Настоящее изобретение относится, в целом, к устройству и способу для осуществления измерений в подземной скважине или посредством нее. Более конкретно, настоящее изобретение относится к такому устройству и способу для учета определенных "эффектов эксцентриситета скважины", встречающихся при таких подземных измерениях, а более конкретно, к уменьшению и/или коррекции этого влияния скважины.
Различные способы каротажа удельного сопротивления используются при операциях разведки и добычи углеводородов, включая гальванические методики (например, устройства бокового каротажа) и методики электромагнитной индукции. Обе эти методики используют инструменты для каротажа или "зонды" для испускания энергии тока или электромагнитного поля в формацию или в окружающую среду вокруг подземной скважины. Испускаемая энергия взаимодействует с формацией с получением сигналов отклика, которые детектируются сенсорами на инструменте. Затем детектируемые сигналы обрабатываются для установления профиля одного или нескольких свойств формации.
Для обеспечения высокого качества измерений инструмент для каротажа скважин предпочтительно поддерживается в центре скважины (то есть вдоль продольной оси) или вблизи него. Однако может быть сложным поддерживать центровку инструмента в течение всего времени. Когда инструмент отклоняется от центра скважины по направлению к стенке скважины, точный во всех остальных отношениях или желательный сигнал отклика может изменяться (хотя характеристики формации, которые измеряются, не изменяются). Это изменение сигнала упоминается как "эффект отклонения" или "эффект эксцентриситета" (здесь и далее, "эффекты эксцентриситета скважины"). Смещенный от центра индукционный инструмент может, например, индуцировать очень сильные сигналы, происходящие от скважины, которые смешиваются с сигналами отклика от формации.
Степень изменения сигнала из-за эффекта эксцентриситета скважины изменяется в зависимости от типа инструмента, осуществляющего измерение. В случае инструмента, измеряющего удельное сопротивление, сигнал может изменяться из-за изменений положения инструмента в скважине и удельного сопротивления бурового раствора. Настоящее изобретение относится, в целом, к устройству и способу для учета любых из таких нежелательных эффектов, в частности, тех, которые возникают из-за скважинных токов, и ко всем типам каротажа удельного сопротивления, включая электромагнитный индукционный каротаж.
Обыкновенные инструменты для кабельного электромагнитного каротажа используются вместе с антеннами, которые функционируют в качестве источников и/или сенсоров. На инструментах для кабельного электромагнитного каротажа антенны, как правило, окружены корпусом, сконструированным из (изолирующего) материала прочного пластика, например, материала из ламинированного стекловолокна, импрегнированного эпоксидной смолой. Альтернативно эти инструменты могут конструироваться из термопластичных (изолирующих) материалов. Термопластичный материал этих инструментов обеспечивает непроводящую структуру для установки антенн. Патент Соединенных Штатов №6084052 (принадлежащий правопреемнику настоящего изобретения) описывает инструмент для каротажа на основе композитов для использования в кабельных применениях и в каротаже при бурении скважин, как предполагается в настоящем изобретении.
Антенны обычно находятся на расстоянии друг от друга вдоль оси инструмента. Эти антенны, как правило, представляют собой катушки соленоидного типа, содержащие один или несколько витков изолированной проводящей проволоки, навитой вокруг каркаса. Патенты Соединенных Штатов №4651101, 4873488 и 5235285 (каждый из них принадлежит правопреемнику настоящего изобретения), например, описывают инструменты, снабженные антеннами, расположенными вдоль центрального металлического каркаса (каждый из них включается сюда в качестве ссылки и делается частью настоящего описания). При работе передающая антенна возбуждается переменным током, испуская электромагнитную энергию через текучую среду скважины (также упоминаемую как буровой раствор) и внутрь формации. Сигналы, детектируемые приемной антенной, обычно выражаются как комплексное число (фазовый вектор напряжения в комплексной плоскости) и отражают взаимодействия испускаемой энергии с буровым раствором и формацией.
Катушка (или антенна), несущая ток, может быть представлена как магнитный диполь, имеющий магнитный момент, пропорциональный току и площади. Направление и величина магнитного момента представляются с помощью вектора, перпендикулярного плоскости катушки. В обыкновенных индукционных и основанных на распространении волн инструментах для каротажа передающие и приемные антенны устанавливаются с их магнитными диполями, совмещенными с продольной осью инструмента. Такие инструменты, по этой причине, упоминаются как имеющие продольные магнитные диполи. Когда такой инструмент помещают в скважину и возбуждают для передачи электромагнитной энергии, индуцированные вихревые токи протекают в замкнутых контурах вокруг антенны, в скважине и в окружающей формации. Эти вихревые токи текут на плоскостях, которые перпендикулярны продольной оси инструмента (которая соответствует оси скважины), но не протекают вверх или вниз по скважине.
Развивающаяся техника в области электромагнитного индукционного каротажа скважин представляет собой использование инструментов, содержащих антенны, которые имеют наклонные или поперечные антенны. Магнитные диполи этих антенн наклонены по отношению к оси инструмента или перпендикулярны к ней. Такие инструменты упоминаются как имеющие поперечные или наклонные магнитные диполи. Эти инструменты могут, по этой причине, индуцировать вихревые токи, которые протекают на плоскостях, которые не являются перпендикулярными оси скважины. В результате эти инструменты обеспечивают измерения, которые являются чувствительными к наклонным плоскостям, трещинам в формации или к анизотропии формации. Инструменты для каротажа, снабженные наклонными магнитными диполями, описываются, например, в патентах США №4319191, 5508616, 5757191, 5781436, 6044325 и 6147496 (каждый из которых включается сюда в качестве ссылки и делается частью настоящего описания).
В то время как указанные инструменты способны обеспечивать улучшенные измерения удельного сопротивления формации, эти инструменты подвержены воздействиям со стороны скважинных токов. Это особенно верно при ситуации с большими контрастами, где буровой раствор в скважине является более проводящим, чем формация. Когда инструмент с наклонными магнитными диполями возбуждается в центре скважины, он может индуцировать вихревые токи, которые протекают вверх и вниз по скважине. Однако из-за симметрии протекания тока токи, текущие вверх и вниз, взаимно компенсируют друг друга, тем самым обеспечивая нулевое общее протекание тока в осевом или продольном направлении. Однако когда такой инструмент смещен от центра, не может быть никакой такой симметрии в протекании тока. Если этот инструмент смещен от центра в направлении, параллельном направлению магнитного диполя своей антенны (то есть при продольном эксцентриситете), плоскость симметрии, которая содержит ось скважины и направление дипольного момента, сохраняется, и таким образом, имеется нулевое общее протекание тока вдоль продольной оси или оси скважины. Однако, если наклонный магнитный диполь смещен от центра в направлении, перпендикулярном направлению магнитного диполя его антенны (так называемый поперечный эксцентриситет), такой симметрии не существует. Соответственно, имеется результирующее протекание тока вверх или вниз по скважине (когда антенна возбуждается). В ситуациях с высоким контрастом (то есть с проводящим буровым раствором и формацией с высоким удельным сопротивлением), скважинные токи могут протекать вдоль скважины на больших расстояниях. Когда эти токи проходят вблизи приемников с наклонными магнитными диполями, они индуцируют нежелательные сигналы, которые могут быть гораздо больше, чем реальные сигналы откликов от формации.
Некоторые из этих нежелательных эффектов (сигналов) могут быть ослаблены в течение обработки данных. Например, патент США №5041975 (принадлежащий правопреемнику настоящего изобретения) описывает методику для обработки данных от глубинных измерений для коррекции влияния скважины. Патент США №6541979 (принадлежащий правопреемнику настоящего изобретения) описывает методики для уменьшения эффекта эксцентриситета скважины с использованием математических коррекций для влияния скважинных токов.
Альтернативно нежелательные эффекты от скважинных токов могут быть сведены к минимуму во время сбора данных. Например, патент США №6573722 (принадлежащий правопреемнику настоящего изобретения) описывает способы для сведения к минимуму скважинных токов, проходящих через антенны с наклонными магнитными диполями. В одном из способов электрод, расположенный под указанной антенной, соединяют с другим электродом, расположенным над указанной антенной, для создания проводящего пути рядом с указанной антенной с наклонными магнитными диполями. Этот дополнительный проводящий путь уменьшает величину скважинных токов, проходящих перед антенной с наклонными магнитными диполями, и таким образом, сводит к минимуму нежелательные эффекты. В другом способе описывается инструмент, который генерирует локальный ток в скважине (между двумя электродами, расположенными по сторонам антенны) с наклонными магнитными диполями, который противодействует нежелательным скважинным токам или компенсирует их. Однако локальный ток сам по себе имеет отрицательное воздействие на антенну с наклонными магнитными диполями, хотя и до меньшей степени, чем скважинные токи.
Хотя эти известные способы и инструменты обеспечивают средства для уменьшения влияния скважинных токов, все еще остается необходимость в дальнейших усовершенствованиях при разработке систем, способов и устройств для уменьшения, исключения или учета иным образом нежелательного влияния скважинных токов.
В одном из аспектов настоящего изобретения предусматривается устройство для каротажа скважин, предназначенное для осуществления измерений в окружающей среде вокруг скважины, проходящей через подземную формацию, содержащее удлиненный проводящий шток, имеющий продольную ось, антенные зонды, расположенные вокруг штока и включающие передатчик для передачи электромагнитной энергии в формацию, и корпус, расположенный вокруг антенных зондов, имеющий наружную поверхность, расположенную для экспонирования для окружающей среды вокруг скважины, и внутреннюю поверхность, расположенную радиально внутрь от наружной поверхности. Первый электрод (предпочтительно, множество их) и второй электрод (предпочтительно, множество их), каждый электрод имеет наружный конец и внутренний конец, расположенный радиально внутрь от наружного конца, при этом электроды поддерживаются на корпусе таким образом, что наружный конец экспонируется на наружной поверхности корпуса для проводящего контакта с находящейся рядом проводящей окружающей средой вокруг скважины. Первый и второй электроды расположены друг от друга на расстоянии в продольном направлении, так что передатчик расположен в продольном направлении между ними, при этом первый и второй электроды находятся во взаимном проводящем соединении со штоком, так что, когда устройство для каротажа скважин работает в окружающей среде вокруг скважины, имеющей скважинные токи, предусматриваются один или несколько замкнутых контуров для тока для закорачивания скважинных токов, при этом контуры тока включают первый проводящий путь между проводящей окружающей средой вокруг скважины, первым электродом и штоком и второй проводящий путь между проводящей окружающей средой вокруг скважины, вторым электродом и штоком. Соответственно, работа устройства для каротажа скважин по настоящему изобретению уменьшает проблему, которую представляют собой влияния скважинных токов, закорачивая токи способом, описанным выше, тем самым уменьшая такие эффекты до приемлемого уровня.
Предпочтительно каждый электрод представляет собой компонент, который является отдельным от штока и может перемещаться относительно нити. Более предпочтительно, устройство содержит первое проводящее соединение и второе проводящее соединение, каждое из которых расположено между одним из электродов и штоком для обеспечения взаимного проводящего соединения электрода со штоком. Каждое проводящее соединение представляет собой компонент, отдельный от электрода и штока.
В одном из предпочтительных воплощений устройство дополнительно содержит первый набор электродов, поддерживаемых на корпусе над передатчиком и расположенных азимутально на расстоянии друг от друга по окружности корпуса, электроды первого набора, который содержит первый электрод, находятся во взаимном проводящем соединении со штоком, второй набор электродов, расположенных под передатчиком и размещенных азимутально на расстоянии друг от друга по окружности корпуса, электроды второго набора, который содержит второй электрод, также находятся во взаимном проводящем соединении со штоком, при этом каждый электрод первого и второго набора имеет наружный конец и внутренний конец, расположенный по радиусу внутрь от наружного конца, и поддерживается на корпусе таким образом, что наружный конец экспонируется для проводящего контакта с находящейся рядом проводящей окружающей средой вокруг скважины, и контур тока (предпочтительно, в дополнение к другим контурам тока) проходит между проводящей окружающей средой вокруг скважины, первым набором электродов, штоком, вторым набором электродов и проводящей окружающей средой вокруг скважины.
Корпус может быть изготовлен из непроводящего материала, имеющего множество каналов, проходящих сквозь него в радиальном направлении для поддерживания одного из электродов.
Электрод может быть расположен в канале таким образом, что наружный конец находится на расстоянии внутрь от наружной поверхности корпуса.
Наружный конец может быть снабжен металлической пластиной, имеющей щели, выполненные на ней и формирующие проводящий путь на пластине.
Щели могут образовать множество соединенных друг с другом узких секций, образующих узкий непрерывный проводящий путь по пластине. Узкие секции могут быть расположены в целом параллельно друг другу.
Передатчик может иметь диполь, смещенный от центра в поперечном направлении.
Контуры тока могут включать контур тока между проводящей окружающей средой вокруг скважины, первым электродом, указанным штоком, вторым электродом и проводящей окружающей средой вокруг скважины.
Антенный зонд может дополнительно содержать приемник для приема сигнала отклика от формации, расположенной вокруг штока.
В другом аспекте настоящего изобретения создано устройство для каротажа скважин, предназначенное для осуществления измерений в окружающей среде вокруг скважины, проходящей через подземную формацию, содержащее удлиненный проводящий шток и трехосный антенный зонд, расположенный вокруг штока и дополнительно содержащий передатчик для передачи электромагнитной энергии, и узел корпуса, содержащий непроводящий корпус, расположенный вокруг антенного зонда и вокруг продольной оси устройства для каротажа скважин и имеющий наружную поверхность, расположенную для экспонирования для окружающей среды вокруг скважины, и внутреннюю поверхность, расположенную радиально внутри указанной наружной поверхности, первый набор электродов, поддерживаемых на корпусе над передатчиком и расположенных азимутально на расстоянии друг от друга вокруг корпуса, первый набор включает первый электрод, при этом каждый из электродов первого набора находится в проводящем соединении со штоком, второй набор электродов, расположенных под передатчиком и размещенных азимутально на расстоянии друг от друга по окружности корпуса, содержащий второй электрод, при этом каждый из электродов второго набора находится в проводящем соединении со штоком, и каждый из электродов первого и второго наборов имеет наружный конец и внутренний конец, расположенный радиально внутрь от наружного конца, и поддерживается на корпусе так, что наружный конец каждого электрода экспонируется на наружной поверхности корпуса для обеспечения проводящего контакта с находящейся рядом проводящей окружающей средой вокруг скважины, и так что контуры тока включают контуры тока между проводящей окружающей средой вокруг скважины, первым набором электродов, штоком, вторым набором электродов и проводящей окружающей средой вокруг скважины.
Узлы корпуса могут дополнительно содержать первый набор проводящих соединений и второй набор проводящих соединений, каждое из которых расположено между одним из электродов и штоком для обеспечения проводящего взаимного соединения электрода со штоком, так что контуры тока содержат радиальный проводящий путь между проводящей окружающей средой вокруг скважины, указанным электродом, проводящим соединением и штоком, и проводящее соединение является отдельным от электрода и штока и способно перемещаться относительно к ним.
Устройство может дополнительно содержать множество каналов, радиально проходящих между наружной поверхностью и внутренней поверхностью корпуса, и каждый электрод расположен в канале.
Электрод может быть расположен в канале таким образом, что наружный конец находится на расстоянии в радиальном направлении внутрь от наружной поверхности корпуса.
Наружный конец может быть снабжен металлической пластиной со щелями, образующими узкий непрерывный проводящий путь.
Электрод может дополнительно содержать базовую секцию, проходящую в радиальном направлении внутрь от металлической пластины и имеющую в боковом поперечном сечении площадь, которая является значительно меньшей, чем экспонируемая площадь поверхности металлической пластины.
Металлическая пластина может иметь щели для формирования множества соединенных друг с другом узких секций, образующих непрерывный проводящий путь.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения создан способ уменьшения влияния скважинных токов на измерения, осуществляемые с помощью устройства для каротажа скважин в проводящей окружающей среде вокруг скважины, проходящей через подземную формацию, при этом скважинные токи генерируются в окружающей среде вокруг скважины рядом с устройством для каротажа скважин, указанный способ включает следующие стадии:
использование устройства для каротажа скважин, имеющего удлиненный проводящий шток с продольной осью, антенный зонд, расположенный вокруг штока и содержащий передатчик для передачи электромагнитной энергии и приемник для приема сигнала отклика от формации, корпус, расположенный вокруг антенного зонда, имеющий наружную поверхность, расположенную для экспонирования для окружающей среды вокруг скважины, и внутреннюю поверхность, расположенную радиально внутри наружной поверхности;
поддерживание верхнего набора электродов в корпусе в продольном положении над передатчиком и нижнего набора электродов в корпусе в продольном положении под передатчиком, при этом электроды первого и второго наборов проходят в радиальном направлении между наружной поверхностью корпуса и его внутренней поверхностью, так что верхний набор электродов и нижний набор электродов находятся в проводящем соединении через шток;
позиционирование устройства для каротажа скважин в скважине, так что наружные поверхности электродов экспонируются для проводящей окружающей среды вокруг скважины;
осуществление действия устройства для каротажа скважин для передачи электромагнитной энергии в формацию, при этом скважинные токи генерируются в проводящей окружающей среде вокруг скважины;
направление скважинных токов в контуры токов между электродами первого набора электродов, штоком, электродами второго набора электродов и проводящей окружающей средой вокруг скважины, тем самым закорачивая скважинные токи и уменьшая влияние скважинных токов на приемник.
Стадия создания верхнего и нижнего наборов электромагнитов может включать создание верхнего набора электродов, расположенных азимутально на расстоянии друг от друга по окружности корпуса и нижнего набора электродов, расположенных азимутально на расстоянии друг от друга по окружности корпуса.
Стадия направления скважинных токов может включать направление скважинных токов от проводящей окружающей среды вокруг скважины радиально через электроды и к штоку.
Далее изобретение более подробно описывается со ссылками на чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 представляет упрощенную схему, иллюстрирующую смещение от центра антенны с наклонными манжетными диполями для каротажа, расположенной в скважине;
фиг.1а представляет схематическую иллюстрацию скважинных токов, вызываемых работой, смещенной от центра в поперечном направлении указанной антенны в скважине;
фиг.2 представляет схему инструмента для каротажа, расположенного в скважине и содержащего различные электроды в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2а представляет схему, иллюстрирующую пути скважинных токов, возникающих при работе в скважине смещенного от центра в перпендикулярном или в поперечном направлении инструмента для каротажа скважин в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3 представляет общий вид инструмента для каротажа скважин, показанного на фиг.2;
фиг.4 представляет вид в продольном поперечном разрезе части инструмента для каротажа скважин, содержащего изолирующий корпус, в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5 представляет вид в поперечном разрезе части альтернативного изолирующего корпуса в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6 представляет вид в поперечном разрезе части изолирующего корпуса в соответствии с другим альтернативным воплощением настоящего изобретения;
фиг.7 представляет вид в поперечном разрезе части изолирующего корпуса в соответствии с другим альтернативным воплощением настоящего изобретения;
фиг.7а представляет вид сверху окружности изолирующего корпуса, показанного на фиг.7;
фиг.7b представляет вид сверху металлической пластины со щелями для использования вместе с изолирующим корпусом, показанным на фиг.7.
Фигуры 1 и 1а используются здесь для краткого описания проблемы, которую представляют собой индуцированные скважинные токи, для работы инструмента для каротажа скважин. Фигуры 2-7 иллюстративно изображают системы, устройства и способы для решения этой проблемы в соответствии с настоящим изобретением. Для целей описания следующее далее подробное описание концентрируется, прежде всего, на работе электромагнитного индукционного каротажа, для описания систем, устройств и способа (способов) уменьшения индуцированных скважинных токов по настоящему изобретению.
Как отмечалось выше, присутствие скважинных индуцированных токов, вызываемое смещением инструмента от центра, может понизить качество измерений при каротаже скважин. Как показано на фиг.1, поперечный или наклонный магнитный диполь 20, который обычно позиционируется в центре скважины 13, может быть смещен от центра при двух возможных ориентациях. Эти две ориентации упоминаются как продольное смещение от центра (параллельное направлению магнитного диполя антенны) и поперечное смещение от центра, представленные диполем 22 и диполем 21, соответственно. Смещенный от центра в продольном направлении диполь 22 создает вихревые токи в скважине 13. Однако, поскольку эти вихревые токи симметричны относительно скважины 13 и движения диполя, суммарного протекания тока вверх или вниз по скважине 13 не создается. Таким образом, инструмент с диполем 22, смещенным от центра в продольном направлении, не генерирует нежелательных скважинных эффектов. В противоположность этому инструмент, который имеет диполь 21, смещенный от центра в поперечном направлении, индуцирует вихревые токи, которые протекают вверх и вниз по скважине 13, но без симметрии, необходимой для взаимной компенсации токов, направленных вверх и вниз. В результате смещенный от центра в поперечном направлении диполь 21 вызывает значительные скважинные токи. Фиг.1а иллюстрирует такой инструмент 19 для каротажа скважин, имеющий смещенный от центра в поперечном направлении диполь, работающий в скважине 13 и генерирующий скважинные токи 23. Эти скважинные токи 23 наводят сильный сигнал на приемнике 24, который расположен на инструменте 10 для каротажа скважин, тем самым понижая качество измерения.
В одном из аспектов настоящего изобретения устройство и способ обеспечивают простое и экономичное решение указанной выше проблемы, представленной скважинными токами. Более конкретно, система, устройство и способ по настоящему изобретению используются для учета скважинных токов путем создания предпочтительно радиальных проводящих путей, которые направляют скважинные токи через внутренний шток инструмента, тем самым уменьшая или исключая скважинные токи, проходящие через приемную антенну и оказывающие на нее влияние. Фиг.2 иллюстрирует на упрощенной схеме инструмент 10 для каротажа скважин и систему для учета таких скважинных токов. Фиг.2а иллюстрирует структуры скважинных токов, возникающие при использовании инструмента 10 для каротажа скважин по настоящему изобретению.
Как показано на фиг.2, инструмент 10 для каротажа скважин в соответствии с одним из воплощений настоящего изобретения имеет множество антенных зондов, расположенных вокруг проводящего штока 51 и отделенных друг от друга некоторым расстоянием в различных продольных или осевых положениях. В этом воплощении антенный зонд содержит передатчик 15, верхний приемник 16, расположенный над передатчиком 15, и нижний приемник 17, расположенный под передатчиком 15. В другом предпочтительном воплощении приемники (два или более) расположены на расстоянии друг от друга под (или над) передатчиком. Передатчик 15 и приемники 16, 17 могут представлять собой устройство с продольными магнитными диполями или с наклонными магнитными диполями, или их сочетание. Передатчик 15 и приемники 16, 17, как правило, располагаются на непроводящих опорных элементах (не показанных на фиг.2) вокруг проводящего штока 51. Непроводящий опорный элемент обеспечивает, по этой причине, буфер между проводящим штоком 51 и антеннами 15, 16, 17. Антенны 15, 16, 17 могут быть антеннами в виде катушек соленоидного типа, антеннами в виде петель или катушками любой конструкции, дающими поперечный магнитный диполь.
Антенны 15, 16, 17 располагаются радиально внутрь от изолирующего корпуса 11 и, таким образом, внутри него, который обеспечивает достаточную наружную поверхность инструмента 10, и, тем самым, защищаются им. Корпус 11 герметично прикрепляется к основной части инструмента 10 в процессе конечных стадий сборки путем надевания его поверх узла из антенн 15, 16, 17 и штока 51. Затем, заметим, что соединение между электродами 12 на корпусе 11 и внутренним штоком 51 не может удобно осуществляться с помощью жестких проводников (по меньшей мере, в начале), поскольку корпус 11 устанавливается после и независимо от штока 51 и антенн 15, 16, 17. Корпус 11 может быть изготовлен из любого износостойкого изолирующего материала, который обычно используется в промышленности, например, композитного материала, эластомера или резины.
Как показано на фиг.3, множество электродов 12 радиально встроены в корпус 11, так что часть наружной поверхности каждого электрода 12 во время работы экспонируется на наружной поверхности корпуса 11 и, таким образом, для окружающей среды вокруг скважины 13. Передатчик 15 располагается в продольном направлении с тем, чтобы он охватывался сверху и снизу электродами 12. Электроды 12 могут быть отдельными электродами (например, микроэлектродами), как на фигурах 2-7, или круговыми (окружающими изолирующий корпус), например, полосовыми или кольцевыми электродами. В дополнительных воплощениях, описанных ниже, электроды 12 представляют собой металлические пластины со щелями (см. фиг.7). Воплощение, которое использует отдельные электроды 12, может иметь множество электродов 12 или их наборов, которые азимутально расположены вокруг одного и того же продольного положения вдоль оси инструмента, как иллюстрируется на фигурах 2 и 3. Электроды 12 могут быть изготовлены из любого износостойкого проводящего материала, который обычно используется в промышленности или который был бы приемлемым для специалиста в данной области. В предпочтительном воплощении изолирующий корпус 11 и электроды 12 изготавливаются из материалов, достаточно износостойких для того, чтобы противостоять эрозии (или износу), вызываемой столкновениями со стенкой 14 скважины, или коррозии, вызываемой каустической природой окружающей среды вокруг скважины 13, или ограничивать их.
Было установлено, что использование различных материалов для компонентов инструмента может обеспечить компонентам различные степени теплового расширения и может приводить к нежелательным напряжениям, трещинам, износу и отказу при длительном экспонировании для окружающей среды вокруг скважины с высокой температурой или после него. Определенные воплощения настоящего изобретения учитывают эти условия, используя компоненты или конфигурации, которые согласовывают различные степени теплового расширения компонентов инструмента. Дополнительные воплощения настоящего изобретения предусматривают конфигурацию, которая дает возможность для того, чтобы проводящее соединение между электродами имело место после того, как корпус 11 помещается поверх антенн 15, 16, 17.
В воплощениях на фигурах 2 и 3 изолирующий корпус 11 содержит множество азимутально отделенных друг от друга некоторым расстоянием электродов 12 типа "микроэлектродов", встроенных в поверхность материала корпуса 11. Как описывалось ранее, наборы микроэлектродов 12 располагаются в продольном или осевом направлении, чтобы охватывать передатчик 15. В иллюстрируемом предпочтительном воплощении имеются два набора или группы 12а, 12b микроэлектродов 12, расположенных над передатчиком 15, и два набора или группы 12с, 12d микроэлектродов 12, расположенных под передатчиком 15. Каждый набор или группа 12a-12d содержит по восемь азимутально отделенных друг от друга некоторым расстоянием электродов 12 типа микроэлектродов. Необходимо заметить, что в дальнейших воплощениях настоящего изобретения количество электродов может изменяться.
Вид в поперечном разрезе на фиг.4 изображает часть полностью собранного инструмента 10 для каротажа скважин, в соответствии с настоящим изобретением. Инструмент для каротажа содержит расположенный по центру и проходящий в продольном направлении внутренний шток 51 (имеющий продольную ось, в целом, параллельную оси скважины). В настоящем изобретении внутренний шток 51 представляет собой "проводящий шток", который может принимать форму металлического стержня и другие соответствующие формы. Как также изображено на фиг.4, антенна собирается и размещается вокруг внутреннего штока 51. Типичный антенный зонд содержит сборки прокладок, расположенные между антеннами. Сборка состоит из прокладок 54, бобин 50, расположенных в продольном направлении в прокладках 54, и контактные прокладки 53, расположенные в продольном направлении внутри бобин 50. Каждый из этих элементов аккуратно собирается вокруг штока 51 и радиально внутрь от корпуса 11 и внутри него. Как изображено на фиг.4, пара контактных прокладок 53 образует радиально проходящий между ними канал 55. Расположенным внутри канала 55 является проводящий узел или проводящий элемент 52, проходящий по глубине канала 55. Как станет ясно из описания, приведенного ниже, проводящий элемент 52 создает контакт (то есть электрический контакт) как со штоком 51, так и с электродом 12, тем самым обеспечивая путь для тока между ними в радиальном направлении. Когда окружающая среда вокруг скважины, то есть буровой раствор, также является проводящей, это приводит к созданию проводящего пути между окружающей средой вокруг скважины и штоком 51.
Изолирующий корпус 11 удобно располагать вокруг антенн 15, 16, 17 и штока 51 таким образом, чтобы электрод 12 располагался в продольном или осевом направлении для контакта с проводящим элементом 52. Главной функцией изолирующего корпуса 11 является укрытие и защита антенного зонда. Как минимум, изолирующий корпус 11 содержит непроводящую часть 11а и отверстие или канал 8, который помогает удерживать электрод 12. Как показано на фиг.3, микроэлектроды 12 встроены в корпус 11 таким образом, что внутренняя поверхность «смотрит» радиально внутрь от корпуса 11.
Для целей настоящего изобретения необходимо отметить, что проводящий элемент 52 может принимать одну из нескольких соответствующих форм. Например, в одном из применений проводящий элемент представляет собой интегральную часть контактной прокладки 53. В этом воплощении границы раздела между электродом 12 и проводящим элементом 52, и между проводящим элементом 52 и штоком 51, не соединяются жесткими проводниками. Это является предпочтительным, поскольку, как обсуждалось выше, корпус 11, антенный зонд и проводящий шток 51 могут проявлять значительно различающиеся степени теплового расширения, когда инструмент 10 подвергается воздействию повышенных температур.
Фиг.2а иллюстрирует контуры СР путей скважинного тока, генерируемого (и отводимого) во время работы инструмента 10 для каротажа скважин со смещенным от центра в поперечном направлении диполем, и в скважине 13, имеющей буровой раствор 29, который является проводящим, с окружающей формацией 7. Фиг.2а иллюстрирует, более конкретно, контуры СР тока, генерируемого в результате работы системы по настоящему изобретению, для учета скважинных токов. В противоположность протекающим в осевом направлении скважинным токам, изображенным на фиг.1а, скважинные токи закорачиваются вдоль замкнутых контуров СР тока вокруг передатчика 15 и вдали от приемников 16, 17. Таким образом, влияния скважинных токов на приемники становятся приемлемыми.
Как обсуждалось ранее, наборы 12a-12d микроэлектродов 12 охватывают или окружают с двух сторон передатчик 15. Наборы 12a-12d электродов 12 находятся в проводящем соединении друг с другом, через проводящий буровой раствор, проводящий элемент 52 и шток 51. Путь СР1, СР2 тока закорачивается в локальной области вокруг передающей антенны 15 (когда микроэлектроды 12 наборов 12b, 12с экспонируются для бурового раствора в скважине), тем самым значительно ослабляя протекание тока вверх и вниз, которое имелось бы в противоположном случае.
Необходимо отметить, что пути СР тока могут быть разбиты на две категории. На первом пути СР1 тока скважина направляется по следующему контуру: проводящий буровой раствор 29, микроэлектрод 12, проводящий элемент 52, шток 51, проводящий элемент 52, микроэлектрод 12, проводящий буровой раствор 29. На этом пути СР1 тока направленный ток течет через шток 51 и рядом с передатчиком 15. На втором пути СР2 тока скважинный ток направляется по следующему контуру: проводящий буровой раствор 29, микроэлектрод 12, проводящий элемент 52, шток 51, проводящий элемент 52, микроэлектрод 12, проводящий буровой раствор 29, микроэлектрод 12, проводящий элемент 52, шток 51, проводящий элемент 52, микроэлектрод 12, проводящий буровой раствор 29. Оба пути CP1, CP2 тока описывают замкнутый контур тока. Оба контура СР1, CP2 тока содержат, по меньшей мере, два радиально направленных проводящих пути (то есть части контура) между проводящим буровым раствором 29, электродом и штоком 51. Таким образом, с помощью проводящих электродов 12 и проводящих контактов 52 пути тока ограничиваются в пределах локального участка вокруг передающей антенны 15. Таким образом, влияние скважинного тока на приемники 16, 17 сильно уменьшается или исключается.
Необходимо отметить, что система и способ по настоящему изобретению также работают, сводя к минимуму воздействие боковых отложений на сигнал отклика. Тот же способ, описанный выше, прилагается таким же образом для локализации нежелательных токов, возбуждаемых передатчиком.
Как показано на фиг.5, в альтернативном воплощении настоящего изобретения изолирующий корпус 511 содержит или удерживает цилиндрический микроэлектрод 512 с Т-образным поперечным сечением. Материал 511а для изолирующего корпуса 511 содержит канал или отверстие 508, просверленное в нем, в котором размещаются микроэлектроды 512. Микроэлектрод 512 имеет верхнюю или наружную секцию 512а, которая больше, чем проходящая радиально внутрь от нее базовая секция 512b. Как изображено на фиг.5, резиновые корпусы 507 обертываются вокруг базовой секции 512b электрода 512, а затем граница раздела между электродами 512 и резиновым корпусом 507 герметизируется с помощью клея. Альтернативно уплотнение может формироваться с помощью формования материала резины непосредственно по сторонам цилиндрического микроэлектрода 512. Предпочтительно эпоксидный материал 509 размещается между электродом 512 и резиновым корпусом 507, и изолирующим материалом 511а корпуса.
Путем создания резинового корпуса 507 между металлическим электродом 512 и композитным корпусом 511 (и эпоксидным материалом 508), ("динамической") узлу в целом придается гибкость. Соответственно, при этом согласуются между собой различные степени теплового расширения элементов. Среди прочих вещей это также предохраняет от образования микротрещин, которые могут формироваться после нескольких циклов теплового расширения и служить как потенциальные пути утечек.
Вид в поперечном разрезе на фиг.6 изображает еще одно воплощение изобретенного изолирующего корпуса в соответствии с настоящим изобретением. Изолирующий корпус 611 содержит непроводящий, изолирующий материал 611а, в котором просверлено множество отверстий или каналов 608, и встроено множество металлических электродов 612 типа микроэлектродов. В этом конкретном воплощении металлический микроэлектрод 612 имеет три различных главных компонента: наружный металлический электрод 612а, внутренний металлический электрод 612b, который по существу сходен с наружным металлическим электродом 612а, и металлический проводящий элемент 612с, расположенный между ними. Металлический проводящий элемент 612с обеспечивает электрический контакт между наружным и внутренним металлическими электродами 612а, 612b. Как изображено на фиг.6, проводящий элемент 612с имеет значительно меньший диаметр, чем наружный и внутренний металлические электроды 612а, 612с. Когда в изолирующем материале 611а сверлятся отверстия 608 (чтобы приспособить электрод 612), дополнительное пространство и полость заполняются эпоксидным материалом 609. Эпоксидный материал 609 также заполняет зазор или пространство между наружным и внутренним металлическими электродами 612а, 612b.
Проводящий элемент 612с предпочтительно представляет собой проволоку или другой очень тонкий металлический стержень. Поскольку проводящий элемент 612с имеет малый диаметр по отношению к отверстию или пространству в изолирующем материале 611а, воздействие теплового расширения проводящего элемента 612с в радиальном направлении является незначительным. Соответственно, возможность для протечки значительно понижается.
Термины "изолирующий корпус" и "композитный корпус" здесь используются для упоминания изолирующего корпуса, самого по себе, и компонентов, поддерживаемых на нем, таких как электрод 12. Термин "узел корпуса" может также использоваться для упоминания сочетания корпуса и электродов.
Фиг.7 изображает вариацию воплощения изолирующего корпуса, который поддерживает многокомпонентный электрод, в соответствии с настоящим изобретением. В некоторых применениях является желательным увеличение экспонируемой площади поверхности электрода для получения определенного сигнала отклика формации. Воплощение на фиг.7 предусматривает электрод 712, имеющий такую увеличенную экспонируемую поверхность. Как изображено на частичном боковом виде фиг.7, изолирующий корпус 711 содержит непроводящий материал 711а, имеющий канал или отверстие 708, просверленное в нем, в которое встроены один или несколько металлических микроэлектродов 712.
Многокомпонентный электрод 712 содержит наружный металлический электрод 712а, внутренний металлический электрод 712b и проводящий элемент 712с, расположенный между ними. Внутренний металлический электрод 712b имеет форму диска, у которого внутренняя поверхность соединена с проводящим элементом 712с. Проводящий элемент 712с имеет значительно уменьшенный диаметр, что придает ему более стержневидную форму.
Кроме того, изолирующий корпус 711 содержит наружный металлический электрод 712а, который является гораздо большим по отношению к его размерам на виде сбоку, чем внутренний металлический электрод 712с. На фиг.7 наружный металлический электрод 712а имеет прямоугольную или квадратную форму. Канал или отверстие 708 содержит круговое отверстие 725 на поверхности и углубление 723 большего размера, предусмотренное непосредственно под отверстием 725. Прямоугольный микроэлектрод 712а удобно и надежно закрепляется в углублении 723. Как показано на фиг.7 а, прямоугольный микроэлектрод 712а (см. изображение в прерывистых линиях) имеет площадь верхней металлической поверхности, которая является большей, чем площадь внутри отверстия 725 (то есть площадь углубления). Таким образом, только центральная часть микроэлектрода 712а экспонируется для окружающей среды вокруг скважины. Более того, микроэлектрод 712 преимущественно встраивается ниже поверхности изолирующего корпуса 711 или внутри нее, и таким образом, уменьшается вероятность повреждения при контакте с элементами в окружающей среде вокруг скважины.
Как изображено на фиг.7b, микроэлектрод 712а имеет прямоугольную периферию и множество простирающихся в продольном направлении щелей 724, предусмотренных в ней. Щели 724 разделяют экспонируемую металлическую поверхность электрода 712а на множество соединенных между собой пальчиковых электродов 726, которые располагаются в целом параллельно друг другу. В этом воплощении экспонируемая металлическая поверхность электрода 712а преимущественно увеличивается (например, по сравнению с ранее описанными воплощениями), тем самым делая более легким направление скважинного тока на электроды. Как правило, увеличение размера экспонируемой металлической поверхности создает "круговые" участки, которые приводят к образованию контуров вихревых токов, которые могут обратно связываться с приемником. В настоящем изобретении щели 724 уменьшают эту потенциальную проблему путем рассечения большой единой металлической поверхности, в виде поверхности, имеющей множество соединенных между собой секций, которые являются в целом узкими и не содержат большой "круговой" области, в которой может генерироваться большой контур вихревого тока.
Необходимо отметить, что в дополнительных воплощениях другие конфигурации и геометрии микроэлектродов могут использоваться для достижения тех же общих целей или других конкретных целей. Например, щели 724 на фигурах 7а и 7b изображены как ориентированные в целом параллельно друг другу, вдоль продольного направления и параллельно продольной оси инструмента. В других воплощениях щели могут быть ориентированы параллельно вдоль латерального направления или по окружности (перпендикулярно продольной оси инструмента).
Также, отверстие 725 может иметь другую геометрию, (например, квадратную). В каждом из этих применений отверстие 725 и углубление 723 обеспечивают преимущественное надежное крепление для металлической пластины микроэлектрода 712а. Микроэлектрод 712а хорошо защищен материалом 711а корпуса, тем самым узлу в целом придается большая жесткость и стабильность. Соответственно, для микроэлектрода 712а и для других компонентов электрода 712 существует меньшая вероятность повреждения (например, извлечения) препятствиями в окружающей среде. Предпочтительно зазоры между компонентами 712а, 712b, 712с электрода и композитным изолирующим материалом 711а будут заполняться эпоксидом 709 или с его помощью.
Приведенное выше описание настоящего изобретения представлено для целей иллюстрации. Необходимо отметить, что описание не предназначается для ограничения настоящего изобретения различными устройствами, системами и способами, описанными здесь. Различные аспекты настоящего изобретения, как описано выше, могут применяться к другим типам инструментов для каротажа скважин или измерений, например, или различных систем инструментов индукционного типа или инструментов удельного сопротивления. Такие вариации настоящего изобретения будут ясны снабженному настоящим описанием специалисту в области нефти, геологии, нефтефизики или другой относящейся к делу области. Как следствие, вариации и модификации, согласующиеся с изложенной выше концепцией и с опытом и знаниями родственных областей, находятся в рамках настоящего изобретения. Воплощения, описанные и иллюстрируемые, здесь, кроме того, предназначены для объяснения наилучших способов осуществления настоящего изобретения, и для того, чтобы дать возможность другим специалистам в данной области для использования настоящего изобретения и других воплощений, и с различными модификациями, требуемыми для конкретных применений.
Устройство инструмента для каротажа скважины, проходящей через подземную формацию, предназначено для осуществления измерений в окружающей среде вокруг скважины. Техническим результатом изобретения является увеличение точности измерения сигнала в скважине. Устройство содержит удлиненный проводящий шток, имеющий продольную ось, антенные зонды, расположенные вокруг штока и включающие передатчик для передачи электромагнитной энергии в формацию, и корпус, расположенный вокруг антенных зондов. Втулка имеет наружную поверхность, расположенную для экспонирования для окружающей среды вокруг скважины и внутреннюю поверхность, расположенную радиально внутрь от наружной поверхности. Кроме того, устройство содержит первый набор электродов и второй набор электродов. Каждый электрод имеет наружный конец и внутренний конец, расположенный радиально внутрь от наружного конца. Кроме того, первый и второй наборы электродов отделены друг от друга некоторым расстоянием в продольном направлении. Контуры тока включают первый проводящий путь, между проводящей окружающей средой вокруг скважины, одним из первого набора электродов и штоком, и второй проводящий путь, между проводящей окружающей средой вокруг скважины, электродом из второго набора электродов и штоком. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 11 ил.
каждый из электродов первого и второго наборов имеет наружный конец и внутренний конец, расположенный радиально внутрь от наружного конца и поддерживается на корпусе, так что указанный наружный конец каждого электрода экспонируется на наружной поверхности корпуса для обеспечения проводящего контакта с находящейся рядом проводящей окружающей средой вокруг скважины, и так что контуры тока включают контуры тока между проводящей окружающей средой вокруг скважины, первым набором электродов, штоком, вторым набором электродов и проводящей окружающей средой вокруг скважины.
| US 4685092, 04.08.1987 | |||
| Ружейный глушитель | 1928 |
|
SU16128A1 |
| US 3932747, 13.01.1976 | |||
| СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЯЗИ С ДАТЧИКОМ ДАННЫХ, РАЗМЕЩЕННЫМ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТЕ ГРУНТА, СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭТОГО ПЛАСТА, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ ДАННЫХ В ОБСАЖЕННОМ СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА ДАННЫХ ИЗ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТА ГРУНТА | 1999 |
|
RU2169837C2 |
