УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЛАСТА, СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЛАСТА И СПОСОБ ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ УКАЗАННОГО УСТРОЙСТВА И СПОСОБА Российский патент 2010 года по МПК G01V1/00 

Перекрестные ссылки на родственные заявки

В данном изобретении испрашивается приоритет, согласно §119 ст.35 Кодекса США, Предварительной патентной заявки США № 60/587689, поданной 14 июля 2004 г. Раскрытие этой предварительной заявки включено в качестве ссылки во всей полноте.

Предпосылки изобретения

Область применения изобретения

Данное изобретение относится к области геологоразведки и, в частности, способам определения параметров пластов и размещения скважин. Изобретение в основном находит применение в области каротажа скважин, но изобретение особенно полезно при каротаже во время бурения (КВБ), измерениях во время бурения (ИВБ) и направленном бурении (управляемом бурении).

Уровень техники

Электромагнитные (ЭМ) каротажные устройства применяются в области геологоразведки многие годы. Каждый из этих каротажных устройств или инструментов имеет удлиненную опору, снабженную антеннами, функционирующими в качестве источников (передатчиков) или датчиков (приемников). Антенны на этих каротажных устройствах обычно выполнены в виде петель или катушек из токопроводящих проводов. В ходе работы на передающую антенну подают переменный ток для излучения ЭМ энергии через флюид ствола скважины («буровой раствор») и в окружающие пласты. Излученная энергия взаимодействует со стволом скважины и пластом для формирования сигналов, которые регистрируются и измеряются с помощью одной или нескольких приемных антенн. Зарегистрированные сигналы отражают взаимодействия с буровым раствором и пластом. На измерения также влияет проникновение фильтрата бурового раствора в пласт, которое изменяет свойства породы вблизи ствола скважины. Обрабатывая зарегистрированные данные сигнала, определяют каротажную диаграмму или профиль пласта и/или свойства ствола скважины.

Обработка измеренных геологических параметров производится посредством процесса, известного как инверсия. Обработка путем инверсии обычно включает в себя первоначальное оценивание или моделирование геометрии геологических пластов и свойств пластов, окружающих каротажное устройство. Параметры первоначальной модели можно получать любыми способами, известными из уровня техники. На основании первоначальной модели получают ожидаемый отклик каротажного устройства. Затем вычисленный отклик сравнивают с измеренным откликом каротажного устройства. Разности между вычисленным откликом и измеренным откликом используют для регулировки параметров первоначальной модели. Отрегулированную модель снова используют для вычисления ожидаемого отклика каротажного устройства. Ожидаемый отклик для отрегулированной модели сравнивают с измеренным откликом каротажного устройства и любую разность между ними снова используют для регулировки модели. Этот процесс обычно повторяют, пока разности между ожидаемым откликом и измеренным откликом не упадут ниже заранее выбранного порога. Патент США № 6594584 описывает современные способы обращения и включен сюда в качестве ссылки во всей полноте.

Размещение скважин в реальном времени с использованием измерений удельного сопротивления стали использовать в промышленности с появлением устройств каротажа во время бурения (КВБ) и устройств измерения во время бурения (ИВБ). Это применение обычно называют управляемым бурением. При управляемом бурении оценивание положения ствола скважины в реальном времени относительно известных геологических маркирующих горизонтов осуществляют путем сопоставления особенностей каротажной диаграммы удельного сопротивления. Вследствие обычно близкого размещения датчиков удельного сопротивления устройства КВБ вдоль утяжеленной бурильной трубы достигается лишь ограниченная радиальная чувствительность, что ограничивает объем информации и оценки геологической модели пласта. Только с помощью датчиков с расстоянием между передатчиком и приемником в десятки метров можно добиться более глубокой радиальной чувствительности.

Индукционное устройство сверхглубокого измерения удельного сопротивления (UDR) [Ultra Deep Resistivity] для КВБ фирмы Шлюмбергер с большим разнесением между передатчиком и приемником в десятки метров успешно прошел испытания. Одно применение устройства состояло в определении местоположения водонефтяного контакта (ВНК) в 7-11 м от траектории ствола скважины. В патенте США № 6188222 под названием "Method and Apparatus for Measuring Resistivity of an Earth Formation", выданном Сейду (Seydoux) и др., и в патентной заявке США № 10/707985 под названием "Systems for Deep Resistivity While Drilling for Proactive Geosteering" Сейду и др. более подробно описаны эти приборы и их использование. Патент '222 и заявка '985 присвоены правообладателю настоящего изобретения и включены в качестве ссылки во всей полноте.

Устройство сверхглубокого измерения удельного сопротивления для КВБ в базовой конфигурации содержит два независимых бурильных переходника (один передатчик и один приемник), размещенные в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) среди других буровых инструментов, для обеспечения большого разнесения между передатчиком и приемником. Основные измерения, полученные с помощью этого устройства, состоят из индукционных амплитуд на разных частотах, что позволяет обнаруживать границы различных слоев пласта с перепадами удельного сопротивления, имеющего широкий диапазон удельного сопротивления. Измерения используются для обращения оптимально параметризованной модели пласта, которое дает наилучшее совпадение между фактическими измерениями устройства и ожидаемыми измерениями устройства в такой модели пласта.

На фиг.1 показан пример устройства ИВБ в ходе использования. В конфигурации, показанной на фиг.1, бурильная колонна 10 обычно включает в себя ведущую бурильную трубу 8, отрезки бурильной трубы 11 и утяжеленные бурильные трубы 12, как показано, подвешенные в стволе 13 скважины, пробуренной в геологическом пласте 9. Буровая коронка 14 на нижнем конце бурильной колонны вращается приводным валом 15, соединенным с бурильным моторным агрегатом 16. Этот мотор приводится в действие буровым раствором, циркулирующим вниз через внутренний канал бурильной колонны 10 и обратно на поверхность через затрубное пространство 13а ствола скважины. Моторный агрегат 16 включает в себя силовую часть (ротор/статор или турбину), которая приводит в движение буровую коронку, и изогнутый корпус 17, который задает малый угол изгиба в своей точке изгиба, что заставляет ствол скважины 13 изгибаться в плоскости угла изгиба и постепенно устанавливать новый наклон ствола скважины. Изогнутый корпус может представлять собой устройство с фиксированным углом или может являться агрегатом, регулируемым на поверхности. Изогнутый корпус также может являться агрегатом, регулируемым в скважине, который раскрыт в патенте США № 5117927, включенном сюда посредством ссылки. Альтернативно, моторный агрегат 16 может включать в себя прямой корпус и может использоваться совместно с изогнутым переходником, общеизвестным в уровне техники и расположенным в бурильной колонне над моторным агрегатом 16 для обеспечения угла изгиба.

Над моторным агрегатом 16 в этой бурильной колонне находится традиционное устройство 18 ИВБ, которое имеет датчики, измеряющие различные параметры скважины. Параметры бурения, буровой коронки и геологического пласта - такие типы параметров измеряет система ИВБ. Параметры бурения включают в себя направление и наклон КНБК. Параметры буровой коронки включают в себя такие измерения, как вес на коронке, крутящий момент на коронке и скорость приводного вала. Параметры пласта включают в себя такие измерения, как естественное гамма-излучение, удельное сопротивление пластов и другие параметры, характеризующие пласт. Сигналы измерения, характеризующие эти параметры и характеристики скважины, воспринятые системой ИВБ, передаются на поверхность передатчиками в реальном времени или записываются в память для использования после подъема КНБК на поверхность.

Хотя устройства глубокого считывания для измерения удельного сопротивления (например, UDR), известные из уровня техники, оказались бесценными применительно к управляемому бурению, все же необходимо дальнейшее усовершенствование устройств глубокого считывания для измерения удельного сопротивления, которые можно использовать в управляемом бурении и/или других областях применения.

Сущность изобретения

Один аспект изобретения относится к группе измерения удельного сопротивления, имеющую модульную конструкцию. Группа измерения удельного сопротивления согласно одному варианту осуществления изобретения включает в себя передающий модуль с, по меньшей мере, одной антенной, причем передающий модуль имеет с обеих сторон соединители, предназначенные для соединения с другими скважинными устройствами; и приемный модуль с, по меньшей мере, одной антенной, причем передающий модуль имеет с обеих сторон соединители, предназначенные для соединения с другими скважинными устройствами; в которой передающий модуль и приемный модуль разнесены по бурильной колонне и разделены, по меньшей мере, одним скважинным устройством. Каждый передающий и приемный модуль может содержать, по меньшей мере, одну антенную катушку с ориентацией магнитного момента, не ограниченной продольным направлением устройства. В случае более одной антенны все векторы ориентации антенны могут быть линейно независимы. Группа векторов линейно независима, если матрица, построенная путем горизонтального сочленения компонентов векторов, имеет ранг, равный количеству векторов.

Другой аспект изобретения относится к устройствам для измерения удельного сопротивления. Устройство для измерения удельного сопротивления согласно одному варианту осуществления изобретения включает в себя корпус устройства, способный перемещаться в стволе скважины; и, по меньшей мере, три модуля (переходника), расположенных на корпусе устройства, причем, по меньшей мере, три модуля неравномерно разнесены вдоль продольной оси корпуса устройства, так что комбинация, по меньшей мере, трех модулей образует группу измерения удельного сопротивления с разными расстояниями.

Еще один аспект изобретения относится к устройствам для измерения удельного сопротивления. Устройство для измерения удельного сопротивления согласно одному варианту осуществления изобретения включает в себя корпус устройства, способный перемещаться в стволе скважины; датчик удельного сопротивления, расположенный на корпусе устройства и содержащий совокупность модулей, образующих, по меньшей мере, одну группу; и дополнительную антенну, расположенную на корпусе устройства и отстоящую от датчика удельного сопротивления вдоль продольной оси корпуса устройства, причем дополнительный модуль и один из совокупности модулей в датчике удельного сопротивления образуют группу, имеющую разнесение свыше примерно 90 футов.

Еще один аспект изобретения относится к устройствам каротажа во время бурения. Устройство каротажа во время бурения согласно одному варианту осуществления изобретения включает в себя буровую коронку, расположенную на одном конце бурильной колонны; первый модуль, расположенный на бурильной колонне вблизи буровой коронки или в буровой коронке, и, по меньшей мере, один дополнительный модуль, расположенный на бурильной колонне и отстоящий от первого модуля, причем первый модуль имеет, по меньшей мере, одну антенну с ориентацией магнитного момента, не ограниченной продольным направлением, и, по меньшей мере, один дополнительный модуль содержит три антенны, ориентации магнитных моментов которых линейно независимы.

Еще один аспект изобретения относится к способам измерения удельного сопротивления пласта. Способ измерения удельного сопротивления пласта согласно одному варианту осуществления изобретения включает в себя передачу электромагнитной энергии в пласт с использованием передающей антенны в группе измерения удельного сопротивления, причем передача осуществляется на совокупности частот согласно выбранной импульсной схеме; и регистрацию для каждой из совокупности частот сигнала, наведенного в приемной антенне, отстоящей от передающей антенны в группе измерения удельного сопротивления.

Еще один аспект изобретения относится к способам конструирования группы измерения удельного сопротивления. Способ конструирования группы измерения удельного сопротивления согласно одному варианту осуществления изобретения включает в себя оценивание толщины коллектора; и размещение передатчика и приемника на бурильной колонне так, чтобы разнесение между передатчиком и приемником было не меньше оценочной толщины коллектора.

Другие аспекты изобретения явствуют из нижеследующего описания и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схема буровой установки, известной из уровня техники, и бурильной колонны, которую можно использовать согласно одному варианту осуществления изобретения.

Фиг.2 - схема группы измерения удельного сопротивления согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - схема группы измерения удельного сопротивления согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 - примеры глубины обследования для измерения амплитуды на 10 кГц, полученного при разных расстояниях между передатчиком и приемником, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 - схема группы измерения удельного сопротивления согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 - схема группы измерения удельного сопротивления согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7А и 7В - амплитудные отклики традиционных групп измерения удельного сопротивления согласно известному уровню техники.

Фиг.7С и 7D - амплитудные отклики групп измерения удельного сопротивления согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 - способ упорядочения согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9 - схема группы измерения удельного сопротивления согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10 - схема антенного модуля согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.11A-11F - различные измерения для плоской границы с перепадом удельного сопротивления согласно одному варианту осуществления изобретения.

Подробное описание

Варианты осуществления изобретения относятся к группам измерения удельного сопротивления, имеющим улучшенные свойства. Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к способам использования этих устройств при оценивании пласта. Варианты осуществления изобретения могут предусматривать инверсию для более сложных моделей пласта (т.е. моделей пласта с большим количеством параметров) и/или могут повышать надежность обращения для измерения удельного сопротивления (снижение неопределенности). Некоторые варианты осуществления изобретения могут повышать гибкость оценки удельного сопротивления пласта за счет обеспечения большего количества измерений, каждое из которых может по-разному реагировать на разные модели пласта.

Некоторые варианты осуществления изобретения предусматривают группы измерения удельного сопротивления, имеющие модульную конструкцию. Модульная конструкция облегчает задание разных конфигураций устройства для разных требований к измерениям. Например, увеличивая количество комбинаций передатчик-приемник (например, один вариант осуществления с четырьмя передатчиками и одним приемником образует четыре группы передатчик-приемник), можно добиться больших глубин обследования.

Некоторые варианты осуществления изобретения могут включать в себя антенны, которые могут функционировать как приемопередатчик (т.е. как передатчик и приемник). Это дополнительно обеспечивает гибкость конфигурации устройства. В этой реализации для одного и того же количества модулей можно получить большее количество комбинаций передатчик-приемник. Кроме того, можно добиться симметризации направленного измерения без увеличения длины устройства по аналогии с опубликованным в патентной заявке США № 2003/0085707 А1 Минербо (Minerbo) и др.

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к устройствам, имеющим передающий переходник на большом расстоянии от приемника (например, >90 футов), что обеспечивает избирательную чувствительность к сложности коллектора. Такой вариант осуществления может иметь передающий переходник с независимым питанием, расположенный вне (далеко от) традиционной компоновки низа бурильной колонны.

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к размещению передатчика на буровой коронке или внутри нее или очень близко к буровой коронке для возможности упреждения. Такой вариант осуществления может иметь систему с независимым питанием и возможность передачи данных.

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к наличию, по меньшей мере, одного модуля, находящегося в отдельной/м скважине или стволе скважины.

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к способам оценки удельного сопротивления пласта с использованием измерительных частот, приспособленных к ожидаемому пласту. Диапазон частот, например, может быть вплоть до 200 кГц.

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к объединению модулей, отвечающих изобретению, с существующими группами измерения удельного сопротивления для КВБ.

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к конструкциям катушки, которая имеет множественные обмотки, что позволяет использовать одну и ту же антенну в широком диапазоне частот. Множественные обмотки могут быть соединены последовательно или параллельно.

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к распространению измерения амплитуды на фазу, относительную фазу и амплитуду, а также сдвиг фазы и ослабление (распространение), для чего требуется, чтобы переходник включал в себя две приемные антенны с относительно большим разнесением, составляющим порядка десяти футов.

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к реализации направленных антенн (размещенных в одном месте или в непосредственной близости друг от друга) с металлическими экранами или без них.

Модульная конструкция устройства

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к группам измерения удельного сопротивления, имеющим модульную конструкцию. Используемый здесь термин "группа измерения удельного сопротивления" означает конфигурацию, которая включает в себя, по меньшей мере, один приемный модуль и, по меньшей мере, один передающий модуль, установленные в разных местах на бурильной колонне. Модульная конструкция позволяет размещать передающую и приемную антенны в разных местоположениях КНБК или в местоположениях в бурильной колонне над КНБК. Например, на фиг.2 показана группа измерения удельного сопротивления, включающая в себя четыре передающих модуля 21, 22, 23, 24 и один приемный модуль 25, размещенные помимо других устройств 27, 28, 29, 30 для КВБ или ИВБ в КНБК. Устанавливая передающие и/или приемные модули в разных местоположениях на стандартной КНБК, как показано на фиг.2, или бурильной колонне, можно реализовать конкретные глубины обследования, для оптимизирования процесса инверсии модели пласта, в которой используются такие глубокие измерения удельного сопротивления. Например, в одном варианте осуществления передающий модуль 21 может отстоять от приемного модуля 25 примерно на 90-100 футов. Кроме того, один или несколько модулей могут располагаться в близлежащем стволе скважины для обеспечения группы с большим разнесением.

В вышеупомянутой заявке ′985 раскрыта группа сверхглубокого измерения удельного сопротивления, которая может включать в себя передающий и приемный модули. В заявке '985 рассматривается взаимосвязь между глубиной обследования ("ГО") и разнесением между передающей и соответствующей приемной антеннами, причем взаимосвязь такова, что чем больше разнесение, тем больше ГО. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что такая взаимосвязь действительно имеет место; однако увеличение разнесения уменьшает способность приемника воспринимать и соединять сигналы передатчика. Варианты осуществления настоящего изобретения могут использовать трехосную антенну в передающем или приемном модуле, причем модуль трехосной антенны имеет три антенны, магнитные моменты которых ориентированы в трех разных направлениях. Модуль трехосной антенны будет гарантировать, что, по меньшей мере, некоторые из поперечных компонентов трехосной антенны могут образовывать прочную связь с поперечным компонентом соответствующего передатчика или приемника. Использование приемопередатчика (или приемника) с трехосной антенной имеет преимущество, поскольку при сборке бурильной колонны трудно гарантировать, что передатчик с одной антенной будет выровнен с приемником с одной антенной, причем эта трудность возрастает с увеличением разнесения. Напротив, приемопередатчик (или приемник) с трехосной антенной всегда будет иметь компонент, по существу, выровненный с магнитным моментом соответствующего приемника (или приемопередатчика) в группе измерения удельного сопротивления. Кроме того, трехосная конструкция позволяет определять такие характеристики пласта, как угол падения, анизотропию, эффекты примыкающих слоев.

На фиг.4 показаны примеры глубины обследования для измерения амплитуды на 10 кГц, полученные при расстояниях между передатчиком и приемником в 10, 30, 60 и 90 футов при наличии границы с перепадом удельного сопротивления от 1 до 10 Ом·м. Бурильная колонна (а следовательно, и группа измерения удельного сопротивления) предполагается параллельной границе и на разных расстояниях от границы. Как показано на фиг.4, 10-футовая группа не очень чувствительна к границе; она показывает лишь небольшие изменения амплитуды вблизи границы. 30-футовая группа более чувствительна - она показывает заметный переход на границе. 60-футовая группа еще чувствительнее - она показывает ярко выраженный переход удельного сопротивления вокруг границы. При таком разнесении между передатчиком и приемником амплитуда сигнала начинает меняться примерно в 20-40 футах от границы. При 90-футовой группе изменение амплитуды сигнала еще заметнее. Очевидно, что комбинация разных глубин обследования позволяет дифференцировать геологический пласт на разных радиальных расстояниях. Модульная конструкция позволяет легко изменять конфигурацию устройств в соответствии с тем или иным разнесением группы. Кроме того, использование одно- или трехосных антенн в качестве передатчиков и/или приемников увеличивает возможное разнесение, что обеспечивает соответствующее увеличение ГО.

Модульные переходники как приемопередатчики

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к конструкциям группы измерения удельного сопротивления, имеющей приемопередающие антенны. В этих устройствах антенны не сконструированы как отдельные передатчики или приемники. Напротив, одна и та же антенна может функционировать либо как передатчик, либо как приемник. Такое усовершенствование, помимо экономических преимуществ, позволяет также увеличить глубину обследования для того же количества переходников, как показано на фиг.3.

На фиг.3 показана компоновка 40 устройства, имеющая три переходника 41, 42, 43, которые образуют две группы с разнесением D и Dx2. Поскольку антенны 41 и 43 могут функционировать как передатчик или приемник, эта конфигурация устройства также обеспечивает третью группу, имеющую разнесение Dx3. Кроме того, с помощью приемопередающих антенн можно также осуществлять направленные измерения без необходимости иметь передатчик и приемник принадлежащими общему скважинному устройству. Например, сначала можно получить набор симметризованных измерений с помощью антенны 41 в качестве передатчика и антенны 43 в качестве приемника, а затем с помощью антенны 43 в качестве передатчика и антенны 41 в качестве приемника.

Удаленные переходники как передатчики/приемопередатчики

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к устройствам, в которых антенные переходники размещены на удаленном расстоянии от других устройств КНБК (например, приемников или передатчиков). Скважины часто имеют искривления и изгибы, которые ограничивают практическую длину КНБК. Поэтому в традиционных устройствах для измерения удельного сопротивления передатчики и приемники не могут быть разнесены дальше, чем предельная практическая длина КНБК (около 150 футов). Такие устройства не могут обеспечить глубину обследования, которая может быть необходима при размещении траектории скважины в коллекторе, толщина которого превышает максимальную практическую длину стандартной компоновки бурового инструмента.

На фиг.5 показана группа измерения удельного сопротивления, включающая в себя удаленный переходник согласно одному варианту осуществления изобретения. Показано, что группа измерения удельного сопротивления включает в себя традиционный UDR 51 в КНБК. UDR включает в себя три антенны (передающие, приемные или приемопередающие) 52, 53, 54. Выше по бурильной колонне группа измерения удельного сопротивления также включает в себя удаленный модуль 55, который включает в себя передатчик, приемник или приемопередатчик. Антенну в удаленном модуле 55 можно использовать с любой из антенн 52, 53, 54 для формирования группы, имеющей большое разнесение. Благодаря использованию удаленного модуля 55 с другими традиционными устройствами для измерения удельного сопротивления в КНБК можно задавать любые требуемые расстояния между передатчиком и приемником (т.е. разнесение группы). Удаленный модуль 55 может иметь независимое питание. Кроме того, удаленным модулем 55 можно управлять посредством, например, беспроводной телеметрии. В одном варианте осуществления между удаленным модулем 55 и одной или несколькими антеннами 52, 53, 54 могут находиться одна или несколько утяжеленных бурильных труб 63.

Местоположение удаленного модуля 55 можно выбрать так, чтобы оно совпадало по порядку величины с толщиной коллектора (или превышало ее). Разнесение группы, совпадающее по порядку величины с толщиной коллектора (или превышающее ее), может обеспечивать заметные преимущества, недоступные для традиционных устройств для измерения удельного сопротивления.

Например, на фиг.7С и 7D показано, что амплитудные отклики длинной группы (с разнесением порядка толщины слоя, 130 футов) значительно проще и отчетливо указывают местонахождение границ слоя. Отклики этой сверхдлинной группы (особенно на низких частотах) не чувствительны ко внутренней сложности коллектора. Напротив, как показано на фиг.7А и 7В, амплитудные отклики традиционных групп измерения удельного сопротивления, известных из уровня техники (разнесение которых меньше толщины слоя, 130 футов), более чувствительны к изменениям удельного сопротивления внутри слоя, но менее чувствительны к границам слоя. Результаты, представленные на фиг.7А-7D, показывают, что расстояние между датчиками (разнесение группы) и рабочие частоты можно преимущественно выбирать на основании свойств коллектора, в котором выполняется бурение, например, ожидаемой толщины слоя или отношения удельного сопротивления самого нижнего слоя коллектора и удельного сопротивления покрывающей породы и подошвы коллектора.

Упреждение с помощью переходников на коронке

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к устройствам для измерения удельного сопротивления, имеющим возможность упреждения. Согласно вариантам осуществления изобретения переходник может располагаться близи буровой коронки наподобие описанного в патенте США № 6057784, выданном Шаффу (Schaff) и др. и присвоенном патентодержателю настоящего изобретения. Этот патент включен сюда в качестве ссылки во всей полноте. Кроме того, антенна также может размещаться на вращающемся управляемом инструменте или непосредственно внутри коронки. Благодаря размещению приемопередатчика на коронке точка измерения удельного сопротивления, взятая посередине каждой пары передатчик/приемник, перемещается ближе к коронке, что обеспечивает сокращение времени реакции в ходе бурения. Эта возможность позволяет раньше предпринимать действие в реальном времени по размещению скважины на основании геологических событий. Кроме того, упреждение коронки также возможно благодаря использованию хвоста отклика устройства, который простирается за пределы пары датчиков удельного сопротивления.

На фиг.6 показан один пример группы измерения удельного сопротивления согласно одному варианту осуществления изобретения. Показано, что устройство 70 для измерения удельного сопротивления содержит буровую коронку 14 на одном конце бурильной колонны. Антенна 73 (которая может быть передающей или приемной антенной) располагается на бурильной колонне вблизи буровой коронки 14. Кроме того, группа измерения удельного сопротивления включает в себя UDR 51, имеющий три приемопередающих модуля 52, 53, 54, каждый из которых может функционировать как приемник или передатчик. Хотя в этом примере показано три приемопередающих модуля, специалисту в данной области очевидно, что устройство может иметь больше или меньше приемопередающих модулей. Кроме того, один или несколько приемопередающих модулей можно заменять приемными или передающими модулями. В одном варианте осуществления антенна 73 может быть компонентом буровой коронки 14.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения антенна вблизи коронки 73 имеет непродольный магнитный момент, т.е. магнитный момент антенны 73 не ориентирован в направлении, параллельном оси бурильной колонны. Непродольный магнитный момент антенны 73 гарантирует, что антенна 73 имеет компонент магнитного момента в поперечном направлении (т.е. направлении, перпендикулярном оси бурильной колонны). Кроме того, по меньшей мере, один из приемопередающих модулей (например, 52, 53, 54) содержит трехосную антенну, в которой три антенны имеют магнитные моменты в трех различных ориентациях. В некоторых случаях, трехосные антенны могут иметь магнитные моменты в трех ортогональных ориентациях. Модуль трехосной антенны будет гарантировать, что, по меньшей мере, некоторые из поперечных компонентов трехосной антенны смогут образовать прочную связь с поперечным компонентом антенны 73 вблизи коронки. Антенна 73 вблизи коронки может быть передающей, приемной или приемопередающей. В общем случае, предпочтительно, чтобы антенна 73 вблизи коронки была передающей, поскольку приемная антенна может воспринимать более высокий электрический шум вследствие повышенной вибрации и удара или вследствие возможного наличия вращающегося управляемого устройства высокой мощности. В результате моторный агрегат 16, который может включать в себя управляющие компоненты, на которые подается энергия, может нарушать работу приемной антенны.

Измерение на нескольких частотах

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к устройствам и способам, в которых для измерения удельного сопротивления используются несколько частот. Согласно вариантам осуществления изобретения частоты можно выбирать для более эффективного покрытия частотного спектра с целью повышения точности и гибкости обращения глубоких измерений удельного сопротивления. Например, согласно некоторым вариантам осуществления изобретения можно получить измерения с распределением в 3 или более частот на декаду. Эти частоты могут быть заданы или автоматически выбираемыми, либо до бурения, либо во время бурения, для обеспечения оптимальной инверсии пласта. Сочетание расстояния между передатчиком и приемником и частоты является неотъемлемой частью определения внешних границ коллектора со сложным внутренним слоем. Сочетание разнесения антенн и частоты предпочтительно выбирают в соответствии со следующим уравнением для максимальной чувствительности.

Определим коэффициент распространения как k²=εµω²+iσµω, где ε - диэлектрическая проницаемость, µ - магнитная проницаемость, σ - электропроводность и ω - круговая частота. Если L выражает разнесение между передатчиком и приемником, то мы хотим: |k|.L∈[0.1;10]. Частоты предпочтительно выбирать так, чтобы они удовлетворяли этому критерию.

Измерения на нескольких частотах можно эффективно производить с использованием любой схемы реализации, известной в технике. Например, на фиг.8 показан пример последовательности измерения удельного сопротивления для измерения на нескольких частотах. В схеме, показанной на фиг.8, предполагается, что передаваемые импульсы имеют управляемую амплитуду. Кроме того, специалисту в данной области очевидно, что в импульсной схеме, показанной на фиг.8, единичный импульс можно реализовать так, чтобы он нес две или более частоты. Измерения сигнала можно производить, измеряя истинные напряжения, воспринимаемые приемниками. Альтернативно, сигналы можно измерять как дифференциальные сигналы пары импульсов разных частот.

Объединение переходников с существующими устройствами КВБ

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к группам измерения удельного сопротивления, имеющим удаленный переходники, которые описаны выше, с другими традиционными устройствами для измерения удельного сопротивления. Например, на фиг.9 показано устройство, включающее в себя два удаленных передающих переходника 55А и 55В и традиционное устройство для измерения удельного сопротивления для КВБ, которое может функционировать как приемник для удаленных передающих модулей, для обеспечения групп с разнесением, значительно большим, чем возможно для традиционных групп измерения удельного сопротивления. Специалисту в данной области очевидно, что любое традиционное устройство для измерения удельного сопротивления, имеющее одну или несколько антенн для приема сигналов удельного сопротивления, можно использовать в сочетании с удаленными передающими переходниками согласно раскрытому здесь. Возможность запуска передающих модулей в сочетании с существующим «мелким» устройством КВБ (с использованием их антенн удельного сопротивления как глубоких приемников удельного сопротивления) обеспечивает рационализацию ценных свойств и интегрированные измерительные возможности.

Антенна с несколькими обмотками

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к антеннам, которые можно эффективно использовать в широком диапазоне частот. Когда антенна используется для передачи сигнала удельного сопротивления на определенной частоте, антенна наиболее эффективна, когда частота ниже частоты авторезонанса антенны. Поэтому при использовании антенны в широком диапазоне частот антенна может быть неэффективна в определенном диапазоне частот. Например, для передачи на самой высокой частоте количество витков в антенне должно быть достаточно малым, чтобы быть ниже авторезонанса катушки. С другой стороны, для оптимальной передачи. на более низкой частоте, количество витков следует увеличить. В результате традиционные антенны часто имеют обмотки, представляющие компромисс для определенного рабочего диапазона частот.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения антенна может иметь несколько слоев обмоток; каждый из слоев может быть намотан либо параллельно для высокой частоты, либо последовательно для более низкой частоты, для эффективного уравновешивания импедансной нагрузки антенны при возбуждении постоянным напряжением. Переключением между последовательной и параллельной конфигурациями можно управлять с помощью электронных систем.

На фиг.10 показана иллюстративная антенна согласно одному варианту осуществления изобретения. Слои 101А-101С катушки в этом примере соединены либо последовательно для максимизации числа витков при передаче на низкой частоте (например, около 1 кГц), либо параллельно для более высокого диапазона частот (например, 100 кГц). Слои 101А-101С катушки намотаны на бобину 102. Специалисту в данной области очевидно, что в антенне можно использовать несколько слоев катушек для обеспечения более точной настройки параметров антенны.

Распространение на другие методы измерения удельного сопротивления

Традиционные глубокие измерения удельного сопротивления, например, раскрытые в патенте США № 6188222, базируются на механизме индукции и предусматривают измерение амплитуд сигналов, а не фазы или сдвигов фазы или коэффициентов ослабления. Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к глубоким измерениям удельного сопротивления, основанным на механизме распространения, и предусматривают измерение сдвигов фазы и коэффициентов ослабления (например, дифференциальные измерения) за счет введения дополнительной приемной антенны с разнесением пары приемников порядка 5-10 футов, что значительно больше, чем разнесение пары приемников (обычно составляющее менее фута) в традиционном устройстве для измерения распространения. Увеличение разнесения пары приемников желательно, поскольку для глубоких ЭМ-измерений используются более низкие частоты (от 1 до 200 кГц). Разнесение пары приемников порядка 5-10 футов гарантирует, что минимальный сдвиг фазы, который может быть измерен, остается в диапазоне ~0.1 градуса.

Помимо использования пары приемников дифференциальные измерения фазы и амплитуды (т.е. сдвиги фазы и коэффициенты ослабления) также можно производить с помощью соответствующей импульсной схемы, например, показанной на фиг.8. Схема измерений, показанная на фиг.8, может использовать один (или несколько) переданных импульсов на конкретной частоте в качестве шкалы времени. Предполагая опорный сдвиг фазы (или разницу по времени) между импульсами в последовательности импульсов постоянной (эту разницу по времени также можно измерять и передавать приемнику посредством беспроводной телеметрии), опорный сдвиг фазы (или разницу по времени) для последовательностей принятых импульсов можно определять по отношению к опорному импульсу.

Тот же метод (с использованием для сравнения амплитуды опорного импульса) можно также применять к отношению амплитуд между каждым импульсом в последовательности импульсов и опорным импульсом. В этом случае отношение амплитуд на передатчике можно поддерживать постоянным или измерять. Разностный метод применительно ко времени прихода импульса и отношению амплитуд уменьшает зависимость измерения от точности воздушной калибровки, которая необходима для измерения амплитуды.

В качестве примера, на фиг.11A-11F показаны различные измерения для плоской границы с перепадом удельного сопротивления в 1 и 100 Ом·м с использованием устройства, имеющего разнесение между передатчиком и приемником в 70 футов. Передающая и приемная антенны этого устройства имеют продольные магнитные моменты (т.е. магнитные моменты в направлении, параллельном продольной оси устройства).

На фиг.11А и 11В показаны измерения амплитуды и измерения относительной амплитуды соответственно на различных частотах. На фиг.11В измерения относительной амплитуды приведены по отношению к измерению амплитуды на 2 кГц. На фиг.11С и 11D показаны измерения фазы и измерения относительной фазы соответственно на разных частотах. На фиг.11D измерения относительной фазы приведены по отношению к измерению фазы на 2 кГц.

На фиг.11Е и 11F показаны измерения сдвига фазы и коэффициента ослабления соответственно на различных частотах, произведенные с помощью пары приемников с разнесением 8 футов. При таком разнесении можно легко наблюдать значительные изменения сдвига фазы и коэффициента ослабления. Оба измерения обеспечивают еще один набор измерений с другой чувствительностью, позволяющий использовать более независимые измерения в процессе обращения.

Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к управляемому бурению. Способ управляемого бурения согласно вариантам осуществления изобретения может использовать любую из вышеописанных групп измерения удельного сопротивления и/или любой из вышеописанных методов измерения (например, измерения на нескольких частотах, импульсные схемы и т.д.).

Все измерения согласно вышеописанным вариантам осуществления изобретения можно распространить на направленные измерения. Направленные измерения обеспечивают повышенную чувствительность к границам и, соответственно, улучшают процесс обращения. В некоторых вариантах осуществления, антенна(ы) имеют поперечный магнитный диполь в сочетании с нормальной «аксиальной» антенной для обеспечения обоих измерений с одной и той же антенны. В вышеописанной трехосной антенне одна часть может быть выровнена с осью КНБК, а две другие части располагаться под углами к ней. При желании, варианты осуществления изобретения можно реализовать с традиционными экранами. Очевидно, что антенны (и соответствующая электроника) вариантов осуществления изобретения можно реализовать с использованием одной из многих общеизвестных конструкций антенны и схем упаковки. Например, для реализации настоящего изобретения можно использовать каротажное устройство, описанное в патенте США № 6188222.

Хотя в вышеприведенном описании для иллюстрации различных вариантов осуществления изобретения используются каротажные устройства во время бурения. Устройство согласно изобретению не ограничено никаким конкретным режимом переноса. Поэтому устройство согласно изобретению можно использовать, например, в каротаже во время бурения, каротаже во время спускоподъемной операции, катушечном бурении, каротаже через коронку, линейном бурении, операциях бурения на обсадных колоннах.

Хотя изобретение было описано применительно к ограниченному количеству вариантов осуществления, специалистам в данной области, на основании данного раскрытия, будет очевидно, что можно предложить другие варианты осуществления не выходя за рамки объема раскрытого здесь изобретения. Соответственно, объем изобретения ограничен только прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к области геологоразведки. Сущность изобретения: группа измерения удельного сопротивления, имеющая модульную конструкцию, включает в себя передающий модуль с, по меньшей мере, одной антенной и приемный модуль с, по меньшей мере, одной антенной. Передающий и приемный модули имеют с обеих сторон соединители, предназначенные для соединения с другими скважинными устройствами. Передающий модуль и приемный модуль разнесены по бурильной колонне и разделены, по меньшей мере, одним скважинным устройством. Каждый передающий и приемный модуль может содержать, по меньшей мере, одну антенную катушку с ориентацией магнитного момента, не ограниченной продольным направлением устройства. Разнесение между передающим и приемным модулями можно выбирать на основании ожидаемой толщины коллектора. Технический результат: облегчение создания разных конфигураций устройства для разных требований, увеличение глубин исследования. 6 н. и 24 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Группа измерения удельного сопротивления, имеющая модульную конструкцию, содержащая
передающий модуль с, по меньшей мере, одной антенной, причем передающий модуль имеет с обеих сторон соединители, предназначенные для соединения с другими скважинными устройствами, и
приемный модуль с, по меньшей мере, одной антенной, причем приемный модуль имеет с обеих сторон соединители, предназначенные для соединения с другими скважинными устройствами, средство для возбуждения антенны в передающем модуле на совокупности дискретных частот электромагнитной энергии, согласно выбранной импульсной схеме; и
в которой передающий модуль и приемный модуль разнесены по бурильной колонне и разделены, по меньшей мере, одним скважинным устройством.

2. Группа измерения удельного сопротивления по п.1, в которой передающий модуль и приемный модуль разнесены на расстояние свыше примерно 90 футов.

3. Группа измерения удельного сопротивления по п.1, в которой, по меньшей мере, одна антенна в передающем модуле или приемном модуле содержит приемопередатчик.

4. Группа измерения удельного сопротивления по п.1, в которой передающий модуль или приемный модуль расположены вблизи буровой коронки, на одном конце бурильной колонны.

5. Группа измерения удельного сопротивления по п.1, в которой, по меньшей мере, одна антенна в передающем модуле или приемном модуле содержит соленоид, действующий как магнитный диполь.

6. Группа измерения удельного сопротивления по п.1, в которой передающий модуль или приемный модуль содержит три антенны, имеющие магнитные моменты в линейно независимых ориентациях.

7. Группа измерения удельного сопротивления, имеющая модульную конструкцию, содержащая
передающий модуль с, по меньшей мере, одной антенной, причем передающий модуль имеет с обеих сторон соединители, предназначенные для соединения с другими скважинными устройствами, средство для возбуждения антенны в передающем модуле на совокупности дискретных частот электромагнитной энергии, согласно выбранной импульсной схеме; и
приемный модуль с, по меньшей мере, одной антенной, причем приемный модуль имеет с обеих сторон соединители, предназначенные для соединения с другими скважинными устройствами, и
в которой передающий модуль и приемный модуль расположены в раздельных стволах скважины.

8. Группа измерения удельного сопротивления по п.1, в которой, по меньшей мере, одна антенна в передающем модуле или приемном модуле содержит приемопередатчик.

9. Группа измерения удельного сопротивления по п.1, в которой передающий модуль или приемный модуль расположен вблизи буровой коронки или в буровой коронке, на одном конце бурильной колонны.

10. Группа измерения удельного сопротивления по п.7, в которой, по меньшей мере, одна антенна в передающем модуле или приемном модуле содержит соленоид, действующий как магнитный диполь.

11. Группа измерения удельного сопротивления по п.7, в которой передающий модуль или приемный модуль содержит три антенны, имеющие магнитные моменты в линейно независимых ориентациях.

12. Устройство измерения удельного сопротивления, имеющее модульную групповую конструкцию, содержащее
буровую коронку, расположенную на одном конце бурильной колонны,
передающий модуль, имеющий с обеих сторон соединители, предназначенные для соединения с другими скважинными устройствами, расположенный на бурильной колонне, и
по меньшей мере, один приемный модуль, расположенный на бурильной колонне и отстоящий от передающего модуля и имеющий соединители, предназначенные для соединения с другими скважинными устройствами, причем либо передающий модуль, либо приемный модуль расположен вблизи буровой коронки,
в котором передающий или приемный модуль имеет, по меньшей мере, одну антенну с ориентацией магнитного момента, не ограниченной продольным направлением, и в котором передающий или приемный модуль содержит три антенны, ориентации магнитных моментов которых линейно независимы.

13. Устройство по п.12, в котором разнесение между передающим модулем и одним из, по меньшей мере, одного приемного модуля превышает примерно 90 футов.

14. Устройство по п.12, в котором, по меньшей мере, одна антенна в передающем модуле или, по меньшей мере, одном передающем или приемном модуле содержит приемопередатчик.

15. Устройство по п.12, в котором три антенны в, по меньшей мере, одном передающем или приемном модуле содержат соленоидальные антенны, магнитные моменты которых линейно независимы.

16. Устройство по п.12, в котором, по меньшей мере, одна антенна, по меньшей мере, одного передающего или приемного модуля является частью традиционного скважинного датчика удельного сопротивления.

17. Способ измерения удельного сопротивления пласта, содержащий этапы, на которых
передают электромагнитную энергию в пласт с использованием передающей антенны в группе измерения удельного сопротивления, причем передачу осуществляют на совокупности дискретных частот согласно выбранной импульсной схеме,
обнаруживают, для каждой из совокупности дискретных частот, сигнал, наведенный в приемной антенне, отстоящей от передающей антенны в группе измерения удельного сопротивления; и
определяют удельное сопротивление пласта из обнаруженных сигналов на каждой из совокупности частот, причем совокупность частот выбирают так, что |k|·L∈[0,1;10], где L - разнесение между передатчиком и приемником, и k - коэффициент распространения, определенный как k²=εµω²+iσµω, где ε - диэлектрическая проницаемость, µ - магнитная проницаемость, σ - электропроводность, и ω - круговая частота.

18. Способ по п.17, в котором совокупность частот содержит, по меньшей мере, две частоты на декаду и распространяется на, по меньшей мере, две декады.

19. Способ по п.17, в котором совокупность частот находится в диапазоне до 200 кГц.

20. Способ по п.17, в котором передающая антенна или приемная антенна содержит катушку, имеющую множественные обмотки, переключаемые между параллельной конфигурацией и последовательной конфигурацией.

21. Способ по п.17, в котором выбранная импульсная схема содержит последовательность импульсов передатчика, каждый из которых имеет управляемую амплитуду.

22. Способ по п.17, в котором выбранная импульсная схема содержит последовательность импульсов передатчика, имеющую управляемый интервал времени для каждой пары соседних импульсов.

23. Способ по п.17, в котором выбранная импульсная схема содержит последовательность импульсов, имеющих разные частоты.

24. Способ по п.17, в котором обнаружение осуществляют с помощью пары приемников, разнесение между которыми составляет не менее 5 футов.

25. Способ по п.17, в котором совокупность частот выбирают для максимальной чувствительности на основании разнесения между передатчиком и приемником.

26. Способ формирования группы измерения удельного сопротивления, содержащий этапы, на которых
оценивают толщину коллектора, и
размещают передающий и приемный модуль, каждый из которых имеет с обеих сторон соединители, предназначенные для соединения с другими скважинными устройствами, на бурильной колонне так, чтобы разнесение между передающим и приемным модулями было не меньше оценочной толщины коллектора.

27. Способ управления направлением бурения во время бурения ствола скважины, содержащий этапы, на которых
измеряют удельное сопротивление пласта с использованием устройства для измерения удельного сопротивления, имеющего группу, разнесение которой превышает примерно 90 футов, причем устройство группы измерения удельного сопротивления содержит передающий модуль и приемный модуль, разнесенные по бурильной колонне и разделенные другим скважинным устройством,
определяют границы слоев пласта и
управляют направлением буровой коронки во время бурения так, чтобы ствол скважины находился в выбранном слое пласта.

28. Способ по п.27, в котором измерение осуществляют на совокупности частот, которая включает в себя, по меньшей мере, две частоты на декаду и распространяется на, по меньшей мере, две декады.

29. Способ по п.27, в котором передающий модуль расположен вблизи буровой коронки.

30. Способ по п.27, в котором приемный модуль является частью датчика удельного сопротивления для каротажа во время бурения.