СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК E21B47/12 

Предлагаемые способ и устройство относятся к контрольно-измерительной технике и предназначены для проведения каротажа газонефтяных скважин в процессе их бурения в составе MWD телеметрических систем с беспроводным электромагнитным каналом связи.

При бурении скважин информация об электрических свойствах разреза необходима для оперативного управления буровым инструментом с целью вывода разбуриваемой скважины в наиболее продуктивные пласты.

Известны способ электрического каротажа на бурильных трубах и соответствующая аппаратура [1]. При этом зонды электрического каротажа на бурильных трубах выполнены на базе металлической трубы, которая является охранным кожухом или продолжением скважинного прибора, покрытой слоем изоляции с установленными на ней кольцевыми токовыми и измерительными электродами.

Известен также способ диэлектрического каротажа скважин, заключающийся в том, что в скважинном приборе применен конденсатор из двух обкладок. Одна из них (нижняя) представляет собой латунный цилиндр, а другой обкладкой служит корпус прибора. Указанный конденсатор-зонд включен в колебательный контур и по измеренной частоте контура и напряжения на нем судят об электрофизических свойствах пласта [2].

Известен аналогичный способ диэлектрического каротажа скважин, в котором зондирующее электромагнитное поле создается с помощью электродов скважинного конденсатора-зонда в виде металлических цилиндров, расположенных на одной оси в торец друг к другу на некотором расстоянии один от другого. Число электродов два или три [3].

Известна также телеметрическая система для контроля траектории ствола скважины с инклинометрическим и геофизическим блоками с использованием беспроводного электромагнитного канала связи, причем передатчик каналом связи подключается к разделителю - диэлектрической вставке между нижней (забойной) и верхней буровыми трубами, разделяющими буровую колонну, и служащей передающей антенной [4].

Наиболее близкими по технической реализации являются способ и аппаратура импедансного электромагнитного каротажа скважин, содержащая конденсатор-зонд с цилиндрическими коаксиально расположенными электродами, включенный в измерительный контур, датчики тока и напряжения, частотно-избирательные усилители, генератор переменного напряжения, асинхронный детектор, электронные ключи, частотомер [5, прототип способа и устройства].

Недостатком известных способов и устройств является сложность их конструктивно-технологического сопряжения с существующей аппаратурой забойных телеметрических систем (ЗТС), использующих беспроводной электромагнитный канал связи для передачи забойной информации на поверхность. Это приводит к усложнению аппаратно-программной реализации систем каротажа и как следствие к снижению надежности и достоверности определения электрофизических свойств разбуриваемых пластов, снижению информативности каротажа.

Задачей создания предлагаемого изобретения является повышение надежности и информативности определения удельного электрического сопротивления разбуриваемых пластов и точности управления буровым инструментом в процессе бурения горизонтальных скважин.

Указанная задача реализуется с использованием конструктивных элементов передающей антенны беспроводного электромагнитного канала связи забойной телесистемы в качестве электродов-зондов системы электрического каротажа, а скважинный турбогенератор и передатчик ЗТС используется в качестве генератора переменного напряжения, создающего в околоскважинной среде низкочастотное зондирующее электрическое поле.

Решение указанной задачи достигается в способе электрического каротажа скважин в процессе бурения, включающем возбуждение многочастотного электрического поля с использованием синусоидального напряжения, вырабатываемого скважинным турбогенератором, во время работы передатчика забойной телеметрической системы с беспроводным электромагнитным каналом связи и проведение во время работы передатчика электрического каротажа с определением электрических сопротивлений среды, характеризующих разбуриваемый пласт, тем, что во время работы передатчика забойной телеметрической системы с беспроводным электромагнитным каналом связи измеряют величины напряжений, приложенных к электрическому разделителю.

При этом возбуждение электрического поля в зоне контроля производятся выпрямленным и промодулированным сигналом скважинного турбогенератора, генерирующего синусоидальное напряжение в диапазоне частот от 50 Гц до 200 Гц в зависимости от расхода промывочной жидкости.

Величины напряжений, приложенных к электрическому разделителю, и токов, протекающих в среде, измеряют в диапазоне частот (400±120) Гц, причем производят измерения второй, четвертой, шестой или восьмой гармоник модулированного напряжения, приложенного к электрическому разделителю, производится также измерение частоты f синусоидального напряжения, генерируемого скважинным турбогенератором, а частоту f_2n гармоники модулированного сигнала, на которой измеряют токи и напряжение, определяют по формуле: f_2n=2nf, где n = 1, 2, 3 или 4, причем значение n выбирают так, чтобы частота f_2n попадала в диапазон частот от 280 Гц до 520 Гц.

Процесс измерения токов и напряжений на электрическом разделителе синхронизован с работой передающей части забойной телесистемы.

При этом усиление сигналов, пропорциональных измеряемым токам и напряжениям на разделителе, производят исходя из номера измеряемой гармоники тока или напряжения, причем соответствующие коэффициенты усиления определяют по формулам: К₂= К_о K₄= 5•K_o K₆=12•K_o К₈=20•К_о, где К_о - коэффициент усиления сигнала на частоте второй гармоники.

Фильтрация сигналов, пропорциональных измеряемым токам и напряжениям, производится аналоговыми полосовыми фильтрами с граничными частотами полосы пропускания, равными 250 Гц и 550 Гц, а выделение гармоник измеряемого сигнала производится цифровым аналоговым адаптивным фильтром, срединная частота полосы пропускания которого соответствует выделяемой гармоники сигнала, а ширина полосы пропускания определяется шириной частотного спектра модулирующей функции, передающей части забойной телесистемы.

Для реализации способа электрического каротажа скважин в процессе бурения предлагается устройство, содержащее забойную телеметрическую систему, подключенную к участкам бурильных труб, электрически изолированных друг от друга посредством разделителя, и включающую блок центрального процессора, генератор переменного напряжения и модулятор, отличающееся тем, что устройство снабжено датчиками тока и напряжения, усилителями, имеющими регулируемые коэффициенты усиления, цифровым сигнальным процессором, измерителем частоты генератора переменного напряжения, полосовыми фильтрами и многоканальным аналого-цифровым преобразователем, забойная телеметрическая система снабжена симисторным мостом, выходы которого соединены со входами датчиков тока и напряжения и с участками бурильных труб, используемых в качестве электродов для создания зондирующего электрического поля, выходы датчиков тока и напряжения через соответствующие полосовые фильтры и усилители, имеющие регулируемые коэффициенты усиления, соединены со входами многоканального аналого-цифрового преобразователя, управляющие входы которых и один из входов цифрового сигнального процессора соединены с выходом измерителя частоты генератора переменного напряжения, входы которого соединены с выходами генератора переменного напряжения, два других входа цифрового сигнального процессора соединены с выходом многоканального аналого-цифрового преобразователя и выходом блока центрального процессора соответственно, при этом цифровой сигнальный процессор выполнен с возможностью установки коэффициента усиления на усилителях.

Устройство содержит датчики тока и напряжения, полосовые фильтры и усилители с регулируемыми коэффициентами усиления, измеритель частоты синусоидального напряжения скважинного турбогенератора, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой сигнальный процессор (DSP). Предлагаемое устройство отличается тем, что входы датчиков тока и напряжения соединены с выходными зажимами симисторного моста ЗТС и с участками бурильных труб, электрически изолированных друг от друга электрическим разделителем, причем выходы датчиков тока и напряжения соединены с входами полосовых фильтров, выходы которых соединены с входами многоканального АЦП через усилители с регулируемыми коэффициентами усиления, а управляющие входы усилителей и один из входов DSP соединены с выходом измерителя частоты синусоидального напряжения скважинного турбогенератора, причем входные зажимы измерителя частоты соединены с выходными зажимами турбогенератора, а другие два входа DSP соединены с выходом АЦП и одним из выходов блока центрального процессора забойной телесистемы.

Рассмотрим содержание предлагаемого способа. Он содержит следующие операции:
1. Возбуждение электрического поля в зоне контроля выпрямленным и промодулированным сигналом скважинного турбогенератора, генерирующего синусоидальное напряжение в диапазоне частот от 50 Гц до 200 Гц в зависимости от расхода промывочной жидкости.

2. Измерение сигналов реакции контролируемой околоскважинной среды - токов и напряжений в процессе работы передатчика забойной телесистемы с беспроводным электромагнитным каналом связи, создающего в околоскважинной среде многочастотное электрическое поле.

3. Определение величин сопротивлений, характеризующих разбуриваемый пласт по напряжениям, приложенным к электрическому разделителю, и токам, протекающим в среде, измеряемым в диапазоне частот (400 ±120) Гц. Причем производятся измерения второй, четвертой, шестой или восьмой гармоник модулированного тока и напряжения, приложенного к электрическому разделителю.

4. Измерение частоты f синусоидального напряжения, генерируемого скважинным турбогенератором, и определение частоты f_2n гармоники модулированного сигнала, на которой измеряют токи и напряжения по формуле: f_2n = 2 n•f, где n = 1, 2, 3 или 4, причем значение n выбирается так, чтобы частота f_2n попадала в диапазон от 280 Гц до 520 Гц.

5. Синхронизация процесса измерения токов и напряжений на электрическом разделителе с работой передающей части забойной телеметрической системы.

6. Усиление сигналов, пропорциональных измеряемым токам и напряжениям на электрическом разделителе, производится исходя из номера измеряемой гармоники тока или напряжения, причем соответствующие коэффициенты усиления определяются по формулам: К₂=К₀, К₄=5•К₀, K₆=12•К₀, K₈=20•К₀, где К_о - коэффициент усиления сигнала на частоте второй гармоники, a K₄, К₆ и K₈ - коэффициенты усиления на частотах 4-й, 6-й и 8-й гармоник соответственно.

7. Фильтрация сигналов, пропорциональных измеряемым токам и напряжениям, с помощью аналоговых полосовых фильтров с граничными частотами полосы пропускания, равными 250 Гц и 550 Гц.

8. Выделение гармоник измеряемого сигнала цифровым адаптивным фильтром, средняя полоса пропускания которого соответствует частоте выделяемой гармоники сигнала, а ширина полосы пропускания определяется шириной частотного спектра модулирующей функции, передающей части забойной телесистемы.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на чертежах:
на фиг.1 представлен немодулированный сигнал,
на фиг. 2 - код импульса,
на фиг. 3 - код нуля,
на фиг. 4 - график нормируемой спектральной плотности мощности,
на фиг. 5 - схема устройства.

Суть предлагаемого способа поясним, используя временные и частотные характеристики выходных сигналов ЗТС, содержащих зондирующее электрическое поле в околоскважинной среде. На фиг. 1 представлен немодулированный сигнал на выходе передатчика ЗТС, формируемый с помощью симисторного моста. Его можно описать функцией: U(t)= Е•[sinωt], где

T - период, E - амплитуда ЭДС. Величина f изменяется в диапазоне от 50 Гц до 200 Гц при измерении расхода промывочной жидкости от 10 л/с до 60...70 л/с. Ряд Фурье функции U(t) имеет вид:

Спектр немодулированного сигнала содержит только четные гармоники U(t): 2f, 4f, 6f и т.д.

Данные, измеренные телесистемой в забое, преобразуются в двоичный код, а затем передаются на поверхность по беспроводному каналу связи с использованием кода Манчестера. При этом единица передаваемого сообщения кодируется импульсом f_1m(t), (фиг.2), а ноль - импульсом f_2m(t), (фиг.3). Здесь 1/2 Т_о - длительность символа сигнала кода Манчестера.

График нормированной спектральной плотности мощности биимпульсного кода Манчестера от нормированной к длительности символа сигнала 1/2 Т_о частоты f приведен на фиг.4. Функция f_im(t), где i =1, 2, является модулирующим сигналом для преобразованного напряжения скважинного турбогенератора. Ширина частотного спектра этого сигнала, определенная на уровне 0,707 от максимума, рассчитывается по формуле:
Δf₁=3,0/T_o.

Выходной сигнал передатчика ЗТС представляется в виде:
U_вых(t)=E•f_im(t)[sin t], i = 1, 2, и т.д.

Наличие модуляции приводит к развитию линейчатого спектра функции U(t), появлению боковых частот. С точки зрения электрического каротажа основная структура частотного спектра определяется функцией U(t)=E•[sinωt] и выбор рабочих частот каротажа производится исходя из этого частотного спектра, а выделение гармоники выходного напряжения передатчика ЗТС должно производиться адаптивным цифровым фильтром, полоса пропускания которого определяется шириной частотного спектра модулирующей функции.

Анализ частотных спектров сигналов показывает, что при заданном диапазоне изменения частоты ЭДС скважинного турбогенератора от 50 Гц до 200 Гц наиболее целесообразно проводить электрический каротаж на частотах (400±120) Гц, что позволяет охватить весь диапазон частот ЭДС турбогенератора. При этом на частоте f = 50 Гц, электрический каротаж проводится на частоте 8-й гармоники выходного сигнала передатчика. По мере увеличения частоты f рабочая частота каротажа производится на гармониках с меньшим номером и при f=200 Гц каротаж производится на частоте 2-й гармоники сигнала передатчика. Таким образом, локализуется диапазон частот, в котором производится электрический каротаж, что существенно упрощает интерпретацию измерительной информации. Работа системы электрического каротажа синхронизируется с работой передатчика ЗТС с помощью соответствующих сигналов, определяющих временные интервалы передачи определенных видов сигналов по электромагнитному каналу связи.

Номер гармоники сигнала передатчика, на которой производится каротаж, определяется по результатам измерения частоты ЭДС скважинного турбогенератора. Граничные частоты полосы пропускания аналогового полосового фильтра определены из условия прохождения сигналов с частотами от 280 Гц до 520 Гц с учетом искажений на границах полосы пропускания. Усиление измеряемых токов и напряжений с регулируемым коэффициентом усиления производится для выравнивания уровней сигналов и определяется номером гармоники напряжения, на которой производится каротаж: на 2-й гармонике напряжения коэффициент усиления K₂= K₀, на 4-й K₄=5K₀, на 6-й K₆=12K₀, на 8-й K₈=20K₀.

Функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, изображена на фиг.5. Здесь обозначено: 1 и 2 - датчики тока и напряжения, 3 - электрический разделитель, 4 и 5 - полосовые фильтры, 6 и 7 - усилители с регулируемыми коэффициентами усиления, 8 - симисторный мост, 9 - многоканальный АЦП, 10 - цифровой сигнальный процессор, 11 - измеритель частоты, 12 - скважинный турбогенератор, 13 - блок центрального процессора ЗТС, 14 - модулятор ЗТС, 15 и 16 - точки подключения системы каротажа и передатчика ЗТС к колонне бурильных труб.

Устройство работает следующим образом.

После поступления сигнала синхронизации с блока центрального процессора ЗТС 13 на цифровой сигнальный процессор (DSP) 10 системы каротажа начинается процесс измерения сигналов передающей части ЗТС, подключенной к колонне бурильных труб (точки 15 и 16). Сигналы с датчика тока 1 и напряжения 2 подаются на аналоговые полосовые фильтры 4 и 5 с граничными частотами полосы пропускания 250 Гц и 550 Гц, обеспечивающими выделение сигналов с датчиков тока и напряжения в диапазоне частот (400±120) Гц. С выхода полосовых фильтров 4 и 5 сигналы поступают на усилители 6 и 7 с регулируемыми коэффициентами усиления. Коэффициенты усиления усилителей 6 и 7 регулируются сигналами с выхода измерителя 11 синусоидальной ЭДС скважинного турбогенератора 12. Цифровые сигналы с измерителя частоты 11 поступают на сигнальный процессор 10, формирующий сигналы управления усилителями 6 и 7 следующим образом. По измеренной частоте f скважинного генератора определяется номер гармоники f_2n=2n•f, на которой измеряются токи и напряжения датчиками 1 и 2.

Значение n = 1, 2, 3 или 4 выбирается так, чтобы частота f_2n попадала в рабочий диапазон частот системы электрического каротажа: от 280 Гц до 520 Гц. По найденному таким образом значению n формируется сигнал, устанавливающий коэффициент усиления K_2n на усилителях 6 и 7 при n = 1, K₂=K₀, при n= 2, K₄=5K₀, при n=3, K₆=12K₀, при n=4, K₈=20K₀.

Усиленные таким образом сигналы с усилителей 6 и 7 через АЦП 9 поступают на сигнальный процессор 10, в котором реализуется адаптивная цифровая фильтрация сигналов, пропорциональных току и напряжению. Цифровая фильтрация сводится к выделению гармоники 2n•f измеряемых сигналов и повышению отношения сигнал/шум. По обработанным таким образом сигналам определяется величина сопротивления, характеризующая разбуриваемый пласт.

Предлагаемые способ и устройство имеет следующие преимущества:
1. Позволяют производить электрический каротаж скважин с использованием конструктивных и аппаратных элементов передающей части забойной телесистемы.

2. Позволяет производить каротаж в достаточно узком диапазоне частот, что существенно упрощает интерпретацию результатов измерения.

3. Реализуют процесс электрического каротажа с помощью зондирующих сигналов большой мощности при высоких значениях отношения сигнал/шум, что повышает достоверность получаемой информации.

4. Позволяет реализовать параллельную работу системы каротажа и передающей части ЗТС в режиме реального времени.

5. Сравнительная простота реализации устройства с использованием современной элементной базы и микропроцессорной техники.

Литература
1. Кнеллер Л. Е., Потапов А.П. Особенности моделирования и возможность определения сопротивления в горизонтальных скважинах по данным электрокаротажа на бурильных трубах. В кн. Электрические и электромагнитные методы исследования в нефтегазовых скважинах. Издательство СО РАН, Новосибирск, 1999, с.36-41.

2. Аксельрод С.М. Высокочастотные методы исследования скважин (индукционный и диэлектрический каротаж). Госгеолтехиздат, М., 1962.

3. Черняк Г.Я. Диэлектрические методы исследования внешних грунтов. Недра, М., 1964.

4. Лукьянов Э.Е. Состояние и перспектива развития геофизических исследований в горизонтальных скважинах. Часть 11. Тверь, 1997.

5. Черняк Г.Я. Электромагнитные методы в гидрогеологии и инженерной геологии. Недра, М., 1987.

Изобретение относится к геофизическим исследованиям в процессе бурения под нефть или газ с использованием телесистем с беспроводным электромагнитным каналом связи. Задачей создания изобретения является повышение надежности проводки скважины и информативности передаваемого на поверхность сигнала. Для этого возбуждают многочастотное электрическое поле с использованием синусоидального напряжения, вырабатываемого скважинным турбогенератором, во время работы передатчика забойной телеметрической системы с беспроводным электромагнитным каналом связи и проведение во время работы передатчика электрического каротажа с определением электрических сопротивлений среды, характеризующих разбуриваемый пласт. Во время работы передатчика забойной телеметрической системы измеряют величины напряжений, приложенных к электрическому разделителю. Указанные операции реализуются при помощи устройства, содержащего датчики тока и напряжения, усилители, имеющие регулируемые коэффициенты усиления, цифровой сигнальный процессор, измеритель частоты генератора переменного напряжения, полосовые фильтры, многоканальный аналого-цифровой преобразователь и забойную телеметрическую систему, подключенную к участкам бурильных труб, электрически изолированных друг от друга посредством разделителя, и включающую блок центрального процессора, генератор переменного напряжения (скважинный турбогенератор), модулятор и симисторный мост. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ электрического каротажа скважин в процессе бурения, включающий возбуждение многочастотного электрического поля с использованием синусоидального напряжения, вырабатываемого скважинным турбогенератором, во время работы передатчика забойной телеметрической системы с беспроводным электромагнитным каналом связи и проведение во время работы передатчика электрического каротажа с определением электрических сопротивлений среды, характеризующих разбуриваемый пласт, отличающийся тем, что во время работы передатчика забойной телеметрической системы с беспроводным электромагнитным каналом связи измеряют величины напряжений, приложенных к электрическому разделителю. 2. Способ электрического каротажа по п. 1, отличающийся тем, что возбуждение электрического поля в зоне контроля производится выпрямленным и промодулированным сигналом скважинного турбогенератора, генерирующего синусоидальное напряжение в диапазоне частот от 50 до 200 Гц в зависимости от расхода прокачиваемой жидкости. 3. Способ электрического каротажа по п. 1 или 2, отличающийся тем, что величины напряжений, приложенных к электрическому разделителю, и токов, протекающих в среде, измеряются в диапазоне частот (400 ± 120) Гц, причем производят измерения 2-й, 4-й, 6-й или 8-й гармоник модулированного напряжения, приложенного к электрическому разделителю. 4. Способ электрического каротажа по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что производят измерение частоты f синусоидального напряжения, генерируемого скважинным турбогенератором, а частоту f_2n гармоники модулированного сигнала, на которой измеряют токи и напряжения, определяют по формуле f_2n = 2 n f, где n = 1, 2, 3 или 4, причем значение n выбирают так, чтобы частота f_2n попадала в диапазон от 280 до 520 Гц. 5. Способ электрического каротажа по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что процесс измерения токов и напряжений на электрическом разделителе синхронизируют с работой передающей части забойной телеметрической системы. 6. Способ электрического каротажа по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что усиление сигналов, пропорциональных измеряемым токам и напряжениям на разделителе, производят исходя из номера измеряемой гармоники тока или напряжения, причем соответствующие коэффициенты усиления определяют по формулам: К₂ = К₀, К₄ = 5К₀, К₆ = 12К₀, К₈ = 20К₀, где К₀ - коэффициент усиления сигнала на частоте второй гармоники; К₂ - коэффициент усиления сигнала на частоте второй гармоники; К₄ - коэффициент усиления сигнала на четвертой гармонике; К₆ - коэффициент усиления сигнала на шестой гармонике; К₈ - коэффициент усиления сигнала на восьмой гармонике. 7. Способ электрического каротажа по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что фильтрацию сигналов, пропорциональных измеряемым токам и напряжениям, производят аналоговыми полосовыми фильтрами с граничными частотами полосы пропускания, равными 250 и 550 Гц, а выделение гармоники измеряемого сигнала производят цифровым полосовым адаптивным фильтром, средняя частота полосы пропускания которого соответствует частоте выделяемой гармониками сигнала, а ширина полосы пропускания определяется шириной частотного спектра модулирующей функции передающей части забойной телесистемы. 8. Устройство для реализации способа электрического каротажа скважин в процессе бурения, содержащее забойную телеметрическую систему, подключенную к участкам бурильных труб, электрически изолированных друг от друга посредством разделителя, и включающую блок центрального процессора, генератор переменного напряжения и модулятор, отличающееся тем, что устройство снабжено датчиками тока и напряжения, усилителями, имеющими регулируемые коэффициенты усиления, цифровым сигнальным процессором, измерителем частоты генератора переменного напряжения, полосовыми фильтрами и многоканальным аналого-цифровым преобразователем, забойная телеметрическая система снабжена симисторным мостом, выходы которого соединены со входами датчиков тока и напряжения и с участками бурильных труб, используемых в качестве электродов для создания зондирующего электрического поля, выходы датчиков тока и напряжения через соответствующие полосовые фильтры и усилители, имеющие регулируемые коэффициенты усиления, соединены со входами многоканального аналого-цифрового преобразователя, управляющие входы которых и один из входов цифрового сигнального процессора соединены с выходом измерителя частоты генератора переменного напряжения, входы которого соединены с выходами генератора переменного напряжения, два других входа цифрового сигнального процессора соединены с выходом многоканального аналого-цифрового преобразователя и выходом блока центрального процессора соответственно, при этом цифровой сигнальный процессор выполнен с возможностью установки коэффициента усиления на усилителях.