ПОСТРОЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ УДЕЛЬНОГО МИКРОСОПРОТИВЛЕНИЯ В ПРОВОДЯЩЕМ И НЕПРОВОДЯЩЕМ БУРОВОМ РАСТВОРЕ
MICRORESISTIVITY IMAGING IN CONDUCTIVE AND NONCONDUCTIVE DRILLING FLUID

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
По этой заявке испрашивается приоритет по дате подачи заявки №12/581245 на патент США, поданной 19 октября 2009 года.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
В общем, настоящее изобретение относится к каротажным измерениям удельного микросопротивления. Более конкретно, осуществления изобретения относятся к прибору каротажа во время бурения, пригодному для выполнения измерений удельного микросопротивления в проводящих и непроводящих буровых растворах.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Из предшествующего уровня техники хорошо известно использование электрических измерений в скважинных применениях, таких как каротаж во время бурения и каротаж приборами, спускаемыми на кабеле. Такие технологии можно использовать, например, для определения удельного сопротивления подземного пласта, которое наряду с результатами измерений пористости пласта можно использовать для выявления присутствия углеводородов в пласте. В данной области техники известно, что пористые пласты, имеющие высокое электрическое удельное сопротивление, часто содержат углеводороды, такие как сырая нефть, тогда как пористые пласты, имеющие низкое электрическое удельное сопротивление, часто насыщены водой. Следует понимать, что в данной области техники термины «удельное сопротивление» и «удельная проводимость» часто используют как взаимозаменяемые. Специалисты в данной области техники должны легко признавать, что эти величины являются взаимно обратными и что одну можно преобразовывать в другую путем простых математических вычислений. Упоминание в этой заявке одной или другой делается ради удобства пользования описанием и не несет ограничивающего смысла.
Из предшествующего уровня техники хорошо известны способы выполнения измерений удельного микросопротивления подземного пласта для случая операций каротажа прибором, спускаемым на кабеле, и каротажа во время бурения. В зависимости от использования, проводящего (на водной основе) или непроводящего (на водной основе) бурового раствора (промывочной жидкости) в приборах каротажа удельного микросопротивления обычно используют один из двух известных принципов измерения. При использовании проводящего бурового раствора кольцевое пространство буровой скважины представляет собой хороший проводник для электрического тока. Одна из основных проблем заключается в фокусировке электрического тока так, чтобы он входил в пласт. Использование непроводящего бурового раствора создает другие проблемы. Буровой раствор на нефтяной основе может сильно препятствовать прохождению электрического тока сквозь флюид в пласт. Одна важная проблема заключается в осуществлении проникновения электрического тока сквозь буровой раствор с тем, чтобы он входил в пласт.
Датчики удельного микросопротивления, выполненные с возможностью использования в присутствии проводящего бурового раствора, обычно включают в себя, по меньшей мере, три электрода: охранный электрод, обратный электрод и измерительный электрод, который обычно размещен в охранном электроде и электрически изолирован от него. Основная задача охранного электрода заключается в фокусировке электрического тока в пласт. При использовании напряжение переменного тока прикладывают между охранным электродом и обратным электродом, что приводит к прохождению электрического тока сквозь пласт между этими электродами. На измерительном электроде обычно поддерживают такой же потенциал, как на охранном электроде, так что ток также проходит между измерительным электродом и обратным электродом. Этот ток через измерительный электрод контролируют, и он обычно примерно обратно пропорционален удельному сопротивлению пласта напротив измерительного электрода.
Известны датчики удельного микросопротивления, выполненные с возможностью использования в присутствии непроводящего бурового раствора, включающие в себя, по меньшей мере, четыре электрода, в том числе пару разнесенных потенциальных электродов, размещенных между инжектором тока и обратным электродом. При использовании высокочастотный переменный ток (например, порядка 1 МГц) проходит между инжекторным и обратным электродами. Высокая частота обычно требуется для снижения электрического импеданса бурового раствора на нефтяной основе и обеспечения проникновения части тока в пласт. Кроме того, известно, что при использовании высоких частот в датчике и непроводящем буровом растворе наводятся токи смещения. В отсутствие этих токов смещения (или когда точки смещения учтены) падение напряжения между потенциальными электродами обычно бывает приблизительно пропорциональным удельному сопротивлению пласта.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что буровой раствор на нефтяной основе обычно используют при бурении сквозь водорастворимые пласты (например, включающие в себя слои соли). Известно, что использование бурового раствора на нефтяной основе (непроводящего) значительно снижает эффективность приборов каротажа удельного микросопротивления, которые выполнены с возможностью использования в присутствии бурового раствора на водной основе (проводящего). Аналогично этому, из уровня техники известно, что приборы каротажа удельного микросопротивления, выполненные с возможностью использования в присутствии бурового раствора на нефтяной основе (например, описанные в предшествующем абзаце) малопригодны для выполнения измерений удельного микросопротивления в проводящем буровом растворе. Из опыта в данной области техники вытекает, что необходимы отдельные датчики (или даже отдельные каротажные приборы). По существу, в данной области техники необходимо создавать набор приборов каротажа удельного микросопротивления, некоторые из которых должны быть выполнены с возможностью использования в проводящем буровом растворе, а другие, из которых должны быть выполнены с возможностью использования в непроводящем буровом растворе. Необходимость создания дополнительных приборов и связанных с ними средств технического обслуживания приводит к увеличению затрат поставщиков скважинных приборов. Следовательно, в данной области техники имеется потребность в приборе (и датчике) каротажа удельного микросопротивления, которые являются пригодными для выполнения измерений удельного микросопротивления в проводящих и непроводящих буровых растворах.
Поэтому желательно разработать усовершенствованный прибор каротажа удельного микросопротивления и способ, которые направлены на исключение описанных выше проблем и/или которые в более общем смысле обеспечивают усовершенствования или варианты существующих устройств.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Аспекты настоящего изобретения направлены на удовлетворение описанной выше потребности в усовершенствованных датчиках каротажа удельного микросопротивления. В одном примере осуществления изобретение включает в себя каротажный прибор, имеющий датчик удельного микросопротивления, выполненный с возможностью использования его в проводящем и непроводящем буровом растворе. В одном примере осуществления изобретение включает в себя каротажный прибор, имеющий экранный электрод, размещенный между охранным электродом и обратным электродом. Измерительный электрод размещен в охранном электроде и электрически изолирован от него, а первый и второй потенциальные электроды размещены в экранном электроде и электрически изолированы от него. Датчик также включает в себя, по меньшей мере, один переключатель (или переключающее устройство), выполненный с возможностью переключения датчика между первым и вторым различными режимами измерений удельного микросопротивления. Первый режим измерений приспособлен для выполнения измерений удельного микросопротивления в проводящем буровом растворе, и второй режим измерений приспособлен для выполнения измерений удельного микросопротивления в непроводящем буровом растворе.
Примерами осуществлений настоящего изобретения могут успешно обеспечиваться несколько технических преимуществ. Например, каротажные приборы согласно настоящему изобретению можно успешно использовать в проводящем или непроводящем буровом растворе. Эта особенность изобретения позволяет поставщику скважинных приборов сократить набор каротажных приборов благодаря созданию единственного прибора каротажа удельного микросопротивления и поэтому снизить затраты.
Настоящее изобретение также позволяет выполнять измерения в двух режимах. Такие измерения в двух режимах могут быть выгодными, например, при буровых работах с использованием умеренно проводящего бурового раствора (например, на основе пресной воды). Измерениями в двух режимах предоставляется дополнительная информация для повышения качества данных и/или выполнения перекрестной проверки достоверности измерений в единственном режиме в качестве способа проверки качества.
Некоторые предпочтительные осуществления изобретения могут также включать в себя датчик удельной проводимости бурового раствора и также могут быть выполнены с возможностью автоматического выбора режима измерений удельного микросопротивления на основании измеряемой удельной проводимости бурового раствора.
В одном аспекте настоящее изобретение включает в себя прибор каротажа удельного микросопротивления во время бурения. Прибор включает в себя охранный, измерительный, обратный, экранный и первый и второй потенциальные электроды, размещенные на корпусе прибора. Охранный электрод выполнен с возможностью инжекции электрического тока в пласт. Измерительный электрод размещен в охранном электроде и электрически изолирован от него. Обратный электрод отнесен на расстояние от охранного электрода и обеспечивает путь возврата для электрического тока. Экранный электрод расположен между охранным электродом и обратным электродом и первый и второй потенциальные электроды размещены в экранном электроде. Контроллер включает в себя переключатель, выполненный с возможностью переключения прибора между первым и вторым режимами измерений удельного микросопротивления. Переключатель имеет первое и второе положения, при этом первое положение соответствует первому режиму измерений и второе положение соответствует второму режиму измерений.
В другом аспекте настоящее изобретение включает в себя способ каротажа удельного микросопротивления во время бурения. Способ включает в себя подготовку описанного выше прибора каротажа удельного микросопротивления и приведение переключателя в первое положение. Прибор размещают в подземной буровой скважине, которая, по меньшей мере, частично заполнена электропроводящим буровым раствором. Напряжение переменного тока прикладывают между охранным и обратным электродами и измеряют переменный ток через измерительный электрод. На основании измеряемого тока вычисляют величину, которая, по меньшей мере, частично связана с удельным сопротивлением пласта.
В еще одном аспекте настоящее изобретение включает в себя способ каротажа удельного микросопротивления во время бурения. Способ включает в себя подготовку описанного выше прибора каротажа удельного микросопротивления и приведение переключателя во второе положение. Прибор размещают в подземной буровой скважине, которая, по меньшей мере, частично заполнена электропроводящим буровым раствором. Переменный ток прикладывают между охранным и обратным электродами и измеряют разность потенциалов между первым и вторым потенциальными электродами. На основании измеряемой разности потенциалов вычисляют величину, которая, по меньшей мере, частично связана с удельным сопротивлением пласта.
В еще одном аспекте настоящее изобретение включает в себя способ каротажа удельного микросопротивления во время бурения. Способ включает в себя размещение в буровой скважине описанного выше прибора каротажа удельного микросопротивления. Переключатель приводят в первое положение. Напряжение переменного тока прикладывают между охранным и обратным электродами и измеряют переменный ток через измерительный электрод. Переключатель приводят во второе положение. Переменный ток прикладывают между охранным и обратным электродами и измеряют разность потенциалов между первым и вторым потенциальными электродами. На основании измеряемых токов и измеряемой разности потенциалов вычисляют первую и вторую величины, которые, по меньшей мере, частично связаны с удельным сопротивлением пласта.
Признаки и технические преимущества изобретения широко изложены выше для лучшего понимания подробного описания изобретения, которое следует ниже. В дальнейшем будут описаны дополнительные признаки и преимущества изобретения, которые образуют предмет формулы изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что раскрываемые концепцию и конкретные осуществления можно легко использовать как основу для модификации или разработки других структур для решения тех же задач настоящего изобретения. Специалисты в данной области техники также должны представлять себе, что такие эквивалентные конструкции не отходят от сущности и объема изобретения, изложенных в прилагаемой формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания настоящего изобретения и преимуществ его теперь будет сделано обращение к нижеследующему подробному описанию в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
Фиг. 1 - вид обычной буровой установки, на которой могут быть использованы примеры осуществлений настоящего изобретения;
Фиг. 2 - вид одного примера осуществления прибора каротажа удельного микросопротивления согласно настоящему изобретению;
Фиг. 3 - вид примера датчика удельного микросопротивления согласно настоящему изобретению;
Фиг. 4 - продольное поперечное сечение датчика, изображенного на фиг. 3;
Фиг. 5 - вид варианта осуществления датчика удельного микросопротивления согласно настоящему изобретению;
Фиг. 6 - график зависимости глубины исследования от потенциала электрода для примера осуществления датчика, изображенного на фигуре 5;
Фиг. 7 - блок-схема последовательности действий одного примера осуществления способа согласно настоящему изобретению;
Фиг. 8 - вид варианта осуществления датчика согласно настоящему изобретению;
Фиг. 9 - блок-схема последовательности действий другого примера осуществления способа согласно настоящему изобретению; и
Фиг. 10 - блок-схема последовательности действий еще одного примера осуществления способа согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Теперь обратимся к фиг. с 1 по 10, на которых изображены примеры осуществлений настоящего изобретения. Что касается фиг. с 1 по 10, то должно быть понятно, что поясняемые признаки или аспекты осуществлений могут быть показаны на различных видах. Когда такие общие признаки или аспекты встречаются на конкретных видах, они обозначаются одинаковыми позициями. Поэтому признак или аспект, обозначенный конкретной позицией на одном из видов на фиг. с 1 по 10, может описываться в этой заявке со ссылкой на позицию, показанную на другом виде.
На фиг. 1 изображен один пример осуществления прибора 100 каротажа удельного микросопротивления во время бурения при использовании в морской нефтегазовой буровой компоновке, в целом обозначенной позицией 10. На фиг. 1 полупогружная буровая платформа 12 расположена над нефтяным или газовым пластом (непоказанным), расположенным ниже морского дна 16. Подводный трубопровод 18 продолжается от палубы 20 платформы 12 до оборудования 22 устья скважины. Платформа может включать в себя буровую вышку и подъемный механизм для подъема и спуска бурильной колонны 30, которая, как показано, продолжается в буровую скважину 40 и включает в себя буровое долото 32 и прибор 100 каротажа во время бурения. Осуществления прибора 100 каротажа во время бурения включают в себя, по меньшей мере, один датчик 150 удельного микросопротивления. Бурильная колонна 30 может также включать в себя, например, забойный буровой двигатель, телеметрическую систему с гидроимпульсным каналом связи, отклоняющий инструмент и/или один или несколько различных датчиков в приборах измерения во время бурения и каротажа во время бурения, предназначенных для измерения скважинных характеристик буровой скважины и окружающего пласта.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что размещение, представленное на фиг. 1, является только примером, предназначенным для описания изобретения, излагаемого в этой заявке. Также должно быть понятно, что использование каротажных приборов согласно настоящему изобретению не ограничено полупогружной платформой 12, показанной на фиг. 1. Измерительный прибор 12 равным образом хорошо подходит для использования при подземных буровых работах любого вида в море или на суше. Хотя на фигуре 1 измерительный прибор 100 показан связанным с бурильной колонной 30, также должно быть понятно, что изобретение не ограничено осуществлениями приборов каротажа во время бурения, а может также использоваться в спускаемых на кабеле приборах каротажа удельного микросопротивления.
На фиг. 2 изображена часть примера осуществления прибора 100 каротажа во время бурения. Как описывалось выше применительно к фиг. 1, прибор 100 каротажа во время бурения включает в себя датчик 150 удельного микросопротивления, размещенный на корпусе 110 прибора каротажа во время бурения. Хотя это и не показано на фиг. 2, но должно быть понятно, что датчик 150 можно размещать, например, в лопасти стабилизатора, роторной управляемой лопасти, втулке увеличенного диаметра или любом другом устройстве с тем, чтобы уменьшать величину отклонения датчика 150 от стенки ствола скважины. Также должно быть понятно, хотя это и не показано, что такие конфигурации прибора могут быть предпочтительными при определенных применениях. В показанном примере осуществления длинная ось датчика удельного микросопротивления является по существу параллельной продольной оси 105 прибора 100. Хотя эта конфигурация обычно является предпочтительной для достижения оптимального азимутального охвата, изобретение не ограничено определенно в этом отношении.
По желанию прибор 100 каротажа во время бурения может также включать в себя датчик 140 азимута, выполненный с возможностью измерения при бурении азимутального угла (угла передней поверхности прибора) датчика 150 удельного микросопротивления в по существу реальном времени. Подходящие датчики азимута обычно включают в себя один или несколько акселерометров, магнитометров и/или гироскопов, и они хорошо известны в данной области техники. Должно быть понятно, что изобретение не ограничено какой-либо конкретной конфигурацией датчика азимута или даже использованием датчика азимута.
По желанию прибор 100 каротажа во время бурения может также включать в себя датчик 145 удельной проводимости, выполненный с возможностью измерения электрической удельной проводимости (или удельного сопротивления) бурового раствора (например, во время бурения). Изобретение не ограничено каким-либо конкретным датчиком удельной проводимости, поскольку подходящие датчики удельной проводимости известны в данной области техники.
На фиг. 3 изображен один пример осуществления датчика 150 удельного микросопротивления согласно настоящему изобретению. Как описывается более подробно ниже применительно к фиг. 4, датчик 150 можно использовать в проводящем или непроводящем буровом растворе. Датчик 150 включает в себя, по меньшей мере, один измерительный электрод 190, размещенный в охранном электроде 160 и электрически изолированный от него. Отнесенный на расстояние обратный электрод 170 обеспечивает путь возврата для электрического тока, инжектируемого измерительным и охранным электродами. Датчик 150 также включает в себя, по меньшей мере, один экранный электрод 180, расположенный между охранным 160 и обратным 170 электродами. По меньшей мере, один датчик 210 электрического потенциала размещен в экранном электроде 180. Датчик 210 включает в себя, по меньшей мере, первый и второй потенциальные электроды 212 и 214, размещенные в экранном электроде 180 и электрически изолированные от него (например, электроизоляционным материалом 216). Электроды 160, 170 и 180 электрически изолированы друг от друга обычным электроизоляционным материалом 155. В примере осуществления изображенный датчик 150 включает в себя изолирующий зазор 222 между обратным 170 и экранным 180 электродами и изолирующий зазор 224 между экранным 180 и охранным 160 электродами.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что изобретение не ограничено конкретной конфигурацией датчика, изображенной на фиг. 3. Например, в качестве варианта электроды, изображенные на фиг. 3, могут быть разнесены по окружности или наискосок на корпусе 110 прибора. Изобретение определенно не ограничено в том, что касается разнесения, формы и/или размера электродов.
На фиг. 4 изображено продольное поперечное сечение осуществления датчика 150, изображенного на фиг. 3. Как изображено, датчик 150 также включает в себя, по меньшей мере, один переключатель 250 (или переключающее устройство), выполненный с возможность переключения датчика 150 между отдельными первым и вторым режимами измерений удельного микросопротивления. Первый режим измерений приспособлен для выполнения измерений удельного микросопротивления в проводящем буровом растворе, и второй режим измерений приспособлен для выполнения измерений удельного микросопротивления в непроводящем буровом растворе. Изобретение может включать в себя по существу любое подходящее переключающее устройство, в том числе, например, двухпозиционный переключатель с жесткой программой, имеющий первое и второе положения, соответствующие первому и второму режимам бурения. Кроме того, переключающее устройство может быть автоматическим, например, включающим в себя основанный на программном обеспечении или аппаратно-программном обеспечении механизм, имеющий первое и второе положение (или установки), соответствующие первому и второму режимам бурения.
0
1
0
Прибор 100 каротажа удельного микросопротивления обычно также включает в себя контроллер 300, выполненный с возможностью управления функционированием прибора в каждом из первого и второго режимов измерений. Контроллер обычно включает в себя источник 260 тока/напряжения, выполненный с возможностью приложения заранее заданного напряжения или тока между охранным электродом 160 и обратным электродом 170. В первом режиме измерений контроллер может быть выполнен с возможностью приложения заранее заданного напряжения переменного тока между охранным 160 и обратным 170 электродами. Прикладываемое напряжение обычно вызывает инжекцию переменного тока в подземный пласт. Чтобы получать оптимальную фокусировку, напряжения на охранном 160 и измерительном 190 электродах обычно поддерживают равными друг другу (то есть, V=V). Способы достижения такого управления напряжениями в продолжение операций каротажа удельного микросопротивления во время бурения известны в данной области техники и поэтому в дальнейшем не будут рассматриваться в этой заявке. В этом первом режиме измерений контроллер также может быть выполнен с возможностью измерения электрического тока I через измерительный электрод (например, обычным амперметром с низким полным сопротивлением) и вычисления значения удельного сопротивления на основании измеряемого тока.
p
Во втором режиме измерений (когда переключатель 250 находится во втором положении) контроллер может быть выполнен с возможностью приложения заранее заданного переменного тока между охранным 160 и обратным 170 электродами. Контроллер также может быть выполнен с возможностью измерения разности ΔV потенциалов переменного тока (падения напряжения) между первым и вторым потенциальными электродами (например, обычным вольтметром с высоким полным сопротивлением) и для вычисления значений удельного сопротивления на основании измеряемой разности потенциалов. Предпочтительно, чтобы контроллер был выполнен с возможностью приложения напряжения переменного тока сравнительно низкой частоты между охранным 160 и обратным 170 электродами в первом режиме измерений (например, в диапазоне от около 0,1 до около 10 кГц) и переменного тока сравнительно высокой частоты между охранным 160 и обратным 170 электродами во втором режиме измерений (например, в диапазоне от около 0,1 до около 10 МГц). Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что можно использовать переменный ток по существу любой подходящей формы (например, прямоугольной или синусоидальной формы).
ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО МИКРОСОПРОТИВЛЕНИЯ В ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ
В примере осуществления, изображенном на фиг. 4, переключатель 250 электрически соединен с экранным электродом 180. Когда переключатель 250 находится в первом положении (соответствующем первому режиму измерений), он электрически соединяет экранный электрод 180 с источником 260 тока/напряжения. Кроме того, источник 260 тока/напряжения может электрически соединять экранный электрод 180 с охранным электродом 180, в результате чего электрический потенциал экранного электрода устанавливается равным электрическому потенциалу охранного электрода 160. В таких осуществлениях экранный электрод 180 функционирует (наряду с охранным электродом) как инжектор тока. Как вариант источник 260 тока/напряжения может электрически соединять экранный электрод 180 с обратным электродом 170, в результате чего электрический потенциал экранного электрода 180 устанавливается равным электрическому потенциалу обратного электрода 170. В таких осуществлениях экранный электрод 180 функционирует (наряду с обратным электродом) как обратный токовый электрод.
2
2
1
2
3
1
3
2
Теперь обратимся к фиг. 5, где источник 260 тока/напряжения может также включать в себя схему возбуждения (непоказанную), которая выполнена с возможностью регулирования электрического потенциала экранного электрода 180 относительно охранного 160 и обратного 170 электродов. В изображенном примере осуществления схема возбуждения включает в себя регулируемый источник 270 переменного тока, выполненный с возможностью регулирования тока I через экранный электрод 180 с тем, чтобы осуществлять выбор напряжения V на нем. В одном предпочтительном осуществлении схеме возбуждения может быть выполнена с возможностью установки электрического потенциала (напряжения) экранного электрода 180 в соответствии с по существу любым потенциалом между электрическими потенциалами (напряжениями) охранного 160 и обратного 170 электродов, таким, чтобы имелось V≤V≤V. Хотя электрические потенциалы в диапазоне от V до V обычно являются предпочтительными, схема возбуждения также может быть выполнена с возможностью установки потенциала экранного электрода в соответствии со значениями вне диапазона. Схема возбуждения может быть выполнена с возможностью установки V в соответствии с дискретными заранее выбранными значениями или регулирования потенциала экранного электрода 180. Изобретение не ограничено в этом отношении.
Хотя это и не изображено на фиг. 4 или 5, но должно быть понятно, что для случая нахождения переключателя (или переключающего устройства) в первом положении, по желанию он также может быть выполнен с возможностью отключения (физического или электрического) вольтметра от потенциальных электродов 212 и 214 и соединения этих электродов 212 и 214 с экранным электродом 180. В другой конфигурации, выбираемой по желанию, потенциальные электроды 212 и 214 могут отключаться от вольтметра, но оставляться электрически плавающими.
2
1
3
2
2
3
2
1
При дополнительном обращении к фигуре 6 станет понятно, что примеры осуществления датчика, изображенные на фиг. 4 и 5, позволяют с достижением преимущества выполнять измерения на выбираемых глубинах исследования при размещении датчика в проводящей промывочной жидкости. Например, когда экранный электрод 180 электрически соединен с охранным электродом 160, измеряемая глубина больше (что показано позицией 312 на фиг. 6), чем в случае, когда экранный электрод 180 электрически соединен с обратным электродом (позиция 314 на фиг. 6). Конфигурация прибора, изображенная на фиг. 5, является особенно предпочтительной, поскольку она позволяет иметь по существу любую глубину исследования в определенном, выбираемом диапазоне. Этого можно достигать путем выбора значения напряжения V (например, относительно напряжений V и V). На фиг. 6 изображен график зависимости глубины исследования от напряжения V экранного электрода 180. Как показано, глубина исследования является минимальной, когда напряжение V экранного электрода 180 примерно равно напряжению V обратного электрода 170. При повышении напряжения глубина исследования имеет тенденцию монотонно возрастать до максимума, когда напряжение V экранного электрода 180 примерно равно напряжению V охранного электрода 160.
2
2
3
2
1
0
Измерения на многочисленных глубинах исследования могут выполняться одновременно при использовании примера осуществления изобретения, изображенного на фиг. 5. Например, переменный ток можно инжектировать в подземный пласт одновременно на первой F1 и второй F2 частотах на охранном электроде. Предпочтительно, чтобы частоты F1 и F2 могли находиться в диапазоне, например, от около 0,1 до около 10 кГц. При этом напряжение V экранного электрода 180 можно устанавливать в соответствии с первым низким потенциалом на первой частоте F1 (например, таким, чтобы имелось V=V) и в соответствии со вторым высоким потенциалом на второй частоте F2 (например, таким, чтобы имелось V=V). Затем могут быть измерены токи I инжекции (предпочтительно одновременно) на каждой из первой и второй частот. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что взаимодействие между этими инжектированными токами обычно является небольшим или отсутствует, поскольку они имеют разные частоты. После этого измеренные токи можно использовать для вычисления первого и второго значений удельного сопротивления, соответствующих первой и второй глубинам исследования. Должно быть понятно (в свете фиг. 6), что в этом примере измерение, выполняемое на первой частоте, относится к меньшей глубине исследования, чем соответствующее измерение, выполняемое на второй частоте. Также должно быть понятно, что изобретение не ограничено выполнением измерений на только одной или двух разных частотах. По существу можно использовать любое количество подходящих частот (например, 3, 4 или большее количество), что даст возможность одновременно выполнять измерения удельного сопротивления на множестве глубин исследования.
Как описывалось выше, примеры осуществлений согласно настоящему изобретению позволяют успешно выполнять измерения удельного микросопротивления на множестве глубин исследования при использовании всего лишь единственного измерительного электрода (например, электрода 190 на фиг. 4-6). Однако должно быть понятно, что изобретение не ограничено осуществлениями датчика, имеющими единственный измерительный электрод 190. Осуществления датчика согласно настоящему изобретению могут включать в себя по существу любое подходящее количество измерительных электродов, размещаемых в охранном 160 и/или обратном электродах 170. Изобретение не ограничено каким-либо конкретным местом размещения измерительного электрода или отнесением на расстояние охранного и/или обратного электродов.
Теперь обратимся к фиг. 7, на которой в виде блок-схемы последовательности действий представлен один пример осуществления способа согласно настоящему изобретению. В этом конкретном осуществлении на этапе 402 подготавливают прибор каротажа удельного микросопротивления согласно настоящему изобретению (например, изображенный на фиг. 3 и 4). На этапе 404 переключатель 250 устанавливают в первое положение, тем самым придавая прибору конфигурацию, обеспечивающую выполнение измерений удельного микросопротивления в электрически проводящем буровом растворе. Затем на этапе 406 прибор может быть размещен в буровой скважине и по желанию приведен во вращение вместе с бурильной колонной во время бурения. На этапе 408 заранее заданное напряжение переменного тока прикладывают между охранным 160 и обратным 170 электродами, вызывая инжекцию переменного тока в пласт. На этапе 410 контролируют электрический ток через измерительный электрод и используют его для вычисления величины, по меньшей мере, частично связанной с удельным сопротивлением пласта.
ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО МИКРОСОПРОТИВЛЕНИЯ В ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ НА НЕФТЯНОЙ ОСНОВЕ
Снова обратимся, к примеру, осуществления изобретения, изображенному на фигуре 4, в котором переключатель 250 заземляет экранный электрод 180 (электрически соединяет его с корпусом 110 прибора), когда он находится во втором положении. Как описывалось выше, во втором режиме измерений (в случае буровых растворов на нефтяной основе) высокочастотный переменный ток (например, около 1 МГц) обычно прикладывают между охранным 160 и обратным 170 электродами. На этих высоких частотах электроизоляционный материал 155 в датчике и непроводящий буровой раствор действуют как диэлектрики и поэтому образуются электрические трубки для токов смещения в приборе и кольцевом пространстве буровой скважины (специалистам в данной области техники должно быть понятно, что электрический импеданс этих диэлектриков снижается с повышением частоты). Получающиеся в результате токи смещения могут создавать измеримое электрическое поле (разность потенциалов) между первым и вторым потенциальными электродами 212 и 214 даже в случае выполнения измерений в воздухе. Такая разность потенциалов является паразитной в том смысле, что она не содержит информации об удельном сопротивлении пласта. При использовании заземленного, электропроводящего экранного электрода 180 (например, изображенного на фиг. 4) успешно удаляется паразитное электрическое поле, создаваемое токами смещения в датчике и буровом растворе, поскольку наводимые токи смещения в датчике и буровом растворе будут стремиться проходить через экранный электрод (который имеет близкий к нулевому импеданс).
Изолирующие зазоры 222 и 224 предусмотрены между обратным 170 и экранным 180 электродами и между экранным и охранным 160 электродами для предотвращения закорачивания экранным электродом охранного 160 и обратного 170 электродов. Предпочтительно, чтобы эти зазоры 222 и 224 имели электрический импеданс, который больше электрического импеданса бурового раствора между электродами и пластом, чтобы гарантировалось достаточное проникновение электрического тока в пласт. Это можно осуществлять, например, приданием датчику 150 такой конфигурации, при которой зазоры 222 и 224 имеют ширину, которая больше ожидаемого расстояния между электродами и стенкой буровой скважины. Поэтому должно быть понятно, что зазоры 222 и 224 могут быть меньше в осуществлениях, в которых датчик 150 размещен на лопасти или в увеличенной втулке.
Теперь обратимся к фиг. 8, на которой изображен один вариант осуществления датчика 150' согласно настоящему изобретению Датчик 150' аналогичен датчику 150 в том отношении, что он включает в себя разнесенные охранный 160 и обратный 170 электроды. Датчик 150' также включает в себя измерительный электрод 190 и первый и второй потенциальные электроды 212 и 214, описанные выше применительно к фигуре 3. Датчик 150' отличается от датчика 150 тем, что экранный электрод 180' включает в себя первый, второй и третий, разнесенные в продольном направлении элементы 180А, 180В и 180С. Эти элементы разделены изолирующими зазорами 226 и 228. Датчик 150' может быть предпочтительным при определенных применениях, поскольку он включает в себя дополнительные изолирующие зазоры 226 и 228 между охранным 160 и обратным 170 электродами. Эти зазоры могут позволить уменьшить ширину зазоров 222 и 224, благодаря чему датчик 150' станет механически более прочным.
Элементы 180А, 180В и 180С могут быть электрически соединены друг с другом, так что экранный электрод 180' может иметь эквипотенциальную поверхность (равно как и экранный электрод 180). Однако изобретение не ограничено в этом отношении. Например, элемент 180В может быть заземлен, когда переключатель 250 находится во втором положении, в то время как элементы 180А и 180С могут оставаться электрически плавающими. Когда переключатель 250 находится в первом положении, элементы 180А, 180В и 180С могут быть независимо соединены с охранным или обратным электродом. Например, элемент 180А может быть электрически соединен с обратным электродом 170 и элементы 180В и 180С с охранным электродом 160. Изобретение не ограничено любым из этих рассмотрений.
Теперь обратимся к фиг. 9, на которой представлена блок-схема последовательности действий другого примера осуществления способа согласно настоящему изобретению. В этом конкретном осуществлении на этапе 502 подготавливают прибор каротажа удельного микросопротивления согласно настоящему изобретению (например, изображенный на фиг. 3 и 4). На этапе 504 переключатель 250 устанавливают во второе положение, тем самым придавая прибору конфигурацию, обеспечивающую выполнение измерений удельного микросопротивления в электрически непроводящем буровом растворе. Затем на этапе 506 прибор может быть размещен в буровой скважине и по желанию приведен во вращение вместе с бурильной колонной во время бурения. На этапе 508 заранее заданный переменный ток пропускают между охранным и обратным электродами, по меньшей мере, часть которого инжектируется в пласт. На этапе 510 контролируют падение потенциала (то есть, разность напряжений) между первым и вторым потенциальными электродами и используют его для вычисления величины, по меньшей мере, частично связанной с удельным сопротивлением пласта.
Хотя выше изобретение было описано применительно к осуществлению датчика, имеющему одну пару потенциальных электродов, должно быть понятно, что изобретение не ограничено в этом отношении. Можно использовать многочисленные пары потенциальных электродов, расположенные, например, на одной линии в экранном электроде.
ДВУХРЕЖИМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО МИКРОСОПРОТИВЛЕНИЯ
Теперь обратимся к фиг. 10, на которой представлена блок-схема последовательности действий еще одного примера осуществления способа согласно настоящему изобретению. В этом конкретном осуществлении на этапе 602 прибор каротажа удельного микросопротивления согласно настоящему изобретению (например, изображенный на фиг. 3 и 4) размещают в подземной буровой скважине. На этапе 604 переключатель 250 переводят в первое положение, тем самым придавая прибору конфигурацию, обеспечивающую выполнение измерений удельного микросопротивления с использованием первого режима измерений. На этапе 606 заранее заданное напряжение переменного тока прикладывают между охранным 160 и обратным 170 электродами, что вызывает инжекцию переменного тока в пласт. На этапе 608 контролируют электрический ток через измерительный электрод. Затем на этапе 610 переключатель 250 переводят во второе положение, тем самым придавая прибору конфигурацию, обеспечивающую выполнение измерений удельного микросопротивления с использованием второго режима измерений. На этапе 612 заранее заданный переменный ток пропускают между охранным и обратным электродами 612, по меньшей мере, часть которого инжектируется в пласт. На этапе 614 контролируют падение потенциала (то есть, разность напряжений) между первым и вторым потенциальными электродами. На этапе 616 ток, измеренный на этапе 608, и падение потенциала, измеренное на этапе 614, используют для вычисления первой и второй величин, по меньшей мере, частично связанных с удельным сопротивлением пласта.
Способом, представленным на фиг. 10, выполняют последовательные измерения удельного микросопротивления, используя первый и второй режимы измерений. Такая методика может быть предпочтительной при определенных буровых работах, например, при использовании умеренно проводящего бурового раствора (например, на основе пресной воды). Этими «двухрежимными» измерениями предоставляется дополнительная информация, которая может повышать качество данных и/или может использоваться как средство контроля качества для перекрестной проверки достоверности однорежимных измерений.
АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫБОР РЕЖИМА ИЗМЕРЕНИЙ
Каротажным приборам согласно настоящему изобретению можно придавать конфигурацию, обеспечивающую автоматический выбор соответствующего режима измерений. В таких осуществлениях контроллер 300 (фиг. 4) управляет работой переключателя (или переключающего устройства). Например, контроллер может быть выполнен с возможностью выбора первого или второго положения переключателя (то есть, первого или второго режима измерений) на основании удельной проводимости бурового раствора. В таком осуществлении контроллер может быть выполнен с возможностью выбора первого положения переключателя (первого режима измерений), когда удельная проводимость больше заранее заданного порогового значения, и второго положения переключателя (второго режима измерений), когда удельная проводимость меньше порогового значения. Как вариант контроллер может быть выполнен с возможностью выбора (i) первого режима измерений, когда удельная проводимость бурового раствора больше первого заранее заданного порогового значения, (ii) второго режима измерений, когда удельная проводимость бурового раствора меньше второго заранее заданного порогового значения, и (iii) может быть выполнен в двухрежимной конфигурации, когда удельная проводимость бурового раствора находится между первым и вторым пороговыми значениями.
Удельная проводимость бурового раствора может регистрироваться контроллером, например, при вводе оператором или с датчика 145 удельной проводимости. Поскольку удельная проводимость бурового раствора может изменяться во время бурения (например, вследствие изменений температуры или вследствие притока соли или газа в буровую скважину), использование датчика удельной проводимости может позволить успешно выбирать режим измерений на основании фактических условий в буровой скважине. Однако изобретение не ограничено в этом отношении.
Снова обратимся к фиг. со 2 по 4, где измерительный прибор 100 обычно включает в себя дополнительный контроллер или контроллер 300 с дополнительными функциональными возможностями. Подходящий контроллер обычно включает в себя программируемый процессор (непоказанный), такой как микропроцессор или микроконтроллер, и может также включать в себя считываемый процессором или считываемый компьютером программный код, реализующий логику, включающий в себя команды на управление работой прибора. Подходящий контроллер можно использовать, например, для выполнения измерений удельного микросопротивления во время бурения. Как таковой контроллер также можно выполнять с возможностью (i) инжекции переменного электрического тока в пласт на охранном электроде, (ii) измерения электрического тока через измерительный электрод или падения потенциала между первым и вторым потенциальными электродами и (iii) вычисления, по меньшей мере, одной величины, по меньшей мере, частично связанной с удельным сопротивлением пласта, на основании измеряемого тока или падения потенциала.
Подходящий контроллер 300 можно также выполнять с возможностью построения изображений удельного микросопротивления во время бурения. При таких применениях для построения изображения измерения удельного микросопротивления можно регистрировать и осуществлять корреляцию их с соответствующими измерениями азимута (получаемыми, например, от направленных датчиков 140, размещенных в приборе 100) в то время, когда прибор вращается в буровой скважине. Поэтому контроллер сам по себе может включать в себя команды на осуществление корреляции во времени измерений датчика каротажа во время бурения с измерениями азимута датчика (передней поверхности прибора). Кроме того, может осуществляться корреляция измерений датчика каротажа во время бурения с измерениями глубины. Построение скважинных изображений можно осуществлять с использованием по существу всех известных методик, в том числе, например, алгоритмов обычного бинирования, обработки методом окна или распределения вероятностей. В патенте США №5473158 раскрыт алгоритм обычного бинирования, предназначенный для построения скважинного изображения. В обычным образом переуступленном патенте США №7027926 (Haugland) раскрыт способ построения скважинного изображения, в котором данные датчика свертывают с одномерной вырезающей функцией. В обычным образом переуступленном патенте США №7558675 (Sugiura) раскрыт способ построения изображения, в котором данные датчика вероятностно распределяют по одному или двум измерениям.
По желанию подходящий контроллер может также включать в себя другие управляемые компоненты, такие как другие датчики, устройства хранения данных, источники питания, таймеры и т.п. Как описывалось выше, контроллер расположен в электронной связи с различными датчиками, размещенными в буровой системе. По желанию контроллер также может быть расположен в связи с другими инструментами в бурильной колонне, такими как телеметрические системы, которые также находятся в связи с поверхностью или отклоняющим инструментом. Такая связь может значительно улучшать управление по направлению во время бурения. По желанию контроллер также может включать в себя энергозависимое или энергонезависимое запоминающее устройство или устройство хранения данных для сохранения в скважине значений измеряемых токов, измеряемых падений напряжения, удельного микросопротивления и/или изображений, получаемых при каротаже во время бурения. Изобретение не ограничено в этом отношении.
Хотя настоящее изобретение и его преимущества были описаны подробно, следует понимать, что различные изменения, замены и варианты могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения.