ГЛУБИННЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СКРЕЩЕННЫХ МАГНИТНЫХ ДИПОЛЕЙ
DEEP ELECTROMAGNETIC MEASUREMENTS USING CROSS MAGNETIC DIPOLES

Область техники
Настоящее изобретение относится к области геоэлектрической разведки. Более конкретно, изобретение относится к методам, в которых приборы, снабженные антенными системами, содержащими скрещенные магнитные диполи, используются для улучшения глубинных электромагнитных измерений и формирования изображений.
Предшествующий уровень техники
Методы электромагнитного индукционного каротажа и регистрации распространения хорошо известны в области разведки и добычи углеводородов. Типовой электромагнитный каротажный прибор содержит передающую антенну и одну или более (в типовом случае пару) приемных антенн, расположенных на расстоянии от передающей антенны вдоль оси каротажного прибора. Приборы размещаются в заглубленном пласте, через который проходит скважина, для измерения электрической проводимости (или инверсного ей удельного сопротивления) пласта. Электромагнитная (ЭМ) энергия, излученная передатчиком, взаимодействует со скважинным флюидом («буровым раствором») и окружающей породой для формирования сигналов, которые обнаруживаются и измеряются приемником (приемниками). Путем обработки данных обнаруженных сигналов с использованием алгоритмов и моделей инверсии, хорошо известных в технике, получают профиль скважины или свойства породы.
Специалистами в области геологии и петрофизики уже давно осознана необходимость визуального анализа керна полной скважины, извлеченного из зон, представляющих интерес, для оценки сложных или тонкослойных (также называемых пластовыми) продуктивных пластов и для содействия открытию месторождений углеводородов. В течение нескольких лет разрабатывались методы измерения «микросопротивления» с высоким разрешением для содействия обнаружению углеводородов в продуктивных зонах горизонта с низким удельным сопротивлением. Измерения с высоким разрешением позволили улучшить оценку резервов таких продуктивных пластов.
TM
TM
TM
TM
Каротажные микрозонды сопротивления были разработаны для приложений колонкового бурения со съемным керноприемником и измерений в процессе бурения. Примеры каротажных микрозондов сопротивления для колонкового бурения со съемным керноприемником включают в себя инструмент Formation MicroScanner (микрозонд пласта) и инструмент Fullbore Formation Microimager (FMI) (микроформирователь изображений породы всей скважины), производимые компанией Schlumberger. Электромагнитные инструменты каротажа в процессе бурения (LWD), обеспечивающие возможность формирования подповерхностных изображений, описаны в патенте США 5235295. Патент '295 описывает LWD-инструмент, который может измерять удельное сопротивление на головке бура. Примерами инструментов, основанных на этом и других связанных с ним принципов, являются инструменты типов RAB («удельное сопротивление на головке бура») и GVR («удельное сопротивление при геонаблюдении»), выпускаемые компанией Schlumberger. Эти инструменты могут обеспечивать формирование изображений удельного сопротивления в скважине для пробуриваемой породы продуктивного пласта.
Первые методы на основе микрозондов сопротивления были реализованы для использования с проводящими буровыми растворами обычно смеси соленой воды и взвешенных твердых частиц для управления плотностью бурового раствора. Эти электромагнитные инструменты были спроектированы для исследования породы ниже зоны проникновения фильтрата бурового раствора, когда скважина пробуривается с использованием бурового раствора на водной основе. Все больше новых скважин в настоящее время пробуривается с использованием бурового раствора на химической основе, содержащего химические присадки, которые формируют и оставляют тонкую непроницаемую глинистую корку и обычно препятствуют существенному проникновению в проницаемую зону вокруг скважины. Синтетические буровые растворы также введены в промышленности. Первые разработанные микрозонды сопротивления основывались на низкочастотных электродных устройствах, которые не вполне подходят для скважин, пробуриваемых с использованием бурового раствора на химической основе.
Разработаны обычные каротажные инструменты для обеспечения подповерхностных изображений в скважинах, пробуриваемых с использованием бурового раствора на химической основе. В патентах США 3973181, 6191588 и 6600321 описаны инструменты, обеспечивающие возможность операций формирования изображений при использовании бурового раствора на химической основе. В то время как достигнут некоторый прогресс в разработке инструментов, используемых с буровым раствором на химической основе, спускаемых в скважину на тросе, разработка электромагнитных инструментов, пригодных для операций измерения в процессе бурения с использованием бурового раствора на химической основе, относительно задерживается. Существует потребность в усовершенствованных электромагнитных методах формирования изображений и каротажа с использованием буровых растворов на химической основе.
Сущность изобретения
Изобретение обеспечивает инструмент для определения подповерхностных свойств. Инструмент содержит удлиненный корпус, имеющий продольную ось и предназначенный для размещения в глубинной скважине. В корпусе размещается передатчик, предназначенный для передачи электромагнитной энергии. На корпусе также размещен приемник на расстоянии менее шести дюймов (15 см) от передатчика, предназначенный для приема электромагнитной энергии. Передатчик или приемник содержит, по меньшей мере, одну антенну, причем ее ось наклонена относительно продольной оси корпуса.
Изобретение обеспечивает способ для определения подповерхностных свойств с использованием инструмента, выполненного с возможностью размещения в скважине, пересекающей почвенный пласт, причем инструмент содержит удлиненный корпус, имеющий продольную ось и содержащий передатчик и приемник, расположенные в корпусе, причем приемник расположен на расстоянии менее шести дюймов (15 см) от передатчика и предназначен для приема электромагнитной энергии, при этом передатчик или приемник содержит, по меньшей мере, одну антенну, ось которой наклонена относительно продольной оси корпуса. Способ включает возбуждение передатчика для излучения электромагнитной энергии, получение с помощью приемника результата глубинного электромагнитного измерения и определение подповерхностных свойств с использованием результата электромагнитного измерения.
Другие аспекты и преимущества изобретения раскрыты в последующем описании и пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - известная система каротажа в процессе бурения.
Фиг.2 - вариант выполнения датчика в соответствии с изобретением.
Фиг.3А-3С иллюстрируют различные антенны датчиков по фиг.2.
Фиг.4 - антенна датчика, выполненная на изолированном листе в соответствии с изобретением.
Фиг.5 - вариант датчика со скрещенными диполями согласно изобретению.
Фиг.6 - другой вариант датчика со скрещенными диполями согласно изобретению.
Фиг.7 - трубчатый корпус скважинного инструмента, содержащий множество вариантов осуществления датчика согласно изобретению.
Фиг.8 - боковая проекция векторных компонент и эффективного магнитного момента для варианта осуществления датчика согласно изобретению.
Фиг.9 - схематичное представление трубчатого корпуса скважинного инструмента, реализующего вариант осуществления датчика согласно изобретению.
Фиг.10 - фронтальная проекция схемы конфигурации датчика по фиг.9, включающая в себя механизм экранирования согласно изобретению.
Фиг.11 - вариант осуществления датчика клиновидной формы согласно изобретению.
Фиг.12 - поперечное сечение датчика клиновидной формы согласно изобретению, расположенного в полости в трубчатом корпусе и включающего в себя защитный экран для использования в скважине.
Фиг.13 - схематичное представление механизма экранирования на трубчатом корпусе для накрытия датчика, выполненного согласно изобретению.
Фиг.14 - схематичное представление пары датчиков, предназначенных для трехосных измерений в соответствии с изобретением.
Фиг.15 - скважинный инструмент для каротажа в процессе бурения, имеющий выдвижные плунжеры, которые содержат датчики, выполненные в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
TM
Фиг.16А - вид в сечении инструмента PowerDrive  при бурении скважины.
TM
Фиг.16В - вариант осуществления датчика согласно изобретению, расположенного на выдвигаемой колодке инструмента PowerDrive.
Фиг.17 - трубчатый корпус скважинного инструмента, имеющий выступающую секцию, содержащую датчик, выполненный согласно изобретению.
Фиг.18 - метод нахождения угла наклонения наклонной плоскости с использованием датчиков согласно изобретению.
Фиг.19 - блок-схема способа подповерхностного формирования изображений, соответствующего изобретению.
Детальное описание
Электромагнитные (ЭМ) датчики каротажа могут быть основаны на электрических диполях (использующих металлические электроды) или магнитных диполях (использующих антенны или резонаторы на ОВЧ). Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к датчикам на основе магнитных диполей для подповерхностного формирования изображений, обнаружения границ, дефектов, трещин, наклонных пластов и для определения расстояний до стенок скважин. Термин «датчики», как он используется в настоящем описании, предполагается включающим в себя ЭМ приемопередающую систему. В совместно поданной заявке № 10/674,179 от 29 сентября 2003 г. на «Устройство и способ для формирования изображений скважин, пробуриваемых с использованием бурового раствора на химической основе» на имя Tabanou et al. и переуступленной правопреемнику настоящего изобретения, раскрыты инструменты и способы, основанные на использовании датчиков на электрических диполях для измерений удельных сопротивлений в скважинах, пробуриваемых с использованием бурового раствора на химической основе.
Обычные ЭМ передатчики и приемники состоят из катушек или петлевых антенн, смонтированных на держателе. Катушка, несущая ток, может быть представлена как магнитный диполь, имеющий магнитный момент, пропорциональный току и площади, охватываемой катушкой. Направление и величина момента магнитного диполя могут быть представлены вектором, перпендикулярным области, охватываемой катушкой. Типовые скважинные инструменты оснащены катушками типа цилиндрического соленоида, состоящими из одного или более витков изолированного проводящего провода. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что одна и та же антенна может быть использована в качестве передатчика в один момент времени и в качестве приемника в другой момент времени. Также понятно, что конфигурации передатчиков-приемников, раскрытые в настоящем описании, являются взаимообратными, вследствие принципа взаимности, то есть «передатчик» может быть использован в качестве «приемника» и наоборот. Варианты осуществления изобретения пригодны для работы на высоких частотах (например, 1-500 МГц, предпочтительно 2-100 МГц и наиболее предпочтительно примерно на 50 МГц) и содержат антенные решетки с малым разносом между элементами (например, промежутки между передатчиком и приемником составляют порядка 1 дюйма (2,54 см)).
Высокочастотный режим работы совместно с малыми промежутками между элементами решетки позволяют датчикам, соответствующим изобретению, обеспечивать изображения с высоким разрешением в ближних зонах скважин. В вариантах осуществления изобретения используется преимущество, заключающееся в проникновении бурового раствора в пласт, для обеспечения чувствительного средства для обнаружения геофизических изменений. Проникновение бурового раствора в пласт обеспечивает относительно равномерный фон (в отношении удельного сопротивления) в зоне проникновения; при этом относительно равномерный фон упрощает обнаружение малых изменений. Таким образом, в то время как проникновение бурового раствора в пласт создает проблему в традиционных операциях каротажа, направленных на получение «абсолютных» удельных сопротивлений пласта, оно обеспечивает точное с высоким разрешением формирование изображения скважины в соответствии с вариантами осуществления изобретения за счет использования «относительных» удельных сопротивлений.
На фиг.1 показана типовая система каротажа в процессе бурения (LWD-система), которая содержит буровую установку 10, размещенную над скважиной 11. Узел скважинного инструмента, который включает в себя бурильную колонну 12 и головку 15 бура, расположен в скважине 11. Бурильная колонна 12 и головка 15 поворачиваются за счет вращения ведущей бурильной трубы 17, связанной с верхним концом бурильной колонны 12. Ведущая бурильная труба 17 и бурильная колонна 12 подвешены на крюке 18, связанном с ведущей бурильной трубой 17 путем поворотного шарнирного соединения 19. Буровой раствор 6 накапливается в резервуаре 7 и прокачивается через центр бурильной колонны 12 с помощью насоса 9 бурового раствора для протекания его вниз. После циркуляции через головку 15 бура буровой раствор циркулирует в направлении вверх через кольцевое пространство между скважиной 11 и внешней стороной бурильной колонны 12. Поток бурового раствора 6 обеспечивает смазку и охлаждение головки 15 бура и поднимает выбуренную головкой 15 бура горную породу на поверхность для сбора и удаления. Как показано, каротажный инструмент 14 соединен с бурильной колонной 12. Сигналы, измеренные каротажным инструментом 14, могут быть переданы в компьютерную систему 13, находящуюся на поверхности, или могут быть сохранены в памяти (не показана) в составе инструмента 14. Каротажный инструмент 14 может включать в себя один или более датчиков согласно настоящему изобретению, как описано ниже.
z
x
z
x
Датчики в соответствии с вариантами осуществления изобретения предназначены для обеспечения ЭМ измерений в широком диапазоне условий. На фиг.2 показан вариант осуществления датчика 20 согласно изобретению, размещенного в скважинном инструменте 22. Датчик 20 содержит передатчик Т и приемник R со скрещенными магнитными диполями. Передатчик Т содержит две антенны, установленные в ортогональных направлениях, так что их магнитные моменты ориентированы в продольном (M) и поперечном (M) направлениях. Приемник R также содержит две антенны, установленные в тех же самых направлениях, так что их магнитные моменты ориентированы в тех же самых продольном и поперечном (M и M) направлениях. В таком датчике каждая из двух передающих антенн может быть объединена с каждой из двух приемных антенн для получения четырех решеток для измерения взаимных ЭМ связей. Эти измерения обеспечивают возможность определения обнаружения наклонов пластов, дефектов, границ залегания пластов, расстояний до стенок скважин, даже если скважина пробуривается с использованием резистивного бурового раствора (например, с использованием бурового раствора на химической основе). Вариант осуществления по фиг.2 показывает датчик 20, погруженный в соответствующий изолирующий материал 24 (например, композитный термореактивный или термопластичный материал на основе высокотемпературного стекловолокна), размещенный в полости 26, образованной в корпусе 22 инструмента.
Работа датчика 20 по фиг.2 наилучшим образом может быть пояснена при рассмотрении отдельно передающей и приемной решеток. На фиг.3А-3С показаны три простые решетки, которые содержат компоненты датчика 20. Каждая из этих решеток может использоваться, при необходимости, отдельно или в комбинации для обеспечения конкретных измерений для формирования изображений полностью в пределах бурового раствора.
z
х
xz
zx
На фиг.3А показана простая решетка, в которой передающая антенна Т имеет магнитный момент (M), по существу совпадающий с направлением продольной оси инструмента (показана пунктирной линией), в то время как приемная антенна R имеет магнитный момент (М), по существу перпендикулярный продольной оси инструмента. Конфигурация взаимной решетки показана на фиг.11. Измерения с использованием скрещенных диполей (т.е. V±V), получаемые с помощью этих измерительных решеток, обеспечивают полезную информацию, пригодную для формирования изображений методом, основанным на использовании бурового раствора на химической основе. Поскольку типовые формации имеют осажденные слои с различными удельными сопротивлениями, такая измерительная решетка будет обнаруживать сигнал на границе залегания пластов.
xz
zx
xz
zx
xz
zx
Обычные измерения V или V в общем случае нечувствительны к границам пластов в вертикальных скважинах, но чувствительны к отклонениям от стенки ствола скважины и проникновению фильтрата бурового раствора в пласт. Измеренная величина (V-V) становится чувствительной к границам в вертикальных скважинах, но отклик по-прежнему преобладающим образом определяется отклонением и проникновением. С другой стороны, измеренная величина (V+V) менее чувствительна к отклонению и дает нулевой отсчет, если между передатчиком и приемником нет границы.
zx
xz
zx
xz
Измерения (V+V) позволяют обнаружить горизонтальные границы пластов. Измерения (V-V) позволяют определить расстояние между измерительной решеткой и стенкой скважины. Величина сигнала датчика более явно выражена в формациях с относительными наклонами и сдвигами. Таким образом, такая решетка, в частности, пригодна для формирования изображений границ пластов в формациях с наклонными плоскостями. Кроме того, нулевой отсчет такой решетки может использоваться для подтверждения наличия границы пласта или плоскостей залегания пласта в измерениях, полученных с использованием других решеток.
х
х
xx
На фиг.3В показана простая решетка, имеющая передающую антенну Т и приемную антенну R, установленную в том же направлении, так что их магнитные моменты (М и М) по существу перпендикулярны продольной оси инструмента. Такая решетка обеспечивает измерения V, пригодные для обнаружения горизонтальной границы пласта и обнаружения наклона пласта. При такой решетке вихревые токи индуцируются в плоскостях, параллельных продольной оси инструмента. Таким образом, вихревые токи протекают вверх и вниз в вертикальной скважине (т.е. через слои осадочных горных пород). Когда пересекается граница пласта, измерение, выполняемое такой решеткой, формирует заметный отклик. Это обусловлено нарушением непрерывности плотности тока на границе между пластами. Датчик будет чувствительным к различиям в удельном сопротивлении слоев осадочных пород, когда он проходит через границу, т.е. область чувствительности определяется разнесением между передатчиком и приемником. Варианты осуществления изобретения могут использовать разнос между элементами решетки порядка 2 дюймов (5 см) или меньше, предпочтительно около 1 дюйма (2,54 см) или меньше. Такая конфигурация решетки чувствительна к границам пластов независимо от наличия или отсутствия плоскостей наклона залегания пластов, при условии, что соседние пласты обнаруживают различия в удельном сопротивлении. Величины сигналов, обнаруживаемых датчиком 20, соответствуют отношению проводимостей соседних пластов.
z
z
zz
На фиг.3С показана решетка, имеющая передающую антенну Т и приемную антенну R, установленные в одном и том же продольном направлении, так что обе они имеют продольные магнитные моменты (M, M). Такая решетка обеспечивает измерения V подобно обычному ЭМ каротажному инструменту и индуцирует вихревые токи, протекающие в контурах, перпендикулярных продольной оси инструмента. Эта конфигурация обеспечивает измерение удельного сопротивления для формаций вокруг скважины. Ввиду короткой зоны измерений для этой решетки на результаты измерений удельного сопротивления, полученные из этих отсчетов, главным образом влияет проникновение фильтрата бурового раствора.
Как описано выше, каждая решетка обеспечивает полезную информацию в различных ситуациях. Комбинация результатов измерений, полученных от решеток, позволяет датчику 20 обеспечивать полезную информацию в широком диапазоне условий в скважине, типов бурового раствора и ориентаций. Четыре простых магнитных диполя датчика 20 обеспечивают четыре измерения, которые могут быть представлены как матрица V напряжений вида:
xx
xz
xx
zz
xx
zz
x0
В этой записи решетка, показанная на фиг.3А, обеспечивает компоненту v, которая подобна компоненте v, которая была бы обеспечена подобной решеткой, имеющей поперечный передатчик и продольный приемник. Решетки, показанные на фиг.3 В и 3С, соответственно обеспечивают компоненты v и v. Компонента v является чувствительной к границам пластов, независимо от наличия или отсутствия плоскостей наклона, в то время как компонента v главным образом чувствительна к обусловленному проникновением фильтрата бурового раствора удельному сопротивлению (R). Имея эти четыре магнитных диполя, датчик 20 может обеспечить изображения высокого разрешения скважины, а также информацию о сдвигах, трещинах, наклонных плоскостях и электрическом удельном сопротивлении промытой зоны.
Заметим, что четыре измерения в одном местоположении скважины (при вертикальном зондировании) могут быть получены путем селективного возбуждения передатчиков в решетках и регистрации обнаруженных сигналов приемника (временное мультиплексирование). Альтернативным методом является возбуждение двух или более передатчиков на различных частотах, так что обнаруженные сигналы могут различаться на основе частоты (частотное мультиплексирование). Заметим, что также можно комбинировать использование временного и частотного мультиплексирования в одной операции. Поворот инструмента (например, в методе LWD), включающего в себя датчик 20, обеспечивает измерения для формирования изображений по азимуту.
Ниже представлена математическая теория, лежащая в основе измерений с использованием скрещенных диполей (например, передатчика Т и приемника R, показанных на фиг.3А). Для передатчика (передающей антенны), несущего ток I, напряжение V, измеряемое в приемнике, может быть выражено через тензорный передаточный импеданс :
T
R
Передающая антенна имеет момент магнитного диполя, ориентированный вдоль единичного вектора u; приемная антенна ориентирована вдоль u. Передаточный импеданс  имеет следующее свойство симметричности:
Т
где верхний индекс  обозначает транспонированный тензор.
x
y
z
X
Y
Z
Z
Вводятся два набора ортогональных единичных векторов: u, u, u для формации и u, u, u для координат инструмента, где u направлен вдоль оси симметрии инструмента. Ось z перпендикулярна слоям, ориентированным вверх. Ось инструмента находится в плоскости x-z. Угол наклонения обозначен α, тогда:
Симметрированное измерение с использованием скрещенных диполей в координатах инструмента может быть трансформировано в координаты формации следующим образом:
ZX
XZ
Таким образом, получен тот же результат в координатах инструмента, что и в координатах формации. Можно заключить, что это измерение не чувствительно к относительному наклону и анизотропии, поскольку связь V-V нечувствительна к ним.
Передающая и приемная антенны согласно изобретению миниатюризованы по сравнению с обычными датчиками. Как таковые эти датчики могут быть реализованы на печатной плате. На фиг.4 показан вариант осуществления измерительной антенны 28 согласно изобретению. В этом варианте осуществления катушка 30 размещена на изолирующей подложке 32, соответствующей желательной конфигурации для формирования гибкой схемы. Катушка (катушки) 30 могут быть сформированы из любого подходящего электрического проводника, включая провод или металлическую пленку. Адгезивы (полиимиды, эпоксидные смолы, акриловые соединения) могут быть использованы для прикрепления проводника к изолирующей подложке. Альтернативным образом, катушки могут быть сформированы нанесением проводящих пленок на изолирующие листы, как известно в технике. Проводники 34 обеспечивают соответствующее электрическое соединение для возбуждения катушки 30.
Изолирующая подложка может быть любой неэлектропроводной или диэлектрической пленочной подложкой, такой как полиимидная пленка, имеющая толщину, выбранную для обеспечения изгиба или сгибания, как это необходимо. Методы, используемые для производства изолирующей подложки, описаны в патенте США 6208031, включенном в настоящее описание посредством ссылки. Дополнительные конфигурации антенн, которые могут быть использованы для реализации датчиков согласно изобретению, описаны в патенте США №6690170, включенном в настоящее описание посредством ссылки.
z
x
z
x
На фиг.5 показан вариант осуществления датчика 20 со скрещенными диполями согласно изобретению. Датчик включает в себя две антенны 36, 38, выполненные на изолирующей подложке, причем их магнитные моменты (M, M) имеют общую точку пересечения. Как отмечено выше, датчики согласно изобретению могут работать как передатчики и/или приемники, как это желательно. На фиг.6 показан другой вариант осуществления датчика согласно изобретению. Этот датчик 20 содержит антенну 38, выполненную подобно той, которая показана на фиг.5, и другую антенну 40, выполненную на сердечнике или «каркасе» 42, как описано в патенте США 6690170. Магнитные моменты (M, M) в этом варианте осуществления имеют общую точку пересечения и ортогональны друг другу.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что решетки датчиков согласно изобретению могут также включать в себя компенсирующие катушки, чтобы снизить или устранить взаимные связи между передатчиками и приемниками. Использование компенсирующих антенн хорошо известно в технике. В одном методе выходной сигнал приемника устанавливается на нуль путем изменения осевого расстояния между передатчиком или приемником и компенсирующей антенной. Этот метод калибровки обычно известен как взаимное симметрирование. В патенте США 6690170 описаны конфигурации взаимного симметрирования, которые могут быть реализованы во взаимосвязи с настоящим изобретением.
На фиг.7 показан другой вариант осуществления изобретения. Скважинный инструмент, состоящий из металлического трубчатого корпуса 22 (например, воротник бура), содержит несколько датчиков 20 согласно изобретению, размещенных в соответствующих полостях, образованных в трубчатом корпусе. Датчики 20 могут быть расположены на трубчатом корпусе 22 с различным выравниванием и с различным образом ориентированными магнитными диполями для обеспечения измерений при различных условиях в скважине. Например, этот вариант подходит для использования в вертикальных, а также горизонтальных скважинах. Хотя магнитные диполи датчика не обозначены для наглядности иллюстрации, должно быть понятно, что поперечно ориентированные диполи представлены как точки и продолжаются в направлении плоскости страницы и от нее.
Отметим, что на фиг.2 иллюстрируется возможный вариант осуществления изобретения. Передающая и приемная антенны в этом варианте осуществления расположены по существу в ортогональных направлениях. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут быть реализованы другие варианты осуществления изобретения. Например, антенны датчика 20 не обязательно должны быть ориентированы в ортогональных направлениях. Вместо этого одна или более продольных или поперечных антенн могут быть заменены на наклонную антенну, которая представляет собой антенну, имеющую магнитный момент, не параллельный или не перпендикулярный продольной оси инструмента. На фиг.8 показаны векторные компоненты другого варианта осуществления датчика 20 согласно изобретению, содержащего наклонную предающую антенну Т и наклонную приемную антенну R. Наклонные антенны обеспечивают измерения, которые включают в себя как продольную , так и поперечную  компоненты, которые могут быть проанализированы отдельно.
1
2
R1
На фиг.9 показан вид сбоку другого варианта осуществления датчика 20 согласно изобретению. Датчик 20 расположен в трубчатом корпусе 22 и включает в себя две наклоненные приемные антенны R и R (магнитные моменты показаны как M и
R2
х
1
2
1
2
M) и передающую антенну Т (магнитный момент показан как М). Передатчик Т и приемники R и R этого датчика выполнены с возможностью измерения комплексного напряжения, которое пропорционально проводимости (или удельному сопротивлению) стенки скважины. Заметим, что передающая антенна Т и две приемные антенны R и R лежат в трех плоскостях, которые формируют треугольник на этом виде.
1
2
1
2
1
2
В соответствии с вариантами осуществления датчика согласно изобретению передатчик работает на относительно высоких частотах, в диапазоне 1-500 МГц, предпочтительно от 2 до 100 МГц и более предпочтительно на частоте примерно 50 МГц. Размеры датчика 20 предпочтительно малы, чтобы обеспечить изображения с высоким разрешением. Например, в одном варианте осуществления расстояния между центром предающей антенны Т и центрами приемных антенн R и R равны примерно 2 дюймам (5 см) или менее, более предпочтительно примерно 1 дюйму (2,54 см) или менее. В некоторых вариантах осуществления две приемные антенны R и R соединены последовательно, чтобы их сигналы суммировались при съеме данных. В других вариантах осуществления две приемные антенны R и R независимы, и сигналы, принимаемые этими приемниками, могут объединяться в ходе анализа, если это необходимо.
1
2
R1
R2
х
Как показано на фиг.9, магнитные моменты приемников R и R ориентированы под углами относительно магнитного момента передатчика Т. Если оба приемника наклонены под одним и тем же углом относительно передатчика (то есть образуют равнобедренный треугольник на виде сбоку на фиг.9), то суммирование магнитных моментов приемников (M и M) приводит к получению момента, который имеет то же самое направление, что и магнитный момент (М) передатчика. В этой конфигурации датчик работает подобно решетке из поперечного передатчика и поперечного приемника (например, как на фиг.3В), обеспечивая чувствительность датчика к границам пласта. С такими наклонными антеннами этот датчик чувствителен к наклонным плоскостям, сдвигам, трещинам, в частности, если сигналы от двух приемников обрабатываются по отдельности.
1
2
Хотя датчик 20, показанный на фиг.9, имеет две приемные антенны R и R, расположенные под одинаковым углом относительно передающей антенны Т, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны и другие конфигурации. Например, если два приемника расположены под разными углами относительно передатчика (т.е. образуют неравнобедренный треугольник на виде сбоку по фиг.9), то сумма двух магнитных моментов приемников эквивалентна магнитному моменту наклонной антенны. В этом случае сигналы от наклонной антенны могут быть разложены на продольную и поперечную компоненты.
На фиг.10 показана конфигурация датчика 20 по фиг.9, спроецированная за Фарадеев экран 44. Экран 44 включает в себя множество проводящих металлических полос (штырей) 46, перемеженных с множеством изолирующих полос (штырей) 48 для минимизации токовых контуров в проводящем корпусе 22 инструмента. Проводник 50 (т.е. металлическая полоса) связывает металлические полосы 46 на одном конце. В патентах США 6667620 и 6557794 (оба включены в настоящее описание посредством ссылки) раскрыты токоотводящие экраны, которые могут быть использованы для реализации настоящего изобретения.
х
z
Датчики согласно изобретению не ограничены использованием в конкретном типе глубинных измерений или операций разведки. Они могут размещаться в скважине на опорном элементе любого типа (например, на охлаждаемом спиральном трубопроводе, воротниках бура, обсадных колоннах, инструментах, спускаемых в скважину на тросах). На фиг.11 показан другой вариант осуществления датчика 20 согласно изобретению. Этот датчик 20 состоит из поперечной передающей антенны Т и продольной приемной антенны R, размещенных в изолирующем материале (например, композитном термореактивном или термопластичном материале на основе высокотемпературного стекловолокна) 24, выполненном в форме клина.
TM
TM
На фиг.12 показан вид сбоку датчика 20, подобного варианту по фиг.11, расположенного в воротнике 22 бура в полости 26 соответствующей формы. Этот датчик 20 выполнен с передатчиком и приемником, включающими в себя четыре магнитных диполя, подобных варианту осуществления по фиг.2. При реализации в варианте для работы по методу LWD соответствующий экран 54 может быть размещен над датчиком для его защиты от суровых условий окружающей среды. Варианты осуществления изобретения могут быть реализованы с металлическими экранами, имеющими щели, заполненные изолирующим материалом и размещенные в соответствующих конфигурациях, как известно в технике, чтобы воспрепятствовать индукции вихревых токов на экране. Патенты США № 6566881 и 6297639 (оба включены в настоящее описание посредством ссылки) раскрывают конфигурации экранов, которые могут быть использованы для реализации настоящего изобретения. Некоторые варианты осуществления могут быть реализованы с неметаллическими экранами (например, из керамики, Kevlar, PEEK).
z
x
На фиг.13 показан другой вариант осуществления изобретения, включающий в себя металлический экран 54, расположенный над датчиком 20 согласно изобретению, размещенным в трубчатом корпусе 22. Конфигурация магнитных диполей (показана спроецированной за экран) датчика 20 подобна показанной на фиг.3А. Экран 54 выполнен с набором продольных щелей 56 для покрытия продольных передающих магнитных диполей (T) и наклонных щелей 58 для покрытия поперечного приемного магнитного диполя (R) для обеспечения ЭМ фильтрации. Экран 54 может закрепляться над датчиком с использованием любых подходящих средств, известных в технике.
1
2,
3
На фиг.14 показаны другие варианты осуществления датчика 20 согласно изобретению. Ряд проводящих обмоток W, W W размещены на гранях куба 60 для формирования датчика с тремя ортогонально ориентированными магнитными диполями, совместно определяемыми как трехосная антенная система. На фиг.14 показан трехосный передатчик Т и приемник R. Кубы 60 выполнены из подходящего изолирующего материала (например, из керамики), и обмотки могут быть размещены в пазах (не показаны) на поверхностях куба. Как известно в технике, трехосные ЭМ антенны могут быть использованы для измерений с конкретными целями, и для получения требуемых параметров могут быть использованы различные методы анализа (см., например, патенты США № 6584408, 6556015). Кубы 60 выполнены миниатюризованными (например, с размерами 1/4”×1/4”×1/4” [0,635 см × 0,635 см × 0,635 см]) и могут быть размещены на трубчатом корпусе (не показан) в непосредственной близости друг от друга для проведения требуемых измерений для формирования изображений. Проводка и электронные схемы для датчиков 20 могут быть размещены в трубчатом корпусе с использованием методов, известных в технике (например, сквозных соединений).
Как отмечено выше, датчик 20, соответствующий изобретению, относительно нечувствителен к эффектам отклонения (каротажного зонда от стенки ствола скважины). Если желательно, эффекты отклонения могут быть дополнительно минимизированы путем размещения датчика (датчиков) на шарнирных или выдвижных устройствах на корпусе инструмента. Выдвижные панели широко используются в инструментах, спускаемых в скважину на тросе, для минимизации отклонений инструмента и максимизации и поддержания контакта датчика со стенкой скважины. На фиг.15 и 16 показаны два варианта осуществления изобретения с датчиками 20 на каротажных инструментах, оснащенных шарнирными или выдвижными устройствами.
В совместно поданной патентной заявке США № 10/605200 от 15 сентября 2003 г. на имя Homan et al. (включенной в настоящее описание посредством ссылки) раскрыты уравновешенные по давлению поршни для использования в каротажных инструментах в процессе бурения. На фиг.15 показан инструмент 100а, имеющий четыре выдвижных поршня 18а, как описано в этой совместно поданной заявке. Выдвижные поршни 18а являются уравновешенными по давлению за счет заполненных флюидом резервуаров 13а, которые поддерживаются под давлением, по существу идентичным давлению вне инструмента (например, равным давлению в скважине 101а). Выдвижные поршни 18а могут выдвигаться, например, усилием сдвига пружин за поршнями. Каждый выдвижной поршень 18а содержит колодку 19а, которая может вмещать в себе один или более датчиков 20 согласно настоящему изобретению. Внешняя поверхность колодки 19а предпочтительно упрочнена (или поверхностно упрочнена) подходящим материалом, как известно в технике, чтобы повысить стойкость к износу.
TM
TM
TM
Использование выдвижных колодок в каротажных инструментах при бурении реализовано в инструменте PowerDrive, выпускаемом компанией Schlumberger. На фиг.16А показан вид в поперечном сечении воротника бура, оснащенного тремя колодками 62 инструмента PowerDrive, расположенными на инструменте PowerDrive 64, который показан в процессе бурения скважины 66.
TM
На фиг.16В показан вариант осуществления датчика 20 согласно изобретению, размещенного на одной из колодок 62 инструмента PowerDrive. Хотя эта конфигурация показана с одним датчиком 20, другие варианты осуществления могут быть реализованы с многоэлементными решетками датчиков. Выдвижные колодки 62 могут также включать в себя другие типы датчиков или источников для глубинных измерений, как известно в технике. С использованием выдвижных колодок датчики 20 могут поддерживаться в контакте со стенкой скважины для исключения или минимизации эффектов отклонения.
На фиг.17 показан другой вариант осуществления изобретения. Скважинный трубчатый корпус 22 (например, воротник бура) показан с датчиком 20, размещенным в кармане или полости 26, образованной в выступающей секции 68 трубчатого корпуса. Трубчатый корпус 22 может быть изготовлен с выступом 68 и полостью 26, как известно в технике. Альтернативно, выступ 68 может быть образован на трубчатом корпусе 22 путем закрепления соответствующего материала на его внешней стенке (например, путем сварки или запрессовывания отверждаемой вставки). Внешняя поверхность выступа 68 предпочтительно выполнена поверхностным упрочнением с помощью соответствующего материала (например, с упрочненными металлическими вставками 70) для повышения стойкости. Этот трубчатый корпус 22, как и другие варианты осуществления инструмента, содержащие датчики 20 согласно изобретению, оснащен соответствующей электропроводкой (например, с помощью сквозных соединений), связанной с обычными электронными средствами, как известно в технике, для приведения в действие датчика (не показаны). Скважинный трубчатый корпус 22, оснащенный датчиком со скрещенными диполями, соответствующим изобретению, обеспечивает конструкцию углубленного датчика для применений в каротаже в процессе бурения, когда не требуется непосредственный контакт со скважиной. Другие варианты осуществления могут быть реализованы с множеством снабженных датчиками выступов 68, конфигурированных в соответствии с потребностями (например, распределенных азимутально или в осевом направлении вокруг трубчатого корпуса, подобно показанному на фиг.7).
Результат измерения комплексного напряжения (V), полученный датчиком 20 согласно изобретению, может быть связан с проводимостью в породе и скважине следующим соотношением:
apparent
где σ - кажущаяся проводимость и k - постоянная датчика.
apparent
f
f
Кажущаяся проводимость σ и, следовательно, результат измерения, зависит от проводимости σ породы и проводимости инструмента или корпуса датчика (например, колодки). Таким образом, если проводимость инструмента или колодки остается по существу постоянной, то «относительные» измерения удельного сопротивления зависят от проводимости σ породы. Даже если решетки датчиков окружены материалами, обуславливающими температурную зависимость проводимости корпуса/инструмента, то соотношение согласно уравнению (7) все равно сохраняет силу. В этом случае соотношение принимает несколько иную форму:
1
1
где постоянная k заменена на постоянную k, учитывающую механические свойства и свойства материала, а также геометрию антенны. Постоянная k может быть найдена эмпирически. Второй член С(Т) зависит от температуры и не изменяется заметным образом в пределах малого расстояния в скважине.
В дополнение к определению границ пласта, трещин и сдвигов варианты осуществления настоящего изобретения могут также обеспечивать информацию об углах наклона или наклонных плоскостях и расстояниях от датчика до стенок скважины. Варианты осуществления настоящего изобретения могут также быть реализованы с использованием инструмента, оснащенного множеством решеток датчиков с конфигурациями, обеспечивающими возможность получения результатов измерений с азимутальной информацией (фиг.18). Углы наклона наклонных плоскостей могут быть получены с использованием азимутальной информации и глубин границ пластов путем подгонки к синусоидальной кривой или использования следующего уравнения:
где Ф - угол наклона, А - амплитуда вертикальной протяженности границы пласта, пересекающей скважину, d -диаметр скважины. На фиг.18 показаны границы наклонного пласта на стенке скважины в зависимости от глубины четырех решеток 1-4 датчиков. Как иллюстрируется моделью скважины, наклонная плоскость пересекает скважину, формируя овальную кривую пересечения. Эта овальная кривая показана точками, определяющими синусоидальную кривую (S) на двумерном графике измерений. Таким образом, путем подгонки местоположений по вертикали границ пласта, измеренных четырьмя датчиками, к синусоидальной кривой или путем использования уравнения (9) можно определить угол наклона. В дополнение к определению наклонных плоскостей тот же самый метод может быть использован для обнаружения сдвигов или трещин, которые пересекают скважину.
Фиг.19 иллюстрирует способ определения подповерхностных свойств в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Инструмент для измерения удельного сопротивления (например, формирователь микроизображений), включающий в себя датчик 20, соответствующий изобретению, размещается в скважине (этап 200). Скважина может содержать резистивный буровой раствор (например, буровой раствор на химической основе) вследствие осуществления процесса бурения. Передающая антенна в датчике возбуждается для излучения ЭМ энергии (этап 205). Выполняются ЭМ измерения с использованием приемника в датчике (этап 210). В некоторых вариантах осуществления изобретения передающие антенны возбуждаются в различные моменты времени или на различных частотах, чтобы обеспечить возможность измерения взаимных связей. Измерения могут выполняться с использованием датчика, размещенного в непосредственной близости от стенки скважины (например, датчика, размещенного на выдвижной колодке, на выдвижном поршне или в выступающей секции инструмента).
Затем ЭМ измерения используются для определения подповерхностных свойств (этап 215). Например, ЭМ измерения могут быть использованы для получения изображения скважины, чтобы определить границы пластов, чтобы определить расстояния между датчиком и скважиной и другие подповерхностные параметры, как описано выше. Как указано выше, результаты измерений, полученные датчиком, соответствующим изобретению, обеспечивают «относительные» удельные сопротивления породы в ближних от скважины зонах. Относительные удельные сопротивления получают с использованием высокой частоты и, наиболее вероятно, на фоне, обусловленном проникновением бурового раствора в породу (то есть при относительно равномерном удельном сопротивлении фона). Поэтому данные измерения будут чувствительны к малым вариациям в удельных сопротивлениях вокруг скважины и пригодны для формирования изображений. В соответствии с вариантами осуществления изобретения расстояния между передатчиком и приемником могут быть порядка 2 дюймов (5 см) или менее, предпочтительно порядка 1 дюйма (2,54 см) или менее. В формациях с относительными наклонами измерения согласно изобретению могут также использоваться для получения углов наклона наклонных плоскостей, как отмечено выше.
Настоящее изобретение обеспечивает различные преимущества. Датчики, соответствующие вариантам осуществления изобретения, могут измерять удельные сопротивления породы в скважинах, пробуриваемых с использованием буровых растворов любых типов, включая буровой раствор на химической основе, и по существу не зависят от отклонений инструмента или подобных эффектов в скважине. Датчики измеряют относительные удельные сопротивления для обеспечения изображений с высоким разрешением скважины для скважин, пробуриваемых с использованием различных типов буровых растворов. Измерения также могут использоваться для формирования каротажных диаграмм наклонов пластов. На основе таких измерений также может быть осуществлен анализ трещин или сдвигов в скважине. Результаты измерений, полученные с использованием датчиков согласно изобретению, могут также использоваться для геофизического управления, например, для поддержания траектории скважины в продуктивной зоне во избежание пересечения границ.
Хотя датчик, соответствующий изобретению, размещается в проводящем корпусе (например, в металлическом воротнике бура), нежелательные ЭМ поля могут индуцироваться в корпусе. Может потребоваться механизм минимизации такой индукции. Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы с использованием механизмов экранирования, включающих использование различных вкладышей, размещаемых внутри полости датчика (например, керамических или резиновых смесей, металлических внутренних покрытий) для ослабления нежелательных ЭМ полей вблизи датчика, как известно в технике (не показано). Следует отметить, что даже с использованием механизма экранирования могут неизбежно проявиться в некоторой степени взаимные помехи между датчиком и проводящим корпусом.
Хотя изобретение описано по отношению к ограниченному числу вариантов осуществления, специалисты в данной области техники на основе информации, содержащейся в описании, смогут предложить другие варианты осуществления в пределах объема настоящего изобретения. Например, антенны датчиков могут быть конфигурированы с множеством диэлектрических подложек, наложенных одна на другую, для реализации модифицированных взаимных связей или для изменения магнитных моментов, по мере необходимости. Другие варианты осуществления могут быть реализованы с датчиками, размещенными на непроводящих или неметаллических трубчатых корпусах (например, на корпусах из композиционного материала, как описано в патентах США № 6300762, 6084052).