УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАРОТАЖА Российский патент 2013 года по МПК G01V3/30 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к устройству электромагнитного каротажа и способу измерения электромагнитных свойств подземного пласта в ограниченной зоне, окружающей ствол скважины. Конкретное практическое применение устройства электромагнитного каротажа и способа согласно изобретению относится к области сервисных работ на нефтепромысле.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Каротажные зонды, измеряющие электромагнитные свойства геологических пластов (например, диэлектрическую постоянную и проводимость) известны, например, из патента США 5434507. Каротажный зонд включает в себя передатчик и разнесенные приемники, установленные на башмаке каротажного зонда, поджимаемом к стенке ствола скважины, пробуренной в геологический пласт.

Микроволновая электромагнитная энергия передается в пласты и энергия, распространившаяся по пластам, принимается в приемниках. Фаза и амплитуда волны, распространяющейся в пластах, определяется по выходным сигналам приемников. Диэлектрическую постоянную и проводимость пластов можно затем получить по измерениям фазы и амплитуды.

Передатчики и приемники содержат антенны, представляющие собой магнитные диполи. Данные диполи являются тангенциальными к поверхности башмака каротажного зонда и ориентированными в различных направлениях. Поперечные волны соответствует диполям, ориентированным ортогонально к оси башмака каротажного зонда. Продольные волны соответствуют диполям, ориентированным совпадающими с осью башмака каротажного зонда. Глубина исследования поперечной волны невелика. Глубина исследования продольной волны больше, чем для поперечной волны, но сигнал слабее. Затухание и сдвиг фазы измеряются между двумя приемниками. Простое обратное преобразование позволяет в случае однородного пласта находить диэлектрическую постоянную и проводимость. В случае размещения антенн в двухмерной матрице становится возможным получение изображения диэлектрической проницаемости ε и изображения проводимости σ пластов, окружающих ствол скважины.

Обычно такой каротажный зонд не способен обеспечить точное измерение свойств пластов из-за высокой их чувствительности к отклонениям башмака каротажного зонда относительно пласта или присутствию фильтрационной корки бурового раствора на стенке ствола скважины. Даже тонкая пленка непроводящего бурового раствора или фильтрата бурового раствора образует непроницаемый слой, предотвращающий измерение пласта обычными устройствами формирования изображения сопротивляемости пластов по микрокаротажу сопротивления. Буровой раствор на нефтяной основе (непроводящий раствор) можно заменить буровым раствором на водной основе (проводящий раствор), хотя и с существенными расходами. Дополнительно, нет гарантии, что измерения будут возможны. Потому существует необходимость решения проблемы получения изображения сопротивляемости пластов по микрокаротажу сопротивления в указанных выше тяжелых условиях окружающей среды.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является создание устройства и способа электромагнитного каротажа, по меньшей мере, устраняющие один из недостатков прежних устройств и способов.

Согласно одному аспекту изобретение относится к устройству для исследования геологического пласта, окружающего ствол скважины, содержащему каротажный инструмент, перемещаемый по стволу скважины, электромагнитный зонд, включающий в себя башмак каротажного зонда, установленный на каротажном инструменте, выполненный с возможностью сцепления со стволом скважины посредством сцепляющейся со стенкой поверхностью башмака каротажного зонда, по меньшей мере, одну передающую антенну, установленную в сцепляющейся со стенкой поверхностью башмака каротажного зонда, множество разнесенных принимающих антенн, установленных в сцепляющейся со стенкой поверхностью башмака каротажного зонда, расположенных на расстоянии от передающей антенны, при этом, по меньшей мере, одна из антенн является антенной с разомкнутым концом, образующей, по существу, чистый электрический диполь, нормальный к поверхности башмака каротажного зонда.

Предпочтительно антенна с разомкнутым концом является коаксиальной антенной, по существу перпендикулярной к сцепляющейся со стенкой поверхностью башмака каротажного зонда.

Предпочтительно коаксиальная антенна с разомкнутым концом содержит внутренний и внешний проводники, разделенные диэлектрическим материалом и введена в башмак каротажного зонда.

Внешний проводник может быть образован сцепляющейся со стенкой поверхностью башмака каротажного зонда, причем упомянутой сцепляющейся со стенкой поверхностью, выполненной из токопроводящего материала.

Устройство может содержать множество антенн, используемых в качестве первой группы передающих антенн и множества антенн, используемых в качестве первой группы принимающих антенн, причем первая группа передающих антенн расположена, по меньшей мере, вдоль первой линии, первая группа принимающих антенн расположена, по меньшей мере, вдоль второй линии, по существу, параллельной первой линии.

Устройство может содержать две линии принимающих антенн и две линии передающих антенн, причем две линии принимающих антенн расположены приблизительно в середине металлического башмака каротажного зонда, а две линии передающих антенн установлены симметрично выше и ниже линий принимающих антенн на заданном расстоянии, при этом, все линии являются, по существу, параллельными друг другу.

Устройство может дополнительно содержать первую группу передающих антенн отраженной волны, расположенную между первой линией передающих антенн и первой линией принимающих антенн, и вторую группу передающих антенн отраженной волны, расположенную между второй линией передающих антенн и второй линией принимающих антенн, причем каждая группа содержит, по меньшей мере, одну передающую антенну.

Апертура передающих антенн может быть больше апертуры принимающих антенн. По меньшей мере, первая и вторая коаксиальная антенна с разомкнутым концом могут иметь разные диаметры.

Первая линия принимающих антенн может быть смещена в поперечном направлении относительно второй линии принимающих антенн с образованием «зигзагообразной» конфигурации принимающих антенн.

Устройство может дополнительно содержать модуль передатчика, выполненный с возможностью электропитания передающей антенны для передачи электромагнитной волны в пласты с заданной частотой и содержащий генератор колебаний низкой частоты, соединенный с модулятором качества изображения, модуль приемника, выполненный с возможностью приема и обработки выходного сигнала с каждой из принимающих антенн, представляющего электромагнитную волну, принятую от пластов, причем модуль приемника содержит преобразователь частоты, и задающий генератор колебаний, подающий высокочастотный сигнал на модулятор качества изображения и модуля передатчика и на преобразователь частоты модуля приемника.

Задающий генератор колебаний подает заданную частоту в диапазоне между 10 МГц и 10 ГГц.

В соответствии с дополнительным аспектом изобретение относится к способу электромагнитного каротажа геологического пласта, окружающего ствол скважины, с использованием устройства, согласно изобретению, содержащему следующие этапы:

а) спуск устройства ствол скважины и сцепление башмака каротажного зонда со стенкой ствола скважины, чтобы задать выбранную зону, образованную средой, подлежащую исследованию;

б) выполнение первой группы измерений на значительную радиальную глубину исследования в выбранной зоне, посредством следующего:

б1) управления работой передающих и принимающих антенн, с образованием каждой антенной, по существу, чистого электрического диполя, нормального к поверхности башмака каротажного зонда и излучением электромагнитных сигналов в среду;

б2) измерении первой группы затухания и сдвига фазы электромагнитных сигналов, прошедших в среде между передающими и принимающими антеннами;

в) выполнение второй группы измерений на незначительную радиальную глубину исследования в выбранной зоне, посредством следующего:

в1) образования каждой антенной, по существу, чистого электрического диполя, нормального к поверхности башмака каротажного зонда и излучением электромагнитных сигналов в среду;

в2) измерение второй группы затухания и сдвига фазы электромагнитных сигналов, отраженных пластом на антеннах отраженной волны;

г) выполнение расчета с обратными преобразованиями на основании первой и второй группы измерений и определение проницаемости ε и проводимости σ в выбранной зоне.

Способ может дополнительно содержать выполнение измерений методом отраженной волны на значительной глубине исследования и незначительной глубине исследования в выбранной зоне.

Альтернативно, когда среда содержит геологический пласт, покрытый слоем фильтрационной корки бурового раствора и этап г) содержит выполнение расчета с обратными преобразованиями на основании первой и второй группы измерений и определение проницаемости ε, проводимости σ и толщины слоя фильтрационной корки бурового раствора и проницаемости ε и проводимости σ геологического пласта в выбранной зоне.

Способ может дополнительно содержать формирование изображения выбранной зоны геологического пласта на основании расчета с обратными преобразованиями.

Изобретение обеспечивает точное электронное изображение ствола скважины, создаваемое в результате микрокаротажа удельного электрического сопротивления даже в сложных условиях окружающей среды. Изображение удельного электрического сопротивления по микрокаротажу сопротивления может быть получено в буровом растворе на нефтяной основе (нетокопроводящем) или в буровом растворе на водной основе (токопроводящем).

По существу чистый электрический диполь в сравнении с магнитными диполями автоматически обеспечивает простую реализацию, посредством коаксиального провода с разомкнутым концом и антенны меньшего размера. Он также обеспечивает возможность измерения отраженной волны и измерения отраженной волны на незначительной глубине.

Изобретение обеспечивает выполнение количественных измерений проводимости (обратной удельному сопротивлению) и диэлектрической постоянной. Диэлектрическая постоянная может интерпретироваться для предоставления другой петрофизической информации, относящейся к геологическому пласту. Изобретение преобразовывает для просмотра видимые мелкие детали, такие, например, заполненные текучей средой трещины шириной 50 μm. Эти изображения помогают пониманию структуры коллектора, идентификации и оценке признаков осадочных пород и разрывов, и визуализации текстуры породы. Например, структурная геология (определение структурного падения, регистрация и обнаружение и разломов, определение признаков осадочных пород, определение падения осадочных пород), или тонких слоев (направлений древних русел, описание и определение характеристик объектов осадочных пород и их границ, распознавание анизотропии, барьеров проницаемости, и путей проницаемость линии, распознавание и оценка тонкослойных коллекторов) или текстуры породы (качественное вертикальное профилирование размера зерен, определение карбонатной текстуры, обнаружение и оценка вторичной пористости, определение и оценка систем трещин) может быть обнаружена и идентифицирована с помощью изображений микрокаротажа сопротивления, создаваемого устройством и способом данного изобретения даже в окружающей среде, где слой фильтрационной корки бурового раствора присутствует на стенке скважины.

Эти и другие аспекты изобретения объяснены с помощью ссылок на варианты осуществления изобретения, описанные ниже в данном документе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение ниже описано в виде примера и не ограничено прилагаемыми фигурами, на которых одинаковые позиции указывают на аналогичные элементы.

На фиг.1 схематично показана типичная наземная площадка нефтегазовой скважины, где работает устройство изобретения.

На фиг.2,3,4,5,6,7 схематично показаны на виде сбоку контактирующие со стенкой ствола скважины, башмак каротажного зонда для измерения электромагнитных свойств подземного пласта согласно первому, второму, третьему, четвертому и пятому вариантам осуществления изобретения соответственно.

На фиг.4 схематично показан вид сечения с башмака каротажного зонда изобретения, установленного в нужное место в стволе скважины и контактирующего с фильтрационной коркой бурового раствора, образовавшейся на стенке ствола скважины.

На фиг.8 показан пример функциональной схемы высокочастотного электронного устройства.

На фиг.9 и 10 показаны схематичные виды с поперечного и продольного сечения коаксиальной антенны соответственно.

На фиг.11 показаны кривые, изображающие параметр S ₂₁ коэффициента передачи как функцию частоты и измеренные электромагнитные свойства среды.

На фиг.12 показано затухание AT (левые кривые) и сдвиг PS фазы (правые кривые) по отношению к частоте для различных типичных сред.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 схематично показана типичная наземная площадка нефтегазовой скважины и наземное оборудование SE над углеводородным геологическим пластом GF после выполнения буровых работ. На данном этапе, то есть до спуска обсадной колонны и выполнения цементирования, ствол скважины представляет собой ствол WB, заполненный смесью DM текучей среды. Смесь DM текучей среды обычно является смесью буровой текучей среды и бурового раствора. В данном примере наземное оборудование SE содержит буровую установку OR и наземную установку SU для развертывания каротажного устройства TL в стволе скважины. Наземная установка может представлять собой транспортное средство, соединенное с каротажным устройством линией LN. Дополнительно, наземная установка содержит соответствующее устройство DD для определения глубины установки каротажного устройства относительно поверхности земли. Каротажное устройство TL содержит различные датчики и предоставляет данные различных измерений, относящиеся к углеводородному геологическому пласту GF или смеси DM текучей среды. Эти данные измерений собирает каротажное устройство TL и передает на наземную установку SU. Наземная установка SU содержит соответствующие электронные устройства РА с программным обеспечением для обработки, анализа и сохранения в памяти данных измерений, представленных каротажным устройством TL.

Каротажное устройство TL содержит электромагнитный зонд 1 для измерения электромагнитных свойств подземного пласта согласно изобретению. После установки каротажного устройства на необходимой глубине электромагнитный зонд 1 с каротажного устройства TL можно развертывать с поджатием к стенке WBW ствола скважины посредством соответствующего развертывающего устройства AR.

На фиг.2-7 схематично показаны на виде сбоку с контактирующим со стенкой ствола скважины электромагнитным зондом 1 для измерения электромагнитных свойств подземного пласта согласно различным вариантам осуществления изобретения. Электромагнитный зонд 1 содержит прижимной башмак 2, в который встроены передатчики Т_х и приемники R_x. Предпочтительно прижимной башмак может также содержать электронное устройство 4 (подробно показанное на фиг.8), управляющее работой передатчиков и приемников. Прижимной башмак представляет собой металлический токопроводящий корпус, выполненный, например, из металлического материала, аналогичного нержавеющей стали, с возможностью контакта со стенкой WBW ствола скважины. Прижимной башмак 2 соединен с каротажным устройством TL, например, рычагом (показан на фиг.1 и 4). Рычаг обеспечивает развертывание прижимного башмака в стволе WBH скважины на стенке WBW ствола скважины. Один или несколько коаксиальных кабелей (не показано) могут проходить через рычаг для соединения электронного устройства с каротажным устройством TL. Каротажное устройство TL содержит основной объем скважинного электронного оборудования (не показано) и подает электропитание и команды управления и снимает данные измерений с электромагнитного зонда 1. Альтернативно, электронное устройство может содержать модуль приема-передачи данных (не показано) для прямой передачи данных измерений на наземное оборудование SE и приема от него команд управления.

На Фиг.2 схематично показан прижимной башмак каротажного зонда для измерения электромагнитных свойств подземного пласта согласно первому варианту осуществления изобретения. Первый вариант осуществления изобретения соответствует конфигурации, содержащей два передатчика Т_хА и Т_хВ и два приемника Т_хА и Т_хВ. Два приемника расположены приблизительно в середине металлического прижимного башмака по оси AA'. Два передатчика Т_хА и Т_хВ расположены симметрично сверху и снизу от приемников R_xA и R_xB на заданных расстояниях r₁ и r₂. Приемники и передатчики содержат антенны. Каждая антенна является коаксиальной антенной с разомкнутым концом (подробно показано на фиг.9 и 10). В электротехнике такая антенна может приравниваться к чистому электрическому диполю, нормальному к поверхности прижимного башмака каротажного зонда.

Индуктированное напряжение V_ind на приемнике вследствие возбуждения приемника дает формула:

где Е - напряженность электрического поля на месте приемника. Поскольку передатчик является электрическим диполем, с допущением однородной среды, напряженность электрического поля на месте приемника (на расстоянии r от передатчика) дает формула:

где р - момент электрического диполя передатчика, ε - диэлектрическая проницаемость среды, k волновое число. Волновое число k - можно выразить, как функцию диэлектрических свойств среды (только геологического пласта или пласта, покрытого фильтрационной коркой бурового раствора), а именно формулой:

где ε₀ - диэлектрическая проницаемость в вакууме, σ - проводимость среды, ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость и μ_r - относительная магнитная проницаемость среды (принятая равной 1).

Индуктированное напряжение дает формула:

где λ - действующая длина диполя приемника. Усредненное затухание АТ и сдвиг PS фазы, измеренные между двумя приемниками R_xA и R_xB, не зависят от электронного устройства или коэффициента усиления антенн вследствие применения схемы компенсирования влияния скважины. Окончательно затухание АТ и сдвиг PS фазы соотносятся следующим уравнением:

Таким образом, посредством измерения затухания АТ и сдвига PS фазы между двумя приемниками R_xA и R_xB можно легко вывести волновое число k. Последовательно можно подсчитать диэлектрическую проницаемость ε вещества и проводимость σ вещества с помощью итерационной процедуры, поскольку r₁ и r₂ известны.

На фиг.3 схематично показан прижимной башмак каротажного зонда для измерения электромагнитных свойств подземного пласта согласно второму варианту осуществления изобретения. Данный вариант осуществления изобретения обеспечивает получение изображения микрокаротажа сопротивления посредством умножения числа групп четырех диполей, описанных для фиг.2. Второй вариант осуществления соответствует конфигурации двухмерной матрицы, содержащей две линии RL1, RL2 приемников R_xA и R_xB и две линии TL1, TL2 передатчиков Т_хА и Т_хВ. Две линии приемников расположены приблизительно в середине металлического прижимного башмака. Две линии передатчиков установлены симметрично сверху и снизу от линий приемников на заданных расстояниях r₁ и r₂. Предпочтительно все эти линии являются по существу параллельными друг другу. Каждый приемник и передатчик содержит антенны. Каждая антенна является коаксиальной антенной с разомкнутым концом. Например, расстояние δ_r между приемниками может составлять приблизительно 5 мм, что соответствует разрешению отображенного сигнала. Расстояние между передатчиками и приемниками может составлять около 4 или 5 см.

На фиг.4 схематично показан вид сечения прижимного башмака изобретения, установленного в ствол скважины и находящегося в контакте со слоем МС фильтрационной корки бурового раствора, образованной на стенке WBW ствола скважины.

Ограничением измерений первого и второго вариантов осуществления изобретения является высокая чувствительность к отклонению зонда от стенки ствола скважины вследствие, например, присутствия слоя МС фильтрационной корки бурового раствора на нем. В данной ситуации число неизвестных увеличивается с двух неизвестных, а именно диэлектрической проницаемости ε и проводимости σ пласта (ε, σ)_gf, до пяти неизвестных, а именно диэлектрической проницаемости ε и проводимости σ слоя фильтрационной корки бурового раствора(ε, σ)_mc, толщины h фильтрационной корки бурового раствора в дополнение к двум неизвестным (ε, σ)_gf. Только с двумя измерениями, а именно затухания АТ и сдвига PS фазы, определение электромагнитных свойств выбранной зоны SZ геологического пласта не может быть точным.

На фиг.5 схематично показан прижимной башмак для измерения электромагнитных свойств подземного пласта согласно третьему варианту осуществления изобретения. Данный вариант осуществления изобретения обеспечивает получение изображения микрокаротажа сопротивления даже в присутствии слоя фильтрационной корки бурового раствора посредством добавления дополнительных передатчиков во второй вариант осуществления, описанный для фиг.3. Данный вариант осуществления соответствует конфигурации второго варианта осуществления с линией RFL передатчиков отраженной волны, установленных перпендикулярно и между двумя линиями TL1, TL2 передатчиков, установленных симметрично сверху и снизу линий RL1, RL2 приемников соответственно. Например, первая группа RFL1 из трех дополнительных передатчиков установлена между первой линией TL1, и первой линией RL1 приемников, а вторая группа RFL2 из трех дополнительных передатчиков установлена между линией TL2 передатчиков и второй линией, RL2 приемников. Каждый дополнительный передатчик содержит антенну. Каждая антенна является коаксиальной антенной с разомкнутым концом. Импеданс коаксиальной антенны с разомкнутым концом является очень чувствительным к внешней среде, находящейся в контакте с антенной. Для выполнения измерений методом отраженных волн используют дополнительные передатчики. Глубина исследований с измерениями методом отраженных волн является весьма незначительной, например приблизительно равной радиусу антенны. Таким образом, измерение методом отраженных волн должно быть чувствительным только к слою фильтрационной корки бурового раствора. Кроме того, дополнительные, группы RFL1, RFL2 передатчиков имеют разнос, отличающийся от разноса приемников. Каждый разнос соответствует разной глубине исследования. Данные измерения методом отраженных волн на различных глубинах исследования, объединенные с измерениями затухания АТ и сдвига PS фазы обеспечивают решение проблемы пяти неизвестных в уравнении, упомянутом выше и внесение поправки на отклонения зонда от стенки ствола скважины вследствие наличия фильтрационной корки бурового раствора. Диэлектрические свойства слоя фильтрационной корки бурового раствора и геологического пласта могут быть рассчитаны.

Передатчик отраженной волны может представлять собой коаксиальную антенну с разомкнутым концом. При использовании двух коаксиальных антенн с разомкнутым концом с различным диаметрами становится возможным получение дополнительной информации по очень неглубокой зоне перед прижимным башмаком (то есть по отклонению и слою фильтрационной корки бурового раствора) посредством определения диэлектрической проницаемости ε_med, ε_lrg для антенны среднего диаметра и антенны большого диаметра, соответственно:

где D_med и D_lrg являются геометрическими параметрами, прямо связанными с диаметрами зонда.

Приемник можно также использовать, как зонд по методу отраженной волны с малым диаметром по сравнению с двумя коаксиальными антеннами с разомкнутым концом с тем, чтобы предоставить третью группу данных (ε_sma, D_sma).

На фиг.6 схематично показан прижимной башмак для измерения электромагнитных свойств подземного пласта согласно четвертому варианту осуществления изобретения. Для упрощения конфигурации третьего варианта осуществления изобретения в четвертом варианте осуществления предложено уменьшить число передатчиков. Например, является возможным создание высококачественного отображения сигнала, с поправкой на действие слоя фильтрационной корки бурового раствора, имея только три передатчика TL1', TL2' выше и ниже приемников. Вместе с тем по соображениям коэффициента полезного действия апертура передатчиков четвертого варианта осуществления изобретения больше апертуры передатчиков третьего варианта осуществления изобретения. Дополнительно, можно использовать только один передатчик группы RFL1', RFL2' отраженной волны для измерений методом отраженной волны, один между первым передатчиком линии TL1'u первой линией RL1 приемников, и один между вторым передатчиком линии TL2' и второй линией RL2 приемников. Оба передатчика отраженной волны установлены приблизительно в середине интервала, разделяющего линии передатчиков и приемников.

На фиг.7 схематично показан прижимной башмак каротажного зонда для измерения электромагнитных свойств подземного пласта согласно пятому варианту осуществления изобретения. Для улучшения разрешения изображения микрокаротажа сопротивления в пятом варианте осуществления предложена «зигзагообразная» конфигурация первой линии RL1 приемников относительно второй линии RL2 приемников. Первая и вторая линии приемников сдвинуты одна относительно другой.

На фиг.8 показана блок-схема примера высокочастотного электронного устройства 4. Высокочастотное электронное устройство 4 содержит множество модулей ТХ передатчика и множество модулей RX приемника, соединенных с одной стороны с задающим генератором MOS колебаний, и, с другой стороны с соответствующими передающими антеннами ТХА и соответствующими принимающими антеннами RXA. Для ясности, на фиг.8 показан только один передатчик ТХ, связанный с одной передающей антенной ТХА, и один приемник RX, связанный с одной принимающей антенной RXA. Высокочастотное электронное устройство должно быть способным выполнять значительное количество измерений.

Архитектура каждого модуля передатчика ТХ является относительно сложной, а архитектура каждого модуля приемника RX является весьма простой. Задающий генератор MOS колебаний посылает высокочастотный сигнал sin(ωt), например, с частотой 1 ГГц. Модуль передатчика ТХ содержит генератор LOS низкочастотных колебаний и модулятор IQM качества отображенного сигнала. Генератор LOS низкочастотных колебаний посылает низкочастотный сигнал sin(Ωt), например, с частотой 10 кГц на модулятор IQM качества отображенного сигнала. Модулятор IQM качества отображенного сигнала также принимает высокочастотный сигнал от задающего генератора MOS колебаний. Предпочтительно модулятор IQM качества отображенного сигнала обеспечивает затухание боковой полосы частот. Он посылает высокочастотный сигнал sin(ω+Ω)t на одну передающую антенну ТХА. Переданные сигналы распространяются во внешней среде, где они модулируются по амплитуде согласно электропроводимости пласта для создания низкочастотных сигналов, несущих петрофизическую и литологическую информацию и компонент высокого разрешения, обеспечивающий информацию в микромасштабе, используемую для создания отображения сигналов и интерпретации угла падения. Приемная антенна RX принимает сигнал А sin((ω+Ω)t+φ) с затуханием А и сдвигом фазы φ.

Модуль приемника является только преобразователем MIX частоты, соединенным с задающим генератором MOS колебаний, преобразующим высокочастотный сигнал в низкочастотный сигнал А sin(Ωt+φ). Например, основой преобразователя частоты может служить полупроводниковый чип, аналогичный применяемому в производстве сотовых телефонов, обычно содержащий усилитель с низким уровнем помех.

Для исключения мультиплексирования модулей передатчика каждый модуль передатчика может иметь свою низкочастотную сигнатуру. В данном варианте низкочастотный сигнал, демодулированный на каждом модуле приемника, должен нести информацию от всех модулей приемника.

Ниже подробно описывается теория, относящаяся к передаче и измерениям методом отраженной волны, выполняемым посредством коаксиальных антенн с разомкнутым концом согласно изобретению. На Фиг.9 и 10 схематично показаны виды частичного поперечного и продольного сечения коаксиальной антенны с разомкнутым концом согласно изобретению в прижимном башмаке каротажного зонда. Показанная на Фиг.9 и 10 коаксиальная антенна с разомкнутым концом является идеальной конструкцией. Антенна представляет собой кольцевую коаксиальную линию передачи, содержащую внутренний проводник IC и внешний проводник ОС, имеющие внутренний и внешний радиусы а и b соответственно. Внутренний и внешний проводники разделяет диэлектрический материал DI с диэлектрической постоянной ε_с. Антенна введена в идеально проводящую плоскость, то есть металлический прижимной башмак каротажного зонда. К антенне примыкает однородная среда. Среда отличается диэлектрическими свойствами ε*, где ε*=ε_r+jσ/ωε₀, где ε₀ - диэлектрическая проницаемость в вакууме и ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Для выведения аналитического выражения полной проводимости апертуры коаксиальной антенны с разомкнутым концом рассматривается идеализированная структура, показанная на фиг.9.

Полную проводимость апертуры получают совмещением электромагнитных полей на апертуре (соответствующей направлению по оси z при z=0) между коаксиальной линией и средой, принятой бесконечной. Предполагается, что линия возбуждается с основным поперечным электромагнитным типом колебаний (ТЕМ). Поля внутри линии (соответствующей направлению по оси z при z=0) представляют собой наложение прямых и отраженных волн. Дополнительно предполагается, что величиной вклада типов ТМ можно пренебречь. Распределение магнитного поля (предполагающее радиальную симметрию) в коаксиальной линии дает формула:

где:

и Г обозначает коэффициент отражения основного поперечного электромагнитного типа колебаний (ТЕМ).

Полную проводимость апертуры можно описать формулой:

где Y_c является волновой проводимостью линии и равняется:

В области внешней среды (соответствующей направлению по оси z при z›0) магнитное поле связано с тангенциальным электрическим полем в апертуре и дается формулой:

где:

k является волновым числом в пласте.

Окончательно, полная проводимость апертуры может быть выражена формулой:

Данное выражение можно выразить по другому следующей формулой:

где J₀ является функцией Бесселя 0 порядка.

Когда предполагается, что длина волны является значительной по сравнению с апертурой коаксиальной антенны с разомкнутым концом, то есть kb‹‹1, полная проводимость апертуры Y упрощается до следующей:

где:

представляющая электрическую емкость, которая в первом приближении не зависит от внешней среды или частоты.

Для вывода аналитического выражения коэффициента отражения мы также рассматриваем идеализированную структуру коаксиальной антенны с разомкнутым концом, показанную на фиг.9.

Коэффициент отражения практически измеряется посредством, например, направленного ответвителя с данным импедансом. Обычно такой импеданс равен 50 Ом.

Импеданс на плоскости измерения дает формула:

где: I является длиной коаксиального провода,

Z₀ и Z_c являются импедансом электронной схемы и характеристикой коаксиального провода соответственно и

, является импедансом плоскости апертуры.

Измеренный коэффициент отражения составляет:

Поэтому измерение коэффициента S отражения обеспечивает определение импеданса на плоскости Z измерения. Поскольку длина/импеданс характеристики Z_c коаксиального провода коаксиальной антенны с разомкнутым концом известны, импеданс Z_a на плоскости апертуры можно легко подсчитать. В итоге, можно подсчитать проницаемость ε и проводимость σ слоя фильтрационной корки бурового раствора.

Кроме того, можно выполнить калибровку воздухом перед каротажными работами для обеспечения корректировки длины коаксиальной антенны с разомкнутым концом.

Поскольку коаксиальная антенна с разомкнутым концом является весьма слабым источником излучения. Следовательно, является необходимой оптимизация выбора частоты, разноса и размера антенны для получения измеряемых сигналов почти во всех условиях каротажа. Как следствие, является необходимым прогнозирование уровня сигнала, как функции частоты, свойств пласта, разноса, геометрии антенны и т.п.

Передаточный импеданс между антенной передатчика и приемника задан формулой:

где V_R - индуцированное напряжение на приемнике, а I_T - ток, поданный на передатчик.

Передаточный импеданс Z₂₁ можно выразить формулой:

где: k - волновое число,

r - расстояние между двумя антеннами, и

l_TR - эффективная длина диполей.

Параметр передачи задан формулой:

где Z₀ является импедансом генератора (например, 50 Ом).

Например, при подаче с передающего модуля мощности 1 Вт (30 дБм) на антенну передатчика и параметре передачи S₂₁=-100 дБ, мощность, поданная на принимающий модуль, должна быть -70 дБ (30 дБм-100 дБ). По соображениям шума (время сбора зависит от скорости каротажа) является возможным измерение сигналов до нижнего уровня -100 дБм с соотношением сигнал/шум 40 дБ (1%). Предполагается, что передающий модуль может подавать 30 дБм. Как следствие, максимальное затухание, обеспечиваемое для параметра передачи, составляет S₂₁=-130 дБ.

На фиг.11 показаны кривые коэффициента полезного действия S₂₁ передачи между двумя коаксиальными антеннами с разомкнутым концом, одной, являющейся передающей антенной, и другой, являющейся принимающей антенной. Кривые представляют коэффициент полезного действия передачи по отношению к частоте для разных сред (от среды с высоким сопротивлением до среды с высокой проводимостью).

Как пример, размеры принимающей антенны ограничены радиусами внутреннего и внешнего проводника а=2,05 мм и b=0,83 мм соответственно. Размеры передающей антенны ограничены радиусами внутреннего и внешнего проводника а=4,05 мм и b=1,27 мм соответственно. Разнос r₂-r₁ ограничен 5 см.

Коэффициент полезного действия S₂₁ передачи является низким в среде с высокой пористостью (низкими ε и σ) и для низких частот. Такая ситуация возникает вследствие низкого коэффициента полезного действия излучения и несовпадения импеданса для большой длины волны. В такой среде коэффициент полезного действия передачи увеличивается с частотой.

Коэффициент полезного действия S₂₁ передачи уменьшается с частотой в среде с высокой проводимостью. Такая ситуация возникает вследствие затухания в среде.

Таким образом, может находиться между 500 МГц и 2 ГГц.

Также следует заметить, что несмотря на малый размер антенны приемника, с минимальным допустимым затуханием -130 дБ, коэффициент полезного действия не является действительной проблемой, какими бы ни были электромагнитные свойства среды.

На фиг.12 показано затухание АТ (левые кривые) и сдвиг PS фазы (правые кривые) по отношению к частоте для различных типичных сред для разноса r₁=40 мм и r₂=45 мм.

Из следующего уравнения, связывающего затухание АТ и сдвиг PS фазы с волновым числом k и разносом r₁-r₂:

можно прогнозировать затухание АТ и сдвиг PS фазы между двумя антеннами приемника для различных сред относительно частоты.

Чем больше увеличивается частота, тем больше увеличивается чувствительность. При частоте 100 МГц диапазон сдвига PS фазы составляет около 10 град., а при частоте 2 ГГц диапазон сдвига PS фазы составляет около 55 град.

Аналогичную зависимость можно наблюдать для затухания АТ.

Приведенные выше чертежи и их описание иллюстрируют, но не ограничивают изобретение.

Любая позиция ссылки в пункте формулы изобретения не должна восприниматься, как ограничивающая пункт формулы изобретения. Слово «содержащий» не исключает наличия других элементов, не перечисленных в пункте формулы изобретения.

Изобретение относится к геофизике. Сущность: устройство содержит каротажный инструмент, перемещаемый по стволу скважины, электромагнитный зонд 1, включающий в себя башмак 2 каротажного зонда, установленный на каротажном инструменте, выполненный с возможностью сцепления со стволом скважины, сцепляющейся со стенкой поверхностью башмака, по меньшей мере, одну пару передающих антенн T_xA, T_xB, установленных в сцепляющейся со стенкой поверхностью башмака, и множество разнесенных принимающих антенн R_xA, R_xB, установленных в сцепляющейся со стенкой поверхностью башмака, расположенных на расстоянии от пары передающих антенн T_xA, T_xB. Все антенны T_xA, T_xB, R_xA, R_xB являются антенной с разомкнутым концом, образующей по существу чистый электрический диполь, нормальный к поверхности башмака каротажного зонда. Технический результат: повышение точности измерения свойств пластов в условиях наличия пленки бурового раствора на стенке ствола скважины. 11 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство для исследования геологического пласта, окружающего ствол скважины, содержащее каротажный инструмент, перемещаемый по стволу скважины, электромагнитный зонд (1), включающий в себя башмак (2) каротажного зонда, установленный на каротажном инструменте, выполненный с возможностью сцепления со стволом скважины сцепляющейся со стенкой поверхностью башмака каротажного зонда, по меньшей мере, одну пару передающих антенн, причем каждая пара из, по меньшей мере, одной пары передающих антенн содержит первую и вторую антенну (T_xA, T_xB), установленные в сцепляющейся со стенкой поверхности башмака каротажного зонда, множество разнесенных принимающих антенн (R_xA, R_xB), установленных в сцепляющейся со стенкой поверхности башмака каротажного зонда, расположенных на расстоянии от, по меньшей мере, одной пары передающих антенн (T_xA, T_xB), при этом каждая из антенн (T_xA, T_xB, R_xA, R_xB) является антенной с разомкнутым концом, образующей, по существу, чистый электрический диполь, нормальный к поверхности башмака каротажного зонда, причем первая передающая антенна из, по меньшей мере, одной пары передающих антенн установлена выше множества разнесенных приемных антенн, а вторая передающая антенна из, по меньшей мере, одной пары передающих антенн установлена ниже множества разнесенных приемных антенн.

2. Устройство по п.1, в котором антенна с разомкнутым концом является коаксиальной антенной, по существу, нормальной к сцепляющейся со стенкой поверхности башмака каротажного зонда.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором коаксиальная антенна содержит внутренний и внешний проводники (IC, OC), разделенные диэлектрическим материалом (DI) и введена в башмак (2) каротажного зонда.

4. Устройство по п.3, в котором внешний проводник (OC) образован сцепляющейся со стенкой поверхностью башмака (2) каротажного зонда, причем выполненной из токопроводящего материала.

5. Устройство по п.1, которое содержит множество антенн, используемых в качестве первой группы передающих антенн, и множество антенн, используемых в качестве первой группы принимающих антенн, причем первая группа передающих антенн расположена, по меньшей мере, вдоль первой линии (TL1), первая группа принимающих антенн расположена, по меньшей мере, вдоль второй линии (RL1), по существу, параллельной первой линии (TL1).

6. Устройство по п.1, которое содержит две линии (RL1, RL2) принимающих антенн (R_xA, R_xB) и две линии (TL1, TL2) передающих антенн (T_x, T_xB), при этом две линии принимающих антенн расположены приблизительно в середине металлического башмака каротажного зонда, две линии передающих антенн установлены симметрично выше и ниже линий принимающих антенн, на заданных расстояниях (r₁, r₂), причем все линии являются, по существу, параллельными друг другу.

7. Устройство по п.1, дополнительно содержащее первую группу (RFL1) передающих антенн отраженной волны, установленных между первой линией (TL1) передающих антенн и первой линией (RL1) принимающих антенн, и вторую группу (RFL2) передающих антенн отраженной волны, установленных между второй линией (TL2) передающих антенн и второй линией (RL2) принимающих антенн, причем каждая группа содержит, по меньшей мере, одну передающую антенну.

8. Устройство по п.1, в котором апертура передающих антенн больше апертуры принимающих антенн.

9. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, первая и вторая коаксиальные антенны с разомкнутым концом имеют разные диаметры.

10. Устройство по п.1, в котором первая линия (RL1) принимающих антенн смещена в поперечном направлении относительно второй линии (RL2) принимающих антенн с образованием «зигзагообразной» конфигурации принимающих антенн.

11. Устройство по п.1, дополнительно содержащее модуль (ТХ) передатчика для электропитания передающей антенны для передачи электромагнитной волны в пласты с заданной частотой, причем модуль передатчика содержит генератор (LOS) колебаний низкой частоты, соединенный с модулятором (IQM) качества изображения, модуль (RX) приемника для приема и обработки выходного сигнала с каждой из принимающих антенн, представляющего электромагнитную волну, принятую от пластов, причем модуль приемника содержит преобразователь (MIX) частоты, и задающий генератор (MOS), подающий высокочастотный сигнал на модулятор (IQM) качества изображения модуля (ТХ) передатчика и на преобразователь (MIX) модуля (RX) приемника.

12. Устройство по п.11, в котором задающий генератор подает заданную частоту в диапазоне между 10 МГц и 10 ГГц.