, известного как способ инверсии. Процесс инверсии обычно включает в себя получение исходной оценки или модели геометрии и свойств подземных пластов, окружающих скважинный каротажный инструмент. Параметры исходной модели можно получать разнообразными способами, известными в данной области техники. Ожидаемую характеристику каротажного инструмента вычисляют на основании исходной модели. Затем вычисленную характеристику сравнивают с измеренной характеристикой каротажного инструмента. Различия между вычисленной характеристикой и измеренной характеристикой используют для корректировки параметров исходной модели. Скорректированную модель используют для повторного вычисления ожидаемой характеристики скважинного каротажного инструмента. Ожидаемую характеристику скорректированной модели сравнивают с измеренной характеристикой инструмента и любое различие между ними используют для повторной корректировки модели. Этот процесс обычно повторяют до тех пор, пока различия между ожидаемой характеристикой и измеряемой характеристикой не уменьшатся ниже заданного порогового значения. В патенте США № 6594584 описаны современные способы инверсии, и он полностью включен в эту заявку путем ссылки.
Геологическое сопровождение бурения скважины в реальном времени с использованием результатов измерений удельного сопротивления применяют в отрасли вследствие доступности приборов каротажа в процессе бурения и измерения в процессе бурения. Такое применение обычно известно как геоуправление. При геоуправлении оценивание положения буровой скважины в реальном времени относительно известных геологических маркеров выполняют при помощи корреляции признаков каротажной диаграммы удельного сопротивления. Вследствие размещения датчиков удельного сопротивления прибора каротажа в процессе бурения вдоль утяжеленной бурильной трубы обычно близко к передатчику получают только ограниченную радиальную чувствительность, вследствие чего ограничиваются объем информации о геологической модели пласта и вычисляемая оценка. При внедрении датчиков, имеющих расстояния передатчик-приемник, составляющие десятки метров, можно получать радиальную чувствительность на большей глубине исследования.
Индукционный прибор Schlumberger каротажа удельного сопротивления в процессе бурения со сверхбольшой глубиной исследования, или индукционный прибор UDR™, успешно прошел испытания. Одно применение прибора заключается в определении местоположения водонефтяного контакта (ВНК) на расстоянии 7-10 м от траектории скважины. В патенте США № 6188222 Method and Apparatus for Measuring Resistivity of an Earth Formation, выданном Seydoux et al., и патенте США № 7093672 Systems for Deep Resistivity While Drilling for Proactive Geosteering, Seydoux et al. даются дополнительные описания таких приборов и возможностей применения их. Патент '222 и патент '672 переуступлены правопреемнику настоящего изобретения и полностью включены в эту заявку путем ссылки.
Для обеспечения большого разноса передатчика и приемника в основной конфигурации прибора каротажа удельного сопротивления в процессе бурения со сверхбольшой глубиной исследования содержатся два независимых переводника бурильной колонны (для одного передатчика и одного приемника), которые размещены в компоновке низа бурильной колонны среди других буровых инструментов. Основные результаты измерений этим прибором состоят из наведенных амплитуд на различных частотах, что обеспечивает обнаружение различных границ слоев пласта со скачками удельного сопротивления, имеющими широкий диапазон удельных сопротивлений. Результаты измерений используют для обращения оптимальной параметризованной модели пласта, что дает наилучшее соответствие между фактическими измерениями прибором и ожидаемыми измерениями прибором при такой модели пласта.
На фиг.1 показан пример использования прибора для измерения в процессе бурения. В конфигурации из фиг.1 бурильная колонна 10 обычно включает в себя ведущую бурильную трубу 8, отрезки бурильной трубы 11 и утяжеленные бурильные трубы 12, показанные подвешенными в буровой скважине 13, которая пробурена через подземный пласт 9. Буровое долото 14 на нижнем конце бурильной колонны вращается ведущим валом 15, соединенным с узлом 16 бурового двигателя. Этот двигатель снабжается энергией буровым раствором, циркулирующим вниз по каналу бурильной колонны 10 и обратно на поверхность по кольцевому пространству 13а буровой скважины. Узел 16 двигателя включает в себя силовую секцию (ротор/статор или турбину), которая приводит в движение буровое долото и механизм 17 искривления, который образует небольшой угол изгиба в точке изгиба, что вызывает искривление буровой скважины 13 в плоскости угла изгиба и постепенное установление нового наклона буровой скважины. Механизм искривления может быть устройством с фиксированным углом или может быть узлом, регулируемым с поверхности. Как раскрыто в патенте США № 5117927, который включен в эту заявку путем ссылки, механизм искривления также может быть скважинным регулируемым узлом. Как вариант узел 16 двигателя может включать в себя прямой переводник и для создания угла изгиба может использоваться в комбинации с отклоняющим переводником, хорошо известным в данной области техники и расположенным в бурильной колонне выше узла 16 двигателя.
В этой бурильной колонне над узлом 16 двигателя находится обычный прибор 18 для измерения в процессе бурения, который имеет датчики, измеряющие разнообразные скважинные параметры. Параметры бурения, бурового долота и подземного пласта представляют собой виды параметров, измеряемых системой измерения в процессе бурения. Параметры бурения включают в себя направление и наклон компоновки низа бурильной колонны. Параметры бурового долота включают в себя такие показатели, как нагрузка на долото, вращающий момент на долоте и частота вращения ведущего вала. Параметры пласта включают в себя такие показатели, как эмиссия естественного гамма-излучения, удельное сопротивление пластов и другие параметры, которые характеризуют пласт. Измерительные сигналы, представляющие эти скважинные параметры и характеристики, получаемые системой измерения в процессе бурения, в реальном времени передаются на поверхность передатчиками или регистрируются в запоминающем устройстве для использования после возвращения компоновки низа бурильной колонны обратно на поверхность.
Краткое изложение изобретения
Хотя приборы каротажа удельного сопротивления с большой глубиной исследования (такие как прибор каротажа удельного сопротивления со сверхбольшой глубиной исследования) подтвердили свою ценность при геоуправлении, остается необходимость в приборах каротажа удельного сопротивления с большой глубиной исследования, которые можно использовать при геоуправлении и/или в других областях применения.
Один аспект изобретения относится к установке каротажа удельного сопротивления, имеющей модульную конструкцию. Установка каротажа удельного сопротивления согласно одному осуществлению изобретения включает в себя передающий модуль с по меньшей мере одной антенной, в которой передающий модуль имеет соединители на обоих концах, выполненные с возможностью соединения с другими скважинными приборами; и приемный модуль с по меньшей мере одной антенной, в которой приемный модуль имеет соединители на обоих концах, выполненные с возможностью соединения с другими скважинными приборами; и в которой передающий модуль и приемный модуль разнесены на бурильной колонне и разделены по меньшей мере одним скважинным прибором. Каждый из передающего и приемного модулей может содержать по меньшей мере одну антенную рамку с ориентацией дипольного момента, не ограниченной продольным направлением прибора. В случае более чем одной антенны все или некоторые векторы ориентации антенн могут быть линейно независимыми. Векторы в наборе являются линейно независимыми в том и только в том случае, когда матрица, составленная из горизонтально связанных компонентов векторов, имеет ранг, равный количеству векторов.
Другой аспект изобретения относится к приборам каротажа удельного сопротивления. Прибор каротажа удельного сопротивления согласно одному осуществлению изобретения включает в себя корпус прибора, выполненный с возможностью перемещения в буровой скважине; и по меньшей мере три модуля (переводника), расположенных на корпусе прибора, при этом по меньшей мере три модуля неодинаково разнесены вдоль продольной оси корпуса прибора, так что комбинация по меньшей мере трех модулей представляет собой установку каротажа удельного сопротивления с различными разносами.
Еще один аспект изобретения относится к приборам каротажа удельного сопротивления. Прибор каротажа удельного сопротивления согласно одному осуществлению изобретения включает в себя корпус прибора, выполненный с возможностью перемещения в буровой скважине; датчик удельного сопротивления, расположенный на корпусе прибора и содержащий множество модулей, образующих по меньшей мере одну группу; и дополнительную антенну, расположенную на корпусе прибора и отнесенную от датчика удельного сопротивления вдоль продольной оси корпуса прибора, при этом дополнительный модуль и один из множества модулей в датчике удельного сопротивления образуют группу, имеющую разнос больше, чем около 90 футов (27,432 м).
Еще один аспект изобретения относится к приборам каротажа в процессе бурения. Прибор каротажа в процессе бурения согласно одному осуществлению изобретения включает в себя буровое долото, расположенное на одном конце бурильной колонны; первый модуль, расположенный на бурильной колонне вблизи бурового долота или в буровом долоте, и по меньшей мере один дополнительный модуль, расположенный на бурильной колонне и отнесенный на расстояние от первого модуля, в котором первый модуль имеет по меньшей мере одну антенну с ориентацией дипольного момента, не ограниченной продольным направлением, и в котором по меньшей мере один дополнительный модуль содержит три антенны, ориентации дипольных моментов которых являются линейно независимыми.
Еще один аспект изобретения относится к способу измерений удельного сопротивления пласта. Способ измерений удельного сопротивления пласта согласно одному осуществлению изобретения включает в себя передачу электромагнитной энергии в пласт с использованием передающей антенны в установке каротажа удельного сопротивления, в котором передачу выполняют на множестве частот в соответствии с выбранной схемой импульсов; и обнаружение на каждой из множества частот сигнала, наводимого в приемной антенне, отнесенной на расстояние от передающей антенны в установке каротажа удельного сопротивления.
Еще один аспект изобретения относится к способу проектирования установки каротажа удельного сопротивления. Способ проектирования установки каротажа удельного сопротивления согласно одному осуществлению изобретения включает в себя оценивание толщины коллектора; и расположение передатчика и приемника на бурильной колонне так, чтобы разнос передатчика и приемника был не меньше, чем оцененная толщина коллектора.
Другие аспекты изобретения станут понятными из нижеследующего описания и прилагаемых чертежей.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1 изображает вид буровой установки и бурильной колонны из предшествующего уровня техники, которые могут использоваться с одним осуществлением изобретения;
фиг.2 - вид установки каротажа удельного сопротивления согласно одному осуществлению настоящего изобретения;
фиг.3 - вид установки каротажа удельного сопротивления согласно другому осуществлению настоящего изобретения;
фиг.4 - примеры глубины исследования для случая измерения амплитуд на 10 кГц, полученные при различных расстояниях передатчик-приемник, согласно одному осуществлению настоящего изобретения;
фиг.5 - вид установки каротажа удельного сопротивления согласно одному осуществлению настоящего изобретения;
фиг.6 - вид установки каротажа удельного сопротивления согласно одному осуществлению настоящего изобретения;
фиг.7А и 7В - амплитудные характеристики обычных установок каротажа удельного сопротивления из предшествующего уровня техники;
фиг.7С и 7D - амплитудные характеристики установок каротажа удельного сопротивления согласно одному осуществлению настоящего изобретения;
фиг.8 - иллюстрация способа последовательности согласно одному осуществлению настоящего изобретения;
фиг.9 - вид установки каротажа удельного сопротивления согласно одному осуществлению настоящего изобретения;
фиг.10 - вид антенного модуля согласно одному осуществлению настоящего изобретения;
фиг.11А-11F - результаты разнообразных измерений для планарной границы со скачком удельного сопротивления, согласно одному осуществлению изобретения;
фиг.12 - вид антенного модуля согласно одному осуществлению настоящего изобретения;
фиг.13 - вид антенного модуля согласно одному осуществлению настоящего изобретения;
фиг.14(а)-14(j) - схематичные виды разнообразных антенных модулей согласно различным осуществлениям настоящего изобретения;
фиг.15 - схематичный вид антенного модуля согласно одному осуществлению настоящего изобретения; и
фиг.16 - блок-схема последовательности действий, иллюстрирующая этапы способа согласно одному осуществлению настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения
Осуществления изобретения относятся к установкам каротажа удельного сопротивления, имеющим улучшенные характеристики. Некоторые осуществления изобретения относятся к способам использования этих приборов при оценивании пласта. Осуществлениями изобретения может обеспечиваться инверсия в случае более сложных моделей пласта (то есть модели пласта с дополнительными параметрами) и/или может повышаться робастность инверсии результатов измерений удельного сопротивления (снижаться неопределенность). Некоторыми осуществлениями изобретения может повышаться гибкость оценивания удельного сопротивления пласта за счет получения большего количества результатов измерений, каждое из которых может иметь особое влияние на различные модели пласта.
Некоторыми осуществлениями изобретения предоставляются установки каротажа удельного сопротивления, имеющие модульную конструкцию. Модульная конструкция облегчает создание различных конфигураций приборов для удовлетворения различных требований к измерениям. Например, путем увеличения количества комбинаций передатчик-приемник (например, в одном осуществлении четырьмя передатчиками и одним приемником образуются четыре группы передатчик-приемник) можно получать более значительные глубины исследования.
Некоторые осуществления изобретения могут включать в себя антенны, которые могут функционировать как приемопередатчик (то есть как передатчик и приемник). Это также обеспечивает гибкость конфигурации прибора. В этой реализации при одном и том же количестве модулей можно получать большее количество комбинаций передатчик-приемник. Кроме того, способом, аналогичным описанному в патенте США № 6969994 (Minerbo et al.), без увеличения длины прибора можно получать симметризацию направленного измерения.
Некоторые осуществления изобретения относятся к приборам, имеющим переводник передатчика на большом расстоянии от приемника (например, >90 футов (>27,432 м)), для получения избирательной чувствительности к сложности коллектора. В таком осуществлении может иметься независимо снабжаемый электрической энергией переводник передатчика, расположенный вне (на большом расстоянии от) обычной компоновки низа бурильной колонны.
Некоторые осуществления изобретения относятся к расположению передатчика на буровом долоте или внутри него, или очень близко к буровому долоту для обеспечения возможности опережающего просмотра. В таком осуществлении могут иметься независимо снабжаемая электрической энергией система и возможность передачи данных.
Некоторые осуществления изобретения относятся к наличию по меньшей мере одного модуля, расположенного в отдельной скважине или отдельном стволе скважины.
Некоторые осуществления изобретения относятся к способам оценивания удельного сопротивления пласта с использованием измерительных частот, подбираемых для ожидаемого пласта. Например, частотный диапазон может быть до 200 кГц.
Некоторые осуществления изобретения относятся к объединению модулей изобретения с существующими установками каротажа удельного сопротивления в процессе бурения.
Некоторые осуществления изобретения относятся к конструкциям рамок, которые имеют многочисленные обмотки для обеспечения возможности использования одной и той же антенны в широком диапазоне частот. Многочисленные обмотки могут быть соединены последовательно или параллельно.
Некоторые осуществления изобретения относятся к переходу от измерения амплитуды к измерению фазы, относительной фазы, относительной амплитуды, а также фазового сдвига и затухания (распространения), для которых требуется включение переводника в состав двух приемных антенн при относительно большом разносе (в пределах десяти футов (3,048 м)).
Некоторые осуществления изобретения относятся к реализации направленных антенн (совмещенных или находящихся в непосредственной близости) с металлическими экранами или без них.
Модульная конструкция прибора
Некоторые осуществления изобретения относятся к установкам каротажа удельного сопротивления, имеющим модульные конструкции. Используемая в этой заявке «установка каротажа удельного сопротивления» представляет собой конфигурацию, которая включает в себя по меньшей мере одну приемную антенну и по меньшей мере одну передающую антенну, закрепленные в различных местах на бурильной колонне. Модуль может иметь одну или несколько антенн. Модульная конструкция позволяет размещать передающие и приемные антенны на различных местах в компоновке низа бурильной колонны или на местах в бурильной колонне выше компоновки низа бурильной колонны. Например, на фиг.2 показана установка каротажа удельного сопротивления, включающая в себя четыре передающих модуля 21, 22, 23, 24 и один приемный модуль 25, размещенные среди других приборов 27, 28, 29, 30 каротажа в процессе бурения и измерения в процессе бурения в компоновке низа бурильной колонны. Путем помещения передающих и/или приемных модулей на различные места в стандартной компоновке низа бурильной колонны, как показано на фиг.2, или в бурильной колонне можно реализовать заданные глубины исследования, чтобы оптимизировать процесс инверсии модели пласта, в котором используют результаты таких измерений удельного сопротивления с большой глубиной исследования. Например, в одном осуществлении передающий модуль 21 может отстоять от приемного модуля 25 от около 90 до около 100 футов (от около 27,432 до 30,48 м). В дополнение к этому один или несколько модулей можно помещать вблизи буровой скважины, чтобы получать установку с большим разносом.
В упомянутом выше патенте '672 раскрыта установка каротажа удельного сопротивления со сверхбольшой глубиной исследования, которая может включать в себя передающие и приемные модули. В патенте '672 рассмотрена зависимость между глубиной исследования и расстоянием между передатчиком и соответствующей приемной антенной, при этом из зависимости следует, что увеличение расстояния приводит к соответствующему повышению глубины исследования. Заявитель установил, что зависимость является справедливой; однако при увеличении расстояния ухудшается способность приемника к выделению сигналов от передатчика и связи с ними. В осуществлениях настоящего изобретения может использоваться трехосная антенна в передающем или приемном модуле, при этом трехосный антенный модуль имеет три антенны, имеющие магнитные моменты в трех различных направлениях. Трехосным антенным модулем гарантируется, что по меньшей мере некоторые из поперечных составляющих трехосной антенны могут образовывать сильную связь с поперечной составляющей соответствующего передатчика или приемника. Использование приемопередатчика (или приемника) с трехосной антенной является предпочтительным, поскольку при свинчивании бурильной колонны трудно гарантировать, что передатчик с единственной антенной будет совмещен с приемником, имеющим единственную антенну, при этом трудность возрастает по мере увеличения разноса. В отличие от этого приемопередатчик (или приемник) с трехосной антенной всегда будет иметь составляющую, по существу совпадающую с магнитным моментом соответствующего приемника (или приемопередатчика) в установке каротажа удельного сопротивления. В дополнение к этому трехосные антенны позволяют определять характеристики пласта, такие как угол падения, анизотропия, влияния прилегающих слоев.
На фиг.4 показаны примеры глубины исследования для случая измерения амплитуды на 10 кГц, полученные для расстояний передатчик-приемник 10, 30, 60 и 90 футов (3,048; 9,144; 18,288 и 27,432 м) при наличии границы со скачком удельного сопротивления от 1 до 10 Ом·м. Бурильная колонна (и поэтому установка каротажа удельного сопротивления) предполагается параллельной границе и находящейся на различных расстояниях от границы. Как показано на фиг.4, установка с разносом на 10 футов (3,048 м) не очень чувствительна к границе; показаны только слабые изменения величины в окрестности границы. Установка с разносом на 30 футов (9,144 м) является более чувствительной, показан резко выраженный переход на границе. Установка с разносом на 60 футов (18,288 м) является еще более чувствительной; показан очень резко выраженный переход удельного сопротивления около границы. При таком расстоянии передатчик-приемник величина сигнала начинает изменяться на расстоянии около 20-40 футов (6,096-12,192 м) от границы. В случае установки с разносом на 90 футов (27,432 м) изменение величины сигнала является еще более сильным. Очевидно, что сочетание различных глубин исследования позволяет провести дифференциацию геологического пласта на различных радиальных расстояниях. Модульная конструкция позволяет легко конфигурировать приборы с получением установок с различным разносом. Кроме того, использование одной или нескольких трехосных антенн в качестве передатчиков и/или приемников увеличивает разнос, который может быть достигнут, что обеспечивает соответствующее повышение глубины исследования.
Модульные переводники в качестве приемопередатчиков
Некоторые осуществления изобретения относятся к конструкциям установок каротажа удельного сопротивления, имеющим приемопередающие антенны. В этих приборах антенны не выполнены как отдельные передатчики или приемники. Вместо этого одна и та же антенна может функционировать как передатчик или приемник. Как показано на фиг.3, такое расширение функциональных возможностей, помимо экономической выгоды, позволяет получать большие глубины исследования при том же самом количестве переводников.
На фиг.3 показан приборный узел 40, имеющий три переводника 41, 42, 43, которые образуют две установки с разносом D и Dx2. Поскольку антенны 41 и 43 могут функционировать как передатчик или приемник, третья установка, имеющая разнос Dx3, также имеется в этой конфигурации прибора. Кроме того, в случае приемопередающих антенн также можно выполнять направленные измерения, не имея передатчика и приемника, принадлежащих к общему скважинному прибору. Например, набор симметризованных измерений можно получать сначала антенной 41 в качестве передатчика и антенной 43 в качестве приемника, затем антенной 43 в качестве передатчика и антенной 41 в качестве приемника.
Удаленные переводники в качестве передатчика/приемопередатчиков
Некоторые осуществления изобретения относятся к приборам, имеющим антенные переводники, расположенные на большом расстоянии от других приборов компоновки низа бурильной колонны (например, переводники приемников или передатчиков). Скважины часто имеют закругления и изгибы, которые ограничивают практическую длину компоновки низа бурильной колонны. Поэтому обычные приборы каротажа удельного сопротивления не могут иметь передатчиков и приемников, разнесенных на большее расстояние, чем предел практической длины компоновки низа бурильной колонны (около 150 футов (45,72 м)). Такие приборы не могут обеспечить глубину исследования, которая может быть необходима при геологическом сопровождении траектории ствола скважины в коллекторе с толщиной, которая превышает максимальную практическую длину стандартного узла бурового инструмента.
На фиг.5 показана установка каротажа удельного сопротивления, содержащая удаленный переводник, согласно одному осуществлению изобретения. Как показано, установка каротажа удельного сопротивления включает в себя обычный индукционный прибор 51 каротажа удельного сопротивления со сверхбольшой глубиной исследования в компоновке низа бурильной колонны. Индукционный прибор каротажа удельного сопротивления со сверхбольшой глубиной исследования включает в себя три антенны (передатчики, приемники или приемопередатчики) 52, 53, 54. Дальше вверх по бурильной колонне установка каротажа удельного сопротивления также включает в себя удаленный модуль 55, который включает в себя передатчик, приемник или приемопередатчик. Антенна в удаленном модуле 55 может использоваться совместно с любой из антенн 52, 53, 54 для образования установки, имеющей большой разнос. Путем использования удаленного модуля 55 совместно с другими обычными приборами каротажа удельного сопротивления в компоновке низа бурильной колонны расстояние передатчик-приемник (то есть разнос установки) можно полагать равным любому требуемому расстоянию. Удаленный модуль 55 может снабжаться электроэнергией независимо. Кроме того, удаленный модуль 55 может управляться, например, с помощью беспроводной телеметрии. В одном осуществлении одна или несколько утяжеленных бурильных труб 63 могут быть расположены между удаленным модулем 55 и одной или несколькими антеннами 52, 53, 54.
Местоположение удаленного модуля 55 можно выбирать так, чтобы разнос был порядка (или больше) толщины коллектора. Имея разнос установки порядка (или больше) толщины коллектора, можно получать явные преимущества, которые в ином случае недоступны для обычных приборов каротажа удельного сопротивления.
Например, на фиг.7С и 7D показано, что амплитудными характеристикам длинной установки (в которой разнос имеет порядок толщины пласта, 130 футов (39,624 м)) намного проще и яснее указывается, где находятся границы слоя. Характеристики этой сверхдлинной установки (особенно на низких частотах) не чувствительны к внутренней сложности коллектора. В отличие от этого, как показано на фиг.7А и 7В, амплитудные характеристики обычных установок каротажа удельного сопротивления из предшествующего уровня техники (в которых разнос меньше толщины слоя, 130 футов (39,624 м)) являются более чувствительными к изменениям удельного сопротивления внутри слоя, но являются менее чувствительными к границам слоев. Результаты из фиг.7А-7D свидетельствуют, что расстояние между датчиками (разнос установки) и рабочие частоты можно с достижением преимущества выбирать на основании свойств пробуриваемого коллектора, например, на основании ожидаемой толщины слоя или отношения наименьшего удельного сопротивления слоя коллектора к удельному сопротивлению кровли и подошвы коллектора.
Опережающий просмотр с помощью переводников на долоте
Некоторые осуществления изобретения относятся к приборам каротажа удельного сопротивления, обладающим возможностью опережающего просмотра. Согласно осуществлениям изобретения переводник может быть расположен вблизи бурового долота способом, аналогичным описанному в патенте США № 6057784, выданном Schaff et al. и переуступленном правопреемнику настоящего изобретения. Этот патент полностью включен в эту заявку путем ссылки. В дополнение к этому антенна также может быть помещена на роторный инструмент направленного бурения или непосредственно внутрь долота. При размещении приемника на долоте точка измерения удельного сопротивления, выбираемая на середине расстояния между каждой парой передатчик/приемник, перемещается ближе к долоту, что позволяет иметь меньшее время реакции в процессе бурении. Эта возможность позволяет заблаговременно в реальном времени выбирать положение скважины на основании геологических событий. Кроме того, просмотр перед долотом также возможен при использовании хвоста характеристики прибора, который выходит за пределы пары датчиков удельного сопротивления.
На фиг.6 показан один пример установки каротажа удельного сопротивления согласно одному осуществлению изобретения. Как показано, прибор 70 каротажа удельного сопротивления содержит буровое долото 14 на одном конце бурильной колонны. Антенна 73 (которая может быть передающей или приемной антенной) расположена на бурильной колонне вблизи бурового долота 14. В дополнение к этому установка каротажа удельного сопротивления включает в себя индукционный прибор 51 каротажа удельного сопротивления со сверхвысокой глубиной исследования, имеющий три приемопередающих модуля 52, 53, 54, которые могут функционировать как приемники или передатчики. Хотя в этом примере показаны три приемопередающих модуля, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что такой прибор может иметь больше или меньше приемопередающих модулей. Кроме того, приемными или передающими модулями можно заменять один или несколько приемопередающих модулей. В одном осуществлении антенна 73 может быть составной частью бурового долота 14.
Согласно некоторым осуществлениям изобретения антенна 73 вблизи долота имеет непродольный магнитный момент, то есть магнитный момент 73 антенны не находится в направлении, параллельном оси бурильной колонны. Непродольным магнитным моментом антенны 73 гарантируется, что антенна 73 будет иметь составляющую магнитного момента в поперечном направлении (то есть в направлении, перпендикулярном к оси бурильной колонны). В дополнение к этому по меньшей мере один из приемопередающих модулей (например, 52, 53, 54) содержит трехосную антенну, в которой три антенны имеют магнитные моменты в трех различных ориентациях. В некоторых случаях трехосные антенны могут иметь магнитные моменты в трех ортогональных ориентациях. Модулем трехосной антенны гарантируется, что по меньшей мере некоторые из поперечных составляющих трехосной антенны могут образовывать значительную связь с поперечной составляющей антенны 73 вблизи долота. Антенна 73 вблизи долота может быть передатчиком, приемником или приемопередатчиком. В общем случае предпочтительно, чтобы антенна 73 вблизи долота была передатчиком, поскольку приемная антенна может воспринимать более значительный электрический шум вследствие повышенной вибрации и ударов или вследствие возможного присутствия роторного инструмента направленного бурения большой мощности. В итоге, узел 16 двигателя, который может включать в себя снабжаемые энергией направляющие составные части, может разрушить приемную антенну.
Многочастотное измерение
Некоторые осуществления изобретения относятся к приборам и способам, в которых для измерений удельного сопротивления используются многочисленные частоты. Согласно осуществлениям изобретения частоты могут выбираться из условия более эффективного охвата частотного спектра для повышения точности инверсии и гибкости измерений удельного сопротивления с большой глубиной исследования. Например, согласно некоторым осуществлениям изобретения результаты измерений могут регистрироваться при распределении трех или большего количества частот на декаду. Эти частоты могут задаваться или автоматически выбираться до бурения или в процессе бурения для обеспечения оптимальной инверсии пласта. Сочетание расстояния передатчик-приемник с частотой составляет одно целое при определении внешних границ коллектора при сложном внутреннем слое. Для максимальной чувствительности предпочтительно выбирать сочетание разноса антенн и частоты с учетом приведенного ниже уравнения.
2
2
Определим коэффициент распространения k как: k=εµω+iσµω, где ε является диэлектрической проницаемостью, µ является магнитной проницаемостью, σ является удельной проводимостью и ω является угловой частотой сигнала. Если L представляет расстояние передатчик-приемник, то необходимо соблюдение |k|·L∈[0,1;10]. Предпочтительно выбирать частоты из условия удовлетворения этому критерию.
Многочастотные измерения можно эффективно выполнять, используя любую схему реализацию, известную из предшествующего уровня техники. Например, на фиг.8 показан пример измерительной последовательности для многочастотного измерения удельного сопротивления. В схеме, показанной на фиг.8, все импульсы ТХ предполагаются имеющими управляемую амплитуду. Кроме того, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что в схеме импульсов, показанной на фиг.8, один импульс можно реализовать для переноса двух или большего количества частот. Измерения сигналов можно выполнять, измеряя истинные напряжения, воспринимаемые приемниками. В качестве варианта сигналы можно измерять как дифференциальные сигналы между парой импульсов различных частот.
Комбинация переводников с существующими приборами каротажа в процессе бурения
Некоторые осуществления изобретения относятся к установкам каротажа удельного сопротивления, имеющим удаленные переводники, описанные выше, совместно с другими обычными приборами каротажа удельного сопротивления. Например, на фиг.9 показан прибор, включающий в себя два удаленных переводника-передатчика 55А и 55В и обычный прибор каротажа удельного сопротивления в процессе бурения, который может функционировать в качестве приемников для удаленных передающих модулей с образованием установок с намного большим разносом, чем возможный в случае обычных установок каротажа удельного сопротивления. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что любой известный прибор каротажа удельного сопротивления, имеющий одну или несколько антенн для приема сигналов удельного сопротивления, можно использовать в комбинации с удаленными переводниками-передатчиками, раскрытыми в этой заявке. Вариант со спускаемыми передающими модулями в сочетании с существующим прибором каротажа в процессе бурения для небольшой глубины исследования (при использовании его антенн удельного сопротивления в качестве приемников удельного сопротивления с большой глубиной исследования) обеспечивает преимущество потенциальных возможностей рационализации и объединения измерений.
Многообмоточная антенна
Некоторые осуществления изобретения относятся к антеннам, которые могут эффективно использоваться в широком диапазоне частот. Когда антенну используют для передачи сигнала на определенной частоте, антенна является наиболее эффективной, если частота ниже частоты собственного резонанса антенны. Поэтому, когда конкретную антенну используют в широком диапазоне частот, антенна может не быть эффективной в определенном диапазоне частот. Например, для передачи на наивысшей частоте количество витков в антенне должно быть достаточно малым, чтобы частота была ниже частоты собственного резонанса рамки. С другой стороны, для оптимальной передачи на низких частотах количество витков необходимо увеличивать. В результате обычные антенны часто имеют обмотки, которые являются компромиссными для предполагаемого диапазона рабочих частот.
Согласно некоторым осуществлениям изобретения антенна может иметь несколько слоев обмоток; каждый из слоев может быть включен параллельно для высокой частоты или последовательно для низкой частоты для эффективного баланса с импедансной нагрузкой антенны при возбуждении напряжением постоянного уровня. Переключением между последовательной и параллельной конфигурациями можно управлять электронным способом.
На фиг.10 показан пример антенны согласно одному осуществлению изобретения. В этом примере слои 101А-101С рамки соединяют последовательно для максимизации количества витков при передаче на низкой частоте (например, в диапазоне около 1 кГц) или соединяют параллельно для высокочастотного диапазона (например, 100 кГц). Слои 101А-101С рамки намотаны вокруг сердечника 102. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что несколько слоев рамки можно использовать в антенне для обеспечения плавной настройки характеристик антенны.
Распространение на другие способы измерения удельного сопротивления
Обычные измерения удельного сопротивления с большой глубиной исследования, такие, как раскрытые в патенте США № 6188222, основаны на механизме индукции и измерениях амплитуд сигналов, но не фазы или фазовых сдвигов, или затуханий. Некоторые осуществления изобретения относятся к измерениям удельного сопротивления с большой глубиной исследования, основанным на механизме распространения и измерениях фазовых сдвигов и затуханий (то есть дифференциальных измерениях), за счет введения дополнительной приемной антенны, при этом расстояние между парой приемников составляет порядка от 5 до 10 футов (от 1,524 до 3,048 м), которое значительно больше разноса пары приемников (обычно ограниченного величиной меньше фута (0,3048 м)) в обычном приборе, основанном на распространении. Большее расстояние между парой приемников является желательным вследствие низких частот, используемых при электромагнитных измерениях с большой глубиной исследования (от 1 до 200 кГц). При расстоянии между парами приемников порядка от 5 до 10 футов (от 1,524 до 3,048 м) будет гарантироваться, что минимальный фазовый сдвиг, который может быть измерен, находится в диапазоне около 0,1°.
Кроме того, в дополнение к использованию пары приемников можно выполнять дифференциальные измерения фазы и амплитуды (то есть фазовых сдвигов и затуханий) с помощью подходящей схемы импульсов, такой, как показанная на фиг.8. В схеме измерения, показанной на фиг.8, можно использовать один (или несколько) передаваемых импульсов на определенной частоте в качестве привязки ко времени. В предположении постоянной опорной фазы (или разности времен) между импульсами в импульсной последовательности (эту разность времен также можно измерять и передавать на приемник с помощью беспроводной телеметрии) можно определять опорную фазу (или разность времен) для принимаемых последовательностей импульсов относительно опорного импульса.
Кроме того, этот же способ (с использованием амплитуды опорного импульса для сравнения) можно применять к отношению амплитуд между каждым импульсом в импульсной последовательности и опорным импульсом. В этом случае отношение амплитуд на передатчике можно поддерживать постоянным или измерять. Применение разностного способа для времени вступления импульса или отношения амплитуд уменьшает зависимость результата измерения от точной калибровки в воздушной среде, необходимой при измерении амплитуды.
В качестве примера на фиг.11А-11F показаны результаты различных измерений для планарной границы со скачком удельного сопротивления 1 и 100 Ом·м при использовании прибора, имевшего расстояние передатчик-приемник 70 футов (21,336 м). Этот прибор содержал передающую и приемную антенны, которые имели продольные магнитные моменты (то есть магнитные моменты в направлении, параллельном продольной оси прибора).
На фиг.11А и фиг.11В показаны результаты измерений амплитуд и результаты измерений относительных амплитуд, соответственно, на различных частотах. На фиг.11В результаты измерений относительных амплитуд представлены относительно результата измерения амплитуды на 2 кГц. На фиг.11С и фиг.11D показаны результаты измерений фаз и результаты измерений относительных фаз, соответственно, на различных частотах. На фиг.11D результаты измерений относительных фаз представлены относительно результата измерения фазы на 2 кГц.
На фиг.11Е и фиг.11F показаны результаты измерений фазовых сдвигов и затуханий, соответственно, на различных частотах, при этом измерения выполнялись с помощью пары приемников, имевших разнос 8 футов (2,4384 м). При таком разносе можно без труда заметить значительные изменения фазового сдвига и затухания. Обоими измерениями обеспечивается еще один набор результатов измерений с иной чувствительностью, что позволяет использовать дополнительные независимые измерения во время процесса инверсии.
Некоторые осуществления изобретения относятся к геоуправлению. В способе геоуправления согласно осуществлениям изобретения можно использовать любую установку каротажа удельного сопротивления, описанную выше, и/или способ измерения, описанный выше (например, многочастотные измерения, использование схем импульсов и т.д.). Из результатов измерений можно извлекать, например, угол ориентации слоя, индикатор границы слоя и расстояния до границ слоя. Угол ориентации слоя представляет собой угол между опорным направлением, таким как вектор, обратный вектору гравитационного ускорения, и нормалью к плоскости слоя. Индикатор границы слоя можно получать, например, на основании симметризованной характеристики, используя коэффициенты электромагнитной связи, хотя другие характеристические функции также можно использовать. Используемые в этой заявке «свойства пласта» могут включать в себя такие параметры пласта.
Все измерения согласно описанным выше осуществлениям изобретения можно распространить на направленные измерения. Направленные измерения обеспечивают дополнительную чувствительность к границам и соответственно должны повышать качество процесса инверсии. В некоторых осуществлениях антенна (антенны) имеют поперечный магнитный диполь, сочетаемый с обычной «осевой» антенной для получения результатов обоих измерений от одной и той антенны. В трехосной антенне, рассмотренной выше, одна часть может быть выровнена относительно оси компоновки низа бурильной колонны, тогда как две другие части находятся под углами относительно нее. При желании обычные экраны могут быть реализованы совместно с осуществлениями изобретения. Должно быть понятно, что антенны (и относящуюся к ним электронику) согласно осуществлениям изобретения можно выполнять, используя одну из многих хорошо известных конструкций антенн и компоновочных схем. Например, для реализации настоящего изобретения можно использовать каротажную установку, описанную в патенте США № 6188222.
Хотя в приведенном выше описании для иллюстрации различных осуществлений изобретения использовались приборы каротажа в процессе бурения, прибор изобретения не ограничен каким-либо конкретным способом транспортировки. Поэтому прибор изобретения можно использовать, например, при каротаже в процессе бурения, каротаже во время спускоподъемных операций, бурении с использованием гибких труб, каротаже через долото, бурении с использованием хвостовика и операций бурения на обсадных трубах.
Хотя осуществления, описанные выше, обычно относятся к рамочным или петлевым антеннам, можно использовать антенны других видов, например тороидальные. Рамочные или петлевые антенны можно рассматривать как аналогичные магнитному диполю, а тороидальные антенны можно рассматривать как аналогичные электрическому диполю. Поэтому в каждом случае антенну можно рассматривать как имеющую электрический или магнитный дипольный момент.
Для получения чувствительного к направлению результата измерения по меньшей мере одна антенна должна быть наклонной или поперечно направленной. «Наклонная» означает наличие угла наклона, при этом угол наклона представляет собой угол между дипольным моментом антенны и продольной осью модуля (или линией, параллельной ей), где угол больше 0°, но меньше чем 90°. «Поперечно направленная» означает, что угол между дипольным моментом и продольной осью модуля составляет 90°. На фиг.12 показаны модуль 200 и единственная антенна 202, и эта антенна 202 имеет угол γ наклона и азимутальный угол β. Азимутальный угол β представляет собой угол между осью x в фиксированной относительно модуля системе координат и проекцией дипольного момента на плоскость x-y в фиксированной относительно модуля системе координат. Ось z в фиксированной относительно модуля системе координат расположена вдоль продольной оси модуля, а оси x и y завершают ортогональную правую систему координат.
Т
Т
R
R
R
T
На фиг.13 показаны единственная передающая антенна 204 и единственная приемная антенна 206. Передающая антенна 204 имеет угол γ наклона и азимутальный угол β. Приемная антенна 206 имеет угол γ наклона и азимутальный угол β, хотя углы наклона двух антенн могут быть равны. Относительный азимутальный угол между передающей антенной 204 и приемной антенной 206 составляет β, который равен β-β. Антенны 204, 206 могут находиться в одном и том же модуле или в отдельных модулях, что справедливо для всех осуществлений изобретения. Благодаря принципу обратимости роли передатчиков и приемников могут быть взаимозаменяемыми, и эти конфигурации также находятся в объеме изобретения.
На фиг.14 показаны несколько примеров конфигураций антенн. В конфигурации (а) показаны единственный передатчик 204 и единственный приемник 206, углы наклона которых являются различными. Азимутальные углы антенн также являются различными. В объеме изобретения каждая антенна имеет азимутальный угол и угол наклона, и эти углы могут быть или могут не быть равными. Передатчик и приемник содержат пару антенн, которые могут использоваться для выполнения измерения. Конфигурация (а) была раскрыта в заявке № 11/775435 на патент США, поданной 10 июля 2007 года и переуступленной правопреемнику настоящей заявки.
В конфигурации (b) из фиг.14 показаны две передающие антенны 204, 208 и приемная антенна 206. Передающие антенны 204, 208 показаны совмещенными, но не требуется, чтобы это было так. Углы наклона и азимутальные углы всех антенн не зависят друг от друга и могут быть или могут не быть равными. Две пары передатчик/приемник делают возможными два измерения, и сравнительно больше информации можно получать на основании этих измерений.
В конфигурации (с) из фиг.14 показаны две передающие антенны 204, 208 и две приемные антенны 206, 210. Передающие антенны 204, 208 и приемные антенны 206, 210, соответственно, показаны совмещенными, но не требуется, чтобы это было так. Углы наклона и азимутальные углы всех антенн не зависят друг от друга и могут быть или могут не быть равными. Четыре пары передатчик/приемник делают возможными четыре измерения, и сравнительно больше информации можно получать на основании этих измерений.
В конфигурации (d) из фиг.14 показаны одна передающая антенна 204 и три приемные антенны 206, 210, 212. Приемные антенны 206, 210, 212 показаны совмещенными, но не требуется, чтобы это было так. Углы наклона и азимутальные углы всех антенн не зависят друг от друга, и могут быть или могут не быть равными. Четыре пары передатчик/приемник делают возможными четыре измерения и обеспечивают информацию, сравнимую с измерениями, выполняемыми с помощью конфигурации (с). Конфигурация (d) была раскрыта в заявке № 11/610653 на патент США, поданной 14 декабря 2006 года и переуступленной правопреемнику настоящей заявки. Как раскрыто в этой заявке, такая конфигурация антенн позволяет определять все компоненты тензора электромагнитной связи.
В конфигурации (е) из фиг.14 показаны две передающие антенны 204, 208 и три приемные антенны 206, 210, 212. Некоторые антенны показаны совмещенными, но не требуется, чтобы это было так. Углы наклона и азимутальные углы всех антенн не зависят друг от друга и могут быть или могут не быть равными. Шесть пар передатчик/приемник делают возможными шесть измерений.
В конфигурации (f) из фиг.14 показаны три передающие антенны 204, 208, 214 и три приемные антенны 206, 210, 212. Некоторые антенны показаны совмещенными, но не требуется, чтобы это было так. Углы наклона и азимутальные углы всех антенн не зависят друг от друга и могут быть или могут не быть равными. Девять пар передатчик/приемник делают возможными девять измерений.
В конфигурации (g) из фиг.14 показаны три модуля 216, 218, 220. Модуль 216 имеет передающую антенну 204. Модуль 218 имеет три приемные антенны 206, 210, 212 и модуль 220 имеет три приемные антенны 222, 224, 226. Некоторые антенны показаны совмещенными, но не требуется, чтобы это было так. Углы наклона и азимутальные углы всех антенн не зависят друг от друга и могут быть или могут не быть равными. Разнообразные измерения, выполняемые с помощью различных модульных пар передатчик/приемник, образуют абсолютные измерения, которые обеспечивают информацию об электромагнитной связи для двух различных глубин исследования. В дополнение к этому результаты относительных измерений можно получать, используя измерения от различных приемных модулей. Например, различием между сигналами, принимаемыми, например, приемниками 206 и 222, основанными на передаче от антенны 204, обеспечивается относительное измерение. Конфигурация (g) является одним возможным примером осуществления, имеющего больше двух модулей, но возможны иные комбинации.
В конфигурации (h) из фиг.14 показаны четыре модуля 216, 218, 220, 228. Модуль 216 имеет передающую антенну 204 и модуль 228 имеет передающую антенну 230. Модуль 218 имеет три приемные антенны 206, 210, 212 и модуль 220 имеет три приемные антенны 222, 224, 226. Некоторые антенны показаны совмещенными, но не требуется, чтобы это было так. Углы наклона и азимутальные углы всех антенн не зависят друг от друга и могут быть или могут не быть равными. Эта конфигурация делает возможными скважинные компенсированные измерения. Кроме того, возможны другие конфигурации, которые делают возможными скважинные компенсированные измерения.
В конфигурации (i) показаны модуль 216 и модуль 232. Модуль 216 имеет передающую антенну 204, и эта антенна 204 является поперечно направленной. Модуль 232 имеет трехосную антенну 234. «Трехосная антенна» означает, что конфигурация антенны имеет три антенны, дипольные моменты которых лежат на трех ортогональных осях, и в этой конфигурации дипольный момент одной антенны является параллельным продольной оси модуля. Трехосные антенны могут быть или могут не быть совмещенными. Этим осуществлением показана одна возможная конфигурация, посредством которой можно измерять поперечную/поперечную связь и поперечную/осевую связь.
В конфигурации (j) показаны модуль 228 и модуль 232. Модуль 228 имеет передающую антенну 204, и эта антенна 204 является наклонной. Модуль 232 имеет трехосную антенну 234. Трехосные антенны могут быть или могут не быть совмещенными. Этим осуществлением показана одна возможная конфигурация, имеющая комбинации наклонной/поперечно направленной антенн.
На фиг.15 показано осуществление, имеющее модуль 236 и модуль 238. Модуль 236 имеет наклонную антенну 240. Модуль 238 имеет три наклонные антенны 242, 244, 246, которые не являются совмещенными, хотя они могут быть такими. Все углы наклона передающих и приемных антенн равны, но не требуется, чтобы это было так. Приемные антенны симметрично расположены по азимутам на угловом расстоянии 120° от продольной оси модуля 238, но опять же это не требуется.
Хотя относительный азимутальный угол между антеннами на общем модуле является известным, он может не быть истинным для антенн на отдельных модулях. Например, антенны из различных модулей могут быть повернутыми по азимуту относительно друг друга вследствие отклонений бурильной колонны при свинчивании труб на месте расположения скважины или вследствие деформации кручения при бурении. Если на каждом модуле имеются датчики поворота, можно определять относительные азимутальные углы.
Когда передающую антенну (Т) возбуждают и измеряют сигнал (V) на приемнике (R), сигнал может быть связан с ориентацией и интенсивностью диполей Т и R следующей зависимостью
,
(уравнение 1)
R
R
R
T
T
T
где x, y и z являются компонентами вектора, отображающего интенсивность на приемной антенне и ориентацию ее, тогда как x, y и z являются такими же компонентами вектора для передающей антенны.
представляет собой тензор электромагнитной связи. Например, компонента yz тензора
определяется как сигнал, измеряемый на направленном по y приемнике при возбуждении направленного по z передатчика. Антенна, которая ориентирована вдоль одной из осей, имеет только один компонент вектора
или
, который является ненулевым. Антенна, которая наклонена, имеет свыше одного ненулевого компонента в векторе
или
. Ниже сначала будет рассмотрен случай наклонной антенны.
Для комбинации T-R антенн, где по меньше мере одна антенна является наклонной, напряжение, наводимое электромагнитным полем, излучаемым от передатчика, дается уравнением (2), которое показывает, что напряжение может быть выражено в членах ряда Фурье азимутального угла до второго порядка.
0
1c
1s
2c
2s
V(θ,β)=C+Ccos(θ)+Csin(θ)+Ccos(2θ)+Csin(2θ);
(уравнение 2)
0
1c
1s
2c
2s
где θ - азимутальный угол поворота прибора, а набором комплексных коэффициентов C, C, C, C и C представлены коэффициенты гармоник напряжения нулевого, первого и второго порядков:
;
(уравнение 3а)
1c
C=[xz+zxcos(β)+zy sin(β)];
(уравнение 3b)
1s
C=[yz+zycos(β)-zxsin(β)];
(уравнение 3с)
;
(уравнение 3d)
;
(уравнение 3е)
где β является азимутальным углом приемника относительно передатчика. Этими уравнениям показывается зависимость от угла β, а также от компонент тензора связи. Коэффициент гармоник нулевого порядка зависит от связей zz, (xx+yy) и (xy-yx). Два коэффициента гармоник первого порядка зависят от связей xz, zx, yz и zy; и два коэффициента гармоник второго порядка зависят от (xx-yy) и (xy+yx).
При обычной операции бурения прибор вращается, когда выполняют измерения, поэтому для каждой пары T-R в соответствии с уравнением (2) получают множество напряжений, измеренных при различных значениях θ. Если имеются пять или большее количество измерений при различных, но известных значениях θ, можно определить коэффициенты гармоник. Это упрощает задачу решения системы уравнений, показанных выше в виде уравнения (3). Однако уравнение (3) содержит пять уравнений, но имеет девять неизвестных, и поэтому является недоопределенным. Если имеются три приемника вместо одного, то уравнения можно решить и найти компоненты тензора связи.
Однако в режиме скольжения каждой парой T-R обеспечивается одно измерение при известном значении θ, поэтому задача извлечения коэффициентов Фурье не является тривиальной, не говоря уже об определении компонентов матрицы связи. Но в принципе при достаточном количестве антенных пар T-R (5 или больше) можно извлекать коэффициенты Фурье и решать задачу так же, как и в случае режима вращения, рассмотренного выше. Для такой реализации требуются одна антенна Т и пять антенн R или взаимно-обратные количества, то есть пять антенн Т и одна антенна R. Другие реализации, такие как две антенны Т и три антенны R (фиг.14е), приводят к шести измерениям, достаточным для извлечения всех компонент Фурье. В качестве варианта можно использовать три антенны Т и три антенны R (фиг.14f), комбинацию, которая приводит к девяти измерениям.
1
1
2
2
3
3
1
2
3
В случаях, когда антенн недостаточно для извлечения компонент тензора связи, например, одна антенна Т и три антенны R в режиме скольжения, нижеследующее представление приводит к определенным сочетаниям компонент тензора связи. Эти сочетания являются направленными и поэтому полезными для геологического сопровождения бурения скважины, а также определения параметров удельного сопротивления. При рассмотрении случая одной антенны Т и трех антенн R (фиг.14d), где по меньшей мере одна антенна является наклонной, сочетание приводит к трем измерениям, V(θ,β), V(θ,β) и V(θ,β), где антенны R распределены по азимуту с шагом 120° под углами β, β и β относительно передатчика. При использовании следующих соотношений
,
,
(уравнение 4)
1
2
3
β+β+β=2π
сумма трех измерений приводит к более простой зависимости.
.
(уравнение 5а)
Аналогичным образом
(уравнение 5b)
и
(уравнение 5с)
Выражения согласно уравнению (5) являются более простыми, чем уравнения для исходных напряжений, и легче вычисляются. Все эти соотношения содержат перекрестные члены, такие как xz, zy и т.д., что делает их направленными величинами. Вычисление согласно прямой модели, основанное на уравнении (5), можно использовать, а компоненты тензора связи можно итерационно изменять для воспроизведения экспериментально измеряемых значений. Затем компоненты тензора связи можно использовать для определения расстояний до границ слоя и параметров удельного сопротивления, таких как вертикальное удельное сопротивление, горизонтальное удельное сопротивление, наклон пласта и азимут. Поэтому это делает возможным использование в способе трех измерений, получаемых от одной антенны Т и трех антенн R для геологического сопровождения бурения скважины и определения удельного сопротивления даже в режиме скольжения.
В конкретном случае, когда пласт образован из параллельных слоев, в случае так называемой «планарной геометрии», при измерениях предпочтительно осуществлять поворот, например, на угол α, чтобы ось x в системе координат прибора была перпендикулярна к плоскости пласта. При таких условиях перекрестные члены в тензоре связи, включающие в себя ось y (xy, yx, zy и yz), обращаются в нуль и уравнение (5) дополнительно упрощается до:
,
(уравнение 6а)
(уравнение 6b)
и
.
(уравнение 6с)
С этими уравнениями работать еще легче, но они применимы только в особом случае планарной геометрии.
Как показано на фиг.16, процедуру получения величин, показанных в уравнениях (5) и (6), начинают с трех измерений и образуют несколько комбинаций из результатов этих измерений, которые имеют более желательные свойства. В общем случае, как было показано выше, в случае трех независимых измерений можно образовать три другие независимые комбинации. Но процедура не ограничена комбинациями, перечисленными выше, и в общем случае возможны многочисленные другие комбинации. Некоторые комбинации могут быть дополнительными комбинациями соотношений, показанных в уравнении (6), например,
(уравнение 7)
В отличие от соотношений в уравнении (6) все члены в уравнении (7) зависят от углового положения прибора. Поэтому этот способ изобретения позволяет образовывать комбинации с требуемыми свойствами, используя измеряемые напряжения.
Теперь применим способ к осевым и поперечно направленным антеннам. Осевые антенны имеют дипольные направления вдоль оси z (заданной в качестве продольной оси прибора), тогда как поперечно направленные антенны имеют диполи, перпендикулярные к оси z. Когда имеются три взаимно перпендикулярные антенны, этот набор называют трехосной антенной. Если имеются трехосная передающая антенна и трехосная приемная антенна, в режиме скольжения выполняют девять измерений. Если оба модуля снабжены направленным датчиком, относительный угол между поперечно направленными антеннами будет известным и уравнение (1) можно использовать для определения всех компонент тензора связи. Поэтому возможны геологическое сопровождение бурения скважины и определение параметров удельного сопротивления. В случаях, когда имеется меньшее количество антенн, например, если только один передатчик связан с трехосным приемником (фиг.14i), можно определять только некоторые из компонент тензора связи. Однако этих компонент достаточно для определения параметров удельного сопротивления.
Рассмотрим случай системы из осевой Т и трехосной R антенн и предположим, что антенны R повернуты на азимутальный угол θ относительно направления вверх. Тремя измеряемыми напряжениями являются:
1t
V=xzcos(θ),
(уравнение 8а)
2t
V=yzsin(θ),
(уравнение 8b)
3t
V=zz.
(уравнение 8с)
После выполнения коррекции за влияние азимутального угла можно определить xz, yz и zz, где первые две компоненты являются направленными. Точно так же, если имеются трехосная R и направленная в поперечном направлении x антенна Т, после коррекции за влияние азимутального угла, определяют xx, yx и zx, при этом все три компоненты являются направленными. Ясно, что в случае осевых и поперечно направленных антенн для работы в режиме скольжения необходимы только одна Т и три R антенн. Однако на основании этих измерений невозможно получать предпочтительные параметры, такие как симметризованные и несимметризованные функции.
На фиг.16 показаны этапы одного осуществления 300 способа определения свойства пласта в режиме скольжения.
Способ и установка для определения свойства пласта во время скольжения установки применимы независимо от того, распределены ли антенны, или находятся внутри многочисленных модулей, или содержатся на или внутри единственного модуля. Установку можно транспортировать на бурильной колонне или тросе и можно перемещать, используя транспортное средство любого вида.
Хотя выше осуществления описаны на примерах приборов распространения, изобретение также может включать в себя индукционные приборы. При использовании индукционных приборов другие антенны, известные в данной области техники как компенсационные катушки, могут быть расположены на различных местах вдоль бурильной колонны.
Хотя изобретение было описано применительно к ограниченному числу осуществлений, специалистам в данной области техники, имеющим выгоду от этого раскрытия, должно быть понятно, что могут быть придуманы другие осуществления, которые не отклоняются от объема изобретения, раскрытого в этой заявке. В соответствии с этим объем изобретения должен ограничиваться только прилагаемой формулой изобретения.