ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОГО ТЕНЗОРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОЖЕСТВА АНТЕНН
DETERMINATION OF TOTAL TENSOR OF ELECTROMAGNETIC COUPLING USING SET OF ANTENNAS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет заявки на изобретение США №15/236,682, поданной 15 августа 2016.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее раскрытие в целом относится к области скважинных каротажных инструментов и, в частности, к скважинным электромагнитным каротажным инструментам. А именно, раскрыты различные способы определения полного тензора электромагнитной связи через формацию земли с использованием инструмента, содержащего множество антенн, расположенных в буровой скважине.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Известны различные методы каротажа в области поисково-разведочных работ и промышленной добычи углеводородов. В этих способах используются инструменты или приборы, оборудованные передающими антеннами, приспособленными для излучения энергии в подповерхностный пласт, через который проходит буровая скважина. В настоящем описании термин "инструмент" и "прибор" будут использоваться в одном смысле для обозначения, например, электромагнитного инструмента (или прибора), кабельного инструмента (или прибора) или инструмента (или прибора) "каротажа во время бурения". Излученная энергия взаимодействует с окружающим пластом для образования сигналов, которые затем обнаруживаются и измеряются одним или более датчиков. Путем обработки обнаруженных сигнальных данных может быть сгенерирован профиль свойств пласта.
[0004] Электромагнитные каротажные инструменты, включая каротажные инструменты, распространяющие электромагнитную индукцию и электромагнитные волны, используются для определения электрических свойств пластов, окружающих буровую скважину. Такие каротажные инструменты получают результаты измерений, относящиеся к удельному сопротивлению (или его инверсии, т.е. проводимости) пласта, которые после их интерпретации обеспечивают возможность логического выведения различных петрофизических свойств пласта и текучих сред в этом пласте. Хорошо известны физические принципы каротажа скважин на предмет сопротивления распространению электромагнитной индукции.
[0005] В электромагнитных каротажных инструментах используются передающая и приемная антенны. Согласно некоторым вариантам реализации такие антенны могут действовать в качестве передающей антенны и/или приемной антенны. Специалистам понятно, что антенна может быть использована в одном случае как передающая антенна и как приемная антенна в другом случае. Также понятно, что приемо-передающие конфигурации, раскрытые в настоящей заявке, являются взаимозаменяемыми в силу принципа взаимности, т.е. "передающая антенна" может быть использована как "приемная антенна", и наоборот.
[0006] В традиционных электромагнитных каротажных инструментах используются осевые передающая и приемная антенны, имеющие магнитные дипольные моменты, ориентированные по существу вдоль продольной оси инструмента. Такие инструменты не имеют азимутальной чувствительности. В скважинах с большим углом наклона или горизонтальных скважинах измерения, полученные с использованием осевых антенн, не содержат информацию о направленности пласта, которая обеспечивает возможность различать приближение буровой скважины, например, к электрически проводящему слою сверху или снизу. Такая информация используется, например, для размещения скважин. Предложены каротажные инструменты, содержащие одну или более антенн, имеющих магнитный дипольный момент, который является наклонным или поперечным относительно оси инструмента, такие как описанные, например, в патентах США №№5,508,616; 6,163,155; 6,476,609; 7,656,160; 8,466,683; 7,755,361; публикации заявки на изобретение США №20140292340 и патенте США №9,389,332. Такие каротажные инструменты могут обеспечить направленное измерение, результаты которого содержат информацию о направленности пласта. Они также предоставляют более обширную информацию, используемую для различных вариантов применения оценки пласта.
[0007] Например, в патенте США №№7,656,160; 7,755,361 и 8,466,683 предложены способы использования каротажного инструмента, имеющего три наклонных передающих (приемных) катушки и наклонную приемную (передающая) катушку, которые поворачиваются, для определения полного тензора связи посредством электромагнитного поля, который в свою очередь используется для определения свойств подповерхностного пласта. "Наклонные" передающая и приемная катушки имеют магнитные моменты, включающие ненулевые компоненты, ориентированные вдоль оси Z, т.е. оси поворота инструмента, но не полностью выровненные с осью Z. В качестве иллюстрации два варианта реализации из патента США №7,755,361 показаны на ФИГ. 1A и 1B. На ФИГ. 1A показаны две наклонные передающих антенны 104, 108 и две наклонные приемные антенны 106, 110, в то время как на ФИГ. 1B показана одна наклонная передающая антенна 104 и три наклонных приемных антенны 106, 110, 112.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Раскрыт скважинный электромагнитный каротажный инструмент, содержащий две или более групп антенн, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси каротажного инструмента, каждая группа антенн содержит одну антенну или множество антенн, расположенных рядом друг с другом или в одном местоположении, каждая группа антенн содержит по меньшей мере одну антенну, имеющую дипольный момент, который является наклонным относительно продольной оси каротажного инструмента, по меньшей мере одна группа антенн, содержащая в дополнение по меньшей мере к одной антенне, имеющей дипольный момент, который является наклонным относительно продольной оси каротажного инструмента, по меньшей мере одну антенну, имеющую дипольный момент, который является поперечным или осевым относительно продольной оси каротажного инструмента, и любая данная пара групп антенн содержит по меньшей мере четыре антенны. Каротажный инструмент расположен в скважине, проникающей через пласт, и во время поворота измеряет угол поворота инструмента, передает электромагнитный сигнал посредством одной группы антенн и принимает электромагнитный сигнал посредством другой группы антенн. Некоторые или все компоненты тензора электромагнитной связи определены с использованием принятого электромагнитного сигнала и измеренного угла поворота инструмента, и логически выведены свойства пласта с использованием одной или более компонент определенного тензора электромагнитной связи.
[0009] Настоящее раскрытие сущности изобретения приведено для введения в выбор понятий, которые также представлены ниже в подробном описании. Настоящее раскрытие сущности изобретения не предназначено для идентификации ключевых или существенных признаков заявленного предмета настоящего изобретения и также не предназначено для использования в качестве ограничения объема охраны заявленного предмета настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Настоящее раскрытие лучше всего может быть понято после прочтения следующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи. Следует отметить, что в соответствии с обычной практикой в данной области техники различные признаки, изображенные на чертежах, не являются масштабированными. Фактически, размеры различных признаков могут быть произвольно увеличены или уменьшены для ясности понимания. Варианты реализации определения описаны со ссылкой на следующие ниже чертежи. Одинаковые позиционные номера в целом используются на всех чертежах для обозначения подобных признаков и компонентов. Варианты реализации системы и способа определения всех девяти компонент электромагнитного (ЭМ) тензора описаны со ссылкой на следующие чертежи.
[0011] На ФИГ. 1A схематически показан известный электромагнитный каротажный инструмент, содержащий две наклонных передающих антенны и две наклонных приемных антенны.
[0012] На ФИГ. 1B схематически показан электромагнитный каротажный инструмент уровня техники, содержащий одну наклонную передающую антенну и три наклонных приемных антенны.
[0013] На ФИГ. 2A схематически показан один вариант реализации электромагнитного каротажного инструмента, содержащего две наклонных передающих антенны, одну осевую передающую антенну и одну наклонную приемную антенну, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0014] На ФИГ. 2B показан вид с торца варианта реализации, показанного на ФИГ. 2A, показывающий относительные азимутальные углы между магнитными моментами наклонных передающих антенн и наклонной приемной антенны, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0015] На ФИГ. 3A схематически показан один вариант реализации электромагнитного каротажного инструмента, содержащего две наклонных передающих антенны, одну осевую приемную антенну и одну наклонную приемную антенну, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0016] На ФИГ. 3B показан вид с торца варианта реализации, показанного на ФИГ. 3A, показывающий относительные азимутальные углы между магнитными моментами наклонных передающих антенн и наклонной приемной антенны, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0017] На ФИГ. 4A схематически показан один вариант реализации электромагнитного каротажного инструмента, содержащего наклонную передающую антенну, поперечную передающую антенну, осевую передающую антенну и наклонную приемную антенну, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0018] На ФИГ. 4B показан вид с торца варианта реализации, показанного на ФИГ. 4A, показывающий относительные азимутальные углы между магнитными моментами наклонной передающей антенны, поперечной передающей антенны и наклонной приемной антенны, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0019] На ФИГ. 5A схематически показан один вариант реализации электромагнитного каротажного инструмента, содержащего наклонную передающую антенну, поперечную передающую антенну, наклонную приемную антенну и осевую приемную антенну, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0020] На ФИГ. 5B показан вид с торца варианта реализации, показанного на ФИГ. 5A, показывающий относительные азимутальные углы между магнитными моментами наклонной передающей антенны, поперечной передающей антенны и наклонной приемной антенны, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0021] На ФИГ. 6A схематически показан один вариант реализации электромагнитного каротажного инструмента, содержащего наклонную передающую антенну, поперечную передающую антенну и две наклонных приемных антенны, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0022] На ФИГ. 6B показан вид с торца варианта реализации, показанного на ФИГ. 6A, показывающий относительные азимутальные углы между магнитными моментами наклонной передающей антенны, поперечной передающей антенны и наклонных приемных антенн, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0023] На ФИГ. 7A схематически показан один вариант реализации электромагнитного каротажного инструмента, содержащего наклонную передающую антенну, поперечную передающую антенну, наклонную приемную антенну и поперечную приемную антенну, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0024] На ФИГ. 7B показан вид с торца варианта реализации, показанного на ФИГ. 7A, показывающий относительные азимутальные углы между магнитными моментами наклонной передающей антенны, поперечной передающей антенны, наклонной приемной антенны и поперечной приемной антенны, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0025] На ФИГ. 8A схематически показан чертеж одного варианта реализации электромагнитного каротажного инструмента, содержащего две наклонных передающих антенны, поперечную передающую антенну и наклонную приемную антенну, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0026] На ФИГ. 8B показан вид с торца варианта реализации, показанного на ФИГ. 8A, показывающий относительные азимутальные углы между магнитными моментами наклонных передающих антенн, поперечной передающей антенны и наклонной приемной антенны, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0027] На ФИГ. 9A схематически показан чертеж одного варианта реализации электромагнитного каротажного инструмента, содержащего наклонную передающую антенну, две поперечных передающих антенны и наклонную приемную антенну, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0028] На ФИГ. 9B показан вид с торца варианта реализации, показанного на ФИГ. 9A, показывающий относительные азимутальные углы между магнитными моментами наклонной передающей антенны, поперечных передающих антенн и наклонной приемной антенны, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0029] На ФИГ. 10A показана часть блок-схемы способа, который может быть использован для определения тензора электромагнитной связи, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0030] На ФИГ. 10B показана часть блок-схемы способа, который может быть использован для определения тензора электромагнитной связи, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0031] На ФИГ. 10C показана часть блок-схемы способа, который может быть использован для определения тензора электромагнитной связи, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0032] На ФИГ. 10D показана часть блок-схемы способа, который может быть использован для определения тензора электромагнитной связи, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0033] На ФИГ. 10E показана часть блок-схемы способа, который может быть использован для определения тензора электромагнитной связи, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0034] На ФИГ. 10F показана часть блок-схемы способа, который может быть использован для определения тензора электромагнитной связи, в соответствии с настоящим раскрытием.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0035] В следующем ниже описании приведены множество подробностей для обеспечения понимания настоящего раскрытия. Однако специалисту понятно, что раскрытие может быть осуществлено без этих подробностей, и возможны различные изменения или модификации описанных вариантов реализации.
[0036] В настоящей заявке раскрыты система и способ определения всех девяти компонент тензора электромагнитной связи от передающей антенны T1 и приемной антенны R1:  и  для случая, в котором множество передающих антенн находятся вблизи друг друга или в одном местоположении. Кроме того, поскольку могут быть определены относительные коэффициенты усиления, например,  и , любая из ненулевых компонент тензора электромагнитной связи от передающей антенны T2 и приемной антенны R1 или передающей антенной T3 и приемной антенной R1 может быть определена умножением коэффициентов  или  усиления на компоненты тензора электромагнитной связи от передающей антенны T1 и приемной антенны R1.
[0037] Используя любой из различных вариантов реализации, описанных в настоящей заявке, а также других вариантов реализации, входящих в объем охраны настоящего изобретения, описанного ниже, могут быть выполнены одно или более измерений с использованием любой из девяти компонент тензора электромагнитной связи, такой как компонента, определенная соотношением величин или сдвигом фаз между двумя различными линейными комбинациями любой из девяти компонент тензора электромагнитной связи, для характеристики пласта. Можно использовать измерение (измерения), характеризующие пласт, например, для геонавигации и оценки пласта, такой как определение ориентации границы пласта, расстояния до границы пласта и/или удельного сопротивления на противоположных сторонах границы пласта, и т.п.
T1R1
T2R2
[0038] На ФИГ. 2A схематически показан чертеж приведенного в качестве примера скважинного инструмента согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Инструмент содержит передающий зонд 201 и приемный зонд 202. Передающий зонд 201 имеет три передающих антенны T1, T2 и T3, размещенные вблизи друг друга. Передающие антенны T1 и T2 являются наклонными антеннами, имеющими магнитные моменты, не параллельные и не перпендикулярные оси инструмента. Передающая антенна T3 является осевой антенной, имеющей магнитный момент, по существу параллельный оси инструмента. Приемный зонд 202 содержит одну наклонную приемную антенну R1, имеющую магнитный момент, не параллельный и не перпендикулярный оси инструмента. Магнитные моменты двух наклонных передающих и наклонных приемных антенн находятся в различных азимутальных плоскостях, как показано на виде с торца на ФИГ. 2B, где: ϕ и ϕ - азимутальные углы магнитных моментов передающих антенн T1 и T2 относительно магнитного момента приемной антенны R1 соответственно. Магнитные моменты этих двух передающих антенн T1 и T2 также находятся в различных азимутальных плоскостях. Все передающие и приемные антенны могут работать на различных частотах, подходящих для каротажных инструментов. Указанные два зонда 201, 202 отделены друг от друга требуемым расстоянием, обеспеченным одним или более каротажных инструментов или разделителей, соединенных между ними. Несмотря на то, что указанные три передающих антенны показаны размещенными вблизи друг друга, две из них или все они могут быть расположены в одном месте. Кроме того, несмотря на то, что в данном описанном варианте реализации указанные три передающих антенны расположены в отдельном зонде, отличающемся от зонда приемной антенны, все антенны могут быть размещены в одном и том же зонде.
T1R1
[0039] Когда наклонная передающая антенна T1 передает энергию электромагнитного поля на определенной частоте, индуцированное напряжение V в приемной антенне R1 может быть записано уравнением в следующей форме:
,
R1
где: ϕ - азимутальный угол магнитного момента приемной антенны R1 относительно некоторой системы отсчета. Эти пять коэффициентов , называемые коэффициентами нулевой гармоники, коэффициенты  и , называемые коэффициентами первой гармоники, и коэффициенты  и , называемые коэффициентами второй гармоники, являются линейными комбинациями компонент тензора электромагнитной связи и могут быть представлены следующим образом:
где:
Τ1
θ - угол наклона магнитного дипольного момента передающей антенны T1 относительно оси инструмента;
R1
θ - угол наклона магнитного дипольного момента приемной антенны R1 относительно оси инструмента; и
T1R1
R1
T1R1
ϕ - азимутальный угол магнитного момента передающей антенны T1 относительно магнитного момента приемной антенны R1. Следует отметить, что все девять компонент тензора электромагнитной связи  и  вносят вклад в индуцированное напряжение V(ϕ).
T2R1
T2R1
R1
R1
[0040] Когда наклонная передающая антенна T2 передает энергию электромагнитного поля на определенной частоте, индуцированное напряжение V(ϕ) в приемной антенне R1 может быть записано таким же образом, как уравнение Eq. (1) и уравнения Eq. (2), за исключением замены индекса T1 на индекс T2. Опять же в этом случае все девять компонент тензора электромагнитной связи  и  вносят вклад в индуцированное напряжение V(ϕ). Если эти две передающих антенны T1 и T2 находятся в непосредственной близости или расположены в одном месте, девять компонент тензора электромагнитной связи передающей антенны T2 являются теми же, что и компоненты тензора электромагнитной связи передающей антенны T1, не считая постоянного множителя, который является относительным коэффициентом усиления , обусловленным конструкцией антенн, дрейфами электронной аппаратуры и т.п. Иными словами:
T3R1
R1
[0041] Когда осевая передающая антенна T3 передает энергию электромагнитного поля на определенной частоте, индуцированное напряжение V(ϕ) в приемной антенне R1 может быть записано уравнением в следующей форме:
,
которая включает только коэффициент нулевой гармоники и коэффициенты первой гармоники. Данные коэффициенты могут быть представлены в намного более простых формах следующим образом:
.
T3R1
R1
В этом случае только три компоненты  и  тензора электромагнитной связи вносят вклад в индуцированное напряжение V(ϕ). Если передающая антенна T3 находится в непосредственной близости или расположена в одном месте с передающей антенной T1, три компоненты тензора электромагнитной связи передающей антенны T3 являются такими же, как и три компоненты тензора электромагнитной связи передающей антенны T1, за исключением постоянного множителя, который является относительным коэффициентом усиления , обусловленным конструкцией антенн, дрейфами электронной аппаратуры и т.п. Иными словами:
.
[0042] На ФИГ. 10C вместе с ФИГ. 10A и 10B показана блок-схема способа для варианта реализации, показанного на ФИГ. 2A, определения тензора электромагнитной связи согласно настоящему изобретению. Скважинный инструмент расположен в буровой скважине, проникающей через пласт (ФИГ. 10A, на этапе 1001). Согласно данному варианту реализации скважинный инструмент содержит по меньшей мере две наклонных передающих антенны и одну осевую передающую антенну, размещенные вблизи друг друга или расположенные в одном зонде, и по меньшей мере одну наклонную приемную антенну, размещенную в другом зонде. Скважинный инструмент передает электромагнитную энергию (ФИГ. 10A, на этапе 1003), когда он поворачивается в буровой скважине (ФИГ. 10A, на этапе 1005).
T1R1
T2R1
T3R1
[0043] Коэффициенты  и  определены из индуцированного напряжения V для множества азимутальных углов, коэффициенты  и  определены из индуцированного напряжения V для множества азимутальных углов, и коэффициенты  и  определены из индуцированного напряжения V для множества азимутальных углов (ФИГ. 10B, на этапе 1007). Для определения коэффициентов можно использовать помимо прочего способ, описанный в патенте США №9,389,332.
[0044] Сумма  и разность  могут быть определены из коэффициентов  и  второй гармоники для антенн T1 и R1 с использованием уравнений (2d) и (2e):
.
[0045] Схожим образом сумма  и разность  могут быть определены из коэффициентов  и  второй гармоники для антенн T2 и R1 с использованием уравнений, приведенных выше, за исключением замены индекса T1 на индекс T2 (ФИГ. 10B, на этапе 1009). Коэффициент усиления может быть определен как:
или
или как линейная комбинация того и другого, или другими способами с использованием сумм и разностей  и  (ФИГ. 10B, на этапе1011).
[0046] Дополнительно могут быть определены компоненты  и  из коэффициентов  с использованием уравнений (2b) и (2c) и коэффициентов  и  с использованием тех же уравнений, за исключением замены индекса T1 передающей антенны на индекс T2 и коэффициента усиления , определенного ранее (ФИГ. 10B, на этапе 1013):
-1
где: A - инверсия следующей матрицы:
.
T3R1
[0047] Коэффициенты  и  могут быть определены из индуцированного напряжения V для множества азимутальных углов (ФИГ. 10С, на этапе 1015). Для определения коэффициентов можно использовать помимо прочего способ, описанный в патенте США №9,389,332.
[0048] Можно определить (ФИГ. 10С, на этапе 1017) компоненты  и  из коэффициентов  и  с использованием уравнений (5a), (5b) и (5c):
.
Затем может быть определен коэффициент усиления :
или
или линейной комбинацией того и другого, или другими способами с использованием компонент  и  (ФИГ. 10С, на этапе 1019). Затем коэффициент усиления  может использоваться для определения (ФИГ. 10С, на этапе 1021) компоненты  вместе с уравнением Eq. (10a):
[0049] Можно определить  и для  из коэффициентов  и  с использованием уравнения Eq. (2a) для передающей антенны T1 и того же уравнения для передающей антенны T2 (с замещенным индексом) вместе с коэффициентом усиления , полученным из уравнения (8a) или (8b), и компонентой , полученной из уравнения Eq. (12) (ФИГ. 10С, на этапе 1023):
T2T1
где: ϕ - разность между азимутальными углами магнитных дипольных моментов передающих антенн T1 и T2.
[0050] Можно определить (ФИГ. 10С, на этапе 1025) компоненты  и  из ,  и , заданных уравнениями (13a), (13b), (7a) и (7b). Таким образом, все девять компонент  и  тензора электромагнитной связи от передающей антенны T1 и приемной антенны R1 полностью определены. Кроме того, поскольку относительные коэффициенты усиления  и  также определены, любая из девяти компонент тензора электромагнитной связи от передающей антенны T2 и приемной антенны R1 или от передающей антенны T3 и приемной антенны R1 также может быть определена умножением коэффициента усиления  или  на компоненты тензора электромагнитной связи от передающей антенны T1 и приемной антенны R1.
[0051] Следует отметить, что все варианты реализации скважинного электромагнитного каротажного инструмента, раскрытого в настоящей заявке, имеют две или более групп антенн, расположенных на некотором расстоянии вдоль продольной оси каротажного инструмента, причем каждая группа антенн содержит одну антенну или множество антенн, расположенных рядом друг с другом или в одном месте. Каждая группа антенн также содержит по меньшей мере одну антенну, имеющую дипольный момент, который является наклонным относительно продольной оси каротажного инструмента. По меньшей мере одна группа антенн в дополнение по меньшей мере к одной антенне, имеющей дипольный момент, который является наклонным относительно продольной оси каротажного инструмента, по меньшей мере одну антенну, имеющую дипольный момент, который является поперечным или осевым относительно продольной оси каротажного инструмента, и любая данная пара групп антенн содержит по меньшей мере четыре антенны.
[0052] Также следует отметить, что по меньшей мере один отличительный аспект между тем, что заявлено в настоящей заявке, и уровнем техники состоит в том, что в уровне техники не раскрыто, не описано или иным способом не предложено требование, состоящее в том, чтобы по меньшей мере одна группа антенн имела поперечную антенну или осевую антенну в дополнение к наклонной антенне. Например, согласно варианту реализации уровня техники, показанному на ФИГ. 1A, имеются две группы антенн, каждая из которых содержит две наклонные антенны, но ни одна из указанных групп антенн не содержит поперечную или осевую антенну. Подобные замечания также могут быть сделаны относительно варианта реализации уровня техники, показанного на ФИГ. 1B. Отсутствие поперечной или осевой антенны в соединении с наклонной антенной по меньшей мере в одной группе антенн препятствует осуществлению способа и устройства, описанных в настоящей заявке.
T1R1
T2R1
[0053] На ФИГ. 3A схематически показан чертеж приведенного в качестве примера скважинного инструмента согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения. Инструмент содержит передающий зонд 301 и приемный зонд 302. Передающий зонд 301 содержит две передающих антенны T1 и T2, размещенные вблизи друг друга. Антенны T1 и T2 являются наклонными антеннами, имеющими магнитные моменты, которые не параллельны и не перпендикулярны оси инструмента. Приемный зонд 302 содержит одну наклонную приемную антенну R1, имеющую магнитный момент, который не параллелен и не перпендикулярен оси инструмента, и одну осевую антенну R2, имеющую магнитный момент, по существу параллельный оси инструмента. Магнитные моменты двух наклонных передающих и одной приемной антенн находятся в различных азимутальных плоскостях, как показано на виде с торца на ФИГ. 3B, где: ϕ и ϕ - азимутальные углы магнитных моментов передающих антенн T1 и T2 относительно магнитного момента приемной антенны R1 соответственно. Магнитные моменты этих двух передающих антенн T1, T2 находятся в различных азимутальных плоскостях. Все передающие и приемные антенны могут работать на различных частотах, подходящих для каротажных инструментов. Указанные два зонда 301, 302 расположены на некотором расстоянии друг от друга, заданном одним или более каротажных инструментов или разделителей, соединенных между ними. Несмотря на то, что две приемных антенны показаны размещенными вблизи друг друга, они могут быть расположены на расстоянии друг от друга. Кроме того, несмотря на то, что указанные две передающих антенны и две приемных антенны показаны расположенными в различных зондах, они могут быть размещены в одном и том же зонде.
[0054] На ФИГ. 10D совместно с ФИГ. 10A и 10B показана блок-схема способа определения тензора электромагнитной связи для варианта реализации, показанного на ФИГ. 3A, согласно настоящему изобретению. В этом случае отсутствует пара передающей антенны T3 и приемной антенны R1. Вместо этого имеются две другие пары передающей антенны/приемной антенны: пара, образованная наклонной передающей антенной T1 и осевой приемной антенной R2, и пара, образованная наклонной передающей антенной T2 и осевой приемной антенной R2. Таким образом, этапы способа остаются теми же, за исключением этапов, включающих передающую антенну T3 и приемную антенну R1, которые должны быть заменены передающей антенной T1 и приемной антенной R2 или передающей антенной T2 и приемной антенной R2. Далее для наглядности будет использоваться передающая антенна T1 и приемная антенна R2, но эти также могут быть использованы передающая антенна T2 и приемная антенна R2 с заменой индекса T1 на индекс T2 соответственно.
T1R2
T1
[0055] Когда наклонная передающая антенна T1 передает энергию электромагнитного поля на определенной частоте, индуцированное напряжение V(ϕ) в приемной антенне R2 может быть записано уравнением в форме:
,
T1
T1
R2
T1R2
T1R2
где: ϕ - азимутальный угол магнитного момента передающей антенны T1 относительно некоторой системы отсчета. Индуцированное напряжение V(ϕ) включает только коэффициент нулевой гармоники и коэффициенты первой гармоники, поскольку каждый член коэффициентов второй гармоники имеет множитель sin(Θ), который равен нулю. Можно определить коэффициенты  и  из индуцированного напряжения V для множества азимутальных углов (ФИГ. 10D, на этапе 1027). Например, для определения коэффициентов можно использовать помимо прочего способ, описанный в патенте США №9,389,332. Коэффициенты нулевой и первой гармоник могут быть представлены следующим образом:
.
T1R2
T1
В этом случае только три компоненты  и  тензора электромагнитной связи вносят вклад в индуцированное напряжение V(ϕ).
[0056] Можно определить (ФИГ. 10D, на этапе 1029) компоненты  и  из коэффициентов  и  с использованием уравнений (15a), (15b) и (15c):
.
Если приемная антенна R2 находится в непосредственной близости или расположена в одном местоположении с приемной антенной R1, три компоненты тензора электромагнитной связи от передающей антенны T1 и приемной антенны R2 являются такими же, как и компоненты тензора электромагнитной связи от передающей антенны T1 и приемной антенны R1, кроме постоянного множителя , который является относительным коэффициентом усиления, обусловленным конструкцией антенн, дрейфами электронной аппаратуры и т.п. Затем коэффициент усиления  может быть определен любым из следующих способов:
или
,
или линейной комбинацией того и другого, или другими способами с использованием компонент  и  (ФИГ. 10D, на этапе 1031). Затем может использоваться коэффициент усиления  для вычисления компоненты  вместе с уравнением (16a) (ФИГ. 10D, на этапе 1033):
.
[0057] Можно использовать уравнения (13a) и (13b) для нахождения (ФИГ. 10D, на этапе 1035) суммы и разности  и , где  задан уравнением (18). Таким образом, используя те же этапы, как и прежде (ФИГ. 10D, на этапе 1037), могут быть полностью определены все девять компонент  и  тензора электромагнитной связи от передающей антенны T1 и приемной антенны R1.
[0058] Можно использовать данные из пары, образованной передающей антенной T2 и приемной антенной R2, для выведения уравнений, подобных уравнениям (16b) и (16c). В результате относительное усиление  может быть легко вычислено с использованием отношений  или . Можно приравнять друг к другу относительные коэффициенты усиления  с  и определить относительный азимутальный угол между магнитными моментами передающей антенны T1 и приемной антенны R1 (если он еще не известен) из следующего уравнения вместе с уравнением (8a): ,
или из следующего уравнения вместе с уравнением (8b):
.
T1R1
T2R1
[0059] На ФИГ. 4A схематически показан приведенный в качестве примера скважинный инструмент согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Инструмент содержит передающий зонд 401 и приемный зонд 402. Передающий зонд 401 содержит три передающих антенны T1, T2 и T3, размещенные вблизи друг друга. Антенна T1 является наклонной антенной, имеющей магнитный момент, который не параллелен и не перпендикулярен оси инструмента. Антенна T2 является поперечной антенной, имеющей магнитный момент, перпендикулярный оси инструмента. Антенна T3 является осевой антенной, имеющей магнитный момент, по существу параллельный оси инструмента. Приемный зонд 402 содержит одну наклонную приемную антенну R1, имеющую магнитный момент, который не параллелен и не перпендикулярен оси инструмента. Магнитные моменты наклонной передающей антенны, поперечной передающей антенны и приемных антенн находятся в различных азимутальных плоскостях, как показано на виде с торца на ФИГ. 4B, где: ϕ и ϕ - азимутальные углы магнитных моментов передающих антенн T1 и T2 относительно магнитного момента приемной антенны R1 соответственно. Все передающие и приемные антенны могут работать на различных частотах, подходящих для каротажных инструментов. Указанные два зонда 401, 402 расположены на некотором расстоянии друг от друга, обусловленным одним или более каротажных инструментов или разделителей, соединенных между ними. Несмотря на то, что указанные три передающих антенны показаны размещенными вблизи друг друга, две из них или все они могут быть расположены в одном местоположении. Кроме того, несмотря на то, что согласно данному описанному выше варианту реализации указанные три передающих антенны показаны расположенными в другом зонде, отличном от зонда приемной антенны, все антенны могут быть размещены в одном зонде.
T2R1
T2R1
R1
Т2
R1
[0060] Когда поперечная передающая антенна T2 передает энергию электромагнитного поля на определенной частоте, индуцированное напряжение V(ϕ) в приемной антенне R1 может быть записано таким же образом, как и уравнение (1) и уравнение (2), за исключением замены индекса T1 индексом T2, и задания Θ=π/2. Опять же, в этом случае все девять компонент  тензора электромагнитной связи, за исключением компоненты , вносят вклад в индуцированное напряжение V(ϕ). Если указанные две передающих антенны T1 и T2 находятся в непосредственной близости или расположены в одном местоположении, указанные девять компонент (за исключением компоненты , которая является нулем) тензора электромагнитной связи передающей антенны T2 являются такими же, как и компоненты тензора электромагнитной связи передающей антенны T1, кроме постоянного множителя, который является относительным коэффициентом усиления , обусловленным конструкцией антенн, дрейфами электронной аппаратуры и т.п. Иными словами:
.
[0061] На ФИГ. 10C совместно с ФИГ. 10A и 10B показана блок-схема способа определения тензора электромагнитной связи для варианта реализации настоящего изобретения, показанного на ФИГ. 4A. Скважинный инструмент расположен в буровой скважине, проникающей через пласт (ФИГ. 10A, на этапе 1001). Также этот вариант реализации скважинного инструмента содержит наклонную передающую антенну, поперечную передающую антенну и одну осевую передающую антенну, размещенные вблизи друг друга или в одном передающем зонде, и по меньшей мере одну приемную антенну, размещенную в другом зонде. Скважинный инструмент передает электромагнитную энергию (ФИГ. 10A, на этапе 1003) и при этом поворачивается в буровой скважине (ФИГ. 10A, на этапе 1005).
T1R1
T2R1
T3R1
[0062] Коэффициенты  и  определены из индуцированного напряжения V для множества азимутальных углов, коэффициенты  и  определены из индуцированного напряжения V для множества азимутальных углов, и коэффициенты  и  определены из индуцированного напряжения V для множества азимутальных углов (ФИГ. 10B, на этапе 1007). Для определения коэффициентов может быть использован помимо прочего способ, описанный в патенте США №9,389,332.
[0063] Линейные комбинации  и  компонент тензора могут быть определены из коэффициентов  и  для антенн T1 и R1 с использованием уравнений (2d) и (2e):
.
Τ2
[0064] Также могут быть определены сумма и разность  и  из коэффициентов  и  для антенн T2 и R1 с использованием тех же уравнений, за исключением индекса T1, замененного индексом T2, и задания θ = π/2 (ФИГ. 10B, на этапе 1009). Затем коэффициент усиления может быть определен любым из следующих способов:
или
,
или линейной комбинацией того и другого, или другими способами с использованием сумм и разностей  и  (ФИГ. 10B, на этапе 1011).
Τ2
[0065] Также могут быть определены компоненты  и  из коэффициентов  из уравнений (2b) и (2c) и коэффициентов с использованием тех же уравнений, за исключением замены индекса T1 передающей антенны индексом T2 и задания θ = π/2, и коэффициента усиления , определенного ранее (на ФИГ. 10B, на этапе 1013):
,
-1
где A - инверсия следующей матрицы:
.
T3R1
Также могут быть определены коэффициенты  и  из индуцированного напряжения V для множества азимутальных углов (ФИГ. 10C, на этапе 1015). Например, для определения коэффициентов может быть использован помимо прочего способ, описанный в патенте США №9,389,332.
[0066] Могут быть определены (ФИГ. 10C, на этапе 1017) компоненты  и  из коэффициентов  и   с использованием уравнения (5a), (5b) и (5c):
.
Затем коэффициент усиления  может быть определен любым способом из следующих:
или,
или линейной комбинацией того и другого, или другими способами с использованием компонент  и  (ФИГ. 10C, этап 1019). Затем может быть использован коэффициент усиления  для определения (на ФИГ. 10C, этап 1021) компоненты  вместе с уравнением (24a):
.
Τ2
Также могут быть определены сумма и разность  и для  из коэффициентов  и  с использованием уравнения (2a) для передающей антенны T1 и то же уравнение для передающей антенны T2 (за исключением замены индекса T1 на индекс T2 и задания θ = π/2), вместе с коэффициентом усиления  из уравнения (22a) или (22b) и компоненты  из уравнения (26) (ФИГ. 10С, на этапе 1023):
,
T2T1
где: ϕ - разность азимутальных углов между магнитными дипольными моментами передающих антенн T1 и T2.
[0067] Также могут быть определены (ФИГ. 10C, на этапе 1027) компоненты  и  из ,  и , заданных уравнениями (21a), (21b), (27a) и (27b).
[0068] Таким образом, полностью определены все девять компонент  и  тензора электромагнитной связи от передающей антенны T1 и приемной антенны R1. Кроме того, поскольку относительные коэффициенты усиления  и  также определены, любые компоненты тензора электромагнитной связи от передающей антенны T2 и приемной антенны R1 или от передающей антенны T3 и приемной антенны R1 также могут быть определены умножением коэффициентов усиления  или  на компоненты тензора электромагнитной связи от передающей антенны T1 и приемной антенны R1.
T1R1
T2R1
[0069] На ФИГ. 5A схематически показан приведенный в качестве примера скважинный инструмент согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения. Инструмент содержит передающий зонд 501 и приемный зонд 502. Передающий зонд 501 содержит две передающих антенны T1 и T2, размещенных вблизи друг друга. Антенна T1 является наклонной антенной, имеющей магнитный момент, который не параллелен и не перпендикулярен оси инструмента, и антенна T2 является поперечной антенной, имеющей магнитный момент, перпендикулярный оси инструмента. Приемный зонд 502 содержит одну наклонную приемную антенну R1, имеющую магнитный момент, который не параллелен и не перпендикулярен оси инструмента, и одну осевую антенну R2, имеющую магнитный момент, по существу параллельный оси инструмента. Магнитные моменты двух передающих антенн и одной наклонной приемной антенны находятся в различных азимутальных плоскостях, как показано на виде с торца на ФИГ. 5B, где: ϕ и ϕ - азимутальные углы магнитных моментов передающих антенн T1 и T2 относительно магнитного момента приемной антенны R1 соответственно. Указанные две передающие антенны находятся в различных азимутальных плоскостях. Все передающие и приемные антенны могут работать на различных частотах, подходящих для каротажных инструментов. Указанные два зонда 501, 502 расположены на некотором расстоянии друг от друга, обусловленном размерами одного или более каротажных инструментов или разделителей, соединенных между ними. Несмотря на то, что указанные две передающих антенны показаны размещенными вблизи друг друга, они могут быть расположены в одном местоположении. Кроме того, несмотря на то, что указанные две передающих антенны показаны расположенными в другом зонде в отличие от двух приемных антенн, все антенны могут быть размещены в одном зонде.
[0070] На ФИГ. 10D совместно с ФИГ. 10A и 10B, показана блок-схема способа определения тензора электромагнитной связи согласно настоящему изобретению для варианта реализации, показанного на ФИГ. 5A. В этом случае, в отличие от варианта реализации, показанного на ФИГ. 4A, отсутствует пара, образованная передающей антенной T3 и приемной антенной R1. Вместо этого имеется две другие пары, образованные передающей антенной/приемной антенной, которыми являются: пара, образованная наклонной передающей антенной T1 и осевой приемной антенной R2, и пара, образованная поперечной передающей антенной T2 и осевой приемной антенной R2. Таким образом, этапы способа остаются теми же, за исключением тех, которые включают передающую антенну T3 и приемную антенну R1, которые должны быть заменены передающей антенной T1 и приемной антенной R2.
T1R2
[0071] Когда наклонная передающая антенна T1 передает энергию электромагнитного поля на определенной частоте, индуцированное напряжение V в приемной антенне R2 может быть записано в форме следующего уравнения:
,
T1
Т1
T1R2
T1R2
где: ϕ - азимутальный угол магнитного момента передающей антенны T1 относительно некоторой системы отсчета. Индуцированное напряжение V(ϕ) включает только коэффициент нулевой гармоники и коэффициенты первой гармоники. Коэффициенты  и  для множества азимутальных углов могут быть определены из индуцированного напряжения V. Например, для определения коэффициентов помимо прочего может быть использован способ, описанный в патенте США №9,389,332. Эти коэффициенты могут быть представлены в более простой форме следующим образом:
,
T1R2
Т1
В этом случае только три компоненты  и  тензора электромагнитной связи вносят вклад в индуцированное напряжение V(ϕ). Если приемная антенна R2 находится в непосредственной близости или расположена в одном местоположении с приемной антенной R1, три компоненты тензора электромагнитной связи от передающей антенны T1 и приемной антенны R2 являются такими же, что и три компоненты тензора электромагнитной связи от передающей антенны T1 и приемной антенны R1, за исключением постоянного множителя, который является относительным коэффициентом усиления , обусловленным конструкцией антенн, дрейфами электронной аппаратуры и т.п. Иными словами:
.
[0072] Компоненты  и  могут быть определены из коэффициентов  и  с использованием уравнений (29a), (29b) и (29c):
.
Затем может быть определен коэффициент усиления  как:
или
,
или любой линейной комбинацией того и другого, или другими способами с использованием компонент  и . Затем коэффициент усиления  может использоваться для определения компоненты  вместе с уравнением (31a):
.
[0073] Для нахождения суммы и разности  и  могут быть использованы те же уравнения (27a) и (27b), где компонента  задана уравнением (33). Используя те же этапы, что и описанные выше, могут быть полностью определены все девять компонент  и  тензора электромагнитной связи от передающей антенны T1 и приемной антенны R1.
[0074] Могут быть использованы передающая антенна T2 и приемная антенна R2 для выведения уравнений, подобных уравнениям (31b) и (31c), в которых используются передающая антенна T1 и приемная антенна R2. В результате относительное усиление  может быть легко вычислено с использованием отношений  и . Можно приравнять друг другу относительные коэффициенты усиления  с  и определить для относительного азимутального угла между антеннами T1 и R1 (если это еще не сделано) из следующего уравнения вместе с уравнением (22a):
,
или из следующего уравнения вместе с уравнением (22b):
.
T1R1
T2R1
[0075] На ФИГ. 6A схематически показан приведенный в качестве примера скважинный инструмент согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения. Инструмент содержит передающий зонд 601 и приемный зонд 602. Передающий зонд 601 имеет две передающих антенны T1 и T2, размещенных вблизи друг друга. Антенна T1 является наклонной антенной, имеющей магнитный момент, который не параллелен и не перпендикулярен оси инструмента, и антенна T2 является поперечной антенной, имеющей магнитный момент, который перпендикулярен оси инструмента. Приемный зонд 602 содержит две наклонных приемных антенны R1 и R2, имеющих магнитные моменты, которые не параллельны и не перпендикулярны оси инструмента. Магнитные моменты указанных двух передающих антенн и одной из приемных антенн находятся в различных азимутальных плоскостях, как показано на виде с торца на ФИГ. 6B, где: ϕ и ϕ - азимутальные углы магнитных моментов передающих антенн T1 и T2 относительно магнитного момента приемной антенны R1 соответственно. Указанные две передающих антенны находятся в различных азимутальных плоскостях, и указанные две приемных антенны также находятся в различных азимутальных плоскостях. Все передающие и приемные антенны могут работать на различных частотах, подходящих для каротажных инструментов. Указанные два зонда расположены на некотором расстоянии друг от друга, обусловленном размерами одного или более каротажных инструментов или разделителей, соединенных между ними. Несмотря на то, что указанные две передающих антенны показаны размещенными рядом друг с другом, они могут быть расположены в одном местоположении. Кроме того, несмотря на то, что указанные две передающих антенны показаны расположенными в другом зонде, отличающемся от зонда указанных двух приемных антенн, они могут быть размещены в том же зонде.
R2
[0076] На ФИГ. 10E совместно с ФИГ. 10A показана блок-схема способа определения электромагнитного тензора согласно настоящему изобретению для варианта реализации, показанного на ФИГ. 6A. Кроме того, одна из наклонных приемных антенн, такая как антенна R2, показанная на ФИГ. 6A, может быть заменена поперечной приемной антенной, т.е., антенной, имеющей магнитный дипольный момент, перпендикулярный оси инструмента, как показано на ФИГ. 7A, и девять компонент тензора электромагнитной связи могут быть определены таким же образом, за исключением задания θ = π/2 в соответствующих уравнениях. Для этого варианта реализации также может быть использована блок-схема, показанная на ФИГ. 10E.
[0077] Согласно еще одному варианту реализации может быть обеспечен инструмент, содержащий две наклонных передающих антенны, одну поперечную передающую антенну и одну наклонную приемную антенну, как показано на ФИГ. 8A, или инструмент, содержащий одну наклонную передающую антенну, две поперечных передающих антенны и одну наклонную приемную антенну, как показано на ФИГ. 9A. Для обеих конфигураций передающих антенн могут быть определены все девять компонент тензора электромагнитной связи в соответствии с блок-схемой способа, показанной на ФИГ. 10F.
[0078] Как понимается в данной области техники, согласно принципу обратимости, роли передающих антенн и приемных антенн могут быть изменены на обратные таким образом, что, например, антенны в зонде 201 могут использоваться в качестве приемных антенн, и антенны в зонде 202 могут использоваться в качестве передающей антенны (антенн). Кроме того, несмотря на то, что на чертеже показан только один передающий зонд, могут быть использованы варианты реализации, имеющие множество передающих зондов. Схожим образом, несмотря на то, что на чертеже показан только один приемный зонд, могут быть использованы варианты реализации, имеющие множество приемных зондов.
[0079] Как понимается в данной области техники, в систему может быть включен процессор. Процессор может быть размещен в скважинном инструменте, или он может быть размещен на поверхности, передавая данные или инструкции компонентам скважинного инструмента или принимая и обрабатывая данные, принятые от компонентов скважинного инструмента проводным или беспроводным способом. Процессор может содержать некратковременный машиночитаемый носитель данных, который содержит сохраненные в нем одну или более программ, содержащих инструкции, которые должны быть выполнены процессором.
[0080] Несмотря на то, что выше подробно описаны несколько приведенных в качестве примера вариантов реализации, специалистам в данной области техники понятно, что в эти приведенные в качестве примера варианты реализации могут быть внесены множество изменений без существенного отступления от принципа настоящего изобретения. Соответственно, такие изменения должны рассматриваться как входящие в объем охраны настоящего изобретения, который определен в приложенной формуле. В формуле настоящего изобретения пункты типа "средство плюс функция" предназначены для охвата структур, описанных в настоящей заявке, как осуществление изложенной функции, но не просто как структурных эквивалентов, но также и эквивалентных структур. Таким образом, несмотря на то, что гвоздь и винт могут не являться структурными эквивалентами, в том смысле, что гвоздь использует цилиндрическую поверхность для скрепления деревянных частей вместе, тогда как винт использует винтовую поверхность для скрепления деревянных частей, тем не менее гвоздь и винт могут быть эквивалентными структурами. Этим явно выражено намерение Заявителя не привлекать Закон 35 Свода законов США §112, абзац 6 для любых ограничений любого пункта настоящей формулы, за исключением тех, в которых вместе с соответствующей функцией явно используется выражение "средство для".