СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИЛИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В СКВАЖИНЕ
SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING OR CREATING ELECTRIC FIELD IN WELL

Область техники
Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для исследования подземных пластов земли с использованием электрических полей. В частности, изобретение относится к созданию и измерению электрического поля, ориентированного в ортогональном направлении к оси изучаемой скважины.
Уровень техники
Рассмотренные в настоящем описании примеры осуществления изобретения относятся в целом к зондированию недр земли, на основе электрических полей. Используемый в контексте настоящего изобретения термин "земля" в целом подразумевает любое место расположения скважины, включая, например, литосферу.
Электромагнитное (ЭМ) геофизическое зондирование позволяет исследовать электропроводность грунтов в зависимости от глубины. Как правило, к представляющим интерес объектам исследований могут быть отнесены сплошные месторождения, углеводороды, вода и вещества, загрязняющие окружающую среду. Так как электропроводности таких объектов и окружающей их среды весьма различны, то их различение может быть осуществлено путем измерения удельной проводимости подземных пластов при воздействии электромагнитного поля. Такая методика позволяет определить глубину, толщину и поперечную протяженность представляющих интерес материалов.
Источник электромагнитного поля, используемый в процессе геофизического зондирования, может быть естественным или искусственным. Искусственный источник может создавать меняющееся во времени первичное магнитное или электрическое поле, которое, в свою очередь, может создавать вторичное поле в проводящем грунте. Например, наличие электрического поля вызывает в грунте электрические токи, обладающие соответствующим магнитным полем, а меняющееся во времени магнитное поле может вызывать электрические токи, приводящие к возникновению электрического поля. Относительные величины вторичных и первичных полей могут характеризоваться электрическими свойствами грунта и скоростями изменения поля. Сочетание первичных и вторичных полей способствует комбинированному электромагнитному взаимодействию с грунтом даже источника, создающего исключительно электрическое или магнитное поле.
В то время как для большинства исследований посредством электромагнитного геофизического зондирования необходимо наличие датчиков и источников электромагнитного поля на поверхности земли, скважина может обеспечить непосредственный доступ к подземным пластам. Измерение электрических или магнитных полей внутри скважины подразумевает измерение электрических или магнитных полей в грунте вокруг скважины, или полей, которые могли бы существовать в грунте в отсутствие скважины. Аналогично, соединение источника электрического поля или источника магнитного поля с грунтом через скважину обеспечивает возможность создания полей в недрах земли на требуемых глубинах без затухания и неопределенностей, которые могут возникнуть в случае создания поля источником, находящимся на поверхности земли.
Общим условием проведения геофизического зондирования на основе измерения электрического поля может служить необходимость подключения электрической цепи к земле с целью измерения или приложения электрического потенциала. В простейшем примере осуществления для измерения локальный электрический потенциал подведен к усилителю через электрический проводник, или электрод, имеющий контакт с грунтом. Простейшим способом проведения зондирования в скважине может служить закрепление электрода в скважине на некотором расстоянии, в месте, прилежащем к представляющему интерес участку, например, углеводородоносному пласту. Однако скважины, как правило, заполнены текучей средой, что может привести к увеличению шума электрода, вследствие наличия потенциалов течения, а также шумов, вызванных перемещением датчиков внутри скважины. Таким образом, способы, основанные на измерении электрического поля, и требующие проведения высокоточных измерений, не могут быть применимы в скважинах.
Кроме того, большинство скважин облицовано металлическими трубчатыми элементами, именуемыми обсадными трубами, или гильзами, что обеспечивает хорошую электрическую проводимость. При проведении электромагнитного зондирования на основе магнитных полей, обсадная труба создает небольшое искажение создаваемого или измеряемого магнитного поля. Однако при проведении электромагнитного зондирования на основе электрических полей, обсадная труба производит значимый эффект, что должно быть принято во внимание при размещении электрода, соединенного с землей. Один из способов состоит в размещении электрода или электродов на внешней стороне обсадной трубы. Однако этот способ нереалистичен, поскольку обсадная труба в скважине обычно покрыта цементом, а срок службы любого электрода, установленного во время спуска обсадной трубы, должен быть сопоставим со сроком службы обсадной трубы. Поскольку для установления обычного "гальванического" электрического контакта между электродом и землей необходим электрохимический обмен атомов электрода с окружающим грунтом и текучими средами, электроды неизбежно будут выходить из строя довольно быстро. Кроме того, наличие обсадной трубы в непосредственной близости от электрода создает существенное искажение полей, для измерения которых и предназначен электрод.
Таким образом, необходимы способы и устройства для измерения электрических полей в скважинах, выполненные с возможностью измерения и создания электрических полей, направленных в ортогональном направлении относительно скважины, избегая при этом проблем, связанных с гальваническим контактом.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к измерению и созданию электрических полей в скважинах. В одном примере осуществления изобретения предложена система, первый проводник которой размещен внутри скважины и имеет электрический контакт с землей. Первый проводник подключен к усилителю, а второй проводник замыкает электрическую цепь между проводниками таким образом, что электрическое поле направлено, по существу, в ортогональном направлении к оси скважины.
В одном из вариантов осуществления систему устанавливают в толще грунта для наблюдения за изменением количества текучей среды в толще грунта.
Еще в одном из вариантов осуществления систему устанавливают в толще грунта для предоставления данных, используемых для повышения добычи нефти.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 схематично показано в разрезе устройство, электрод которого размещен в скважине, в соответствии с особенностями настоящего изобретения.
На фиг. 2A-2D показаны примеры схем, в которых электрод может быть использован для измерения потенциала земли, в соответствии с особенностями настоящего изобретения.
На фиг. 3А-2В показаны примеры схем, в которых электрод может быть использован для создания в земле электрического поля, в соответствии с особенностями настоящего изобретения.
На фиг. 4 показан пример размещения в облицованной скважине устройства, изображенного на фиг. 1.
На фиг. 5 показан электрод, целиком размещенный на участке обсадной трубы, в соответствии с особенностями настоящего изобретения.
На фиг. 6 показано устройство, электрод которого размещен в углублении, выполненном во внешней стенке обсадной трубы, и имеет контакт с участком проводящей обсадной трубы, в соответствии с особенностями настоящего изобретения.
На фиг. 7 показано устройство, четыре электрода которого могут быть использованы для измерения и/или создания трех ортогональных составляющих электрического поля, а на фиг. 7А показаны составляющие, которые имеют различную направленность.
На фиг. 8 показана в разрезе обсадная труба с отдельными кольцевыми зазорами для электрода и усилителя, в соответствии с особенностями настоящего изобретения.
На фиг. 9 показан вид в разрезе измерительного зонда для скважины, выполненного с возможностью электрической изоляции элементов от скважинной текучей среды, в соответствии с особенностями настоящего изобретения.
На фиг. 10 показана общая структура схемы электрических измерений в соответствии с особенностями настоящего изобретения.
Фиг. 11 иллюстрирует численный расчет распределения электрического поля в скважине при размещении противоэлектродов на радиальном расстоянии, составляющем 0,1, 1, и 3 глубины электрода в скважине.
На фиг. 12 показана схема расположения противоэлектродов вокруг скважины в соответствии с особенностями настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с нижеприведенным более подробным описанием настоящего изобретения предложено устройство и способы измерения и/или создания электрических полей внутри скважины. Устройство включает в себя электрод, имеющий контакт с землей и соединенный с усилителем. Для преодоления проблем, связанных с гальваническими электродами, в соответствии с особенностями настоящего изобретения выполняют электрод, который связан с внешним электрическим потенциалом в скважинной текучей среды преимущественно через емкостное соединение.
По всему тексту приведенного ниже описания и на чертежах одинаковые детали обозначены одинаковыми номерами позиций. Предшествующее описание чертежей приведено для более полного их понимания. Следует, однако, иметь в виду, что примеры осуществления изобретения не ограничены определенными показанными конструкциями и конфигурациями. Хотя более подробное обсуждение конструкции и использования различных примеров осуществления изобретения будет приведено ниже, следует понимать, что настоящее изобретение предусматривает большое количество изобретательских концепций, которые могут быть воплощены в различных контекстах. Определенные конкретные рассмотренные особенности и примеры осуществления изобретения приведены исключительно для иллюстрации способов изготовления и использования изобретения и не ограничивают его объема. Невозможно или нецелесообразно включить в данное описание все возможные примеры осуществления и контексты изобретения. Многие альтернативные примеры осуществления настоящего изобретения станут понятными специалистам в данной области после прочтения его описания.
Изобретение относится к скважинной геофизике, задача которой состоит в исследовании грунта, находящегося на значительном расстоянии от скважины. Изобретение обеспечивает измерение в скважине электрических полей, создаваемых удаленным источником электромагнитного поля, или создание полей, измеряемых дистанционными датчиками. В обоих случаях изобретение может быть использовано на практике в сочетании с выбранными соответствующим образом, коммерчески доступными источниками или коммерчески доступными датчиками. Например, при использовании системы для проведения измерений в скважине, стандартный источник электромагнитного поля должен быть размещен на поверхности грунта или в другой скважине с возможностью создания в скважине ортогонального поля, измеряемого согласно изобретению. Аналогичным образом, при использовании системы в качестве источника, расположенного в скважине, датчик или семейство датчиков должны быть размещены на поверхности земли, или в одной или более скважинах, с возможностью измерения поля, создаваемого в соответствии с изобретением. Для удобства, источник или датчики, используемые совместно с изобретением, будут именоваться вспомогательным источником или вспомогательными датчиками. В каждом случае определяющее свойство состоит в том, что вспомогательный источник, либо вспомогательные датчики размещены вне скважины и отстоят от предмета изобретения на расстоянии, сопоставимом с глубиной исследований в недрах земли, которое на практике составляет, по меньшей мере, 100 м. В противоположность этому, при выполнении каротажа скважины или просто "каротажа" источник и приемники спущены или установлены иным образом в одной и той же скважине, и, обычно, соединены между собой в автономном корпусе, именуемом зондом.
Далее, в отличие от предусматриваемой изобретением ортогональности, до настоящего времени все измерения электрического поля в скважине были сведены к измерению электрического поля вдоль оси скважины, а все источники электрического поля были расположены по оси скважины. В частности, предложенные в настоящее время способы измерения электрических полей посредством использования кольцевых электродов, образующих скользящий контакт с породой или стенками обсадной трубы скважины, не обеспечивают измерение электрических полей, ортогональных к оси скважины, а с помощью существующих способов создания электрических полей источником, расположенным в облицованной скважине, только очень небольшая часть поля может быть создана на боковых (горизонтальных) расстояниях порядка глубины скважины.
Большое расстояние между предметом изобретения и вспомогательным источником или приемниками может быть обеспечено ортогональностью электрического поля, измеряемого или создаваемого в скважине. В результате, с применением других параметров исследований, аналогичные, гораздо большие участки подземных пластов могут быть закартированы в ходе исследования с использованием изобретения для измерения или генерации, чем при использовании известных скважинных датчиков или скважинных источников. Например, область электромагнитных исследований скважины, позволяющих определить свойства пластов грунта на расстоянии до 1,5 км от скважины, при использовании изобретения может быть расширена до 6 км.
На фиг. 1 показано схематическое изображение 100 электрода 110 в разрезе, размещенного в скважине 120, в соответствии с одной особенностью настоящего изобретения. Скважина 120 пробурена в грунте, в состав которого могут входить скальные породы, песок, песчаник, земля, солончаки, вулканические или иные породы, в частности, породы, которые могут содержать углеводороды. На фиг. 1 показан необлицованный участок ствола шахты без трубчатого элемента, изолирующего внутреннее пространство скважины от окружающего материала. В приведенном примере, внешняя поверхность электрода соответствует внутренней поверхности стенки скважины для обеспечения контакта между ними. Из-за свойств материала, образующего стенки скважины, поверхность материала 130, соприкасающаяся с электродом 110 не может быть полностью гладкой и ровной, и, несмотря на совпадающую форму электрода 110, при его прижатии к материалу 130 между электродом 110 и материалом 130 может быть образован зазор 140. Необходимо отметить, что в примере осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, электродом служит один электрод тороидальной формы, размещенный таким образом, что он облегчает создание электрического поля между электродом и другими электродами, расположенными на расстоянии от скважины. В других примерах осуществления изобретения, электрод 110, по существу, выполнен в виде двух полукруглых, отдельных электродов, между которыми может быть создано поле, либо с их помощью может быть измерено поле вблизи скважины.
В зазоре 140 могут присутствовать текучие среды, например, буровой раствор, вода, минеральный раствор, и/или нефть. Электрод 110 имеет электрический контакт с материалом через среду в зазоре 140. Таким образом, электрические поля, в частности, составляющая электрического поля, ортогональная к оси скважины, может проходить от электрода 110 через среду к материалу 130. В зависимости от электрических свойств среды, на электрическое сопротивление между электродом и материалом могут оказывать влияние связи между электродом и средой, непосредственно через саму среду, либо между средой и материалом. Во всех случаях, именно полное электрическое сопротивление всех трех последовательно соединенных сопротивлений определяет разность потенциалов между электродом 110 и материалом 130.
Как будет более подробно показано со ссылкой на фиг. 2A-2D и 3А-3В, электрод 110 может иметь электрическое соединение через проводник 150 с измерительным усилителем или источником электрического потенциала, либо с обоими сразу. Такое соединение электрода 110 с поверхностью материала 130 на некоторой глубине в земле типично для некоторых примеров осуществления изобретения, рассмотренных в настоящем описании. Согласно особенностям настоящего изобретения, электрод 110 может быть использован для измерения (например, регистрации) электрического потенциала материала 130. При таком использовании электрода электрический потенциал материала 130 может быть немного выше электрического потенциала электрода 110. Узел, показанный на фиг. 1, содержащий электрод, проводник и какой-либо усилитель может быть спущен в скважину любым известным способом, в том числе с помощью кабеля, спусковой колонны, гибких труб. При наличии в скважине давления узел может быть спущен с помощью гибкой трубы через масленку для поддержания давления в скважине.
На фиг. 2A-2D показаны примеры электрических схем, в которых электрод 110 может быть использован для измерения электрического потенциала земли, согласно особенностям настоящего изобретения. Полное сопротивление контактного соединения между электродом и материалом представлено элементом цепи 220, расположенным между потенциалом 210 материала 130 и электродом 110. На каждой из фиг. 2A-2D, электрод 110 соединен через проводник 150 с измерительным усилителем 230 с возможностью усиления и запоминания в буфере значения потенциала электрода 110 для его дальнейшей обработки с помощью дополнительных аналоговых и цифровых элементов, известных специалистам в данной области. При этом усилитель выполнен с возможностью измерения электрического поля и передачи его значения в другое место. В одном примере осуществления изобретения электрическое сопротивление электрода 110 и проводника 150 пренебрежимо мало по сравнению с полным сопротивлением контакта 220.
На фиг. 2А показана электрическая схема 200А, в которой сопротивление связи 220 соединяет потенциал 210 земли (например, материала) и электрод 110, согласно особенностям настоящего изобретения. Сопротивление 220 включает в себя полное сопротивление контактного соединения электрода 110 с текучей средой в зазоре, включенное последовательно с объемным сопротивлением текучей среды и полным сопротивлением контактного соединения текучей среды с материалом 130. При отсутствии текучей среды, сопротивлением 220 может служить полное сопротивление контактного соединения электрода 110 с поверхностью материала 130.
На фиг. 2В показана электрическая схема 200В, в которой сопротивление связи электрода 110 с материалом 130 в основном являет собой гальваническую связь. Таким образом, сопротивление связи 220 (фиг. 2А) может быть представлено резистором 222.
На фиг. 2С показана электрическая схема 200С, в которой сопротивление связи электрода 110 с материалом 130 в основном являет собой емкостную связь, согласно особенностям настоящего изобретения. Такое емкостное сопротивление связи может возникнуть в случае заполнения зазора 140 газом, например, воздухом или метаном, либо при обработке электрода 110 таким образом, что его поверхность имеет очень слабую гальваническую связь с материалом 130 или зазором 140. Как показано на фиг. 2С, сопротивление связи 220, изображенное на фиг. 2А, может быть выполнено в виде конденсатора 224, в случае если электрическая связь является преимущественно емкостной связью.
На фиг. 2D показан пример электрической схемы 200D с разделительным конденсатором 226, в которой электрическая связь электрода, главным образом, является гальванической связью, согласно особенностям настоящего изобретения. Как и на фиг. 2В, резистор 222 может быть использован вместо сопротивления связи 220, примененного на фиг. 2А. Однако, на фиг. 2D последовательно включен разделительный конденсатор 226, предотвращающий протекание постоянного тока от электрода к среде. Запирание постоянного тока может привести к ухудшению электрохимических свойств электрода в коррозионной среде скважины и изолированию усилителя 230 от напряжений смещения, возникающих в электроде 110 вследствие наличия гальванической связи.
Обращаясь вновь к фиг. 1, согласно особенностям настоящего изобретения, электрод 110 может быть использован в качестве части источника, например, для создания электрического поля, приложенного к материалу 130. При таком использовании электрода его электрический потенциал 110 может быть немного выше электрического потенциала материала 130. Разность электрических потенциалов может зависеть от электрического сопротивления связи 220 между электродом и материалом, как показано, например, на фиг. 3А.
На фиг. 3А-3В показаны примеры схем 300А, 300В, в которых электрод 110 соединен с выходом электрического усилителя 320 с возможностью создания электрического поля. Электрод 110 может быть соединен с выходом электрического усилителя 320 через проводник 150. В одном примере осуществления изобретения усилитель расположен на поверхности Земли, а проводник 150 проходит между усилителем и электродом, размещенным внутри скважины.
На фиг. 3А, электрод 110 соединен с материалом 130 через сопротивление связи 220, так же как показано на фиг. 2А. В этом случае, электрод может быть использован в качестве части источника с возможностью создания электрического поля, а материал 130 представлен в схеме с помощью электрического сопротивления 310. При создании электрического поля, сопротивление связи 220 преимущественно может быть образовано гальванической или емкостной связью. Кроме того, разделительный конденсатор может быть использован с источником, например, (см. фиг. 3В), разделительный конденсатор 228 может быть использован в сочетании с гальваническим электродом 110.
Сходства электрической схемы, используемой для измерения электрического потенциала в недрах земли, и показанной на фиг. 2A-2D, и электрической схемы, используемой для создания электрического потенциала в недрах земли, представленной на фиг. 3А-3В должны быть очевидными для специалистов в данной области. Согласно особенностям настоящего изобретения, электрод 110 может быть использован поочередно как датчик (например, для измерения электрического поля в недрах земли) и как источник (например, для создания электрического поля в недрах земли). В некоторых примерах осуществления изобретения, одно устройство может выполнять одну из функций измерения или генерации, или обе указанные функции. Соответствующие средства, известные специалистам в данной области, могут быть использованы для отключения измерительного усилителя 230 (фиг. 2A-2D) и усилителя мощности 320 (фиг. 3А-3В).
На фиг. 5 показан электрод, размещенный в секции обсадной трубы 500. При облицовке скважины 120 обсадными трубами 520, электрод 110 может обеспечивать, по меньшей мере, частичный контакт с материалом 130, за счет его выполнения в виде участка обсадной трубы 520, при этом внешняя поверхность электрода может служить внешней стенкой обсадной трубы в скважине. Электрические изоляторы 510 обеспечивают электрическую изоляцию электрода 110 от остальной части обсадной трубы 520. В одном примере осуществления изобретения, изолятор сам по себе является отдельным участком или "переходником", расположенным между смежными участками обсадной трубы, на конце которой выполнен участок из изоляционного материала. Доступ к участку обсадной трубы 110 может быть обеспечен с помощью электрически изолированного кабеля, постоянно размещенного в пазу на внешней стороне участка 510, посредством аналогичного кабеля, постоянно размещенного на внутренней части обсадной трубы, или с помощью внутреннего проводника, спущенного в скважину и имеющего электрическое соединение с электродом с возможностью выполнения измерения или генерации.
На фиг. 4 изображен узел, показанный на фиг. 1 размещенный в облицованной скважине. В примере осуществления изобретения, изображенном на фиг. 4, внутренний электрический проводник 610 может быть соединен с источником электрической мощности и/или усилителем для обнаружения электрического поля через проводник 150.
Внутренний проводник 610 может быть образован, например, путем механического расширения или скользящим контактом, с возможностью создания электрического контакта с обсадной трубой 520 на определенном участке. В одном примере осуществления изобретения, узел размещен в облицованной скважине с возможностью выступания наружу посредством дистанционного управления, и образования контакта со стенкой обсадной трубы. Как показано на фиг. 4, внутренний проводник 610 может служить электродом, а обсадная труба 520 может служить частью сопротивления связи 220 при измерении (фиг. 2А) или создании (фиг. 3А) электрического потенциала в недрах земли. Таким образом, внутренний проводник 610 соединен с материалом 130 по всей длине обсадной трубы 520.
12
Кроме того, внутренний проводник 610 может быть расположен на участке колонны внутри скважины, и иметь контакт с трубой за счет расширения или иным способом. К тому же труба может служить дополнительной частью сопротивления связи 220. Независимо от типа среды в зазоре, наличия колонны и/или обсадной трубы в скважине, или вида материала 130, принимается, что электрический контакт между электродом и землей может быть установлен при величине сопротивления связи 220 менее 10 Ом.
На фиг. 6 показан электрод, расположенный в углублении, выполненном во внешней стенке обсадной трубы 710. Размещение одного или более электродов 110 на внешней поверхности обсадной трубы 710 обеспечивает возможность заделки электродов заподлицо с внешней поверхностью обсадной трубы для удобства установки в скважину. Электроды 110 могут иметь плотный механический контакт с материалом 130, включающим в себя один слой цемента, расположенного между скважиной и обсадной трубой. Согласно особенностям настоящего изобретения, электроды 110 могут быть размещены в углублении, например, для уменьшения механического усилия при установке обсадной трубы 710 в скважину 120. При размещении электродов 110 в углублении, между их внешней поверхностью и материалом 130 может быть образован зазор (на фиг. 6 не показан). Этот зазор может быть заполнен смесью цемента, углеводородов, воды и другой текучей среды, просачивающейся из материала 130.
На фиг. 7 показан пример узла 400, в котором согласно особенностям настоящего изобретения для измерения трех ортогональных составляющих (Ex, Ey, и Ez) электрического поля могут быть использованы четыре электрода 420, 430, 440, 450. Ex и Ey представляют собой составляющие электрического поля, ортогональные к оси скважины 410, a Ez является составляющей электрического поля, параллельной центральной оси скважины 410 (как показано направляющими линиями на фиг. 7А). Узел 400, может быть установлен в необлицованную скважину, в конфигурации, показанной на фиг. 1 или может быть выполнен в виде отдельных изолированных участков обсадной трубы (фиг. 5), либо может быть размещен на внешней стороне обсадной трубы (фиг. 6). При выполнении измерения, каждый из двух электродов 420, 430 может быть расположен диаметрально противоположно по обе стороны оси скважины для измерения электрического поля, ортогонального к оси скважины 410. Например, электроды 420 и 430 могут быть использованы для измерения ортогональной составляющей Ey. При использовании в качестве источника электрического поля, возможно независимое управление отдельными электродами с возможностью получения заданной конфигурации электрического поля в недрах земли, либо электроды, например, 420 и 430, могут быть соединены между собой с образованием одного электрода, или противоэлектродов, для примера электроды 420 и 430 могут быть выполнены в виде одного электрода, представляющего собой сплошной цилиндр, образованный вокруг оси 410.
В приведенных ниже уравнениях V1 и V2 представляют собой электрические потенциалы электродов, выполненных с возможностью измерения Ex, электрода 440 и эквивалентного электрода 450 на обратной стороне узла 400 (на фиг. 7 не показан), a V3 и V4 представляют собой электрические потенциалы электродов 420 и 430 выполненных с возможностью измерения Ey. Для конфигурации, показанной на фиг. 7:
x
1
2
E=kx(V-V),
Y
Y
3
4
E=k(V-V),
z
1
2
3
4
и E=kz(V+V-V-V),
-1
-1
где kx, ky, и kz - постоянные с единицами измерения 1/длину. Постоянные kx, ky, и kz зависят от расстояния между измерительными пластинами соответствующего электрода. Постоянные могут быть вычислены с помощью моделей или измерены непосредственно посредством размещения узла в известном электрическом поле. Например, для узла 400 с внутренним диаметром 15 см и расстоянием между осями электродов 420 и 440 2 м, kx "ky" составляют 6 м, a kz составляет 0.5 м.
Фиг. 7, и выражения для составляющих Ex, Ey и Ez иллюстрируют фундаментальное различие между изобретением и способами каротажа скважины, обеспечивающими измерение электрического тока, протекающего от обсадной трубы в окружающую среду. Одна задача изобретения состоит в измерении электрического поля, присутствующего внутри скважины. Для измерения этих полей необходимость иметь хороший низкоомный контакт с обсадной трубой, т.е. с металлом, отсутствует. Более того, изобретение может выполнять свои функции исключительно при наличии в скважине воздуха или текучей среды и отсутствии механического контакта с обсадной трубой; или если обсадная труба не является проводником, либо в случае необлицованной скважины.
В некоторых случаях необходимость измерения всех трех составляющих электрического поля или использования четырех электродов отсутствует. Например, как показано, конструкция узла 400 может иметь четыре электрода, но выполнена исключительно с возможностью создания электрических выходных сигналов Ex и Ey. В другом примере осуществления изобретения, третья пара электродов может быть установлена на поверхности узла 400 также как и электроды 420, 430, но смещена от них в осевом направлении с возможностью измерения составляющей поля Ey в другом месте по оси. Как правило, электроды могут быть расположены в любом радиальном и соответствующем осевом положении. Точно так же электроды 420 и 440 не должны быть одинакового размера или формы или быть расположенными симметрично. Например, электроды, находящиеся в одном осевом положении, например 440 и 450, могут быть объединены в один цилиндр, в то время как электроды 420 и 430 выполнены в виде отдельных плоских пластин. Такая конструкция может быть использована для измерения составляющих поля Ey и Ez.
Вследствие ограниченного пространства внутри скважины 120, электроды 110 могут быть относительно тонкими, по меньшей мере, в одном измерении. Размещение электрода на внешней поверхности обсадной трубы 710 (фиг. 6) позволяет отделить электрод 110 от внутреннего пространства скважины 120. Такое отделение способствует изоляции электродов от электрических помех в скважине 120 и возможных изменений сопротивления, соединяющего электрод с другими участками внутри скважины, вызванных потоком текучей среды, например изменениями соотношения воды и нефти. Конструкция, показанная на фиг. 6, также может содержать ограниченное количество текучей среды и способствовать ограниченному ее перемещению в непосредственной близости от электродов 110.
Расположение электрода 110 на внешней стороне обсадной трубы 710 может усложнить доступ к усилителям 230 (фиг. 2A-2D) и 320 (фиг. 3А-3В). Согласно особенностям настоящего изобретения, электрический контакт между кабелем, например кабелем 150 (фиг. 1), и электродом 110 может быть установлен через изолированный проводник, проходящий сквозь стенку обсадной трубы 710.
На фиг. 8 показан вид в разрезе участка обсадной трубы 710 с кольцевым зазором 815 для электрода 110 и отдельным кольцевым зазором для усилителя 830, соединенных проводником 150, направляющей для которого может служить изолированный соединительный элемент 840 согласно особенностям настоящего изобретения. Устройство, показанное на фиг. 8, обеспечивает возможность воздействия на электрод 110 высоким давлением в скважине, а пластина 850 образует герметичный отсек в кольцевом зазоре 820, обеспечивая, таким образом, защиту усилителя и другой сенсорной электроники 830.
Физическая структура электрода в скважине может быть обусловлена двумя факторами. Во-первых, при заданном напряжении усилителя, уровне шума и незначительном шуме окружающей среды, повышение чувствительности измерений электрического поля напрямую зависит от расстояния, на которое удалены электроды, например, 420 и 430. Во-вторых, проводник, помещенный в скважинную текучую среду, может служить трактом с низким сопротивлением в текучей среде, с возможностью перемещения и уменьшения в ней электрического поля.
Наличие первого фактора позволяет создать конструкцию, в которой электроды могут быть расположены близко к стенкам скважины для увеличения расстояния между ними. Однако при этом между электродами может остаться относительно большой объем скважинной текучей среды. Поскольку электропроводность скважинной текучей среды в различных скважинах может значительно отличаться друг от друга, предпочтительно, чтобы текучая среда между электродами была электрически изолирована от областей измерения электродами электрических потенциалов, соотносимых с электрическим полем. Кроме того, существует опасность, что электрические потенциалы, создаваемые в других местах скважины, могут служить электрическими помехами. Точно так же движение магнитных частиц и изменение состава и плотности текучей среды способствует созданию электрического поля помех в скважинной текучей среде. Таким образом, для повышения чувствительности измерения электрического поля в скважине, необходимо экранировать или иным способом предотвратить измерение (регистрацию) электродами шумов, излучаемых областью между электродами, заполненной скважинной текучей средой.
На фиг. 9 показан вид в разрезе скважины с экраном согласно особенностям настоящего изобретения. Экран 910, 920 может быть размещен между электродом 110 и скважинной текучей средой для обеспечения электрической изоляции основной массы скважинной текучей среды 930 от скважинной текучей среды 940 вблизи электрода 110. В показанном примере осуществления изобретения, экран состоит из проводящего элемента 910 и барьера 920, который может быть, по меньшей мере, частично изолирующим.
Толщина изолирующего барьера 920 экрана может быть достаточной для ограничения емкостной связи через экран до незначительного уровня. При этом может иметь место эффект направления электрического поля вокруг и в сторону от текучей среды объемной области, уменьшая, таким образом, влияние изменения проводимости и диэлектрической проницаемости в основной массе скважинной текучей среды 930 на электрические потенциалы на электродах 110. Проводящий элемент экрана 910 предотвращает прохождение шума, создаваемого в основной массе текучей среды 930, в область измерения 940.
Наличие проводящего экрана 910 способствует повышению точности измерения электрического поля в направлении, ортогональном к оси скважины (например, составляющей Ex). Наличие электрического поля, ортогонального к оси скважины, затрудняет получение высокого отношения измерительный сигнал/шум (SNR), например, вследствие уменьшенного расстояния между пластинами, которое может быть получено в скважинах. Согласно особенностям настоящего изобретения, экран 910 может быть выполнен с возможностью выхода за пределы концов электродов, выполняющих измерения в ортогональных осях, например 420, 430. Электрическое поле помех по оси скважины может быть уменьшено так, как показано на фиг. 9 для ортогональных осей. В непосредственной близости от каждой пластины для измерения составляющей Ez может быть расположена, по меньшей мере, частично изолирующая пластина, на внутреннюю поверхность которой может быть нанесен, по меньшей мере, частично проводящий слой, выполненная с возможностью исполнения тех же функций, что и электроды, используемые для измерения полей в ортогональных осях. Экраны с параллельными осями на каждой пластине электрода могут быть соединены между собой с возможностью экранирования основной массы текучей среды на участке между пластинами. Концы экранов с параллельными осями могут быть перфорированы для протекания сквозь них скважинной текучей среды.
Для увеличения SNR в ограниченных геометриях скважины может быть предусмотрено защитное покрытие 810 (фиг. 8) (или 915 на фиг. 9). К покрытию может быть приложен сигнал обратной связи, имеющий тот же самый потенциал, что и электроды, предназначенные для измерения (искомых) потенциалов, в целях уменьшения емкостной связи в системе и образования электромагнитного экрана. Средства защиты могут быть размещены в непосредственной близости к элементам для измерения потенциала. При измерении электрического поля по данной оси средства защиты могут иметь тот же размер и положение, что и экраны для этой оси. Частично изолирующие экраны, по меньшей мере, частично проводящие экраны, и защитные элементы могут быть отнесены к устройствам подавления шума независимо от их геометрии и метода работы. Для ясности, следует отметить, что рассмотренным в настоящем описании устройством для подавления шума может служить устройство, выполненное с возможностью изменения электрического поля в непосредственной близости от электрода, с помощью которого может быть измерено электрическое поле для улучшения измерений SNR. Устройство для подавления шума не может, в частности, служить устройством для измерения других физических параметров в окружающей среде (например, удельной проводимости или скорости потока текучей среды) для целей улучшения измерения электрического поля.
Конструкции, показанные на фиг. 1 и 4-9, в частности, могут быть полезными при работе в среде, окружающей скважину, за счет создания открытой центральной области для прохода текучей среды или оборудования, например, скважинного зонда. Кроме того, один или более электродов могут быть размещены в непосредственной близости от бурового инструмента, обеспечивая возможность проведения измерений в условиях локальной среды. В сочетании с соответствующим источником, такое измерение может обеспечивать возможность задания направления бурения, например, для улучшения прохождения скважины через конкретную геологическую формацию.
В некоторых случаях, например, когда скважинная текучая среда неподвижна, необходимость ограждения (экранирования) электродов от основной массы текучей среды может отсутствовать. Проводящий экран 910 и/или изолирующий барьер 920 могут быть удалены. Кроме того, хотя по причинам чувствительности предпочтительно, чтобы электроды были погружены непосредственно в скважинную текучую среду, они могут быть механически отделены от текучей среды, путем размещения в отсеках, аналогичных отсеку 820, используемому для электроники. Такой отсек должен быть вакуумирован и/или заполнен газом, обеспечивая, таким образом, электрическую изоляцию электрода, аналогичную той, что была получена при измерении электрических полей в воздухе. Измерительные цепи, в частности, применяемые для измерения электрических полей в воздухе, раскрыты в патенте США №6,686,800, включенном в настоящее описание во всей полноте посредством ссылки.
Работа электродов может быть, в основном, обеспечена через посредство гальванической связи, комбинации гальванической и емкостной связей, но, главным образом, через посредство емкостной связи. Емкостная связь имеет большую практическую значимость, поскольку обеспечивает защиту электрода от химической среды скважины, повышая, таким образом, срок его службы. В частности, электрод выполнен с возможностью электрохимической изоляции от грунта, обеспечивая так называемое "рабочее емкостное соединение" между электродом и средой, его окружающей. Для удобства, особенность электрода, осуществляющего электрохимическую изоляцию, названа в настоящем описании "барьером". Существует несколько возможных способов выполнения электрохимической изоляции измерительной пластины 210. Во-первых, электрод может включать в себя проводник, (например, металл, такой как медь), покрытый пассивирующим слоем, который не вступает в химическую реакцию с грунтом. Примерами такого покрытия могут служить пластмасса, тефлон или другое химически инертное покрытие. В этом случае барьер может содержать пассивирующий слой. Кроме того, электрод может быть выполнен из материала, включающего, в том числе алюминий (Al), тантал (Ta) и титан (Ti), который может быть обработан с возможностью образования защитного слоя на его внешней поверхности. Например, на внешней поверхности материала может быть сформирован оксидный слой. В этом случае барьер может иметь защитный слой. В обоих этих случаях, предпочтительно, чтобы пассивирующий или защитный слои оставались непроницаемыми для текучих сред, потенциально присутствующих в грунте. Другой способ электрохимической изоляции электрода от окружающей его среды с помощью барьера состоит в том, что электрод может быть полностью выполнен из материала, химически инертного в предполагаемых внешних условиях, в том числе включая графит, углеродное волокно, титан, или нержавеющую сталь. В этом случае, барьер может быть обусловлен свойствами химически инертного материала. В некоторых случаях, желательно использовать несколько барьеров, то есть предусмотреть несколько способов сокращения электрохимических реакций электрода со средой его окружающей. При этом во всех случаях следует понимать, что один или более барьеров преднамеренно могут быть введены в систему в ходе ее проектирования и изготовления. С учетом заданной продолжительности контроля состояния и химических условий в скважине, емкостная связь может быть обеспечена на уровне, необходимом и экономически эффективном для данного устройства.
Электрическое сопротивление связи 220 между электродом и грунтом может быть представлено в виде параллельного соединения разделительного конденсатора (конденсатора связи) Ce и сопротивления связи Re. Объемное сопротивление электрода обычно пренебрежимо мало по сравнению с другими сопротивлениями и может считаться включенным в значение Re. Определим "рабочее емкостное соединение" между электродом 110 по настоящему изобретению и материалом 130, имеющим в своем составе грунт, как среду 140, создаваемую барьером, обеспечивающим электрохимическую изоляцию электрода относительно среды его окружающей, что обуславливает значение Re>10 кОм и Ce>2000 пФ во всем диапазоне рабочих частот датчика.
На фиг. 10 показана структура схемы 1000 для измерений электрического потенциала, согласно особенностям настоящего изобретения. Потенциал окружающей среды представлен источником напряжения V1, а сопротивление текучей среды в зазоре представлено сопротивлением R1. Электрод связан с текучей средой емкостным сопротивлением, показанным в виде параллельного соединения С1 и R2. Это емкостное сопротивление зависит от размера электрода и природы окружающей среды. Например, в морской воде величина С1 может составлять 100 мФ. При проведении измерений в скважине, С1 и R2 зависят от состава скважинной текучей среды, в частности, содержания в ней соли. В случае текучей среды с низкой проводимостью нижний предел С1 может иметь значение порядка 1 мкФ, соответствующее полному сопротивлению 160 кОм при 0,1 Гц, и 1,6 кОм при 10 Гц. Параллельное сопротивление R2 зависит от качества электрохимической пассивации, нанесенной на электрод, и свойств текучей среды, с которой она находится в контакте. Сигнал, подаваемый на вход усилителя U1, зависит от относительных значений полного сопротивления, образованного комбинацией R1, R2 и С1 и полного входного сопротивления усилителя (образованного R3 и С2). На практике, это полное входное сопротивление усилителя является наибольшим полным сопротивлением, а на вход усилителя может быть подан сигнал напряжения V1 без значительного ослабления. Таким образом, основным фактором, определяющим работу схемы измерения электрического потенциала, может служить ее внутренний уровень шума. Этот шум может быть произведен непосредственно самим усилителем и тепловым шумом, создаваемым резисторами R1 и R2. В Таблице 1 приведен спектр шумов при частоте 1 и 100 Гц датчика электрического поля, созданного согласно аспекту настоящего изобретения, и работающего в образце почти чистой сырой нефти (с очень малым содержанием соленой воды) при комнатной температуре. В Таблице 1 также показаны прогнозируемые значения для того же образца нефти при 125°C и для соленой воды. В сочетании с другими особенностями изобретения, чувствительности, приведенные в Таблице 1, достаточны для обнаружения электрических полей, созданных источником электрического поля, расположенным на значительном расстоянии от скважины, например, удаленным более чем на 100 м.
На электрических схемах по фиг. 2A-2D, 3А-В, и 10 показан один электрод, соединенный с цепью, связанной с точкой заземления. На практике, в системе скважины, эта точка заземления может быть выполнена в электронике системы, а наличие второго физического соединения с Землей может быть обусловлено необходимостью замыкания пути тока электрода. Для удобства, второй электрод может быть назван противоэлектродом. Второе электрическое соединение в скважине может быть обусловлено теми же физическими требованиями и окружающей средой, что и первый электрод. Таким образом, в системах скважин противоэлектрод может быть выполнен аналогично первому электроду (например, электроды 420 и 430 на фиг. 7). Согласно особенностям настоящего изобретения, первый электрод и противоэлектрод, замыкающий входной электрический контур, могут быть идентичными и взаимозаменяемыми.
Согласно особенностям настоящего изобретения электрод и противоэлектрод могут быть размещены в скважине. Согласно другой особенности, электрод может быть размещен в одной скважине, а противоэлектрод может быть размещен в другой скважине или на поверхности земли. Последняя конфигурация особенно эффективна при использовании электрода в качестве части источника электрического поля. Наличие такого источника позволяет создать значительные электромагнитные поля на значительных расстояниях (>2 км) от скважины на представляющей интерес глубине геологической формации.
На фиг. 11 показан противоэлектрод, расположенный на или в непосредственной близости от поверхности земли, а также показаны электрические поля, создаваемые между противоэлектродом и скважиной. Для создания электромагнитных полей с помощью электрода и противоэлектрода необходимо наличие существенной ортогональной составляющей электрического поля в скважине. Для создания такого ортогонального поля противоэлектрод может быть расположен на радиальном расстоянии от скважины, сопоставимом с глубиной, на которой электрод размещен в скважине. Например, при размещении электрода на глубине 1 км, противоэлектрод может быть расположен на расстоянии 200 м, либо 1 или 5 км. На фиг. 11 показана полученная при помощи компьютера картина электрического поля, созданного в недрах земли при размещении электрода 1150 на глубине 2000 м в скважине с проводящей обсадной трубой 520, и размещении противоэлектрода 1210 на поверхности Земли на радиальном расстоянии 3000 м. Электрическое поле в некоторой точке грунта показано линиями 1160. В этой модели грунт состоит из верхнего электропроводящего пласта 1120 шириной 200 дм, второго электропроводящего пласта 1130 шириной 10 дм, углеводородного электропроводящего пласта 1140 шириной 10 дм и нижнего проводящего пласта 1170 шириной 200 дм.
Из фиг. 11 следует, что электрическое поле в недрах земли направлено, по существу, ортогонально к оси скважины, причем не только в непосредственной близости к нему, например, в пределах 5 м, но и на радиальном расстоянии от скважины, сопоставимом с радиальным расстоянием противоэлектрода. Такая большая область действия поля благодаря его ортогональному направлению к скважине обеспечивает возможность исследования значительной площади подземного пласта, например, путем измерений, выполненных одним или более датчиками на поверхности грунта. Местоположение противоэлектрода определяет площадь, исследуемую с помощью поля. Для сравнения, в способах, в которых поверхностный электрод использован для измерения тока, протекающего от обсадной трубы в грунт, в непосредственной близости от обсадной трубы, местоположение противоэлектрода несущественно, при условии, что противоэлектрод расположен на значительном удалении, так, что большая часть тока, подаваемого в обсадную трубу, может быть подана в формацию.
На фиг. 11 показаны поля, обусловленные наличием одного противоэлектрода; как правило, для получения более широкой области охвата могут быть использованы два или более противоэлектродов. Все эти электроды соединены с одним и тем же усилителем, поэтому они могут работать как один электрод, разделенный на несколько частей, установленных в разных местах. На фиг. 12 показан общий вид устройства 1200, состоящего из нескольких разделенных противоэлектродов и размещенного на поверхности грунта, согласно особенностям настоящего изобретения. Разделение противоэлектродов на два или более отдельных электродов 1210 способствует распространению электрического поля в грунте вокруг скважины в нескольких направлениях. В одном примере осуществления изобретения, отдельные элементы электрода 1210 могут быть расположены примерно на равном радиальном расстоянии вокруг скважины 1220. При необходимости, радиальное расстояние каждого отдельного электрода может быть выбрано на основе модели электропроводности грунта в непосредственной близости от скважины с возможностью создания заданного распределения электрического поля в грунте. Кроме того, отдельные противоэлектроды, например, 1210а, 1210b и 1210с, могут быть использованы выборочно, например, путем замыкания переключателя, при этом другие противоэлектроды могут остаться неиспользованными, например, посредством размыкания переключателя, для направления поля в грунте в заданном азимутальном направлении. В случае необходимости отдельные противоэлектроды 1210, или группы противоэлектродов 1210а 1210b могут быть активированы последовательно во времени для создания в грунте электрического поля с возможностью его вращения или изменения иным образом азимутального распределения вокруг скважины 1220. Согласно особенностям настоящего изобретения два или более расщепленных противоэлектродов 1210 могут быть расположены на глубине в скважине. Независимо от местоположения расщепленных противоэлектродов 1210, один или более отдельных противоэлектродов могут быть электрически соединены между собой кабелями с возможностью работы как один непрерывный противоэлектрод.
Особенности, рассмотренные в настоящем описании, могут быть выполнены в существующей скважине в соответствии с рассмотренными выше различными конструкциями. В некоторых случаях, например, в случае повышения нефтеотдачи, скважины в заданных местах могут участвовать в процессе производства, и поэтому, в них не могут быть размещены электроды. Соответственно, для установки электродов на заданной глубине, должна быть пробурена специальная скважина. Такая скважина может не обязательно быть использована для переноса текучей среды или газов, а может быть полностью заполнена узлом, рассмотренным в настоящем описании. Кроме того, специальная скважина, пробуренная исключительно для измерения/генерации, может иметь минимальный диаметр r (например, контурная скважина малого диаметра) и способствовать снижению стоимости буровых работ.
Как было описано, особенности настоящего изобретения улучшают использование электрических полей внутри или вблизи скважины для геофизических целей. Специалистам в данной области хорошо известно, что вспомогательное измерение, выполненное в соответствующих местах, может быть использовано для улучшения полезности измерений электрического поля. Например, измерение локального магнитного поля может быть объединено с данными электрического поля для того, чтобы придти к выводу относительно проводимости грунта. Отдельные электромагнитные измерения могут быть использованы для идентифицирования источника помех. Таким образом, рассматриваемый внутрискважинный датчик электрического поля может быть объединен с другими датчиками, размещенными внутри или снаружи скважины, для повышения значений выдаваемых им данных. Один или более дополнительных датчиков могут быть встроены или прикреплены иным образом к датчику электрического поля.
Хотя описание настоящего изобретения приведено со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления, следует понимать, что в изобретение могут быть внесены различные изменения и/или модификации без выхода за пределы его сущности и объема. Объем правовой охраны настоящего изобретения может быть определен только после рассмотрения приведенной ниже формулы изобретения.