НЕПЛОСКАЯ АНТЕННА ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО КАРОТАЖА СОПРОТИВЛЕНИЯ
NON-FLAT ANTENNA FOR DIRECTIONAL RESISTIVITY LOGGING

НЕПЛОСКАЯ АНТЕННА ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО КАРОТАЖА СОПРОТИВЛЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в общем, к скважинным измерительным инструментам, используемым для измерения электромагнитных свойств ствола скважины. Более конкретно, варианты осуществления данного изобретения относятся к неплоской антенне и каротажным инструментам, использующим такие антенны для выполнения направленных измерений сопротивления подземного пласта.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Использование электрических измерений в известных из уровня техники скважинных применений, таких как каротаж во время бурения (КвВБ), измерения во время бурения (ИвВБ), и каротаж на кабеле, хорошо известны. Такие методики могут быть использованы для определения удельного сопротивления подземного пласта, которое, вместе с измерениями пористости пласта часто используют для индикации присутствия углеводородов в пласте. Например, известно, что пористые пласты, имеющие высокое электрическое удельное сопротивление, часто содержат углеводороды, такие как нефть, а пористые пласты, имеющие низкое электрическое удельное сопротивление, часто являются водонасыщенными. Должно быть ясно, что такие термины, как удельное сопротивление и удельная электропроводность, являющиеся взаимно обратными, часто используют как взаимозаменяемые в технике. Упоминание одного или другого термина в данном документе имеет место для удобства описания и не имеет ограничительного смысла.
Достижения в методиках направленного бурения обеспечивают прокладку канала подземного ствола скважины таким образом, чтобы максимизировать добычу нефти. Способы измерения во время бурения и каротаж во время бурения предоставляют, по существу, в режиме реального времени, информацию о подземном пласте по ходу бурения ствола скважины. Такая информация может быть использована в принятии решений по геонаведению для последующего бурения ствола скважины. Например, по существу горизонтальную секцию ствола скважины можно прокладывать через тонкий нефтеносный слой. Вследствие падений и сдвигов, которые могут встречаться в различных слоях, составляющих пласты, буровое долото может спорадически выходить из тонкого нефтеносного слоя и входить в непродуктивные зоны во время бурения. При попытке геонаведения бурового долота для возвращения в нефтеносный слой оператору бурения обычно необходимо знать нужное направление поворота бурового долота (например, вверх, вниз, налево или направо). Для принятия корректного решения по геонаведению является в общем полезной информация о пластах, такая как углы падения и простирания границ нефтеносного слоя. Такая информация может быть получена из азимутальных чувствительных измерений электрических свойств (например, удельного сопротивления) окружающего подземного пласта.
Азимутально чувствительные инструменты (средства) измерения и каротажа удельного сопротивления во время бурения известны в технике и, в общем, именуются инструментами направленного измерения удельного сопротивления. Хотя серийные инструменты направленного измерения удельного сопротивления используют в промышленном масштабе, остается необходимость дополнительного усовершенствования и, в частности, остается необходимость в усовершенствованной антенне для использования в вариантах применения направленного каротажа сопротивления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению предоставлен скважинный инструмент, описанный в прилагаемой формуле изобретения.
Аспекты настоящего изобретения предназначены для удовлетворения описанной выше потребности в усовершенствованных инструментах направленного измерения удельного сопротивления. В одном аспекте изобретение включает в себя скважинный измерительный инструмент, имеющий, по меньшей мере, одну неплоскую антенну. Неплоская антенна включает в себя, по меньшей мере, одну неплоскую петлю антенного провода, развернутого вокруг корпуса инструмента. Являющиеся примером неплоские антенны могут быть выполнены с возможностью принимать и передавать излучения одной или нескольких, по существу, несмешанных мод электромагнитного излучения (т.e. x-, y-, и/или z-моды), а также различных смешанных мод. В одном примере варианта осуществления неплоскую антенну можно рассматривать как двухплоскостную, включающую в себя первую и вторую секции, образующие первую и вторую пересекающиеся геометрические плоскости. В другом примере варианта осуществления аксиальное разделение между неплоскими петлями антенного провода и проходящей по окружности центральной линией антенн изменяется, по существу, синусоидально относительно азимутального угла по окружности инструмента.
Являющиеся примером варианты осуществления настоящего изобретения могут предпочтительно обеспечивать несколько технических преимуществ. Например, неплоская антенна согласно изобретению может быть предпочтительно выполнена с возможностью принимать и передавать излучение, по существу, чисто x-, y- и z-моды. Неплоскую антенну можно, поэтому, использовать для выполнения как направленного, так и ненаправленного измерения сопротивления. Использование одной антенны для выполнения как направленного, так и ненаправленного измерения удельного сопротивления позволяет экономить пространство на инструменте и может обеспечивать выполнение измерений ближе к долоту в операциях (ИвВБ)и (КвВБ).
Являющиеся примером антенны вариантов осуществления настоящего изобретения можно предпочтительно размещать в так, что они обеспечивают передачу и/или прием многочисленных (многократных) мод (например, x-, y-, и z- мод) электромагнитного излучения с одного аксиального места на инструменте. Кроме того, многочисленные (многократные) моды электромагнитного излучения могут быть переданы и/или приняты антенной, имеющей одну канавку (углубление) по окружности корпуса инструмента. Данный признак предпочтительно уменьшает число требуемых антенных канавок и таким образом стремится обеспечить поддержание высокой прочности инструмента.
В одном аспекте настоящее изобретение включает в себя скважинный инструмент. Инструмент включает в себя неплоскую антенну, развернутую на корпусе скважинного инструмента. Антенна включает в себя, по меньшей мере, одну неплоскую петлю антенного провода, развернутую вокруг корпуса инструмента и, по меньшей мере, одну антенную цепь, электрически соединенную с антенным проводом.
В другом аспекте данное изобретение включает в себя скважинный инструмент. Инструмент включает в себя неплоскую антенну, развернутую на корпусе скважинного инструмента. Антенна включает в себя, по меньшей мере, одну неплоскую петлю антенного провода, развернутую вокруг корпуса инструмента и, по меньшей мере, одну антенную цепь, электрически соединенную с антенным проводом. Петля антенного провода включает в себя первую и вторую секции, образующие соответствующие первую и вторую геометрические плоскости.
В еще одном аспекте настоящее изобретение включает в себя скважинный инструмент. Инструмент включает в себя неплоскую антенну, развернутую на корпусе скважинного инструмента. Антенна включает в себя, по меньшей мере, одну неплоскую петлю антенного провода, развернутую вокруг корпуса инструмента и, по меньшей мере, одну антенную цепь, электрически соединенную с антенным проводом. Петля антенного провода является аксиально симметричной вокруг проходящей по окружности центральной линии антенны.
В еще одном аспекте это изобретение включает в себя скважинный инструмент. Инструмент включает в себя неплоскую антенну, развернутую на корпусе скважинного инструмента. Антенна включает в себя первый и второй антенные провода, развернутые вокруг корпуса инструмента в одном неплоском, проходящем по периметру окружности углублении, сформированном в корпусе инструмента. Первый и второй антенные провода электрически соединены с соответствующими первой и второй антенными цепями так, что первый антенный провод сконфигурирован с возможностью принимать и передавать электромагнитное излучение z-моды, и второй антенный провод сконфигурирован с возможностью приема и передачи электромагнитного излучения х-моды. В примерном варианте осуществления неплоская антенна включает в себя третий антенный провод, развернутый вокруг корпуса инструмента в неплоском углублении. Третий антенный провод электрически соединен с соответствующей третьей антенной цепью так, что третий антенный провод выполнен с возможностью приема и передачи электромагнитного излучения y-моды.
Выше достаточно широко описаны признаки и технические преимущества настоящего изобретения для лучшего понимания следующего подробного описания изобретения. Дополнительные признаки и преимущества изобретения описаны ниже в данном документе, которые формируют предмет формулы изобретения. Должно быть оценено специалистам в данной области техники, что описанные концепция и конкретные варианты осуществления можно использовать как основу модифицирования или разработки других структур для выполнения задач настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники также должно быть понятно, что такие эквивалентные конструкции не отходят от сущности и объема изобретения, изложенного в прилагаемой формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ приведено следующее описание с прилагаемыми чертежами, на которых показано следующее.
На Фиг.1A-1C изображены варианты осуществления антенн известного уровня техники.
На Фиг.2 изображена буровая установка, на которой можно развертывать являющиеся примером варианты осуществления настоящего изобретения.
На Фиг.3 изображены первый и второй варианты осуществления неплоских антенн согласно настоящему изобретению.
На Фиг.4 изображены отличия примерного изобретения вариантов осуществления антенны, изображенных на Фиг.3, и вариантов осуществления антенн известного уровня техники, показанных на Фиг.1A-1C.
На Фиг.5A-5C изображена конфигурации электрических соединений, используемых для приемопередачи, по существу, монотипного излучения z-, x- и y-моды, соответственно, с использованием являющейся примером антенны 220 варианта осуществления, показанного на Фиг.3.
На Фиг 6A и 6B схематично изображены альтернативные варианты осуществления антенн согласно настоящему изобретению.
На Фиг.7 изображен график зависимости между аксиальным расстоянием антенного провода и проходящей по окружности центральной линии и азимутальным углом по окружности инструмента для вариантов осуществления антенн, показанных на Фиг.3.
На Фиг.8 изображена часть инструмента каротажа во время бурения, включающего в себя неплоские антенны первого и второго вариантов осуществления согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На Фиг.1A, 1B и 1C (вместе на Фиг.1) изображен три инструмента 20, 30 и 40, соответственно, измерения удельного сопротивления известного уровня техники. Данные инструменты вместе именуют в уровне техники электромагнитными индукционными каротажными инструментами или инструментами измерения удельного сопротивления. Данные термины в данном документе используются, как синонимы. При использовании изменяющийся во времени электрический ток (переменный ток) в одной или нескольких передающих антеннах создает изменяющееся во времени магнитное поле в пласте, которое, в свою очередь, порождает электрические токи (вихревые токи) в электропроводящем пласте. Вихревые токи дополнительно создают вторичные магнитные поля, которые могут создавать напряжение в одной или нескольких приемных антеннах. Эти измеренные напряжения можно обрабатывать для определения удельного сопротивления пласта и диэлектрической постоянной, которые, как описано выше, могут быть связаны с нефтегазоносным потенциалом пласта.
На Фиг.1A, изображен один пример варианта осуществления промышленного измерительного инструмента 20 для использования при проведении ненаправленных измерений сопротивления. Показанный вариант осуществления включает в себя приемную антенну 26 (приемник), аксиально смещенную от передающей антенны 24 (передатчик). Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что варианты осуществления промышленного инструмента обычно имеют многочисленные передатчики и приемники, разнесенных вдоль оси инструмента для обеспечения выполнения измерений удельных сопротивлений на нескольких глубинах исследования. Передача на множественных частотах возмущения (например, 0,5 и 2,0 МГц) также известна в технике. Удельное сопротивление пласта часто подсчитывают по сдвигу фазы и затуханию (изменению амплитуды) между сигналами напряжения, принятыми первой и второй приемными антеннами.
На Фиг.1A дополнительно изображен вариант осуществления, в котором передающая и приемная антенны 24 и 26 развернуты, по существу, коаксиально друг с другом и с корпусом 22 инструмента (так что магнитные диполи антенны совпадают с продольной осевой линией инструмента 20). Антенны 24 и 26 именуют в данном документе коаксиальными антеннами, поскольку они, по существу, коаксиальны с корпусом инструмента. В данной конфигурации антенна возбуждает (или детектирует) вихревые токи в пласте в петлях, проходящих по окружности инструмента и в плоскостях ортогональных его продольной осевой линии. Такие обычные каротажные инструменты, следовательно, не обеспечивают направленной (азимутальной) чувствительности.
Обратимся теперь к Фиг.1B, показаны электромагнитные инструменты измерения удельного сопротивления, имеющие одну или несколько наклонных антенн, также известны в технике. В изображенном примере варианта осуществления измерительный инструмент 30 включает в себя наклонную приемную антенну 36, аксиально смещенную от передающей антенны 24. Как указано выше, промышленные инструменты обычно используют несколько разнесенных передающих и приемных антенн. Наклонные антенны имеют свою ось магнитного диполя, сориентированную под наклоном к продольной осевой линии инструмента (обычно под углом 45 градусов, как показано), и поэтому создает (или детектирует) вихревые токи, протекающие в плоскостях не ортогональных относительно осевой линии инструмента. Наклонные антенны могут также рассматриваться передающими и/или принимающими электромагнитную волну смешанной моды (т.e. электромагнитная волна, имеющая как продольные, так и поперечные компоненты). Инструменты, использующие несколько наклонных передающих и/или приемных антенн также известны в технике. Кроме того, также известны инструменты в вариантах осуществления с первой и второй наклонными антеннами в сборке. В таких вариантах осуществления первую и вторую антенны можно развертывать ортогонально друг к другу с осями магнитного диполя, сориентированными под углами 45 и -45 градусов относительно продольной осевой линии инструмента (см., например, патенты США 7202670 и 7382135).
Теперь ссылаясь на Фиг.1C показан электромагнитный инструмент измерения удельного сопротивления, имеющий поперечные антенны, также известные в технике. В изображенном примере варианта осуществления, измерительный инструмент 40 использует первую и вторую, продольно разнесенные приемные антенны 26 и 46, аксиально смещенные от передающей антенны 24. Приемная антенна 46 выполнена так, что плоскость антенны является параллельной продольной осевой линии инструмента для получения момента диполя, поперечного продольной осевой линии инструмента (и антеннам 24 и 26). Антенны 26 и 46 могут быть аксиально разнесены, как изображено, или размещены. Использование размещенных в сборке антенн для передачи и/или приема электромагнитных волн смешанной моды также известно. Инструменты, использующие ортогональные (разнесенные или размещенные в сборке) поперечные антенны (т.е. x- и y-мод) также известны.
Инструменты измерения удельного сопротивления, использующие наклонные антенны или поперечные антенны, давно используют в промышленности для выполнения направленных измерений сопротивления. Тем не менее, остается необходимость создания в промышленности улучшенного инструмента направленного измерения удельного сопротивления с использованием улучшенных антенн. Например, наклонная антенна передает и/или принимает (осуществляет приемопередачу) волн смешанной моды, которые непросто разделить на их аксиальные и поперечные компоненты. Обычные поперечные антенны требует нескольких наборов щелей (например, аксиальных и/или периферических), подлежащих выполнению в корпусе инструмента, через которые можно осуществлять приемопередачу многократных мод электромагнитной волны. Такие щели могут нарушать структурную целостность инструмента, особенно в инструментах с вариантами осуществления, использующими антенны в сборке, в которых часто используют многочисленные разнонаправленные щели. Поэтому, существует необходимость создания усовершенствованных антенн для измерения удельного сопротивления и скважинных измерительных инструментов, использующих такие антенны.
Должно быть понятно, что при использовании в данном документе термин "осуществлять приемопередачу" означает передавать и/или принимать. Использование в качестве глагола, например, в выражениях "осуществлять приемопередачу" или "осуществляет приемопередачу", определяет действие передачи и/или приема электромагнитной волны. Использование в качестве существительного, например, "приемопередатчик", показывает передатчик и/или приемник. Использование в качестве прилагательного, например, "приемопередающая" цепь, определяет функциональность, как передатчика и/или приемника. Например, приемопередающая цепь означает цепь, создающую функциональность передатчика и/или приемника для антенны. Аналогично, приемопередающая антенна означает антенну, функционирующую, как передатчик и/или приемник. Кроме того, должно быть понятно, что термин осуществлять приемопередачу (или приемопередатчик) используют для эффективности объяснения. Термин приемопередатчик может означать, как передатчик, так и приемник. Он может также относиться к устройству, выполненному с возможностью функционирования, как в качестве передатчика, так и в качестве приемника. Аналогично, действие осуществления приемопередачи означает как передачу, так и прием. Это может также означать одновременную передачу и прием. Изобретение не ограничено в этом отношении. Неплоская антенна, согласно изобретению может быть выполнена с возможностью функционирования в качестве передатчиков (отдельно), приемников (отдельно), или как передатчика, так и приемника (как последовательно, так и одновременно).
Обращаясь к Фиг.2-8 изображены примеры вариантов осуществления настоящего изобретения. На Фиг.2-8, признаки или аспекты вариантов осуществления могут быть показаны в различных видах. В случае, если такие признаки или аспекты являются общими на конкретных видах, они обозначены одинаковыми позициями. Таким образом, признак или аспект, обозначенный конкретной позицией на Фиг.2-8, может быть описан в данном документе для данной позиции, показанной на любой из фигур.
Фиг.2 изображает один пример варианта осуществления инструмента 100 каротажа во время бурения, используемого в установке для бурения на нефть или газ, в общем обозначенной позицией 50. На Фиг.2, полупогружная буровая платформа 52 установлена над нефтяным или газовым пластом (не показано), расположенным под морским дном 56. Подводный напорный трубопровод 58 проходит от палубы 60 платформы 52 до оборудования 62 устья скважины. Платформа может включать в себя вышку 66 и подъемное устройство 68 для спуска и подъема бурильной колонны 70, которая, как показано, проходит в ствол 80 скважины и включает в себя буровое долото 72 и инструмент 100 измерения удельного сопротивления. Варианты осуществления измерительного инструмента 100 включают в себя, по меньшей мере, одну неплоскую антенну 120 (также именуемую в данном документе неплоским приемопередатчиком), развернутую вокруг корпуса 210 инструмента (Фиг.3). Являющиеся примерами варианты осуществления измерительного инструмента 100 могут дополнительно, если необязательно, включать в себя одну или несколько обычных антенн, например, таких как коаксиальные, поперечные и/или наклонные антенны. Примеры вариантов осуществления изобретения часто дополнительно включают в себя азимутальный датчик 130 (также именуемый датчиком положения торца долота). Подходящие азимутальные датчики могут включать в себя, по существу, любой датчик, который чувствителен к его азимуту (положению торца долота) на инструменте 100 (например, относительно верхней стороны, нижней стороны, левой стороны, правой стороны и т.д.), такой как один или несколько акселерометров, магнитометров и/или гироскопов. Бурильная колонна 30 может дополнительно включать в себя забойный буровой двигатель, систему телеметрии по пульсации бурового раствора, и один или более других датчиков, таких как прибор ядерного каротажа, для измерения характеристик ствола скважины и окружающего пласта на забое.
Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что развертывание, иллюстрированное на Фиг.2, является только примером для описания изобретения, изложенного в данном документе. Дополнительно должно быть понятно, что измерительный инструмент 100 настоящего изобретения не ограничен в использовании полупогружной платформой 52, показанной на Фиг.2. Измерительный инструмент 100 одинаково хорошо подходит для использования в любом виде операций подземного бурения, как в море, так и на берегу. Хотя измерительный инструмент 100 показан соединенным с бурильной колонной на Фиг.2, также должно быть понятно, что изобретение не ограничено вариантами осуществления для измерений во время бурения (ИвВБ) и/или каротажа во время бурения (КвВБ). Измерительные инструменты, согласно настоящему изобретению, включающие в себя, по меньшей мере, одну неплоскую антенну, можно также выполнять подходящими для вариантов использования на каротажном на кабеле.
На Фиг.3 показаны примеры вариантов осуществления антенн настоящего изобретения. На Фиг.3 показаны первая и вторая неплоские антенны 220 и 260, развернутые, по существу, на цилиндрическом корпусе 210 инструмента. В изображенном примере варианта осуществления, антенны развернуты в соответствующих углублениях 240 и 280, выполненных во внешней поверхности корпуса 210 инструмента. В вариантах осуществления для (ИвВБ)/(КвВБ), корпус 210 инструмента представляет собой утяжеленную бурильную трубу, выполненную для соединения с бурильной колонной (например, бурильной колонной 70, изображенной на Фиг.2) поэтому, может, если необязательно, включать в себя обычные концевые замковый ниппель и замковую муфту с резьбой (не показано). Хотя на Фиг.3 показан корпус 210 инструмента, имеющий первую и вторую аксиально разнесенные неплоские антенны, развернутые на нем, должно быть ясно, что изобретение этим не ограничено. Измерительные инструменты согласно изобретению могут включать в себя, по существу, любое число (одну или несколько) неплоских антенн. Первая и вторая антенны изображены на Фиг.3 только с целью более эффективного описания изобретения.
Варианты осуществления антенн 220 и 260 являются аналогичными обычным антеннам в том, что включают в себя антенный провод, развернутый в углублении на корпусе инструмента. Провод может иметь один или несколько витков обмотки вокруг утяжеленной бурильной трубы (на Фиг.3 показана конфигурация с одним витком). Провод может дополнительно быть герметично уплотнен в углубление для его защиты от воздействия внешней среды, но в любом случае выполнен с возможностью передачи во внешнюю среду и/или приема из внешней среды электромагнитных волн. Противоположные концы антенного провода образуют первую и вторую точки подключения, которые можно подключать к цепи приемопередатчика (не показано). Варианты осуществления приемника сконфигурированы с возможностью реагирования на электромагнитные волны генерированием выходного сигнала датчика в форме разности потенциалов между первой и второй точками подключения, являющейся индикативной для различных параметров волны, таких как относительная амплитуда и фаза. Варианты осуществления передатчика выполнены с возможностью излучения электромагнитных волн в ответ на возбуждающий сигнал в форме переменного тока, приложенного к точкам подключения цепью передатчика. Электрическое соединение обладающих признаками предложенного изобретения антенн с цепями передатчика и/или приемника описано более подробно ниже и показано на Фиг.5A-5C. Структурные детали, относящиеся к одному примеру варианта осуществления антенны, обладающей признаками предложенного изобретения, описаны более подробно ниже и показаны на Фиг.8.
Варианты осуществления антенны согласно настоящему изобретению (например, вариантов осуществления антенны 220 и 260, показанные на Фиг.3) отличаются от обычных антенн тем, что являются неплоскими. Обладающую признаками предложенного изобретения антенну можно также рассматривать, как нелинейную. Описание обладающих признаками изобретения антенн, как неплоских, означает, что петля антенного провода не находится на одной геометрической плоскости (т.e. в двухкоординатной плоскости). Иначе говоря, неплоская антенна настоящего изобретения не может быть спроецирована в виде прямой линии, ни под каким углом (отсюда, обладающую признаками изобретения антенну можно рассматривать и именовать нелинейной антенной).
В продолжение, ссылаясь на Фиг.3 и дополнительно на Фиг.4, примерные варианты осуществления антенны 220 и 260 отличаются от обычных антенн 26, 36, и 46 (также изображенных на Фиг.1). Как изображено на Фиг.4, обычные антенны 26, 36, и 46 являются плоскими, поскольку петля (или петли) их антенных проводов лежат на одной плоскости. В частности, коаксиальная антенна 26 является, по существу, круглой, наклонная антенна 36 является, по существу, эллиптической (или овальной), и поперечная антенна 46 является, по существу, прямоугольной (хотя, обычно, имеющей скругленные углы). Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что каждая из данных обычных антенн 26, 36, и 46 является плоской (при этом, являясь соответственно круглой, овальной и прямоугольной). Кроме того, как также показано на Фиг.4, должно быть ясно, что в проекции на продольную плоскость каждая из данных обычных антенн 26, 36, и 46 образует прямую линию. Проекция коаксиальной антенны 26 формирует отрезок 29 прямой, ортогональный с осью 205 цилиндра. Проекция наклонной антенны 36 формирует отрезок 39 прямой, проходящий под углом (например, под углом 45 градусов к оси 205 цилиндра) и проекция поперечной антенны 46 формирует отрезок 49 прямой, параллельный оси 205 цилиндра или совпадающий с ней.
Как указано выше, антенны вариантов осуществления согласно настоящему изобретению являются неплоскими. Показанную на Фиг.3 и 4, антенну 220 можно рассматривать, как двухплоскостную, поскольку разные ее участки лежат на соответствующих разных первой и второй плоскостях. Антенна 220 состоит из первой и второй полуэллиптических (или полуовальных) секций 222 и 224, каждая из которых лежит на соответствующей индивидуальной геометрической плоскости 232 и 234, как изображено на Фиг.3 Плоскости 232 и 234 предпочтительно ортогональны друг к другу (например, ориентированы под углами 45 и -45 градусов относительно осевой линии инструмента 205), хотя изобретение этим не ограничено. Как изображено на Фиг.4, проекция антенны 220 на продольную плоскость образует первый и второй не параллельные (и не совпадающие) отрезки 228 и 229 прямой. Антенну 220 можно, поэтому, считать билинейной. В любом случае, специалисту в данной области техники должно быть ясно, что данный примерный вариант осуществления 220 антенны является неплоский и не линейный.
Антенна 260 также является неплоской и нелинейной, как изображено на Фиг.3 и 4. В антенне 260, антенный провод образует петлю, проходя, по существу, по синусоиде вокруг корпуса 210 инструмента. Прохождение в петле по синусоиде означает, что расстояние между антенным проводом и проходящей по окружности центральной линией 265 меняется, по существу, синусоидально с изменением азимутального угла по окружности инструмента. Эта характеристика антенны 260 описана более подробно ниже со ссылками на Фиг.7. Как изображено на Фиг.4, проекция антенны 260 на продольную плоскость образует синусоидальную кривую 269. В примере варианта осуществления 260 антенны, изображенной на Фиг.3 и 4, расстояние между антенным проводом и проходящей по окружности центральной линией 265 вычерчивает два полных периода волны синусоиды по окружности инструмента. Должно быть понятно, что изобретение этим не ограничено.
Как также показано на Фиг.3 и дополнительно на Фиг.5A, 5B, и 5C (вместе Фиг.5), предпочтительные варианты осуществления антенны согласно настоящему изобретению могут быть сконфигурированы, чтобы принимать и передавать электромагнитное излучение, по существу, чисто x-, y-, и z-моды с использованием одного антенного провода. Некоторые варианты осуществления антенны могут также быть сконфигурированы, чтобы принимать и передавать различное излучение смешанной моды (например, включающее в себя xy, xz или yz моды). Хотя на Фиг.5 изображена антенна 220 примера варианта осуществления, обсуждение в данном документе относится как к антенне 220, так и к антенне 260. Антенны 220 и 260 могут быть сконфигурированы, чтобы принимать и передавать излучения z-моды (осевая мода) посредством соединения электронной схемы приемопередатчика (цепи, включающей в себя передающие и/или принимающие элементы) последовательно с петлей (или петлями) антенного провода, как показано позицией 322 (Фиг.5A). Антенны 220 и 260 могут быть сконфигурированы, чтобы принимать и передавать излучение x-моды (первой поперечной моды) посредством электрического соединения первой пары противоположных точек по окружности антенного провода с электронной схемой приемопередатчика, как показано позицией 324 (Фиг.5B). Антенны 220 и 260 могут быть сконфигурированы, чтобы принимать и передавать излучение y-моды (второй поперечной моды) посредством электрического соединения второй пары противоположных точек по окружности антенного провода с электронной схемой приемопередатчика, как показано позицией 326 (Фиг.5C). Для приема и/или передачи y-моды, вторая пара противоположных точек разнесена по окружности на угол 90 градусов относительно первой пары (поскольку y-мода ортогональна x-моде).
Как показано на Фиг.5A, 5B, и 5C, по существу, любое подходящее средство можно использовать для соединения антенного провода с цепью приемопередатчика. Например, элементы 322, 324 и 326 могут включать в себя обычные переключающие элементы. В таком варианте осуществления элемент 322 сконфигурирован с возможностью переключения между замкнутой цепью (цепью короткого замыкания) и электрическим соединением с цепью приемопередатчика. Элементы 324 и 326 выполнены с возможностью переключения между разомкнутой цепью и электрическим соединением с цепью приемопередатчика. Для приема и передачи излучения z-моды, элемент 322 электрически соединяет антенный провод последовательно с цепью приемопередатчика, при этом элементы 324 и 326 являются разомкнутой цепью. Для приема и передачи излучения х-моды, элемент 324 соединяет первую пару противоположных по окружности точек с цепью приемопередатчика, при этом, элемент 322 является замкнутой цепью, и элемент 326 является разомкнутой цепью. Для приема и передачи излучения y-моды, элемент 326 соединяет вторую пару противоположных по окружности точек с цепью приемопередатчика, при этом элемент 322 является замкнутой цепью, и элемент 324 является разомкнутой цепью.
Варианты осуществления, раскрытые выше и изображенные на Фиг.3 и 5, описаны для вариантов осуществления, имеющих один антенный провод (один провод с петлей с одним или несколькими витками вокруг корпуса инструмента). Данный один антенный провод можно избирательно соединять с цепью приемопередатчика, для избирательного выполнения приема и передачи электромагнитного излучения, по существу, чисто x-, y- и z-моды. Должно быть понятно, что изобретение этим не ограничено (в отношении антенны, имеющей только один антенный провод). В некоторых вариантах осуществления может быть предпочтительно конфигурировать неплоскую антенну с двумя или больше антенными проводами. Например, в одном альтернативном варианте осуществления изобретения (показано схематично на Фиг.6A), антенна 220 может быть сконфигурирована с возможностью включать в себя отдельные первый и второй антенные провода 220A и 220B, развернутые в углублении 240 (Фиг.3). Первый антенный провод 220A может быть соединен с первой цепью 245А приемопередатчика способом, описанным выше и изображенным на Фиг.5A, для приема и передачи излучения z-моды. Второй антенный провод 220B может быть соединен со второй цепью 245В приемопередатчика способом, описанным выше относительно Фиг.5B, для приема и передачи излучения х-моды. Такой примерный вариант осуществления может быть сконфигурирован избирательно принимать и передавать излучение x- и z- моды (например, избирательным приведением в действие цепей приемопередатчика) или одновременно принимать и передавать смешанное излучение x- и z- моды (например, одновременным приведением в действие цепей приемопередатчика).
В другом альтернативном варианте осуществления (изображенном схематично на Фиг.6B), антенна 260 может быть выполнена с возможностью включения в себя отдельных первого, второго и третьего антенных проводов 260A, 260B и 260C, развернутых в углублении 280. Первый антенный провод 260A может быть соединена с первой цепью 285А приемопередатчика способом, описанным выше относительно Фиг.5A, для приема и передачи излучения z-моды. Второй антенный провод 260B может соединяться со второй цепью 285B приемопередатчика способом, описанным выше относительно Фиг.5B, для приема и передачи излучения х-моды. Третий антенный провод 260C может соединяться с третьей цепью 285С приемопередатчика способом, описанным выше относительно Фиг.5C, для приема и передачи излучения y-моды. Такой являющийся примером вариант осуществления может быть сконфигурирован для того, чтобы избирательно принимать и передавать излучения, по существу, чисто x-, y- и z- моды (например, избирательным приведением в действие цепей приемопередатчика) или приема и передачи, электромагнитного излучения, по существу, любых смешанных мод. Например, для одновременного приема и передачи излучения x-, y- и z- моды цепи 285A, 285B и 288C приемопередатчиков можно приводить в действие одновременно.
Как описано выше, неплоская антенна согласно изобретению может быть сконфигурирована, как передатчик и/или приемник. Каждая антенна может, поэтому, быть связана с надлежащей схемой приемопередатчика. Специалист в данной области техники должен быть способен легко выполнить подходящую схему приемопередатчика. Цепь подходящего передатчика может включать в себя, например, генератор колебаний, который создает заданный сигнал переменного тока и, тем самым, обеспечивающий передачу антенной электромагнитных сигналов на одной или нескольких частотах (например, в диапазоне от около 0,05 до около 2 МГц). Множественные частоты предпочтительно используют для передачи большего объема информации. Известно влияние на более высокие частоты диэлектрических свойств пласта, хотя более низкие частоты известны более глубоким проникновением в пласт.
Подходящая цепь приемника может включать в себя, например, схему, выполненную для приема и усиления сигналов, детектируемых антенной. Подходящий приемник может дополнительно включать в себя аналого-цифровой преобразователь, для преобразования принятого аналогового сигнала в цифровой сигнал. Принятые сигналы обычно обрабатывают в скважине, по меньшей мере, частично, и передают на поверхность и/или сохраняют в запоминающем устройстве в скважине. Подходящий процессор обрабатывает принятые сигналы для обеспечения оценок одного или нескольких пластовых параметров, представляющих интерес, таких как удельное сопротивление и/или диэлектрическая постоянная пласта.
Снова ссылаясь на Фиг.3 и дополнительно ссылаясь теперь на Фиг.7, являющиеся примером варианты осуществления неплоских антенн согласно настоящему изобретению могут иметь как симметричные, так и асимметричные x- и y-моды, в зависимости от требований конкретного измерительного инструмента. Изобретение этим не ограничено. «Симметричные» означает, что x- и y-моды имеют приблизительно равные амплитуды. Одним путем получения, по существу, симметричных x- и y- мод является конфигурирование антенны так, что антенный провод является аксиально симметричным, относительно проходящей по окружности центральной линии 265 (Фиг.3). В изображенных примерах вариантов осуществления, антенна 260 является аксиально симметричной относительно проходящей по окружности центральной линии 265 и поэтому стремится быть симметричной относительно x- и y- мод передачи и/или приема. Антенна 220 является аксиально асимметричной относительно проходящей по окружности центральной линии 225 и поэтому стремится быть асимметричной относительно x- и y-мод передачи и/или приема.
Такая симметрия и асимметрия антенны может быть более подробно описана относительно Фиг.7, где показан график аксиального расстояния между соответствующими антенными проводами и соответствующими проходящими по окружности центральными линиями 225 и 265, как функции азимутального угла по окружности инструмента. Антенна 260 может быть рассмотрена, как аксиально симметричная поскольку аксиальное расстояние между антенным проводом и проходящей по окружности центральной линией 265 изменяется, по существу, синусоидально по азимуту. В показанном примере варианта осуществления угол наклона антенны составляет около 45 градусов в точке, в которой антенный провод пересекает проходящую по окружности центральную линию 265 (как изображено в точке 270 на Фиг.3). Это соответствует антенне, имеющей максимальное аксиальное расстояние между антенным проводом и центральной линией, составляющее около d/4 (где d диаметр корпуса 210 инструмента). Должно быть ясно, что максимальное аксиальное расстояние между антенным проводом и проходящей по окружности центральной линией 265 увеличивается с увеличением угла наклона. Данное приводит, в результате, к увеличенной передаче и приему поперечных мод (x- и y-мод) за счет удлинения канавки антенны. В предпочтительных вариантах осуществления симметричной антенны вышеописанный угол наклона находится в диапазоне от около 30 до около 60 градусов.
Далее ссылаясь на Фиг.7, антенна 220 является очевидно аксиально асимметричной (аксиальное расстояние между антенным проводом и проходящей по окружности центральной линией 225 имеет скругленные пики и образующие острый угол минимумы). Как описано выше и показано на Фиг.3, антенну 220 можно считать двухплоскостной. В показанном примере варианта осуществления, антенные секции 222 и 224 являются, по существу, ортогональными друг к другу и имеют угол наклона с абсолютной величиной около 45 градусов. Хотя изобретение этим не ограничено, относительный угол между антенными секциями 222 и 224 предпочтительно находится в диапазоне от около 60 до около 120 градусов с абсолютной величиной угла наклона, находящейся в диапазоне от около 30 до около 60 градусов.
Должно быть ясно, что изобретение не ограничено симметричными или асимметричными антеннами. Симметричные антенны обычно являются предпочтительными для вариантов применения инструментов, в которых необходимы передача и/или прием аксиальной моды и обеих поперечных мод (излучения x- и y- мод). В таких вариантах осуществления симметричная антенна обеспечивает по существу, симметричную передачу и/или прием поперечных мод. Асимметричная (и, в частности, двухплоскостная) антенна обычно является предпочтительной для вариантов осуществления инструмента, в котором необходимы передача и/или прием аксиальной моды и только одной поперечной моды (излучения х- моды).
На Фиг.8, показан участок инструмента 400 каротажа во время бурения одного примера варианта осуществления, включающий в себя первую и вторую аксиально разнесенные неплоские антенны 460A и 460B (вместе 460) согласно настоящему изобретению. Как изображено, антенны 460 развернуты в углублении 480 в корпусе 410 инструмента каротажа во время бурения. В изображенном примере варианта осуществления каждая из антенн 460 выполнена с возможностью включения в ее состав трех антенных проводов 462A, 462B и 462C (вместе 462) обмотанных вокруг магнитно-проницаемого магнитного материала 464 и поддерживаемого им (например, ферритовый слой). Должно быть ясно, что антенные провода 462 показаны только на антенне 460A. Они не показаны на антенне 460B для более ясного показа подстилающей структуры антенны 460 примера варианта осуществления. Множество предохранительных элементов 466 развернуты вокруг антенных проводов 462 и выполнены с возможностью защиты как антенного провода (проводов) 462, так и магнитного материала 464. Предохранительные элементы 466 являются предпочтительно, но не обязательно, электроизолирующими. В показанном примере варианта осуществления, антенный провод (провода) 462 и магнитный материал 464 встроены в электроизолирующий материал 468 матрицы, например, PEEK (полиэфирэфиркетон).
Должно быть понятно, что изобретение не ограничено вариантами осуществления с использованием ферритового слоя. Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что, по существу, любой магнитный материал высокой проницаемости можно использовать для усиления способности передачи или приема антенны. Примеры магнитных материалов включают в себя, без ограничения этим (I) магнитомягкий феррит, (II) не электропроводный мягкий аморфный магнитный сплав, (III) не электропроводный нанокристаллический магнитомягкий сплав, (IV) пакет, выполненный из мягкого аморфного магнитного сплава, (V) пакет, выполненный из нанокристаллического магнитомягкого сплава, (VI) мягкий железный порошок, содержащий, по меньшей мере, одно, органическое и/или неорганическое вяжущее, (VII) сендаст, содержащий, по меньшей мере, одно органическое и/или неорганическое вяжущее, и (VII) порошок железоникелевого сплава, содержащий, по меньшей мере, одно органическое и/или неорганическое вяжущее.
Измерительные инструменты согласно настоящему изобретению обычно включают в себя один или больше цифровых контроллеров (не показано), имеющих, например, программируемый процессор (не показано), такой как микропроцессор или микроконтроллер, и могут также включать в себя читаемый процессором или читаемый компьютером код программы, осуществляющей логические действия, включающей в себя инструкции для управления функционированием измерительного инструмента 100. Подходящий контроллер может включать в себя инструкции для определения затухания и/или сдвига фазы принятого излучения и для вычисления и/или оценки значений удельного сопротивления и/или диэлектрической постоянной пласта по затуханию и/или сдвигу фазы. Такие инструкции являются обычными в известном уровне техники.
Подходящий контроллер можно также использовать, например, для конструирования изображений подземного пласта, основанных на направленных измерениях оценки пласта (например, направленных измерениях сопротивления). В таких вариантах применения для изображения, направленные измерения сопротивления можно получать и коррелировать с соответствующими азимутальными (положения торца долота) измерениями (полученными, например, с использованием азимутального датчика 130, изображенного на Фиг.2) пока инструмент вращается в стволе скважины. При этом контроллер может включать в себя инструкции для корреляции направленных измерений сопротивления с измерениями азимута (положения торца долота). Измерения удельных сопротивлений можно дополнительно коррелировать с измерениями глубины. Направленные измерения удельных сопротивлений и соответствующие азимутальные измерения могут быть использованы, чтобы сконструировать отображения ствола скважины с использованием, по существу, любой известной методологии, например, включающей в себя обычные алгоритмы биннинга, организации многооконного интерфейса или распределения вероятности. Патент США 5473158 раскрывает обычный алгоритм биннинга для конструирования отображений ствола скважины. Патент США 7027926 раскрывает методику конструирования изображений ствола скважины, в которой производят свертку данных датчика с помощью одномерной вырезающей функции. Патентная заявка США № 11/881,043 описывает методику конструирования изображений, в которой данные датчика вероятностно распределяют либо в одном или в двух измерениях. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что изображение ствола скважины является, по существу, двухмерным представлением измеренного пластового (или ствола скважин) параметра, как функции датчика положения торца долота и измеренной глубины ствола скважины, и что такие изображения часто обеспечивают идентификацию оператором бурения различных типов пласта и пластовых границ во время бурения.
Подходящий контроллер может также, если необходимо, включать в себя другие управляемые компоненты, такие как датчики, запоминающие устройства, источники питания, таймеры и т.п. Контроллер может быть также расположен, чтобы быть в электронном соединении с различными датчиками и/или зондами для мониторинга физических параметров ствола скважины, такими как датчик гамма-излучения, датчик детектирования глубины, или акселерометр, гирометр или магнитометр для детектирования азимута и угла наклона. Контроллер может также, если необходимо, соединяться с другими измерительными приборами в бурильной колонне, такими как система телеметрии, связанными с оборудованием на поверхности. Контроллер может дополнительно, если необходимо, включать в себя энергонезависимое или энергозависимое запоминающее устройство или устройство хранения данных.
Подходящий контроллер обычно также включает в себя стандартную схему, используемую для передачи и/или приема электромагнитных волн. Например, контроллер может включать в себя обычные компоненты цепи, такие как усилитель с переменным усилением для усиления относительно слабого обратного сигнала (по сравнению с передаваемым сигналом) и/или различные фильтры (например, низких, высоких частот и/или полосовые фильтры), выпрямители, мультиплексоры каналов связи и другие компоненты цепи для обработки отраженного сигнала.
Хотя настоящее изобретение и его преимущества подробно описаны, следует понимать, что различные изменения, замены и альтернативы могут иметь место в данном документе без отхода от сущности и объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.