ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ КОМПЕНСИРУЮЩИЕ КАТУШКИ В КАЧЕСТВЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ БАЛАНСИРОВКИ ИНДУКЦИОННЫХ ГРУПП Российский патент 2009 года по МПК G01V3/28 

Перекрестные ссылки на родственные заявки

По настоящей заявке испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США, регистрационный номер 60/657174, поданной 28 февраля 2005 г. Предварительная заявка полностью включена в настоящую заявку путем ссылки. Эта заявка является связанной с заявкой на патент США под названием “Selectable tap induction coil”, поданной одновременно с этим документом и принадлежащей правопреемнику настоящей заявки.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

В общем, настоящее изобретение относится к электромагнитному каротажу скважины. В частности, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способам и устройствам для повышения чувствительности электромагнитного каротажа скважины.

Уровень техники

В процессе разведки и добычи нефти и газа используют большое количество способов каротажа скважины для записи данных о геологических пластах. Эти данные содержат информацию, которая может быть использована для определения местоположения подземных коллекторов углеводородов и для определения видов и количеств подземных углеводородов. При выполнении таких процессов каротажа устройство может быть опущено в ствол скважины, пересекающий подземный пласт, после выбуривания скважины или во время процесса бурения. Типичное каротажное устройство включает в себя «зонд», который излучает, например, акустические или электромагнитные волны, чтобы они взаимодействовали с окружающим пластом. Затем сигналы, образуемые в результате таких взаимодействий, обнаруживают и измеряют посредством одного или нескольких датчиков на устройстве. Путем обработки обнаруженных сигналов можно получить профиль или каротажную сейсмограмму свойств пласта.

Способы каротажа, известные из предшествующего уровня техники, включают в себя каротаж с зондом «на кабеле», каротаж в процессе бурения (КПБ), измерения в процессе бурения (ИПБ) и каротаж во время подъема бурильной колонны (КВПБК). Каротаж с зондом на кабеле включает в себя спуск устройства в уже пробуренный ствол скважины на конце электрического кабеля для получения результатов измерений по мере перемещения устройства вдоль ствола скважины. Каротаж в процессе бурения и измерения в процессе бурения включают в себя размещение устройства на буровом снаряде для использования в процессе бурения ствола скважины сквозь подземные пласты. Каротаж во время подъемной бурильной колонны включает в себя размещение источников или датчиков в пределах бурильной колонны для получения результатов измерений во время извлечения бурильной колонны из ствола скважины.

На фиг.1 показана общая схема типичной буровой установки с бурильной колонной, несущей скважинное каротажное устройство в стволе скважины. Установка для роторного бурения, показанная на фиг.1, содержит мачтовую вышку 1, возвышающуюся над землей 2 и оснащенную подъемным механизмом 3. Подъемный механизм 3 имеет кронблок 7, прикрепленный к верхней части мачтовой вышки 1, вертикально перемещающийся талевый блок 8 с прикрепленным крюком 9, канат 10, проходящий вокруг блоков 7 и 8 с образованием на одной стороне неподвижного конца 10а талевого каната, прикрепленного к неподвижной точке 11, а на другой стороне работающего талевого каната 10b, который наматывается на барабан лебедки 12. Бурильная колонна 4, образованная из нескольких сегментов полых бурильных труб, соединенных одна за другой, подвешена на крюке 9 с помощью вертлюга 13, который соединен шлангом 14 с буровым насосом 15. Буровой насос 15 нагнетает буровой раствор в скважину 6 по полым трубам бурильной колонны 4 и выкачивает его из долота 5 для транспортирования частиц выбуренной породы из скважины 6. Буровой раствор может быть извлечен из емкости 16 для бурового раствора, и он также может подаваться вместе с остатком бурового раствора из скважины 6. Бурильная колонна 4 может быть поднята путем изменения направления движения подъемного механизма 3 с помощью лебедки 12. При подъеме или спуске бурильных труб бурильную колонну 4 необходимо временно отцеплять от подъемного механизма 3, и в процессе этого масса бурильной колонны 4 поддерживается клиньями 17. Клинья 17 фиксированы в конической выемке 18 в столе 19 бурового ротора, который установлен на платформе 20. Нижняя часть бурильной колонны 4 может включать в себя одно или несколько устройств 30 для исследования условий бурения скважины или исследования свойств геологических пластов. В случае акустического каротажа устройство 30 может включать в себя по меньшей мере один излучатель и множество приемников.

Изменения высоты h талевого блока 8 в течение цикла работ по подъему бурильной колонны измеряют с помощью датчика 23, который может быть датчиком угла поворота, связанным с быстрым роликом кронблока 7. Кроме того, масса, приложенная к крюку 9, может быть измерена посредством датчика 24 деформации, включенного в неподвижный конец 10а талевого каната для измерения его натяжения. Датчики 23 и 24 соединены линиями 25 и 26 с блоком 27 обработки, имеющим встроенный синхронизатор. Регистратор 28 соединен с блоком 27 обработки, которым, предпочтительно, является компьютер. В дополнение к этому скважинное устройство 30 может включать в себя блок 30а обработки. Скважинный блок 30а обработки и/или наземный блок 27 обработки, который может включать в себя запоминающее устройство, может быть использован для осуществления анализа данных и определения свойств пластов.

Из числа скважинных устройств широко используют устройства электромагнитного каротажа. Устройства электромагнитного каротажа реализуют с антеннами, которые способны работать как излучатели и/или приемники. Обычно антенны являются соленоидными катушками. Обратимся к фиг.2, где показана катушка 211, содержащая изолированный электрический провод, имеющая один или несколько витков, намотанных вокруг держателя 214. Во время работы катушка 211 может функционировать как передающая антенна, когда ее возбуждают переменным током или осциллирующим электрическим сигналом 212. Передающая антенна излучает электромагнитные волны через ствол скважины и в окружающий подземный пласт. Катушка 211 может также функционировать как приемная антенна, которая получает электромагнитные сигналы, несущие информацию о взаимодействии электромагнитных волн и бурового раствора/пласта.

Катушка 211, несущая переменный ток 212, будет создавать магнитный диполь, имеющий магнитный момент. Величина магнитного момента пропорциональна электрическому току в проводе, числу витков провода и площади, охватываемой катушкой. Направление и величина магнитного момента могут быть представлены вектором 213 в направлении, параллельном продольной оси катушки. В известных из уровня техники устройствах индукционного каротажа передающую и приемную антенну устанавливают так, чтобы их оси были совмещены с продольной осью прибора. Следовательно, эти устройства реализуют с антеннами, имеющими продольные магнитные диполи (ПМД). Когда антенна с продольным магнитным диполем помещена в ствол скважины и возбуждается с целью излучения электромагнитной энергии, наведенные электрические токи протекают вокруг антенны в стволе скважины и в окружающих подземных пластах, и результирующий ток не протекает к верху или к низу ствола скважины.

Современные устройства электромагнитного каротажа скважины имеют наклонные или поперечные катушки, то есть ось катушки не является параллельной продольной оси держателя. Следовательно, антенна имеет поперечный или наклонный магнитный диполь (НМД). Конфигурация наклонного магнитного диполя позволяет наделить устройство функциональной возможностью выполнения трехмерной оценки, например, информации относительно анизотропии удельного сопротивления или местоположений и ориентаций наклонений и сбросов пластов. В дополнение к этому направленная чувствительность относительно данных может быть использована при направленном бурении. Каротажные устройства, снабженные наклонными дипольными магнитными антеннами, описаны в патентах США №6147496, 4319191, 5757191 и 5508616. При определенных условиях наклонная магнитная дипольная антенна может вызывать протекание результирующего тока к верху и к низу ствола скважины. Некоторые наклонные магнитные дипольные антенны выполняют с несколькими катушками. Например, наклонная магнитная дипольная антенна специальной конструкции включает в себя три катушки, и такая антенна известна как трехосевая антенна.

При использовании каротажного кабеля антенны обычно заключают в корпус, выполненный из труднообрабатываемых непроводящих материалов, таких как ламинированный стекловолокнистый материал. Для каротажа в процессе бурения, антенны обычно заключают в металлический держатель, чтобы она могла противостоять неблагоприятной среде и условиям, встречающимся в процессе бурения. В качестве альтернативы каротажные инструменты могут быть выполнены из композитных материалов, и тем самым создается непроводящая конструкция для установки антенн. В патентах США №6084052, 6300762, 5988300, 5944124 и в патенте Великобритании №2337546 раскрыты примеры устройств и трубок на основе композитных материалов, предназначенных для применения в нефтепромысловой отрасли.

Индукционный каротаж представляет собой хорошо известную форму электромагнитного каротажа. При каротаже этого типа приборы индукционного каротажа используют для получения профиля удельной проводимости или удельного сопротивления подземных пластов, окружающих ствол скважины. В патентах США №3340464, 3147429, 3179879, 3056917 и 4472684 раскрыты типичные устройства каротажа скважины, основанные на индукционном каротаже.

Обычное устройство индукционного каротажа или «зонд» может включать в себя передающую антенну и приемную антенну. Отметим, что определения «передающая» и «приемная» указаны для ясности примера. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что в зависимости от применения излучатель может быть использован в качестве приемника, а приемник также может быть использован в качестве излучателя. Каждая антенна может включать в себя одну или несколько катушек, и антенны могут быть установлены на одном и том же опорном элементе или на различных опорных элементах, то есть передающая антенна и приемная антенна могут быть в различных секциях устройства. Антенны разнесены по оси друг от друга в продольном направлении устройства.

При использовании передающую антенну возбуждают переменным током. Этим создают электромагнитное поле, которое наводит вихревые токи в подземных пластах, окружающих ствол скважины. Сила вихревых токов пропорциональна удельной проводимости пласта. В свою очередь, электромагнитное поле, создаваемое вихревыми токами, индуцирует электродвижущую силу в одной или нескольких приемных катушках. Путем обнаружения с фазовой синхронизацией, усиления и дискретизации этого сигнала электродвижущей силы определяют амплитуду и фазу напряжения на приемной катушке. Путем записи и обработки напряжений приемника может быть получен профиль удельной проводимости подземного пласта. В патенте США №5157605 раскрыто устройство каротажа скважины с индукционной группой, используемое для сбора данных о напряжениях.

В принципе профиль удельной проводимости может быть получен путем простого измерения напряжений на приемнике. На практике напряжения приемника находятся под влиянием не только «истинных» сигналов, проходящих через пласт, но также находятся под влиянием непосредственной связи между излучателем и приемником. Хорошо известно, что на чувствительность результатов измерений, получаемых при индукционном каротаже, неблагоприятно влияют непосредственные связи передатчик-приемник (взаимные связи).

Математически амплитуда и фаза принимаемого напряжения сигнала могут быть выражены в виде комплексного числа (то есть в виде комплексного напряжения). Поэтому кажущаяся удельная проводимость σ_а (измеряемая с помощью приемной индукционной группы) выражается в виде действительной и мнимой частей, σ_a=σ_R+iσ_X. Действительная часть σ_R характеризует истинный сигнал от подземного пласта, тогда как мнимая часть σ_X включает в себя непосредственную связь, которая по величине может быть на несколько порядков больше, чем значение σ_R, когда группа разбалансирована. Это можно видеть из хорошо известной формулы, описывающей удельную проводимость, измеряемую группой из двух катушек (из одного излучателя и одного приемника), когда излучатель является простым, как, например, точечный диполь,

,

где ω - частота;

µ - магнитная проницаемость (однородной) среды;

k²=iωµσ;

σ - удельная проводимость среды; и

L - расстояние между излучателем и приемником.

Задав эффективную глубину проникновения в виде (так что k=(1+i)/δ) и разлагая σ_a, используя степени L/δ, получим:

.

Первый член в правой части уравнения (2) характеризует представляющую интерес удельную проводимость σ пласта. Второй член, -2i/(ωµL²), вносит вклад только в σ_X. Он не зависит от σ и соответствует непосредственной взаимной связи излучателя и приемника, которая существует в воздухе. Разбалансированная индукционная группа может иметь очень большое значение σ_X, особенно в случае, когда L мало. Поэтому, для получения высокой чувствительности устройства индукционного каротажа, индукционная группа должна быть сбалансирована с уменьшением значения σ_X.

Как показано на фиг.3, устройство 300 индукционного каротажа обычно включает в себя «компенсирующую» катушку 311 для исключения или уменьшения непосредственной связи между излучателем 312 и основным приемником 313. Результат от наличия двух приемных катушек, основной катушки 313 и компенсирующей катушки 311, заключается в сбалансированной конфигурации с подавлением связи излучателя и основной катушки путем использования связи излучателя и компенсирующей катушки. Компенсирующая катушка 311 может быть помещена между излучателем 312 и основной катушкой 313. Практические индукционные группы всегда взаимно сбалансированы путем использования компенсирующей катушки. Это является необходимым вследствие того, что обычно непосредственная связь между излучателем и приемником по величине на несколько порядков больше, чем истинные сигналы, при этом последние сильно ослабляются, когда проходят через подземный пласт. На фиг.3 продольная ось устройства 300 представлена штрихпунктирной линией.

Минимальной конфигурацией для взаимно сбалансированной группы является группа из трех катушек, показанная на фиг.3, включающая в себя излучатель 312 (Т), основной приемник 313 (R₁) и компенсирующую катушку 311 (R₂). Чтобы сбалансировать группу, местоположения основной приемной и компенсирующей катушек (z_{основной} и z_{компенсирующей}) и число витков этих катушек (N_{основной} и

N_{компенсирующей}) выбирают так, чтобы сумма их откликов в воздухе была близка к нулю. То есть, чтобы напряжения на двух приемных катушках в воздухе удовлетворяли соотношению V_R1+V_R2=0. Поэтому отклики при каротажных измерениях будут суммой откликов вследствие связи T-R₁ и откликов вследствие связи T-R₂.

Теоретически, требуемые положения приемных катушек могут быть вычислены с высокой точностью даже в случае, когда излучатель представляет собой соленоид конечных размеров. На практике, все геометрические параметры, такие как положения (z_{компенсирующей} и z_{основной}) и радиусы (r_{излучающей}, r_{компенсирующей} и

r_{основной}) катушек, имеют конечные пределы измерений. Непосредственные взаимные связи T-R₁ и T-R₂ являются очень чувствительными даже к незначительным изменениям некоторых геометрических параметров и, следовательно, большие изменения измеряемых сигналов могут быть результатом небольших погрешностей или изменений, например, радиусов катушек. Поэтому при изготовлении устройства электромагнитного каротажа может потребоваться дополнительно уточнить конфигурацию катушек относительно расчетной конфигурации. Для минимизирования непосредственных взаимных связей, в практической конфигурации положения компенсирующей катушки и основной приемной катушки (z_{компенсирующей} и z_{основной}) относительно местоположения (z=0) излучателя необходимо тщательно корректировать с высокой степенью точности. Такая балансировка или корректировка может быть очень трудной и требующей больших затрат сил.

Один способ из предшествующего уровня техники для точной настройки антенны заключается в использовании подвижных катушек, так что местоположения катушек (например, основной приемной или компенсирующей катушки) могут быть изменены для минимизации непосредственной связи. Например, если непосредственная связь (отображаемая как остаток σ_X) для конкретной группы является значительной, она может быть минимизирована (или уменьшена до нуля) путем изменения местоположения антенны, например, основной катушки, z_{основной}. Однако на практике предпочтительно, чтобы устройство или антенна не имела подвижных частей.

Альтернативный способ балансировки группы заключается в добавлении проводящей петли вблизи одной из катушек (например возле приемной катушки) для обеспечения возможности точной настройки. Другой подход заключается в корректировке числа витков компенсирующей катушки. Однако этот подход часто является непрактичным, поскольку удаление или добавление одного витка в катушке может привести к значительных изменениям σ_X. Это особенно ясно выражено, когда расстояние между компенсирующей катушкой и излучающей катушкой небольшое. Следовательно, все еще существует необходимость в новых способах балансировки индукционной группы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Один аспект изобретения относится к устройствам электромагнитного каротажа. Устройство электромагнитного каротажа согласно одному варианту осуществления изобретения включает в себя держатель; и по меньшей мере группу из четырех катушек, расположенную на держателе, при этом по меньшей мере одна группа из четырех катушек содержит: излучатель, компенсирующую катушку, приемник и подстроечную катушку.

Другой аспект изобретения относится к способам для балансировки индукционной группы. Способ для балансировки индукционной группы согласно одному варианту осуществления заключается в том, что прикладывают переменный ток к излучателю индукционной группы, которая содержит излучатель, компенсирующую катушку и приемник; измеряют взаимную связь между излучателем и приемником; и добавляют дополнительную компенсирующую катушку, если взаимная связь превышает выбранный критерий.

Другие аспекты и преимущества изобретения станут очевидными из последующего описания и прилагаемой формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах:

фиг.1 - вид обычной буровой установки и бурильной колонны со скважинным устройством каротажа в стволе скважины;

фиг.2 - схематический вид, иллюстрирующий структуру обычной магнитной катушки;

фиг.3 - вид антенны с тремя катушками из предшествующего уровня техники;

фиг.4 - вид антенной группы с четырьмя катушками согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.5А-5С - графики чувствительностей σ_X и σ_R к одному дополнительному витку компенсирующей катушки при различных размещениях группы для малой глубины (МГ) исследования, группы для средней глубины (СГ) исследования и группы для большой глубины (БГ) исследования, соответственно, согласно одному варианту осуществления изобретения;

фиг.6А-6С - графики исходных данных откликов при трех катушках и четырех катушках в группе для малой глубины (МГ) исследования, группе для средней глубины (СГ) исследования и группе для большой глубины (БГ) исследования согласно одному варианту осуществления изобретения;

фиг.6D-6F - графики данных откликов, подвергнутых деконволюции, при трех катушках и четырех катушках в группе для малой глубины (МГ) исследования, группе для средней глубины (СГ) исследования и группе для большой глубины (БГ) исследования согласно одному варианту осуществления изобретения;

фиг.7 - вид, иллюстрирующий местоположение дополнительной катушки для каждой из индукционных групп согласно одному варианту осуществления изобретения; и

фиг.8 - иллюстрация способа балансировки индукционной группы согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Варианты осуществления изобретения относятся к новому способу для балансировки индукционных групп, такому, что взаимные связи между излучателем и приемником могут быть эффективно исключены. Как отмечалось выше, взаимные связи (отражаемые в σ_X) между излучателем и приемником могут быть по величине на несколько порядков больше, чем сигналы, приходящие из пласта.

В вариантах осуществления изобретения используются дополнительные компенсирующие катушки (или подстроечные катушки) для обеспечения дополнительной балансировки, так что на приемниках в индукционных группах будут иметься сигналы со значительно меньшим σ_X. Такое устройство будет способно обеспечивать более точные и/или более чувствительные измерения в широком диапазоне условий. Дополнительные компенсирующие катушки должны быть рассчитаны на большую управляемость для обеспечения точной балансировки групп. Отметим, что для ясности описания в последующем для описания групп из четырех катушек согласно вариантам осуществления изобретения будут использоваться излучатели, компенсирующие катушки, приемники (или основные приемники) и дополнительные компенсирующие катушки (или подстроечные катушки). Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что эти различные термины предназначены для описания их различных функций, и эти антенны, катушки могут иметь одинаковые или подобные физические структуры. Кроме того, дополнительные компенсирующие катушки и подстроечные катушки считаются синонимами и при последующем описании будут использоваться на равных основаниях.

При интерпретации излучателя и приемника точечными диполями взаимные связи между ними изменяются с расстоянием между ними в соответствии с функцией 1/L³ (добавочный показатель степени 1/L вытекает от зависимости в виде 1/L коэффициента K устройства). Поэтому условие балансировки индукционной группы удовлетворяется, когда ,

где М_{основной} и M_{компенсирующей} - магнитные моменты основной и компенсирующей катушек. Если витки всех катушек имеют одну и ту же геометрию, то M_{основной} и M_{компенсирующей} равны M₀N_{основной} и M₀N_{компенсирующей} соответственно, где M₀ - магнитный момент одного витка. Поэтому условие баланса удовлетворяется, когда

.

Для удовлетворения этого условия два члена в левой части уравнения (3) должны быть противоположных знаков. Это условие может быть выполнено путем намотки проводов компенсирующей и основной приемных катушек в противоположных направлениях. Зависимость вида 1/L³ взаимных связей наводит на мысль о том, что более короткие группы будут значительно более чувствительными к изменениям расстояния (L). Другими словами, небольшие изменения расстояния будут иметь намного большее влияние на точность более коротких групп. Точно так же любые внешние факторы, такие как температура и давление, которые могут сказываться на точности группы, будут также иметь большее влияние на точность более коротких групп. В результате для более коротких групп обычно требуется специфицировать большие погрешности.

Для примера в таблице 1 ниже показано влияние небольших изменений различных параметров для трех устройств с несколькими приемниками, которые включают в себя группу для малой глубины (МГ) исследования, группу для средней глубины (СГ) исследования или группу для большой глубины (БГ) исследования. Результаты в таблице 1 свидетельствуют об изменениях σ_R и σ_X (в единицах мСм/м) для этих групп при изменениях местоположений и радиусов излучателя, компенсирующего приемника и основного приемника, а также при изменениях диаметров (или радиусов) катушек, диаметров (или радиусов) держателей и числа витков компенсирующей или основной приемной катушки.

Таблица 1
Чувствительность σ_R и σ_X (в мСм/м) к изменениям геометрических параметров и числа витков Параметр Изменение σ_R (МГ) σ_X (МГ) σ_R (СГ) σ_X (СГ) σ_R (БГ) σ_X (БГ) z_{основной} 0,001 дюйма -0,08 36,68 -0,005 5,48 0,0003 0,65 z_{компенсирующей} 0,001 дюйма 0,20 -59,76 0,018 -9,86 -0,0004 -0,91 r_{излучателя} 0,001 дюйма 0,07 -1,34 0,005 -0,17 -0,007 -0,05 r_{основной} 0,001 дюйма -41,91 -895,44 -11,71 -244,06 -3,35 -66,08 r_{компенсирующей} 0,001 дюйма 41,09 888,35 11,51 242,59 3,26 65,45 Радиусы всех катушек 0,001 дюйма 0,14 -2,68 0,009 -0,35 -0,015 -0,097 R_{держателя} 0,001 дюйма -0,006 -16,37 -0,006 -3,33 0,012 -0,08 N_{компенсирующей} 1 виток -7,6 2635 -1,62 1128 0,035 57,3 N_{основной} 1 виток 1,9 -669 0,29 -199 -0,013 -20,4

Как отмечалось выше, взаимные связи изменяются в зависимости от члена 1/L³ (L - расстояние между излучателем и приемником), который включает в себя коэффициент K устройства, который изменяется как 1/L. Поэтому предполагается, что группа для малой глубины (МГ) исследования является наиболее чувствительной к изменениям местоположений (z_{основной} и z_{компенсирующей}), тогда как группа для большой глубины (БГ) исследования является наименее чувствительной. Результаты в таблице 1 также свидетельствуют о том, что незначительные изменения радиусов основной приемной или компенсирующей катушки могут привести к очень большим изменениям σ_X. Эти существенные изменения, обусловленные изменениями радиусов, могут быть результатом рассогласования радиусов основной и компенсирующей катушек. Кроме того, они могут быть обусловлены эффектами, связанными с небольшой эксцентричностью катушек и т.д. Поэтому желательно иметь некоторый способ для коррекции этих эффектов при изготовлении устройства.

Из таблицы 1 также видно, что изменение на один виток из числа витков в компенсирующей или основной катушке оказывает значительное влияние на чувствительность к сигналам σ_X. Этот эффект является более существенным в случае группы для малой глубины (МГ) исследования, чем в случае группы для большой глубины (БГ) исследования. Эти результаты свидетельствуют, что должно быть трудно (если не невозможно) сбалансировать группу путем изменения числа витков компенсирующей катушки, особенно компенсирующей катушки из группы для малой глубины исследования.

В связи с вышеизложенным для обеспечения более управляемой балансировки индукционной группы, в вариантах осуществления изобретения используется дополнительная компенсирующая катушка. Предпочтительно, чтобы дополнительные компенсирующие катушки (или подстроечные катушки) были расположены дальше (по сравнению с основной приемной или компенсирующей катушкой) от излучателя, вследствие чего дополнительная компенсирующая катушка обеспечит большую управляемость, чем обычная компенсирующая катушка.

Чем дальше подстроечная катушка находится от излучателя, тем меньше ее чувствительность к различным факторам, которые влияют на взаимные связи, таким как число витков катушек, местоположения и радиусы. Поэтому в случае большего отнесения от излучателя подстроечная катушка может обеспечить лучшую управляемость. Идеальным решением является нахождение места, где подстроечная катушка будет в требуемой степени влиять на взаимные связи между излучателем и приемником с тем, чтобы σ_X основного приемника могло быть сведено достаточно близко к нулю.

В соответствии с вариантами осуществления изобретения после намотки индукционных катушек антенны (излучателя, приемной основной катушки и первой компенсирующей катушки) измеряют взаимные связи. Теоретически для целочисленных значений N_{основной} и N_{компенсирующей} можно найти L_{основной} и

L_{компенсирующей}, с любой точностью удовлетворяющие условию из уравнения (3). Однако на практике сумма двух членов в левой части уравнения (3) будет ненулевой вследствие конечного допуска. Предположим, что экспериментально определенная связь есть Δ_эксп:

Остаточные взаимные связи могут быть уменьшены почти до нуля путем добавления дополнительных подстроечных катушек таким образом, чтобы было (или было как можно более близким к -Δ_эксп). Следовательно, получим:

.

Приведенный выше анализ может быть распространен на несколько подстроечных катушек, которые для обеспечения точной настройки могут быть расположены с возрастающим разнесением.

При добавлении подстроечной катушки система становится группой из четырех катушек. В предпочтительных вариантах осуществления подстроечная катушка находится дальше от излучателя, чем находится основная катушка. Конфигурация группы из четырех катушек, включающей в себя излучатель 412, компенсирующую катушку 411, основную приемную катушку 413 и дополнительную компенсирующую катушку (подстроечную катушку) 414 показана на фиг.4.

В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения при изготовлении такой антенной группы сначала наматывают основную и компенсирующую катушки, затем в воздухе измеряют взаимную связь между излучателем и приемником (отражаемую в σ_X). На основании этого измерения могут быть определены местоположение и число витков дополнительной компенсирующей катушки, так что значение σ_X можно свести по мере возможности почти к нулю (или в пределы диапазона допуска). После определения числа витков наматывают дополнительную компенсирующую катушку, а устройство затем обертывают сверху для защиты катушек.

Чувствительность одного витка подстроечной катушки на различных расстояниях от основного приемника показана на фигурах 5А-5С применительно к группе для малой глубины (МГ) исследования, группе для средней глубины (СГ) исследования и группе для большой глубины (БГ) исследования. Показаны изменения σ_R и σ_X. Например, как показано на фиг.5А, в случае группы для малой глубины исследования один виток подстроечной катушки на расстоянии 6 дюймов от основного приемника вносит изменение в σ_X около 200 мСм/м. Если группа без этой дополнительной компенсирующей катушки имеет, например, значение σ_X=±1250 мСм/м в воздухе, то необходимо намотать ±6 витков (знак зависит от направления обмоток) для уменьшения его до 50 мСм/м. Таким путем результирующее значение σ_X может быть сведено до предела ±100 мСм/м, что составляет половину вклада одного витка. Аналогичные соображения также применимы к более длинным группам (к группе для средней глубины исследования и группе для большой глубины исследования). Например, в случае группы для средней глубины исследования один виток подстроечной катушки на расстоянии 11 дюймов от основного приемника может изменить σ_X примерно на 60 мСм/м, а в случае группы для большой глубины исследования один виток подстроечной катушки на расстоянии 4 дюймов от основного приемника будет вносить вклад в σ_X около 12 мСм/м.

Приведенный выше теоретический расчет уточнялся на нескольких устройствах, которые были использованы для экспериментального измерения характеристик и параметров групп. Два таких зонда (обозначенных как А и В), каждый из которых содержал группу для малой глубины (МГ) исследования, использовались для исследования дополнительной компенсирующей катушки согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Оба зонда имели большие погрешности вследствие непосредственной связи, что определяло полезность использования дополнительной катушки. Погрешность зондов измеряли и определяли необходимость дополнительной компенсирующей катушки. В случае этих зондов дополнительную компенсирующую катушку добавляли на расстоянии нескольких дюймов от основной приемной катушки и наматывали соответствующее число витков. Измеренные погрешности зондов до и после добавления подстроечной катушки сведены в таблицу 2.

Таблица 2
Погрешности зондов до и после добавления дополнительной компенсирующей катушки Зонд Исходная погрешность зонда (мСм/м) Погрешность зонда с подстроечной катушкой (мСм/м) σ_R σ_X σ_R σ_X А -161 1308 -149 -184 В -106 2213 -116 274

Из таблицы 2 видно, что дополнительная компенсирующая катушка является очень эффективной при балансировке групп. Реальная величина σ_X, вносимая дополнительной компенсирующей катушкой, очень близка к результатам теоретического моделирования.

Приведенное выше описание свидетельствует, что можно уменьшить нежелательное значение σ_X основного приемника с помощью дополнительной компенсирующей катушки (подстроечной катушки). Однако, чтобы такой способ был полезным, дополнительная компенсирующая катушка не должна ухудшать (или по крайней мере только минимально влиять на) характеристики (такие, как разрешающая способность по вертикали) исходной группы. Понимание того, как дополнительная компенсирующая катушка может влиять на отклик основного приемника будет полезным при проектировании антенной группы.

Двумерный осевой борновский отклик (T.Habashy and B.Anderson, Reconciling differences in depth of investigation between 2-MHz phase shift and attenuation resistivity measurements, SPWLA 32^nd Annual Logging Symposium, Midland, Texas, 1991) для зонда с двумя катушками в точке, расположенной в ρ, z в цилиндрической системе координат, выражается как:

,

где r_T и r_R - расстояния от излучателя и приемника соответственно до пространственной точки, в которой определяется функция;

L - расстояние между двумя катушками;

k²=iωµσ;

ω - частота тока излучателя;

µ - магнитная проницаемость; и

σ - удельная проводимость пласта.

Удельная проводимость, измеряемая на глубине z, может быть выражена (в пределе низкого контраста) оператором свертки:

.

Если приведенную выше функцию проинтегрировать по радиусу ρ, результат, называемый функцией отклика по вертикали, будет определяться выражением:

,

где g(ρ,z,σ) определяется уравнением (4).

Функция отклика по вертикали обеспечивает указание, каким образом устройство будет работать при разрешении слоев с различными удельными проводимостями в пластах.

Для группы с большим количеством катушек при одном излучателе можно осуществить суммирование и взвешивание отдельных пар катушек, так что

где g_i - двумерная или проинтегрированная функция отклика (уравнение 4 или уравнение 6) для i-го приемника; и

g_M - функция большого числа катушек.

Для сравнения на фиг.6A-6F приведены функции отклика по вертикали для обычной группы из трех катушек и группы из четырех катушек согласно одному варианту осуществления изобретения. На фиг.6А, 6В и 6С показаны исходные данные откликов при трех катушках и откликов при четырех катушках применительно к группам для малой глубины (МГ3 и МГ4) исследования, средней глубины (СГ3 и СГ4) исследования и большой глубины (БГ3 и БГ4) исследования соответственно. В этом примере отношение числа витков подстроечной и основной катушек, N_{подстроечной}/N_{основной}, было задано 0,25 в группе для МГ исследования (это означает худший вариант), 0,05 в группе для СГ исследования и 0,02 в группы для БГ исследования. Из фиг.6А-6С ясно, что различия в откликах по вертикали для групп из трех катушек и из четырех катушек очень небольшое, и это показывает то, что дополнительная компенсирующая катушка не влияет отрицательно на разрешение группы по вертикали.

На фиг.6D-6F показаны подвергнутые деконволюции отклики для тех же самых групп (разрешающая способность 4 фута). И опять различия между откликами для трех катушек и четырех катушек очень небольшие, и это показывает, что конструкция из четырех катушек согласно вариантам осуществления изобретения будет обеспечивать приемлемые результаты измерений, и при этом обеспечивать лучшую управляемость при снижении σ_X по сравнению с конфигурацией с тремя катушками.

В дополнение к сохранению разрешающей способности устройства по вертикали дополнительная компенсирующая катушка не должна иметь или должна иметь небольшое влияние на точность показаний устройства и должна иметь подобную устойчивость к нерегулярностям ствола скважины. Было обнаружено, что это так. Было обнаружено, что уравновешивание взаимной связи путем использования дополнительной компенсирующей катушки согласно вариантам осуществления изобретения при достаточном диапазоне числа витков в дополнительной компенсирующей катушке обеспечивает приемлемые результаты относительно разрешающей способности по вертикали, точности каротажа, характеристики прилегающего пласта и нерегулярностей скважины.

Как отмечалось выше, предпочтительно, чтобы дополнительные компенсирующие катушки были расположены на большем расстоянии от излучателя, чем находится основной приемник. Типичные устройства индукционного каротажа имеют несколько групп. Поэтому на места для расположения дополнительных компенсирующих катушек не могут не накладываться ограничения. Расположение дополнительной компенсирующей катушки в каждой группе становится задачей нахождения мест вдоль оси устройства, на которых не будет интерференции с другими компонентами, такими, как катушки, герметические перегородки, электроды датчиков, и которые однако же могут удовлетворять требованиям, рассмотренным выше.

В конструкциях индукционных групп и датчиков удельного сопротивления существующих устройств (таких, как устройство для индукционного каротажа, поставляемый под торговым названием AIT® и двухзондовое устройство индукционного каротажа, продаваемый под торговым названием DIT® фирмой Schlumberger), имеется возможность использовать несколько мест для размещения дополнительных компенсирующих катушек. Примеры того, где дополнительная компенсирующая катушка может быть размещена в устройстве с тремя группами, приведены в таблице 3 и наглядно показаны на фиг.7. В таблице 3 диапазоны положений даны относительно соответствующих основных приемных катушек, а чувствительность определяется величиной σ_X, вносимой одним витком дополнительной компенсирующей катушки.

Таблица 3
Местоположения дополнительной катушки для каждой группы; местоположение отсчитывается от центра соответствующей основной катушки Группа Диапазон положений (дюймы) Положение катушки (дюймы) Чувствительность (мСм/м/виток) МГ (малая глубина) 3,6-5,1 4,8 250 СГ (средняя глубина) 7,9-9,4 8,5 75 БГ (большая глубина) 4,9-8,1 6,2 15

На фиг.7 показаны местоположения дополнительных компенсирующих катушек в группе для малой глубины исследования, группе для средней глубины исследования и группе для большой глубины исследования согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. В случае группы для малой глубины исследования компенсирующая катушка 111 расположена между излучателем 110 и основной приемной катушкой 112. Дополнительная компенсирующая катушка 113 расположена дальше от излучателя 110, чем основная приемная катушка 112. В случае группы для средней глубины исследования компенсирующая катушка 114 необязательно расположена вблизи основной приемной катушки 112 группы для малой глубины исследования и расположена между излучателем 110 и основной приемной катушкой 115 группы для средней глубины исследования. Дополнительная компенсирующая катушка 116 группы для средней глубины исследования находится дальше, чем основная приемная катушка 115 группы для средней глубины исследования. В случае группы для большой глубины исследования основная приемная катушка 118 расположена между компенсирующей катушкой 117 и дополнительной компенсирующей катушкой 119.

На фиг.8 показан способ балансировки индукционной группы согласно одному варианту осуществления изобретения. Как показано, излучатель в индукционной группе возбуждают (этап 121) переменным током и измеряют (этап 122) взаимную связь между излучателем и приемником. На основе измеренной взаимной связи можно определить (этап 123) оптимальное местоположение и число витков для дополнительной компенсирующей катушки (подстроечной катушки), которые могут быть использованы для минимизации взаимной связи, отражаемой в мнимой части сигнала комплексного напряжения, обнаруживаемого приемником. Затем дополнительную компенсирующую катушку добавляют (этап 124) в группу для дополнительной балансировки группы. Если необходимо, взаимная связь может быть определена повторно и может быть выполнена (этап 125) какая-нибудь регулировка дополнительной компенсирующей катушки. В соответствии с вариантами осуществления изобретения желательно, чтобы взаимная связь (отражаемая в σ_X) в группе была как можно меньше или ниже допуска (или критерия). Выбираемый критерий может быть основан на сравнении величин мнимых сигналов (σ_X) с действительными сигналами в сигналах комплексного напряжения, обнаруживаемых приемником, с учетом допустимого отклонения (Δσ_R) для группы, которое является различным для разных групп. Если показателем ослабления ложных фаз является W (в современной электронике он может быть вплоть до 100 или 200), то критерием должно считаться |σ_X/Δσ_R|<W.

Приведенным выше описанием иллюстрируются варианты осуществления изобретения с использованием дополнительной компенсирующей катушки для балансировки индукционной группы. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что варианты осуществления изобретения могут быть использованы с широким спектром устройств, включая спускаемые на кабеле скважинные устройства, устройства для каротажа в процессе бурения, измерений в процессе бурения и каротажа во время подъема бурильной колонны. Кроме того, такие устройства могут также включать в себя одну или несколько групп из трех катушек и/или один или несколько электродов, таких какие обычно используют в обычных устройствах для каротажа удельной проводимости и удельного сопротивления.

Преимущества настоящего изобретения включают в себя одно или несколько из следующего. Дополнительные компенсирующие катушки могут обеспечить лучшую управляемость балансировки групп. Устройства индукционного каротажа изобретения лучше сбалансированы, имеют намного меньшие сигналы σ_X, и они более толерантны к изменениям факторов внешней среды, которые могут вызывать рассогласования компенсирующих катушек. Устройства индукционного каротажа изобретения имеют аналогичные рабочие характеристики в том, что касается разрешающей способности по вертикали, точности измерений удельного сопротивления и реакций на различные особенности в стволе скважины (на влияние прилегающих слоев, влияние обрушения и т.д.).

Изобретение относится к электромагнитному каротажу скважин. Сущность: устройство содержит держатель и, по меньшей мере, одну группу из четырех катушек, расположенную на держателе. По меньшей мере одна группа из четырех катушек содержит: излучатель (412), компенсирующую катушку (411), приемник (413) и подстроечную катушку (414). При этом излучатель, компенсирующая катушка и приемник образуют заранее определенную группу, которая по существу сбалансирована, а подстроечная катушка является регулируемой для точной настройки группы. Технический результат: улучшение балансировки группы, большая толерантность к изменениям факторов внешней среды. 7 з.п. ф-лы, 2 табл., 8 ил.

1. Устройство электромагнитного каротажа, содержащее держатель и, по меньшей мере, одну группу из четырех катушек, расположенную на держателе, при этом, по меньшей мере, одна группа из четырех катушек содержит излучатель, компенсирующую катушку, приемник и подстроечную катушку, причем излучатель, компенсирующая катушка и приемник образуют заранее определенную группу, которая по существу сбалансирована, и подстроечная катушка является регулируемой для точной настройки группы.

2. Устройство электромагнитного каротажа по п.1, в котором излучатель, компенсирующая катушка, приемник и подстроечная катушка размещены на держателе так, что приемник находится между излучателем и подстроечной катушкой, а компенсирующая катушка находится между излучателем и приемником.

3. Устройство электромагнитного каротажа по п.1, в котором подстроечная катушка является регулируемой для точной настройки группы из четырех катушек так, что мнимая часть (σ_X) сигнала меньше, чем одна сотая допускаемого отклонения (Δσ_R) действительного сигнала.

4. Устройство электромагнитного каротажа по п.1, дополнительно содержащее, по меньшей мере, одну группу из трех катушек.

5. Устройство электромагнитного каротажа по п.1, дополнительно содержащее, по меньшей мере, один электрод.

6. Устройство электромагнитного каротажа по п.1, в котором держатель выполнен с возможностью перемещения в стволе скважины, проходящем сквозь подземный пласт.

7. Устройство электромагнитного каротажа по п.1, в котором устройство электромагнитного каротажа представляет собой спускаемое на кабеле устройство.

8. Устройство электромагнитного каротажа по п.1, в котором устройство электромагнитного каротажа представляет собой устройство для каротажа в процессе бурения, устройство для измерений в процессе бурения или устройство для каротажа во время подъема бурильной колонны.