МОДУЛЬНЫЙ ПРИБОРНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ГЕОУПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G06F19/00 

Уровень техники

В нефтяной промышленности сбор скважинной информации осуществляют в течение многих лет. Для выполнения работ по бурению современных нефтяных скважин и добыче требуется большое количество информации, относящейся к параметрам и условиям в забое скважины. Такая информация обычно включает в себя положение и ориентацию ствола скважины и буровой компоновки, свойств подземной формации и параметров, относящихся к условиям бурения в забое скважины. Сбор информации, относящейся к свойствам пласта и условиям в забое скважины, обычно называют каротажем, и он может быть выполнен в процессе самого бурения.

Существуют различные измерительные приборы, предназначенные для использования при кабельном каротаже и каротаже в процессе бурения. Одним таким прибором является прибор для каротажа удельного сопротивления, который включает в себя одну или несколько антенн для излучения электромагнитного сигнала в формацию и одну или несколько антенн для приема отклика формации. При работе на низких частотах прибор для каротажа удельного сопротивления может быть назван индукционным прибором, а при работе на высоких частотах он может быть назван прибором с распространением электромагнитных волн. Хотя физические процессы, которые оказывают преобладающее влияние на измерение, могут изменяться в зависимости от частоты, принципы работы прибора являются сходными. В некоторых случаях амплитуда и/или фаза принимаемых сигналов сравнивается с амплитудой и/или фазой излучаемых сигналов для определения удельного сопротивления формации. В других случаях амплитуда и/или фаза принимаемых сигналов сравнивается с каждой другой для определения удельного сопротивления формации.

В некоторых ситуациях, например при бурении сквозь формации, когда границы формации вытянуты по вертикали, или при бурении с морской платформы желательно осуществлять бурение скважин под углом относительно границ пласта в напластованиях. Его часто называют горизонтальным бурением. При бурении в горизонтальном направлении желательно по возможности удерживать ствол скважины в продуктивной зоне (в формации, которая содержит углеводороды) с тем, чтобы максимизировать добычу. Это может быть трудным, поскольку формации могут быть наклонными или отклоненными. Поэтому при попытке бурения и удержания ствола скважины в конкретной формации буровое долото может приблизиться к границе пласта.

Когда вращающееся долото приближается к границе пласта, граница пласта будет находиться по одну сторону оси долота, то есть в одном азимутальном диапазоне относительно оси долота. Известные приборы для каротажа удельного сопротивления не являются азимутально-чувствительными и, следовательно, они не позволяют обнаруживать приближающиеся границы пласта и избегать приближения к ним. Кроме того, известные приборы для каротажа удельного сопротивления изготавливают в виде одного блока, и поэтому они не могут быть без труда приспособлены к специальным требованиям, возникающим по мере обнаружения и совершенствования новых способов измерения и обнаружения границ. Скорее, по мере обнаружения того, что другие конфигурации технических средств являются полезными, должны изготавливаться новые приборы.

Краткое описание чертежей

В последующем подробном описании будут делаться ссылки на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 - иллюстрация условий каротажа скважины в процессе бурения;

фиг.2 - вид базового модуля в виде прибора для каротажа удельного сопротивления в процессе бурения;

фиг.3 - иллюстрация координат для определения ориентации наклонной антенны;

фиг.4А-4Е - виды удлинительных модулей, предназначенных для модульного приборного узла для геоуправления;

фиг.5 - вид примера модульного приборного узла для геоуправления;

фиг.6 - вид другого примера модульного приборного узла для геоуправления;

фиг.7 - вид третьего модульного приборного узла для геоуправления совместно с другим прибором, расположенным между модулями;

фиг.8 - структурная схема примера электроники для базового и удлинительного модулей;

фиг.9 - пример схемы антенны с несколькими отводами;

фиг.10А - детальный вид модульного приборного узла для геоуправления на стадии изготовления;

фиг.10B-10D - виды компонентов из примера осуществления модуля с наклонной антенной;

фиг.11А-11Е - виды компонентов из второго примера осуществления модуля с наклонной антенной; и

фиг.12 - блок-схема последовательности операций примера способа каротажа.

Хотя допускаются различные модификации и альтернативные формы раскрываемых изобретений, конкретные осуществления его показаны на чертежах только для примера и будут подробно описаны в настоящей заявке. Однако следует понимать, что чертежи и подробное описание в дополнение к ним не предполагаются ограничивающими изобретение конкретными раскрытыми формами, а наоборот, предполагаются охватывающими все модификации, эквиваленты и варианты, попадающие в рамки сущности и объем прилагаемой формулы изобретения.

Обозначения и терминология

На всем протяжении нижеследующего описания и формулы изобретения определенные термины используются относительно конкретных компонентов и конфигураций системы. Как должно быть понятно специалисту в данной области техники, общие понятия могут относиться к компоненту с различными наименованиями. В этом документе не предполагается проведение различия между компонентами, которые различаются по наименованию, а не по функции. В нижеследующем рассмотрении и в формуле изобретения термины «включающий в себя» и «содержащий» используются в открытой форме и поэтому должны интерпретироваться в значении «включающий в себя, но не ограниченный…». Кроме того, термин «связывать» или «связывает» предполагается означающим опосредованное или прямое электрическое соединение. Поэтому, если первое устройство связывают со вторым устройством, то такое соединение можно осуществить путем непосредственного электрического соединения или путем опосредованного электрического соединения через посредство других устройств и соединений. Кроме того, термин «прикреплен» предполагается означающим опосредованное или непосредственное физическое соединение. Поэтому, если первое устройство прикрепляют ко второму устройству, то такое соединение можно осуществить путем непосредственного физического соединения или путем опосредованного физического соединения через посредство других устройств и соединений.

Подробное описание

Проблемы, выявленные в описанном выше уровне техники, по меньшей мере, частично решаются способами и приборными узлами, раскрытыми в настоящей заявке. В некоторых осуществлениях способа и приборного узла удлинительный модуль связан непосредственно или опосредованно с базовым модулем, который в некоторых случаях может иметь конфигурацию антенны из существующего промышленного прибора для каротажа удельного сопротивления в процессе бурения. Удлинительный модуль работает совместно с базовым модулем, что позволяет обнаруживать азимутальные изменения удельного сопротивления формации. Сигналы геоуправления можно получать на основании азимутальных изменений, что позволит осуществлять управление направлением бурения относительно границ пласта. Имеющийся набор удлинительных модулей различных типов позволяет создавать специализированную конфигурацию приборного узла. Другие приборы или трубчатые элементы могут быть размещены между удлинительным модулем и базовым модулем, вследствие чего обеспечивается возможность получения конфигураций для глубинных измерений без чрезмерного удлинения приборной колонны.

Теперь обратимся к чертежам, где на фиг.1 показаны скважинные операции в процессе бурения. Буровая платформа 2 снабжена буровой вышкой 4, на которой закреплен подъемный механизм 6. Бурение нефтяных и газовых скважин осуществляют колонной бурильных труб, соединенных друг с другом замковыми соединениями 7 так, что образуется бурильная колонна 8. На подъемном механизме 6 подвешена ведущая труба 10, на которой спускают бурильную колонну 8 через роторный стол 12. С нижним концом бурильной колонны 8 соединено буровое долото 14. Вращение долота 14 и бурение осуществляются при вращении бурильной колонны 8 или путем использования забойного двигателя вблизи бурового долота, или двумя способами.

Промывочную жидкость, называемую буровым раствором, закачивают при высоком давлении и в больших объемах с помощью оборудования 16 для рециркуляции бурового раствора через питающую трубу 18, через бурильную ведущую трубу 10 и вниз по бурильной колонне 8 для выпуска через сопла или форсунки в буровом долоте 14. Затем буровой раствор перемещается в скважине в обратном направлении через кольцевое пространство, образованное между внешней стороной бурильной колонны 8 и стенкой 20 ствола скважины, через противовыбросовое устройство и в приемную емкость 24 для бурового раствора на поверхности. На поверхности буровой раствор очищают и затем осуществляют рециркуляцию с помощью оборудования 16 для рециркуляции.

При каротаже в процессе бурения скважинные датчики 26 размещают в бурильной колонне 8 вблизи бурового долота 14. Датчики 26 включают в себя аппаратуру для направленного измерения и модульный прибор для каротажа удельного сопротивления с наклонными антеннами для обнаружения границ пласта. Аппаратурой направленного измерения осуществляются измерения угла наклона, горизонтального угла и угла поворота (также называемого углом передней поверхности прибора) приборов для каротажа в процессе бурения. Как обычно определяют в уровне техники, угол наклона представляет собой отклонение от вертикали сверху вниз, горизонтальный угол представляет собой угол в горизонтальной плоскости от истинного севера и угол передней поверхности прибора представляет собой угол ориентации (поворота вокруг оси прибора) от верхней части стенки ствола скважины. В некоторых осуществлениях направленные измерения осуществляют следующим образом: трехосным акселерометром измеряют вектор гравитационного поля Земли относительно оси прибора и определяют точку на окружности прибора, называемую «разметочной линией передней поверхности прибора». (Разметочную линию передней поверхности прибора проводят на поверхности прибора как линию, параллельную оси прибора.) На основании этого измерения могут быть определены угол наклона и угол передней поверхности прибора для каротажа в процессе бурения. Кроме того, трехосным магнитометром аналогичным образом измеряют вектор магнитного поля Земли. На основании объединенных данных с магнитометра и акселерометра может быть определен горизонтальный угол прибора для каротажа в процессе бурения. Кроме того, гироскоп или инерциальный датчик другого вида может быть применен для выполнения позиционных измерений и дополнительного уточнения результатов ориентационных измерений.

В некоторых осуществлениях скважинные датчики 26 связаны с телеметрическим передатчиком 28, который передает телеметрические сигналы путем модуляции сопротивления потока бурового раствора в бурильной колонне 8. Для приема передаваемых телеметрических сигналов телеметрический приемник 30 связан с ведущей трубой 10. Другие способы передачи телеметрических данных являются хорошо известными и могут быть использованы. Приемник 30 передает телеметрические данные в наземную установку (непоказанную), в которой обрабатываются и запоминаются результаты измерений. Наземная установка обычно включает в себя компьютерную систему некоторого вида, например настольный компьютер, который может быть использован для информирования бурового мастера относительно положения и расстояния между буровым долотом и близлежащими границами пласта.

Буровое долото 14 показано проникающим в формацию, имеющую ряд слоистых пластов 34, падающих под углом. Показана первая система (x, y, z) координат, связанная с датчиками 26, и показана вторая система (x″, y″, z″) координат, связанная с пластами 34. Система координат пластов имеет ось z″, перпендикулярную к плоскости напластования, имеет ось y″ в горизонтальной плоскости и имеет ось x″, направленную вниз по склону. Угол между осями z двух систем координат известен как угол падения и показан на фиг.1 как угол β.

Теперь обратимся к фиг.2, на которой показан пример базового модуля 102 в виде прибора для каротажа удельного сопротивления. Базовый модуль 102 снабжен одной или несколькими областями 106 уменьшенного диаметра. Проволочная рамка 104 размещена в области 106 и отнесена от поверхности 102 на постоянное расстояние. Для механического поддержания и защиты рамки 104 в областях 106 уменьшенного диаметра может быть использован непроводящий наполнитель (непоказанный), например эпоксидная смола, резина, стеклопластик или керамические материалы. Излучающая и приемная рамки могут содержать всего один виток провода, хотя при большем числе витков можно получать дополнительную мощность сигнала. Предпочтительно, чтобы расстояние между рамками и поверхностью прибора находилось в пределах от 1/16 дюйма (1,5875 мм) до 3/4 дюйма (19,05 мм), но оно может быть больше.

В осуществлении прибора из фиг.2 рамки 104 и 108 являются излучающими рамками и рамки 110 и 112 являются приемными рамками. При работе излучающая рамка 104 излучает электромагнитный запросный сигнал, который проходит сквозь ствол скважины и в окружающую формацию. Сигналы из формации достигают приемных рамок 110, 112, при этом они наводят напряжение сигнала, которое обнаруживается и измеряется для определения затухания амплитуд и фазового сдвига между рамками 110 и 112. Измерение повторяют, используя излучатель 108. На основании измеренных затухания и фазовых сдвигов удельное сопротивление формации можно оценивать, используя известные способы.

Однако базовый модуль 102 не имеет никакой азимутальной чувствительности, что делает трудным определение направления относительно любых приближающихся границ пласта. Поэтому желательно наклонять одну или несколько антенн. На фиг.3 показана антенна, которая лежит в плоскости, имеющей нормальный вектор под углом θ к оси прибора, и на азимуте α относительно разметочной линии передней поверхности прибора. Когда угол θ равен нулю, антенна считается коаксиальной, а когда угол θ больше нуля, антенна считается наклонной.

Хотя пример базового модуля 102 не содержит наклонной антенны, предполагаются другие конфигурации базового модуля. Например, для получения азимутальной чувствительности базовый модуль может включать в себя одну или несколько наклонных антенн. Он может включать в себя всего одну антенну (для излучения или для приема) или в другом крайнем случае он может быть полностью автономным прибором для геоуправления и каротажа удельного сопротивления. Когда используют удлинительный модуль, то предполагается, что, по меньшей мере, одну антенну в базовом модуле используют для излучения к приемнику на удлинительном модуле или приема от излучателя на удлинительном модуле. Таким образом, удлинительный модуль расширяет функциональные возможности основного модуля.

На фиг.4А-4Е показаны различные удлинительные модули, которые могут быть добавлены к базовому модулю, например к прибору 102 (фиг.2), для придания этому прибору азимутальной чувствительности или других технических возможностей, таких как измерения удельного сопротивления на большей глубине. В некоторых вариантах осуществлений эти модули также могут выполнять функцию базовых модулей, что позволяет соединять и согласовывать эти модули для образования законченного специализированного каротажного прибора, необходимого для новых способов каротажа или способов геоуправления, которые разрабатываются. Как рассматривается дополнительно ниже, эти модули могут быть снабжены электроникой, которая позволяет каждой антенне работать в качестве излучателя или приемника. В некоторых осуществлениях однолинейная шина связи (с корпусом прибора, функционирующим в качестве общего провода) предусмотрена для обеспечения возможности передачи энергии и передачи цифровой информации между модулями. В некоторых осуществлениях системы отдельный силовой и управляющий модуль (не показан) предусмотрен для координации операций различных приборных модулей и для сбора (и, возможно, обработки) результатов измерений этими модулями, работающими в качестве приемников.

Приборные модули для каротажа удельного сопротивления имеют устройство крепления, которое позволяет соединять каждый модуль с другими модулями. Как показано на фиг.4А-4Е, в некоторых осуществлениях устройство крепления может быть устройством в виде концов трубы с наружной и внутренней резьбой. В некоторых других осуществлениях изобретения средство крепления может быть винтовым устройством, устройством с прессовой посадкой, сварным соединением или некоторым другим средством крепления, которое позволяет прикреплять приборные узлы к другим приборным узлам с контролируемым согласованием по азимуту.

На фиг.4А показан удлинительный модуль 402, имеющий коаксиальную антенну 404. На фиг.4В показан удлинительный модуль 406, имеющий расположенную под углом выемку 408, содержащую наклонную антенну 410, в результате чего обеспечивается возможность азимутально-чувствительных измерений удельного сопротивления. Предпочтительно, чтобы наклонная антенна 410 (и выемка 408) располагались под углом θ=45°. На фиг.4С показан удлинительный модуль 412, имеющий две расположенные под углом выемки 414, 418 с соответствующими наклонными антеннами 416 и 420. Расположение в одном модуле нескольких антенн может позволить удовлетворять более строгим требованиям по разнесению и может позволить выполнять более точные дифференциальные измерения.

На фиг.4D показан удлинительный модуль 422 с выемкой 424 и наклонной антенной 426 по азимуту, отстоящему на 180° относительно азимута антенны из фиг.4В. Удлинительный модуль 422 может быть сконструирован для соединения с другими модулями способом, который гарантирует это особое расположение антенны 426 относительно любых других антенн, например антенн из фиг.4В-4С. В качестве варианта удлинительные модули могут быть снабжены соединительным устройством, которое позволяет фиксировать антенны в любом заданном азимутальном положении, что делает модули 406 и 422 эквивалентными. В качестве еще одного варианта может быть предусмотрен многоосный антенный модуль 428, показанный на фиг.4Е, позволяющий осуществлять виртуальное управление юстировкой антенны. Виртуальное управление включает в себя объединение результатов измерений, выполненных с помощью или при использовании различных антенн 430, 432 и 434, для синтеза результата измерения, которое должно осуществляться с помощью или при использовании антенны, ориентированной в направлении произвольного угла и азимута.

Как описывалось выше, каждый приборный модуль включает в себя выемку по внешней окружности трубчатого элемента. Антенна расположена в выемке в трубчатом приборном узле, при этом она не выходит за пределы радиального профиля и не препятствует размещению приборной колонны внутри ствола скважины. В некоторых вариантах осуществлений при желании антенна может быть намотана на не имеющий выемки сегмент трубчатого элемента, возможно, между лентами защиты от износа.

На фиг.5 показан базовый модуль 102 из фиг.2, соединенный с удлинительным модулем 406, имеющим наклонную антенну, что позволяет осуществлять азимутально-чувствительные измерения, которые могут быть использованы для обеспечения геоуправления относительно близлежащих границ пласта. Подробности способов, пригодных для определения расстояния и направления на близлежащие границы пласта, можно найти, например, в патенте США № 7019528 под названием “Electromagnetic wave resistivity tool having a tilted antenna for geosteering within a desired payzone” (Michael Bittar); и в совместно рассматриваемой заявке на патент США (реестр 1391-681.01 поверенного) под названием “Tool for azimuthal resistivity measurement and bed boundary detection” (также Michael Bittar).

На фиг.6 показан модульный приборный узел для каротажа удельного сопротивления/геоуправления, выполненный из модулей из фиг.4А-4Е. Как можно без труда понять, использование модулей позволяет получать конструкцию специализированных приборов для каротажа удельного сопротивления, которые могут быть наилучшим образом использованы для новых способов каротажа и геоуправления. Кроме того, при повреждении антенн или электроники отдельные модули можно без больших затрат отремонтировать или заменить, что продлевает срок службы прибора.

Как показано на фиг.7, еще более значимой является возможность размещения приборных модулей для каротажа удельного сопротивления в промежутках между других инструментами или трубчатыми элементами. В узле из фиг.7 прибор, например устройство для геоуправления или другой каротажный прибор 702, расположен между приборными модулями для каротажа удельного сопротивления. Такая компоновка позволяет осуществлять глубинные измерения удельного сопротивления без необходимости в том, чтобы сам прибор для каротажа удельного сопротивления был чрезмерно длинным. Кроме того, эта способность может позволять располагать части прибора для каротажа удельного сопротивления намного ближе к буровому долоту, что дает возможность более раннего обнаружения приближающихся границ пласта.

По меньшей мере, в некоторых осуществлениях прибор 702 является стабилизатором, имеющим регулируемые лопасти в соответствии с раскрытием в обычным образом переуступленных патентах США № 5318137 и № 5318138, идеи которых включены в настоящую заявку посредством ссылки. Как раскрыто в этих патентах, угол наклона забойной компоновки может быть изменен путем избирательного изменения протяженности лопастей стабилизатора. Как должен сразу же признать специалист в данной области техники, направление бурового долота также можно изменять в соответствии с другими способами, например путем избирательного включения и выключения забойного двигателя, регулирования угла изгиба в механизме искривления двигателя или изменения нагрузки на долото системы.

Согласно некоторым осуществлениям модульный прибор для каротажа удельного сопротивления может быть собран в полевых условиях, например на месте расположения скважины. Различные приборные узлы могут быть образованы с различной степенью поворота вокруг продольной оси каждого приборного модуля относительно других приборных модулей. Возможность изменения конфигурации существующей приборной колонны позволяет собирать больше данных относительно формации, окружающей ствол скважины. Поэтому могут быть определены более робастные и качественные графики удельного сопротивления для удержания бурильного оборудования в надлежащем направлении. Использование приборных узлов, описанных выше, для прибора геоуправления повышает модульность, надежность и снижает затраты на изготовление, техническое обслуживание, проектирование, повторное использование и замену.

На фиг.8 показана структурная схема примера осуществления электроники базового и удлинительного модулей. После сборки различные модули соединяют с помощью однопроводной приборной шины 802. В некоторых осуществлениях при сборке прибора кабель пропускают через внутренние отверстия приборов и вручную присоединяют к клеммным колодкам внутри приборных модулей. В некоторых вариантах осуществлений приборный магистральный кабель пропускают через отверстие или закрытый канал в стенке прибора и присоединяют к контактам или индуктивным элементам связи на каждом конце модуля. Когда модули соединяют друг с другом, вследствие геометрии соединения эти контакты или индуктивные элементы связи устанавливаются в положение электрического соединения. Например, в резьбовой компоновке соединения труб с внутренней и наружной резьбой часть соединения с внутренней резьбой может включать в себя проводящий охватываемый штырь, удерживаемый на месте на центральной оси с помощью одного или нескольких опорных элементов из внутренней стенки модуля. Аналогичным образом, когда резьбовое соединение затягивают, согласованное охватывающее гнездо может удерживаться на месте на центральной оси части соединения с наружной резьбой и располагаться для осуществления электрического контакта с охватываемым штырем. Уплотнительное кольцо может быть предусмотрено для поддержания электрического соединения сухим во время операций бурения. В системах, требующих свободного отверстия, электрический соединитель может быть видоизменен с образованием кольцевого соединения, в котором кругообразно симметричный нож соприкасается с круговым гнездом, и в этом случае имеется уплотнительное кольцо для поддержания электрического соединения сухим. Известны и могут быть использованы другие подходящие электромеханические соединители.

В осуществлении, показанном на фиг.8, приборная шина 802 индуктивно связана с электроникой модуля через трансформатор 804. Источник 806 питания отбирает энергию переменного тока с приборной шины и повышает качество энергии, предназначенной для использования другими узлами электроники. Двусторонняя связь с другими модулями осуществляется с помощью модема 808 под управлением контроллера 810. Контроллер 810 работает в соответствии с микропрограммным обеспечением и программным обеспечением, сохраняемыми в запоминающем устройстве 812, чтобы осуществлять координацию работы с другими модулями и управлять передатчиком 814 и приемником 816 каждой антенны 818. При излучении электромагнитного сигнала в формацию с контроллера подается сигнал синхронизации по приборной шине к другим модулям. При работе приемника контроллер принимает сигнал, синхронизирующий импульс, и начинает преобразовывать в цифровую форму и сохранять принимаемый сигнал (сигналы) в запоминающем устройстве для последующей передачи в модуль питания и управления.

На фиг.9 представлен пример схемы антенны 818. Антенна 818 включает в себя несколько рамок из провода, окружающего центральный сердечник 905. Выводы 910, 915, 920, 925 присоединены к различным рамкам, что позволяет с помощью электроники передатчика или приемника изменять число эффективных витков в рамке. При приложении переменного тока к рамке 818 создается электромагнитное поле. И наоборот, переменное электромагнитное поле в окрестности антенны 818 наводит напряжение на выводах. Таким образом, антенна 818 может быть использована для излучения или приема электромагнитных волн.

На фиг.10А показан детальный вид двух частично собранных модулей 402 и 412. На этом виде можно видеть дверцу 1008 отсека для электроники передатчика/приемника антенны 406 в модуле 402, но саму антенну на этом виде нельзя видеть, поскольку она защищена слоем чередующихся лент 1010 и 1012. Ленты 1012 представляют собой стальные износные планки для защиты антенны от повреждения. Чтобы исключить подавление сигнала на антенне стальными износными планками 1012, их ориентируют перпендикулярно к плоскости антенны и чередуют с лентами из изоляционного материала 1010.

Антенны 416 и 420 модуля 412 показаны закрепленными в соответствующих выемках 414 и 418 поддерживающими планками 1002 и 1004. Пространство вокруг антенн должно быть заполнено поддерживающим материалом, а защитная структура помещена поверх антенн для обеспечения сопротивления износу. Также видны дверцы 1006 отсеков для электроники передатчика/приемника антенн 416 и 420.

На фиг.10В показано первое осуществление защитной структуры, предназначенной для размещения поверх наклонных антенн. Защитная структура представляет собой втулку 1013, состоящую из трубчатого корпуса 1014, имеющего систему окон 1016, расположенных так, что они совпадают с одной или несколькими наклонными антеннами. В некоторых осуществлениях окна являются, по существу, прямоугольными, при этом ближайшие к антенне края ориентированы в основном перпендикулярно к плоскости антенны. Крепежные отверстия 1018 могут быть предусмотрены в качестве средства для прикрепления крышки к корпусу прибора. Для защиты антенн крышку 1013 изготавливают из материалов, которые ведут себя подобно жесткой оболочке. Трубчатый корпус 1014 можно изготавливать из проводящего или непроводящего материала, и в, по меньшей мере, некоторых осуществлениях трубчатый корпус состоит из немагнитной стали. Трубчатый корпус 1014 может быть покрыт, например, карбидом вольфрама. Трубчатый корпус 1014 имеет открытые концы, так что его можно надвигать на корпус модуля и снимать с него, что позволяет прикреплять модуль к другим модулям любым концом. Форма, толщина, диаметр и длина трубчатого корпуса 1014 могут изменяться от одного применения к другому. Число окон может изменяться от одного применения к другому, и размеры, разнесение и другие характеристики каждого окна или каждого набора окон могут изменяться от одного применения к другому.

Крепежные отверстия 1018 могут быть использованы для прикрепления крышки 1013 к корпусу модуля. Как таковые, подогнанные отверстия могут быть образованы в модуле, и винты или другие известные средства могут быть использованы для присоединения крышки 1013 к корпусу модуля. Таким средством в дополнение к прессовой посадке может быть сварка или другой дополнительный способ удержания крышки 1013 на месте.

На фиг.10C-10D показаны два вида защитной крышки 1013 на своем месте на модуле 412. С пояснительной целью крышка 1013 показана как выполненная из полупрозрачного материала, чтобы дать наглядное представление о взаимном расположении антенн 416, 420 и окон 1016, вырезанных в защитной крышке 1013. Предполагается, что крышка 1013 содержит сталь или некоторый другой электропроводный металл. Поэтому для предотвращения подавления сигнала на антенне токами, наводимыми в защитной крышке 1013, окна 1016 вырезаны с краями, перпендикулярными к антеннам 416, 420.

На фиг.10С показан вид сбоку защитной крышки 1013 на своем месте на приборном модуле 412. Наклонные выемки 414, 418 и антенны 416, 420 находятся под системой окон 1016. В случае стыковки надлежащим образом окна 1016 располагаются выше и перпендикулярно к антеннам 416, 418 по окружности модуля 412. На фиг.10С дополнительно показано, что в некоторых осуществлениях антенны 416, 420 отклонены на 45° от оси прибора.

На фиг.10D показан вид снизу защитной крышки 1013 на своем месте на приборном модуле 412. На виде снизу показан дополнительный вид расположенных под углом выемок, наклонных антенн и окон, расположенных перпендикулярно к антеннам 416, 420 по окружности модуля 412. На фиг.10С и 10D показаны дверцы 1006 отсеков в приборном модуле 412. Герметизированная полость под каждой дверцей отсека содержит электронику для излучения и приема сигналов с помощью соответствующих антенн 416, 420. Объем выемок 414, 418 и окон 1016 и другие участки могут быть заполнены и герметизированы для предотвращения проникновения промывочной жидкости и другого материала. Подходящие способы могут включать в себя способы, описанные в патенте США № 5563512. Однако предпочтительно, чтобы материал для уплотнения не ухудшал значительно способность окон 1016 пропускать излучаемую и отражаемую энергию.

В качестве варианта использования защитной крышки 1013 наклонные антенны можно защищать, используя расположенные слоями износные ленты 1012, подобные показанным на фиг.10А. На фиг.11А показан прибор 500 для каротажа удельного сопротивления, имеющий модуль 505 с расположенной под углом выемкой 510, имеющей наклонную антенну 515. Выемка имеет заплечики 525 для поддержания расположенной слоями ленточной структуры 550, показанной на фиг.11В. Структура содержит изоляционный материал 555, содержащий стальные износные планки 560, ориентированные в основном по ширине структуры. Изоляционный материал 555 предотвращает протекание токов, которые подавляют сигнал на антенне.

На фиг.11С показан вид сбоку другой вариант крышки 572, имеющей систему окон, которые совмещены с наклонной антенной. Крышка 572 представляет собой ленту 574, имеющую окна 576. Крышка 572 поддерживается заплечиками 525 и, возможно, дополнительно любыми антенными опорами. Предпочтительно, чтобы аналогично окнам 1016 окна 576 были совмещены с антенной, в этом случае с антенной 515, и расположены перпендикулярно к ней. Как ранее упоминалось относительно крышки 1013 и окон 1016, материалы, используемые для образования крышки 572, и размеры крышки и окон можно изменять от одной реализации к другой. Точно также окна 576 и другие участки могут быть герметизированы известным способом для предотвращения проникновения промывочной жидкости и другого материала. Крышка 572 может быть прикреплена к сегменту 500 любым известным способом (способами) крепления, например винтами, обжатием, зажимом (зажимами). Уплотнительная прокладка может быть прикреплена к крышке 572 или заплечикам 525.

На фиг.11D показан вид спереди крышки 572. Крышка 572 может быть вырезана из плоского листа стали и ее форма изменена до получения (наклонной) цилиндрической конфигурации. После того как она установлена в выемку, можно выполнить сварку по стыку 582 для закрепления крышки на месте. Лапки 578 могут быть предусмотрены для предотвращения поворота крышки и вырезы 580 могут быть предусмотрены для установки поблизости крышек доступа, закрепления технических средств и других элементов прибора. Заявитель отмечает, что конфигурации окон необязательно должны быть одинаковыми по форме и размеру, такими же как окно, показанное позицией 584.

Для иллюстрации взаимосвязи антенны 515 и окон на фиг.11Е показана крышка 572 на своем месте на частично собранном каротажном приборе. Внутри полученной механической обработкой выемки 588 находятся полость 590 для электроники и различные резьбовые отверстия для закрепления электроники и дверцы отсека. Согласованная выемка 586 с дополнительными резьбовыми отверстиями позволяет закреплять дверцу отсека (под крышкой 572) на протяжении ширины выемки для антенны, что создает желоб для прокладки проводов между антенной и электроникой, если это необходимо. На практике антенна не будет видимой, поскольку эллиптическая выемка и окна крышки будут заполнены некоторым изоляционным материалом для поддержания и защиты антенны.

После сборки, введения в ствол скважины и включения в приборном узле для каротажа удельного сопротивления/геоуправления в свою очередь возбуждаются различные передатчики и собираются результаты измерений с каждого приемника. В некоторых осуществлениях базовый модуль включает в себя технические средства для ориентации и отслеживания местоположения, тогда как в других осуществлениях для базового модуля доступна информация об ориентации и местоположении, предоставляемая другим модулем. В еще других осуществлениях базовый модуль передает результаты соответствующих измерений на другой прибор, имеющий доступ к информации о местоположении и ориентации. Хотя нижеследующее описание фиг.12 будет происходить в предположении, что базовый модуль выполняет описанные действия, при этом в качестве варианта эти действия могут осуществляться тем или иным из компонентов системы.

Согласно блоку 1202 удлинительные модули соединяют с базовым модулем. В некоторых осуществлениях удлинительные модули просто привинчивают к забойной компоновке или приборной колонне с базовым модулем и устанавливают электрические контакты в соединителях в соединение с приборной шиной. Известны и могут быть использованы другие подходящие способы соединения.

Согласно блоку 1204 в базовом модуле идентифицируется каждый из удлинительных модулей, с которым он соединен. Предпочтительно, чтобы каждый удлинительный модуль включал в себя запрограммированное уникальное имя вместе с некоторым указателем типа модуля (например, передатчик, приемник, ориентация антенны и простая или дифференциальная конфигурация) и номер версии для обеспечения возможности выполнения этого процесса идентификации автоматически базовым модулем. Однако специализированную конфигурацию или программирование промысловым инженером также можно использовать в качестве способа при сборке прибора.

После того как в базовом модуле завершен процесс идентификации, согласно блоку 1206 в нем инициируется процедура синхронизации часов. Для гарантии точности измерений процесс синхронизации может повторяться или корректироваться перед каждым измерением. В некоторых осуществлениях каждый модуль имеет свои высокоточные часы и в базовом модуле только определяется относительный уход времени для каждого модуля путем использования процесса запроса и ответа. Кроме того, для дальнейшего уточнения в базовом модуле может определяться и отслеживаться скорость изменения ухода времени всех часов.

Согласно блоку 1208 в базовом модуле определяются измеряемые параметры и они передаются в соответствующие удлинительные модули. Например, измеряемые параметры могут указывать на излучающую антенну, заданную частоту и установку мощности и заданное время возбуждения. (Заданное время возбуждения можно обозначить, используя специальный запускающий сигнал на шине.) Кроме того, при использовании импульсных сигналов можно задавать форму и длительность импульса.

Согласно блоку 1210 осуществляют возбуждение передатчика и измерение фазы и затухания на приемниках. Эти измерения выполняют относительно любого одного из нескольких возможных опорных сигналов. Фазу можно измерять относительно отдельных часов, относительно фазы излучаемого сигнала или относительно фазы принимаемого сигнала с другой антенны. Точно также затухание можно измерять относительно калибровочного значения, относительно заданной установки мощности излучения или относительно амплитуды принимаемого сигнала с другой антенны. Базовый модуль обменивается информацией с каждым из удлинительных модулей для сбора результатов измерений с приемников. Кроме того, когда удлинительный модуль излучает сигнал, фактическое время излучения может быть получено, если оно измеряется в этом модуле.

Согласно блоку 1212 в базовом модуле определяется ориентация прибора и обрабатываются результаты измерений фазы и затухания, соответственно. В некоторых осуществлениях прибор поворачивают, когда в нем собираются результаты измерений. Результаты измерений сортируются в азимутальные бины и объединяются с результатами других измерений из этого бина. Путем объединения результатов измерений таким образом можно снизить погрешность измерений. В базовом модуле результаты измерений обрабатываются для определения азимутальной и радиальной зависимости измерений и дополнительно может формироваться сигнал геоуправления путем использования разности между результатами измерений при противоположных ориентациях или между результатами измерений для данного бина и среднего из всех бинов.

При желании согласно блоку 1214 в базовом модуле данные сжимаются до запоминания их во внутреннем запоминающем устройстве и/или данные подаются на телеметрический передатчик для передачи на поверхность. Согласно блоку 1216 в базовом модуле определяется, должен ли продолжаться каротаж, и, если это так, повторение операций начинается с блока 1206.

Хотя приведенное выше описание было сосредоточено на использовании азимутально-чувствительных измерений удельного сопротивления, чтобы получать возможность геоуправления относительно границ пласта, такие измерения также можно использовать для образования дополнительных стволов скважины, в основном параллельных одному или нескольким существующим стволам скважины. Существующие стволы скважины могут быть заполнены флюидом, имеющим удельное сопротивление, сильно отличающееся от удельного сопротивления окружающих формаций. При бурении нового ствола скважины азимутально-чувствительный прибор для каротажа удельного сопротивления позволяет обнаруживать направление на существующие стволы скважины и расстояние до них. Точное размещение в основном параллельных стволов скважины позволяет использовать такие способы, как гравитационное дренирование при закачке пара, при котором пар закачивают из первого ствола скважины в формацию для нагревания формации, вследствие чего повышается текучесть углеводородов. В таком случае эти углеводороды вытекают из коллектора во второй ствол скважины, значительно повышая дебит коллектора.

Хотя настоящее изобретение было описано относительно ограниченного числа осуществлений, специалисты в данной области техники найдут многочисленные модификации и варианты его. Например, предполагается, что раскрытые способы конструирования прибора можно использовать в спускаемых на каротажном кабеле приборах, а также приборах для каротажа в процессе бурения. При каротаже в процессе бурения бурильная колонна может быть спускаемой на кабеле или бескабельной бурильной трубой, или на гибкой трубе. Подразумевается, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие модификации и варианты как попадающие в рамки истинной сущности и объем этого настоящего изобретения.

Извлекаемый прибор для управления направлением бурения сквозь подземную формацию включает в себя первый приборный узел (406) и наклонную антенну (410), прикрепленную к первому приборному узлу (406). Прибор также включает в себя второй приборный узел (422), прикрепленный к первому приборному узлу (406), и наклонную антенну (426), прикрепленную ко второму приборному узлу (422). Первый приборный узел (406) прикреплен ко второму приборному узлу (422) так, что антенны (410, 426) наклонены в заданные направления. Наклонные антенны (410, 426) являются излучающими антеннами или приемными антеннами. Каждый приборный узел представляет собой трубчатый цилиндр с продольной осью, проходящей по длине цилиндра, при этом трубчатый цилиндр имеет два конца, каждый конец включает в себя поворотное устройство крепления. Приборные узлы прикреплены друг к другу посредством их поворотных устройств крепления. Поворотное устройство крепления может быть винтовым устройством, устройством с прессовой посадкой или сварным устройством. Модульный приборный узел при бурении скважин позволяет обнаруживать приближающиеся границы пласта и избегать приближения к ним, что является техническим результатом предложенного технического решения. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 23 ил.

1. Способ каротажа, содержащий этапы, на которых:
соединяют удлинительный модуль с базовым модулем; и осуществляют работу удлинительного модуля и базового модуля совместно для, по меньшей мере, одного из: обнаружения азимутальных изменений в удельном сопротивлении формации и управления направлением бурения, причем базовый модуль содержит прибор для каротажа удельного сопротивления, имеющий, по меньшей мере, одну излучающую антенну и, по меньшей мере, одну приемную антенну, причем удлинительный модуль включает в себя наклонную приемную антенну для осуществления азимутально-чувствительных измерений в ответ на работу излучающей антенны в базовом модуле.

2. Способ каротажа по п.1, в котором азимутально-чувствительные измерения содержат, по меньшей мере, одно из фазового сдвига и затухания между наклонной приемной антенной и опорным сигналом.

3. Способ каротажа по п.2, в котором опорный сигнал является излучаемым сигналом или принимаемым сигналом с другой приемной антенны.

4. Способ каротажа по п.1, в котором азимутальные изменения используют для определения сигнала геоуправления.

5. Способ каротажа по п.1, в котором удлинительный модуль работает под управлением базового модуля.

6. Способ каротажа по п.5, в котором базовый модуль автоматически обнаруживает удлинительный модуль и управляет им при подаче питания.

7. Способ каротажа по п.1, в котором указанное соединение осуществляют через посредство, по меньшей мере, одного промежуточного трубчатого элемента.

8. Способ каротажа по п.1, дополнительно содержащий соединение второго удлинительного модуля с базовым модулем, при этом второй удлинительный модуль работает под управлением базового модуля.

9. Способ каротажа по п.1, в котором удлинительный модуль соединяют с базовым модулем с помощью крепежного средства из набора, состоящего из винтового соединителя, соединителя с прессовой посадкой и сварочного шва.

10. Способ каротажа по п.1, в котором удлинительный модуль представлен из набора взаимозаменяемых удлинительных модулей, выполненных с возможностью получения дифференциальных измерений при соединении с базовым модулем.

11. Способ каротажа по п.10, в котором набор взаимозаменяемых удлинительных модулей включает в себя модули, имеющие различное число антенн.

12. Способ каротажа по п.10, в котором набор взаимозаменяемых удлинительных модулей включает в себя модули, имеющие антенны с различными ориентациями.

13. Способ каротажа по п.10, в котором набор взаимозаменяемых удлинительных модулей включает в себя излучающие модули, имеющие различные мощности излучения.

14. Способ каротажа по п.10, в котором набор взаимозаменяемых удлинительных модулей включает в себя приемные модули, имеющие различные чувствительности.

15. Приборный узел для геоуправления, который содержит:
базовый модуль; и
удлинительный модуль, который соединен с базовым модулем для совместного обнаружения азимутальных изменений в удельной сопротивлении формации для управления направлением бурения, причем базовый модуль содержит прибор для каротажа удельного сопротивления, имеющий, по меньшей мере, одну излучающую антенну и, по меньшей мере, одну приемную антенну, причем удлинительный модуль включает в себя наклонную приемную антенну для осуществления азимутально-чувствительных измерений в ответ на работу излучающей антенны в базовом модуле.

16. Удлинительный модуль, который содержит:
резьбовой соединитель, который механически соединен с базовым модулем и создает путь прохождения электрического сигнала с базовым модулем при таком соединении; и
электронику, которая работает совместно с базовым модулем для, по меньшей мере, одного из: обнаружения азимутальных изменений в удельном сопротивлении формации и управления направлением бурения, причем базовый модуль содержит прибор для каротажа удельного сопротивления, имеющий, по меньшей мере, одну излучающую антенну и, по меньшей мере, одну приемную антенну, причем удлинительный модуль включает в себя наклонную приемную антенну для осуществления азимутально-чувствительных измерений в ответ на работу излучающей антенны в базовом модуле.