МЯГКИЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛОСЫ ДЛЯ НАКЛОННЫХ РАМОЧНЫХ АНТЕНН
SOFT MAGNETIC STRIPS FOR INCLINED FRAME ANTENNAE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Во время буровых работ по добыче углеводородов используют различные технологии записи и передачи данных в режиме реального времени из зоны бурового долота. Измерения окружающих подземных формаций можно выполнять во время буровых работ с помощью скважинных измерительных и каротажных приборов, таких как приборы для измерений во время бурения (ИВБ) и/или каротажа во время бурения (КВБ), помогающих характеризовать формации и принимать рабочие решения. Конкретнее, такие скважинные каротажные приборы выполняют измерения, используемые для определения электрического удельного сопротивления (или обратной ему величины, проводимости) проходимых окружающих подземных формаций, при этом электрическое удельное сопротивление указывает на различные геологические характеристики формаций. Результаты измерений удельного сопротивления можно получить с помощью одной или большего количества антенн, соединенных или другим способом связанных со скважинными каротажными приборами.
[0002] Антенны каротажных приборов часто изготавливают путем расположения витков катушки вокруг осевого участка скважинного каротажного прибора, такого как муфта утяжеленной бурильной трубы. Иногда под витками катушки помещают мягкий магнитный материал, увеличивающий эффективность и/или чувствительность антенны каротажного прибора. Мягкий магнитный материал способствует образованию потока с более высокой магнитной проницаемостью (то есть, канала силовых линий) для магнитного поля, генерируемого витками катушки, и помогает экранировать витки катушки от смежных муфт утяжеленной бурильной трубы и связанных с этим потерь (например, вихревых токов, генерируемых в муфтах утяжеленной бурильной трубы).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0003] Приведенные ниже фигуры включены для иллюстрации некоторых аспектов настоящего изобретения и не должны рассматриваться в качестве исчерпывающих вариантов реализации изобретения. Раскрываемый объект изобретения допускает значительные модификации, изменения, комбинации и эквиваленты по форме и функционалу без отклонения от объема настоящего изобретения.
[0004] ФИГ. 1 представляет собой схематическое изображение типовой буровой системы, которая может применять принципы данного изобретения.
[0005] ФИГ. 2 представляет собой схематическое изображение типовой кабельной системы для работы с внутрискважинным инструментом, которая может применять принципы данного изобретения.
[0006] ФИГ. 3A и 3B представляют собой виды типового антенного блока.
[0007] На ФИГ. 4A изображен вид сбоку другого типового антенного блока.
[0008] ФИГ. 4B представляет собой график, показывающий смоделированную реакцию направленности магнитного дипольного момента катушки антенного блока по ФИГ. 4A после возбуждения.
[0009] На ФИГ. 5A изображен вид сбоку другого типового антенного блока.
[0010] ФИГ. 5B представляет собой изометрическую проекцию мягкой магнитной полосы по ФИГ. 5A.
[0011] ФИГ. 5C представляет собой график, показывающий смоделированную реакцию направленности магнитного дипольного момента антенного блока по ФИГ. 5A после возбуждения.
[0012] На ФИГ. 6A изображен вид сбоку другого типового антенного блока.
[0013] ФИГ. 6B представляет собой изометрическую проекцию мягкой магнитной полосы по ФИГ. 6A.
[0014] ФИГ. 6C представляет собой график, показывающий смоделированную реакцию направленности магнитного дипольного момента антенного блока по ФИГ. 6A после возбуждения.
[0015] ФИГ. 7A и 7B представляют собой изометрическую проекцию и вид сбоку, соответственно, типового антенного блока, в котором реализованы принципы данного изобретения.
[0016] ФИГ. 7C представляет собой график, показывающий смоделированную реакцию направленности магнитного дипольного момента антенного блока по ФИГ. 7A-7B после возбуждения.
[0017] ФИГ. 8A и 8B представляют собой графики радиального распределения, изображающие чувствительность или направленность в ближней зоне результирующих магнитных полей, генерируемых двумя антенными блоками.
[0018] ФИГ. 9A и 9B представляют собой изометрическую проекцию и вид сбоку, соответственно, другого типового антенного блока, реализовывающего принципы данного изобретения.
[0019] ФИГ. 9C представляет собой график, показывающий смоделированную реакцию направленности магнитного дипольного момента антенного блока по ФИГ. 9A-9B после возбуждения.
[0020] ФИГ. 10A и 10B представляют собой изометрическую проекцию и вид сбоку, соответственно, другого типового антенного блока, в котором реализованы принципы данного изобретения.
[0021] ФИГ. 10C представляет собой график, показывающий смоделированную реакцию направленности магнитного дипольного момента антенного блока по ФИГ. 10A-10B после возбуждения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0022] Данное изобретение в целом относится к скважинным каротажным приборам, используемым в нефтяной и газовой промышленности, а конкретнее, к конструкции наклонных рамочных антенн, использующих полосу мягкого магнитного материала для увеличения индуктивности или чувствительности наклонной рамочной антенны.
[0023] Варианты реализации данного изобретения описывают усовершенствования конструкции антенных блоков, используемых в приборах каротажа сопротивления для мониторинга окружающих подземных формаций, прилегающих к пробуренной скважине. Антенные блоки, описанные в данном документе, содержат наклонные рамочные антенны, содержащие мягкую магнитную полосу, увеличивающую индуктивность наклонной рамочной антенны. Мягкая магнитная полоса может быть наклонена перпендикулярно к углу обмотки наклонной рамочной антенны и может состоять из мягких магнитных вставок, разрезанных параллельно оси прибора. Показаны новаторские конструкции, сохраняющие направленность и улучшающие коэффициент усиления антенных блоков, и мягкие магнитные вставки, легкие и простые в изготовлении. Соответственно, антенные блоки, описанные в данном документе, могут сохранять физический угол наклона передающей рамочной антенны без необходимости нарушения физической ориентации витков катушки или мягких магнитных вставок.
[0024] ФИГ. 1 представляет собой схематическое изображение типовой буровой системы 100, которая может применять принципы данного изобретения согласно одному или большему количеству вариантов реализации изобретения. Как проиллюстрировано, буровая система 100 может содержать буровую платформу 102, расположенную на поверхности, и скважину 104, идущую от буровой платформы 102 в одну или большее количество подземных формаций 106. В других вариантах реализации изобретения, например, в морских буровых работах, объем воды может отделять буровую платформу 102 от скважины 104.
[0025] Буровая система 100 может содержать вышку для бурения 108, опирающуюся на буровую платформу 102 и имеющую талевый блок 110 для подъема и спуска бурильной колонны 112. Ведущая бурильная труба 114 может поддерживать бурильную колонну 112 по мере ее опускания через ротор 116 буровой установки. Буровое долото 118 может быть соединено с бурильной колонной 112 и приводится в движение скважинным двигателем и/или вращением бурильной колонны 112 от ротора 116 буровой установки. По мере вращения буровое долото 118 создает ствол 104 скважины, который проходит через различные подземные формации 106. Насос 120 может прокачивать буровой раствор через питающую трубу 122, через ведущую бурильную трубу 114 в забой через внутреннюю часть бурильной колонны 112, через отверстия в буровом долоте 118, обратно на поверхность через кольцевое пространство вокруг бурильной колонны 112 и в сточную емкость 124. Буровой раствор охлаждает буровое долото 118 во время работы и транспортирует выбуренную породу из скважины 104 в сточную емкость 124.
[0026] Буровая система 100 может дополнительно содержать компоновку низа бурильной колонны (КНБК), соединенную с бурильной колонной 112 вблизи бурового долота 118. КНБК может содержать различные скважинные измерительные инструменты, такие как, без ограничений, приборы измерения во время бурения (ИВБ) и каротажа во время бурения (КВБ), которые могут быть выполнены с возможностью выполнения измерений условий бурения в скважине. Инструменты ИВБ и КВБ могут содержать по меньшей мере один прибор 126 каротажа сопротивления, который может содержать одну или большее количество рамочных антенн, разделенных по оси вдоль длины прибора 126 каротажа сопротивления и способных принимать и/или передавать электромагнитные (ЭМ) сигналы. Как будет подробно описано ниже, прибор 126 каротажа сопротивления может дополнительно содержать мягкую магнитную полосу, используемую для усиления и/или экранирования ЭМ сигналов, и таким образом увеличивающую азимутальную чувствительность прибора 126 каротажа сопротивления.
[0027] По мере того, как буровое долото 118 формирует скважину 104 через формации 106, прибор 126 каротажа сопротивления может непрерывно или прерывисто собирать азимутально чувствительные результаты измерений, относящиеся к удельному сопротивлению формаций 106, то есть, показывающие, насколько сильно формации 106 сопротивляются прохождению электрического тока. Прибор 126 каротажа сопротивления и другие датчики приборов ИВБ и КВБ могут иметь коммуникационное соединение с телеметрическим модулем 128, используемым для передачи результатов измерений и сигналов от КНБК на поверхностный приемник (не показан) и/или для приема команд от поверхностного приемника. Телеметрический модуль 128 может охватывать любые известные средства связи в скважине, в том числе, но без ограничений: систему гидроимпульсной скважинной телеметрии, систему акустической телеметрии, систему проводной связи, систему беспроводной связи или любую их комбинацию. В некоторых вариантах реализации изобретения некоторые или все результаты измерений, полученные прибором 126 каротажа сопротивления, могут также храниться в приборе 126 каротажа сопротивления или в телеметрическом модуле 128 для последующего извлечения информации на поверхности после извлечения бурильной колонны 112.
[0028] В различные моменты во время процесса бурения бурильная колонна 112 может быть извлечена из ствола 104 скважины, как показано на ФИГ. 2, для выполнения операций измерения/каротажа. Конкретнее, ФИГ. 2 представляет собой схематическое изображение типовой кабельной системы 200 для работы с внутрискважинным инструментом, которая может применять принципы данного изобретения согласно одному или большему количеству вариантов реализации изобретения. Одинаковые цифровые обозначения, использованные на ФИГ. 1 и 2, относятся к одинаковым компонентам, и поэтому нет необходимости описывать их снова. Как проиллюстрировано, кабельная система 200 может содержать кабельный каротажный прибор 202, который может быть подвешен в скважине 104 на кабеле 204. Кабельный каротажный прибор 202 может содержать прибор 126 каротажа сопротивления, описанный выше, который может иметь коммуникационное соединение с кабелем 204. Кабель 204 содержит проводники, передающие энергию на кабельный каротажный прибор 202, а также способствует связи между поверхностью и кабельным каротажным прибором 202. Каротажное оборудование 206, показанное на ФИГ. 2 в виде грузовика, может получать результаты измерений от прибора 126 каротажа сопротивления и может содержать системы 208 вычисления и получения данных для контроля, обработки, хранения и/или визуализации результатов измерений, полученных прибором 126 каротажа сопротивления. Вычислительное оборудование 208 может иметь коммуникационное соединение с прибором 126 каротажа сопротивления с помощью кабеля 204.
[0029] ФИГ. 3A представляет собой частичную изометрическую проекцию типового прибора 300 каротажа сопротивления согласно одному или большему количеству вариантов реализации изобретения. Прибор 300 каротажа сопротивления может быть таким же, как прибор 126 каротажа сопротивления по ФИГ. 1 и 2 или аналогичным ему, и таким образом, может быть использован в буровых или кабельных системах 100, 200, изображенных на них. Прибор 300 каротажа сопротивления изображен содержащим антенный блок 302, который может быть расположен вокруг шпинделя 304 инструмента, такого как муфта утяжеленной бурильной трубы и т.п. В некоторых случаях антенный блок 302 содержит бобину 306 и катушку 308, намотанную вокруг бобины 306, и проходящую в осевом направлении посредством намотки вдоль по меньшей мере части внешней поверхности бобины 306.
[0030] Конструкция бобины 306 может содержать высокотемпературный пластик, термопластический пластик, полимер (например, полиимид), керамический или эпоксидный материал, но в альтернативном варианте может быть изготовлена из разнообразных других немагнитных, изоляционных/не проводящих электричество материалов. Бобина 306 может быть изготовлена, например, путем послойной печати (то есть, 3D-печати), литья, литья под давлением, механической обработки или других известных производственных процессов.
[0031] Катушка 308 может содержать любое количество последовательных «витков» (то есть, оборотов проволоки) вокруг бобины 306, но, как правило, будет содержать по меньшей мере множество (то есть, два или большее количество) последовательных полных витков, каждый из которых обернут на 360° вокруг бобины 306. В некоторых вариантах реализации изобретения дорожка или направляющая для размещения катушки 308 может быть выполнена вдоль внешней поверхности бобины 306. Например, один или большее количество каналов, принимающих и размещающих несколько витков катушки 308, могут быть образованы на внешней поверхности бобины 306. Однако в других вариантах реализации изобретения бобина 306 может вообще отсутствовать в приборе 300 каротажа сопротивления без отхода от объема изобретения.
[0032] Катушка 308 может быть концентрической или эксцентрической относительно оси 310 инструмента шпинделя 304 инструмента. Как проиллюстрировано, обороты или витки катушки 308 расположены вокруг бобины 306 под углом 312 обмотки, то есть, отклонены под углом от оси 310 инструмента. В результате антенный блок 302 может быть охарактеризован и по-другому назван «наклонной рамочной антенной» или «направленной антенной». В проиллюстрированном варианте реализации изобретения и в примере, угол 312 обмотки отклонен от оси 310 инструмента под углом 45°, но в альтернативном варианте может быть отклонен от оси 310 инструмента под любым углом без отхода от объема изобретения.
[0033] ФИГ. 3B представляет собой схематический вид сбоку прибора 300 каротажа сопротивления по ФИГ. 3A. Когда через катушку 308 (ФИГ. 3A) антенного блока 302 пропускают ток, может генерироваться дипольное магнитное поле 314, отходящее радиально наружу от антенного блока 302, с дипольным магнитным моментом 316, расположенным в целом перпендикулярно к направлению обмотки катушки 308 под углом 318 магнитного поля. Соответственно, поскольку угол обмотки 312 (ФИГ. 3A) составляет 45°, результирующий угол 318 магнитного поля также будет отклонен на 45° от оси 310 инструмента. Однако, как будет видно, угол 318 магнитного поля (то есть, направленность дипольного магнитного момента 316) можно изменять путем управления углом 312 обмотки или его регулирования.
[0034] На ФИГ. 4A изображен вид сбоку типового антенного блока.402. Антенный блок 402 может быть аналогичным в некоторых отношениях антенному блоку 302 по ФИГ. 3A-3B и, следовательно, может быть наилучшим образом понят со ссылкой на него, при этом одинаковые цифровые обозначения представляют одинаковые элементы, описание которых повторно не приводится. Как проиллюстрировано, антенный блок 402 содержит катушку 308, намотанную вокруг шпинделя 304 инструмента, а конкретнее, в пределах седла 404 выполненного на шпинделе 304 инструмента. Седло 404 может содержать часть шпинделя 304 инструмента, имеющую уменьшенный диаметр по сравнению с остальной частью шпинделя 304 инструмента. Некоторые или все из компонентов антенного блока 402 могут быть расположены в пределах седла 404. Хотя это не показано в данном варианте реализации изобретения, бобина 306 (ФИГ. 3A) в альтернативном варианте может быть расположена между катушкой 308 и шпинделем 304 инструмента (то есть, седлом 404), как в целом обсуждалось выше.
[0035] Как проиллюстрировано, витки катушки 308 расположены по окружности шпинделя 304 инструмента под углом 312 обмотки, который может быть отклонен от оси 310 инструмента, например, на 45°. В результате, магнитный дипольный момент 316, генерируемый катушкой 308, может проходить от шпинделя 304 инструмента под углом 318 магнитного поля, перпендикулярного углу 312 обмотки катушки 308. Направленность магнитного дипольного момента 316 может в целом соответствовать направлению, в котором катушка 308 излучает дипольное магнитное поле 314 (ФИГ. 3B), когда через нее пропускают ток. В некоторых применениях может быть желательно для лучших результатов иметь магнитный дипольный момент 316. отклоненный от оси 310 инструмента на 45°, но угол 318 магнитного поля в альтернативном варианте может представлять собой любой угол между параллельным и перпендикулярным к оси 310 инструмента, благодаря воздействию шпинделя 304 инструмента, или в результате использования мягкой магнитной полосы, как описано ниже.
[0036] ФИГ. 4B представляет собой график, показывающий смоделированную реакцию направленности магнитного дипольного момента 316 катушки 308 после возбуждения. Как изображено, эффективная направленность магнитного дипольного момента 316 составляет 46,7° с усилением около -93 дБ. Эта модель представляет типовую направленную рамочную антенну КВБ, и поэтому будет использована в качестве эталона, по которому будут ориентироваться следующие модели для других вариантов реализации антенных блоков, обсуждаемых в данном документе.
[0037] На ФИГ. 5A изображен другой вариант реализации антенного блока 402. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения мягкая магнитная полоса 502 расположена между катушкой 308 и шпинделем 304 инструмента в пределах седла 404. Мягкая магнитная полоса 502 может быть выполнена с возможностью экранирования обмотки 308 катушки от вихревых токов, генерируемых шпинделем 304 инструмента, и таким образом повышения азимутальной чувствительности антенного блока 402 и/или увеличения эффективности или силы дипольного магнитного поля 314 (ФИГ. 3B) катушки 308.
[0038] Чтобы способствовать этому эффекту, мягкая магнитная полоса 502 может содержать мягкий магнитный материал или любой материал, проявляющий относительно высокое удельное сопротивление, высокую магнитную проницаемость и низкие магнитные потери (например, гистерезис, магнитострикция и т.п.). Один подходящий мягкий магнитный материал, который может быть использован, содержит ферриты, как правило, содержащие композитную смесь железного/ферритного порошка и связующего вещества, такого как: каучук на силиконовой основе, эластомер, клей-герметик, вулканизирующийся при комнатной температуре, полимер (такой как полиимид), керамика или эпоксидная смола. Полученную смесь отливают и/или прессуют в желаемых геометрических формах и конфигурациях, соответствующих форме мягкой магнитной полосы 502. Другие подходящие мягкие магнитные материалы, которые могут быть использованы в мягкой магнитной полосе 502, включают, но без ограничения, мю-металл, пермаллой, металлическое стекло (метгласс) или любую комбинацию указанных материалов.
[0039] Мягкая магнитная полоса 502 может содержать в целом круглое кольцо, расположенное вокруг окружности шпинделя 304 инструмента (например, в пределах седла 404) под углом 504 полосы. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения угол 504 полосы и угол 312 обмотки по существу одинаковы, так что мягкая магнитная полоса 502 расположена между катушкой 308 и шпинделем 304 инструмента вокруг соответствующей окружности шпинделя 304 инструмента. Чтобы способствовать сохранению направленности магнитного дипольного момента 316 под углом 45° относительно оси 310 инструмента, мягкая магнитная полоса 502 может содержать множество лент или вставок 506, расположенных перпендикулярно катушке 308. Соответственно, в некоторых случаях мягкая магнитная полоса 502 может содержать разрезное круглое кольцо, расположенное вокруг окружности шпинделя 304 инструмента под углом 504 полосы.
r
o
[0040] ФИГ. 5B представляет собой изометрическую проекцию мягкой магнитной полосы 502 по ФИГ. 5A, содержащей вставки 506. Как проиллюстрировано, вставки 506 имеют срезы наклонной формы, и, следовательно, могут называться «наклонными» вставками 506. Каждая «наклонная» вставка 506 может быть отделена небольшим промежутком 508, предотвращающим физический контакт между смежными по бокам вставками 506, и таким образом предотвращающим образование непрерывных линий магнитной индукции между соседними вставками 506. В некоторых вариантах реализации изобретения промежуток 508 может быть заполнен материалом, имеющим относительную проницаемость (μ) приблизительно 1, что эквивалентно проницаемости свободного пространства или воздуха (μ). В других вариантах реализации изобретения промежуток 508 может не быть заполнен каким-либо конкретным материалом, но вместо этого может допускать разделение воздухом соседних вставок 506. В любом случае промежуток 508 по существу служит немагнитным изолятором между соседними вставками 506.
[0041] Как проиллюстрировано, каждая «наклонная» вставка 506 должна иметь сложную геометрию и уникальную форму поперечного сечения, которая должна быть скручена и изогнута, чтобы соответствовать кривизне шпинделя 304 инструмента (ФИГ. 5A) и/или седла 404 (ФИГ. 5A). В результате точное изготовление вставок 506 может быть довольно сложным и дорогим.
m
[0042] ФИГ. 5C представляет собой график, показывающий смоделированную реакцию направленности магнитного дипольного момента 316 катушки 308 антенного блока 402 по ФИГ. 5A после возбуждения. Как изображено, эффективная направленность магнитного дипольного момента 316 составляет 45,9°. В этой и всех последующих моделях магнитная проницаемость (μ) материала мягкой магнитной полосы 502 (и любых ее вариаций) составляет 100, а удельная проводимость составляет 0,008 См/м. Усиление антенны на ФИГ. 5A составляет -76 дБ, что на 14 дБ больше, чем у антенного блока 402 по ФИГ. 4A. Соответственно, можно наблюдать, что мягкая магнитная полоса 502 может способствовать сохранению направленности антенны и улучшению усиления антенного блока 402, однако она сложна и дорога в изготовлении.
[0043] ФИГ. 6A изображает другой вариант реализации антенного блока 402. В варианте реализации изобретения по ФИГ. 6A мягкая магнитная полоса 602 также расположена между катушкой 308 и шпинделем 304 инструмента в пределах седла 404 и проходит вокруг окружности шпинделя 304 инструмента под углом 504 полосы, по существу равным углу 312 обмотки. Мягкая магнитная полоса 602 может быть аналогичной в некоторых отношениях мягкой магнитной полосе 502 по ФИГ. 5A-5B, например, быть изготовленной из аналогичных мягких магнитных материалов. Однако, в отличие от мягкой магнитной полосы 502 по ФИГ. 5A-5B, вставки 604 мягкой магнитной полосы 602 разрезаны в осевом направлении, что представляет собой более простой и дешевый способ изготовления мягкой магнитной полосы 602 по сравнению с наклонными вставками 506 по ФИГ. 5A-5B.
[0044] ФИГ. 6B представляет собой изометрическую проекцию мягкой магнитной полосы 602, содержащей вставки 604. Как проиллюстрировано, вставки 604 содержат элементы в целом в форме прямоугольника или параллелограмма (в зависимости от места углового расположения вокруг окружности шпинделя 304 инструмента), разделенные промежутком 508. Каждая вставка 604 может иметь длину 606a и ширину 606b, причем длина 606a каждой разрезанной в осевом направлении вставки 604 расположена по существу параллельно оси 310 инструмента. В результате промежуток 508, отделяющий каждую смежную сбоку вставку 604, может быть выровнен в осевом направлении с осью 310 инструмента, и в других отношениях идти параллельно ей. Кроме того, каждая вставка 604 может иметь изогнутую форму по ширине, соответствующую кривизне шпинделя 304 инструмента (ФИГ. 6A) и/или седла 404 (ФИГ. 6A).
[0045] ФИГ. 6C представляет собой график, показывающий смоделированную реакцию направленности магнитного дипольного момента 316 катушки 308 антенного блока 402 по ФИГ. 6A после возбуждения. Как изображено, эффективная направленность магнитного дипольного момента 316 составляет 26,3°, что представляет заметное ухудшение по сравнению с направленностью дипольного момента наклонного рамочного антенного блока 402 по ФИГ. 5A. В результате, хотя мягкая магнитная полоса 602 по ФИГ. 6A-6B может быть более простой и дешевой в изготовлении по сравнению с мягкой магнитной полосой 502 по ФИГ. 5A-5B, ее конструкция не способна эффективно сохранять направленность антенного блока 402.
[0046] Теперь обратимся к ФИГ. 7A и 7B, иллюстрирующим изометрическую проекцию и вид сбоку, соответственно, типового антенного блока 702, который может реализовывать принципы данного изобретения. Антенный блок 702 может быть аналогичным в некоторых отношениях антенным блокам 402 по ФИГ. 4A, 5A-5B и 6A-6B и, следовательно, может быть наилучшим образом понят со ссылкой на них, при этом одинаковые цифровые обозначения относятся к одинаковым элементам или компонентам, повторное подробное описание которых не требуется.
[0047] Аналогично антенным блокам 402 по ФИГ. 4A, 5A-5B, и 6A-6B, например, антенный блок 702 содержит катушку 308, намотанную вокруг шпинделя 304 инструмента, и в некоторых вариантах реализации изобретения расположенную в пределах седла 404. Витки катушки 308 расположены вокруг шпинделя 304 инструмента под углом 312 обмотки (ФИГ. 7B), которая, как отмечено выше, может иметь угловое отклонение от оси 310 инструмента (ФИГ. 7B) 45°, но в альтернативном варианте угол отклонения от оси 310 инструмента может быть любым. В результате, магнитный дипольный момент 316 (ФИГ. 7B), генерируемый катушкой 308, может идти от шпинделя 304 инструмента под углом 318 магнитного поля (ФИГ. 7B), перпендикулярного углу 312 обмотки.
[0048] В некоторых вариантах реализации изобретения, как указано выше, может быть желательным иметь магнитный дипольный момент 316, имеющий угловое отклонение от оси 310 инструмента на 45° для наилучшей работы антенного блока 702. Однако следует отметить, что варианты реализации данного изобретения не ограничены конструированием и оптимизацией антенных блоков, имеющих угол 318 магнитного поля, равный только 45°. Напротив, в некоторых вариантах реализации изобретения может быть желательным варьировать направленность магнитного дипольного момента 316, и, следовательно, угол 318 магнитного поля в альтернативном варианте может представлять собой любой угол между параллельным и перпендикулярным к оси 310 инструмента без отхода от объема данного изобретения.
[0049] Аналогично антенным блокам 402 по ФИГ. 4A, 5A-5B, и 6A-6B, антенный блок 702 может также содержать мягкую магнитную полосу 704, которая радиально расположена между катушкой 308 и шпинделем 304 инструмента (например, седлом 404) и может быть изготовлена из аналогичных мягких магнитных материалов, указанных выше для мягкой магнитной полосы 502. Мягкая магнитная полоса 704 может быть аналогичной в некоторых отношениях мягкой магнитной полосе 602 по ФИГ. 6A-6B. Например, мягкая магнитная полоса 704 может содержать множество разрезанных в осевом направлении вставок 706, каждая из которых содержит элементы в целом в форме прямоугольника или параллелограмма (в зависимости от места углового расположения вокруг окружности шпинделя 304 инструмента), разделенные промежутком 508 (ФИГ. 7A). Кроме того, длина 606a каждой разрезанной в осевом направлении вставки 706 расположена по существу параллельно оси 310 инструмента, и в результате промежуток 508, отделяющий каждую смежную сбоку вставку 604, может быть выровнен в осевом направлении с осью 310 инструмента и в других отношениях идти параллельно ей. Кроме того, каждая вставка 604 имеет изогнутую форму по всей ширине 606b, соответствующую кривизне шпинделя 304 инструмента (ФИГ. 6A) и/или седла 404.
[0050] Однако, в отличие от мягкой магнитной полосы 602 по ФИГ. 6A-6B, мягкая магнитная полоса 704 может быть расположена вокруг окружности шпинделя 304 инструмента (например, седла 404) под углом 708 полосы (ФИГ. 7B), перпендикулярным углу 312 обмотки. Соответственно, мягкая магнитная полоса 704 может быть охарактеризована не только как «наклонная» по отношению к оси 310 инструмента, но также может быть названа «обратной» мягкой магнитной полосой. В вариантах реализации изобретения, в которых угол 312 обмотки на 45° отклонен от оси 310 инструмента, угол 708 полосы также может быть на 45° отклонен от оси 310 инструмента, но под углом, противоположным углу 312 обмотки, вдоль оси 310 инструмента. Поскольку и катушка 308, и мягкая магнитная полоса 704 обернуты вокруг окружности шпинделя 304 инструмента в перпендикулярных направлениях, по меньшей мере часть катушки 308 проходит в осевом направлении за пределами мягкой магнитной полосы 704, где мягкая магнитная полоса 704 не расположена радиально между катушкой 308 и шпинделем 304 инструмента.
[0051] ФИГ. 7C представляет собой график, показывающий смоделированную реакцию направленности магнитного дипольного момента 316 антенного блока 702 по ФИГ. 7A и 7B после возбуждения. Как изображено на ФИГ. 7C, эффективная направленность магнитного дипольного момента 316 составляет 47,2° с усилением -78 дБ, что на 12 дБ лучше, чем у антенного блока 402 по ФИГ. 4A-4B и гораздо ближе к желаемой направленности 45° по сравнению с антенным блоком 402 по ФИГ. 6A-6B. Соответственно, при использовании обратной конструкции мягкой магнитной полосы 704 результаты моделирования показывают, что антенный блок 702 не только сохраняет направленность магнитного дипольного момента 316 в ближней зоне скважины и в дальней зоне скважины, но также поддерживает усиление относительно направленности магнитного дипольного момента наклонного рамочного антенного блока 402 по ФИГ. 5A.
[0052] ФИГ. 8A и 8B представляют собой графики радиального распределения, изображающие чувствительность или направленность в ближней зоне результирующих магнитных полей 314, генерируемых двумя антенными блоками. Конкретнее, ФИГ. 8A изображает нормализованную чувствительность при 32 кГц для катушки с единственным витком в свободном пространстве, при этом между катушкой 308 и шпинделем 304 инструмента нет мягкой магнитной полосы. ФИГ. 8B изображает нормализованную чувствительность при 32 кГц для антенного блока 702 по ФИГ. 7A-7B с обратной мягкой магнитной полосой 704, расположенной между катушкой 308 и шпинделем 304 инструмента.
[0053] Как проиллюстрировано, угол 312 обмотки (ФИГ. 3A, 4A, 5A, 6A и 7B) катушки 308 (ФИГ. 3A, 4A, 5A, 6A, и 7A-7B) составляет или близок к 45° от оси 310 инструмента, таким образом приводя к тому, что магнитный дипольный момент 316 также расположен под углом около 45° от оси 310 инструмента, но перпендикулярно углу 312 обмотки и в других отношениях под углом, противоположным углу 312 обмотки, вдоль оси 310 инструмента. По сравнению с графиком на ФИГ. 8A, результирующее магнитное поле 314 по ФИГ. 8B показывает, что не только угол магнитного поля в удаленной зоне скважины сохраняется с обратной мягкой магнитной полосой 704 по ФИГ. 7A-7B, но угол магнитного поля в ближней зоне скважины также сохраняется. Конкретнее, как изображено на ФИГ. 8B, на удалении от 0,2 метра до 20 метров от антенны направленность магнитного поля 314 остается довольно стабильной под углом 45°. Поскольку глубина исследования антенны КВБ обычно находится в пределах 30 метров, эта чувствительность антенного блока в ближней зоне показывает, что конструкция антенного блока 702 по ФИГ. 7A-7B должна показывать такие же калиброванные результаты измерений, как обычная конструкция по ФИГ. 4A-4B. Таким образом, такие же алгоритмы последующей обработки, используемые для антенн обычной конструкции, могут быть использованы с антенным блоком 702 по ФИГ. 7A-7B для представления и оценки формации.
[0054] На ФИГ. 9A и 9B изображены изометрическая проекция и вид сбоку, соответственно, другого типового антенного блока 902, который может реализовывать принципы данного изобретения. Антенный блок 902 может быть аналогичным антенному блоку 702 по ФИГ. 7A и 7B и, следовательно, может быть наилучшим образом понят со ссылкой на него, при этом одинаковые цифровые обозначения представляют одинаковые элементы, описание которых повторно не приводится. Как проиллюстрировано, антенный блок 902 содержит катушку 308, намотанную вокруг шпинделя 304 инструмента под углом 312 обмотки (ФИГ. 9B), и мягкую магнитную полосу 704, расположенную вокруг окружности шпинделя 304 инструмента под углом 708 полосы (ФИГ. 9B), перпендикулярным углу 312 обмотки.
[0055] Разница между антенным блоком 902 и антенным блоком 702 по ФИГ. 7A и 7B заключается в количестве разрезанных в осевом направлении вставок 706, используемых в мягкой магнитной полосе 704. Мягкая магнитная полоса 704 по ФИГ. 7A-7B, например, использует двенадцать разрезанных в осевом направлении вставок 706, а мягкая магнитная полоса 704 по ФИГ. 9A-9B использует восемнадцать разрезанных в осевом направлении вставок 706. Соответственно, длина 606a разрезанных в осевом направлении вставок 706 в каждом антенном блоке 702, 902 может быть одинаковой или разной, но ширина 606b разрезанных в осевом направлении вставок 706 в антенном блоке 902 меньше ширины 606b разрезанных в осевом направлении вставок 706 в антенном блоке 702, чтобы вместить большее количество вставок 706 вокруг окружности шпинделя 304 инструмента.
[0056] ФИГ. 9C представляет собой график, показывающий смоделированную реакцию направленности магнитного дипольного момента 316 антенного блока 902 по ФИГ. 9A и 9B после возбуждения. Как изображено на ФИГ. 9C, эффективная направленность магнитного дипольного момента 316 составляет 46,1° с усилением -78 дБ, что на 14 дБ лучше, чем у антенного блока 402 по ФИГ. 4A-4B. Смоделированная эффективная направленность также гораздо ближе к желаемой направленности 45° по сравнению с антенным блоком 402 по ФИГ. 6A-6B, и также ближе по сравнению с антенным блоком 702 по ФИГ. 7A-7B. Соответственно, увеличение количества вставок 706 (ФИГ. 9A-9B) может иметь эффект приближения магнитного дипольного момента 316 к желаемому углу магнитного поля 45°.
[0057] На ФИГ. 10A и 10B изображены изометрическая проекция и вид сбоку, соответственно, другого типового антенного блока 1002, который может реализовывать принципы данного изобретения. Антенный блок 1002 может быть аналогичным антенным блокам 702 и 902 по ФИГ. 7A-7B и 9A-9B, соответственно, и, следовательно, может быть наилучшим образом понят со ссылкой на них, при этом одинаковые цифровые обозначения представляют одинаковые элементы, описание которых повторно не приводится. Как проиллюстрировано, антенный блок 1002 содержит катушку 308, намотанную вокруг шпинделя 304 инструмента под углом 312 обмотки (ФИГ. 10B), и мягкую магнитную полосу 704, расположенную вокруг окружности шпинделя 304 инструмента под углом 708 полосы (ФИГ. 10B), перпендикулярным углу 312 обмотки.
[0058] Однако, антенный блок 1002 отличается от антенных блоков 702, 902 тем, что одну или большее количество вставок 706 можно удалить из мягкой магнитной полосы 704 антенного блока 1002 в противоположных точках окружности вокруг шпинделя 304 инструмента (например, седла 404). Конкретнее, одну или более вставок 706 можно удалить из мягкой магнитной полосы 704 в точках вокруг шпинделя 304 инструмента, где части катушки 308 проходят в осевом направлении за пределами мягкой магнитной полосы 704, или, где мягкая магнитная полоса 704 не расположена радиально между катушкой 308 и шпинделем 304 инструмента.
[0059] ФИГ. 10C представляет собой график, показывающий смоделированную реакцию направленности магнитного дипольного момента 316 антенного блока 1002 по ФИГ. 10A и 10B после возбуждения. Как изображено, эффективная направленность магнитного дипольного момента 316 составляет 47,2° с усилением -76 дБ, что на 12 дБ лучше, чем у антенного блока 402 по ФИГ. 4A-4B. Смоделированная эффективная направленность также по существу аналогична эффективной направленности антенного блока 702 по ФИГ. 7A-7B. Соответственно, показано, что удаление одной или большего количества вставок 706 из мягкой магнитной полосы 704 в точках, где мягкая магнитная полоса 704 не расположена под катушкой 308, может оказывать незначительное влияние на направленность или не оказывать его вовсе. Как будет понятно, такой вариант реализации изобретения может иметь преимущество в том, что он требует меньше мягкого магнитного материала для мягкой магнитной полосы 704, и это уменьшение не оказывает ощутимого влияния на работу антенного блока 1002.
[0060] Согласно данному изобретению, мягкая магнитная полоса 704 любого из антенных блоков 702, 902, 1002, описанных в данном документе, может быть повернута и оптимизирована другим способом для изменения эффективного угла 318 магнитного поля, и таким образом, направленности магнитного дипольного момента 316. Например, может быть желательным настроить антенные блоки 702, 902, 1002 так, чтобы эффективный угол 318 магнитного поля был на 45° или около того отклонен от оси 310 инструмента. В некоторых вариантах реализации изобретения это может быть выполнено путем изменения угла 708 мягкой магнитной полосы 704 по отношению к углу 312 обмотки, если угол 708 полосы перпендикулярен (отклонен на 90°) углу 312 обмотки. В таких случаях угол 708 полосы может быть изменен так, чтобы угловое отклонение между углом 708 полосы и углом 312 обмотки составляло 91° или 89°, что может изменить угол 318 магнитного поля, например, с 46° на 45°.
[0061] В других вариантах реализации изобретения количество и/или размер вставок 706 могут быть изменены для регулирования эффективного угла 318 магнитного поля, и таким образом, направленности магнитного дипольного момента 316. Это можно видеть на графиках смоделированной реакции по ФИГ. 7C и 9C, на которых увеличение количества вставок 706 в антенном блоке 902 приблизило магнитный дипольный момент 316 к желаемому углу магнитного поля 45° по сравнению с антенным блоком 702. Как указано выше, это привело к улучшению эффективной направленности с 47,2° с двенадцатью вставками 706 до эффективной направленности 46,1° с восемнадцатью вставками 706. То есть, это может означать, что дальнейшее увеличение количества вставок 706 (например, 20+) может привести эффективный угол 318 магнитного поля точно к 45°. Аналогичным образом, изменяя по меньшей мере одно из следующего: длина 606a (ФИГ. 7A и 9A) и ширина 606b (ФИГ. 7A и 9A), можно также регулировать эффективный угол 318 магнитного поля, и таким образом, направленность магнитного дипольного момента 316.
[0062] В других вариантах реализации изобретения размер промежутка 508 (ФИГ. 7A), разделяющего смежные по бокам вставки 706 может быть изменен для регулирования эффективного угла 318 магнитного поля, и таким образом, направленности магнитного дипольного момента 316. Аналогично изменению количества или размера вставок 706, изменение промежутка 508 может также приблизить магнитный дипольный момент 316 к желаемому углу магнитного поля 45°. В других вариантах реализации изобретения форму одной или большего количества вставок 706 можно изменять и индивидуально регулировать другим способом. Например, кромки и/или углы одной или большего количества вставок можно закруглить, скосить или сгладить другим способом. Например, если кромки закруглены в одном направлении, направленность поля в этом направлении может быть смягчена, и таким образом, угол антенны может быть слегка повернут в перпендикулярном направлении.
[0063] В других вариантах реализации изобретения геометрия шпинделя 304 инструмента может быть изменена в районе катушки 308. Например, в таких вариантах реализации изобретения фланцы седла 404 (то есть осевые концы седла 404) могут быть увеличены. Кроме того, пазы или каналы, образованные в бобине (например, бобине 306 по ФИГ. 3A), используемые для размещения и крепления катушки 308, могут быть углублены. Из-за вихревых токов, генерируемых шпинделем 304 инструмента, угол 312 обмотки может быть немного большим, чем угол 312 обмотки в вариантах реализации изобретения без шпинделя 304 инструмента. Изменение шпинделя 304 инструмента представляет собой эквивалент изменения влияния вихревых токов, так что можно добиться желаемого угла 312 обмотки.
[0064] Хотя это не показано в данном документе, антенные блоки по любому из вариантов реализации изобретения, описанных в данном документе, могут иметь покрытие из полимера (например, полиэфирэфиркетона), полимерно-керамической смеси или керамики, защищающее катушку 308 от механических повреждений. Такие материалы имеют высокую механическую прочность и электрическое сопротивление, таким образом защищая описанные в данном документе антенные блоки, и в то же время не ослабляя передаваемые или принимаемые электромагнитные поля. Кроме того, следует понимать, что, хотя антенные блоки описаны в данном документе в связи с применениями для ИВБ и/или КВБ, принципы данного изобретения равным образом применимы к антенным блокам (то есть, передатчикам и/или приемникам), постоянно развернутым, например, за обсадной колонной, и образующим часть системы мониторинга месторождения.
[0065] Раскрытые в данном документе варианты реализации изобретения включают:
[0066] A. Антенный блок, содержащий шпиндель инструмента, имеющий ось инструмента, катушку, содержащую множество витков, намотанных вокруг шпинделя инструмента под углом обмотки, отклоненным от оси инструмента, и мягкую магнитную полосу, расположенную радиально между катушкой и шпинделем инструмента, и проходящую вокруг окружности шпинделя инструмента под углом полосы, перпендикулярным углу обмотки, причем указанная мягкая магнитная полоса содержит множество вставок, и при этом между каждыми смежными по бокам вставками образован промежуток, и этот промежуток проходит параллельно оси инструмента.
[0067] B. Способ, включающий введение скважинного каротажного прибора в скважину, при этом указанный скважинный каротажный прибор содержит антенный блок, содержащий шпиндель инструмента, имеющий ось инструмента, катушку, содержащую множество витков, намотанных вокруг шпинделя инструмента под углом обмотки, отклоненным от оси инструмента, и мягкую магнитную полосу, расположенную радиально между катушкой и шпинделем инструмента, и проходящую вокруг окружности шпинделя инструмента под углом полосы, перпендикулярным углу обмотки, причем указанная мягкая магнитная полоса содержит множество вставок, и при этом между каждыми смежными по бокам вставками образован промежуток, и этот промежуток проходит параллельно оси инструмента. Способ дополнительно включает получение результатов измерений окружающей подземной формации с помощью скважинного каротажного прибора.
[0068] C. Способ сборки антенного блока, включающий расположение мягкой магнитной полосы вокруг окружности шпинделя инструмента, имеющего ось инструмента, причем указанная мягкая магнитная полоса расположена под углом полосы, отклоненным от оси инструмента, и содержит множество вставок, и при этом между каждыми смежными по бокам вставками образован промежуток, и этот промежуток проходит параллельно оси инструмента, намотку множества витков катушки вокруг шпинделя инструмента под углом обмотки, перпендикулярным углу полосы, так, чтобы мягкая магнитная полоса была радиально расположена по меньшей мере под частью витков катушки, и регулирование мягкой магнитной полосы, оптимизирующее магнитный дипольный момент антенного блока.
[0069] Каждый из вариантов реализации изобретения A, B и C может включать один или большее количество из следующих дополнительных элементов в любой комбинации: Элемент 1: в котором шпиндель инструмента образует седло, а катушка и мягкая магнитная полоса расположены в этом седле. Элемент 2: в котором мягкая магнитная полоса содержит материал, выбранный из группы, состоящей из феррита, мю-металла, пермаллоя, металлического стекла и любой их комбинации. Элемент 3: в котором каждая вставка содержит длину, выровненную в осевом направлении с осью инструмента, и ширину, причем каждая вставка имеет изогнутую форму по всей ширине, соответствующую кривизне шпинделя инструмента. Элемент 4: в котором каждая вставка содержит элемент в форме прямоугольника или параллелограмма. Элемент 5: в котором по меньшей мере часть катушки проходит в осевом направлении за пределами мягкой магнитной полосы, где мягкая магнитная полоса не расположена радиально между катушкой и шпинделем инструмента. Элемент 6: в котором одна или большее количество из множества вставок удалены из мягкой магнитной полосы в противоположных точках окружности шпинделя инструмента, где часть катушки проходит в осевом направлении мимо мягкой магнитной полосы.
[0070] Элемент 7: в котором шпиндель инструмента функционально связан с бурильной колонной, и введение скважинного каротажного прибора в ствол скважины дополнительно включает помещение скважинного каротажного прибора в ствол скважины на бурильной колонне и бурение части ствола скважины буровым долотом, закрепленным на дальнем конце бурильной колонны. Элемент 8: в котором введение скважинного каротажного прибора в ствол скважины дополнительно включает помещение устройства в ствол скважины на кабеле для работы с внутрискважинным инструментом в качестве части кабельного каротажного прибора.
[0071] Элемент 9: в котором регулирование мягкой магнитной полосы включает изменение угла полосы по отношению к углу обмотки. Элемент 10: в котором регулирование мягкой магнитной полосы включает изменение количества множества вставок. Элемент 11: в котором каждая вставка содержит длину, выровненную в осевом направлении с осью инструмента, и ширину, причем регулирование мягкой магнитной полосы включает изменение по меньшей мере одного из следующего: длина и ширина одной или большего количества из множества вставок. Элемент 12: в котором регулирование мягкой магнитной полосы включает изменение размера промежутка, разделяющего смежные по бокам вставки. Элемент 13: в котором регулирование мягкой магнитной полосы включает изменение формы одной или большего количества из множества вставок. Элемент 14: в котором изменение формы включает по меньшей мере одно из следующего: закругление, скашивание, и сглаживание кромки или угла одной или большего количества из множества вставок. Элемент 15: в котором регулирование мягкой магнитной полосы включает изменение геометрии шпинделя инструмента, прилегающего к множеству витков катушки, что уменьшает влияние вихревых токов на угол катушки.
[0072] В качестве не имеющего ограничительного характера примера, типовые комбинации, применимые к A, B и C включают: элемент 3 с элементом 4; элемент 5 с элементом 6 и элемент 13 с элементом 14.
[0073] Таким образом, раскрытые системы и способы хорошо подходят для достижения указанных выше, а также присущих им целей и преимуществ. Конкретные варианты реализации изобретения, описанные выше, представляют собой лишь иллюстрацию, поскольку идеи данного изобретения могут быть модифицированы и реализованы с применением других, но эквивалентных, способов, очевидных для специалистов в данной области техники, получающих преимущества от раскрытия идей, изложенных в данном документе. Кроме того, для деталей конструкции или схемы, проиллюстрированных в настоящем документе, не предусмотрены никакие ограничения, кроме описанных в приведенных ниже пунктах формулы изобретения. Таким образом, очевидно, что конкретные иллюстративные варианты реализации изобретения, раскрытые выше, могут быть изменены, скомбинированы или модифицированы, при этом считается, что все подобные изменения входят в объем данного изобретения. Системы и способы, описанные в данном документе для иллюстрации, могут быть соответствующим образом реализованы при отсутствии любого элемента, явным образом не описанного в данном документе, и/или любого дополнительного элемента, описанного в данном документе. Хотя композиции и способы описаны в терминах «содержащие» или «включающие» различные компоненты или этапы, эти композиции и способы также могут «по существу состоять из» или «состоять из» различных компонентов и этапов. Все числа и диапазоны, описанные выше, могут изменяться на некоторую величину. Всякий раз, когда указывается числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, любое число и любой включенный диапазон, попадающий в пределы диапазона, указывается конкретно. В частности, каждый диапазон значений (в виде «от около а до около b», или, равносильно, «от примерно а до примерно b», или, равносильно, «от примерно a-b»), описанный в данном документе, следует понимать как определяющий каждое число и диапазон, входящие в более широкий диапазон значений. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют свое простое, обычное значение, если иное явно и четко не определено патентообладателем. Кроме того, применяемая в формуле изобретения форма единственного числа в данном документе предполагает наличие одного или большего количества элементов, которые она представляет. При наличии противоречий в применении слова или термина в данном описании и в одном или большем количестве патентов или других документов, которые могут быть включены в настоящее описание посредством ссылки, следует принимать определения, соответствующие данному описанию.
[0074] В контексте настоящего изобретения, выражение «по меньшей мере один из», предшествующее ряду наименований, со словами «и» или «или» для отделения любого из этих наименований, изменяет перечисление в целом, а не каждый элемент перечисления (то есть, каждое наименование). Выражение «по меньшей мере один из» допускает значение, включающее по меньшей мере одно из любого одного из наименований, и/или по меньшей мере одно из любой комбинации наименований, и/или по меньшей мере одно из каждого из наименований. Для примера: каждое из выражений «по меньшей мере один из A, B и C» или «по меньшей мере один из A, B или C» относится только к A, только к B или только к C; к любой комбинации A, B и C; и/или по меньшей мере к одному из A, B и C.