УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ФЛЮИДОВ
DEVICE AND METHOD FOR MEASUREMENT OF SPECIFIC RESISTANCE OF FLUIDS

Уровень техники
Скважины бурят в земном пласте для извлечения залежей углеводородов и других желаемых материалов, заключенных в месторождениях. Обычно скважину бурят посредством соединения бурового долота с нижним концом последовательности соединенных секций трубы, известной как бурильная колонна. Буровой флюид или раствор нагнетают вниз через центральное отверстие бурильной колонны, и он выходит через выходы, расположенные у бурового долота. Буровой раствор служит для смазки и охлаждения бурового долота, для выноса выбуренной породы на поверхность и для создания достаточного гидростатического напора для предотвращения выброса из скважины флюидов пласта при их достижении. Когда скважина пробурена достаточно глубоко для достижения исследуемой точки, то выполняют операции для перфорирования и растрескивания подземного пласта с целью обеспечения протекания углеводородов, если они имеются, из пласта во вновь пробуренную скважину. Поскольку гидростатическое давление колонны бурового раствора может быть выше, чем давление продуктивного пласта углеводородов, то углеводороды могут не протекать из пласта в скважину сами по себе. Перед началом полномасштабных операций добычи операторы бурения и добычи предпочитают тестировать флюиды пласта для подтверждения того, что в пласте имеется правильный тип углеводородов в достаточном количестве, перед заканчиванием скважины. После правильной идентификации флюидов пласта, выполняют различные операции для извлечения углеводородов.
Для тестирования флюидов обычно разворачивают в скважине опробователь пласта. Из уровня техники известны различные опробователи пласта для применений с проводной линией связи и каротажа во время бурения, включая динамический модульный опробователь, распространяемый под торговой маркой MDT™ фирмой Schlumberger Technology Corp. (Houston, TX). Подробное описание этих инструментов приведено в патентах США №№4860581 и 4936139, выданных Циммерману и др., и в опубликованной заявке на патент США №2004/0104341 Бетанкура и др. Эти патенты и заявка принадлежат заявителю данной заявки, и их полное содержание включается в данное описание в качестве ссылки.
На фиг.1 схематично показан опробователь 10 пласта, подвешенный в скважине 12 на нижнем конце обычного многопроводникового кабеля 15, который намотан обычным образом на подходящую лебедку (не изображена) на поверхности пласта. Кабель 15 электрически соединен с электрической системой 18 управления на поверхности пласта. Инструмент 10 включает удлиненный корпус 19, который вмещает скважинную часть системы 16 управления инструмента. Удлиненный корпус 19 несет также избирательно расширяемый узел 20 для впуска флюидов и избирательно расширяемый якорный элемент 21, которые расположены, соответственно, на противоположных сторонах корпуса инструмента. Узел 20 для впуска флюидов оборудован для избирательной герметизации или изоляции выбранных частей стенки скважины 12, так что создается связь с передачей давления или флюидов смежного земного пласта 14. Инструмент 10 включает также средства для определения скважинного давления и температуры (не изображены) и модуль 25 для анализа флюида, через который протекает флюид. После этого флюид может выходить через выход (не изображен), или же он может направляться в одну или несколько камер 22 и 23 сбора флюида, которые могут принимать и удерживать флюиды, полученные из пласта. Управление узлом впуска флюидов, секцией анализа флюидов и путем прохождения к коллекторным камерам осуществляется с помощью электрических систем 16 и 18 управления. Для специалистов в данной области техники понятно, что электрические системы управления могут включать один или несколько микропроцессоров, связанную с ними память и другое аппаратное и/или программное обеспечение для осуществления изобретения.
Перед сбором образцов пласта в коллекторные камеры 22 и 23 желательно убедиться, что флюиды происходят из нетронутого пласта, т.е. не загрязненного буровым раствором из зоны проникновения. Для обеспечения сбора флюидов из нетронутого пласта используют анализатор 25 флюидов для мониторинга свойств флюидов во время их втягивания. Модуль 25 анализа флюидов может быть оптическим модулем, модулем с датчиком давления, модулем удельного сопротивления или т.п. Среди них модуль удельного сопротивления является особенно полезным за счет его широкого динамического диапазона. Типичный модуль удельного сопротивления может включать несколько электродов, которые находятся в контакте с флюидом. Эти электроды используются для ввода токов во флюид и для измерения падения напряжения на заданном расстоянии. Пример такого модуля раскрыт на фиг.1 (позиция 56) патента США №4860581, выданного Циммерману. На фиг.2 показан пример такого модуля (датчика).
Как показано на фиг.2, удельное сопротивление флюида определяют с помощью датчика с четырьмя электродами, где четыре электрода являются короткими металлическими трубками, отделенными друг от друга и от входной и выходной линий потока короткими изоляционными трубками. Два самых внешних электрода вводят электрический ток (I) в пробу флюида, и при этом измеряется падение напряжения (V) между самыми внутренними электродами. Когда известны ток (I) и измеренное напряжение (V), то получают удельное сопротивление флюида.
Однако эти устройства с электродами открыты для флюидов в линии потока, которая может иметь относительно высокие давления (до 30000 фунт-сила на квадратный дюйм). Поэтому необходимы хорошие уплотнения (например, перемычка, уплотнительные кольца или другие механические уплотнения) для защиты электронных частей, которые находятся вне линии потока и при атмосферном давлении (около 14 фунт-сила на квадратный дюйм). Поскольку скважины, пробуриваемые на такую глубину, часто имеют диаметр наименьшего калибра, то такое измерительное оборудование и уплотнительные механизмы (перемычка и уплотнительные кольца) должны иметь очень небольшой коэффициент формы. В ограниченном объеме, доступном для датчика удельного сопротивления, трудно обеспечивать уплотнения для повышенного давления между всеми изоляционными трубками и металлическими трубками. Для датчика, показанного на фиг.2, необходимо, по меньшей мере, восемь уплотнений; десять уплотнений необходимы, включая уплотнения между самыми наружными изоляционными трубками и входной и выходной линиями флюида. Вместо этого используют четыре электрические проходные перемычки для четырех проводов, соединяющих электроды с электронными устройствами. При экстремальных температурах и давлениях даже четыре проходные перемычки могут быть ненадежными. В результате очень трудно изготавливать надежный датчик удельного сопротивления.
Поэтому, все еще имеется потребность в способе и устройстве для измерения удельного сопротивления, которые можно надежно использовать в опробователях пласта или аналогичном скважинном оборудовании.
Сущность изобретения
Один аспект изобретения относится к устройству для измерения удельного сопротивления флюида. Устройство для измерения удельного сопротивления флюида, согласно одному варианту выполнения изобретения, включает линию потока, выполненную с возможностью связи с флюидами пласта, при этом линия потока включает первую секцию, содержащую первую проводящую зону, вторую секцию, содержащую вторую проводящую зону, и изолирующую секцию, расположенную между первой секцией и второй секцией, для предотвращения прямой электрической связи между первой секцией и второй секцией, при этом первая проводящая зона и вторая проводящая зона предназначены для контакта с флюидом, содержащимся в линии потока, так что совместно с проводящим путем, расположенным вне линии потока, образуется возвратный контур тока; первый кольцевой сердечник и второй кольцевой сердечник, окружающие линию потока, при этом первый кольцевой сердечник предназначен для наведения электрического тока во флюиде в линии потока, а второй кольцевой сердечник предназначен для измерения электрического тока, наводимого во флюиде в линии потока; и электронный блок для функций управления первым кольцевым сердечником и вторым кольцевым сердечником.
Один аспект изобретения относится к устройству для измерения удельного сопротивления флюида. Устройство, согласно одному варианту выполнения изобретения, включает линию потока, выполненную с возможностью связи с флюидами пласта, при этом линия потока выполнена из изолирующего материала; первый кольцевой сердечник и второй кольцевой сердечник, окружающие линию потока и расположенные на расстоянии друг от друга вдоль линии потока, при этом первый кольцевой сердечник предназначен для наведения электрического тока во флюиде, содержащемся в линии потока, а второй кольцевой сердечник предназначен для измерения электрического тока, наводимого во флюиде; металлический корпус, вмещающий в себя первый кольцевой сердечник, второй кольцевой сердечник и секцию линии потока, при этом металлический корпус предназначен для обеспечения пути возврата электрического тока, наводимого во флюиде; и электронный блок для функций управления первым кольцевым сердечником и вторым кольцевым сердечником.
Другой аспект изобретения относится к способам измерения удельного сопротивления флюида пласта в скважине. Способ, согласно одному варианту выполнения изобретения, включает пропускание флюида пласта через линию потока устройства для измерения удельного сопротивления, при этом линия потока включает изолирующую секцию между первой проводящей секцией и второй проводящей секцией; наведение электрического тока во флюиде пласта в линии потока с помощью первого кольцевого сердечника; и измерение электрического тока, наведенного во флюиде пласта, с помощью второго кольцевого сердечника.
Другие аспекты и преимущества изобретения следуют из приведенных ниже описания и прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На чертежах схематично изображено:
фиг.1 - схематичный вид опробователя пласта, согласно известному уровню техники, расположенный в скважине;
фиг.2 - схематичный вид датчика удельного сопротивления, согласно известному уровню техники, имеющий четыре электрода;
фиг.3 - схематичный вид датчика удельного сопротивления с кольцевыми сердечниками, согласно одному варианту выполнения изобретения;
фиг.4 - вид в поперечном сечении устройства для измерения удельного сопротивления флюида, согласно одному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.5 - вид в поперечном сечении линии потока флюида, согласно одному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.6 - вид в поперечном сечении другой линии потока флюида, согласно одному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.7 - вид в поперечном сечении другой линии потока флюида, согласно одному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.8 - вид в поперечном сечении другой линии потока флюида, согласно одному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.9 - вид в поперечном сечении другой линии потока флюида, согласно одному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.10 - вид в поперечном сечении другой линии потока флюида, согласно одному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.11 - график ожидаемой кривой удельного сопротивления, когда скважина пробурена с буровым раствором на водной основе и когда зона тестирования содержит нефть;
фиг.12 - механическая конструкция измерительного устройства, согласно одному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.13 - электрическая схема контура, согласно одному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.14 - устройство для измерения удельного сопротивления, включающее схему калибровки или вторичные обмотки для калибровки на кольцевых сердечниках, согласно одному варианту выполнения изобретения.
Подробное описание
Варианты выполнения изобретения относятся к датчику удельного сопротивления, выполненному с возможностью использования в опробователе пласта или аналогичном оборудовании. Датчик удельного сопротивления, согласно вариантам выполнения изобретения, не основан на электродах, которые находятся в непосредственном контакте с флюидами, для измерения удельного сопротивления. Вместо этого в датчике удельного сопротивления, согласно вариантам выполнения изобретения, используются кольцевые сердечники для индуктивного измерения удельного сопротивления флюидов в линии потока. Датчик удельного сопротивления, согласно вариантам выполнения изобретения, можно использовать в анализаторе флюидов опробователя пласта (например, как обозначено позицией 25 на фиг.1).
На фиг.3 схематично показан датчик удельного сопротивления на основе кольцевых сердечников, согласно одному варианту выполнения изобретения. Как показано на фиг.3, датчик 30 удельного сопротивления включает линию 35 потока, которая содержит изолирующий сегмент 33, заключенный между двумя проводящими сегментами 31, 32. Следует отметить, что изолирующий сегмент 33 показан выполненным полностью из электрически изолирующего материала (например, стекла, керамики, РЕЕК (полиэфирэфиркетон) и т.д.), в то время как проводящие сегменты 31, 32 выполнены полностью из проводящего материала (например, металла). Однако для специалистов в данной области техники понятно, что изолирующий сегмент 33 может также содержать проводящее тело с изолирующим покрытием на внутренней поверхности, при условии, что нет непрерывного проводящего пути вдоль его длины, который бы позволял току протекать между проводящими сегментами 31 и 32. Аналогичным образом, проводящие сегменты 31, 32 могут быть также выполнены из непроводящего материала с проводящим покрытием на внутренней поверхности. Описание различных модификаций конструкции линии потока, согласно вариантам выполнения изобретения, приведено в последующих разделах описания со ссылками на фиг.5-10.
Как показано на фиг.3, два кольцевых сердечника Т1, Т2 расположены вокруг (или с охватом) проводящих сегментов 31, 32. Для специалистов в данной области техники известно, что кольцевой сердечник содержит тороидальный сердечник, который обычно выполнен из феррита или другого ферромагнитного материала, и обмоток проводящей проволоки на сердечнике. Когда ток проходит через обмотку проводящей проволоки, то индуцируется магнитное поле. Индуцированное магнитное поле, которое по существу выровнено с круговой траекторией сердечника, может наводить ток в проводящем материале, окруженном сердечником. Наведенный ток течет в направлении, параллельном оси сердечника.
R
R
ρ
А
l
R
K
ρ
l/A
K
K
R
ρ
l
А
К
f
f
f
f
f
f
f
Таким образом, когда подается напряжение на кольцевой сердечник Т1, то он индуктивно наводит ток во флюидах в линии 35 потока. Наличие изолирующего сегмента 33 предотвращает протекание тока непосредственно от первого проводящего сегмента 31 ко второму проводящему сегменту 32 и вынуждает наведенный ток протекать через колонну флюида, содержащегося в изолирующем сегменте 33 (показан в виде пунктирной стрелки 39) для достижения второго проводящего сегмента 32. Затем путь 38 возврата тока позволяет току возвращаться к проводящему сегменту 31 и завершает контур. Ток, наводимый во втором проводящем сегменте 32 и находящемся в нем флюиде, в свою очередь индуктивно наводит ток (или напряжение) во втором кольцевом сердечнике Т2. Ток или напряжение, измеряемое в кольцевом сердечнике Т2, можно сравнивать с током (или напряжением), прикладываемым к кольцевому сердечнику Т2, для вычисления сопротивления () флюида в изолирующем сегменте 33. Это сопротивление () является функцией удельного сопротивления () флюида, площади поперечного сечения () линии 35 потока и длины () изолирующего сегмента 33. То есть, = ×  ×  , где является константой, которая зависит от геометрии и имеет величину, близкую к 1.  можно определять с помощью одноразовой калибровки с использованием флюида с известным удельным сопротивлением. В соответствии с этим, сопротивление () можно определять из измеряемого напряжения. Затем можно получать удельное сопротивление () из известной длины () изолирующего сегмента 33 и известной площади поперечного сечения () линии 35 потока и известного коэффициента . Подробное описание этого вычисления будет приведено ниже со ссылками на фиг.12 и 13.
Датчик (или устройство) удельного сопротивления, показанный на фиг.3, можно включать в различные скважинные инструменты для измерения удельного сопротивления флюида в линии потока. Один пример, поясняемый в дальнейшем описании, заключается во включении такого датчика удельного сопротивления в модуль анализа флюидов (обозначенный позицией 25 на фиг.1) опробователя пласта (например, MDT™).
На фиг.4 показано устройство 100 для измерения удельного сопротивления флюида, согласно одному варианту выполнения изобретения. Устройство 100 для измерения удельного сопротивления предпочтительно выполнено с возможностью индуктивного измерения удельного сопротивления флюидов, протекающих через линию 102 потока. Линия 102 потока флюида включает входную секцию 104 и выходную секцию 106 (соответствуют проводящим сегментам на фиг.3), разделенные изолирующей секцией 108. Изолирующая секция 108 предотвращает прямое прохождение электрических токов от входной секции 104 к выходной секции 106. Входная и выходная секции 104, 106 предпочтительно выполнены из высокопрочного материала, такого как металл, РЕЕК, керамика и т.д. Как указывалось выше, если эти сегменты выполнены из непроводящих материалов (например, РЕЕК или керамики), то внутренняя поверхность секций может быть покрыта проводящим материалом для обеспечения электрических контактов с флюидом. Эти электрические контакты образуют часть контура (обозначенную позицией 38 на фиг.3), которая обеспечивает возврат тока. Следует отметить, что если входная и выходная линии для флюида выполнены из металла, то входная и выходная линии для флюида могут обеспечивать электрические контакты с флюидом.
Устройство 100 для измерения удельного сопротивления также включает пару кольцевых сердечников 110 и 112, окружающих линию потока 102. Кольцевые сердечники 110 и 112 разделены в осевом направлении разделительным зазором 114. Наконечники 116 и 118 удерживают кольцевые сердечники 110, 112 внутри устройства 100 для измерения удельного сопротивления. Первый кольцевой сердечник 112 может индуцировать ток во флюиде, текущем в линии 102 потока, а второй кольцевой сердечник 110 может обнаруживать ток (или напряжение), или наоборот. Поскольку кольцевые сердечники 110, 112 измеряют токи во флюидах опосредованно без контакта с флюидом, то они могут выполнять свои функции снаружи линии потока с высоким давлением. Устройство 100 для измерения удельного сопротивления включает электронный блок 120 для возбуждения кольцевого сердечника 110 или 112 и выполнения измерений или вычислений удельного сопротивления. Поскольку электронный пакет 120, кольцевые сердечники 110, 112 и все провода и подводы между ними не подвергаются высоким давлениям в линии 102 потока, то нет необходимости в сложных механизмах уплотнения и гидравлической изоляции. Поэтому устройство 100 для измерения удельного сопротивления намного более надежно в работе за счет минимизации опасности катастрофического выхода из строя гидравлического уплотнения, защищающего электронные приборы и датчики.
В данном частном примере все компоненты устройства 100 для измерения удельного сопротивления заключены в корпус 122, который выполнен с возможностью размещения внутри устройства тестирования и измерения (например, MDT™) для доставки на место в скважине. Для таких применений устройство 100 для измерения удельного сопротивления предпочтительно имеет размеры для размещения в существующем инструменте. Согласно одному варианту выполнения изобретения, корпус 122 может быть, например, цилиндрическим корпусом с диаметром 2,0 дюйма для размещения в инструменте MDT™. Устройство измерения и тестирования такого размера предполагает линию 102 потока небольшого диаметра (например, менее 0,250 дюйма (0,6 см)). При использовании обычного устройства с электродами, гидравлические уплотнения, необходимые для уплотнения вокруг электродов, должны быть очень небольших размеров, и с большой вероятностью будут возникать трудности при выдерживании давлений, превышающих 30000 фунт-сила на квадратный дюйм и температур до 200°С. При использовании кольцевых сердечников можно изолировать все электронные приборы от повышенных давлений, и поэтому нет необходимости в гидравлических уплотнениях.
Как указывалось выше, возможны различные конфигурации для выполнения линии потока, имеющей изолирующий сегмент, расположенный между двумя проводящими сегментами. В одном варианте выполнения линия потока может содержать изолирующую секцию 108, выполненную из стекла (или других изолирующих материалов, таких как керамика или РЕЕК (полиэфирэфиркетон)), соединенную на своих обоих концах с проводящими секциями (например, секциями 104 и 106 на фиг.4), которые выполнены из металла. Соединения стекла с металлом успешно используются в скважинных инструментах. Стекло может обеспечивать изоляцию и в то же время может выдерживать относительно высокое давление. Можно использовать также другие материалы, включая, но не ограничиваясь этим, высокотемпературные пластмассы (например, РЕЕК) и керамики.
На фиг.5 схематично показана линия 102 потока, аналогичная линии, показанной на фиг.4. Уплотнение стекло-металл образовано между секциями 104 и 106, так что стеклянная часть уплотнения служит в качестве изолирующей секции 108, за счет чего существует изоляционный зазор между секциями 104 и 106. При индуцировании кольцевым сердечником 112 электрический ток (показан схематично линиями 132) протекает между секцией 104 и секцией 106 во флюиде через линию 102 потока. В показанном на фиг.5 примере длина прохождения электрического тока 132 приблизительно равна размеру осевого зазора между секциями 104 и 106. Однако, поскольку стеклянная часть 108 имеет значительно меньшую прочность на растяжение и сдвиг, чем металлическая секция секций 104 и 106, то стеклянный участок является относительно более чувствительным к радиальным напряжениям и разрушению, когда через линию 102 потока проходят флюиды с высоким давлением. Это относится также к пластмассовой изолирующей секции. Однако желательно уменьшать участок в осевом направлении стеклянной (пластмассовой) секции.
l
На фиг.6 схематично показана другая линия 402 потока. Линия 402 потока включает проводящие секции 404 и 406, которые в осевом направлении ближе друг к другу, чем на фиг.4. При меньшем осевом зазоре между секциями 404 и 406, радиальные напряжения в изолирующей секции резко уменьшаются. Однако, если осевой зазор уменьшается, то измерения удельного сопротивления могут быть неточными, поскольку измеряемое сопротивление является функцией изолирующего сегмента (). Поэтому для компенсации уменьшенного осевого пролета (участка), изолирующая секция 408 может проходить вдоль длины 430 на внутренней поверхности линии 402 потока. Часть изолирующей секции 408 внутри отверстия линии 402 потока может быть относительно тонкой, например, легким покрытием. Электрический ток 432 проходит по существу то же расстояние, что и электрический ток 132 на фиг.5, но пролет слабого стекла (или другого материала) внутри изолирующей секции 408 значительно уменьшен. Поэтому изолирующая секция 408 намного менее чувствительна к выходу из строя под нагрузкой вследствие высокого давления, чем изолирующая секция 108 на фиг.5.
На фиг.7 показана линия 502 потока, согласно другому варианту выполнения изобретения. Как показано на фиг.7, линия 502 потока первично состоит из первой секции 504 и второй секции 506, соединенных вместе резьбовым соединением, при этом изолирующее покрытие существует на резьбе 534. Первая секция 504 и вторая секция 506 могут быть выполнены из металла. Изолирующее покрытие на резьбе 534 эффективно предотвращает электрическую связь между секциями секций 504 и 506 и приводит к прохождению тока 532 через флюид в линии 502 потока. Для увеличения осевой длины, которую должен проходить ток 532, изолирующая секция 508 длины 530 покрыта на внутренней поверхности линии 502 потока. Изолирующая секция 508 может быть из любого изолирующего материала, такого как стекло, керамика, резина, РЕЕК и т.д. Поскольку изолирующая секция 508 подпирается металлическими секциями 504 и 506, то она должна быть способна выдерживать значительные радиальные нагрузки от флюида высокого давления в линии 502 потока. Возможность повреждения минимизируется.
Для специалистов в данной области техники понятно, что возможны вариации варианта выполнения изобретения, показанного на фиг.7. Например, на фиг.8 показан вариант выполнения изобретения, который имеет резьбовое соединение, в котором изолирующий материал 834 (например, керамика) покрыт на одном или обоих концах резьбы для предотвращения электрической связи между входной линией 804 и выходной линией 806 для флюида. Керамическое покрытие обычно имеет толщину от 0,010 до 0,020 дюйма (0,25-0,49 см). Керамические покрытия распространяются, например, фирмой Praxair, Inc. Механическую нагрузку от внутреннего давления несут металлические трубки, так что эта конструкция является очень прочной. Изолирующую зону между двумя металлическими трубками получают за счет добавления изолирующего слоя 831, который может быть керамическим покрытием, слоем резины, сформированным на металлических трубках, или вставкой из пластмассы, стекла или РЕЕК. Изолирующий слой 831, имеющий длину 830, вынуждает ток проходить через колонну флюида в этой секции.
На фиг.9 показан аналогичный вариант выполнения изобретения, но с не резьбовым соединением. Как показано на фиг.9, вход 904 для флюида и выход 906 для флюида соединены с помощью механизма посадки. При сборке двух трубок наружную металлическую трубку нагревают, так что она расширяется, что позволяет надвигать ее поверх внутренней трубки. Когда наружная трубка остывает до той же температуры, что и внутренняя трубка, две трубки сжимаются и образуют уплотнение для повышенного давления. Зону соединения (на внутренней трубке, наружной трубке или на обеих) покрывают изолирующим материалом 934, таким как керамика (обычно с толщиной от 0,010 до 0,020 дюйма (0,25-0,49 см), для предотвращения прямой электрической связи между входной линией 904 и выходной линией 906. Изолирующий слой 931 наносят на внутреннюю сторону трубки для обеспечения изолирующего сегмента. Другой возможностью является использование уплотнительных колец в зоне соединения вместо посадки с помощью нагревания, для создания барьера для давления (не изображен).
На фиг.10 показана линия 702 потока, согласно другому варианту выполнения изобретения. Как показано на фиг.10, линия 702 потока содержит в основном изолирующую трубку 703, которая включает две секции 704, 706 проводящих покрытий. Секции 704, 706 проводящих покрытий разделены не имеющей покрытия секцией 730. Проводящие покрытия 704, 706 соединены снаружи проволокой или металлическим корпусом, окружающим датчик. Ток 732 протекает между двумя проводящими покрытиями.
На фиг.5-10 показаны в качестве иллюстрации несколько линий потока, согласно вариантам выполнения изобретения. Для специалистов в данной области техники понятно, что возможны другие модификации без выхода за объем изобретения. Например, на фиг.12 показан датчик удельного сопротивления, согласно другому варианту выполнения изобретения, содержащий линию 602 потока, выполненную из непроводящего материала (например, РЕЕК или керамики) и металлического корпуса 640, который окружает два кольцевых сердечника 610, 612. В этом варианте выполнения изобретения металлический корпус обеспечивает пути возврата тока в точках, где линия 602 потока выходит из металлического корпуса 640. В этих местах флюид приходит в контакт с металлическими линиями входа и выхода флюида.
Устройство для измерения удельного сопротивления, согласно вариантам выполнения изобретения, можно использовать для мониторинга изменений удельного сопротивления, например, во время втягивания флюидов пласта в опробователь пласта. Когда удельное сопротивление достигает устойчивого состояния, то можно предполагать, что флюиды, втянутые в опробователь пласта, представляют флюиды нетронутого пласта, т.е. по существу свободны от вносимого бурового раствора. На фиг.11 показан график кривой удельного сопротивления, которую можно ожидать во время бурения скважины с использованием бурового раствора на основе воды и при тестировании зоны, содержащей нефть. Как показано на фиг.11, на начальное удельное сопротивление флюидов оказывает сильное влияние проводящие буровые растворы, которые проникают в пласт. При большем количестве флюидов, втягиваемых в опробователь пласта, доля проникающих буровых растворов уменьшается, в то время как доля резистивного флюида нетронутого пласта увеличивается. В конечном итоге можно ожидать, что удельное сопротивление, измеряемое в линии потока, приближается к удельному сопротивлению флюидов нетронутого пласта, т.е. приближается к устойчивому состоянию. Таким образом, датчик удельного сопротивления, согласно изобретению, можно использовать для мониторинга, когда флюиды, втягиваемые в опробователь пласта, представляют флюиды нетронутого пласта и поэтому пригодны для сбора с целью дальнейшего анализа.
Дополнительно к «качественным» применениям, указанным выше применительно к фиг.11, устройство для измерения удельного сопротивления, согласно вариантам выполнения изобретения, можно также использовать для определения удельного сопротивления флюидов (количественные применения).
а
l
0
Ниже приводится описание физических явлений, связанных с опосредованным измерением удельного сопротивления с помощью двух кольцевых сердечников, со ссылками на фиг.12 и 13. На фиг.12 показана ячейка 600 для измерения удельного сопротивления, имеющая два кольцевых сердечника 610, 612, для измерения удельного сопротивления флюидов в линии 602 потока с помощью индуктивной связи. Как указывалось выше применительно к фиг.4, первый кольцевой сердечник 612 индуцирует ток в линии 602 потока, а второй кольцевой сердечник 610 измеряет индуцированный ток. Линия 602 потока, показанная на фиг.12, выполнена из электрически непроводящей трубки, имеющей внутренний радиус  и длину . Ячейка 600 удельного сопротивления флюида, показанная на фиг.12, заключена внутри цилиндрического металлического корпуса 640 и включает внутреннюю полость 642, заполненную непроводящим материалом, имеющим номинальную магнитную проницаемость µ, включая, но не ограничиваясь этим, атмосферный воздух, вакуум или изолирующий полимерный материал (например, эпоксидная смола, резина, стекловолокно, пластмасса, PTFE (политетрафторэтилен) или PEEK).
ρ
f
Величина тока, индуцируемого в линии 602 потока, зависит от удельного сопротивления () флюида, протекающего через электрически непроводящую трубку 602, и различных параметров кольцевых сердечников 610, 612. Каждый кольцевой сердечник 610, 612 имеет внутренний радиус b, наружный радиус c, толщину h, число N витков проволоки, намотанной на него, и проницаемость µ'. Кольцевые сердечники 610, 612 предпочтительно имеют магнитную проницаемость µ' и могут быть изготовлены из феррита, железного порошка, мю-металла, супер-сплава или любого другого материала, подходящего для рабочей частоты. Рабочая частота может быть любой частотой, которая способна индуцировать ток во флюидах в линии потока, например, в диапазоне от 5 кГц до 200 МГц, предпочтительно от 20 кГц до 10 МГц, более предпочтительно от 20 кГц до 2 МГц. Кроме того, каждый кольцевой сердечник 610, 612 может включать электростатический экран для исключения/минимизации любой емкостной связи или прямой взаимной индуктивной связи между кольцевыми сердечниками 610, 612.
Собственная индуктивность кольцевых сердечников 610, 612, показанных на фиг.12, можно выразить формулой
0
-7
где µ=4π·10 Генри/м. Взаимная индуктивность между каждым кольцевым сердечником 610, 612 и флюидом в линии 602 потока можно выразить как
Собственная индуктивность одной половины заполненной флюидом линии 602 потока составляет
d
ρ
l
f
2
где первый член доминирует, поскольку µ'>>1. Следует отметить, что  является внутренним радиусом металлического корпуса 640. Как указывалось выше, сопротивление флюидов в линии 602 потока является функцией удельного сопротивления () флюида, длины () пути прохождения флюида и площади поперечного сечения трубки (А=πа), т.е.
I
V
I'
I'
I
V
1
1
2
2
Как показано на фиг.13, известный ток  (из источника с напряжением ) возбуждает первый кольцевой сердечник 612, за счет чего индуцируется ток  в линии 602 потока, который возвращается через металлические концевые поверхности и металлический корпус (см. фиг.12). Этот индуцированный ток  создает ток  (или напряжение ) во втором кольцевом сердечнике 610. Выход второго кольцевого сердечника 610 соединен с операционным усилителем (не изображен), предпочтительно с высоким входным полным сопротивлением.
R
ρ
.
f
f
Модель контура, показанную на фиг.13, можно использовать для иллюстрации процессов определения  и тем самым  Для первого кольцевого сердечника 612 справедливо
V
= jωLI
- jωMI'
1
1
(5)
V
= jωL
I' + jωMI
''
f
1
(6)
Для второго кольцевого сердечника 612 справедливо
V' = jωL
I' + jωMI
f
2
(7)
V
= jωLI
+ jωMI'
''
2
(8)
Для линии 602 потока справедливо
V'' = V' + I' R
f
(9)
V
2
Решение относительно  дает
V
I
2
2
где оба члена имеют потери и реактивное сопротивление. Если  измеряется с помощью операционного усилителя с высоким полным сопротивлением, то можно предположить, что  равен нулю, и уравнение (10) сокращается в
V
I
R
2
1
f
Подставление собственной индуктивности в уравнение (11) дает следующее соотношение между измеряемыми величинами  и  и желаемой величиной :
R
ρ
.
(µ')
L
f
f
f
Это уравнение теперь можно инвертировать и комбинировать с уравнением (4) для нахождения  и  Следует отметить, что относительная магнитная проницаемость  представлена в квадрате в числителе уравнения (12), и она также появляется в знаменателе в качестве компонента  (см. уравнение 3).
(µ')
(µ')
(µ')
Относительная магнитная проницаемость  кольцевых сердечников 610, 612 может зависеть от температуры и поэтому необходима калибровка в диапазоне рабочих температур. Если температурное изменение проницаемости  является небольшим и предсказуемым, то коррекцию в зависимости от температуры можно применять, при необходимости, для считывания. Один подход состоит в измерении проницаемости  кольцевых сердечников при различных температурах перед размещением в скважине. После установки в скважине датчик в ячейке 600 удельного сопротивления флюида может измерять температуру и вводить коэффициент коррекции в вычисления из справочной таблицы.
(µ')
V
R
V
1
2
1
1
c
2
Если температурное изменение проницаемости  является большим и непредсказуемым, то может быть необходимым включать в систему функцию калибровки. Одним подходом является добавление вторичных обмоток (S, S на фиг.14) в каждом кольцевом сердечнике 610, 612, так что эти кольцевые сердечники можно калибровать посредством подачи известного тока и измерения наводимого за счет этого напряжения. Вторичные обмотки (например, S) можно также использовать для мониторинга прикладываемого напряжения (например, ). Другим подходом может быть пропускание проводника (например, проводящей проволоки или контура калибровки (CL на фиг.14) через оба кольцевых сердечника 610, 612 параллельно линии 602 потока. Контур калибровки (CL) находится последовательно с известным сопротивлением  и переключателем для размыкания и замыкания контура. Можно измерять напряжение  при замкнутом и разомкнутом контуре калибровки. В этом случае измерение разомкнутого контура дает:
X = -kµ'
(G)
2
(13),
а измерение замкнутого контура дает:
Y = kµ'
(G+S)
2
(14),
где
и
X
Y
S
G
µ'
и  являются измеряемыми величинами,  известно, а  и  неизвестны. Решение уравнений 13-16 дает:
(R
)
(ω)
(L
)
(ρ
)
R
≥ωL
ρ
R
f
f
f
f
f
f
f
Следует отметить, что сопротивление всей системы (см. фиг.13) зависит не только от сопротивления флюида  в линии потока, но также от эффективности индуктивной связи между флюидом и кольцевыми сердечниками. Эффективность индуктивной связи зависит от частоты  и индуктивности  флюида. Для обеспечения надежного измерения удельного сопротивления флюида, предпочтительно выбирать конструкцию системы и рабочую частоту так, чтобы . При конструировании системы следует учитывать, что и  могут изменяться по величине на несколько порядков. Это особенно важно при измерении флюидов с низким удельным сопротивлением, таких как буровой раствор на водной основе или вода пласта.
V1
I2
На практике, ячейка для измерения удельного сопротивления флюида с использованием кольцевых сердечников обычно работает с идеальным источником напряжения  и идеальным измерением тока , так что в этом случае можно записать
где
С
R
cal
Здесь  является коэффициентом калибровки, полученным посредством измерения отклика проволочного контура, проходящего через два кольцевых сердечника с известным сопротивлением . Калибровочное сопротивление должно быть прецизионным сопротивлением с температурной стабильностью 5 промиль/°С.
В приведенном выше описании использован опробователь пласта для иллюстрации вариантов выполнения изобретения. Для специалистов в данной области техники понятно, что варианты выполнения изобретения можно использовать также в других применениях, таких как инструменты, опускаемые в необсаженный ствол скважины на тросе, инструменты, опускаемые в обсаженный ствол скважины на тросе (например, динамический опробователь для обсаженного ствола скважины CHDT™ фирмы Schlumberger Technology Corp. (Houston, TX)), инструменты для выполнения каротажа во время бурения, непрерывного мониторинга (как в скважинном, так и оборудовании на поверхности), а также в других линиях потока (в частности, в линиях с высоким давлением).
Хотя описание изобретения приведено применительно к ограниченному числу вариантов выполнения, для специалистов в данной области техники после ознакомления с раскрытием понятно, что возможны другие варианты выполнения без выхода за объем раскрытого изобретения. В соответствии с этим, объем изобретения должен ограничиваться лишь прилагаемой формулой изобретения.