ПРИБОРЫ КАРОТАЖА СОПРОТИВЛЕНИЙ С НЕСУЩИМИ СЕГМЕНТИРОВАННЫМИ АНТЕННАМИ, ОБЛАДАЮЩИМИ АЗИМУТАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ, И СПОСОБЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
RESISTIVITY TOOLS WITH BEARING SEGMENTED ANTENNAS WITH AZIMUTH SENSITIVITY AND METHODS OF THEIR PRODUCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к области систем, аппаратуры и методов для электрического каротажа скважин.
Уровень техники
Бурение скважин для добычи углеводородов (например, нефти или газа), или их стволов производится с использованием бурильной колонны, включающей систему труб, составленную из отдельных трубчатых элементов, или непрерывной гибкой насосно-компрессорной трубы, на нижнем конце которой установлен буровой снаряд, называемый также компоновкой низа бурильной колонны (КНБК). КНБК обычно содержит ряд датчиков, приборы для оценки параметров пласта, а также приборы и инструменты для направленного бурения. Для бурения скважины буровое долото, закрепленное на КНБК, приводится во вращение буровым двигателем, установленным в КНБК, и/или путем вращения бурильной колонны. В состав КНБК часто включают каротажный прибор, использующий распространение электромагнитных волн для определения электрических характеристик толщ или пластов горных пород, окружающих скважину. В нефтегазовой отрасли такие приборы обычно называют приборами каротажа сопротивлений. С помощью этих каротажных приборов определяют кажущееся удельное сопротивление (или удельную проводимость) пласта, которое при соответствующей интерпретации дает информацию о петрофизических свойствах окружающей скважину толщи пород и содержащихся в ней флюидов. Приборы каротажа сопротивлений также обычно используются для геофизических исследований (каротажа) скважин после окончания бурения. Такие приборы обычно спускают в скважины на каротажном кабеле. Приборы, доставляемые в скважину с помощью каротажного кабеля, обычно называют спускаемыми на кабеле приборами каротажа сопротивлений, тогда как приборы каротажа сопротивлений, используемые во время бурения, называют приборами для каротажа в процессе бурения, КПБ (англ. сокр. LWD - от "logging while drilling") или для измерений во время бурения, ИПБ (англ. сокр. MWD - от "measurement while drilling"). Эти приборы каротажа сопротивлений также называют приборами индукционного каротажа. В данном описании понятие "прибор каротажа сопротивлений" или "прибор индукционного каротажа" включает в себя все эти и другие варианты приборов каротажа сопротивлений.
Типовой прибор каротажа сопротивлений содержит одну или несколько приемных (измерительных) рамок или антенн, расположенных на расстоянии друг от друга, и одну или несколько генераторных (излучающих) рамок или антенн. Через генераторную рамку пропускают переменный ток, который возбуждает в окружающем ствол скважину пласте переменные электромагнитные поля. В результате явлений электромагнитной индукции, связанных с возбуждением в пласте переменных электромагнитных полей, в приемных рамках наводится электродвижущая сила.
Приборы каротажа сопротивлений в процессе бурения выполняют преимущественно ненаправленные измерения. Часть пласта, которая оказывает влияние на сигналы, обычно имеет форму тора. Конфигурация антенн, используемая в таких приборах, обычно включает в себя ряд осевых (выполненных вдоль продольной оси скважинного прибора и ствола скважины) щелей в корпусе скважинного прибора. Прокладывая через выемки провод (электрический проводник) перпендикулярно продольной оси скважинного прибора, получают проволочную рамку антенны. Продольную ось скважинного прибора также называют просто осью прибора. Для повышения чувствительности таких антенн в выемках под проводом часто размещают ферритный материал. Разработаны также приборы каротажа сопротивлений, обладающие чувствительностью к скачкам удельного электрического сопротивления по азимуту в пределах глубинности прибора. В таких приборах провод антенны неперпендикулярен оси скважинного прибора. Соответственно, выемки для размещения ферритного материала в таких антеннах также не ориентированы вдоль оси скважинного прибора. Такие выемки расположены с наклоном к оси скважинного прибора и в предельном случае выполнены перпендикулярно оси скважинного прибора, т.е. вдоль радиального (окружного) направления корпуса скважинного прибора. Эти выемки выполняются в виде непрерывных желобков или канавок в металлическом корпусе. Однако непрерывные выемки, выполненные на участке корпуса скважинного прибора для измерений удельного электрического сопротивления в процессе бурения, например на участке утяжеленной бурильной трубы, уменьшают механическую прочность корпуса скважинного прибора, что в условиях действия на корпус скважинного прибора высоких изгибающих нагрузок во время бурения скважины может привести к развитию трещин.
Ниже рассматриваются усовершенствованные устройства, системы и способы для оценки или определения электрического свойства в скважине.
Раскрытие изобретения
В изобретении предлагается прибор каротажа сопротивлений, предназначенный для применения при проведении скважинных операций, имеющий продолговатый корпус или кожух прибора. В заданных местах корпуса скважинного прибора расположены одна или несколько антенн. В одной конфигурации антенна включает в себя по меньшей мере две группы выемок, содержащие по меньшей мере по два ряда, в каждом из которых имеется по меньшей мере две выемки, причем каждая выемка выполнена путем ее вырезания в поверхности металлического элемента, а ряды в указанных по меньшей мере двух группах выемок находятся по существу на противоположных сторонах металлического элемента, и по меньшей мере один провод, проложенный вдоль каждого ряда выемок и через каждую выемку в ряду выемок и неперпендикулярный продольной оси скважинного прибора (непараллелен радиальной оси). В одном варианте осуществления изобретения в каждой выемке расположен элемент или материал с высокой магнитной проницаемостью. В еще одном варианте осуществления изобретения антенна имеет по меньшей мере две разнесенных группы выемок, включающих в себя по меньшей мере по два ряда выемок. Через выемки проложен один или несколько проводов с образованием рамочной антенны.
Еще одним объектом изобретения является способ оценки интересующего свойства, при осуществлении которого посылают в пласт (в общем случае - толщу горных пород) посредством излучателя электромагнитные сигналы, принимают из пласта посредством приемника электромагнитные сигналы, возникающие как отклик на посылаемые электромагнитные сигналы, причем приемник и/или излучатель имеет антенну, содержащую металлический элемент, установленный снаружи на корпусе скважинного прибора, по меньшей мере с двумя разнесенными группами или наборами выполненных в металлическом элементе выемок, включающими в себя по меньшей мере по два ряда выемок, в каждом из которых имеется по меньшей мере две выемки, причем каждая выемка выполнена путем ее вырезания в поверхности металлического элемента, а ряды в указанных по меньшей мере двух группах выемок находятся по существу на противоположных сторонах металлического элемента, и по меньшей мере один электрический проводник, проложенный вдоль каждого ряда выемок и через каждую выемку в ряду выемок таким образом, что электрический проводник неперпендикулярен продольной оси металлического элемента, далее обрабатывают принятые приемником сигналы для оценки интересующего свойства и записывают оцененное интересующее свойство на подходящем носителе информации.
Примеры реализации более важных отличительных особенностей устройства и способа оценки интересующего электрического свойства в скважине сформулированы выше в довольно обобщенной форме, чтобы облегчить понимание их подробного описания, приведенного ниже. Предлагаемые в изобретении устройство и способ имеют, безусловно, дополнительные особенности, которые рассматриваются ниже по тексту описания и заявлены в формуле изобретения. Реферат приведен для выполнения требований законодательства. Краткое изложение сущности изобретения и реферат не должны трактоваться как ограничивающие любой пункт патентных притязаний, определяемых формулой изобретения настоящей заявки или заявки, поданной с испрашиванием приоритета на ее основе.
Краткое описание чертежей
Различные особенности, характеристики и принципы работы раскрытых в описании приборов каротажа сопротивлений и способов их применения поясняются в приведенном ниже описании осуществления изобретения, сопровождаемом чертежами, на которых однотипные элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых показано:
на фиг.1 - схематическое изображение примера бурового комплекса, бурильная колонна которого содержит буровой снаряд, снабженный прибором каротажа сопротивлений, выполненным в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения,
на фиг.2 - пример конфигурации антенны, выполненной в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения для применения в многокомпонентном приборе каротажа сопротивлений,
на фиг.3 - вид в аксонометрии каркаса антенны с выемками, выполненными для получения поперечной антенны с азимутальной чувствительностью в одном из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.4 - прозрачный вид в аксонометрии каркаса антенны, показанного на фиг.3, иллюстрирующий прокладку проводов через несколько рядов двух групп выемок, выполненных по существу с противоположных сторон каркаса с образованием рамочной антенны в частном варианте осуществления изобретения,
на фиг.5 - пространственная схема размещения элементов с высокой магнитной проницаемостью в выемках, показанных на фиг.4, и схема прокладки параллельно включенных электрических проводников через выемки с образованием рамочной антенны в частном варианте осуществления изобретения,
на фиг.6 - плоскостная схема, поясняющая прокладку проводов через ряды выемок последовательно с образованием рамочной антенны в еще одном варианте осуществления изобретения,
на фиг.7 - плоскостная схема, поясняющая комбинацию последовательной и параллельной прокладки проводов с образованием рамочной антенны в еще одном частном варианте осуществления изобретения, и
на фиг.8 - поперечное сечение антенны под прямым углом к оси скважинного прибора в частном варианте осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлено схематическое изображение бурового комплекса 10, включающего в себя бурильную колонну 20 с буровым снарядом 90, также называемым компоновкой низа бурильной колонны (КНБК), погружаемым в скважину 26, вскрывающую пласт 60 толщи горных пород. Буровой комплекс 10 включает в себя обычную буровую вышку 11, возведенную на основании 12, на котором расположен стол 14 ротора буровой установки, приводимый во вращение с нужной скоростью первичным приводом, например, электродвигателем (не показан). Бурильная колонна 20 включает в себя бурильную трубу 22, например трубу, проходящую вниз от стола 14 ротора в скважину 26. Закрепленное на конце КНБК 90 буровое долото 50 при вращении разрушает породу, углубляя скважину 26. Бурильная колонна 20 соединена с буровой лебедкой 30 посредством квадратной трубы 21 вращательного бурения, вертлюга 28 и пропущенного через блок 23 талевого каната 29. В процессе бурения лебедку 30 приводят в действие, управляя осевой нагрузкой на долото, которая влияет на скорость проходки. Работа лебедки 30 хорошо известна и поэтому в описании подробно не рассматривается.
1
2
3
В процессе бурения через бурильную колонну 20 посредством грязевого насоса 34 под давлением прокачивается подходящий буровой раствор 31 (также называемый промывочной жидкостью), циркулирующий от источника или резервуара 32 для бурового раствора. Буровой раствор 31 проходит от грязевого насоса 34 в бурильную колонну 20 через поглотитель 36 гидравлических ударов и трубопровод 38 для бурового раствора. Буровой раствор 31 выходит наружу у забоя 51 скважины через отверстие в буровом долоте 50. Буровой раствор 31 циркулирует, поднимаясь вверх по скважине через затрубное пространство 27 между бурильной колонной 20 и стенкой ствола скважины 26, и возвращается в резервуар 32 для бурового раствора по возвратному трубопроводу 35. От датчика S, установленного в трубопроводе 38, поступает информация о расходе бурового раствора. Расположенный на поверхности датчик S крутящего момента и датчик S, связанный с бурильной колонной 20, выдают данные о крутящем моменте и скорости вращения бурильной колонны, соответственно. Кроме того, используются один или несколько связанных с талевым канатом 29 датчиков (не показаны), выдающих данные о нагрузке на крюке от бурильной колонны 20 и информацию о других необходимых параметрах, относящихся к процессу бурения скважины 26.
В одних случаях буровое долото 50 вращается только за счет вращения бурильной трубы 22. В других же случаях используется устанавливаемый на буровом снаряде 90 забойный двигатель 55 (забойный гидравлический двигатель) для приведения во вращение бурового долота 50 и/или в качестве вспомогательного привода для дополнения вращения бурильной колонны. В обоих случаях скорость проходки скважины 26 буровым долотом 50 для конкретной породы и конкретного бурового снаряда во многом зависит от осевой нагрузки на долото и скорости вращения бурового долота.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, забойный гидравлический двигатель 55 соединен с буровым долотом 50 приводным валом (не показан), расположенным в блоке 57 подшипников. Забойный гидравлический двигатель 55 вращает буровое долото 50 при прохождении бурового раствора 31 под давлением через забойный гидравлический двигатель 55. Блок 57 подшипников воспринимает радиальные и осевые нагрузки от бурового долота 50, направленную на забой тягу двигателя и действующую вверх силу реакции от осевой нагрузки на долото. Стабилизаторы 58, закрепленные на блоке 57 подшипников и в других подходящих местах, выступают в качестве центраторов для крайней нижней части блока забойного гидравлического двигателя и других подобных соответствующих мест.
1
2
3
Наземный блок 40 управления получает сигналы от скважинных датчиков и устройств посредством измерительного преобразователя 43, установленного в трубопроводе 38 для бурового раствора, а также сигналы от датчиков S, S, S, датчиков нагрузки на крюк и любых других датчиков, используемых в буровом комплексе, и обрабатывает такие сигналы в соответствии с программными инструкциями, вводимыми в наземный блок 40 управления. Наземный блок 40 управления выводит на дисплей/монитор 42 заданные параметры бурения и другую информацию, используемые оператором на буровой площадке для управления бурением. Наземный блок 40 управления включает в себя компьютер, запоминающее устройство для хранения данных, компьютерных программ, моделей и алгоритмов, доступных для имеющегося в компьютере процессора, регистрирующее устройство для записи данных, например накопитель на магнитной ленте, и другое внешнее оборудование. Наземный блок 40 управления также может содержать имитационные модели, используемые компьютером для обработки данных в соответствии с программными инструкциями. Блок управления реагирует на команды пользователя, вводимые посредством соответствующего устройства, например клавиатуры. Блок 40 управления выполнен с возможностью приведения в действие аварийной сигнализации 44 при возникновении опасных или нежелательных условий работы.
Как показано на фиг.1, буровой снаряд 90 также содержит другие датчики и оборудование или аппаратуру для выполнения различных измерений, относящихся к окружающему скважину пласту и необходимых для бурения скважины 26 по заданной трассе. К такой аппаратуре могут относиться прибор для измерения удельного электрического сопротивления пласта вблизи бурового долота и/или перед ним, зонд гамма-каротажа для измерения интенсивности гамма-излучения от пласта и приборы для определения наклона, азимута и положения бурильной колонны. Скважинный прибор 64 для измерения удельного электрического сопротивления пласта, выполненный в соответствии с изобретением, может быть подключен в подходящем месте, в том числе над нижним инструментом 62 зарезки боковых стволов, для оценки или определения удельного электрического сопротивления пласта вблизи бурового долота 50 или перед ним, либо в других подходящих местах. Для измерения наклона КНБК и интенсивности гамма-излучения пласта в подходящих местах могут быть расположены соответственно инклинометр 74 и зонд 76 гамма-каротажа. Для этого можно использовать любой подходящий инклинометр и зонд гамма-каротажа. Кроме того, для определения положения бурильной колонны по азимуту может использоваться соответствующее устройство (на чертеже не показано), например магнитометр или гироскопический прибор. Подобные устройства известны из уровня техники и поэтому в описании подробно не рассматриваются. В описанной выше для примера конфигурации передача мощности от забойного гидравлического двигателя 55 на буровое долото 50 осуществляется через полый вал, позволяющий буровому раствору проходить от забойного гидравлического двигателя 55 к буровому долоту 50. В альтернативном варианте бурильной колонны 20 забойный гидравлический двигатель 55 может быть подсоединен ниже прибора 64 для измерения удельного электрического сопротивления либо в любом другом подходящем месте.
На фиг.1 также показано, что в буровом снаряде 90 в подходящих местах могут быть размещены и другое оборудование и аппаратура каротажа в процессе бурения (КПБ), обозначенные в совокупности позицией 77, например приборы для измерения пористости, проницаемости, плотности пласта, свойств горных пород, свойств флюидов и т.п., для получения информации, полезной для оценки проходимых скважиной 26 подземных пластов. К такому оборудованию могут относиться, в частности, акустические приборы, ядерные приборы, приборы на эффекте ядерно-магнитного резонанса, а также инструменты для испытания и опробования пластов.
Упомянутые устройства передают данные в скважинную телеметрическую систему 72, которая, в свою очередь, передает полученные данные вверх по стволу скважины в наземный блок 40 управления. Скважинная телеметрическая система 72 также получает сигналы и данные от наземного блока 40 управления и передает эти принятые сигналы и данные к соответствующим скважинным, или глубинным приборам и инструментам. В одном варианте осуществления изобретения может использоваться гидроимпульсная телеметрическая система, которая во время бурения обеспечивает передачу данных между глубинными датчиками и устройствами и наземным оборудованием. Измерительный преобразователь 43, установленный в трубопроводе 38 подачи бурового раствора, детектирует гидравлические импульсы, посредством которых скважинная телеметрическая система 72 ведет передачу данных. Измерительный преобразователь 43 в ответ на пульсации давления бурового раствора генерирует электрические сигналы и передает их по проводу 45 в наземный блок 40 управления. В других вариантах осуществления изобретения для двухстороннего обмена данными между дневной поверхностью и КНБК 90 может использоваться любая иная подходящая телеметрическая система, в том числе акустическая телеметрическая система, электромагнитная телеметрическая система, беспроводная телеметрическая система, в частности с применением повторителей в бурильной колонне или стволе скважины, а также снабженная проводами труба. Снабженная проводами труба может быть собрана путем соединения секций бурильных труб, каждая из которых содержит проходящую вдоль нее линию передачи данных. Обеспечивающие передачу данных соединения между секциями труб могут быть реализованы любым подходящим методом, включая, в частности, жесткие электрические или оптические соединения и индуктивные методы. В случае применения гибких труб в качестве бурильной трубы 22, линия передачи данных может быть проложена сбоку вдоль гибкой трубы.
Описанный выше буровой комплекс относится к таким буровым комплексам, в которых для подачи бурового снаряда 90 в скважину 26 используется бурильная труба, при этом управление осевой нагрузкой на долото осуществляется с поверхности, обычно посредством управления лебедкой. Вместе с тем, во многих современных буровых системах комплексах, особенно предназначенных для бурения сильно искривленных и горизонтальных скважин, для подачи в скважину бурового снаряда используются гибкие насосно-компрессорные трубы. В таких случаях для создания требуемого усилия на буровое долото в состав бурильной колонны иногда включают толкатель. При использовании гибкой насосно-компрессорной трубы вместо вращения колонны труб роторным столом, гибкая труба подается в скважину соответствующим инжектором, при этом забойный двигатель, например забойный гидравлический двигатель 55, вращает буровое долото 50. При бурении в море для размещения бурового оборудования, в том числе бурильной колонны, используется морская буровая платформа или судно.
Как показано на фиг.1, прибор 64 каротажа сопротивлений, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, может содержать несколько антенн, причем по меньшей мере одна такая антенна представляет собой антенну с азимутальной чувствительностью, выполненную в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, более подробно описанных ниже со ссылкой на фиг.3-8. Антенна с азимутальной чувствительностью, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, может быть рассчитана на работу в качестве излучающей антенны, такой как излучатель 66а или 66b, либо в качестве приемной антенны, такой как приемник 68а или 68b.
x
y
z
x
y
z
x
z
y
x
z
y
хх
zz
yy
x
z
y
y
z
xy
xz
х
На фиг.2 показана приведенная в качестве примера конфигурация излучателей и приемников многокомпонентного прибора 100 каротажа сопротивлений, включающих поперечные антенны x и y с азимутальной чувствительностью. Как показано на чертеже, прибор 100 содержит три ортогональных излучателя 101, 103 и 105, обозначенных как излучатели T, Т, и Т, расположенных на приборе на расстоянии друг от друга. Индексы (x, y, z) обозначают систему координат с ортогональными осями, которая определена направлениями нормалей к излучателям. Направление оси z выбрано вдоль продольной оси скважинного прибора, в то время как оси x и y взаимно перпендикулярны и лежат в плоскостях, расположенных поперек оси скважинного прибора. Три излучателя 101, 103 и 105, обозначенные, соответственно, как излучатели Т, Т и T, возбуждают магнитные поля в трех направлениях пространства. Излучателям 101, 103 и 105 соответствуют приемники 111, 113 и 115, обозначенные как приемники R, R и R, ориентированные вдоль ортогональных осей системы координат, определяемых нормалями к излучателям x, у и z, и расположенные в порядке, показанном на фиг.1. Приемники R, R и R измеряют соответствующие магнитные поля Н, H и Н, возбуждаемые излучателями Т, T и Т, соответственно. В этой системе магнитных полей первый (подстрочный) индекс указывает на направление излучателя, а второй индекс указывает на направление приемника. Кроме того, приемники R и R измеряют две поперечные составляющие Н и H магнитных полей, создаваемых передатчиком Т (101).
zz
хх
yy
zz
хх
yy
Ориентация излучателей и приемников относительно оси скважинного прибора остается неизменной. Многокомпонентный прибор в горизонтальной конфигурации чувствителен к анизотропии пласта, положению прибора, а также к повороту прибора вокруг его оси. В конфигурации, представленной на фиг.2, антенны x и y обладают чувствительностью к азимутальному направлению. Обычно к повороту прибора нечувствительна только компонента H. В горизонтальной конфигурации среднее значение (Н+Н)/2 не зависит от вращения прибора. Результаты измерений H и (Н+Н)/2 зависят от расположения пласта и положения прибора и поэтому могут использоваться для определения расстояния до границ пласта и для управления направлением продвижения КНБК (геонавигация). Кроме того, каждый излучатель может работать на любой частоте в пределах определенного диапазона частот, например от 50 кГц до 2 МГц. Показанная на фиг.2 конфигурация предусматривает только один возможный вариант размещения излучателей и приемников. Вместе с тем, излучатели и приемники можно располагать любым подходящим образом. Кроме того, можно расположить на приборе две или более антенны в одном и том же месте или по существу в одном и том же месте, например путем размещения антенн друг над другом в одном месте или путем размещения выемок одной антенны между выемками другой антенны или рядом с ними в одном и том же или по существу в одном и том же месте в осевом и радиальном направлениях.
В одном варианте осуществления изобретения, применяемом при осуществлении измерений в процессе бурения скважины, такой как показана на фиг.1, для построения рамки, например рамки х (используемой в качестве излучателя или приемника) предусмотрена желобчатая конструкция. Такая конструкция может позволять, например, посредством рамки x, излучать/детектировать поперечные магнитные поля и защищать провод рамки x от повреждений, которые возможны во время бурения. Некоторые конфигурации и способы изготовления рамок более подробно описаны при рассмотрении фиг.3-8. Такие рамки могут эффективно обнаруживать сигналы из пласта, а также выдерживают механические нагрузки, возникающие во время бурильных работ.
На фиг.3 показан вид в аксонометрии антенны 300, которая включает в себя металлический каркас 320 (также называемый в описании корпусом, втулкой или металлическим элементом). Конфигурация антенны, показанная на фиг.3, относится к поперечной антенне x, в которой проходящие по окружности желобки или канавки, выполненные в металлическом элементе 320, разделены или сегментированы на отдельные выемки, в каждой из которых содержится подходящий материал с высокой магнитной проницаемостью, например ферритный материал. Как показано на фиг.3, первый проходящий по окружности желобок 310a состоит из набора или группы ("m") расположенных на расстоянии друг от друга выемок, например выемок 310a1-310am, a последний желобок 310n состоит из "m" выемок 310n1-310nm. В показанном на фиг.3 примере каждый желобок выполнен в направлении, перпендикулярном оси скважинного прибора ("ось z"), т.е. в окружном направлении каркаса 320. Аналогичным образом, каждый из других желобков, например желобок 310b-310n-1, состоит из аналогичного числа выемок, выполненных в окружном направлении. Таким образом, в изображенном на фиг.3 примере осуществления изобретения антенна содержит несколько желобков или поясков, по три выемки в каждом. В конфигурации, показанной на фиг.3, выемки 310а1-310n1 (т.е. по одной выемке каждого желобка, расположенных в линию в одном направлении, которым в данном случае является направление z) образуют первый ряд выемок, относящийся к показанной группе выемок. Аналогичным образом, выемки 310а2-310n2 и 310am-310nm образуют, соответственно, второй и третий ряды выемок. Количество желобков, выемок и рядов, содержащихся в каждой антенне, выбирается в зависимости от особенностей конкретной конструкции и поэтому может меняться от одной конструкции к другой. В конкретном примере, показанном на фиг.3, по существу на противоположной (т.е. расположенной под углом около 180°) стороне корпуса 320 выполнена аналогичная группа желобков, как это описано ниже со ссылкой на фиг.4. В одном варианте осуществления изобретения в каждую из выемок может быть помещен ферритный элемент или материал, например ферритный элемент 308am в выемке 310am. В выемках в направлении оси скважинного прибора проложены или помещены провода с образованием рамочной антенны, как это описано ниже со ссылкой на фиг.5-8. Хотя желобки 310a-310m на фиг.3 показаны выполненными перпендикулярно оси скважинного прибора (оси z), такие желобки, для применения в качестве рамки с азимутальной чувствительностью, могут быть выполнены в любом подходящем направлении, непараллельном оси скважинного прибора. Таким образом, в одном варианте осуществления изобретения антенна с азимутальной чувствительностью может иметь по меньшей мере один желобок, состоящий по меньшей мере из двух рядов (или разделенный на такие ряды), в каждом из которых имеется по меньшей мере две выемки. Например, антенна может иметь один желобок 310a и два ряда, каждый из которых определяется соответствующей выемкой 310а1 и 310а2.
Как показано на фиг.3, в каждой выемке также может быть расположен ферритный или другой подходящий элемент, например элемент 308am, который, как показано на чертеже, расположен в выемке 310am для формирования пути распространения магнитного поля, создаваемого или обнаруживаемого проводом антенны, с низким удельным магнитным сопротивлением. В одном варианте осуществления изобретения магнитный материал может быть материалом с высокой магнитной проницаемостью, включающим в себя, в частности: (i) магнитомягкий ферритный материал, (ii) электропроводный магнитомягкий аморфный сплав, (iii) электропроводный нанокристаллический магнитомягкий сплав, (iv) пакет пластин из аморфного магнитомягкого сплава, (v) пакет пластин из нанокристаллического магнитомягкого сплава, (vi) магнитомягкий железный порошок с органическим и/или неорганическим связующим, (vii) магнитомягкий сендаст с органическим и/или неограническим связующим, и (viii) порошок магнитомягкого железоникелевого сплава с органическим и/или неорганическим связующим. Проволочную рамку формируют путем прокладки одного или нескольких проводов вместе в направлении, неперпендикулярном оси скважинного прибора, с образованием рамочной антенны. Антенна в других конфигурациях может иметь несколько желобков, каждый из которых разделен на отдельные отрезки в виде выемок с образованием нескольких рядов, в каждом из которых имеется несколько выемок, и соответствующие элементы с низким удельным магнитным сопротивлением, причем один или несколько проводов, проложенных через выемки в направлении, неперпендикулярном оси скважинного прибора, образует рамочную антенну.
На фиг.4 показан прозрачный вид в аксонометрии изображенного на фиг.3 каркаса антенны, иллюстрирующий прокладку проводов поверх ферритных элементов или элементов с высокой магнитной проницаемостью вдоль рядов выемок в одном варианте осуществления изобретения. Изображенный на чертеже каркас антенны имеет две группы выемок 420 и 430 на противоположных сторонах трубчатого элемента 320. В каждой выемке размещен или содержится ферритный элемент или иной элемент с высокой магнитной проницаемостью, например элемент 408. Через отверстия 440, выполненные в металлических частях втулки между выемками, поверх материала с высокой магнитной проницаемостью может быть пропущено или проведено один или несколько проводов (например, провод 435). Как показано на чертеже, провод 435 проложен или пропущен аналогичным образом и вдоль остальных рядов выемок. Таким образом, между проводом и ферритным элементом существует небольшой зазор или промежуток, способствующий повышению чувствительности антенны.
На фиг.5 показана частичная пространственная схема размещения рядов ферритных элементов или других элементов с высокой магнитной проницаемостью, соответствующая рядам выемок, показанных на фиг.4, и способ прокладки параллельно включаемых проводов с образованием рамочной антенны. В этой конфигурации провода 512а, 512b и 512с в виде отдельных отрезков прокладывают, соответственно, вдоль рядов 514а, 514b и 514с первой матрицы 510 выемок. Провода 512а, 512b и 512с параллельны друг другу. Один конец каждого такого провода присоединяют к другому проводу для образования одного конца рамочной антенны. Например, концы 516а, 516b и 516с на одном краю матрицы 510 соединены с проводом 522 с образованием одного конца 530а рамочной антенны 550. Другие концы 518а, 518b и 518с параллельных проводов соединяют между собой и, оборачивая вокруг корпуса скважинного прибора, выводят ко второй матрице 520 выемок, где соединяют с одним концом 522а, 522b и 522с каждого из параллельных проводов 524а, 524b и 524с, проложенных вдоль соответствующих рядов выемок второй матрицы 520. Другие концы проводов 524а, 524b и 524с соединяют между собой с образованием второго конца 530b рамочной антенны 550. Как отмечено выше, на каждый ряд выемок можно использовать более чем один провод. Кроме того, количество разнесенных наборов или групп выемок может быть большим двух.
На фиг.6 показана плоскостная схема последовательной прокладки провода вдоль рядов выемок в двух группах выемок, таких как показаны на фиг.4, с образованием рамочной антенны в одном варианте осуществления изобретения. Показанная на фиг.6 конфигурация включает в себя, например, первую группу выемок 610, включающую в себя ряды 614а, 614b и 614с выемок, и вторую группу выемок 620, расположенную на расстоянии от первой группы выемок 610 и включающую в себя ряды 624а, 624b и 624с выемок. В каждой выемке может находиться ферритный материал или иной материал с высокой магнитной проницаемостью, как это было описано при рассмотрении фиг.3. Для формирования рамочной антенны провод 630 прокладывают поверх ферритных элементов вдоль первого ряда 614а выемок, затем оборачивают петлей вокруг металлического элемента или корпуса и прокладывают через первый ряд 624а во второй группе выемок, в котором ряд 624а выемок является ближайшим к ряду 614а выемок. Затем провод 630, после того как он проложен через ряд 624а выемок, оборачивают петлей по корпусу, прокладывая его вокруг корпуса скважинного прибора, и прокладывают через второй ряд 614b первой группы 610 выемок. Затем провод 630 снова выводят по корпусу и прокладывают через второй ряд 624b второй группы 620 выемок. Прокладку провода 630 продолжают по третьим рядам 614с и 624с выемок и возможным дополнительным рядам каждой группы выемок. Таким образом, провод 630 начинается на первом конце 632а и заканчивается на конце 632b, образуя рамочную антенну. Как отмечено выше, антенна в сборе может иметь любое требуемое число наборов расположенных рядами выемок, а в каждом ряду может содержаться любое число выемок.
На фиг.7 показана альтернативная схема прокладки проводов с образованием рамочной антенны для антенного устройства с азимутальной чувствительностью. В показанной на фиг.7 конфигурации первые два ряда 614а и 614b выемок первой группы 610 выемок имеют параллельно включенные провода 730а и 730b. Эти параллельно включенные провода своими первыми концами соединяют между собой и выводят на один конец 732а рамочной антенны. Другие концы этих проводов соединяют и разводят по первым двум рядам 624а и 624b выемок, т.е. соединяют с параллельно включенными проводами, проходящими вдоль рядов 624а и 624b второй группы 620 выемок. Концы этих параллельных проводов соединяют, переводят общий провод по корпусу и затем прокладывают его через ряд 614с группы 610 выемок, а затем снова переводят по корпусу и прокладывают через третий ряд 624с группы 620 выемок, заканчивая провод на конце 632b. Таким образом, первые два ряда каждой группы выемок имеют параллельно включенные провода аналогично схеме, показанной на фиг.5, а по меньшей мере через один дополнительный ряд каждой группы выемок провод проложен последовательно, аналогично схеме, показанной на фиг.6. Таким образом, эта конфигурация предусматривает комбинацию последовательной и параллельной прокладки проводов через выемки с образованием рамочной антенны. Следует отметить, что рассмотренные выше схемы прокладки проводов для формирования рамочной антенны приведены лишь для примера. При осуществлении изобретения можно использовать любую подходящую схему прокладки одного или нескольких проводов. Кроме того, хотя на схемах провода проложены параллельно оси скважинного прибора, они могут быть ориентированы в любом другом направлении, неперпендикулярном (неортогональном) оси скважинного прибора. Аналогичным образом, ряды выемок изображены расположенными параллельно оси скважинного прибора. Вместе с тем, такие ряды могут быть ориентированы в направлении, непараллельном оси скважинного прибора.
На фиг.8 показана плоскостная схема магнитного поля, формируемого в типовых конфигурациях антенного устройства, показанного на фиг.3-7. На фиг.8 показан схематичный вид корпуса скважинного прибора в поперечном сечении радиальной плоскостью, на котором показаны три выемки 802а, 802b и 802с, по одной из каждого ряда выемок. Участки металла между выемками обозначены элементами 804а и 804b, а соответствующие ферритные элементы или иные элементы с высокой магнитной проницаемостью обозначены элементами 806а 806b и 806с, соответственно. Поперечные сечения проводов, проложенных через каждую такую выемку, обозначены позициями 812а, 812b и 812с для выемок 802а, 802b и 802с, соответственно. Силовые линии магнитного поля для рамочной антенны, показанной на фиг.8, представлены для примера линиями 840а и 840b. Ввиду разделения (сегментирования) выемок и ферритных элементов, эта конфигурация может быть менее чувствительной по сравнению с конфигурацией, в которой выемки выполнены непрерывными и содержат непрерывные ферритные элементы. Антенна, выполненная согласно изобретению, может применяться в качестве излучающей или приемной антенны прибора каротажа сопротивлений. Уменьшение чувствительности можно компенсировать пропусканием через излучающую антенну, связанную с прибором каротажа сопротивлений, тока большей силы. Использование более сильных токов позволяет создавать более сильные магнитные поля в пласте горных пород, что способствует приему электромагнитных сигналов из пласта приемниками.
В каждой из рассматриваемых в описании конфигураций, металлический каркас может представлять собой неразрезной или цельный элемент подходящей толщины, такой как показан на фиг.3 и 4. Тогда цельный металлический элемент можно надеть на корпус прибора каротажа сопротивлений, расположив металлический элемент вокруг корпуса прибора.
В другой конфигурации металлический каркас может быть разделен (в направлении z) на две или более продольные секции, например в местах 320а и 320b (фиг.3). Тогда такие две или более секций можно расположить на наружной поверхности корпуса скважинного прибора и затем соединить их друг с другом с помощью подходящих механических соединительных элементов, таких как крепежные детали, петли, зажимы, винты, болты, пальцы, и т.д. Установка ферритных элементов и прокладка проводов может осуществляться после монтажа металлического каркаса на корпусе скважинного прибора, как это описано выше. Каркасы разрезной конструкции не отличаются способностью выдерживать значительные изгибающие нагрузки, действующие на корпус скважинного прибора, и в подобном случае корпус скважинного прибора рассчитан на восприятие необходимых изгибающих нагрузок.
Рассматриваемые в описании конструкции и способы могут применяться в приборах каротажа сопротивлений, спускаемых на каротажном кабеле, или выполненных в виде приборов каротажа сопротивлений для измерений или каротажа в процессе бурения, которые перемещаются в скважине на бурильной трубе. В приборе каротажа сопротивлений каждая антенна связана с излучающим или приемным контуром, в зависимости от того, работает ли антенна на излучение или на прием. Излучающий контур включает в себя генератор колебаний и другие схемные элементы, обеспечивающие излучение связанной с ними антенной электромагнитных сигналов на множестве частот, находящихся в определенном частотном диапазоне. Скважинный прибор включает в себя контроллер, содержащий процессор, например микропроцессор, и соответствующие схемы, такие как запоминающее устройство и схема обработки сигналов, а также программные инструкции, к которым процессору предоставляется доступ для управления работой излучателя. Приемный контур включает в себя схемы, предназначенные для приема обнаруживаемых рамками сигналов, а также для усиления и оцифровки таких сигналов. Контроллер обрабатывает обнаруженные сигналы в соответствии с программными инструкциями и выдает оценку электрического свойства пласта или находящейся в скважине текучей среды. Сигналы от каждого приемника могут обрабатываться в скважине, на поверхности, либо частично в глубинной части и частично на поверхности. Оцененные значения свойства или интересующего свойства записывают или сохраняют на подходящем носителе информации, таком как твердотельная память, жесткий диск, магнитная лента и т.д. Полученные в скважине данные или результаты могут передаваться на поверхность и/или сохраняться в памяти прибора. Вышеупомянутые схемы и цепи в целом известны из уровня техники и поэтому их подробное описание не приводится. Как отмечено выше, в одном и том же или по существу в одном и том же месте на корпусе скважинного прибора можно собрать в пакет две или более антенны. Каждая такая антенна может быть выполнена с возможностью передачи в пласт и/или приема из пласта электромагнитных волн в конкретном азимутальном направлении.
Таким образом, в заявке раскрыто устройство для применения в скважине с целью оценки интересующего свойства, включающее в себя корпус скважинного прибора и антенну, содержащую установленный снаружи на корпусе скважинного прибора металлический элемент с продольной осью и по меньшей мере двумя разнесенными группами выполненных в металлическом элементе выемок, включающими в себя по меньшей мере по два ряда выемок, в каждом из которых имеется по меньшей мере две выемки, причем каждая выемка выполнена путем ее вырезания в поверхности металлического элемента, а ряды в указанных по меньшей мере двух группах выемок находятся по существу на противоположных сторонах металлического элемента, и по меньшей мере один электрический проводник, проложенный вдоль каждого ряда выемок и через каждую выемку в ряду выемок под углом к продольной оси, отличным от прямого (непараллельно радиальной оси металлического элемента), с образованием рамочной антенны. Электрический проводник, проходящий через каждый ряд выемок, может быть проложен под любым выбранным углом к радиальному (т.е. окружному или тангенциальному) направлению или параллельно продольной оси скважинного прибора.
В одном варианте осуществления изобретения по меньшей мере в одной выемке каждого ряда выемок расположен материал с высокой магнитной проницаемостью. При этом можно использовать любой подходящий материал с высокой магнитной проницаемостью, в том числе: (i) магнитомягкий ферритный материал, (ii) электропроводный магнитомягкий аморфный сплав, (iii) электропроводный нанокристаллический магнитомягкий сплав, (iv) пакет пластин из аморфного магнитомягкого сплава, (v) пакет пластин из нанокристаллического магнитомягкого сплава, (vi) магнитомягкий железный порошок с органическим и/или неорганическим связующим, (vii) магнитомягкий сендаст с органическим и/или неорганическим связующим, и (viii) порошок магнитомягкого железоникелевого сплава с органическим и/или неорганическим связующим. В одном варианте осуществления изобретения электрический проводник расположен поверх материала с высокой магнитной проницаемостью и пропущен через отверстия, выполненные в металлическом элементе. Электрический проводник может представлять собой одно из следующего: (i) одиночный проводник, проложенный последовательно через каждый ряд выемок указанных по меньшей мере двух групп выемок, (ii) по меньшей мере два электрических проводника, включенных параллельно и проложенных по меньшей мере через два ряда выемок, или (iii) по меньшей мере один электрический проводник, включенный последовательно и проложенный через первый набор по меньшей мере из двух параллельных рядов выемок, и по меньшей мере два электрических проводника, включенных параллельно и проложенных через второй набор по меньшей мере из двух параллельных рядов выемок. Устройство также может включать в себя электрическую цепь, соединенную с рамочной антенной для обеспечения действия рамочной антенны в качестве приемника для приема электромагнитных сигналов из пласта или в качестве излучателя для передачи электромагнитных волн в пласт. Устройство также может включать в себя контроллер, содержащий процессор, выполненный с возможностью обработки сигналов, принимаемых посредством рамочной антенны в скважине, и выдачи оценки интересующего свойства, представляющего собой удельное электрическое сопротивление или удельную проводимость окружающего скважину пласта горных пород. Процессор может быть расположен в глубинной части устройства или на поверхности либо частично в глубинной части и частично на поверхности. Устройство может также включать в себя буровой снаряд, на котором установлена рамочная антенна, и спусковой элемент, выполненный с возможностью перемещения бурового снаряда в ствол скважины.
Раскрыт также способ оценки интересующего свойства при осуществлении которого посылают электромагнитные сигналы в окружающий скважину пласт горных пород, принимают из пласта посредством приемника сигналы, возникающие как отклик на посылаемые электромагнитные сигналы, причем приемник или излучатель имеет рамочную антенну, содержащую осесимметричный металлический элемент, установленный снаружи на корпусе скважинного прибора, по меньшей мере две разнесенных группы выполненных в металлическом элементе выемок, включающих в себя по меньшей мере по два ряда, в каждом из которых имеется по меньшей мере две выемки, причем каждая выемка выполнена путем ее вырезания в поверхности металлического элемента, а ряды в указанных по меньшей мере двух группах выемок находятся по существу на противоположных сторонах металлического элемента, и электрический проводник, проложенный вдоль каждого ряда выемок и через каждую выемку в ряду выемок таким образом, что электрический проводник неперпендикулярен продольной оси металлического элемента (непараллелен радиальной оси корпуса скважинного прибора), обрабатывают принятые сигналы для оценки интересующего свойства и записывают оцененное интересующее свойство на подходящем носителе информации. Этот способ также может предусматривать размещение по меньшей мере в одной выемке каждого ряда выемок материала с высокой магнитной проницаемостью. Кроме того, при осуществлении способа по существу в том же месте, где на корпусе скважинного прибора установлена рамочная антенна, может быть установлена вторая рамочная антенна, выполненная на неразрезном металлическом элементе. Далее, способ может предусматривать прием электромагнитных сигналов с первого азимутального направления посредством рамочной антенны, прием дополнительных электромагнитных сигналов со второго азимутального направления посредством дополнительной рамочный антенны и обработку сигналов, принятых с первого и второго азимутальных направлений, для оценки интересующего свойства. Обработка сигналов может осуществляться при каротаже скважины с помощью скважинного прибора, спускаемого в скважину на кабеле, или при каротаже скважины в процессе бурения скважины. Металлический элемент может представлять собой втулочный элемент, расположенный вокруг части корпуса скважинного прибора таким образом, чтобы не воспринимать значительную изгибающую нагрузку, действующую на корпус скважинного прибора. Втулка может быть разделена на две или более секций, соединенных друг с другом подходящим механическим соединением после размещения секций на корпусе скважинного прибора.
Хотя в приведенном описании раскрыты лишь определенные, взятые в качестве примера варианты осуществления изобретения, для специалиста очевидна возможность осуществления изобретения в других, измененных вариантах. Предполагается, что любые такие изменения должны рассматриваться как часть описанных выше технических решений.