СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОГО ИНДУКЦИОННОГО КАРОТАЖА И КАРОТАЖА С ФОРМИРОВАНИЕМ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2012 года по МПК G01V3/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способам скважинных исследований, в частности к исследованию распределения удельного сопротивления пласта, окружающего ствол скважины.

Описание уровня техники

Приборы индукционного каротажа сопротивлений хорошо известны из техники. Приборы индукционного каротажа сопротивлений используют для определения удельной электрической проводимости и обратного ей удельного сопротивления пластов горных пород, через которые проходит скважина. Удельную проводимость пласта горных пород определяют исходя из результатов измерения магнитного поля токов Фуко, которые прибор индуцирует в толще, прилегающей к стволу скважины. Среди прочего, удельную электрическую проводимость используют для прогнозирования содержания флюида в пластах горных пород. Обычно более низкая удельная проводимость (более высокое удельное сопротивление) сопутствует нетфегазоносным пластам. Физические принципы каротажа скважин методом электромагнитной индукции подробно описаны, например, в работе J.Н.Moran и К.S.Kunz "Basic Theory of Induction Logging and Application to Study of Two-Coil Sondes", журнал "Geophysics", том. 27, №6, часть 1, стр.829-858, издательство Общества геофизиков-разведчиков, декабрь 1962 г. Известно множество усовершенствований и модификаций приборов индукционного каротажа методом сопротивлений, описанных в упомянутой работе Moran и Kunz, некоторые из которых описаны, например, в патенте US 4837517, выданном на имя Barber, патенте US 5157605, выданном на имя Chandler и др., и в патенте US 5600246, выданном на имя Fanini и др.

Обычный геофизический прибор индукционного каротажа сопротивлений представляет собой зонд, спускаемый в ствол скважины и имеющий сенсорный участок, содержащий излучатель и приемник и другое, главным образом, электрическое оборудование для измерения данных с целью прогнозирования физических параметров, характеризующих пласт. Сенсорный участок или сердечник (корпус) содержит индукционные излучатели (генераторы) и приемники, расположенные вдоль оси прибора в порядке, зависящем от конкретного оборудования или технических характеристик прибора. Электрическое оборудование генерирует электрическое напряжение, которое затем прикладывают к генераторной катушке индуктивности, т.е. катушке излучателя, преобразует сигналы, поступающие от приемных катушек индуктивности, обрабатывает зарегистрированные данные и сохраняет их или с помощью телеметрии передает данные на поверхность земли по каротажному кабелю, который используют для спуска прибора в ствол скважины.

В обычных методах индукционного каротажа используют катушки, навитые на изолирующий сердечник. На одну или несколько генераторных катушек подают переменный ток. Колебательное магнитное поле, создаваемое данной конструкцией, порождает в пластах токи, которые почти пропорциональны удельной проводимости пласта. Эти токи, в свою очередь, вызывают наведение напряжения в одной или нескольких приемных катушках. Путем выбора только составляющей напряжения, совпадающей по фазе с током излучателя, может быть получен сигнал, который приблизительно пропорционален удельной проводимости пласта горных пород. В обычной аппаратуре индукционного каротажа оси основной генераторной катушки и приемной катушки совмещены с продольной осью каротажного прибора. (Для простоты пояснения предполагается, что ось скважины совмещена с осью каротажного прибора и проходит в вертикальном направлении. Таким образом, генераторная и приемная катушки, совмещенные с продольной осью, являются "вертикально ориентированными".) Эта компоновка обычно индуцирует в пластах вторичные токовые контуры, концентричные вертикально ориентированным генераторной и приемной катушкам. Получаемые результаты измерения удельной проводимости являются показателем горизонтальной удельной проводимости (или удельного сопротивления) окружающих пластов. Некоторые пласты могут иметь анизотропные профили удельных проводимостей, в результате чего удельная проводимость, измеренная в вертикальном направлении, отличается от удельной проводимости, измеренной в горизонтальном направлении. Эта анизотропная удельная проводимость может быть обнаружена путем использования дополнительных катушек, ориентированных по осям, отличающимся от вертикальной оси.

В отрасли известна многокомпонентная аппаратура индукционного каротажа, которая позволяет получать данные, касающиеся как вертикальной, так горизонтальной удельных проводимостей. Обычно такая аппаратура имеет набор катушек индуктивности, ориентированных в определенных направлениях, распределенных вдоль датчика (сердечника) в виде особых компоновок или групп. Типичная компоновка включает три генераторные катушки, одна из которых является вертикально ориентированной, а две - поперечно ориентированными (ориентированными в плоскости, перпендикулярной продольной оси). Обычно эти катушки образуют ортогональную систему и могут генерировать магнитные поля, преимущественно ориентированные по осям x, y и z, при этом ось z часто является вертикальной осью. Вертикально ориентированная группа излучает поле в основном в продольном направлении и измеряет характеристику пласта в направлении, соосном продольной оси прибора. В вертикальном стволе скважины эта группа в целом служит для определения горизонтального удельного сопротивления пласта. В качестве альтернативы, радиально ориентированная (поперечная) группа излучает поле, ориентированное в основном в радиальном направлении, и в целом служит для определения вертикального удельного сопротивления пласта.

Известно, что в силу специфики конструкции каротажных зондов сердечник часто служит несущим элементом. Сердечник поддерживает целостность зонда, несет нагрузку, создаваемую приборами, которые закреплены ниже индукционного зонда, выдерживает значительный крутящий момент и т.д. Для выполнения всех упомянутых условий на сердечнике необходимо использовать значительное число металлических компонентов. Эти металлические компоненты обеспечивают путь тока через датчик для электрических приборов, отстоящих в положениях выше и ниже зонда. Наличие металлических объектов на сенсорном участке приводит к возникновению нежелательных осевых токов в этих металлических деталях и появлению систематических ошибок в характеристике зонда. Эти систематические ошибки часто называют "сдвигом". Способы борьбы с этими сдвигами рассмотрены, например, в патенте US 6586939, выданном на имя Fanini и др., правообладателем по которому является обладатель прав по настоящей заявке. Хотя проблема сдвигов является серьезной для радиальных расстановок, она почти несущественна для вертикальных расстановок.

При индукционном каротаже также сталкиваются с другой сложностью, которую называют "влияние диаметра скважины на данные каротажа" и которая воздействует на характеристики приборов индукционного каротажа посредством индуцированного тока вблизи поверхности сердечника. Эти токи возникают в результате магнитной индукции или создаются разностью потенциалов между верхним и нижним электронными компонентами прибора из-за того, что эти компоненты подвергаются воздействию проводящего бурового раствора. Магнитные поля, возбуждаемые индуцированным током, часто маскируют полезные характеристики пласта горных пород. Влияние диаметра скважины на данные каротажа может быть уменьшено путем ослабления этих индуцированных токов. Для учета влияния диаметра скважины на данные каротажа также может применяться особая программная постобработка, такая как многочастная фокусировка МЧФ (англ. сокр. MFF, от "multi-frequency focusing"). В патентах US 6573722 и 6624634, выданных на имя Rosthal и др., рассмотрены способы уменьшения влияния диаметра скважины на данные каротажа и описано в том числе использование тока, встречного индуцированному току, использование альтернативного пути для индуцированного тока и использование метода наложения.

Известно, что при индукционном каротаже, включая индукционный каротаж высокой четкости (ИКВЧ) с использованием множества вертикально ориентированных приемников, и многозондовый индукционный каротаж (МИК) с использованием излучателей и приемника, ориентированных во множестве направлений, в присутствии проводящего бурового раствора сталкиваются с влиянием диаметра скважины на данные каротажа. Если индуцированный ток протекает целиком через проводящий буровой раствор, это влияние обычно нейтрализуется. Вместе с тем, когда значительная доля индуцированного тока проходит через пласт, а удельная проводимость бурового раствора значительно выше, чем удельная проводимость пласта, это влияние диаметра скважины на данные каротажа может становиться значительным. В целом, влияние диаметра скважины на данные каротажа имеет место, когда сердечник децентрирован в стволе скважины таким образом, что возникает расстояние между сердечником и пластом (отклонение от стенки скважины).

Эффективным способом увеличения глубины исследования электромагнитных каротажных зондов является многочастная фокусировка (МЧФ). Методами МЧФ ослабляют значительную часть измеряемого сигнала. Таким образом, ослабление влияния диаметра скважины на данные каротажа является важным при испытании методом МЧФ, а также традиционном испытании прибора под действием осевой нагрузки.

Индуцированный ток может иметь неравномерное распределение плотности по металлической поверхности сердечника. Таким образом, чтобы получить скорректированный результат измерения, обычно требуется значительное количество вспомогательных данных (положение прибора, форма скважины, профиль зоны проникновения и т.д.). Получение скорректированного результата измерения желательно для последующих расчетов, таких как подробное трехмерное моделирование расчетной характеристики прибора и инвертирование данных.

Проблема влияния диаметра скважины на данные каротажа может быть сведена к минимуму, если это распределение индуцированного тока является известным или измерено. Таким образом, существует потребность в учете влияния индуцированных токов, возникающих из-за металлического сердечника, на результаты измерений, получаемые в стволе скважины с использованием проводящего бурового раствора. Этой потребности отвечает настоящее изобретение.

Краткое изложение сущности изобретения

Объектом изобретения является устройство для оценки пласта горных пород. Устройство содержит сердечник, доставляемый в скважину, проходящую через пласт. На сердечнике расположена излучающая антенна, которая при приведении ее в действие возбуждает электромагнитное поле в области, окружающей антенну. Приемная антенна выдает выходной сигнал как отклик на первый ток, создаваемый электромагнитным полем в пласте, и второй ток, создаваемый электромагнитным полем в скважине. На сердечнике имеется множество электродов, напряжения на которых характеризуют распределение второго тока. Сердечник может иметь верхний участок и нижний участок, а излучающая антенна может быть расположена между верхним участком и нижним участком. Излучающая антенна может иметь ось, ориентированную под ненулевым углом к продольной оси скважины. Электроды могут включать в себя первый набор электродов на верхнем участке и второй набор электродов на нижнем участке сердечника. Может быть предусмотрен третий набор электродов на верхнем участке сердечника и четвертый набор электродов на нижнем участке сердечника, причем третий и четвертый наборы электродов отделены соответственно от первого и второго набора электродов. Устройство может содержать прибор для измерения расстояния от сердечника до стенки скважины (отклонение от стенки скважины). Устройство может дополнительно содержать процессор, выполненный с возможностью использования результатов измерения расстояния до стенки скважины, напряжений на множестве электродов и выходного сигнала приемной антенны для оценки параметра удельного сопротивления пласта. Процессор может оценивать параметр удельного сопротивления с использованием модели, основанной на значениях напряжения на множестве электродов. Устройство может дополнительно иметь процессор, выполненный с возможностью использования выходного сигнала третьего и четвертого наборов электродов для формирования изображения пласта. Устройство может иметь средство транспортировки для доставки сердечника в ствол скважины. Средством транспортировки может являться каротажный кабель, бурильная труба или тросовый канат.

Еще одним объектом изобретения является способ оценки пласта горных пород. При осуществлении способа приводят в действие излучающую антенну, расположенную на сердечнике, доставляемом в скважину, проходящую через пласт, и возбуждают электромагнитное поле в области, окружающей антенну. Посредством приемной антенны получают выходной сигнал как отклик на первый ток, создаваемый электромагнитным полем в пласте, и второй ток, создаваемый электромагнитным полем в скважине. Посредством множества расположенных на сердечнике электродов получают напряжения, характеризующие распределение второго тока. Антенна может быть расположена между верхним участком сердечника и нижним участком сердечника. Излучающую антенну можно ориентировать под ненулевым углом к продольной оси скважины.

Еще одним объектом изобретения является машиночитаемый носитель данных для использования с устройством для оценки пласта горных пород, содержащим сердечник, доставляемый в скважину, проходящую через пласт, расположенную на сердечнике излучающую антенну, способную возбуждать электромагнитное поле в области, окружающей антенну, приемную антенну, способную выдавать выходной сигнал как отклик на первый ток, создаваемый электромагнитным полем в пласте, и второй ток, создаваемый электромагнитным полем в скважине, и множество электродов, расположенных на сердечнике таким образом, что напряжения на них характеризуют распределение второго тока. На носителе данных содержатся команды, позволяющие процессору использовать напряжения на множестве электродов и выходной сигнал приемной антенны для оценки параметра удельного сопротивления пласта. Машиночитаемым носителем данных может быть постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (СППЗУ), электрически-стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ), флэш-память и оптический диск.

Краткое описание чертежей

Для более подробного раскрытия настоящего изобретения ниже рассмотрен один из примеров его осуществления, поясняемый чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых показано:

на фиг.1 (уровень техники) - схематическое изображение буровой системы с бурильной колонной, на которой установлена буровая компоновка, доставляемая в скважину для бурения ствола и осуществления измерений,

на фиг.2 (уровень техники) - конфигурация генераторной и приемной катушек прибора индукционного каротажа 3DExplorer™ (3DEX™) компании "Бейкер Хьюз",

на фиг.3 - пример радиальной компоновки излучателей на сердечнике, расположенном по центру скважины,

на фиг.4 - пример протекания индуцированного тока под влиянием пути тока через пласт,

на фиг.5 - сердечник, имеющий верхнюю и нижнюю полосы измерительных компактных дисковых электродов для измерения индуцированного тока,

на фиг.6 - множество полос дисковых электродов, распределенных вдоль сердечника, окружающего радиальную генераторную катушку, для получения обратного тока и измерения падения напряжения индуцированного тока,

на фиг.7 - пример схемы для осуществления измерений индуцированного тока, и

на фиг.8 - блок-схема, иллюстрирующая некоторые шаги одного из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Предлагаемые в настоящем изобретении устройство и способ рассмотрены применительно к измерениям во время бурения, когда каротажный прибор доставляют на бурильной трубе. Это не следует считать ограничением, поскольку настоящее изобретение также применимо с каротажным кабелем. На фиг.1 схематически показана буровая система 10 с бурильной колонной 20, на которой установлена буровая компоновка 90 (также называемая компоновкой низа бурильной колонны или "КНБК"), которую доставляют в ствол 26 скважины для бурения. Буровая система 10 имеет обычную буровую вышку 11, установленную на полу 12, на который опирается буровой ротор 14, которому придает вращение с требуемой частотой вращения первичный привод, такой как электродвигатель (не показан). Бурильная колонна 20 включает насосно-компрессорную колонну, такую как бурильная труба 22 или гибкие НКТ, проходящие с поверхности в ствол 26 скважины. Бурильную колонну 20 проталкивают в ствол 26 скважины, когда в качестве гибких НКТ используют бурильную трубу 22. Однако в случае применения гибких НКТ для подачи гибких НКТ из их источника, такого как барабан-накопитель (не показан), в ствол 26 скважины используют устройство захвата и подачи непрерывной колонны НКТ (не показано). Для бурения ствола 26 скважины придают вращение прикрепленной к концу бурильной колонны головке 50 бура, которая разрушает породу. Если используют бурильную трубу 22, бурильную колонну 20 посредством квадратной штанги 21, вертлюга 28 и линии 29 через шкив 23 соединяют с буровой лебедкой 30. В процессе бурения управляют лебедкой 30, чтобы регулировать осевую нагрузку на головку бура, которая является важным параметром, влияющим на механическую скорость бурения. Поскольку работа лебедки хорошо известна из техники, она подробно не описана.

В процессе бурения соответствующий буровой раствор 31 из резервуара (источника) 32 для бурового раствора с помощью бурового насоса 34 под давлением подают по каналу в бурильной колонне 20. Буровой раствор поступает из бурового насоса 34 в бурильную колонну 20 через поглотитель гидравлического удара (не показан), трубопровод 38 для жидкости и квадратную штангу 21. Буровой раствор 31 выпускают на дне 51 скважины через отверстие в головке 50 бура. Буровой раствор 31 поступает вверх через затрубное пространство 27 между бурильной колонной 20 и стволом 26 скважины и возвращается в резервуар 32 для бурового раствора по обратной линии 35. Буровой раствор действует в качестве смазки головки 50 бура и уносит обломки и осколки выбуренной породы от головки 50 бура. Датчик S₁, обычно расположенный на линии 38, обеспечивает информацию о расходе флюида. Наземный датчик S₂ крутящего момента и датчик S₃, связанный с бурильной колонной 20, соответственно обеспечивают информацию о крутящем моменте и частоте вращения бурильной колонны. Кроме того, для определения нагрузки на крюк бурильной колонный 20 используют датчик (не показан), связанный с линией 29.

В одном из вариантов осуществления для вращения головки 50 бура придают вращение лишь бурильной трубе 22. В другом варианте осуществления изобретения для вращения головки 50 бура на буровой компоновке 90 установлен забойный двигатель 55 (забойный турбинный двигатель), а вращение бурильной трубы 22 обычно используют, чтобы дополнить крутящий момент, если это необходимо, и изменить направление бурения.

В одном из примеров варианта осуществления, показанном на фиг.1, забойный турбинный двигатель 55 связан с головкой 50 бура ведущим валом (не показан), установленным на блоке 57 подшипников. Буровой раствор 31 под давлением проходит через забойный турбинный двигатель 55, который придает вращение головке 50. Блок 57 подшипников принимает на себя радиальное и осевое усилия головки бура. Стабилизатор 58, связанный с блоком 57 подшипников, действует в качестве центратора нижней части узла забойного турбинного двигателя.

В одном из вариантов осуществления вблизи головки 50 бура расположен модуль 59 датчиков бурения. Модуль датчиков бурения имеет датчики, схемы, а также программное обеспечение и алгоритмы обработки, связанные с динамическими параметрами бурения. Такие параметры обычно включают измерения продольной вибрации бурового долота, неравномерности движения буровой компоновки, обратного вращения, крутящего момента, ударов, скважинного и затрубного давления, ускорения и другие показатели состояния головки бура. Также предусмотрен соответствующий канал 72 телеметрии или связи с использованием, например, двусторонней телеметрии, как это показано применительно к буровой компоновке 90. Модуль датчиков бурения обрабатывает информацию и через систему 72 телеметрии передает ее наземному блоку 40 управления.

Канал 72 связи, силовая установка 78 и прибор 79 для измерений во время бурения (ИПБ, от английского - measurement-while-drilling) последовательно соединены с бурильной колонной 20. Для соединения прибора 79 ИПБ в буровой компоновке 90 используют, например, гибкие переводники. Такие переводники и приборы образуют забойную буровую компоновку 90 между бурильной колонной 20 и головкой 50 бура. Буровая компоновка 90 служит для осуществления различных измерений, включая измерения импульсного ядерного магнитного резонанса в процессе бурения ствола 26 скважины. По каналу 72 связи принимают сигналы и результаты измерений и передают сигналы с использованием двусторонней телеметрии, например, для обработки на поверхности. В качестве альтернативы, сигналы могут быть обработаны с использованием скважинного процессора, установленного на буровой компоновке 90.

Наземный блок 40 управления или процессор также принимает сигналы скважинных датчиков и устройств и сигналы датчиков S₁-S₃ и других датчиков, используемых в системе 10, и обрабатывает такие сигналы согласно запрограммированным командам, передаваемым наземному блоку 40 управления. Наземный блок 40 управления отображает необходимые параметры бурения и другую информацию на дисплее/мониторе 42, который использует оператор для управления бурением. Наземный блок 40 управления обычно имеет компьютер или систему обработки данных на базе микропроцессора, память для хранения программ или моделей и данных, устройство регистрации данных и другие периферийные устройства. В случае возникновения небезопасных или нежелательных условий эксплуатации блок 40 управления обычно рассчитан на приведение в действие сигнализации 44.

На фиг.2 (уровень техники) показана конфигурация генераторных и приемных катушек прибора индукционного каротажа 3DExplorer™ (3DEX) компании "Бейкер Хьюз". Три ортогональных излучателя 201, 203 и 205, обозначенных как T_x, T_z и T_y, расположены в показанном порядке. Все три излучателя индуцируют магнитные поля в трех направлениях в пространстве. Нижние индексы (x, y, z) служат для обозначения ортогональной системы, которая преимущественно задана направлениями, перпендикулярными генераторным катушкам. Ось z выбирают таким образом, чтобы она проходила вдоль продольной оси прибора, при этом ось x и ось y проходят перпендикулярно друг другу и лежат в плоскости, поперечной оси прибора. Каждому излучателю 201, 203 и 205 соответствуют приемники 211, 213 и 215, обозначенные как R_x, R_z и R_y, которые ориентированы по осям ортогональной системы, заданной нормалями к излучателям, и расположены в показанном порядке. Приемники R_x, R_z и R_y служат для измерения соответствующих магнитных полей Н_xx, H_zz и Н_yy. При обозначении магнитных полей в данной системе первый индекс указывает направление излучателя, а второй индекс указывает направление приемника. Так, например, Н_xx означает характеристику поля, возбуждаемого излучателем Т_x и регистрируемого приемником R_x. Кроме того, приемники R_y и R_z способны измерять две поперечные составляющие Н_xy и H_xz магнитного поля, возбуждаемого излучателем Т_x 201. Этот вариант осуществления применим для работы в одночастотном или многочастотном режимах. Следует дополнительно отметить, что рассматриваемые в описании ортогональные катушки и одна из осей, параллельная оси прибора, приведены лишь в качестве примера. Предусмотрена возможность измерения дополнительных составляющих, и, в частности, катушки могут быть наклонены не только под углом 0° или 90° к оси прибора, и, кроме того, необязательно являются ортогональными; описанная методика применима при условии, что измерения могут быть "повернуты" или "проецированы" на три ортогональные оси. Измерения также могут осуществляться на множестве частот и/или на множестве расстояний между излучателями и приемниками. На фиг.3 показан пример радиальной компоновки излучателей на сердечнике, расположенном по центру скважины. Между верхним участком 301 сердечника и нижним участком 302 сердечника расположен радиальный излучатель 304. Верхний и нижний участки сердечника подвергаются воздействию проводящего бурового раствора 310. Радиальный излучатель 304 имеет антенну (проводящий контур), нормаль 306 которой ориентирована преимущественно перпендикулярно продольной оси сердечника. Проводящий контур соединен с электрическим оборудованием (не показано). Радиальный излучатель приводится в действие, когда электрическое оборудование генерирует ток, обычно переменный ток через контур. Ток, генерируемый в радиальном излучателе 304, возбуждает магнитное поле в окружающей области. Когда магнитное поле проникает в пласт 315, в ней генерируется собственное индуцированное магнитное поле, которое отображает свойства пласта горных пород. Затем это индуцированное магнитное поле регистрируют. Помимо определения характеристики пласта горных пород генерируется индуцированный ток, который может служить источником упомянутого влияния диаметра скважины на данные каротажа. В проиллюстрированном на фиг.3 примере индуцированный ток представляет собой индуцированный ток 307, протекающий от верхнего участка 301 сердечника к нижнему участку 302 сердечника, и индуцированный ток 309, протекающий от нижнего участка 302 сердечника к верхнему участку 301 сердечника. Токи 307 и 309 объединяются и образуют циркулирующий ток. Этот ток показан циркулирующим против часовой стрелки лишь для наглядности. Циркулирующий ток может быть индуцирован магнитным полем или создан разностью потенциалов между верхним и нижним участками сердечника, подверженными воздействию бурового раствора 310. На фиг.3 проиллюстрирован оптимальный случай, когда прибор центрирован в стволе скважины. Как показано на фиг.3, индуцированные токи 307 и 309 протекают целиком через буровой раствор 310, при этом отсутствует какой-либо путь тока через пласт 315. Следовательно, токи 307 и 309 имеют приблизительно равные величины, и, таким образом, полный индуцированный ток преимущественно равен нулю.

На фиг.4 проиллюстрирован пример протекания индуцированного тока под влиянием пути тока через пласт. Показанный на фиг.4 в качестве примера сердечник децентрирован в стволе скважины. Из-за близости сердечника к поверхности скважины, восходящий ток 409 по меньшей мере частично протекает через пласт 315, а нисходящий ток 407 протекает через буровой раствор 310. В случае проводящего бурового раствора и высокоомного пласта величина нисходящего тока превышает величину восходящего тока. Таким образом, устанавливается полный ток от верхнего участка сердечника к нижнему участку сердечника. Как показано на фиг.4, индуцированный ток возвращается к сердечнику в зонах 412, которые в целом расположены по периметру сердечника непосредственно выше и ниже генераторных катушек. Плотность тока на сердечнике в зоне возврата в целом несимметрична.

Для получения верных данных о свойстве пласта в присутствии индуцированного тока может быть полезным значительное число вспомогательных данных (положение прибора, форма скважины, профиль зоны проникновения и т.д.) для последующего трехмерного моделировании расчетной характеристики прибора и получения надежных инвертированных данных. Задача моделирования упрощается, если это распределение тока через сердечник известно или измерено. Этот вопрос рассмотрен далее.

На фиг.5 проиллюстрирован один из вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором сердечник имеет верхнюю и нижнюю полосы измерительных компактных дисковых электродов. Эти дисковые электроды служат для осуществления измерений индуцированного тока. Верхняя полоса 501 измерительных электродов расположена вокруг периметра верхнего участка сердечника непосредственно над радиальной генераторной катушкой. Нижняя полоса 503 измерительных электродов расположена вокруг периметра нижнего участка сердечника непосредственно под радиальной генераторной катушкой. Каждая полоса включает набор измерительных дисковых электродов, таких как, например, дисковые электроды 520, 522, 524 для осуществления электрических измерений. Таким образом, дисковые электроды расположены в зоне возврата тока на сердечнике (например, в зонах 412 на фиг.4). Каждый из этих измерительных компактных дисковых электродов электрически отделен от металлического сердечника импедансным устройством с тем, чтобы минимально воздействовать на величину индуцированного тока. Согласно одной из особенностей импедансным устройством может являться небольшой резистор. Падение напряжения на каждом из этих дисковых электродов можно измерить с помощью электронного оборудования для преобразования и обработки сигналов. Измерение падения напряжения позволяет создавать профиль распределения тока на сердечнике. Эти регистрируемые данные можно использовать в качестве дополнительных исходных данных при последующих расчетах, таких как моделирование характеристики прибора и инвертирование данных.

В другом варианте осуществления изобретения с целью формирования изображений ближней части пласта методом каротажа проводимости при проведении измерений в процессе бурения (ИПБ), когда отклонение от стенки скважины мало по сравнению с тем, когда применяется каротажный кабель, используют дополнительные полосы дисковых электродов, распределенные вдоль сердечника прибора. На фиг.6 проиллюстрировано множество полос дисковых электродов, распределенных вдоль сердечника, окружающего генераторную катушку, для получения обратного тока и измерения падения напряжения индуцированного тока. Набор полос дисковых электродов включает первую верхнюю полосу 501 измерительных электродов, расположенную вокруг периметра верхнего участка сердечника над радиальной генераторной катушкой, и вторую верхнюю полосу 505 измерительных электродов, расположенную между генераторной катушкой и первой верхней полосой 501. Вторая верхняя полоса 505 отделена от первой верхней полосы изолятором 601.

Нижний набор полос дисковых электродов включает первую нижнюю полосу 503 измерительных электродов, расположенную вокруг периметра нижнего участка сердечника под радиальной генераторной катушкой, и вторую нижнюю полосу 507, расположенную между генераторной катушкой и первой нижней полосой 503 измерительных электродов. Вторая нижняя полоса отделена от первой полосы изолятором 602. Согласно одной из особенностей крайние полосы, расположенные выше полосы 501 и ниже полосы 503 радиальной индукционной катушки, могут содержать обратные питающие дисковые электроды для измерения тока, такого как ток 607 в стволе скважины, а внутренние полосы 505 и 507 могут содержать дисковые электроды с высоким входным полным сопротивлением для измерения разности потенциалов верхнего и нижнего участков сердечника. Дополнительные полосы дисковых электродов, распределенные вдоль сердечника, также позволят осуществлять формирование изображений ближней части пласта методом каротажа проводимости, что может быть выгодным на практике, в основном при проведении ИПБ, когда отклонения от стенки скважины пренебрежимо малы.

Специалисты в данной области техники, ознакомившиеся с настоящим описанием, согласятся, что в скважинах с использованием проводящего бурового раствора, удельная проводимость которого выше удельной проводимости пласта, полосы 505 и 507 будут обеспечивать немного данных для формирования изображения пласта, поскольку разность потенциалов на стенке скважины будет скрыта буровым раствором. Данные, поступающие от полос 505 и 507, были бы полезны при определении эксцентриситета прибора и могут использоваться при дальнейшей обработке. С другой стороны, в скважинах с использованием непроводящего бурового раствора полосы 505 и 507 будут обеспечивать надежные данные для формирования изображения пласта.

На фиг.7 проиллюстрирован пример схемы 700 для осуществления измерений, относящихся к индуцированному току. Схема включает операционный усилитель 705, с которым соединены и в который подают сигнал измерительные дисковые электроды 701 и 702, которые могут представлять собой измерительные дисковые электроды для измерения напряжения или измерительные дисковые электроды для измерения тока. Резисторы 707 и 709 предотвращают замыкание соответствующих измерительных дисковых электродов 701 и 702 на землю. Согласно одной из особенностей операционный усилитель 705 может использоваться в качестве дифференциального усилителя с высоким входным полным сопротивлением. С целью обеспечения высокого входного полного сопротивления внутреннего дискового электрода каждые два (или более) дисковых электрода из полосы могут быть соединены с дифференциальным усилителем. Согласно другой особенности выходной сигнал 709 операционного усилителя 705 может использоваться, например, для измерения электрического параметра, такого как разность потенциалов, для использования при последующей обработке и расчетах 712. Показанная на фиг.7 схема применима с электродами полос 501 и 503. Главное, что электроды полос 505, 507 имеют высокое полное сопротивление, и, следовательно, показанная на фиг.7 схема может использоваться без резисторов.

Таким образом, с помощью предлагаемых в настоящем изобретении устройства и способа можно измерять прохождение токов через сердечник (и ствол скважины). Результаты измерений могут выводиться на соответствующее устройство, такое как устройство отображения, или сохраняться в запоминающем устройстве для последующей обработки. Затем ток может использоваться для моделирования прямой характеристики и затем для инвертирования результатов измерения индуцированного тока с целью определения параметров пласта, таких как вертикальное и горизонтальное удельное сопротивление (или удельная проводимость), мощность пласта и т.д. Это схематически проиллюстрировано на фиг.8.

На шаге 801 приводят в действие генераторную катушку. Она может представлять собой поперечную катушку или также вертикальную катушку, ориентированную по оси z. Одновременно с приведением в действие генераторной катушки на шаге 803 могут осуществляться измерения расстояния от сердечника до стенки скважины (отклонения). В случае применения каротажного кабеля может использоваться акустический или механический каверномер. В случае ИПБ значение расстояния до стенки скважины может быть выведено из относительных положений лопастей стабилизатора. С помощью описанного выше устройства на шаге 807 измеряют токи на сердечнике. Исходя из результатов измерения токов на сердечнике и значения расстояния до стенки скважины на шаге 809 может быть осуществлено моделирование токов в пласте. Затем модель используют на шаге 811 для инверсии принимаемых сигналов 805 в поперечной или вертикальной приемной антенне. Принимаемые сигналы чувствительны к токам, индуцируемым в пласте и в стволе скважины в результате приведения в действие излучающей антенны. Результатами инвертирования являются данные вертикального и горизонтального удельных сопротивлений пласта, которые могут затем использоваться для интерпретации петрофизических параметров, таких как описаны в патенте US 6470274, выданном на имя Mollison и др., патенте US 6493632, выданном на имя Mollison и др., патенте US 6711502, выданном на имя Mollison и др., патенте US 6686736, выданном на имя Schoen и др., правообладателем по которым является обладатель прав по настоящей заявке и содержание которых путем ссылки включено в настоящую заявку. Описанные результаты инвертирования могут быть выведены на соответствующее устройство, такое как устройство отображения, или сохранены в запоминающем устройстве для дальнейшей обработки. Аналогичным образом результаты петрофизической интерпретации также могут быть выведены на соответствующее устройство, такое как устройство отображения, или сохранены в запоминающем устройстве для дальнейшей обработки.

Работой излучателя и приемников может управлять скважинный процессор и/или наземный процессор. Подразумевается, что при управлении и обработке данных может использоваться компьютерная программа, реализованная на соответствующем машиночитаемом носителе, позволяющем процессору осуществлять управление и обработку. Машиночитаемый носитель может включать ПЗУ, СППЗУ, ЭППЗУ, флэш-память и оптические диски.

Несмотря на то что в описании раскрыты предпочтительные варианты осуществления изобретения, для специалиста в данной области техники будут очевидны различные усовершенствования. Предполагается, что раскрытие охватывает все изменения, входящие в сущность и объем приложенной формулы изобретения.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при скважинных исследованиях распределения удельного сопротивления пласта. В заявке описано устройство индукционного каротажа, снабженное электродами, расположенными на сердечнике. Один набор электродов выдает напряжения, характеризующие распределение тока в скважины. Выходной сигнал первого набора электродов может использоваться для оценки удельного сопротивления пласта. Второй набор электродов может использоваться для формирования изображения пласта. Технический результат: повышение точности данных в процессе электромагнитного зондирования. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для оценки пласта горных пород, содержащее:
(а) сердечник, доставляемый в скважину, проходящую через пласт,
(б) расположенную на сердечнике излучающую антенну, способную возбуждать электромагнитное поле в области, окружающей антенну,
(в) приемную антенну, способную выдавать выходной сигнал как отклик на первый ток, создаваемый электромагнитным полем в пласте, и второй ток, создаваемый электромагнитным полем в скважине, и
(г) множество электродов, расположенных на сердечнике таким образом, что напряжения на них характеризуют распределение второго тока.

2. Устройство по п.1, в котором сердечник имеет верхний участок и нижний участок, а излучающая антенна расположена между верхним участком и нижним участком.

3. Устройство по п.1, в котором излучающая антенна имеет ось, ориентированную под ненулевым углом к продольной оси скважины.

4. Устройство по п.2, в котором множество электродов включает в себя первый набор электродов на верхнем участке и второй набор электродов на нижнем участке сердечника.

5. Устройство по п.4, в котором множество электродов дополнительно включает в себя третий набор электродов на верхнем участке сердечника и четвертый набор электродов на нижнем участке сердечника, причем третий и четвертый наборы электродов отделены соответственно от первого и второго набора электродов.

6. Устройство по п.1, дополнительно содержащее прибор для измерения расстояния от сердечника до стенки скважины.

7. Устройство по п.6, дополнительно содержащее процессор, выполненный с возможностью использования результатов измерения расстояния до стенки скважины, напряжений на множестве электродов и выходного сигнала приемной антенны для оценки параметра удельного сопротивления пласта.

8. Устройство по п.7, в котором процессор способен оценивать параметр удельного сопротивления путем использования модели, в основу которой по меньшей мере частично положены напряжения на множестве электродов.

9. Устройство по п.5, дополнительно содержащее процессор, выполненный с возможностью использования выходного сигнала третьего и четвертого наборов электродов для формирования изображения пласта.

10. Устройство по п.1, дополнительно содержащее средство транспортировки для доставки сердечника в скважину.

11. Устройство по п.10, в котором средством транспортировки дополнительно является устройство, выбранное из группы, включающей каротажный кабель, бурильную трубу и тросовый канат.

12. Способ оценки пласта горных пород, при осуществлении которого:
(а) приводят в действие излучающую антенну, расположенную на сердечнике, доставляемом в скважину, проходящую через пласт, и возбуждают электромагнитное поле в области, окружающей антенну,
(б) посредством приемной антенны получают выходной сигнал как отклик на первый ток, создаваемый электромагнитным полем в пласте, и второй ток, создаваемый электромагнитным полем в скважине, и
(в) посредством множества расположенных на сердечнике электродов получают напряжения, характеризующие распределение второго тока.

13. Способ по п.12, в котором излучающую антенну устанавливают между верхним участком сердечника и нижним участком сердечника.

14. Способ по п.12, в котором излучающую антенну ориентируют под ненулевым углом к продольной оси скважины.

15. Способ по п.13, в котором первый набор в составе множества электродов размещают на верхнем участке, а второй набор в составе множества электродов размещают на нижнем участке сердечника.

16. Способ по п.15, в котором на верхнем участке сердечника отдельно от первого набора электродов размещают третий набор электродов, а на нижнем участке сердечника отдельно от второго набора электродов размещают четвертый набор электродов.

17. Способ по п.12, в котором измеряют расстояние от сердечника до стенки скважины.

18. Способ по п.17, в котором результаты измерения расстояния до стенки скважины, напряжения на множестве электродов и выходной сигнал приемной антенны используют для оценки параметра удельного сопротивления пласта.

19. Способ по п.17, в котором процессор оценивает параметр удельного сопротивления путем использования модели, в основу которой по меньшей мере частично положены напряжения на множестве электродов.

20. Способ по п.16, в котором выходной сигнал третьего и четвертого наборов электродов используют для формирования изображения пласта.

21. Способ по п.12, в котором сердечник доставляют в скважину с помощью устройства, выбранного из группы, включающей каротажный кабель, бурильную трубу и тросовый канат.

22. Машиночитаемый носитель данных для использования с устройством для оценки пласта горных пород, содержащим:
(а) сердечник, доставляемый в скважину, проходящую через пласт,
(б) расположенную на сердечнике излучающую антенну, способную возбуждать электромагнитное поле в области, окружающей антенну,
(в) приемную антенну, способную выдавать выходной сигнал как отклик на первый ток, создаваемый электромагнитным полем в пласте, и второй ток, создаваемый электромагнитным полем в скважине, и
(г) множество электродов, расположенных на сердечнике таким образом, что напряжения на них характеризуют распределение второго тока, причем на носителе содержатся команды, позволяющие процессору использовать напряжения на множестве электродов и выходной сигнал приемной антенны для оценки параметра удельного сопротивления пласта.

23. Машиночитаемый носитель данных по п.22, выбранный из группы, включающей постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (СППЗУ), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ), флэш-память и оптический диск.