ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЗОНД
ELECTROMAGNETIC PROBE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электромагнитному зонду для измерения электромагнитных свойств геологической формации в ограниченной зоне, окружающей ствол скважины.
Другой аспект настоящего изобретения относится к каротажному прибору, содержащему такой зонд для осуществления каротажа в стволе скважины, пробуренной в геологической формации.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к способу измерения электромагнитных свойств геологической формации в ограниченной зоне, окружающей ствол скважины.
Конкретное применение зонда, каротажного прибора и способа, отвечающих изобретению, относится к нефтедобывающей промышленности.
Предпосылки изобретения
Каротажные устройства, измеряющие диэлектрическую постоянную формации, известны, например, из US 3849721 и US 3944910. Каротажное устройство включает в себя передатчик и разнесенные приемники, установленные в башмаке, который прижимается к стенке ствола скважины. Электромагнитная микроволна передается в формации, и волна, которая распространяется через формации, принимается на приемных антеннах. Сдвиг фазы и ослабление этой волны, распространяющейся в формациях, определяется из выходных сигналов приемников. Из измерений сдвига фазы и ослабления можно получить диэлектрическую постоянную и электропроводность формаций. Два передатчика обычно используются в виде массива, скомпенсированной решетки по стволу скважины, для минимизации влияния неровности стенок ствола скважины, наклона прибора и различий в передатчиках, приемниках, и их электронных схемах.
Сущность изобретения
Одной задачей изобретения является обеспечение электромагнитного зонда и/или способа измерения электромагнитных свойств геологической формации в ограниченной зоне, окружающей ствол скважины, с более высокой точностью по сравнению с обеспечиваемой устройством и/или способом, отвечающим уровню техники.
Согласно изобретению предусмотрен электромагнитный зонд для осуществления электромагнитных измерений диэлектрических свойств формации в соответствии с различной поляризацией волны, на разных глубинах исследования в формации (радиальных глубинах) и на разных частотах.
Электромагнитный зонд предназначен для измерения диэлектрической проницаемости и электропроводности геологической формации, окружающей ствол скважины. Измерения представляют собой дифференциальные измерения на основании сдвига фазы и ослабления амплитуды электромагнитных волн, распространяющихся от двух передающих антенн к, по меньшей мере, двум приемным антеннам, окружающим передающие антенны. Под управлением электронного устройства возбуждаются излучающие антенны и измеряются сигналы приема на приемных антеннах. Ослабление и сдвиг фазы, измеряемые между двумя излучающими антеннами, дают наблюдаемый волновой вектор k, который непосредственно связан с магнитной проницаемостью и электропроводностью формации. Однако на это измерение влияет наличие глинистой корки, которая может образовываться на стенке ствола скважины, и проникновение флюида (бурового флюида) в формацию. Для разрешения этой неопределенности осуществляются дополнительные измерения, в каждом из которых измеряется дополнительный сдвиг фазы и дополнительное ослабление.
Первый набор дополнительных измерений осуществляется с разными поляризациями, одна из которых соответствует поперечной расстановке, а другая - продольной расстановке. Второй набор дополнительных измерений осуществляется на разных глубинах исследования. Третий набор дополнительных измерений осуществляется для определения диэлектрических свойств глинистой корки и смеси флюидов. Эти дополнительные измерения обеспечивают набор согласованных и дополняющих друг друга данных, позволяющих определять толщину глинистой корки, магнитную проницаемость и электропроводность смеси флюидов, глинистой корки и формации на разных радиальных глубинах и на разных частотах.
В частности, первый аспект настоящего изобретения предусматривает электромагнитный зонд для измерения электромагнитных свойств геологической формации в ограниченной зоне, окружающей ствол скважины, причем ствол скважины заполнен скважинным флюидом. Зонд содержит башмак, имеющий первую поверхность, определяющую первую область, предназначенную для позиционирования в контакте со стенкой ствола скважины. Зонд дополнительно содержит:
по меньшей мере, две передающие антенны, определяющие центральную точку между ними,
по меньшей мере, первый и второй наборы приемных антенн, причем каждый набор содержит первую приемную антенну и вторую приемную антенну, причем первая приемная антенна расположена по одну сторону от передающих антенн, а вторая приемная антенна расположена по другую сторону от передающих антенн, так что каждый набор окружает передающие антенны,
первый набор приемных антенн находится на первом расстоянии от центральной точки, второй набор приемных антенн находится на втором расстоянии от центральной точки, причем второе расстояние больше первого расстояния,
передающие и приемные антенны расположены на одной линии на первой поверхности,
электронное устройство, содержащее, по меньшей мере, один передающий модуль, предназначенный для возбуждения передающих антенн путем подачи сигнала возбуждения, по меньшей мере, первой и второй частоты, и, по меньшей мере, один приемный модуль, подключенный к, по меньшей мере, одной приемной антенне и предназначенный для определения ослабления и сдвига фазы каждого сигнала приема, обеспечиваемого каждой приемной антенной, относительно сигнала возбуждения.
Передающие антенны зонда, по существу, идентичны, причем каждая антенна содержит два перпендикулярных диполя, размещенных в полости и предназначенных для передачи электромагнитной энергии согласно поперечной расстановке и продольной расстановке. Приемные антенны зонда, по существу, идентичны, причем каждая антенна содержит два перпендикулярных диполя, размещенных в полости и предназначенных для приема электромагнитной энергии, согласно поперечной расстановке и продольной расстановке.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения зонд дополнительно содержит первый коаксиальный кабель с открытым концом, размещенный на первой стороне и расположенный, по существу, перпендикулярно первой области между передающей антенной и приемной антенной.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения башмак дополнительно содержит вторую поверхность, предназначенную для нахождения в контакте со скважинным флюидом, и зонд дополнительно содержит второй коаксиальный кабель с открытым концом, расположенный на второй поверхности.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения электронное устройство содержит управляющую схему первого коаксиального кабеля с открытым концом, причем упомянутая схема содержит:
передающий модуль для подачи высокочастотного входного сигнала в первый коаксиальный кабель с открытым концом, и
приемный модуль для определения первого коэффициента отражения на основании высокочастотного выходного сигнала, отраженного на апертуре первого коаксиального кабеля с открытым концом, и коэффициента пропускания на основании высокочастотного выходного сигнала, принятого первым коаксиальным кабелем с открытым концом после возбуждения передающих антенн. Электронное устройство может дополнительно содержать управляющую схему второго коаксиального кабеля с открытым концом, причем упомянутая схема содержит:
передающий модуль для подачи высокочастотного входного сигнала во второй коаксиальный кабель с открытым концом, и
приемный модуль для определения второго коэффициента отражения на основании высокочастотного выходного сигнала, отраженного на апертуре второго коаксиального кабеля с открытым концом.
Предпочтительно, электронное устройство электромагнитного зонда, отвечающего изобретению, имеет гомодинную архитектуру, содержащую источник переменной высокой частоты, выдающий высокочастотный сигнал на:
по меньшей мере, один передающий модуль, предназначенный для возбуждения передающих антенн,
по меньшей мере, один приемный модуль, подключенный к, по меньшей мере, одной приемной антенне, и
передающий модуль и приемный модуль управляющих схем первого и второго коаксиальных кабелей с открытым концом.
Еще один аспект настоящего изобретения предусматривает каротажный прибор, предназначенный для установки в стволе скважины, в котором каротажный прибор содержит электромагнитный зонд, выполненный согласно изобретению, и механизм размещения для размещения зонда в контакте со стенкой ствола скважины на определенной глубине.
Еще один аспект настоящего изобретения предусматривает способ измерения электромагнитных свойств геологической формации в ограниченной зоне, окружающей ствол скважины, причем ствол скважины заполнен скважинным флюидом.
Способ содержит этапы, на которых:
a) размещают зонд, соответствующий изобретению, на первой глубине,
b) передают электромагнитную энергию возбуждения вокруг центральной точки в ограниченную зону, возбуждая первую передающую антенну сигналом возбуждения согласно поперечной расстановке и согласно первой частоте,
c) измеряют сигнал поперечно-поперечного приема на приемных антеннах согласно поперечной расстановке и одновременно измеряют сигнал поперечно-продольного приема на приемных антеннах согласно продольной расстановке, по меньшей мере, на первом расстоянии и на втором расстоянии от центральной точки,
d) повторяют этап передачи b) и этапы измерения с), возбуждая вторую передающую антенну сигналом возбуждения согласно поперечной расстановке и согласно первой частоте,
e) передают электромагнитную энергию возбуждения вокруг центральной точки в ограниченную зону, возбуждая передающие антенны сигналом возбуждения согласно продольной расстановке и согласно первой частоте,
f) измеряют сигнал продольно-поперечного приема на приемных антеннах согласно поперечной расстановке и одновременно измеряют сигнал продольно-продольного приема на приемных антеннах согласно продольной расстановке, по меньшей мере, на первом расстоянии и на втором расстоянии от центральной точки,
g) повторяют этап передачи е) и этапы измерения f), возбуждая вторую передающую антенну сигналом возбуждения согласно продольной расстановке и согласно первой частоте, и
h) повторяют этапы b)-g) по меньшей мере, на второй частоте.
Факультативно, этапы передачи b), d), e) и g) можно осуществлять одновременно, причем электромагнитная энергия возбуждения, передаваемая первыми передающими антеннами, модулирована первой низкой частотой, электромагнитная энергия возбуждения, передаваемая вторыми передающими антеннами, модулирована второй низкой частотой.
Факультативно, этапы передачи b)-h) можно осуществлять одновременно, причем сигнал возбуждения содержит совокупность частот, по меньшей мере, первую и вторую частоты.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, способ дополнительно содержит этапы, на которых:
определяют ослабление и сдвиг фазы каждого сигнала приема, обеспечиваемого каждой приемной антенной, относительно сигнала возбуждения,
оценивают электромагнитные свойства геологической формации в ограниченной зоне, окружающей ствол скважины, для, по меньшей мере, первой радиальной глубины исследования, согласованной с первым расстоянием, и второй радиальной глубины исследования, согласованной со вторым расстоянием.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения способ дополнительно содержит этапы, на которых:
измеряют высокочастотный выходной сигнал, принимаемый первым коаксиальным кабелем с открытым концом после возбуждения передающих антенн,
определяют ослабление высокочастотного выходного сигнала относительно сигнала возбуждения, и
оценивают толщину глинистой корки на стенке ствола скважины, определяя коэффициент пропускания на основании ослабления и сдвига фазы.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения способ дополнительно содержит этапы, на которых
измеряют высокочастотный выходной сигнал, принимаемый приемными антеннами после возбуждения первого коаксиального кабеля с открытым концом,
определяют ослабление и сдвиг фазы высокочастотного выходного сигнала относительно сигнала возбуждения, и
оценивают толщину глинистой корки на стенке ствола скважины, определяя коэффициент пропускания на основании ослабления.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения способ дополнительно содержит этапы, на которых:
подают высокочастотный входной сигнал в первый коаксиальный кабель с открытым концом, контактирующий со стенкой ствола скважины,
измеряют высокочастотный выходной сигнал, отраженный глинистой коркой через первый коаксиальный кабель с открытым концом,
оценивают электромагнитные свойства глинистой корки на стенке ствола скважины, определяя коэффициент отражения глинистой корки на основании высокочастотного выходного сигнала.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения способ дополнительно содержит этапы, на которых:
подают высокочастотный входной сигнал во второй коаксиальный кабель с открытым концом, контактирующий со скважинным флюидом,
измеряют высокочастотный выходной сигнал, отраженный вторым коаксиальным кабелем с открытым концом,
оценивают электромагнитные свойства скважинного флюида, определяя коэффициент отражения скважинного флюида на основании высокочастотного выходного сигнала.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения способ дополнительно содержит этап, на котором сравнивают сигналы, обеспечиваемые первым коаксиальным кабелем с открытым концом и вторым коаксиальным кабелем с открытым концом, для оценивания качества контакта башмака со стенкой ствола скважины.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения способ дополнительно содержит этап, на котором корректируют вычисленные электромагнитные свойства геологической формации в ограниченной зоне, окружающей ствол скважины на основании оценочных электромагнитных свойств и толщины глинистой корки. Эта коррекция обеспечивает радиальный профиль электромагнитных свойств геологической формации, свободный от эффектов глинистой корки.
Электромагнитный зонд, соответствующий изобретению, обеспечивает более высокую точность измерения по сравнению с прибором на основе распространения электромагнитных волн, описанным в разделе «предпосылки изобретения».
Способ, соответствующий изобретению, позволяет оценивать электромагнитные свойства в радиальном профиле от стенки ствола скважины и/или на разных частотах.
Электромагнитный зонд, соответствующий изобретению, позволяет снизить неопределенность интерпретации петрофизических данных. Измерения, производимые электромагнитным зондом, основаны на взаимодействии электромагнитных волн высокой частоты с молекулами воды в порах матрицы геологической формации. Эти измерения обеспечивают информацию о флюидах, находящихся в порах матрицы, о самой матрице, взаимодействии флюида с матрицей и о геологической структуре формации.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение проиллюстрировано в порядке примера, но не ограничения, на прилагаемых чертежах, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены сходные элементы:
фиг.1.A - схема типичного расположения углеводородной скважины на суше;
фиг.1.B - схематический вид сверху ствола скважины в геологической формации;
фиг.2.A, 2.B, 2.C - схематический вид в разрезе, вид стороны, контактирующей со стенкой ствола скважины, и вид стороны, контактирующей со скважинным флюидом зонда для измерения электромагнитных свойств геологической формации, согласно изобретению, соответственно;
фиг.3.A - детализированный схематический вид в разрезе антенны на скрещенных диполях зонда, согласно изобретению;
фиг.3.B и 3.C - на скрещенных диполях антенна, показанная на фиг.3.A, в продольной расстановке и в поперечной расстановке, соответственно;
фиг.4 и 5 - блок-схема передающей схемы и приемной схемы электронного устройства зонда, соответствующего изобретению, соответственно;
фиг.6 - блок-схема управляющей схемы коаксиального кабеля с открытым концом электронного устройства зонда, отвечающего изобретению;
фиг.7.A и 7.B - типичная огибающая характеристики чувствительности в зависимости от радиальной глубины, измеренной приемными антеннами согласно продольной расстановке и поперечной расстановке, соответственно; и
фиг.8.A и 8.B - типичные дисперсионные кривые магнитной проницаемости и электропроводности относительно частоты, соответственно.
Подробное описание изобретения
На фиг.1.A схематично показано типичное расположение углеводородной скважины на суше и наземное оборудование SE над углеводородной геологической формацией GF после осуществления операции бурения. На этой стадии, т.е. до опускания обсадной колонны и до выполнения операций цементирования, ствол скважины представляет собой ствол скважины WBH, заполненный смесью флюидов DM. Смесь флюидов DM обычно представляет собой смесь бурового флюида и бурового раствора. В этом примере наземное оборудование SE содержит буровую установку OR и наземный блок SU для установки каротажного прибора TL в стволе скважины WB. Наземный блок может представлять собой транспортное средство, связанное с каротажным прибором линией LN. Кроме того, наземный блок содержит соответствующее устройство для определения позиции по глубине каротажного прибора относительно уровня земли. Каротажный прибор TL может содержать централизатор. Централизатор содержит совокупность механических упоров, которые могут быть смонтированы радиально для контактирования со стенкой ствола скважины WBW. Механические упоры обеспечивают правильное размещение каротажного прибора по центральной оси ствола скважины. Каротажный прибор TL содержит различные датчики и обеспечивает различные данные измерений, относящиеся к углеводородной геологической формации GF и/или смеси флюидов DM. Эти данные измерений собираются каротажным прибором TL и передаются на наземный блок SU. Наземный блок SU содержит соответствующие электронные и программируемые устройства для обработки, анализа и сохранения данных измерений, обеспечиваемых каротажным прибором TL.
Каротажный прибор TL содержит зонд 1 для измерения электромагнитных свойств геологической формации, соответствующий изобретению. После размещения каротажного прибора на нужной глубине, зонд 1 может выдвигаться из каротажного прибора TL к стенке ствола скважины WBW соответствующим монтажным приспособлением, например кронштейном.
На фиг.1.B показан вид сверху в разрезе геологической формации GF. Ствол скважины WBH заполнен смесью флюидов DM, обычно бурового флюида и бурового раствора. На стенке ствола скважины оседают частицы грязи, взвешенные в смеси флюидов. Таким образом, тонкий слой грязи, так называемая глинистая корка MC, обычно формируется на стенке ствола скважины WBW. Промытая зона или зона проникновения IZ, образующая первый концентрический объем, окружает ствол скважины WBH. Смесь флюидов DM обычно фильтруется через глинистую корку MC и проникает в формацию, образуя зону проникновения IZ. Радиальная глубина зоны проникновения составляет от нескольких дюймов до нескольких футов. Истинная или девственная зона VZ окружает зону проникновения IZ. Она заполнена только естественным флюидом геологической формации. Между зоной проникновения IZ и девственной зоной VZ может присутствовать дополнительная переходная зона.
Поэтому на измерение, производимое каротажным прибором TL, влияют наличие смеси флюидов DM в геологической формации GF, размер зоны проникновения IZ и наличие и размер глинистой корки MC.
На фиг.2.A, 2.B и 2.C показан электромагнитный зонд 1 в разрезе, со стороны контакта со стенкой ствола скважины и со стороны контакта со скважинным флюидом, соответственно.
Электромагнитный зонд 1 содержит башмак 2. Башмак представляет собой проводящий металлический корпус, например, выполненный из металлического материала наподобие нержавеющей стали. Башмак 2 имеет первую поверхность, определяющую первую область, предназначенную для нахождения в контакте со стенкой ствола скважины WBW. Другие поверхности башмака предназначены для нахождения в контакте со смесью флюидов DM, присутствующей в стволе скважины WBH.
Башмак 2 присоединен к прибору TL кронштейном AR (показан частично). Кронштейн AR позволяет выдвигать электромагнитный зонд 1, точнее башмак 2, из прибора TL в ствол скважины WBH. В частности, первая поверхность башмака 2 выдвигается к стенке ствола скважины WBW, тогда как вторая поверхность башмака 2 контактирует со скважинным флюидом DM. В этом примере стенка ствола скважины WBW состоит из породы GF, покрытой глинистой коркой MC.
Электромагнитный зонд 1 содержит электронную схему 3, две передающие антенны 4A и 4B, и восемь приемных антенн 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G и 5H. Передающие антенны 4A и 4B и приемные антенны 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G и 5H расположены в башмаке по линии A-A на первой поверхности, предназначенной для контакта со стенкой ствола скважины WBW.
0
0
Две передающие антенны 4A и 4B определяют центральную точку CP между ними. Каждая антенна находится на расстоянии d от центральной точки CP. Расстояние d, по существу, определяет вертикальное разрешение электромагнитного зонда, например 1 дюйм. Передающие антенны 4A и 4B подключены к электронному устройству 3.
Восемь приемных антенн 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G и 5H сгруппированы в четыре набора, каждый из которых содержит две приемные антенны. Каждая приемная антенна одного набора располагается с каждой стороны от передающих антенн. Таким образом, каждый набор приемных антенн окружает передающие антенны.
1
Первый набор приемных антенн содержит первую приемную антенну 5A и вторую приемную антенну 5B. Первый набор приемных антенн находится на первом расстоянии d от центральной точки CP.
2
2
1
Второй набор приемных антенн содержит третью приемную антенну 5C и четвертую приемную антенну 5D. Второй набор приемных антенн находится на втором расстоянии d от центральной точки CP. Второе расстояние d больше первого расстояния d.
3
3
2
Третий набор приемных антенн содержит пятую приемную антенну 5E и шестую приемную антенну 5F. Третий набор приемных антенн находится на третьем расстоянии d от центральной точки CP. Третье расстояние d больше второго расстояния d.
4
4
3
Четвертый набор приемных антенн содержит седьмую приемную антенну 5G и восьмую приемную антенну 5H. Четвертый набор приемных антенн находится на четвертом расстоянии d от центральной точки CP. Четвертое расстояние d больше третьего расстояния d.
Приемные антенны 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G и 5H подключены к электронному устройству 3.
1
1
2
2
3
3
4
4
Измерения, обеспечиваемые каждой приемной антенной, соответствуют разным радиальным глубинам в геологической формации GF. Первый набор приемных антенн, удаленный на первое расстояние d от центральной точки CP, позволяет исследовать геологическую формацию на первой радиальной глубине RD. Второй набор приемных антенн, удаленный на второе расстояние d от центральной точки CP, позволяет исследовать геологическую формацию на второй радиальной глубине RD. Третий набор приемных антенн, удаленный на третье расстояние d от центральной точки CP, позволяет исследовать геологическую формацию на третьей радиальной глубине RD. Четвертый набор приемных антенн, удаленный на четвертое расстояние d от центральной точки CP, позволяет исследовать геологическую формацию на четвертой радиальной глубине RD.
Максимальное расстояние между излучающими антеннами и наиболее удаленным набором приемных антенн ограничивается эффектом диссипации. Это расстояние обычно составляет несколько дюймов.
Дополнительно, электромагнитный зонд 1 содержит первый 6A и второй 6B коаксиальные кабели с открытым концом. Каждый коаксиальный кабель с открытым концом содержит внутреннюю проводящую жилу, выполненную из металлического материала, и внешнюю оболочку проводника, выполненную из изоляционного материала. Каждый коаксиальный кабель с открытым концом закреплен в отверстии металлического башмака. Первый коаксиальный кабель с открытым концом 6A размещен на первой стороне и расположен, по существу, перпендикулярно первой области между передающей антенной и приемной антенной, например между передающей антенной 4A и приемной антенной 5B (возможны и другие позиции между передающей антенной и любой приемной антенной). Первый коаксиальный кабель с открытым концом 6A подключен к управляющей схеме первого коаксиального кабеля с открытым концом электронного устройства 3. Второй коаксиальный кабель с открытым концом 6B расположен на второй поверхности башмака, контактирующей со скважинным флюидом DM. Положение второго коаксиального кабеля с открытым концом 6B в башмаке не существенно, поскольку он контактирует со скважинным флюидом. Его можно размещать на любой поверхности башмака, за исключением контактирующей со стенкой ствола скважины. Второй коаксиальный кабель с открытым концом 6B подключен к управляющей схеме второго коаксиального кабеля с открытым концом электронного устройства 3.
Кроме того, электромагнитный зонд 1 содержит датчик 7 температуры скважинного флюида (например, бурового раствора), например термистор. Датчик 7 температуры подключен к электронному устройству 3.
Кроме того, электромагнитный зонд 1 может содержать акселерометры, например трехосные акселерометры (не показаны). Акселерометры встроены в башмак, чтобы связывать электромагнитный зонд с механизмом размещения в каротажном приборе.
Один или несколько коаксиальных кабелей (не показаны) может проходить через кронштейн AR для соединения электронного устройства 3 с прибором TL. Прибор TL содержит большое количество скважинных электронных средств и обеспечивает подачу энергии и команд управления и сбор данных измерений от электромагнитного зонда 1.
Альтернативно, электронное устройство 3 может содержать модуль генерации сигнала, сбора, обработки и передачи данных (не показан) для непосредственной передачи измерений на наземное оборудование и приема команд управления от него.
На фиг.3.A-3.C показана передающая антенна 4A или любая из приемных антенн. Передающая антенна 4A является антенной на скрещенных диполях, которая может возбуждаться для генерации электромагнитной волны, имеющей характеристику магнитного диполя. Преимущественно, передающая антенна является точечным чисто магнитным диполем. В примере, показанном на фиг.3, антенна 4A содержит квадратную апертуру или полость 42 в металлическом корпусе 41, например из нержавеющей стали. Металлический корпус 41 вставлен в соответствующее отверстие башмака 2. Металлические антенные элементы 44, 46 пересекают полость с разных противоположных сторон. Они расположены в полости так, чтобы не касаться друг друга в месте перекрещивания. Полость 42 заполнена непроводящим материалом. Полость 41 закрыта окном 43, предпочтительно из материала, который не препятствует распространению высокочастотной волны. Первый конец металлических элементов антенны подключен к соответствующему передающему модулю электронного устройства проводящим кабелем 45. Второй конец металлической антенны подключен к металлическому корпусу 41. Проводящий кабель 45 изолирован для прохождения через металлический корпус 41.
Преимущество этой антенны в том, что она способна правильно измерять две перпендикулярные моды с высокой точностью благодаря низким перекрестным помехам между двумя магнитными диполями.
Другая передающая антенна 4B имеет аналогичную конструкцию.
10
Передающая антенна работает следующим образом. Антенна на скрещенных диполях может использоваться для генерации электромагнитной волны с управляемым направлением магнитного диполя. При подаче тока на антенный элемент в полости возбуждаются конкретные колебательные моды. Предпочтительно, преобладающей модой является поперечная электрическая TE (стоячая мода). Таким образом, передающая антенна является, по существу, точечным магнитным диполем в широком диапазоне частот (например, от 10 МГц до 2 ГГц) и в любых скважинных средах. На фиг.3.B и 3.C схематично показан вертикальный элемент 44 антенны, параллельный продольной оси AA′ каротажного прибора, и горизонтальный антенный элемент 46, перпендикулярный продольной оси AA′, соответственно. На фиг.3.B показана антенна, действующая в продольной расстановке, т.е. возбуждение горизонтального антенного элемента 44 (показан в разрезе) создает вертикальный магнитный момент (указанный вертикальной стрелкой, обозначенной EFM). На фиг.3.C показана антенна, действующая в поперечной расстановке, т.е. возбуждение вертикального антенного элемента 46 (показан в разрезе) создает горизонтальный магнитный момент (указанный горизонтальной стрелкой, обозначенной EFM). Приемные антенны 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G и 5H могут иметь сходную конструкцию с передающими антеннами 4A и 4B, показанными на фиг. 3.A-3.C. Они подключены к приемным модулям электронного устройства. Приемные антенны возбуждаются составляющей передаваемой электромагнитной волны, параллельной магнитному диполю приемной антенны. Горизонтальный элемент обеспечивает продольный сигнал при возбуждении вертикальным магнитным диполем, а вертикальный элемент обеспечивает поперечный сигнал при возбуждении горизонтальным магнитным диполем. Продольный сигнал, возбуждаемый горизонтальным магнитным диполем, или поперечный сигнал, возбуждаемый вертикальным магнитным диполем, свидетельствуют об анизотропии или неоднородности геологической формации, обусловленной трещинами и слоистостью.
На фиг.4 и 5 схематично показаны части электронного устройства 3. Электронное устройство 3 содержит передающий модуль 3' и приемный модуль 3". Предпочтительно, электронное устройство 3 имеет гомодинную электронную архитектуру, т.е. передающий модуль 3' и приемный модуль 3" подключены к общему источнику высокой частоты LOS. Гомодинная электронная архитектура в сочетании с близостью электронного устройства к передающим и приемным антеннам обеспечивает надежное измерение сдвига фазы и ослабления амплитуды в геологической формации благодаря исключению систематической ошибки и источников шума.
Источник высокой частоты LOS может представлять собой генератор с диэлектрическим резонатором или генератор с коаксиальным резонатором. Частота высокочастотного источника LOS является переменной и управляется посредством соответствующей управляющей схемы, причем оба устройства общеизвестны в технике и поэтому дополнительно не описываются.
Стандартные и известные схемы возбуждения и управления не показаны на этих чертежах.
Передающий модуль 3′ предназначен для возбуждения передающих антенн 4A или 4B путем подачи сигнала возбуждения ES.
Приемный модуль 3′′ предназначен для определения ослабления и сдвига фазы сигнала приема RS, выдаваемого приемной антенной 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G или 5H, относительно сигнала возбуждения ES.
На фиг.4 схематично показан передающий модуль 3′. Передающий модуль 3′ содержит первый низкочастотный источник LF1, первый модулятор MO1, 90° фазовращатель PS90, второй низкочастотный источник LF2, второй модулятор MO2, разветвитель SP, первый усилитель A1 и переключатель SW.
0
Высокочастотный источник LOS подключен к первому модулятору MO1 и второму модулятору MO1 через 90° фазовращатель PS90. Он подает на эти элементы микроволновой сигнал высокой частоты ω. Высокая частота может варьироваться от около 10 МГц до около 2 ГГц. Первый низкочастотный источник LF1 подключен к первому модулятору MO1. Второй низкочастотный источник LF2 подключен ко второму модулятору MO2.
1
Модулятор MO1 выдает синфазный сигнал IIS, модулированный низкочастотным сигналом Ω (частотой в несколько кГц - например 15 кГц).
2
90° фазовращатель PS90, подключенный к модулятору MO2, выдает квадратурный сигнал QIS, т.е. сигнал, сдвинутый по фазе на 90°, модулированный другим низкочастотным сигналом Ω (частотой в несколько кГц - например 10 кГц).
1
2
Низкочастотные сигналы Ω и Ω могут выбираться так, чтобы исключать искажение сигнала каким-либо постоянным током и низкочастотными шумовыми компонентами на источнике и модуляторах, а также чтобы они были совместимы с электронными схемами цифровой обработки.
Синфазный IIS сигнал и квадратурный сигнал QIS суммируются на разветвителе SP и усиливаются усилителем мощности A1. Затем полученный сигнал возбуждения ES поступает через переключатель SW на вертикальный антенный элемент 44 либо на горизонтальный антенный элемент 46 передающей антенны 4A или 4B. Преимущественно, переключатель SW мультиплексирует сигнал возбуждения ES на каждый антенный элемент в последовательном режиме. Использование одного передающего модуля 3′, связанного с переключателем, имеет преимущество в том, что любая ошибка (например, внесенная фазовращателем) будет общей для всех передач. Переключатель SW может быть подключен к передающей антенне 4A или 4B через пассивную цепь (не показана) для согласования по импедансу. Альтернативно, передающий модуль, связанный с переключателем, можно заменить четырьмя передающими модулями безо всякого переключателя, причем каждый из них подключен к антенному элементу 44 или 46 передающей антенны 4A или 4B.
На фиг.5 схематично показан приемный модуль 3′′. Приемный модуль 3′′ содержит второй усилитель A2, смеситель MX и модуль оцифровки и обработки IQM.
Высокочастотный источник LOS служит источником опорного сигнала для приемного модуля 3′′, в частности смесителя MX.
Приемная антенна R1 подключена ко второму усилителю A2, например малошумящему усилителю. Приемная антенна R1 выдает сигнал приема RS, ослабленный и сдвинутый по фазе относительно сигнала возбуждения ES. Сигнал приема RS усиливается, и полученный усиленный сигнал возбуждения поступает на смеситель MIX.
0
1
2
1
2
Смеситель MIX, который также принимает сигнал высокой частоты ω от источника высокой частоты LOS, демодулирует сигнал приема RS. Смеситель MIX выдает на модуль оцифровки и обработки IQM сигнал низкой частоты A·cos(φ)sin(Ωt)-A·sin(φ)sin(Ωt). Модуль оцифровки и обработки IQM обрабатывает сигнал и осуществляет синхронное детектирование для выделения синфазной составляющей низкой частоты Ωи квадратурной составляющей низкой частоты Ω. Модуль оцифровки и обработки IQM выдает амплитуду A и фазу φ сигнала приема.
Каждый антенный элемент 44 и 46 каждой приемной антенны R1 подключен к приемному модулю 3′′. Приемная антенна R1 - это приемная антенна 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G и 5H, и это значит, что в примере электромагнитного зонда, приведенном на фиг.2, электронное устройство 3 содержит шестнадцать приемных модулей 3′′, идентичных вышеописанному.
Альтернативно шестнадцать приемных модулей 3′′ можно заменить одним единым модулем. Единый приемный модуль подключен ко всем приемным антеннам соответствующим переключающим элементом, способным осуществлять мультиплексирование (например, мультиплексирование с разделением по времени).
Предпочтительно соединения между различными электронными компонентами и антеннами в зонде четко заданы, благодаря чему сдвиги фазы точно известны, и фазы сигналов приема можно безошибочно сравнивать с сигналом возбуждения.
Кроме того, усиление и сдвиг фазы, вносимые высокочастотными электронными схемами, которые могут влиять на измерения, можно скомпенсировать посредством надлежащего процесса калибровки в процессе изготовления и надлежащей программной коррекции на уровне зонда.
Преимущественно источник высокой частоты LOS способен выдавать сигнал возбуждения, содержащий совокупность частот. Это позволяет возбуждать передающую антенну одновременно на совокупности частот. Например, можно использовать гармоническое разложение сигнала квадратной волны. Соответственно, все нужные частоты одновременно передаются в геологическую формацию и на схему приемника для одновременной демодуляции.
На фиг.6 схематически показана управляющая схема 3′′′ коаксиального кабеля с открытым концом электронного устройства 3 зонда, отвечающего изобретению. Управляющая схема 3′′′ содержит передающий модуль T3′′′ и приемный модуль R3′′′. Передающий модуль T3′′′ и приемный модуль R3′′′ оба подключены к общему высокочастотному источнику LOS. Управляющая схема 3′′′ подключена к первому коаксиальному кабелю с открытым концом 6A. Стандартные и известные схемы возбуждения и управления на этом чертеже не показаны.
Передающий модуль T3′′′ содержит третий низкочастотный источник LF3, третий модулятор MO3 и направленный ответвитель DCO. Приемный модуль R3′′′ содержит направленный ответвитель DCO, третий усилитель A3, второй смеситель MX2 и второй модуль оцифровки и обработки IQM2.
0
Высокочастотный источник LOS подключен к модулятору MO3 и ко второму смесителю MX2. Высокочастотный источник LOS подает на эти элементы микроволновой сигнал высокой частоты ω. Высокая частота может варьироваться от около 10 МГц до около 2 ГГц.
3
0
3
Третий низкочастотный источник LF3 подключен к третьему модулятору MO3. Модулятор MO3 выдает входной сигнал IS, модулированный низкочастотным сигналом Ω (частотой в несколько кГц - например 20 кГц), содержащий синфазную и квадратурную составляющие. Полученный входной сигнал IS, имеющий частоту ω+Ω, поступает на направленный ответвитель DCO. Направленный ответвитель DCO выдает входной сигнал IS на коаксиальный кабель с открытым концом 6A.
Высокочастотный источник LOS служит источником опорного сигнала для приемного модуля R3′′′, в частности, второго смесителя MX2.
0
3
0
Направленный ответвитель DCO также подключен к третьему усилителю A3. Направленный ответвитель DCO выдает выходной сигнал OS, отраженный коаксиальным кабелем с открытым концом 6A. Выходной сигнал OS усиливается усилителем A3. Полученный усиленный выходной сигнал, имеющий частоту ω+Ω, поступает на второй смеситель MX2. Смеситель MIX2, который также принимает сигнал высокой частоты ω от высокочастотного источника LOS, демодулирует выходной сигнал OS. Смеситель MIX2 выдает на второй модуль оцифровки и обработки IQM2 низкочастотный сигнал в виде A·cos(ωt+φ). Модуль оцифровки и обработки IQM2 обрабатывает сигнал, выделяет измеренные амплитуду A′ и фазу φ′ выходного сигнала и определяет комплексный коэффициент отражения S11.
Усиление и сдвиг фазы, вносимые высокочастотными электронными схемами, которые могут влиять на измерения, можно скомпенсировать посредством надлежащего процесса калибровки.
Ко второму коаксиальному кабелю с открытым концом 6B подключена, по существу, идентичная управляющая схема, которая по этой причине дополнительно не описана.
Электромагнитный зонд, соответствующий изобретению, действует вышеописанным образом.
Электромагнитный зонд позволяет осуществлять радиальное профилирование водонасыщенности и электропроводности в ограниченной зоне, окружающей ствол скважины (до 4 дюймов) в горизонтальном и вертикальном направлениях. Эти измерения осуществляются на множестве исследуемых глубин и на множестве частот (например, в пределах от 10 МГц до 2 ГГц). Эти измерения позволяют сделать петрофизическую интерпретацию более достоверной.
Каждая передающая антенна и приемная антенна имеет две поляризации (поперечную и продольную), благодаря чему электромагнитный зонд может измерять анизотропию.
Коаксиальные кабели с открытым концом электромагнитного зонда обеспечивают дополнительные измерения. Эти дополнительные измерения относятся к свойствам глинистой корки и к смеси флюидов, присутствующей в стволе скважины и зоне проникновения.
Измерения между передатчиками и приемниками
Передающие и приемные антенны используются для измерения ослаблений и сдвигов фазы электромагнитной волны, передаваемой в геологическую формацию и отраженной и/или преломленной геологической формацией. Поскольку антенны являются, по существу, точечными чисто магнитными диполями, простая инверсия позволяет получить воспринимаемый волновой вектор k. Специалисту в данной области техники хорошо известно, что волновой вектор k непосредственно связан с магнитной проницаемостью и электропроводностью геологической формации (это дополнительно не описано).
1
2
3
1
Архитектура передающих антенн и приемных антенн в башмаке позволяет реализовать схему компенсации по стволу скважины. Эта схема используется как для устранения систематической ошибки измерения, так и для концентрации пространственного отклика измерения между двумя передающими антеннами. Схема компенсации по стволу скважины обеспечивает четыре геометрических элементов измерения, каждый из которых соответствует скомпенсированному разнесению между двумя передатчиками и приемником. Четыре элемента обеспечивают четыре измерения, соответствующие разным радиальным глубинам RD, RD, RD и RD (см. фиг.2.A).
1
2
3
4
Электромагнитный зонд обеспечивает две поляризации магнитного диполя: продольную поляризацию EF и поперечную поляризацию BS. Все возможные конфигурации для различных дипольных связей между передатчиком и приемником можно измерять. Смешанные дипольные связи между передатчиком и приемником EF-BS и BS-EF позволяют осуществлять измерения скрещенных диполей. Коллинеарные дипольные связи между передатчиком и приемником EF-EF и BS-BS позволяют осуществлять измерения параллельных диполей. Измерения параллельных диполей и скрещенных диполей обеспечивают разные типы информации. На фиг.7.A показаны типичные огибающие характеристики чувствительности радиального измерения для передающей антенны/приемной антенны согласно продольной расстановке для радиальных глубин исследования RD, RD, RD и RD. Этот график демонстрирует, что радиальная характеристика EF-EF для данного элемента измерения концентрируется вокруг ее радиальной глубины исследования.
1
2
3
4
На фиг.7.B показаны типичные огибающие характеристики чувствительности радиального измерения для передающей антенны/приемной антенны, согласно поперечной расстановке для радиальных глубин исследования RD, RD, RD и RD. Этот график демонстрирует, что радиальная глубина исследования BS-BS вносит значительный вклад в мелкую область. Результирующая радиальная глубина исследования мельче, чем для измерения EF-EF.
Электрическое поле продольно поляризованных EF антенн в однородной формации ориентировано в плоскости, перпендикулярной направлению глубины. Поэтому измерение EF-EF чувствительно только к поперечным свойствам формации, тогда как измерение BS-BS чувствительно к поперечным и параллельным свойствам формации. Использование обоих измерений позволяет разделить поперечные и параллельные свойства формации и, таким образом, измерять анизотропию формации.
Измерения скрещенных диполей не равны нулю, когда формация анизотропна или неоднородна. Эти измерения используются для объединения измерения анизотропии и для определения наличия наклона пласта в геологической формации. Глубина исследования с помощью скрещенных диполей относится к поперечному BS типу, сконцентрированному вокруг поперечно BS поляризованных антенн; поэтому измерения BS-EF и EF-BS не эквивалентны.
Измерения с помощью коаксиальных кабелей с открытым концом
Первый коаксиальный кабель с открытым концом находится в контакте с глинистой коркой или с формацией. Второй коаксиальный кабель с открытым концом контактирует со смесью скважинных флюидов. Первый коаксиальный кабель с открытым концом работает в двух режимах: как автономная отражательная антенна, как проходная антенна приемника при связи с передающими антеннами и, наконец, как передатчик при связи с ближайшими приемниками со скрещенными диполями. Второй коаксиальный кабель с открытым концом действует только как автономная отражательная антенна.
В режиме отражения микроволновой сигнал поступает в апертуру коаксиального кабеля с открытым концом в геологическую формацию, глинистую корку или смесь флюидов, и ослабление и сдвиг фазы отраженного сигнала измеряется. Комплексный коэффициент отражения, общеизвестный в технике как S11, определяется на основании измеренных ослабления и сдвига фазы. Глубина исследования с помощью коаксиальных кабелей с открытым концом невелика. Глубина исследования соответствует площади поперечного сечения коаксиального кабеля, например, около 1 мм для кабеля диаметром 2 мм. Поэтому комплексный коэффициент отражения S11 связан только с диэлектрическими свойствами глинистой корки или смеси флюидов. Процесс простой линейной инверсии обеспечивает диэлектрическую проницаемость и электропроводность глинистой корки и/или смеси флюидов.
Коаксиальные кабели с открытым концом также можно использовать в проходном режиме. В этом случае коаксиальный кабель с открытым концом является, по существу, чисто электрическим диполем, перпендикулярным первой поверхности башмака. Полостные антенны подобны магнитным диполям, что позволяет осуществлять проходное измерение с помощью простой прямой модели. Сигнал, доставляемый коаксиальным кабелем в режиме прохождения, пропорционален нормальному электрическому полю на его апертуре.
Первый коаксиальный кабель с открытым концом, действующий в режиме отражения, используется для указания возможного наличия глинистой корки и для определения электромагнитных свойств глинистой корки. Он также позволяет обеспечивать указание качества/эффективности контакта башмака. Первый коаксиальный кабель с открытым концом, действующий в проходном режиме используется при связи с передающей антенной, работающей в поперечной расстановке, для обеспечения ненулевого измерения с увеличенной радиальной глубиной по сравнению с режимом отражения. Это измерение является дополнительным мелким измерением, которое завершает радиальные отклики магнитного диполя.
Второй коаксиальный кабель с открытым концом используется для определения электромагнитных свойств смеси скважинных флюидов.
Сводка по измерениям
Таким образом, с помощью электромагнитного зонда можно обеспечивать различные наборы измерений, относящиеся к геологической формации:
измерения посредством полостных антенн, по существу, соответствующих чисто магнитным диполям, перпендикулярным плоскости башмака,
измерения посредством первого коаксиального кабеля с открытым концом, по существу соответствующего чисто электрическому диполю, перпендикулярному башмаку, причем коаксиальный кабель действует в проходном режиме, режиме отражения и приема,
измерения согласно разным поляризациям,
измерения согласно разным радиальным глубинам, и
измерения согласно разным частотам.
Измерения, осуществляемые посредством первого коаксиального кабеля с открытым концом и восьми параллельных диполей, когда передающие антенны работают в поперечной расстановке и в продольной расстановке, позволяют определить толщину глинистой корки и электромагнитные свойства, анизотропию и радиальный профиль геологической формации. Измерения, осуществляемые посредством первого коаксиального кабеля с открытым концом и восьми перекрещенных диполей, когда передающие антенны работают в поперечной расстановке и в продольной расстановке, позволяют количественно определить характеристики и ориентацию анизотропии, наклона и трещин геологической формации.
Вышеописанные измерения осуществляются на разных частотах. Изменения электромагнитных свойств в зависимости от частоты позволяют определять дополнительные петрофизические параметры. Например, на фиг.8.A показана типичная дисперсионная кривая относительно частоты для диэлектрической проницаемости пористой породы, заполненной водой. На фиг.8.B показана типичная дисперсионная кривая относительно частоты для электропроводности пористой породы, заполненной водой.
Кроме того, дополнительные наборы измерений, относящихся к глинистой корке и/или к электромагнитным свойствам смеси флюидов, можно осуществлять с помощью электромагнитного зонда посредством первого и второго коаксиального кабеля с открытыми концами, действующими в режиме отражения. Дополнительные наборы измерений также можно производить на разных частотах.
После согласования радиальной глубины исследования на разных частотах возможно радиальное профилирование геологической формации.
Наконец, предполагая электромагнитные свойства смеси флюидов известными, можно определить ориентации трещин в геологической формации. Трещины могут быть естественными трещинами, обусловленными напряжениями в геологической формации, или трещинами, возникшими вследствие операции бурения. Трещины могут заполняться смесью флюидов из ствола скважины (обычно проводящей вследствие обогащения водой) или смесью углеводородных флюидов (обычно резистивной).
Если трещина параллельна оси башмака, трещина, заполненная резистивным флюидом, будет генерировать, по существу, нулевой сигнал согласно поперечной расстановке и полезный сигнал согласно продольной расстановке.
Если трещина перпендикулярна оси башмака, трещина, заполненная резистивным флюидом, будет генерировать полезный сигнал согласно поперечной расстановке и, по существу, нулевой сигнал согласно продольной расстановке.
Если трещина наклонена относительно оси башмака, трещина, заполненная резистивным флюидом, будет генерировать сигнал, являющийся комбинацией поперечной расстановки и продольной расстановки.
Итоговые замечания
Было описано конкретное применение изобретения, относящееся к проводному прибору. Однако специалисту в данной области техники очевидно, что изобретение также применимо к прибору для каротажа во время бурения. Типичный прибор для каротажа во время бурения включен в состав компоновки низа бурильной колонны, присоединенной к концу бурильной колонны, причем буровое долото установлено на самом ее конце. Измерения можно проводить, когда бурильная колонная неподвижна и когда она вращается. В последнем случае проводится дополнительное измерение, чтобы измерения можно было связывать с поворотной позицией буровой колонны в стволе скважины. Это осуществляется посредством одновременных измерений направления геомагнитного поля с помощью компаса, которые можно соотносить с эталонным измерением, проведенным для неподвижной бурильной колонны. Специалисту в данной области техники также очевидно, что изобретение применимо к углеводородной скважине, расположенной на суше и в море.
Очевидно, что используемый здесь термин "башмак", в целом, обозначает элемент, контактирующий с поверхностью стенки ствола скважины. Конкретный контактирующий элемент, показанный на чертежах, для поддержания антенн в соприкосновении со стенкой ствола скважины, является иллюстративным, и специалисту в данной области техники очевидно, что можно реализовать другой подходящий контактирующий элемент, например щуп с упорным кронштейном.
То же самое примечание также применимо к конкретной системе монтажа зонда, показанной на чертежах.
Наконец, специалисту в данной области техники также очевидно, что применение изобретения к нефтедобывающей промышленности не является ограничением, поскольку изобретение также можно использовать в геологической разведке других типов.
Вышеприведенные чертежи и их описание предназначены для иллюстрации, но не для ограничения изобретения.
Любое обозначение, используемое в формуле изобретения, не следует рассматривать в порядке ее ограничения. Слово "содержащий" не исключает наличия других элементов, помимо перечисленных в формуле изобретения. Упоминание элемента в единственном числе не исключает наличия совокупности таких элементов.