ГЛУБОКАЯ АЗИМУТАЛЬНАЯ СИСТЕМА С ПРИМЕНЕНИЕМ МНОГОПОЛЮСНЫХ ДАТЧИКОВ
DEEP AZIMUTH SYSTEM USING MULTI-POLE SENSORS

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка относится к совместно рассматриваемой и принадлежащей этому же правообладателю международной заявки с номером ______, под названием "FORMATION IMAGING WITH MULTI-POLE ANTENNAS", поданной того же числа, что и данная заявка, _____2012 года; содержание совместно рассматриваемой международной заявки включено в данный документ посредством ссылки в полном объеме.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение, в целом, относится к системам, связанным с нефтегазопоисковыми работами.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При бурении скважин для нефтегазопоисковых работ понимание структуры и свойств геологической формации, окружающей ствол скважины, обеспечивает информацию, облегчающую такие поисково-разведочные работы. Тем не менее, среда, в которой зачастую работают буровые инструменты, находится на значительном расстоянии вглубь от поверхности земли, и в этих местах выполняют измерения для управления работой такого оборудования. Каротаж представляет собой способ выполнения измерений с применением расположенных в забое скважины датчиков, которые могут обеспечивать ценную информацию относительно характеристик пласта. Методы измерения могут применять электромагнитные сигналы, способные выполнять глубокие измерения, которые в меньшей степени подвергаются воздействию ствола скважины и влиянию зоны проникновения фильтрата при бурении, а также неглубокие измерения, выполняемые вблизи инструмента, обеспечивающего сигналы зонда. Кроме того, практическая значимость таких измерений может быть связана с точностью или качеством информации, получаемой при таких измерениях.
При электромагнитном зондировании, которое может применяться относительно ствола скважины, приборы построения изображения могут достигать высокого азимутального разрешения, но не могут выполнять глубокие измерения. С другой стороны, некоторые стандартные каротажные приборы могут достигать большого радиуса исследования, но обеспечивают лишь ограниченную азимутальную информацию. Основное ограничение может быть связано с тем, что в традиционных приборах индукционного каротажа применяются диполи. Есть три вида методов, которые могут быть выполнены для достижения азимутальной фокусировки: при помощи размещения, при помощи апертуры и при помощи поляризации.
Фокусировка при помощи размещения может быть достигнута посредством размещения датчиков вблизи зондируемой области, например, на подушке, которая может контактировать со стенкой ствола скважины. Ее применяют в приборах построения изображения ствола скважины; тем не менее, глубина их исследования ограничена применением одной скважины, так как глубина исследования находится в порядке азимутального разрешения. Применение фокусировки при помощи размещения проиллюстрировано на Фигуре 1 слева от вертикальной пунктирной линии.
Фокусировка при помощи апертуры может быть достигнута посредством применения специальной апертуры, такой как рупорная или параболическая антенна. Хотя такая система очень эффективна и может достигать очень высокого азимутального разрешения в воздухе, в проводящей формации она может терять свою азимутальную фокусировку на небольшом расстоянии от апертуры в связи с дисперсионными характеристиками пласта. Применение фокусировки при помощи апертуры также проиллюстрировано на Фигуре 1 слева от вертикальной пунктирной линии.
Фокусировка при помощи поляризации, при применении в современной индукционной технологии, может быть глубокой, но может главным образом достигать трех азимутальных мод, причем только две из них активно применяются, причем электромагнитная мода представляет собой конфигурацию, такую как диаграмма направленности, электромагнитной волны. Это ограничение связано с применением дипольного волнового явления, ограничивающего азимутальную информацию, которая может быть собрана в глубине пласта, как проиллюстрировано на Фигуре 1 ниже горизонтальной пунктирной линии. В результате при помощи поляризации не было достигнуто получение высококачественных изображений глубоко в пласте.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фигура 1 иллюстрирует изображение азимутальных мод относительно глубины исследования для методов фокусировки при помощи размещения, апертуры и поляризации.
Фигура 2 иллюстрирует глубокую чувствительность фокусировки с применением многополюсной индукции, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 3 иллюстрирует блок-схему типовой системы, содержащей прибор для выполнения измерений для обеспечения азимутальной чувствительности более высокого порядка, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 4А иллюстрирует типовой вариант реализации прибора, выполненного в виде системы зондирования в индукционной системе для обеспечения возможности поляризационной фокусировки, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигуры 4В-4С иллюстрируют типовые ориентации диполей, которые могут быть выполнены в каждой подстанции Фигуры 4А для возбуждения более высоких мод, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигуры 5А-5С иллюстрируют три типовые конфигурации датчиков, которые могут достигать азимутальной чувствительности n-го порядка, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 6 иллюстрирует типовое размещение датчика и чувствительность для различных мод, соответствующих конфигурации, проиллюстрированной на Фигуре 5А, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 7 иллюстрирует типовое размещение датчика и чувствительность для различных мод, соответствующих конфигурации, проиллюстрированной на Фигуре 5В, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 8 иллюстрирует типовое размещение датчика и чувствительность для различных мод, соответствующих конфигурации, проиллюстрированной на Фигуре 5С, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 9А иллюстрирует типовой многополюсный прибор индукционного каротажа с применением отдельно регулируемых катушек, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 9В иллюстрирует вид сверху вниз отдельных катушек по окружности многополюсного прибора индукционного каротажа Фигуры 9А, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 9С иллюстрирует, в виде таблицы, типовые полярности возбуждения, применяемые для различных мод, применяемых к катушкам многополюсного прибора индукционного каротажа Фигуры 9А, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 10А иллюстрирует вариант реализации типового многополюсного прибора индукционного каротажа, который применяет вращающиеся катушки, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 10В иллюстрирует вид сверху вниз отдельной катушки Фигуры 10А, вращающейся по окружности многополюсного прибора индукционного каротажа, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 10С иллюстрирует, в виде таблицы, типовые полярности возбуждения, применяемые для различных мод, применяемых к катушкам многополюсного прибора индукционного каротажа в различных угловых положениях, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 11А иллюстрирует типовой многополюсный прибор индукционного каротажа с применением обмотки с периодическим шагом, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 11В иллюстрирует типовую обмотку с периодическим шагом, соединенную с источником возбуждения, который может быть применен на приборе Фигуры 11А, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигуры 11C-11D иллюстрируют типовые обмотки с периодическим шагом, которые могут быть применены на приборе Фигуры 11А, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 12 иллюстрирует вариант реализации типового многополюсного прибора индукционного каротажа с применением направленного потока, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 13 иллюстрирует блок-схему варианта реализации системы сбора данных, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 14 иллюстрирует типовой метод обработки, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 15 иллюстрирует типовой метод обработки, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 16 иллюстрирует смешивание мод в связи с механическим дефектом с применением результатов моделирования, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 17 иллюстрирует результаты азимутальной фокусировки для различных азимутов фокусировки, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 18 иллюстрирует типовые операции для обратной свертки относительно отклика на основании импульсного анализа среды, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 19 иллюстрирует применения типового прибора, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигуры 20A-20D иллюстрируют четыре различных моделируемых случая возможности построения глубокого изображения по варианту реализации многополюсного прибора, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 21 иллюстрирует блок-схему средств варианта реализации системы, содержащей многополюсный сенсорный прибор, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
Фигура 22 иллюстрирует вариант реализации системы на буровой площадке, при этом система содержит многополюсный сенсорный прибор в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующее подробное описание ссылается на прилагаемые графические материалы, которые иллюстрируют, в качестве иллюстрации, а не ограничения, различные варианты реализации изобретения, в которых изобретение может быть осуществлено на практике. Эти варианты реализации изобретения описаны достаточно подробно, чтобы позволить специалистам в данной области техники осуществить на практике эти и другие варианты реализации. Могут быть применены другие варианты реализации изобретения, и в этих вариантах реализации могут быть выполнены структурные, логические и электрические изменения. Различные варианты реализации изобретения не обязательно являются взаимоисключающими, так как некоторые варианты реализации могут быть скомбинированы с одним или более другими вариантами реализации для получения новых вариантов реализации. Таким образом, следующее подробное описание не следует рассматривать в ограничивающем смысле.
В различных вариантах реализации изобретения индукционная система, на основании поляризационной фокусировки, может достигать глубокого азимутального зондирования. При такой системе глубокое азимутальное зондирование может быть достигнуто даже в одном стволе скважины. Типовая система содержит многополюсные антенны, которые могут создавать глубокую азимутальную чувствительность и трехмерное (3D) изображение электромагнитных свойств пласта. Что касается азимутальных мод, связанных с глубиной исследования, метод поляризационной фокусировки типовой индукционной системы может обеспечивать применение в областях графика Фигуры 1 выше горизонтальной пунктирной линии и справа от вертикальной пунктирной линии. Кроме того, метод поляризационной фокусировки может обеспечивать применение в областях графика Фигуры 1 выше горизонтальной пунктирной линии и слева от вертикальной пунктирной линии.
В различных вариантах реализации изобретения системы и способы включают один или более многополюсных датчиков, расположенных с возможностью создания глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка. Глубокий означает диапазон, при котором обнаруживается приближение рассеяния электромагнитных волн (например, контур), и диапазон, по сути, линейно пропорционален расстоянию между зондирующим передатчиком и приемником. Он отличается от диапазона, пропорционального размеру ствола скважины. Азимутальная чувствительность высокого порядка означает кривую чувствительности, периодическую по форме, с периодичностью больше чем 2. Периодическая форма может быть синусоидальной или любой другой периодической формой. Глубокая азимутальная чувствительность высокого порядка означает комбинацию глубокой азимутальной чувствительности и азимутальной чувствительности более высокого порядка, как описано выше.
0
0
0
В рамках данного документа "многополюсный датчик" представляет собой датчик, который может создавать электрические поля с гармоническим азимутальным распределением существенно более высокого порядка, то есть , где n>2 и r>r, φ представляет собой азимутальный угол в цилиндрических координатах с центром в датчике, φ представляет собой фазу, r представляет собой расстояние, сопоставимое с длиной волны, q представляет собой цилиндрическую или сферическую координату, a i представляет собой мнимое число. Например, многополюсный датчик может включать несколько дипольных датчиков, имеющих управляемую полярность. Понятно, что в связи с гармонической природой многополюсного датчика, в некоторых вариантах реализации изобретения, многополюсники с различными порядками n можно комбинировать с получением желаемой азимутальной диаграммы направленности на основании ряда Фурье.
f
s
ϕ
Фигура 2 иллюстрирует глубокую чувствительность фокусировки с применением многополюсной индукции. На Фигуре 2 проиллюстрирована комбинация азимутальных мод более высокого порядка в чувствительности, где коэффициенты К для мод 2, 4, 6 и 8 предназначены для нормализации. В этом примере эти моды скомбинированы. Нижние индексы i, i и i представляют собой индексы частоты, расстояния и азимутального угла. Такие индукционные системы могут создавать азимутальные моды высокого порядка в чувствительности; достигать глубокой азимутальной чувствительности; создавать глубокие 3D изображения свойств пласта; значительно улучшать оценку пласта и геофизическую/геомеханическую интерпретацию; значительно улучшать геонавигацию; и улучшать обнаружение, оценку и извлечение углеводородов.
Фигура 3 иллюстрирует блок-схему варианта реализации типовой системы, имеющей прибор для выполнения измерений для обеспечения азимутальной чувствительности более высокого порядка, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Прибор 305 может иметь конфигурацию передающих датчиков и приемных датчиков, таких как передатчики и приемники 310-1, 310-2…310-(N-1), 310-N, структурированную относительно продольной оси 307 прибора 305. Передатчики и приемники 310-1, 310-2…310-(N-1), 310-N могут быть расположены с возможностью обеспечения работы многополюсной антенны. Конфигурация антенн передатчика и антенн приемника может быть структурирована вдоль продольной оси 307 прибора 305, которая, по сути, перпендикулярна поперечному сечению прибора, например, соответствующему поперечному сечению утяжеленной бурильной трубы в бурильной колонне.
Конфигурация передатчиков и приемников 310-1, 310-2…310-(N-1), 310-N может работать посредством выбора пар передатчик-приемник, определенного расстоянием между передатчиком и приемником в каждой соответствующей паре. Большие расстояния могут быть применены для зондирования перед буровым долотом и получения глубоких сигналов. Меньшие расстояния могут быть применены для зондирования в областях пласта вокруг прибора 305. Например, неглубокое измерение может включать сигналы из областей от около одного дюйма до около 10 футов от прибора, и глубокое измерение может включать сигналы из областей от около 5 футов до около 200 футов от прибора.
Устройство 300 может содержать блок 320 управления для управления активацией передатчиков прибора 305 и приема сигналов в приемниках прибора 305. Блок 320 управления может быть структурирован с возможностью выбора антенн из ряда антенн в одной или более парах передатчик - приемник, расположенных с возможностью обеспечения азимутальной чувствительности более высокого порядка при работе устройства в забое скважины. Блок 320 управления может работать параллельно с блоком 326 обработки данных для обработки сигналов, принятых от приемников в приборе 305.
Блок 326 обработки данных может быть структурирован с возможностью обработки данных от одного или более глубоких измерений. Блок 326 обработки данных может содержать средства для выполнения одного или более методов обработки сигналов от приемников в конфигурации передатчиков и приемников 310-1, 310-2…310-(N-1), 310-N. Блок 326 обработки данных может также применять созданные сигналы для определения свойств пласта вокруг ствола скважины, в которой расположен прибор. Принятые сигналы в приборе могут быть применены для принятия геонавигационных решений. Геонавигация представляет собой целенаправленное управление для корректировки направления бурения.
Методы анализа принятых сигналов могут включать различные применения операций инверсии, прямого моделирования, применения синтетических каротажных диаграмм и способов фильтрации. Операции инверсии могут включать сопоставление измерений с результатами моделирования, так что может быть определено значение или пространственное изменение физического свойства. Операция инверсии может включать определение изменения электрической проводимости в пласте из измерений индуцированных электрических и магнитных полей. Другие методы, такие как прямое моделирование, имеют дело с расчетом ожидаемых наблюдаемых значений относительно заданной модели. Синтетическая каротажная диаграмма представляет собой смоделированную диаграмму на основании моделируемого отклика прибора в известных параметрах пласта. Синтетическую каротажную диаграмму создают посредством численного моделирования взаимодействия прибора и пласта, как правило, включающего моделирование каждой глубины каротажа по точкам.
Блок 320 управления и/или блок 326 обработки данных могут быть совмещены с прибором 305, так что блок 320 управления и/или блок 326 обработки данных выполнены с возможностью работы в забое скважины 302. Блок 320 управления и/или блок 326 обработки данных могут быть распределены вдоль прибора 305. Блок 320 управления и/или блок 326 обработки данных могут быть расположены на поверхности скважины 302 с возможностью связи с прибором 305 с применением механизма связи. Такой механизм связи может быть выполнен в виде средства коммуникации, которое является стандартным для режима работы скважины. Блок 320 управления и/или блок 326 обработки данных могут быть распределены вдоль механизма, с помощью которого прибор 305 помещают в забой скважины 302. Устройство 300 может быть структурировано для реализации в стволе скважины в виде системы скважинных измерений в процессе бурения (ИПБ), такой как система проведения каротажа во время бурения (КВБ). Кроме того, устройство 300 может быть выполнено в конфигурации каротажных кабелей.
Фигура 4А иллюстрирует вариант реализации типового прибора 405, выполненного в виде системы зондирования в индукционной системе для обеспечения возможности поляризационной фокусировки. Прибор 405 может быть применен в системе, идентичной или подобной системе 300 Фигуры 3. Прибором можно управлять в индукционной системе для обеспечения механизму возможности достижения многополюсной системы зондирования. Прибор 405 может состоять из группы передающих датчиков и группы приемных датчиков в нескольких станциях. Каждая станция может состоять из ряда датчиков, находящихся в различных ориентациях, или которые работают с различными амплитудами сигналов. Передающие станции и приемные станции могут работать в парной конфигурации. Каждая пара передающих и приемных станций, по сути, может создавать одну азимутальную моду более высокого порядка или комбинацию таких мод в чувствительности. Примеры некоторых мод проиллюстрированы на Фигуре 2.
Несколько станций могут быть применены для достижения различной глубины обнаружения и могут повышать чувствительность в радиальном направлении. Датчики на каждой станции могут быть равномерно или неравномерно расположены по окружности структуры прибора, на котором расположены датчики. Датчики также могут образовывать произвольные двумерные (2D) или 3D решетки. Несмотря на то, что достижение более высоких азимутальных мод в чувствительности может зависеть от особой взаимосвязи между положениями передающих и приемных датчиков, ориентаций и интенсивности, может быть бесконечное число таких конфигураций. Каждый датчик может быть выполнен в виде магнитного диполя, электрического диполя или электрода.
Для возбуждения азимутальных мод более высокого порядка могут быть изменены ориентации диполей в каждой подстанции, как проиллюстрировано в примере на Фигурах 4В-4С. В одном варианте реализации изобретения все датчики могут быть запитаны одним проводом и изменено направление намотки провода, как показано на питании датчика, проиллюстрированного на Фигуре 4В. Это обеспечивает естественный баланс между различными интенсивностями датчиков, так как, по сути, тот же ток может проходить через каждый датчик. Отдельные провода также могут быть применены для каждого датчика, как показано на питании датчика, проиллюстрированного на Фигуре 4С. Это может обеспечивать явный контроль интенсивностей датчиков и помогать компенсировать производственные различия между датчиками.
Магнитные диполи могут быть выполнены с применением либо катушек, либо соленоидов. Реализации электрических диполей могут включать проволочные антенны, тороиды или электроды. В силу линейности электромагнитного волнового явления в формациях диполи в разных ориентациях могут быть искусственно объединены после измерения для создания сигналов от гипотетических диполей в разных ориентациях. Конфигурация, которая применяет это, представляет собой конфигурацию наклонной рамочной антенны. Кроме того, в связи с взаимозаместимостью, роли передатчика и приемников можно менять местами без каких-либо изменений в физических свойствах рассматриваемого прибора. Отклонение по глубине можно применять к сигналам от пар станций передатчика-приемника, которые не совмещены и имеют, по сути, такое же расстояние передатчик-приемник. Отклонение по глубине можно регулировать для обеспечения чувствительности различных пар, по сути, к одному и тому же объему пласта.
Чувствительность системы датчиков, которая состоит из передатчика и приемника, является результатом пространственной диаграммы направленности передачи передатчика и пространственной диаграммы направленности приема приемника. В результате, для азимутальной чувствительности в системе, по меньшей мере один прибор из передатчика или приемника имеет азимутальную диаграмму направленности передачи/приема. Можно наблюдать, что наличие азимутальной диаграммы направленности передачи/приема для датчиков (например, с применением многополюсных антенн) не приводит непосредственно к наличию соответствующей азимутальной чувствительности для объединенной системы передатчика-приемника. Действительно, особую взаимосвязь между положениями и ориентациями датчиков передатчика и приемника применяют для достижения глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка.
а
Фигуры 5А-5С иллюстрируют три типовые конфигурации датчиков, которые могут достигать азимутальной чувствительности n-го порядка. Каждая конфигурация состоит из n передающих дипольных датчиков. Фигура 5А и Фигура 5В иллюстрируют две конфигурации датчиков, состоящие из n приемных дипольных датчиков наряду с n передающих дипольных датчиков. Третья конфигурация датчиков, проиллюстрированная на Фигуре 5С, состоит только из одного приемного датчика наряду с n передающих дипольных датчиков. Один приемный датчик третьей конфигурации датчиков расположен вдоль оси прибора. На Фигурах 5А-5С , , , ,  и  означают радиальное положение i-го передатчика, угловое положение i-го передатчика в градусах, вектор ориентации i-го передатчика, радиальное положение i-го приемника, угловое положение i-го приемника в градусах, вектор ориентации i-го приемника. Вектор ориентации представляет собой вектор в направлении диполя датчика. Векторы ,  и  представляют собой единичные векторы в цилиндрических координатах в радиальном, азимутальном направлении и направлении вдоль оси z. Так как вектор ориентации относится только к направлению, вектор ориентации Ui представляет собой единичный вектор . Параметр  представляет собой радиус окружности, где расположены датчики, то есть это радиус структуры прибора, на котором расположен датчик, причем структура прибора имеет цилиндрическую форму. Все диполи в этих конфигурациях могут иметь одинаковую интенсивность. Фигуры 5А-5С лишь обеспечивают примеры, и различные аналогичные конфигурации могут быть достигнуты посредством изменения настроек датчика. Эти изменения могут включать изменение положения, ориентации, интенсивности диполей или их комбинации.
Фигуры 6-8 иллюстрируют размещение датчика и чувствительность для различных мод в трех конфигурациях, проиллюстрированных на Фигурах 5А-5С, соответственно. На каждой фигуре есть четыре подфигуры, иллюстрирующие различные моды. Номер моды указан выше подфигур. В левой части подфигур показаны положение и ориентация датчика. "В" и "Из" означают датчики, указывающие внутрь и наружу окружности структуры прибора, на котором установлены датчики, соответственно. "С" и "СС" означают датчики, указывающие по часовой стрелке и против часовой стрелки по окружности структуры прибора, соответственно. Для каждой моды чувствительность в двух измерениях проиллюстрирована рядом с положениями и ориентациями датчиков, а чувствительность в одном измерении (1D) проиллюстрирована справа от 2D моделей. Данные, создающие 2D подграфики, могут быть классифицированы или выделены цветом таким образом, чтобы отображение данных, создающих 2D подграфики, указывало на величину чувствительности цветом, например, с применением красного для положительной и синего для отрицательной.
а
Кривые 672-1, 672-2, 674-1, 674-2, 676-1, 676-2, 678-1 и 678-2 в 1D подграфиках Фигуры 6 указывают на геометрический фактор. Кривые 672-3, 672-4, 674-3, 674-4, 676-3, 676-4, 678-3 и 678-4 в 1D подграфиках Фигуры 6 указывают на комплексный геометрический фактор. Кривые 772-1, 772-2, 774-1, 774-2, 776-1, 776-2, 778-1 и 778-2 в 1D подграфиках Фигуры 7 указывают на геометрический фактор. Кривые 772-3, 772-4, 774-3, 774-4, 776-3, 776-4, 778-3 и 778-4 в 1D подграфиках Фигуры 7 указывают на комплексный геометрический фактор. Кривые 871-1, 871-2, 872-1, 872-2, 873-1, 873-2, 874-1 и 874-2 в 1D подграфиках Фигуры 8 указывают на геометрический фактор. Кривые 871-3, 871-4, 872-3, 872-4, 873-3, 873-4, 874-3 и 874-4 в 1D подграфиках Фигуры 8 указывают на комплексный геометрический фактор. При моделировании работы приборов в соответствии с конфигурациями на этих фигурах применяют одну передающую станцию и одну приемную станцию, разделенные вдоль оси 10 футами с радиусом датчика =4 дюймов с частотой 25 кГц. Из всех конфигураций и мод выбирали опорную фазу, равную 0°, поэтому во всех случаях наблюдается максимальная положительная чувствительность, равная 0°. Для достижения другой фазы возбуждения можно вращать как передатчики, так и приемники. В целом, для одной и той же моды применяют две различные фазы для получения фазовых и амплитудных характеристик для одной моды.
Азимутальная чувствительность во всех конфигурациях Фигур 5А-5С хорошо видна на самых верхних 2D подграфиках Фигур 6-8, в то время как самые нижние 1D подграфики Фигур 6-8 иллюстрируют синусоидальную модель. Радиальная чувствительность, как проиллюстрировано на самом верхнем 1D подграфике Фигур 6-8, иллюстрирует, насколько глубоко зондирует система. Следует отметить, что первые две конфигурации (Фигуры 5А и 5 В) могут выполнять глубокое зондирование, в то время как в третьей конфигурации (Фигура 5С) глубина зондирования уменьшается по мере увеличения азимутальных мод. Средние 1D подграфики Фигур 6-8 иллюстрируют осевую (по оси z) чувствительность, соответствующую вертикальному разрешению прибора. Как правило, желательно, чтобы в осевом графике чувствительности была небольшая ширина для увеличения вертикального разрешения. Тем не менее, узкие большие пики на широких пологих участках кривой среднего 1D подграфика указывают на так называемый эффект образования "рогов поляризации", который, как правило, является нежелательным. Как видно на фигурах, первые две конфигурации (Фигуры 5А и 5В) иллюстрируют некоторый приемлемый эффект образования "рогов поляризации". Последняя конфигурация (Фигура 5С) не демонстрирует какого-либо эффекта образования "рогов поляризации" и имеет большее вертикальное разрешение.
1
2
N
ϕ
1
2
N
ϕ
В целом, работа прибора применяет комбинацию из нескольких (N) азимутальных мод высокого порядка {n, n,.. n}. Смотри, например, Фигуру 2, которая указывает на то, как достичь азимутального разрешения посредством комбинации мод. В типовом варианте реализации изобретения совмещение конфигураций на Фигурах 5А-5С с разными n может быть применено в качестве конфигурации датчиков. Кроме того, две или более (N) различных азимутальных фаз для одной и той же моды могут быть применены для того, чтобы разнообразить информацию. По азимутальной фазе означает, что выполняется то же самое измерение моды, но прибором, как передатчиком, так и приемником, который вращается. Это вращение может быть выполнено посредством физического вращения прибора или посредством предоставления отдельного набора датчиков для второй фазы. Предоставление отдельного набора датчиков для второй фазы может почти удвоить общее количество датчиков. Несколько фаз могут быть особенно эффективными при азимутальной фокусировке сигнала. Общее количество датчиков в этом случае будет представлять собой сумму количества датчиков для всех n={n, n,…n} раз N за вычетом датчиков, которые могут быть разделены между различными модами и фазами.
Многополюсное возбуждение может быть достигнуто посредством введения азимутальной вариации на одном датчике. Пример такой вариации включает изменение плотности обмотки по азимуту на тороиде. В этом случае одного датчика может быть достаточно для создания азимутальных мод более высокого порядка. Кроме того, многополюсное возбуждение может быть достигнуто посредством вычитания сигнала от подчиненной станции при другом осевом положении в виде подавления для уменьшения нежелательных сигналов мод, таких как прямой сигнал между передатчиком и приемником. Концепция подавления хорошо известна и не будет обсуждаться в данном документе.
Второй подход предварительной обработки для системы может включать применение соотношения сигналов от двух различных станций, которые получают информацию от одной и той же моды. Посредством применения соотношения может быть исключен эффект дрейфа электронной аппаратуры или помехи корпуса прибора. Подход, который применяет соотношение для исключения таких эффектов, использовали для приборов индукционного каротажа с прижимным зондом системы проведения каротажа во время бурения (КВБ) и может быть применен к вариантам реализации системы многополюсников в индукционной системе для обеспечения поляризационной фокусировки. Применение подхода подавления и подхода соотношения может также удваивать количество датчиков, применяемых в системе.
Конфигурации, проиллюстрированные на Фигурах 5А и 5В, могут создавать азимутальную чувствительность только при четных числах азимутальных мод n, в то время как конфигурация Фигуры 5С может создавать азимутальную чувствительность как для четных, так и нечетных чисел n. Возможность применения только четных чисел мод приводит к 180° азимутальной неоднозначности в пространственной области. Обе конфигурации, проиллюстрированные на Фигурах 5А и 5В, обеспечивают возможность глубокого зондирования, но имеют 180° неоднозначность. Третья конфигурация, проиллюстрированная на Фигуре 5С, не обеспечивает возможности глубокого зондирования; тем не менее, не подвергается какой-либо неоднозначности. Комбинация этих типов конфигураций может обеспечивать возможность как глубокого зондирования, так и частичного или полного разрешения азимутальной неоднозначности в системе зондирования.
Фигура 9А иллюстрирует вариант реализации типового многополюсного прибора 905 индукционного каротажа с применением отдельно регулируемых катушек. Прибор 905 может быть применен в системе, идентичной или подобной системе 300 Фигуры 3. Фигура 9В иллюстрирует вид сверху вниз отдельных катушек по окружности многополюсного прибора индукционного каротажа Фигуры 9А. Полярностью этих катушек можно управлять с помощью электричества. Фигура 9С иллюстрирует, в виде таблицы, вариант реализации типовых полярностей возбуждения, применяемых для различных мод, применяемых к катушкам многополюсного прибора 905 индукционного каротажа. Обозначение М относится к моде, а обозначение Р относится к фазе. Обозначения М и Р применяют в различных фигурах, относящихся к передающему датчику (Trx) и приемному датчику (Rcv). Как упоминалось выше, Р может быть ограничено фазой 1 или фазой 2 для исключения азимутальной неоднозначности в пространственной области измерений. Хотя Фигуры 9В и 9С иллюстрируют 24 датчика в приборе, прибор может иметь больше или меньше 24 датчиков.
Все датчики прибора могут быть активированы в одно и то же время и с той же частотой. Тем не менее, они также могут быть активированы в разное время и с разными частотами, а затем искусственно суммированы в блоке обработки данных. В одном подходе все моды (вся таблица) могут быть возбуждены в одно и то же время с той же частотой, а также с масштабом K, приведенным в уравнении (2). Можно физически создавать направленно чувствительную систему. Во втором подходе все моды (вся таблица) могут быть возбуждены в одно и то же время с разными частотами с произвольным масштабом. При обработке все моды с коэффициентами, предусмотренными K, приведенными в уравнении (2), могут быть суммированы. Этот подход искусственно создает направленно чувствительную систему. В третьем подходе каждая мода (два ряда таблицы) может быть возбуждена в разное время с произвольными частотами и с произвольным масштабом. При обработке все моды с коэффициентами, предусмотренными K, приведенными в уравнении (2), могут быть суммированы. Этот подход искусственно создает направленно чувствительную систему.
Фигура 10А иллюстрирует вариант реализации типового многополюсного прибора индукционного каротажа с применением вращающихся катушек. Прибор 1005 может быть применен в системе, идентичной или подобной системе 300 Фигуры 3. Фигура 10В иллюстрирует вид сверху вниз отдельной катушки, вращающейся по окружности многополюсного прибора 1005 индукционного каротажа Фигуры 10А. Полярностью этой катушки можно управлять с помощью электричества. Полярность катушки может быть выбрана в соответствии с ее положением во время ее вращения вокруг оси прибора 1005. Хотя Фигура 10В демонстрирует только одну вращающуюся катушку, может вращаться как катушка передатчика, так и катушка приемника. Катушки могут вращаться с одинаковой скоростью вращения. В альтернативном варианте катушка передатчика может вращаться с первой скоростью вращения, а катушка приемника может вращаться со второй скоростью вращения, причем первая скорость вращения отличается от второй скорости вращения. При вращении передатчика и приемника зонд может оставаться неподвижным.
Фигура 10С иллюстрирует, в виде таблицы, вариант реализации типовых полярностей возбуждения, применяемых для различных мод, применяемых к катушкам многополюсного прибора индукционного каротажа в различных угловых положениях по окружности структуры прибора, на котором установлена катушка. Обозначение М относится к моде, а обозначение Р относится к фазе. Обозначения М и Р применяют для каждого передающего датчика (Trx) и каждого приемного датчика (Rcv). Как упоминалось выше, Р может быть ограничено фазой 1 или фазой 2 для исключения азимутальной неоднозначности в пространственной области измерений. Хотя Фигуры 10В и 10С иллюстрируют 24 угловых положения в приборе, катушка прибора может вращаться на больше или меньше чем 24 угловых положения.
ij
В многополюсном приборе индукционного каротажа с применением вращающихся катушек прибор может работать с применением только одного датчика передатчика и одного датчика приемника. Этот вариант реализации может быть выполнен с применением только одного передатчика и одного приемника в одной или более станциях. В альтернативном варианте конфигурация одного передатчика и одного приемника может быть выполнена с применением ряда датчиков передатчика и ряда датчиков приемника, где только один датчик передатчика активирован для передачи и только один датчик приемника активирован для приема сигнала в ответ на передачу. Измерение может быть выполнено следующим образом. Верхний кожух антенны вращается в первом направлении i. Нижний кожух антенны может вращаться во втором направлении j. Измерение M может быть выполнено с помощью двух датчиков антенны в этих положениях. Эти два процесса вращения и измерения могут быть повторены для всех i=1…N, j=1…N. Для получения результата для конкретной моды суммирование может быть выполнено в соответствии со следующей операцией
ti
rj
где S представляет собой знак (+1 или -1) передатчика, относящийся к моде, S представляет собой знак (+1 или -1) приемника, относящийся к моде. Гибрид многополюсного прибора индукционного каротажа с применением отдельно регулируемых катушек и многополюсного прибора индукционного каротажа с применением вращающихся катушек может быть выполнен посредством размещения нескольких антенн в верхнем кожухе и нескольких антенн в нижнем кожухе и работы гибрида с применением возбуждений, подобных тем, что приведены на Фигурах 9С и 10С.
Фигура 11А иллюстрирует вариант реализации типового многополюсного прибора 1105 индукционного каротажа с применением обмотки с периодическим шагом. Прибор 1105 может быть применен в системе, идентичной или подобной системе 300 Фигуры 3. Обмотка вокруг прибора может быть расположена в виде периодических структур на поверхности структуры прибора, на котором установлены датчики с обмоткой. Обмотка с периодическим шагом может включать провод передатчика и провод приемника, выполненные с возможностью функционального управления в паре. Каждая обмотка с периодическим шагом, расположенная вокруг структуры прибора, может содержать первый участок и второй участок, причем второй участок может быть направлен по азимуту обратно к первому участку, так что во время работы ток протекает в одном азимутальном направлении в первом участке и во втором участке. Движение тока проиллюстрировано стрелками на Фигуре 11А.
Вид на Фигуре 11А иллюстрирует цилиндрическую поверхность прибора после разреза его вдоль оси и его открытия. Во время работы правую сторону прибора 1105 соединяют с левой стороной прибора 1105. Периодичность шага может быть представлена в виде прохождения обмотки выше, ниже или выше и ниже плоскости, перпендикулярной продольной оси структуры прибора 1105. Так как обмотка расположена по азимуту вокруг прибора 1105, ее положение в направлении оси z вдоль оси прибора 1105 периодически меняется. Периодическое изменение зависит от производственных допусков. Прибор 1105 не ограничен цилиндрической структурой прибора. Хотя на Фигуре 11А проиллюстрированы синусоидальные формы, могут быть применены формы, отличные от синусоидальной, такие как треугольная, прямоугольная или другая периодическая структура.
Фигура 11В иллюстрирует типовую обмотку с периодическим шагом, соединенную с источником возбуждения V, который может быть применен на приборе Фигуры 11А. Обмотка с периодическим шагом может содержать первый участок 1110-1 и второй участок 1110-2, причем второй участок 1110-2 может быть направлен по азимуту обратно к первому участку 1110-1, так что во время работы ток протекает в одном азимутальном направлении в первом участке 1110-1 и во втором участке 1110-2. Как и на Фигуре 11А, на Фигуре 11В предлагается вид поверхности прибора после разреза его вдоль оси и его открытия. На обмотке, расположенной на рабочем приборе 1105, правый конец, проиллюстрированный на Фигуре 11 В, почти касается левого конца, проиллюстрированного на Фигуре 11В. Когда правый конец почти касается левого конца, можно увидеть, что ток протекает в том же азимутальном направлении, как и на направлении стрелок тока. Типовая обмотка Фигуры 11В может быть выполнена в виде одного непрерывного провода. Второй участок 1110-2 может быть сдвинут на 180° от первого участка 1110-1 относительно структуры прибора. В альтернативном варианте реализации изобретения каждая обмотка может состоять из нескольких проводов. Несколько сегментов провода могут быть последовательно соединены для эффективного обеспечения одного непрерывного провода.
Многополюсный прибор 1105 индукционного каротажа с применением обмотки с периодическим шагом может быть структурирован в системе с блоком управления, выполненным с возможностью функционального соединения с проводом передатчика и с проводом приемника, для выборочной активации передачи от провода передатчика и для выборочной активации приема сигнала в проводе приемника в ответ на передачу. Многополюсный прибор индукционного каротажа с применением обмотки с периодическим шагом может содержать две обмотки с периодическим шагом на структуре прибора 1105, причем каждая из двух обмоток с периодическим шагом имеет шаг, отличающийся друг от друга. В другом варианте реализации изобретения многополюсный прибор индукционного каротажа с применением обмотки с периодическим шагом может содержать ряд проводов передатчика и ряд проводов приемника, выполненных с возможностью функционального управления в паре, причем каждый провод передатчика и каждый провод приемника расположены в виде обмотки с периодическим шагом вокруг структуры прибора. Каждая обмотка с периодическим шагом может содержать первый участок и второй участок, причем второй участок направлен по азимуту обратно к первому участку, так что во время работы ток протекает в одном азимутальном направлении в первом участке и во втором участке. В ряде проводов передатчика и ряде проводов приемника каждая обмотка передатчика с периодическим шагом может иметь шаг, равный шагу обмотки приемника с периодическим шагом, с которым он функционально состоит в паре, причем по меньшей мере одна пара имеет шаг, отличный от шага другой пары ряда.
Блок управления может быть структурирован с возможностью выборочной активации провода передатчика и провода приемника, имеющих одинаковую периодичность шага обмотки. Блок управления может быть структурирован с возможностью управления рядом проводов передатчика и рядом проводов приемника в виде ряда пар передатчик - приемник, при этом передатчик и приемник каждой пары передатчик - приемник имеют одинаковую периодичность шага обмотки. Провода передатчика и провода приемника могут быть выполнены с возможностью выборочного управления на попарном основании.
Провода передатчика многополюсного прибора индукционного каротажа могут быть расположены вдоль продольной оси структуры прибора в последовательном порядке относительно периодичности шага каждого передатчика. Кроме того, провода приемника могут быть расположены вдоль продольной оси структуры прибора в последовательном порядке относительно периодичности шага каждого приемника. Последовательный порядок как для проводов передатчика, так и проводов приемника может быть организован от наибольшего шага к наименьшему шагу в порядке размера шага.
Фигура 11С иллюстрирует типовую обмотку с периодическим шагом, которая может быть применена на приборе Фигуры 11А. Фигура 11С иллюстрирует конструкцию с первым участком 1110-3 и вторым участком 1110-4, структурированными в виде отдельных проводов. Первый участок 1110-3 может иметь два конца для соединения с первым источником и второй участок 1110-4 может иметь два конца для соединения со вторым источником. Второй участок 1110-4 может быть сдвинут на 180° от первого участка 1110-3 относительно структуры прибора.
Фигура 11D иллюстрирует другую типовую обмотку с периодическим шагом, которая может быть применена на приборе Фигуры 11А. Фигура 11С иллюстрирует конструкцию, в которой обмотка с периодическим шагом может содержать проводку 1110-5 и 1110-6 внутри структуры прибора 1105.
Ряд передающих датчиков и ряд приемных датчиков, структурированных в виде обмоток с периодическим шагом, как проиллюстрировано на Фигуре 11А, могут быть расположены с возможностью создания глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка. Тем не менее, структура обмотки может быть применена в областях применения, отличных от создания глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка. Структура обмотки с периодическим шагом может быть применена в геонавигации, картировании профиля формации вокруг ствола скважины, проведении стресс-анализа вокруг ствола скважины или в других скважинных функциях.
Фигура 12 иллюстрирует вариант реализации типового многополюсного прибора 1205 индукционного каротажа с применением направленного потока. Прибор 1205 может быть применен в системе, идентичной или подобной системе 300 Фигуры 3. Катушки с сердечником с высокой магнитной проницаемостью могут быть применены для достижения высоких показателей моды и балансировки. В зависимости от направления или положения диполя для представляющей интерес моды N сердечник с высокой магнитной проницаемостью может быть помещен таким образом, чтобы открываться наружу в определенных местоположениях.
Фигура 13 иллюстрирует блок-схему варианта реализации системы 1300, такой как система сбора данных, имеющая прибор, выполненный в виде системы зондирования для обеспечения поляризационной фокусировки с помощью передающих антенн 1310-Т-1…1310-T-N и приемных антенн 1310-R-1…1310-R-M, работающих в стволе скважины, в которой помещен прибор. Система 1300 может содержать центр 1320 управления системы, передатчики 1312-1…1312-N, приемники 1314-1…1314-М, блок 1322 сбора данных, буфер 1324 данных, блок 1326 обработки данных и блок 1328 связи помимо прибора с передающими антеннами 1310-Т-1…1310-T-N и приемными антеннами 1310-R-1…1310-R-M. Центр 1320 управления системы может содержать центральный процессор (ЦП), аналоговую электронную аппаратуру, цифровую электронную аппаратуру или их различные комбинации для управления работой других блоков системы 1300.
Центр 1320 управления системы может создавать сигнал и подавать сигнал передатчикам 1312-1…1312-N. Передатчики могут быть одновременно или последовательно активированы и их можно оставлять в таком состоянии в течение периода времени, достаточного для обеспечения возможности затихания импульсных помех и уменьшения шумовых эффектов посредством суммирования. Принятые сигналы могут быть преобразованы в область, где падающая часть сигнала может быть отделена от отраженной части. Сигналы на приемниках передаются центру 1320 управления системы, где могут храниться в буфере 1324 данных до окончательной передачи на поверхность 1304.
Центр 1320 управления системы выборочно активирует передающие антенны 1310-Т-1…1310-T-N и выборочно принимает сигнал, рассеянный от пласта, в приемных антеннах 1310-R-1…1310-R-M. Разделитель мод может быть применен для обеспечения чистоты мод посредством отделения различных мод от мод смешения. Сумматор мод может быть применен для создания комбинации мод с направленной азимутальной чувствительностью, такой как проиллюстрирована на Фигуре 2. Благодаря взаимозаместимости как разделитель/сумматор мод передатчика 1327-Т можно применять к переданному сигналу, так и разделитель/сумматор мод приемника 1327-R можно применять к принятому сигналу. Сигнал с определенной переходной или периодической характеристикой получают с помощью передающего источника. Работа приемной системы может быть или может не быть синхронизирована с активацией источника. Синхронизация может обеспечивать возможность лучшего управления фазой принятого сигнала, в случае если при обработке не применяются коэффициенты. Принятый переходный сигнал может быть оцифрован и записан как функция времени, а позже она может быть преобразована в частоту с помощью операции преобразования Фурье. В альтернативном варианте реализации изобретения его можно пропускать через аналоговый полосовой фильтр, так чтобы записывался только отклик на дискретный набор частот. Сигнал, принятый с помощью приемников, может сохраняться в буфере 1324 данных, обрабатываться и, в случае необходимости, передаваться на поверхность.
Сигналы электромагнитных волн, которые принимаются приемными антеннами 1310-R-1…1310-R-M, могут быть направлены на соответствующие приемники 1314-1…1314-М и в центр 1320 управления системы. Работа устройства 1300 может включать ряд частот, передаваемых и принимаемых в одно и то же время для более эффективного использования времени. При такой работе синусоидальный сигнал, прямоугольный сигнал или другие основанные на времени сигналы могут быть применены для возбуждения ряда частот одновременно в каждой передающей антенне 1310-Т-1…1310-T-N или отдельных частот в антеннах 1310-Т-1…1310-Т-М передатчика. Принятые сигналы, соответствующие ряду частот, могут быть отделены с помощью фильтров на приемном конце в блоке 1322 сбора данных. Для каждой передающей антенны 1310-Т-1…1310-T-N принятые сигналы во всех приемниках 1314-1…1314-М могут быть записаны. Буфер 1324 данных может быть применен для хранения принятого сигнала для обработки.
Блок 1326 обработки данных может быть применен для выполнения инверсии или другой обработки данных. Обработка и инверсия могут быть продолжены в соответствии со средствами обработки, идентичными или подобными вариантам реализации, в данном документе. Операции инверсии могут включать сопоставление измерений с результатами моделирования, так что может быть определено значение или пространственное изменение физического свойства. Обычная операция инверсии может включать определение изменения электрической проводимости в пласте из измерений индуцированных электрических и магнитных полей. Другие методы, такие как прямое моделирование, имеют дело с расчетом ожидаемых наблюдаемых значений относительно заданной модели. В различных вариантах реализации изобретения процесс инверсии, проводимый относительно устройства 1300, может быть выполнен в скважине или в блоке анализа, таком как компьютер, на поверхности 1304 после передачи данных на поверхность 1304. Блок 1328 связи может передавать данные или результаты на поверхность 1304 для изучения и/или определения последующих действий, которые следует предпринимать во время буровых работ, связанных с измерениями, полученными устройством 1300. Данные и результаты также могут быть переданы другим приборам в скважине и применены для улучшения различных аспектов обнаружения и извлечения углеводородов.
Фигура 14 иллюстрирует вариант реализации типового метода обработки. Сигнал, полученный в приемниках, разделяют на различные азимутальные моды, а также калибруют для исключения эффектов дрейфа электронной аппаратуры или усиления, на этапе 1410. Затем выполняют азимутальную фокусировку сигнала с применением комбинации сигналов азимутальных мод, на этапе 1420. В некоторых конфигурациях, таких как конфигурация 1 Фигуры 5А и конфигурация 2 Фигуры 5В на Фигурах 6 и 7, соответственно, в связи с тем, что азимутальная чувствительность является одинаковой на разных радиальных расстояниях от прибора, ее можно успешно отделить от радиальной и осевой зависимости. Следующим этапом является радиальная фокусировка, и на этом этапе, этап 1430, радиальные характеристики объекта инвертируют с применением многопозиционных данных. На этапе осевой фокусировки, этап 1440, получают осевое изменение в пласте.
Радиальная и осевая фокусировка могут быть схожи с фокусировкой с применением известного программного обеспечения, которое обычно применяют в стандартных приборах многозондового индукционного каротажа. Фокусировка с применением программного обеспечения работает лучше всего в режиме работы прибора, где глубиной скин-слоя можно пренебречь или успешно исключить ее. Способ фокусировки с применением программного обеспечения может включать создание сигналов от контактного датчика и выполнение измерений в выбранных местах, а также применение линейности среды измерения для определения измеряемых величин, от известных взаимосвязей между полученным объектом (например, ток или напряжение для возбуждения передатчика) до измеряемых свойств (напряжение в приемнике) в среде измерения. В тех случаях, когда этот способ не отвечает требованиям, может быть применена прямая инверсия, на этапе 1450, с применением библиотеки, на этапе 1470, или метод простых итераций, на этапе 1460. Инверсия может включать сопоставление с эталоном, методы итераций или другие методы обращения. Методы инверсии для приборов индукционного каротажа хорошо известны и дополнительно не обсуждаются в данном документе. Порядок операций фокусировки и инверсии на Фигуре 14 может быть взаимозаменяемым, основываясь на применяемом методе.
Результаты алгоритма фокусировки и инверсии могут быть разными в разных видах применений вариантов реализации многополюсного прибора. В самом общем случае могут быть получены 3D профиль сопротивления R(r, φ, z), диэлектрическая проницаемость ε(r, φ, z) и диэлектрическая проницаемость μ(r, φ, z), как показано на этапе 1481. В анизотропных пластах, на этапе 1482, отдельно могут быть получены 3D горизонтальные и вертикальные свойства пласта, такие как анизотропное удельное сопротивление Rh(r, φ, z), Rv(r, φ, z), анизотропная диэлектрическая проницаемость εh(r, φ, z), εv(r, φ, z), анизотропная диэлектрическая проницаемость μh(r, φ, z), μv(r, φ, z) и анизотропные элементы залегания θ(r, φ, z), φ(r, φ, z). Этот общий анализ 3D профиля может использовать большое количество станций для достижения желаемого радиального разрешения.
b
b
b
b
b
b
b
b
Менее требовательная параметризация задачи предполагает, что пласт состоит из некруговых концентрических слоев, при этом свойства пласта являются одинаковыми в пределах каждого слоя. В этом случае свойства каждого слоя и расстояние до каждого слоя в зависимости от азимутального угла могут быть получены в виде расстояния до слоя d(i, φ, z), удельного сопротивления слоя R(i), диэлектрика слоя ε(i), проницаемости слоя μ(i), на этапе 1483. Альтернативный подход предполагает, что слои являются многослойными, а не концентрическими, для получения положения границы х, у, z: fcn(i, х, у, z)=0, удельного сопротивления слоя R(i), диэлектрика слоя ε(i) и проницаемости слоя μ(i), на этапе 1484.
b
b
i
f
b
i
f
b
i
f
c
r
Вариант реализации прибора можно также использовать для отображения характеристик призабойной зоны, таких как расстояние от стенки ствола буровой скважины и зона проникновения в виде расстояния до стенки ствола буровой скважины r(φ, z), удельное сопротивление ствола скважины, зоны проникновения, пласта R, R, R, диэлектрическая проницаемость ствола скважины, зоны проникновения, пласта ε, ε, ε, проницаемость ствола скважины, зоны проникновения, пласта μ, μ, μ, на этапе 1485. В этом случае расстояние между передатчиком и приемником может быть выбрано на уровне диаметра скважины для оптимизации. При КВБ для геонавигации расстояние до одного слоя может быть картировано. В этом случае прибор может находиться внутри пласта, форма границы покрывающей породы может быть построена в виде 3D изображения и это может помогать удерживать прибор в наиболее продуктивной зоне для обеспечения расстояния до покрывающей породы d(φ, z), удельного сопротивления покрывающей породы R(r, φ, z) и удельного сопротивления пласта R(r, φ, z), на этапе 1486. В геологии с соляным куполом возможно картирование формы поверхности соляного купола с применением расстояния до солянокупольной границы d(φ, z), на этапе 1487. В этом случае передающая и приемная станции могут быть расположены в разных стволах скважины.
Фигура 15 иллюстрирует вариант реализации типового метода обработки. Следующий метод может работать лучше всего в случаях низкого скин-эффекта, что происходит при работе на низких частотах, таких как у тросовых инструментов. На этапе 1510, принятый сигнал подвергают разделению и калибровке. Разделение и калибровка могут быть выполнены с применением, на этапе 1512, матрицы разделения и калибровки мод к исходным данным, как представлено
для обеспечения разделенных и откалиброванных данных сигналов, на этапе 1522. На этапе 1520, к разделенным/откалиброванным данным может быть применена азимутальная фокусировка. Азимутальная фокусировка может быть выполнена с применением синтетической развертки луча, на этапе 1524, к разделенным и откалиброванным данным сигнала. Результаты синтетической развертки луча могут быть подвергнуты обратной свертке, на этапе 1526. На этапе 1530, может быть выполнена инверсия для обеспечения картирования расстояний, при этом инверсия может быть выполнена с применением входных значений удельных сопротивлений известного слоя, на этапе 1532.
0
f
f
f
В связи с конструкцией или несовершенством передающей системы определенное возбуждение может создавать комбинацию различных азимутальных мод. Метод простого разделения может включать характеристику помех при испытании посредством подвешивания прибора в воздухе, при котором предполагается исследовать только прямой сигнал от той же моды. В этом случае все моды передачи активируют и все моды принимают. Эта активность обеспечивает матрицу связи V для комбинаций мод передачи и приема. Матрица связи может быть инвертирована и сохранена для последующего применения в разделении сигналов. Альтернатива для достижения калибровки заключается в размещении прибора в различных контрольных средах, известных в возбуждении лишь определенных мод, на этапе 1514. Одной из определенных альтернатив таких сред является среда с удельным сопротивлением R(r, φ, z)=Rcos(φπn/180). Эта среда идеально создает ненулевой сигнал для моды n и создает нулевой для всех других мод. На этапе 1516, можно выполнять измерение при моде n и матрица чувствительности по напряжению, V(n, n), может быть построена в зависимости от моды и азимутальной периодичности. На этапе 1518, может быть рассчитана матрица разделения и калибровки мод. Эта расчетная матрица может быть получена в виде обратного преобразования построенной матрицы чувствительности по напряжению.
f
f
0
f
-3
-2
-2
Фигура 16 иллюстрирует смешивание мод в связи с механическим дефектом при применении результатов моделирования с таким опорным пластом для различных опытных мод пласта n. Азимутальные положения датчиков смещают с их первоначальных позиций в случайном порядке с 0,1°, 1° и 5° среднеквадратическим отклонением. Верхняя фигура иллюстрирует десять реализаций положений датчиков со степенью случайности, описанной выше. Нижние фигуры иллюстрируют амплитуды мод в сигнале. Мода опорного пласта показана между двойными линиями. В идеальном случае с отличным размещением и балансировкой между и датчиками должна быть только мода между и линиями, а все другие моды должны быть нулевыми. Тем не менее, как можно увидеть из нижних фигур, небольшие отклонения в изготовлении прибора могут также вдобавок возбуждать другие моды. Например, в случае моды 10 опорного пласта и случайного отклонения, равного 1°, мода 10 возбуждается с диапазоном амплитуды, составляющим от 10 до 10. Тем не менее, все моды от 1 до 7 возбуждаются с нормированными амплитудами, составляющими от 10 до 1. Это означает, что прибор создает в 1000 раз больший нежелательный сигнал наряду с желаемым сигналом 10-й моды. Посредством расчета матрицы связи V(n, n) и ее инвертирования можно разделять отдельные моды. Эта операция не только разделяет моды, но и выполняет калибровку интенсивности сигнала и фазы. Можно использовать другой опорный пласт, такой как пласт, который изменяется между двумя значениями R(r, φ, z)=RSign(φπn/180). Это опытное пластовое распределение может быть более простым в обработке и применении для калибровки аппаратных средств прибора. Расчет матрицы разделения и калибровки, упомянутый выше, может быть применен до каротажа на поверхности. Он также может быть применен в скважине посредством встраивания и перемещения материала, который создает опорный сигнал в корпусе прибора.
Так как каждая азимутальная мода обеспечивает одну частоту в азимутальной области, можно комбинировать различные моды для получения сфокусированной кривой чувствительности. Для этой цели могут быть применены приведенные ниже формулы
l
f
s
b
ϕ
ϕ
ϕ
Здесь V представляет собой сигнал после азимутальной фокусировки, i, i и i представляют собой индексы глубины исследования, частоты и расстояния, φ представляет собой азимут фокусировки, N представляет собой максимальную азимутальную моду, N представляет собой количество различных фаз, применяемых в конфигурации прибора для одной и той же моды, Р представляет собой фазу, применяемую с индексом i, g представляет собой функцию Грина, которая содержит прибор и опорный пласт, как описано на этапе разложения выше. Функцию Грина и относящийся к ней коэффициент К применяют только в целях нормализации. Двух фаз N=2 достаточно для получения относящихся к каждой моде данных, как об амплитуде, так и о фазе.
b
Фигура 17 иллюстрирует результаты азимутальной фокусировки для различных азимутов фокусировки φ. Кривые 1771, 1772, 1773, 1774, 1775, 1776, 1777 и 1778 в 1D подграфиках Фигуры 17 указывают на геометрический фактор. Кривые 1781, 1782, 1783, 1784, 1785, 1786, 1787 и 1788 в 1D подграфиках Фигуры 17 указывают на комплексный геометрический фактор. На 2D фигурах и самой нижней 1D фигуре видно, что азимутальная фокусировка успешно достигнута.
импульс
При применении различных азимутов фокусировки можно сканировать пространство вокруг прибора. Недостаток выше обработки может включать рябь, которая мешает азимутальному поведению. Одним из способов удаления ряби является применение обратного фильтра. Этот фильтр может быть выполнен с учетом сначала отклика прибора в случае слабо ступенчатой (по азимуту) формации R(r, φ) с определениями, приведенными выше.
имп
l
f
s
b
Здесь d(r, φ) представляет собой функцию расстояния в зависимости вектора r и скалярного азимута φ. Если отклик прибора на импульсную среду, приведенную выше, представляет собой V(i, i, i, φ), операции по обратной свертке показаны на Фигуре 18. На этапе 1810, пласт моделируют с импульсным сопротивлением. На этапе 1820, рассчитывают напряжение, относящееся к импульсному сопротивлению. На этапе 1830, выполняют обратную свертку расчетного напряжения с измеренными данными напряжения.
Для прибора передатчик/приемник одной станции, если предполагается ступенчатый профиль пласта с известными удельными сопротивлениями и неизвестным расстоянием, таблица может быть построена с преобразованием уровня напряжения на каждом азимуте фокусировки в расстояние. Построение таблицы может быть выполнено с применением функции Грина в уравнении (2). С более подробной информацией инверсией может быть получено больше параметров. Если доступны несколько передающих и приемных станций, может быть получено больше параметров и может быть построена 3D карта истинного удельного сопротивления пласта.
Фигура 19 иллюстрирует применение варианта реализации прибора, как описано в данном документе. Такой прибор может обеспечивать околоскважинные свойства пласта и способствовать корректированию других электромагнитных характеристик прибора (на этапе 1920). Результаты инверсии также могут быть применены в геофизической/геомеханической интерпретации (на этапе 1930), особенно для большого радиуса исследования, где расстояние между передатчиком и приемником является большим (от 10 футов до 100 футов). По выходным данным прибора (на этапе 1910) можно построить настоящие 3D изображения пласта, обеспечивающие визуализацию (на этапе 1940) и применение ее в целях оценки всего пласта (на этапе 1950). В различных вариантах реализации изобретения многополюсный прибор может также картировать границы слоя вокруг пласта и помогать оптимизировать геонавигацию (на этапе 1960).
В различных вариантах реализации изобретения прибор на основании многополюсников, как описано в данном документе, может достигать большого количества азимутальных мод. Прибор может быть выполнен с возможностью применения под землей для достижения глубокой азимутальной фокусировки чувствительности. Может быть получена глубокая 3D визуализация пластов с азимутальным разрешением, которое выше 20°. Прибор может значительно улучшать геологическую оценку пластов и геонавигацию за счет точного картирования форм границы слоя. Прибор может также картировать профиль скважины и зоны проникновения гораздо глубже, чем этого можно было бы достичь при применении каверномера или приборов построения изображения.
а
Фигуры 20A-20D иллюстрируют четыре различных моделируемых случая возможности построения глубокого изображения по варианту реализации многополюсного прибора. Для моделирования фоновое удельное сопротивление принимается равным 10 Ом*м и показано на 2D графиках как пустое место. Удельное сопротивление отображаемого пласта составляет 1 Ом*м. Метод обработки, описанный со ссылкой на Фигуру 15, применяют с 2-й, 4-й, 6-й, 8-й и 10-й азимутальными модами и двумя фазами, как в уравнении (2). При моделировании применяют одну передающую станцию и одну приемную станцию, разделенные 20 футами с радиусом датчика =4 дюймов и частотой 25 кГц. При моделировании выбирают z-независимый профиль удельного сопротивления. Кривые 2061, 2063, 2065 и 2067 иллюстрируют фактическую границу профиля, в то время как кривые 2062, 2064, 2066 и 2068 иллюстрируют инвертированный образ границы профиля. Как видно из Фигур 20A-20D, вариант реализации многополюсного прибора, как описано в данном документе, может успешно строить изображение пласта вокруг прибора.
В различных вариантах реализации изобретения система может содержать: ряд передающих датчиков, расположенных на структуре прибора; ряд приемных датчиков, расположенных на структуре прибора, при этом приемный датчик выполнен с возможностью приема сигнала в ответ на выборочную активацию ряда передающих датчиков, так что ряд передающих датчиков, ряд приемных датчиков или как ряд передающих датчиков, так и ряд приемных датчиков включают один или более датчиков, структурированных в виде многополюсного датчика, и ряд передающих датчиков и ряд приемных датчиков могут быть расположены с возможностью создания глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка; и блок управления, расположенный с возможностью управления выборочной активацией ряда передающих датчиков и выборочного приема сигналов от ряда приемных датчиков в ответ на выборочную активацию.
Ряд передающих датчиков может включать один или более многополюсных датчиков передатчика и ряд приемных датчиков может включать один или более многополюсных датчиков приемника, при этом один или более многополюсных датчиков передатчика и один или более многополюсных датчиков приемника расположены с возможностью создания глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка. Кроме того, ряд передающих датчиков и ряд приемных датчиков могут быть расположены с возможностью установления глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка посредством применения комбинации магнитных диполей. Ряд передающих датчиков и ряд приемных датчиков могут быть расположены с возможностью установления глубокой азимутальной фокусировки посредством применения комбинации мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка.
Ряд передающих датчиков и ряд приемных датчиков могут иметь конфигурацию n передающих дипольных датчиков и n приемных дипольных датчиков, так что размещение n передающих дипольных датчиков и n приемных дипольных датчиков относительно структуры прибора, при условии ,  и  единичных векторов в цилиндрических координатах в радиальном, азимутальном направлении и направлении вдоль оси z, причем направление вдоль оси z -направление вдоль оси структуры прибора, задается формулами
а
где , , , ,  и  означают радиальное положение i-го передатчика, угловое положение i-го передатчика в градусах, вектор ориентации i-го передатчика, радиальное положение i-го приемника, угловое положение i-го приемника в градусах и вектор ориентации i-го приемника, соответственно, а , представляет собой расстояние от оси, на которой расположены передающие дипольные датчики и приемные дипольные датчики.
Ряд передающих датчиков и ряд приемных датчиков могут иметь конфигурацию n передающих дипольных датчиков и n приемных дипольных датчиков, так что размещение n передающих дипольных датчиков и n приемных дипольных датчиков относительно структуры прибора, при условии ,  и  единичных векторов в цилиндрических координатах в радиальном, азимутальном направлении и направлении вдоль оси z, причем направление вдоль оси z -направление вдоль оси структуры прибора, задается формулами
а
где , , , ,  и  означают радиальное положение i-го передатчика, угловое положение i-го передатчика в градусах, вектор ориентации i-го передатчика, радиальное положение i-го приемника, угловое положение i-го приемника в градусах и вектор ориентации i-го приемника, соответственно, а , представляет собой расстояние от оси, на которой расположены передающие дипольные датчики и приемные дипольные датчики.
Ряд передающих датчиков и ряд приемных датчиков могут иметь конфигурацию n передающих дипольных датчиков и только одного приемного датчика, так что размещение n передающих дипольных датчиков и только одного приемного датчика относительно структуры прибора, при условии ,  и  единичных векторов в цилиндрических координатах в радиальном, азимутальном направлении и направлении вдоль оси z, причем направление вдоль оси z - направление вдоль оси структуры прибора, задается формулами
а
где , , , ,  и означают радиальное положение i-го передатчика, угловое положение i-го передатчика в градусах, вектор ориентации i-го передатчика, радиальное положение i-го приемника, угловое положение i-го приемника в градусах и вектор ориентации i-го приемника, соответственно, а , представляет собой расстояние от оси, на которой расположены передающие дипольные датчики.
В другой типовой системе ряд передающих датчиков и ряд приемных датчиков, расположенных с возможностью создания глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка, могут содержать провод передатчика и провод приемника, выполненные с возможностью функционального управления в паре, при этом каждый из провода передатчика и провода приемника расположены в виде обмотки с периодическим шагом вокруг структуры прибора, при этом каждая обмотка с периодическим шагом содержит первый участок и второй участок, при этом второй участок направлен по азимуту обратно к первому участку, так что во время работы ток протекает в одном азимутальном направлении в первом участке и во втором участке. Обмотка с периодическим шагом может быть расположена в виде одного провода, имеющего два конца для соединения с источником, при этом второй участок сдвинут на 180° от первого участка относительно структуры прибора. Один провод может содержать сегменты провода, которые последовательно соединены. Первый участок и второй участок могут представлять собой отдельные провода, при этом первый участок имеет два конца для соединения с первым источником и второй участок имеет два конца для соединения со вторым источником, при этом второй участок сдвинут на 180° от первого участка относительно структуры прибора. Каждая обмотка с периодическим шагом может содержать проводку внутри структуры прибора. Обмотка с периодическим шагом, содержащая внутреннюю проводку, может быть выполнена в виде одного провода, имеющего два конца.
Типовая система может содержать две обмотки с периодическим шагом на структуре прибора, при этом каждая из двух обмоток с периодическим шагом имеет шаг, отличный друг от друга. Типовая система может содержать ряд проводов передатчика и ряд проводов приемника, выполненных с возможностью функционального управления в паре, при этом каждый провод передатчика и каждый провод приемника расположены в виде обмотки с периодическим шагом вокруг структуры прибора, при этом каждая обмотка с периодическим шагом содержит первый участок и второй участок, при этом второй участок направлен по азимуту обратно к первому участку, так что во время работы ток протекает в одном азимутальном направлении в первом участке и во втором участке, при этом каждая обмотка с периодическим шагом передатчика имеет шаг, равный шагу обмотки с периодическим шагом приемника, с которым он функционально состоит в паре, при этом по меньшей мере одна пара имеет шаг, отличный от шага другой пары. Провода передатчика могут быть расположены вдоль продольной оси структуры прибора в последовательном порядке относительно периодичности шага каждого передатчика и провода приемника могут быть расположены вдоль продольной оси структуры прибора в последовательном порядке относительно периодичности шага каждого приемника. Последовательный порядок как для проводов передатчика, так и проводов приемника может идти от наибольшего шага к наименьшему шагу в порядке размера шага. Обмотка провода передатчика с периодическим шагом может быть синусоидальной, треугольной или прямоугольной.
Типовая система может содержать блок обработки данных, подключенный к блоку управления, так что из созданного ряда мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка блок обработки данных может быть структурирован с возможностью искусственного сложения мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с установлением глубокой азимутальной фокусировки. Типовая система может содержать сумматор мод, подключенный к блоку управления, так что из созданного ряда мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка сумматор мод может быть структурирован с возможностью сложения мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с установлением глубокой азимутальной фокусировки.
При второй типовой системе ряд передающих датчиков и ряд приемных датчиков, расположенных с возможностью создания глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка, включают многоэлементные дипольные антенны, имеющие управляемую полярность, при этом блок управления расположен с возможностью выборочного управления полярностью многоэлементных дипольных антенн. Передающие датчики многоэлементных дипольных антенн могут быть расположены в передающей станции, где каждый передающий датчик находится в различном угловом положении по окружности структуры прибора, при этом передающая станция расположена в группе передающих станций. Многоэлементная дипольная антенна, выполненная в виде одного из приемных датчиков, может быть расположена в виде приемной станции в группе приемных станций. В одном варианте реализации изобретения приемная станция может иметь многоэлементные дипольные антенны, выполненные в виде приемных датчиков, при этом каждый приемный датчик приемной станции находится в различном угловом положении по окружности структуры прибора относительно других приемных датчиков в станции. Передающие станции и приемные станции могут быть расположены вдоль продольной оси прибора специально с возможностью обеспечения диапазона глубин исследования.
Ряд передающих датчиков может представлять собой магнитные диполи, выбранные из группы, включающей катушки и соленоиды, или ряд передающих датчиков может представлять собой электрические диполи, выбранные из группы, включающей проволочные антенны, тороиды и электроды. Передающие датчики могут включать тороид, имеющий обмотку, такую что плотность обмоток на тороиде меняется по азимуту.
Вторая типовая система может содержать блок обработки данных, подключенный к блоку управления, так что из созданного ряда мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка блок обработки данных может быть структурирован с возможностью искусственного сложения мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с установлением глубокой азимутальной фокусировки. Вторая типовая система может содержать сумматор мод, подключенный к блоку управления, так что из созданного ряда мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка сумматор мод может быть структурирован с возможностью сложения мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с установлением глубокой азимутальной фокусировки.
При третьей типовой системе ряд передающих датчиков и ряд приемных датчиков, расположенных с возможностью создания глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка, могут включать многоэлементные дипольные антенны, выполненные с возможностью управляемого вращения с помощью блока управления. Одна или более многоэлементных дипольных антенн могут быть выполнены в виде передающих датчиков, расположенных в кожухе, отличном от кожуха одной или более многоэлементных дипольных антенн, выполненных в виде приемных датчиков. Блок управления может быть выполнен с возможностью вращения одной или более многоэлементных дипольных антенн, выполненных в виде передающих датчиков, со скоростью вращения, отличной от скорости вращения одной или более многоэлементных дипольных антенн, выполненных в виде приемного датчика. В одном варианте реализации изобретения только одна из многоэлементных дипольных антенн работает как вращающийся датчик передатчика. Третья типовая система может содержать блок обработки данных, подключенный к блоку управления, так что из созданного ряда мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка блок обработки данных может быть структурирован с возможностью искусственного сложения мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с установлением глубокой азимутальной фокусировки. Третья типовая система может содержать сумматор мод, подключенный к блоку управления, так что из созданного ряда мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка сумматор мод может быть структурирован с возможностью сложения мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с установлением глубокой азимутальной фокусировки.
Различные варианты реализации системы могут включать блок обработки данных, выполненный с возможностью: разделения принятых сигналов на различные азимутальные моды и калибровки одного или более сигналов с созданием разделенных и откалиброванных данных сигнала; выполнения азимутальной фокусировки, радиальной фокусировки, осевой фокусировки и инверсии на основании разделенных и откалиброванных данных сигнала; и создания данных, относящихся к одному или более из ствола скважины и пласта.
В различных вариантах реализации изобретения способ может включать: активацию одного или более передающих датчиков прибора, расположенного в стволе скважины, для передачи в пласт; выборочный прием одного или более сигналов одним или более приемными датчиками прибора в ответ на передачу одним или более передающими датчиками, при этом один или более передающих датчиков, один или более приемных датчиков или как один или более передающих датчиков, так и один или более приемных датчиков включают один или более датчиков, структурированных в виде многополюсного датчика; и управление активацией и выборочным приемом с созданием глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка. Один или более передающих датчиков могут включать один или более многополюсных датчиков передатчика и один или более приемных датчиков могут включать один или более многополюсных датчиков приемника, при этом один или более многополюсных датчиков передатчика и один или более многополюсных датчиков приемника расположены с возможностью создания глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка. Создание глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка может включать установление глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с применением комбинации магнитных диполей. Создание глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка включает установление глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с применением комбинации мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка.
Один или более передающих датчиков и один или более приемных датчиков могут иметь конфигурацию n передающих дипольных датчиков и n приемных дипольных датчиков, так что размещение n передающих дипольных датчиков и n приемных дипольных датчиков относительно структуры прибора, при условии ,  и  единичных векторов в цилиндрических координатах в радиальном, азимутальном направлении и направлении вдоль оси z, причем направление вдоль оси z - направление вдоль оси структуры прибора, задается формулами
а
где , , , ,  и означают радиальное положение i-го передатчика, угловое положение i-го передатчика в градусах, вектор ориентации i-го передатчика, радиальное положение i-го приемника, угловое положение i-го приемника в градусах и вектор ориентации i-го приемника, соответственно, а , представляет собой расстояние от оси, на которой расположены передающие дипольные датчики и приемные дипольные датчики.
Один или более передающих датчиков и один или более приемных датчиков могут иметь конфигурацию n передающих дипольных датчиков и n приемных дипольных датчиков, так что размещение n передающих дипольных датчиков и n приемных дипольных датчиков относительно структуры прибора, при условии ,  и  единичных векторов в цилиндрических координатах в радиальном, азимутальном направлении и направлении вдоль оси z, причем направление вдоль оси z - направление вдоль оси структуры прибора, задается формулами
а
где , , , ,  и означают радиальное положение i-го передатчика, угловое положение i-го передатчика в градусах, вектор ориентации i-го передатчика, радиальное положение i-го приемника, угловое положение i-го приемника в градусах и вектор ориентации i-го приемника, соответственно, а , представляет собой расстояние от оси, на которой расположены передающие дипольные датчики и приемные дипольные датчики.
Один или более передающих датчиков и один или более приемных датчиков могут иметь конфигурацию n передающих дипольных датчиков и только одного приемного датчика, так что размещение n передающих дипольных датчиков и только одного приемного датчика относительно структуры прибора, при условии ,  и  единичных векторов в цилиндрических координатах в радиальном, азимутальном направлении и направлении вдоль оси z, причем направление вдоль оси z - направление вдоль оси структуры прибора, задается формулами
а
где , , , ,  и означают радиальное положение i-го передатчика, угловое положение i-го передатчика в градусах, вектор ориентации i-го передатчика, радиальное положение i-го приемника, угловое положение i-го приемника в градусах и вектор ориентации i-го приемника, соответственно, а , представляет собой расстояние от оси, на которой расположены передающие дипольные датчики.
В другом типовом способе один или более передающих датчиков и один или более приемных датчиков, расположенных с возможностью создания глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка, могут содержать провод передатчика и провод приемника, выполненные с возможностью функционального управления в паре, при этом каждый из провода передатчика и провода приемника расположены в виде обмотки с периодическим шагом вокруг структуры прибора, при этом каждая обмотка с периодическим шагом содержит первый участок и второй участок, при этом второй участок направлен по азимуту обратно к первому участку, так что во время работы ток протекает в одном азимутальном направлении в первом участке и во втором участке. Обмотка с периодическим шагом может быть расположена в виде одного провода, имеющего два конца для соединения с источником, при этом второй участок сдвинут на 180° от первого участка относительно структуры прибора. Первый участок и второй участок могут представлять собой отдельные провода, при этом первый участок имеет два конца для соединения с первым источником и второй участок имеет два конца для соединения со вторым источником, при этом второй участок сдвинут на 180° от первого участка относительно структуры прибора. В одном варианте реализации изобретения каждая обмотка с периодическим шагом может содержать проводку внутри структуры прибора.
В одном варианте реализации изобретения один или более передающих датчиков и один или более приемных датчиков могут содержать две обмотки с периодическим шагом на структуре прибора, при этом каждая из двух обмоток с периодическим шагом имеет шаг, отличный друг от друга. В одном варианте реализации изобретения один или более передающих датчиков и один или более приемных датчиков могут содержать ряд проводов передатчика и ряд проводов приемника, выполненных с возможностью функционального управления в паре, при этом каждый провод передатчика и каждый провод приемника расположены в виде обмотки с периодическим шагом вокруг структуры прибора, при этом каждая обмотка с периодическим шагом содержит первый участок и второй участок, при этом второй участок направлен по азимуту обратно к первому участку, так что во время работы ток протекает в одном азимутальном направлении в первом участке и во втором участке, при этом каждая обмотка с периодическим шагом передатчика имеет шаг, равный шагу обмотки с периодическим шагом приемника, с которым он функционально состоит в паре, при этом по меньшей мере одна пара имеет шаг, отличный от шага другой пары.
Типовой способ может включать создание ряда мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка и искусственное сложение мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с установлением глубокой азимутальной фокусировки. Типовой способ может включать создание ряда мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка и сложение, с применением сумматора мод, мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с установлением глубокой азимутальной фокусировки.
Во втором типовом способе создание глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка может включать выборочное управление полярностью многоэлементных дипольных антенн. Второй типовой способ может включать создание ряда мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка и искусственное сложение мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с установлением глубокой азимутальной фокусировки. Второй типовой способ может включать создание ряда мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка и сложение, с применением сумматора мод, мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с установлением глубокой азимутальной фокусировки.
В третьем типовом способе создание глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка может включать управляемое вращение ряда многоэлементных дипольных антенн. Управляемое вращение многоэлементных дипольных антенн может включать вращение только одного датчика передатчика. Третий типовой способ может включать создание ряда мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка и искусственное сложение мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с установлением глубокой азимутальной фокусировки. Третий типовой способ может включать создание ряда мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка и сложение, с применением сумматора мод, мод глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка с установлением глубокой азимутальной фокусировки.
Различные варианты реализации способа могут включать обработку одного или более сигналов, при этом обработка может включать: разделение одного или более сигналов на различные азимутальные моды и калибровку одного или более сигналов с созданием разделенных и откалиброванных данных сигнала; выполнение азимутальной фокусировки, радиальной фокусировки, осевой фокусировки и инверсии на основании разделенных и откалиброванных данных сигнала; и создание данных, относящихся к одному или более стволам скважины и пластам из выполненной азимутальной фокусировки, радиальной фокусировки, осевой фокусировки и инверсии. Разделение и калибровка одного или более сигналов могут включать: моделирование пласта с импульсным сопротивлением; создание моделированного напряжения сигнала из моделирования пласта с импульсным сопротивлением; и выполнение обратной свертки измеренного напряжения сигнала с моделируемым напряжением сигнала.
Различные варианты реализации способа могут включать перед развертыванием прибора в стволе скважины создание и хранение, в памяти, матрицы разделения и калибровки мод так, что один или более сигналов могут быть разделены и откалиброваны в процессе работы прибора в стволе скважины с применением матрицы разделения и калибровки мод, при этом матрицу разделения и калибровки мод создают посредством: работы прибора в известном пласте с азимутальной периодичностью; выполнения измерений при выбранной моде; построения матрицы чувствительности на основании измерений для выбранной моды и азимутальной периодичности; и инвертирования матрицы чувствительности.
Различные варианты реализации систем и способов действующей системы, как описано в данном документе, можно скомбинировать в ряд конфигураций. Комбинирование может включать перестановки средств систем, перестановки средств способов эксплуатации систем или перестановки средств систем и средств способов эксплуатации систем.
В различных вариантах реализации изобретения машиночитаемое запоминающее устройство может иметь команды, хранящиеся на нем, выполнение которых одним или более процессорами вычислительной машины приводит к выполнению вычислительной машиной операций, при этом операции включают любые из средств способов выполнения измерений с применением многополюсной индукции и анализа измерений в порядке, идентичном или подобном описанным в данном документе способам. Кроме того, машиночитаемое запоминающее устройство, в данном документе, представляет собой физическое устройство, которое хранит данные, представленные физической структурой устройства. Примеры машиночитаемых запоминающих устройств включают, без ограничения ими, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), запоминающее устройство на магнитных дисках, оптическое запоминающее устройство, флэш-память и другие электронные, магнитные и/или оптические запоминающие устройства.
В различных вариантах реализации изобретения система может содержать прибор, имеющий группу передатчиков и группу приемников; блок управления, выполненный с возможностью управления созданием сигналов от группы передатчиков и управления сбором принятых сигналов в группе приемников; и блок обработки данных, при этом прибор, блок управления и блок обработки данных структурированы с возможностью работы в соответствии с любым из средств способов выполнения измерений с применением многополюсной индукции и анализа измерений в порядке, идентичном или подобном способам, описанным в данном документе. Система может содержать одно или более машиночитаемых запоминающих устройств для выполнения одной или более из этих функций.
Фигура 21 иллюстрирует блок-схему средств варианта реализации системы 2100, содержащей сенсорный прибор 2105, имеющий конфигурацию передатчиков и приемников, выполненных в виде многополюсного прибора индукционного каротажа. Конфигурации передатчиков 2110-1 и приемников 2110-2 сенсорного прибора 2105 могут быть реализованы идентично или подобно конфигурациям, описанным в данном документе. Конфигурации могут содержать одну или более пар антенн передатчика-приемника, выполненных с возможностью выборочного управления созданием глубокой азимутальной чувствительности высокого порядка. Например, управление одной или более парами антенн передатчика-приемника может включать, без ограничения ею, выборочную полярность передатчика и приемника в парах антенн передатчика-приемника.
Система 2100 может также содержать контроллер 2141, память 2142, электронную аппаратуру 2143 и блок 2145 связи. Контроллер 2141, память 2142 и блок 2145 связи могут быть расположены с возможностью работы сенсорного прибора 2105 в виде многополюсных антенн для обеспечения азимутальных мод более высокого порядка. Контроллер 2141, память 2142 и электронная аппаратура 2143 могут быть выполнены с возможностью управления активацией антенн 2110-1 передатчика и выбора антенн 2110-2 приемника в сенсорном приборе 2105, а также управления схемами обработки в соответствии с методиками измерений и обработки сигналов, как описано в данном документе. Блок 2145 связи может содержать скважинные средства связи в процессе бурения. Такие скважинные средства связи могут включать телеметрическую систему.
Система 2100 может также содержать шину 2147, при этом шина 2147 обеспечивает электрическую проводимость между компонентами системы 2100. Шина 2147 может включать шину адреса, шину данных и шину управления, каждая из которых независимо сконфигурирована. Шина 2147 может также использовать общие проводящие линии для предоставления одного или более параметров из адреса, данных или управления, применение которых можно регулировать с помощью контроллера 2141. Шина 2147 может быть сконфигурирована так, что компоненты системы 2100 распределены. Такое распределение может быть организовано между скважинными компонентами, такими как передатчики 2110-1 и приемники 2110-2 сенсорного прибора 2105, и компонентами, которые могут быть расположены на поверхности скважины. В альтернативном варианте компоненты могут быть совместно расположены, например, на одной или более утяжеленных бурильных трубах бурильной колонны или на проводной структуре.
В различных вариантах реализации изобретения периферийные устройства 2146 могут включать дисплеи, дополнительные запоминающие устройства и/или другие устройства управления, которые могут работать в сочетании с контроллером 2141 и/или памятью 2142. В одном варианте реализации изобретения контроллер 2141 может быть выполнен в виде одного или более процессоров. Периферийные устройства 2146 могут иметь дисплей с командами, хранящимися в памяти 2142, для реализации интерфейса пользователя для управления работой сенсорного прибора 2105 и/или компонентов, распределенных по системе 2100. Такой интерфейс пользователя может работать в сочетании с блоком 2145 связи и шиной 2147. Различные компоненты системы 2100 могут быть совмещены с сенсорным прибором 2105 так, что обработка, идентичная или подобная схемам обработки, рассмотренным относительно различных вариантов реализации в данном документе, может быть выполнена в скважине вблизи измерений или на поверхности.
Фигура 22 иллюстрирует вариант реализации системы 2200 на буровой площадке, при этом система 2200 содержит прибор 2205, оснащенный датчиками, выполненными в виде системы многополюсных антенн. Блок управления и блок обработки данных прибора 2205 могут быть распределены между системой 2200 или могут быть совмещены с прибором 2205, обеспечивая проведение управления и анализа в скважине. Прибор 2205 может быть выполнен подобно или идентично конфигурациям и обработке, описанным в данном документе, для выполнения измерений в стволе скважины и обработки сигналов и данных, созданных из сигналов, принятых в приборе 2205.
Система 2200 может содержать буровую установку 2202, расположенную на поверхности 2204 скважины 2206, и колонну бурильных труб, то есть бурильную колонну 2208, соединенных друг с другом так, чтобы образовывать бурильную колонну, которую опускают с помощью ротора 2207 буровой установки в ствол скважины или скважину 2212. Буровая установка 2202 может обеспечивать поддержку бурильной колонны 2208. Бурильная колонна 2208 может работать с прохождением ротора 2207 буровой установки для бурения скважины 2212 через подземные пласты 2214. Бурильная колонна 2208 может содержать бурильную трубу 2218 и компоновку низа бурильной колонны 2220, расположенные в нижней части бурильной трубы 2218.
Компоновка низа бурильной колонны 2220 может содержать утяжеленную бурильную трубу 2215, прибор 2205, прикрепленный к утяжеленной бурильной трубе 2215, и буровое долото 2226. Буровое долото 2226 может работать с созданием скважины 2212 посредством прохождения в поверхность 2204 и подземные пласты 2214. Прибор 2205 может быть структурирован для реализации в скважине 2212 в виде системы ИПБ, такой как система КВБ. Корпус, содержащий прибор 2205, может содержать электронные устройства для активации одного или более передатчиков прибора 2205 и сбора откликов от одного или более приемников прибора 2205. Такие электронные устройства могут включать блок обработки данных для обеспечения анализа пласта, анализа скважины или их комбинаций на поверхность через стандартный механизм связи для эксплуатации скважины. В альтернативном варианте электронные устройства могут включать коммуникационный интерфейс для обеспечения выхода сигналов с помощью приемников прибора 2205 на поверхность через стандартный механизм связи для эксплуатации скважины, при этом эти выходные сигналы могут быть проанализированы в блоке обработки данных на поверхности для обеспечения анализа пласта, анализа скважины или их комбинаций.
Во время буровых работ бурильная колонна 2208 может вращаться с помощью ротора 2207 буровой установки. Дополнительно или в альтернативном варианте компоновка 2220 низа бурильной колонны также может вращаться с помощью двигателя (например, гидравлического забойного двигателя), который расположен в скважине. Утяжеленные бурильные трубы 2215 могут быть применены для утяжеления бурового долота 2226. Утяжеленные бурильные трубы 2215 могут также упрочнять компоновку 2220 низа бурильной колонны для обеспечения возможности компоновке 2220 низа бурильной колонны передавать дополнительный вес буровому долоту 2226 и, в свою очередь, способствовать проникновению бурового долота 2226 в поверхность 2204 и подземные пласты 2214.
Во время буровых работ буровой насос 2232 может качать буровой раствор (иногда известный специалистам в данной области техники как "промывочная жидкость") из бака 2234 для бурового раствора через шланг 2236 в бурильную трубу 2218 и вниз к буровому долоту 2226. Буровой раствор может вытекать из бурового долота 2226 и возвращаться на поверхность 2204 через затрубное пространство 2240 между бурильной трубой 2218 и стенками скважины 2212. Затем буровой раствор может быть возвращен в бак 2234 для бурового раствора, где такой флюид фильтруют. В некоторых вариантах реализации изобретения буровой раствор может быть применен для охлаждения бурового долота 2226, а также для обеспечения смазки бурового долота 2226 во время буровых работ. Кроме того, буровой раствор может быть применен для удаления бурового шлама 2214 подземного пласта, полученного при работе бурового долота 2226.
В различных вариантах реализации изобретения прибор 2205 может быть включен в корпус 2270 прибора, соединенный с каротажным кабелем 2274, таким как, например, для применения при спуске приборов в скважину. Корпус 2270 прибора, содержащий прибор 2205, может содержать электронные устройства для активации одного или более передатчиков прибора 2205 и сбора откликов от одного или более приемников прибора 2205. Такие электронные устройства могут включать блок обработки данных для предоставления анализа пласта, анализа скважины или их комбинаций на поверхность через стандартный механизм связи для эксплуатации скважины. В альтернативном варианте электронные устройства могут включать коммуникационный интерфейс для предоставления выхода сигналов с помощью приемников прибора 2205 на поверхность через стандартный механизм связи для эксплуатации скважины, при этом эти выходные сигналы могут быть проанализированы в блоке обработки данных на поверхности для обеспечения анализа пласта, анализа скважины или их комбинаций. Каротажный кабель 2274 может быть выполнен в виде проводной (многожильные линии электропередачи и связи), одинарной (одножильная) и/или канатной (без проводников для электропередачи и связи) или другой подходящей структуры для применения в скважине 2212.
Приборы и способы, которые применяют многополюсные антенны, идентичные или подобные вариантам реализации, описанным в данном документе, можно использовать для получения глубокой азимутальной фокусировки электромагнитных волн и построения глубоких 3D изображений электромагнитных свойств пластов одной скважины. Это может обеспечивать возможность новых областей применения геологического анализа профиля, а также значительного улучшения оценки пластов. Данные от этого прибора могут быть применены для оптимизации операций бурения и добычи.
Хотя конкретные варианты реализации изобретения были проиллюстрированы и описаны в данном документе, специалистам в данной области техники следует принимать во внимание, что любая конфигурация, рассчитанная для достижения той же цели, может быть заменена конкретными и вариантами реализации изобретения. Различные варианты реализации изобретения применяют перестановки и/или комбинации вариантов реализации, описанных в данном документе. Следует понимать, что приведенное выше описание предназначено для иллюстрации, а не ограничения, и что фразеология или терминология, используемые в данном документе, носят описательный характер. Комбинации упомянутых выше и других вариантов реализации изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники после изучения приведенного выше описания.