ПРИБОРЫ КАРОТАЖА СОПРОТИВЛЕНИЙ С СОВМЕЩЕННЫМИ АНТЕННАМИ
INSTRUMENTS TO LOG RESISTANCES WITH MATCHED ANTENNAS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к области систем, аппаратуры и методов для электрического каротажа скважин.
Уровень техники
Бурение скважин для добычи углеводородов (например, нефти или газа) или их стволов производится с использованием бурильной колонны, включающей систему труб, составленную из отдельных трубчатых элементов, или непрерывной гибкой насосно-компрессорной трубы, на нижнем конце которой установлен буровой снаряд, называемый также компоновкой низа бурильной колонны (КНБК). КНБК содержит ряд датчиков, приборы для оценки параметров пласта, а также приборы и инструменты для направленного бурения. Для бурения скважины буровое долото, закрепленное на КНБК, приводится во вращение буровым двигателем, установленным в КНБК, и/или путем вращения бурильной колонны. Одним из обычно применяемых приборов для оценки параметров пластов является каротажный прибор, использующий распространение электромагнитных волн для определения электрических характеристик толщ или пластов горных пород, окружающих скважину. В нефтегазовой отрасли такие приборы обычно называют приборами каротажа сопротивлений. С помощью этих каротажных приборов определяют кажущееся удельное сопротивление (или удельную проводимость) пласта, которое при их интерпретации дает информацию о петрофизических свойствах окружающей скважину толщи пород и содержащихся в ней флюидов. Приборы каротажа сопротивлений также обычно используются для геофизических исследований (каротажа) скважин после окончания бурения. В зависимости от конкретного применения эти приборы называются спускаемыми на кабеле приборами каротажа сопротивлений, приборами для каротажа в процессе бурения, КПБ (англ. сокр. LWD - от "logging while drilling") или для измерений во время бурения, ИПБ (англ. сокр. MWD - от "measurement while drilling"). Эти скважинные приборы также часто называют приборами индукционного каротажа. В данном описании понятие "прибор каротажа сопротивлений" или "прибор индукционного каротажа" включает в себя все эти варианты.
Типовой прибор каротажа сопротивлений содержит несколько приемных (измерительных) рамок или антенн, размещенных на различных осевых расстояниях от одной или нескольких генераторных (излучающих) рамок или антенн. Через генераторную рамку пропускают переменный ток, который возбуждает в окружающем ствол скважину пласте переменные электромагнитные поля. В результате явлений электромагнитной индукции, связанных с возбуждением в пласте переменных электромагнитных полей, в приемных рамках наводится электродвижущая сила.
Как правило, в приборах каротажа сопротивлений используются коаксиальные антенны. Эти антенны не дают информации, характеризующей анизотропию при малых углах падения и направление приближающегося пласта и относительно бурового долота. Для получения такой информации используются многокомпонентные антенны, разнесенные в осевом направлении, причем такое разнесение длина прибора получается чрезмерно большой. Кроме того, результаты измерений, полученные от каждой такой антенны, требуют интерполяции по глубине для учета ее положения при обработке и интерпретации измеренного сигнала.
Ниже рассматриваются усовершенствованные оборудование и способы, которые позволяют решить некоторые из описанных выше задач, относящихся к приборам каротажа сопротивлений.
Краткое изложение сущности изобретения
В настоящем изобретении предлагается прибор каротажа сопротивлений для применения при скважинных операций, который в одном варианте может включать в себя первую антенну, имеющую первую ориентацию, и вторую антенну, имеющую вторую ориентацию, причем первая и вторая антенны являются совмещенными (расположены в одном и том же или по существу в одном и том же месте) на элементе скважинного прибора. Место, в котором расположены антенны, может быть общим для антенн относительно продольной оси и радиальной оси (по азимуту) на элементе скважинного прибора. В другом варианте прибор может включать в себя третью антенну, имеющую третью ориентацию. Первая, вторая и третья антенны могут быть взаимно ортогональны. Две или более групп антенны могут быть разнесены относительно друг друга в окружном направлении, имея общее осевое положение (координату).
В одном варианте осуществления изобретения элемент скважинного прибора может представлять собой проводящий элемент, например утяжеленную бурильную трубу или металлическую втулку, расположенную вокруг утяжеленной бурильной трубы или иного корпуса скважинного прибора, либо это может быть продольный элемент, связанный со спускаемым на кабеле прибором. Любая из совмещенных антенн может представлять собой осевую антенну, поперечную антенну либо антенну любой иной подходящей ориентации. Осевая антенна может включать в себя множество осевых выемок или пазов, выполненных на элементе прибора, и по меньшей мере один электрический проводник, например провод, проложенный через множество выемок с образованием рамочной антенны. Для улучшения чувствительности антенны между корпусом скважинного прибора и проводом может быть помещен подходящий материал с высокой магнитной проницаемостью, например феррит. В одной конфигурации поперечная антенна может включать в себя одну или несколько поперечных выемок (например, выемок, проходящих в окружном направлении), выполненных в продольном элементе, и один или несколько проводов, проложенных через выемки или вдоль выемок с образованием рамочной антенны. В одной конфигурации некоторые из поперечных выемок поперечной антенны могут быть расположены над (т.е. выше по стволу скважины) осевых выемок или под (т.е. ниже по стволу скважины) ними. Провода антенн, соответствующие осевым и поперечным антеннам, могут быть взаимно ортогональны.
В еще одном варианте осуществления изобретения некоторые из осевых выемок могут быть выполнены короче остальных осевых выемок. Окружные выемки поперечной антенны могут быть расположены рядом с укороченными осевыми выемками. Как возможный вариант, выемки второй поперечной антенны могут быть размещены между двумя группами поперечных выемок другой поперечной антенны. Таким образом, скважинный прибор может включать в себя две или более антенны, расположенные в одном и том же или по существу в одном и том же месте прибора.
В еще одном варианте осуществления изобретения осевая антенна может включать в себя по меньшей мере две группы разнесенных осевых выемок, расположенных таким образом, что между двумя группами осевых выемок имеются промежутки в окружном направлении. Через две группы осевых выемок проложена проволочная рамка, образующая рамочную антенну. В этой конфигурации в промежутках между осевыми выемками могут быть расположены по меньшей мере две группы радиальных выемок. Провод, проложенный в двух группах радиальных выемок, образует рамку для радиальной антенны. В еще одном варианте осуществления изобретения в одном и том же или по существу в одном и том же месте на скважинном приборе могут быть расположены две поперечных антенны, каждая из которых включает в себя по меньшей мере две группы или два набора разнесенных выемок для первой антенны, и по меньшей мере две группы выемок для второй поперечной антенны, расположенных между двумя группами выемок первой поперечной антенны. Для каждой такой поперечной антенны предусмотрена отдельная проволочная рамка. Некоторые или все выемки каждой антенны могут включать в себя элемент или материал с высокой магнитной проницаемостью или низким магнитным сопротивлением, например ферритный материал, помещаемый между корпусом скважинного прибора и проводом антенн. В другом случае между корпусом скважинного прибора и проводом антенн может быть предусмотрен промежуток. Кроме того, вместо одиночного провода рамочная антенна может быть образована несколькими проводами. Каждая антенна может работать в качестве излучателя или приемника прибора для каротажа сопротивлений в процессе бурения или спускаемого на кабеле каротажного прибора. Поэтому совместное расположение (совмещение) антенн возможно в отношении любой комбинации приемных и/или излучающих антенн.
Объектом изобретения является также способ, включающий совместное расположение первой антенны, имеющей первую ориентацию, и второй антенны, имеющей вторую ориентацию, в одном и том же или по существу в одном и том же месте прибора каротажа сопротивлений. В одном варианте осуществления изобретения размещение первой антенны может предусматривать выполнение по меньшей мере одной выемки вдоль первого направления в продольном корпусе, связанном со скважинным прибором, и прокладку провода в указанной по меньшей мере одной выемке с образованием первой антенны. Размещение второй антенны также может предусматривать выполнение по меньшей мере одной выемки во втором направлении в продольном корпусе и прокладку провода в указанной по меньшей мере одной выемке с образованием второй антенны. В одном варианте осуществления изобретения выемки первой и второй антенн могут быть взаимно ортогональны. В еще одном варианте осуществления изобретения способ дополнительно может предусматривать расположение третьей антенны, имеющей третью ориентацию, в том же или по существу в том же месте, где расположены первая и вторая антенны. Первая, вторая и третья ориентации могут быть взаимно ортогональны. В еще одном варианте осуществления изобретения в некоторых или во всех выемках любой конкретной антенны может быть расположен материал с высокой магнитной проницаемостью или низким магнитным сопротивлением.
Примеры реализации более важных отличительных особенностей устройства и способа оценки интересующего электрического свойства в скважине сформулированы выше в довольно обобщенной форме, чтобы облегчить понимание их подробного описания, приведенного ниже. Предлагаемые в изобретении устройство и способ имеют, безусловно, дополнительные особенности, которые рассматриваются ниже по тексту описания и заявлены в формуле изобретения. Реферат приведен для выполнения требований законодательства. Краткое изложение сущности изобретения и реферат не должны трактоваться как ограничивающие любой пункт патентных притязаний, определяемых формулой изобретения настоящей заявки или заявки, поданной с испрашиванием приоритета на ее основе.
Краткое описание чертежей
Различные особенности, характеристики и принципы работы раскрытых в описании приборов каротажа сопротивлений и способов их применения поясняются в приведенном ниже описании осуществления изобретения, сопровождаемом чертежами, на которых однотипные элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых показано:
на фиг.1 - схематическое изображение бурового комплекса, бурильная колонна которого содержит буровой снаряд, снабженный прибором каротажа сопротивлений, выполненным в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения,
на фиг.2 - пример конфигурации антенн многокомпонентного прибора каротажа сопротивлений,
на фиг.3 - расположение выемок для осевой (z) и поперечной (л) антенн на элементе прибора каротажа сопротивлений,
на фиг.4А - вид в продольном разрезе скважинного прибора, показанного на фиг.3, иллюстрирующий прокладку провода антенны и расположение ферритного материала,
на фиг.4Б - вид в поперечном разрезе скважинного прибора, показанного на фиг.3, иллюстрирующий прокладку провода антенны и расположение ферритного материала,
на фиг.5 - альтернативная схема прокладки проводов антенны и расположения связанного с антенной ферритного материала для осевой антенны, показанной на фиг.3,
на фиг.6 - конфигурация расположения поперечных и осевых антенн вдоль прибора каротажа сопротивлений,
на фиг.6А - вид в разрезе прибора, показанного на фиг.6, иллюстрирующий прокладку провода антенны и расположение ферритного материала,
на фиг.7 - другая конфигурация расположения осевой антенны и поперечной антенны вдоль прибора каротажа сопротивлений,
на фиг.7А и 7Б - виды в разрезе прибора, показанного на фиг.7, иллюстрирующие прокладку проводов и расположение ферритного материала, соответственно, для осевой антенны и для поперечных антенн,
на фиг.8 - еще одна конфигурация расположения осевой антенны и поперечной антенны вдоль прибора каротажа сопротивлений,
на фиг.9 - конфигурация размещения двух поперечных (x и y) антенн вдоль прибора каротажа сопротивлений,
на фиг.9А - вид в разрезе прибора, показанного на фиг.9, иллюстрирующий прокладку проводов и расположение ферритного материала для каждой из поперечных антенн x и y,
на фиг.10 - конфигурация размещения осевой (z) антенны и двух поперечных (x и y) антенн вдоль прибора каротажа сопротивлений;
на фиг.10А - вид в разрезе прибора, показанного на фиг.10, иллюстрирующий прокладку проводов и расположение ферритного материала для каждой из антенн x, y и z,
на фиг.11 - альтернативная конфигурация размещения антенн x, y и z вдоль прибора каротажа сопротивлений, и
на фиг.12 - еще одна конфигурация размещения поперечных (x и y) антенн и осевой (г) антенны вдоль прибора каротажа сопротивлений.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлено схематическое изображение бурового комплекса 10, включающего в себя бурильную колонну 20 с буровым снарядом 90, также называемым компоновкой низа бурильной колонны (КНБК) для бурения скважины 26 в пласте 60 толщи горных пород. Буровой комплекс 10, как показано на чертеже, включает в себя обычную буровую вышку 11, возведенную на основании 12, на котором расположен стол 14 ротора буровой установки, приводимый во вращение с нужной скоростью первичным приводом, например электродвигателем (не показан). Бурильная колонна 20 включает в себя бурильную трубу 22, например трубу, проходящую вниз от стола 14 ротора в скважину 26. Закрепленное на конце КНБК 90 буровое долото 50 при вращении разрушает породу, формируя скважину 26. Бурильная колонна 20 соединена с буровой лебедкой 30 посредством квадратной трубы 21 вращательного бурения, вертлюга 28 и талевого каната 29. В процессе бурения лебедку 30 приводят в действие, управляя осевой нагрузкой на долото, которая является параметром, влияющим на скорость проходки скважины буровым долотом. Работа лебедки 30 хорошо известна и поэтому в описании подробно не рассматривается.
1
2
3
В процессе бурения через бурильную колонну 20 посредством грязевого насоса 34 под давлением прокачивается подходящий буровой раствор 31 (также называемый промывочной жидкостью), циркулирующий от источника или резервуара 32 для бурового раствора. Буровой раствор 31 проходит от грязевого насоса 34 в бурильную колонну 20 через поглотитель 36 гидравлических ударов и трубопровод 38 для бурового раствора. Буровой раствор 31 выходит наружу у забоя 51 скважины через отверстие в буровом долоте 50. Буровой раствор 31 циркулирует, поднимаясь вверх по скважине через затрубное пространство 27 между бурильной колонной 20 и стенкой ствола скважины 26, и возвращается в резервуар 32 для бурового раствора по возвратному трубопроводу 35. От датчика S, установленного в трубопроводе 38, поступает информация о расходе бурового раствора. Расположенный на поверхности датчик S крутящего момента и датчик S, связанный с бурильной колонной 20, выдают данные о крутящем моменте и скорости вращения бурильной колонны соответственно. Кроме того, могут использоваться один или несколько связанных с талевым канатом 29 датчиков (не показаны), выдающих данные о нагрузке на крюке от бурильной колонны 20 и информацию о других необходимых параметрах, относящихся к процессу бурения скважины 26.
В одних случаях буровое долото 50 вращается только за счет вращения бурильной трубы 22. В других же случаях используется устанавливаемый на буровом снаряде 90 забойный двигатель 55 (забойный гидравлический двигатель) для приведения во вращение бурового долота и/или в качестве вспомогательного привода для дополнения вращения бурильной колонны. Скорость проходки скважины 26 буровым долотом 50 для конкретной породы и конкретного бурового снаряда зависит от осевой нагрузки на долото и скорости вращения бурового долота.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, забойный гидравлический двигатель 55 соединен с буровым долотом 50 приводным валом (не показан), расположенным в блоке 57 подшипников. Забойный гидравлический двигатель 55 вращает буровое долото 50 при прохождении бурового раствора 31 под давлением через забойный гидравлический двигатель 55. Блок 57 подшипников воспринимает радиальные и осевые нагрузки от бурового долота 50, направленную на забой тягу двигателя и действующую вверх силу реакции от осевой нагрузки на долото. Стабилизаторы 58, закрепленные на КНБК, действуют в качестве центратора для крайней нижней части блока забойного гидравлического двигателя и для других соответствующих мест на КНБК.
1
2
3
Наземный блок 40 управления получает сигналы от скважинных датчиков и устройств посредством измерительного преобразователя 43, установленного в трубопроводе 38 для бурового раствора, и сигналы от датчиков S, S, S, датчика нагрузки на крюк и любых других датчиков, используемых в буровом комплексе 10, и обрабатывает такие сигналы в соответствии с программными инструкциями, вводимыми в наземный блок 40 управления. Наземный блок 40 управления выводит на дисплей/монитор 42 заданные параметры бурения и другую информацию, которая может использоваться для управления бурением. Наземный блок 40 управления включает в себя компьютер, запоминающее устройство для хранения данных, компьютерных программ, регистрирующее устройство для записи данных и другое внешнее оборудование. Наземный блок 40 управления также может содержать имитационную модель, обрабатывает данные в соответствии с программными инструкциями и реагирует на команды пользователя, вводимые посредством соответствующего устройства, например клавиатуры. Наземный блок 40 управления выполнен с возможностью приведения в действие аварийной сигнализации 44 при возникновении опасных или нежелательных условий работы.
Как показано на фиг.1, КНБК 90 также содержит другие датчики и устройства для выполнения различных измерений, относящихся к окружающему скважину пласту 60 и необходимых для бурения скважины 26 по заданной трассе. К таким устройствам часто относятся прибор для измерения удельного электрического сопротивления пласта и флюида, зонд гамма-каротажа для измерения интенсивности гамма-излучения от пласта и приборы для определения наклона и азимута бурильной колонны. Устройство 64 для измерения удельного электрического сопротивления пласта может быть подключено в подходящем месте, например, над отклоняющим устройством 57 для направленного бурения или над нижним инструментом 62 зарезки боковых стволов, для выдачи сигналов, по которым можно оценить удельное электрическое сопротивление пласта. Для измерения наклона КНБК 90 и интенсивности гамма-излучения пласта в подходящих местах вдоль КНБК 90 расположены соответственно инклинометр 74 и зонд 76 гамма-каротажа. Кроме того, для определения положения бурильной колонны по азимуту может использоваться соответствующее устройство (на чертеже не показано), например магнитометр или гироскопический прибор. Подобные устройства известны из уровня техники и поэтому в описании подробно не рассматриваются. В альтернативном варианте осуществления изобретения забойный гидравлический двигатель 55 может быть подсоединен ниже прибора 64 для измерения удельного электрического сопротивления либо в любом другом подходящем месте.
На фиг.1 также показано, что над гидравлическим забойным двигателем 55 в кожухе 78 могут быть размещены и другое оборудование и аппаратура для каротажа в процессе бурения (КПБ), также называемые приборами или устройствами для измерения в процессе бурения (ИПБ), например приборы для измерения пористости, проницаемости и плотности пласта, для получения информации, необходимой для оценки проходимых или вскрываемых скважиной 26 подземных пластов. Упомянутые устройства передают данные в скважинную телеметрическую систему 72, которая, в свою очередь, передает полученные данные вверх по стволу скважины в наземный блок 40 управления. Скважинная телеметрическая система 72 также получает сигналы и данные от наземного блока 40 управления и передает эти принятые сигналы и данные к соответствующим скважинным или глубинным приборам и инструментам. В настоящем изобретении могут использоваться любые подходящие телеметрические средства для передачи данных между скважинными датчиками и устройствами в процессе выполнения бурения, включая телеметрическую систему с гидроимпульсным каналом связи, акустическую телеметрическую систему, электромагнитную телеметрическую систему, встроенный в трубу проводной канал, включая составные секции трубы, каждая из которых содержит линию связи, например электрический проводник или оптическое волокно. В гидроимпульсном канале связи измерительный преобразователь 43, установленный в трубопроводе 38 подачи бурового раствора, детектирует или обнаруживает гидравлические импульсы, соответствующие данным, передаваемым скважинной телеметрической системой 72. Измерительный преобразователь 43 в соответствии с колебаниями давления бурового раствора генерирует электрические сигналы и передает их по проводу 45 к наземному блоку 40 управления.
Описанный выше буровой комплекс относится к таким буровым комплексам, в которых для подачи бурового снаряда 90 в скважину 26 используется бурильная труба, при этом управление осевой нагрузкой на долото осуществляется с поверхности обычно посредством управления лебедкой. Вместе с тем, во многих современных буровых комплексах, особенно предназначенных для бурения сильно искривленных и горизонтальных скважин, для подачи в скважину бурового снаряда используются гибкие насосно-компрессорные трубы. В таких случаях для создания требуемого усилия на буровое долото в состав бурильной колонны иногда включают толкатель. При использовании гибкой насосно-компрессорной трубы вместо вращения колонны труб роторным столом гибкая труба подается в скважину соответствующим инжектором, при этом забойный двигатель, например забойный гидравлический двигатель 55, вращает буровое долото 50. При бурении в море для размещения бурового оборудования, в том числе бурильной колонны используется морская буровая платформа или судно. При использовании подвешиваемых или спускаемых на кабеле различных приборов для оценки параметров пластов, включая прибор каротажа сопротивлений, они опускаются в скважину, и результаты измерений со всех этих приборов регистрируются и обрабатываются.
В соответствии с одной особенностью настоящего изобретения прибор 64 каротажа сопротивлений может включать в себя несколько антенн, которые могут быть выполнены или приспособлены для работы в качестве излучателей и/или приемников. В одной конфигурации прибор каротажа сопротивлений может включать в себя по меньшей мере две антенны 68а и 68b, расположенные в одном и том же или по существу в одном и том же месте по оси скважинного прибора 64. Такие антенны также называются совмещенными антеннами. Совместное расположение или совмещение антенн, например антенн 68а и 68b, позволяет уменьшить длину прибора каротажа сопротивлений и тем самым КНБК 90, и кроме того, не требует интерполяции по глубине, как в случае несовмещенных антенн. Кроме того, на определенном расстоянии от совмещенных антенн 68а и 68b могут быть расположены и другие антенны, например антенны излучателя 66а и 66b. Вместе с тем, передающие и/или приемные антенны могут быть расположены совместно или совмещены в любой комбинации. Таким образом, прибор 64 каротажа сопротивлений может включать в себя любое количество передающих и приемных антенн, причем по меньшей мере две такие антенны расположены совместно.
x
z
y
x
y
z
x
z
y
x
z
y
xx
zz
yy
x
z
y
y
z
xy
xz
x
На фиг.2 представлен пример конфигурации передающей и приемной рамок многокомпонентного прибора каротажа сопротивлений, поясняющий общее устройство осевого и поперечного прибора каротажа сопротивлений. На скважинном приборе каротажа сопротивлений, выполненном в соответствии с настоящим изобретением, могут быть совместно расположены или совмещены любые две или более таких или других антенн, как это более подробно описано со ссылками на фиг.6-12. На фиг.2 показана приведенная в качестве примера конфигурация излучателей и приемников многокомпонентного прибора 100 каротажа сопротивлений, включающих поперечные антенны x и y с азимутальной чувствительностью. Как показано на чертеже, прибор 100 содержит три ортогональных излучателя 101, 103 и 105, обозначенных как излучатели Т, Т и Т, расположенных на приборе на расстоянии друг от друга. Индексы (x, y, z) обозначают систему координат с ортогональными осями, которая определена направлениями нормалей к излучателям. Направление оси z выбрано вдоль продольной оси скважинного прибора, в то время как оси x и y взаимно перпендикулярны и лежат в плоскостях, расположенных поперек оси скважинного прибора. Три излучателя 101, 103 и 105, обозначенные соответственно как излучатели Т, Т и T, возбуждают магнитные поля в трех направлениях пространства. Излучателям 101, 103 и 105 соответствуют приемники 111, 113 и 115, обозначенные как приемники R, R и R, ориентированные вдоль ортогональных осей системы координат, определяемых нормалями к излучателям x, y и z, и расположенные в порядке, показанном на фиг.1. Приемники R, R и R измеряют соответствующие магнитные поля Н, H и Н, возбуждаемые излучателями Т, T и Т соответственно. В этой системе магнитных полей первый (подстрочный) индекс указывает на направление излучателя, а второй индекс указывает на направление приемника. Кроме того, приемники R и R измеряют две поперечные составляющие Н и H магнитных полей, создаваемых излучателем, или передатчиком Т (101).
zz
xx
yy
zz
xx
yy
x
y
z
x
y
z
Ориентация излучателей и приемников относительно оси скважинного прибора остается неизменной. Многокомпонентный прибор в горизонтальной конфигурации чувствителен к анизотропии пласта, положению прибора, а также к повороту прибора вокруг его оси. В конфигурации, представленной на фиг.2, антенны x и y обладают чувствительностью к азимутальному направлению. Обычно к повороту прибора нечувствительна только компонента H. В горизонтальной конфигурации среднее значение (Н+Н)/2 не зависит от вращения прибора. Результаты измерений H и (Н+Н)/2 зависят от расположения пласта и положения прибора и поэтому могут использоваться для определения расстояния до границ пласта и для управления направлением продвижения КНБК (геонавигация). Кроме того, каждый излучатель может работать на любой частоте в пределах определенного диапазона частот, например от 50 кГц до 2 МГц. Показанная на фиг.2 конфигурация предусматривает только один возможный вариант размещения излучателей и приемников. Вместе с тем, излучатели и приемники можно располагать любым подходящим образом. Описанная конфигурация позволяет определить направление, в котором буровое долото приближается к геологической цели. Для многих случаев применения целесообразно располагать некоторые из антенн многокомпонентного прибора каротажа сопротивлений в одном и том же или по существу в одном и том же месте прибора каротажа сопротивлений. Например, любые две или все три антенны R, R и R могут быть расположены на скважинном приборе 64 совместно, т.е. совмещены. Аналогичным образом, совместно могут быть расположены излучатели Т, Т и T. Для целей настоящего раскрытия любая подходящая комбинация размещенных совместно и в разных местах антенн может быть использована, как это описано применительно к различным конфигурациям, показанным на фиг.6-12.
В одном варианте осуществления изобретения для построения рамки x (используемой в качестве излучателя или приемника) предусмотрена конструкция с желобком в элементе скважинного прибора. Такая конструкция позволяет посредством рамки x излучать или детектировать (обнаруживать) поперечные магнитные поля и защищает электрические проводники (провода) рамки x от повреждений, которые возможны во время бурения. В одном варианте поперечная рамка может быть выполнена посредством прокладки электрического проводника (провода) снаружи поверхности утяжеленной бурильной трубы с противоположных ее сторон. Затем провод может быть присоединен к концам внутри трубы. Может быть сделан зазор между проводом и поверхностью утяжеленной бурильной трубы для улучшения приема антенной. Провода могут быть дополнительно защищены любым подходящим механически прочным электроизоляционным (непроводящим) материалом.
На фиг.3, 4А и 4Б приведен пример конструкции осевой (z) и поперечной (x) антенн. На фиг.3 представлен трубчатый элемент 300 с несколькими осевыми выемками или пазами 312 (параллельными оси скважинного прибора), выполненными по периферии (в окружном направлении) трубчатого элемента 300 для размещения осевой (z) антенны. Поперечные выемки 314 или пазы (по нормали к оси трубчатого элемента 300) образуют поперечную (x) антенну. Выемки 312 могут быть выполнены по существу распределенными по всей периферии корпуса 300 прибора либо разнесенными группами, как это будет описано далее со ссылкой на фиг.6-12. В конфигурации, показанной на фиг.3, выемки 314 сформированы двумя группами или наборами на противоположной стороне трубчатого элемента 300. На фиг.4А показан вид в радиальном разрезе вдоль выемок 314. В каждую из выемок 314 помещен ферритный материал 402, а изолированный провод 316 пропущен в отверстия 406, выполненные в металлических промежутках между выемками 314. Между дном выемки и проводом 316 имеется небольшой зазор 310 (по аналогии с зазором, показанным на фиг.4Б). На фиг.4Б показан осевой разрез части трубчатого элемента 300, вдоль двух групп выемок 314 с противоположных сторон трубчатого элемента 300. Провод 316 пропущен через отверстия, выполненные в каждом из металлических участков между выемками 314, и проложен поверх ферритных элементов, поэтому между дном 315 металлического кожуха и проводом 316 создается зазор. Провод 316 проложен петлей через две группы выемок 314, образуя рамочную антенну. Два конца провода 316 присоединены к излучающему или приемному контуру, который обобщенно обозначен на чертеже буквой "v". В ИПБ-конфигурации прибора корпус 300 прибора имеет сквозное отверстие 321, которое позволяет поместить другой компонент или КНБК 90 и обеспечивает сквозное прохождение бурового раствора. В другой конструкции может использоваться несколько проводов 316а, опирающихся на прямой или изогнутый ферритный материал 318а, помещенный в выемки (фиг.5). Металлические утяжеленные бурильные трубы подходят для этого вследствие их высокой проводимости и большой механической прочности. В показанной здесь конструкции создаются поверхностные токи, которые подавляют поле внутри утяжеленной бурильной трубы 300. В результате физическая проволочная рамка возбуждает/принимает магнитное поле нулевой или очень небольшой величины, за исключением лишь зон выемок 314. Таким образом, действие физической проволочной рамки может быть заменено маленькими рамками. Площади малых рамок определяются зазорами между проводом 316 и дном 315 выемки. Создаваемые малыми рамками моменты направлены в одном направлении и поэтому их отклики суммируются. Для того чтобы рамка могла излучать или принимать поля, у выемок имеются открытые концы в направлении, параллельном направлению поля.
Предлагаемые в изобретении устройства и способы могут использоваться с данными, получаемыми каротажными приборами, спускаемыми на кабеле, а также с данными, получаемыми приборами для измерений в процессе бурения (ИПБ), вводимыми в скважины на бурильных трубах, например бурильной колонне или гибкой насосно-компрессорной трубе. При использовании для измерений в процессе бурения (ИПБ) эти данные об ориентации могут быть использованы для управления направлением движения бурового снаряда и сохранения положения ствола скважины относительно пластов, находящихся вблизи скважины.
Для иллюстрации описанные выше антенны многокомпонентного прибора каротажа сопротивлений показаны разнесенными. Во многих случаях желательно уменьшить длину КНБК или прибора, спускаемого на кабеле. В настоящем описании для примера приведены различные конфигурации с размещением двух или более антенн в одном и том же или по существу в одном и том же месте утяжеленной бурильной трубы или корпуса прибора, спускаемого на кабеле. Так, например, приемник x и приемник z могут быть расположены в одном месте относительно продольной оси скважинного прибора. По аналогии, совмещенной может быть любая комбинация антенн x, y и z. Расположение нескольких антенн в одном и том же или по существу в одном и том же месте (в описании называется совмещением) позволяет сократить длину прибора. Кроме того, при необходимости точных измерений для каждого расположения антенны выполняется интерполяция по глубине. Данные измерений, полученные от нескольких антенн, совмещенных в одном осевом положении, позволяют упростить обработку и интерпретацию результатов, поскольку при обработке результатов для определения нужных характеристик интерполяция по глубине не требуется или требуется очень незначительная интерполяция.
На фиг.6 представлено продольное изображение прибора 600, в котором поперечная (x) антенна и осевая (z) антенна расположены совместно, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. В этой конфигурации некоторые из осевых выемок 602 осевой (z) антенны расположены вместе с поперечными выемками 604 поперечной (x) антенны в одном месте по оси или по длине скважинного прибора. В конфигурации, показанной на фиг.6, с противоположных сторон прибора 600 сформированы две группы поперечных выемок 604, каждая из которых содержит одну или несколько осевых выемок требуемой длины и глубины. Аналогично, две группы осевых выемок 602 помещены в радиальных промежутках между двумя группами осевых выемок 604. Некоторые или все выемки могут содержать материал с высокой магнитной проницаемостью, например ферритный материал. Провода проложены таким образом, чтобы образовать рамочные антенны для каждой из антенн x и z. На фиг.6А представлен вид в разрезе А-А прибора 600. Видно, что провод 612 для поперечной (x) антенны пропущен в отверстиях, выполненных в промежутках между выемками, и проложен петлей вокруг двух групп выемок 604 с противоположных сторон, образуя рамочную антенну. Между дном каждой выемки 604 и проводом 610 расположен ферритный материал 612, чтобы направлять генерируемые сигналы наружу от корпуса прибора, когда антенна используется как излучатель, и чтобы способствовать приему сигналов из пласта горных пород, когда антенна используется в качестве приемника. Провод 614 для антенны z пропущен вокруг прибора в отверстиях 616, выполненных в промежутках между выемками 602, с образованием рамки или петли.
На фиг.7 показана альтернативная конфигурация расположения осевой (z) антенны и поперечной (x) антенны по существу в одном и том же месте прибора каротажа сопротивлений. В показанной на фиг.7 конфигурации выемки 702 осевой антенны выполнены по всей окружности прибора 700, по существу так же, как и выемки 310 на фиг.3. Поперечные выемки 704 для поперечной (x) антенны размещены над (вверх по стволу скважины) и под (вниз по стволу скважины) осевыми выемками 702. Симметрия антенн может быть обеспечена симметричным расположением выемок и соответствующих рамок. Рамка поперечной антенны в данной конфигурации вытянута вдоль оси скважинного прибора, в отличие от конфигурации, показанной на фиг.6. На фиг.7А показан вид прибора 700 в разрезе по осевым выемкам, обозначенном стрелками А-А. На фиг.7Б показан вид прибора 700 в разрезе, обозначенном стрелками В-В. Провод 714 антенны для осевой (z) антенны пропущен петлей вокруг прибора в отверстиях 716 и проложен поверх ферритного материала в каждой из выемок так же, как это показано на фиг.6А. Провод 710 для поперечной (x) антенны пропущен через отверстия в промежутках между выемками и проложен поверх ферритного материала 712 в каждой выемке, после чего переведен петлей на вторую группу выемок с образованием рамочной антенны.
На фиг.8 показана еще одна конфигурация расположения осевой (z) антенны и поперечной (x) антенны по существу в одном месте прибора каротажа сопротивлений. В показанной на фиг.8 конфигурации некоторые осевые выемки 808 из числа всех осевых выемок 802 укорочены с тем, чтобы оставить место для размещения некоторых поперечных выемок 812 и 814 из числа всех поперечных выемок 804 поперечной антенны. Оставшиеся выемки 804 остаются над (вверх по стволу скважины) и под (вниз по стволу скважины) осевыми выемками. В этой конфигурации рамка осевой антенны и рамки поперечной антенны могут быть сформированы так же, как это показано на фиг.7. Симметрия осевой и поперечной антенн может быть обеспечена симметричным расположением выемок и соответствующих рамок. Рамка поперечной антенны в этой конфигурации также вытянута в направлении оси скважинного прибора, в отличие от конфигурации, показанной на фиг.6. Поперечные разрезы, показанные на фиг.7А и 7Б, в части прокладки проводов и расположения ферритных материалов, в равной мере относятся и к антеннам, показанным на фиг.8.
Представленная на фиг.9 конфигурация иллюстрирует расположение в одном месте на скважинном приборе 900 каротажа сопротивлений двух поперечных (x и y) антенн. В этой конфигурации поперечные выемки 902 одной пары групп выполнены с противоположных сторон прибора 900, для образования первой поперечной антенны, например антенны x. Вторая пара групп выемок 904 образована с противоположных сторон прибора 900 между группами выемок первой антенны с образованием второй поперечной антенны, например антенны y. Каждая из антенн x и y может быть сформирована так же, как это показано на фиг.6. На фиг.9А представлен вид в разрезе прибора 900 по стрелкам А-А. Как показано на этом чертеже, провод 900, проложенный поверх ферритных материалов 912 в выемках 902, образует антенну x, в то время как провод 914, проложенный поверх ферритных материалов 916 в выемках 904, образует антенну y. Симметрия антенн обеспечивается так же, как это было описано применительно к фиг.6.
На фиг.10-12 показаны различные конфигурации расположения осевой (z) антенны и пары поперечных (x и y) антенн в одном месте на скважинном приборе каротажа сопротивлений. В конфигурации на фиг.10 выемки 1004 антенны x и выемки 1006 антенны y сформированы на скважинном приборе 1000 так же, как это показано на фиг.9. Осевые выемки 1002 для осевой (z) антенны сформированы в промежутках между выемками антенн x и y. Таким путем сформировано четыре группы выемок. Одна группа содержит четыре набора выемок 1002, расположенных на расстоянии друг от друга по окружности прибора 1000 с образованием антенны x; вторая группа содержит два набора выемок 1004, находящихся по противоположным сторонам прибора 1000 между осевыми выемками 1002, с образованием антенны x; третья группа содержит два набора выемок 1006 с образованием антенны y. Симметрия антенных рамок обеспечивается так, как это было описано ранее. На фиг.10А показано поперечное сечение прибора 1000 по стрелкам А-А. Прокладка проводов и расположение феррита для антенн x и y такое же, как показано на фиг.9. Провод 1010 антенны x показан проложенным по ферритным элементам 1011 с противоположных сторон корпуса прибора, а провод 1012 антенны y, проложенный по ферритному материалу 1013, показан между антеннами x на противоположных сторонах прибора 1000. Провод 1014 осевой антенны z проложен вокруг и поверх ферритного материала 1015. В этой конфигурации все рамки для трех антенн расположены в одном положении по оси скважинного прибора 1000.
На фиг.11 показана другая конфигурация расположения антенн x, y и z по существу в одном месте на оси скважинного прибора 1100 каротажа сопротивлений. В показанной на фиг.11 конфигурации выемки 1102 для антенны z и выемки 1104 для антенны x выполнены так, как показано на фиг.7. Выемки 1102 антенны z сформированы по окружности прибора 1100. Выемки 1104 антенны x расположены над и под выемками 1102 так же, как это показано на фиг.8. Выемки 1106 антенны y также расположены над и под осевыми выемками, однако, между выемками антенны x, по аналогии с тем, что было показано на фиг.9. Провода антенн также проложены способом, аналогичным тому, что показано на фиг.9.
На фиг.12 показана еще одна конфигурация размещения антенн x, y и z в одном или по существу одном месте на скважинном приборе 1200 каротажа сопротивлений. В этой конфигурации выемки 1202 антенны z и выемки 1204 антенны x сформированы по существу тем же способом, что и в конфигурации, показанной на фиг.8, а именно некоторые выемки 1202а антенны z укорочены с тем, чтобы оставить место для размещения некоторых выемок 1204а антенны x. Выемки 1206 антенн y сформированы по аналогии с конфигурацией, показанной на фиг.11. Видно, что в каждой из конфигураций, изображенных на фиг.10-12, обеспечивается симметрия антенн.
Как отмечалось выше, антенна, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, может содержать материал с высокой магнитной проницаемостью, расположенный между металлическим элементом и электрическим проводником, для улучшения передающих или приемных характеристик антенны. В качестве материала с высокой магнитной проницаемостью может быть использован любой подходящий материал, включая, в частности: (i) магнитомягкий ферритный материал, (ii) электропроводный магнитомягкий аморфный сплав, (iii) электропроводный нанокристаллический магнитомягкий сплав, (iv) пакет пластин из аморфного магнитомягкого сплава, (v) пакет пластин из нанокристаллического магнитомягкого сплава, (vi) магнитомягкий железный порошок с органическим и/или неограническим связующим, (vii) магнитомягкий сендаст с органическим и/или неограническим связующим, и (viii) порошок магнитомягкого железоникелевого сплава с органическим и/или неограническим связующим. Хотя показанные в описанных конфигурациях выемки обычно ортогональны друг другу, антенны могут быть расположены в любом другом необходимом направлении, например, путем расположения выемок и/или прокладки проводов вдоль неортогональных направлений.
В некоторых приборах каротажа сопротивлений может не использоваться проводящий каркас или корпус прибора, например утяжеленная бурильная труба. В таких случаях использование выемок не является необходимым или желательным. В этих случаях выемки и/или ферритный материал в описанных конфигурациях могут быть исключены. Вместе с тем, в одном и том же или по существу в одном и том же месте по оси прибора каротажа сопротивлений может быть расположено несколько антенн, реализуя тем самым преимущества настоящего раскрытия. Кроме того, в некоторых случаях применения используются наклонные антенны вместо описанных здесь осевых и поперечных антенн. Совмещенные антенны, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, могут быть использованы как наклонные антенны. Наклонная антенна обычно обнаруживает две компоненты поля. Так, например, комбинация осевой антенны и поперечной антенны, выполненных в соответствии с настоящим изобретением, также может быть использована для обнаружения двух компонент поля. Таким образом соответствующая комбинация осевой антенны и поперечной антенны может быть использована как наклонная антенна. Кроме того, каждая антенна может быть выполнена с возможностью работы в качестве излучателя или приемника. Поэтому каждая антенна в зависимости от режима ее работы может быть подключена к излучающему или приемному контуру. Излучающий контур включает в себя генератор колебаний и другие схемные элементы, обеспечивающие излучение связанной с ними антенной электромагнитных сигналов на множестве частот, находящихся в определенном частотном диапазоне, например от 50 кГц до 2 МГц. Излучающий контур также может включать в себя контроллер (содержащий процессор, например микропроцессор) и соответствующие схемы, такие как запоминающее устройство для хранения программ и данных и схема обработки сигналов. Приемный контур может включать в себя схемы, предназначенные для приема обнаруживаемых рамками сигналов и усиления этих принятых сигналов, аналого-цифровые преобразователи для преобразования аналоговых сигналов в сигналы цифровых цепей, контроллер, включающий процессор, и другие схемы, включая запоминающее устройство для хранения программ и данных. Сигналы от каждого приемника могут обрабатываться, по меньшей мере, частично, в скважине и передаваться на поверхность и/или сохраняться в памяти скважинного прибора. Процессор выполняет обработку сигналов для получения оценки одного или более интересующих параметров, например электрических характеристик пласта и скважинных флюидов. Значения оцененных параметров записываются на любом подходящем носителе информации.
В заявке раскрыто устройство для применения в скважине, которое может включать в себя продолговатый элемент скважинного прибора, первую антенну, имеющую первую ориентацию, и вторую антенну, имеющую вторую ориентацию, причем первая антенна и вторая антенна размещены по существу в одном месте элемента скважинного прибора. В одном варианте первая ориентация и вторая ориентация могут быть представлены одной из следующих пар: (i) продольная ось скважинного прибора и поперечная ось скважинного прибора, (ii) первая поперечная ось скважинного прибора и вторая поперечная ось скважинного прибора, (iii) первое направление и второе направление, неортогональное первому направлению. Устройство может также включать в себя третью антенну, имеющую третью ориентацию, причем третья ориентация соответствует любому подходящему направлению, включая, в частности, направления: (i) под углом к каждой из первой ориентации и второй ориентации, и (ii) по существу ортогонально к первой ориентации и второй ориентации. Каждая антенна может также включать в себя по меньшей мере одну выемку, выполненную в элементе скважинного прибора, материал с высокой магнитной проницаемостью, расположенный по меньшей мере в одной выемке, и электрический проводник, проложенный через выемку с образованием рамочной антенны. В еще одном варианте осуществления изобретения первая антенна может включать в себя первую группу выемок и вторую группу выемок, причем первая группа выемок и вторая группа выемок имеют общее расположение по одной из следующих схем: (i) первая группа выемок разбита по меньшей мере на две подгруппы выемок, расположенных вдоль радиальной оси элемента скважинного прибора с промежутком между ними, а вторая группа выемок расположена в промежутке между указанными подгруппами выемок, (ii) первая группа выемок расположена вдоль радиального направления элемента скважинного прибора, а вторая группа выемок разбита по меньшей мере на две подгруппы, по меньшей мере по одной из которых расположено по обе стороны от первой группы выемок. Устройство может также включать в себя третью антенну, причем первая антенна включает в себя первую группу выемок, вторая антенна - вторую группу выемок, а третья антенна - третью группу выемок, первая группа выемок расположена вдоль первого направления, вторая группа выемок расположена рядом с первой группой выемок вдоль второго направления, а третья группа выемок расположена рядом с первой или второй группой выемок вдоль третьего направления. В одном варианте первая, вторая и третья группы выемок могут быть по существу ортогональны друг другу, причем по меньшей мере некоторые из выемок первой, второй и третьей групп содержат материал с высокой магнитной проницаемостью и отдельный электрический проводник с образованием отдельной рамочной антенны, связанной с первой, второй и третьей группой выемок.
Материал с высокой магнитной проницаемостью может быть любым материалом, включая, в частности: (i) магнитомягкий ферритный материал, (ii) электропроводный магнитомягкий аморфный сплав, (iii) электропроводный нанокристаллический магнитомягкий сплав, (iv) пакет пластин из аморфного магнитомягкого сплава, (v) пакет пластин из нанокристаллического магнитомягкого сплава, (vi) магнитомягкий железный порошок с органическим и/или неограническим связующим, (vii) магнитомягкий сендаст с органическим и/или неограническим связующим, и (viii) порошок магнитомягкого железоникелевого сплава с органическим и/или неограническим связующим. Элемент скважинного прибора, на котором размещена антенна, может быть любым подходящим элементом, включая, в частности: утяжеленную бурильную трубу бурового снаряда, металлическую втулку, установленную на части утяжеленной бурильной трубы бурового снаряда, и корпус спускаемого на кабеле прибора каротажа сопротивлений. Устройство также может включать в себя один или несколько процессоров, которые обрабатывают сигналы, получаемые одним или более приемниками устройства для оценки одной или более характеристик или интересующих свойств. Интересующим свойством или параметром может быть: (i) электрическое свойство пласта горных пород, (ii) электрическое свойство текучей среды в скважине, (iii) анизотропию при выбранном угле падения пласта, и (iv) направление приближающегося горизонта относительно элемента устройства. Устройство может включать в себя группу антенн, расположенных в одном месте, и вторую группу антенн в том же месте по оси, но смещенную в окружном направлении.
В еще одном варианте осуществления изобретения предложен способ, который может включать в себя передачу электромагнитных сигналов в пласт горных пород и прием электромагнитных сигналов из пласта горных пород в качестве отклика на посылаемые сигналы электромагнитного излучения, причем излучение или прием электромагнитных сигналов осуществляется первой или второй антеннами, совмещенными на скважинном приборе. Принимаемые сигналы могут быть обработанными принятыми сигналами электромагнитного излучения с целью оценки интересующего свойства. Интересующее свойство может регистрироваться на подходящем носителе информации. Термины "в одном месте" и "совмещенные" означает по существу расположение на продолговатом элементе в одном месте в осевом направлении (по осевой координате) и окружном или радиальном направлении (по окружности).
Хотя в приведенном описании раскрыты лишь определенные, взятые в качестве примера варианты осуществления изобретения, для специалиста очевидна возможность осуществления изобретения в других, измененных вариантах. Предполагается, что любые такие изменения должны рассматриваться как часть описанных выше технических решений. Реферат приведен для выполнения требований законодательства. Краткое изложение сущности изобретения и реферат не должны трактоваться как ограничивающие любой пункт патентных притязаний, определяемых формулой изобретения настоящей заявки или заявки, поданной с испрашиванием приоритета на ее основе.