КОМПЕНСИРОВАННЫЙ ПРИБОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАРОТАЖА В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИН МАЛОГО ДИАМЕТРА
COMPENSATED ELECTROMAGNETIC LOGGING DEVICE DURING SLIM HOLE DRILLING

Изобретение относится к области геофизических исследований в скважинах, а именно к приборам электромагнитного каротажа, и может быть использовано для измерения электрических характеристик горных пород в процессе бурения скважин на нефть и газ, а также геонавигации в процессе бурения.
Известен прибор электромагнитного каротажа в процессе бурения (Патент РФ 2231091, G01V 3/28, опубл. 2004 г.), выполненный в виде конструкции, состоящей из двух коаксиально расположенных композитных радиопрозрачных труб. Существенным недостатком данного устройства является то, что композитные материалы по прочности и износостойкости к истиранию значительно уступают стали и многим другим металлам, что, во-первых, существенно уменьшает срок службы прибора, во-вторых, не позволяет выполнить прибор с малым наружным диаметром для его использования при бурении боковых стволов.
Известно устройство (Патент США 4808929, опубл. 1989 г.), представляющее собой экранированный индукционный датчик для скважинной аппаратуры. Передающие и приемные антенны скважинного прибора в процессе бурения, каждая из которых представляет собой это устройство, расположены на металлической трубе, входящей в колонну бурильных труб. Экран каждой из антенн устраняет электромагнитное поле ТМ, являющееся помеховым, создаваемое током, текущим через антенный провод вследствие влияния близко расположенного к нему металла трубы, и совершенно свободно пропускает полезное электромагнитное поле ТЕ. Существенным недостатком данного устройства является его малая надежность, связанная с низкой износостойкостью к истиранию и размыванию экранированного индукционного датчика при воздействии на него потока бурового раствора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство (прототип), описанное в патенте "Способ и устройство для скважинных исследований в процессе бурения, использующие усовершенствованные антенны" (Патент США 5530358, G01V 3/10, опубл. 1996 г.).
Это устройство содержит металлическую трубу, антенные каналы и антенные узлы, каждый из которых содержит антенный провод, образующий как минимум один виток, резонансный конденсатор, а также блок электроники. Причем повышение чувствительности приемных и повышение уровня сигнала передающих антенн достигается с помощью ферритовых вставок. Металлическая труба выполнена из закаленной стали.
Экраном каждой из антенн является сама металлическая труба в месте расположения антенного узла, которая содержит совокупность продольных щелей, благодаря чему устраняется электромагнитное поле ТМ, являющееся помеховым, создаваемое током, текущим через антенный провод вследствие влияния близко расположенного к нему металла металлической трубы, и совершенно свободно пропускается полезное электромагнитное поле ТЕ.
В указанном устройстве используется компенсированная схема обработки сигналов, при которой передающие антенны, расположенные на равном расстоянии от центра приемных катушек по обе стороны от них, последовательно по времени излучают высокочастотный сигнал, регистрируемый приемными антеннами и обрабатываемый с помощью блока электроники.
Однако данное устройство имеет следующие недостатки. В антенных узлах очень сложно обеспечить надежный изолятор в антенном канале, стойкий к механическим нагрузкам в процессе бурения, особенно, если устройство имеет малый наружный диаметр.
Кроме того, технология изготовления антенного канала предусматривает сварное соединение кольцевой проточки, полой цилиндрической трубки и металлической трубы. Поэтому в случае выхода из строя антенного узла нет возможности его замены, что существенно сокращает срок службы данного устройства.
Образование антенного канала сваркой приводит к возникновению механических напряжений в антенном узле, возникающих вследствие изменения структуры свариваемых металлов. Эти напряжения могут суммироваться в отдельных участках сварного соединения и приводить там к образованию трещин, что снижает прочность антенного узла и в условиях значительных динамических нагрузок, связанных с процессом бурения, это может привести к выходу прибора из строя, что существенно снижает надежность данного устройства.
Цель изобретения - обеспечение сменности антенных узлов, повышение надежности и механической прочности, что увеличивает срок службы компенсированного прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения скважин малого диаметра.
Техническим результатом изобретения является увеличение срока службы компенсированного прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения скважин малого диаметра и обеспечение возможности замены его антенных узлов.
Поставленная цель и указанный технический результат достигаются тем, что в компенсированном приборе электромагнитного каротажа в процессе бурения скважин малого диаметра, содержащем металлическую трубу, на которой расположены, как минимум, два приемных и два передающих антенных узла, каждый из которых содержит антенный провод, образующий, как минимум, один виток, ферритовые вставки и резонансный конденсатор, а также блок электроники, каждый антенный узел состоит из проточки на наружной поверхности металлической трубы для размещения разрезной гильзы, состоящей из двух одинаковых частей, на каждой из частей разрезной гильзы выполнены сквозные узкие продольные щели, на внутренней поверхности каждой из частей разрезной гильзы выполнена треугольная кольцевая проточка, в центре проточки на внешней поверхности металлической трубы, служащей для размещения разрезной гильзы, выполнена треугольная кольцевая проточка, размеры которой соответствуют треугольной кольцевой проточке, выполненной на разрезной гильзе, в проточке на наружной поверхности металлической трубы также выполнены узкие продольные щели, в которых расположены ферритовые вставки, в центре антенного канала, образованного треугольными кольцевыми проточками, размещается антенный провод, изолированный от металлической трубы и центрированный в антенном канале плазменно напыленным на поверхность треугольных кольцевых проточек слоем керамики на основе смеси оксида алюминия и диоксида титана, антенный провод соединен посредством гермовводов с резонансным конденсатором, расположенным в полости металлической трубы в непосредственной близости от антенного узла, полость защищена от внешнего гидростатического давления крышкой, втулкой и уплотнительными кольцами, резонансный конденсатор с помощью коаксиального кабеля электрически связан с блоком электроники, расположенным в баропрочном охранном кожухе, который размещен внутри металлической трубы и с помощью болтов и уплотнительных колец прикреплен к ней, разрезная гильза с помощью болтов прикреплена к металлической трубе, причем электрический контакт между разрезной гильзой и металлической трубой осуществляется посредством пайки.
На фиг.1 - фиг.9 представлены графические материалы, поясняющие устройство прибора. На фиг.1 представлен общий вид компенсированного прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения скважин малого диаметра, на фиг.2 - конструкция антенного узла, на фиг.3 - сечение А-А антенного узла, на фиг.4 - сечение Б-Б антенного узла, на фиг.5 - поперечный разрез заявляемого прибора в месте крепления охранного кожуха, на фиг.6 - конструкция разрезной гильзы, на фиг.7 - продольный разрез металлической трубы в месте расположения кольцевой проточки, на фиг.8 - продольный разрез антенного узла в месте расположения антенного канала, на фиг.9 - структурная схема блока электроники.
Компенсированный прибор электромагнитного каротажа в процессе бурения скважин малого диаметра состоит из металлической трубы 5, на которой размещены приемные 2, 3 и передающие 1, 4 антенные узлы, каждый из которых содержит разрезную гильзу 6, состоящую из двух одинаковых частей. На каждой из частей разрезной гильзы 6 выполнены сквозные узкие продольные щели 23, а на внутренней поверхности разрезной гильзы 6 выполнена треугольная кольцевая проточка 21, на поверхность которой плазменным напылением нанесен слой керамики на основе смеси оксида алюминия и диоксида титана 27. На наружной поверхности металлической трубы 5 в местах размещения антенных узлов 1, 2, 3, 4 выполнена треугольная кольцевая проточка 24, на поверхность которой плазменным напылением нанесен слой керамики на основе смеси оксида алюминия и диоксида титана 28, и выполнены узкие продольные щели 25, в которых расположены ферритовые вставки 7.
Треугольные кольцевые проточки 21, 24 образуют антенный канал 22, в центре которого размещен антенный провод 9, центрируемый плазменно напыленным на поверхность треугольных кольцевых проточек 21, 24 слоем керамики на основе смеси оксида алюминия и диоксида титана 27, 28, антенный провод 9 соединен посредством гермовводов 10 с резонансным конденсатором 11, расположенным в полости металлической трубы в непосредственной близости от антенных узлов 1, 2, 3, 4. От механических нагрузок, сопровождающих процесс бурения, резонансный конденсатор 11 защищен крышкой 12, втулкой 13, уплотнительными кольцами 14 и с помощью коаксиального кабеля 19 электрически связан с блоком электроники 16, расположенным в баропрочном охранном кожухе 15, который с помощью болтов 17 и уплотнительных колец 26 закреплен внутри металлической трубы 5, при этом обеспечены необходимые параметры отверстия 18 для протока бурового раствора. Антенные узлы 1, 2, 3, 4 закреплены на поверхности металлической трубы 5 с помощью винтов 8, а электрический контакт между разрезной гильзой 6 и металлической трубой 5 обеспечен с помощью пайки 20.
Треугольные кольцевые проточки, выполненные на металлической трубе и разрезной гильзе, образуют антенный канал, на поверхности треугольных кольцевых проточек плазменным напылением нанесен слой керамики на основе смеси оксида алюминия и диоксида титана, что обеспечивает одновременно высокопрочное центрирование антенного провода, стабильность электрических параметров антенного узла, надежную защиту антенного провода в нем от механических повреждений и надежную изоляцию от металлической трубы.
Крепление разрезной гильзы к металлической трубе с помощью винтов и пайки обеспечивает, в случае выхода антенного узла из строя, возможность его замены и высокую механическую прочность компенсированного прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения скважин малого диаметра.
От механических нагрузок, связанных с процессом бурения, резонансный конденсатор защищен крышкой, втулкой и уплотнительными кольцами, что повышает надежность заявляемого прибора.
На фиг.9 представлена структурная схема блока электроники.
Управление электронной схемой блока электроники 16 и обработка измеренных сигналов осуществляется с помощью микропроцессора 43. Сигналы с двух выходов генератора 35, коммутируемые ключами 31 и 32, управляемыми микропроцессором 43, поступают последовательно по времени на передающие контура передающих антенных узлов 1 или 4, которые излучают электромагнитную волну в околоскважинное пространство. После прохождения через породу электромагнитная волна возбуждает сигналы в приемных антеннах антенных узлов 2 и 3. Сигналы с выходов антенн поступают на входы усилителей высокой частоты 29 и 30, с выходов которых усиленные сигналы поступают на первые входы смесителей 33 и 34, на вторые входы которых поступает сигнал гетеродина с третьего выхода генератора 35. После преобразования высокой частоты сигналов, принятых антеннами, в низкую промежуточную частоту сигналы промежуточной частоты с выходов смесителей 33-34 поступают на входы усилителей промежуточной частоты 36-37. С выходов усилителей промежуточной частоты 36-37 сигналы поступают на входы модуля измерения разности фаз 38 и на входы измерителей среднеквадратичного значения напряжения 39-40. С выхода модуля измерения разности фаз 38 значение разности фаз поступает непосредственно на первый вход микропроцессора 43, на второй и третий входы которого поступают значения с выходов аналого-цифровых преобразователей 41-42, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей среднеквадратичного значения напряжения 39-40.
В предлагаемом варианте реализации измерительной схемы разность фаз и отношение амплитуд сигналов от двух приемных антенных узлов корректируется микропроцессором 40 с целью исключения погрешностей, связанных с изменениями температуры окружающей среды, вызывающими изменение параметров элементов электронной схемы, и затем определяется кажущееся сопротивление среды, являющееся функцией разности фаз и отношения амплитуд сигналов от двух приемных антенн. Компенсированная схема позволяет устранить систематические погрешности из результатов измерения или существенно их снизить.
Вычисленные значения кажущегося сопротивления среды передаются в блок телеметрии 44 для передачи этого параметра на поверхность.
Техническими преимуществами данного изобретения являются обеспечение сменности антенных узлов, повышение надежности и механической прочности, что увеличивает срок службы компенсированного прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения скважин малого диаметра.
Источники информации
1. Патент США 4536714 G01V 3/30, опубл. 1985 г.
2. Патент РФ 2231091, G01V 3/28, опубл. 2004 г.
3. Патент США 5530358, G01V 3/10, опубл. 1996 г.