УСТРОЙСТВО, СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ МАГНИТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01V3/40 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Понимание структуры и свойств геологических пластов помогает уменьшить стоимость бурения скважин для разведки нефти и газа. Измерения в стволе скважин (т.е. внутрискважинные измерения) обычно выполняют для приобретения такого понимания, для идентификации состава и распределения материала, который окружает измерительное устройство в скважине. Для получения таких измерений в некоторых случаях применяют магнитометры, функционально предназначенные для телеметрии, измерения дальности и локации долота.

[0002] Магнитометры повышенной чувствительностью в последнее время стали доступны для применения. Например, по некоторым сведениям квантовые магнитометры на атомарных парах рубидия имеют чувствительность порядка 10 фТл/Hz⁵. Данные блоки могут обеспечивать расширенный диапазон частот телеметрии и более точную локацию, чем магнитометры, в настоящее время применяемые в скважинах. Вместе с тем, работы данных блоков в магнитном поле Земли в вариантах применения, где требуется диапазон частот 30 Гц или больше, может требоваться разрешение порядка 27 бит. Если электронные устройства с напряжением в диапазоне ±12 вольт постоянного тока используются для обработки данных сигналов, то требуемое разрешение является эквивалентом приблизительно 90 нановольт. По данной причине чрезвычайно сложно производить электронное оборудование обработки данных с уровнем собственных шумов, обеспечивающее успешную работу данных сенсоров в скважинных условиях.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0003] На Фиг. 1 показана блок-схема устройства и систем согласно различным вариантам осуществления изобретения.

[0004] На Фиг. 2 показана блок-схема последовательности операций нескольких способов согласно различным вариантам осуществления изобретения.

[0005] На Фиг. 3 показан вид сбоку с вырезом конфигурации установки магнитометра согласно различным вариантам осуществления изобретения.

[0006] На Фиг. 4 показана система, работающая на каротажном кабеле варианта осуществления изобретения.

[0007] На Фиг. 5 показана система буровой установки варианта осуществления изобретения.

[0008] На Фиг. 6 показана блок-схема последовательности операций нескольких дополнительных способов согласно различным вариантам осуществления изобретения.

[0009] На Фиг. 7 показана блок-схема изделия согласно различным вариантам осуществления изобретения.

[0010] На Фиг. 8 показаны вид спереди и сверху другой конфигурации установки магнитометра согласно различным вариантам осуществления изобретения.

[0011] На Фиг. 9 показан вид спереди и сверху еще одной конфигурации установки магнитометра согласно различным вариантам осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] В данном документе описаны устройство, системы и способы с применением магнитометров относительно высокой чувствительности в вариантах для скважинной телеметрии и локации, решающие некоторые описанные выше, а также другие проблемы.

[0013] Вначале можно рассмотреть использование данных устройств в вариантах применения наземных приемников электромагнитной телеметрии, электромагнитных измерений, магнитных или электромагнитных измерений дальности и локации долота. Для использования достигаемой чувствительности работа данных магнитометров в диапазоне частот 30 Гц в магнитном поле Земли (с номинальной величиной 50000 нТл) дает требования по диапазону разрешения, показанные в Таблице I.

Таблица I Требуется бит для чувствительности
10 фТл/Гц⁵ Требуется диапазон для чувствительности
2,6 пТл/Гц⁵ Требуется диапазон для чувствительности
40 пТл/Гц⁵ 27 бит 22 бит 18 бит

[0014] В большинстве случаев данные требования являются невозможными для исполнения. Например, если принять использование электронных устройств, работающих в диапазоне ±12 вольт постоянного тока, обрабатывающих данные сигналы, то требуемое разрешение должно быть таким, как показано в Таблице II.

Таблица II Разрешение для чувствительности
10 фТл/Гц⁵ Разрешение для чувствительности
2,6 пТл/Гц⁵ Разрешение для чувствительности
40 пТл/Гц⁵ 90 нановольт 3 микровольт 46 микровольт

[0015] Разрешение порядка, показанное в Таблице II, в особенности в скважине, является невозможным, поскольку изготовление электронных схем с подходящим уровнем собственных шумов без подавления поля окружающей среды является чрезвычайно сложным. Вместе с тем, если поле окружающей среды можно подавлять способом, удовлетворяющим критерию стоимость-эффективность, работы в скважине становятся возможными.

[0016] Для подавления поля окружающей среды можно применять катушки Гельмгольца различных конструкций совместно с экранирующими материалами (например, мю-металлом). В некоторых случаях экранирующие материалы являются менее полезными, чем в других, например, когда нужно измерять поле геологического пласта или другого ствола скважины.

[0017] Надлежащим образом выполненные высокочувствительные магнитометры можно использовать в скважине для электромагнитной телеметрии, измерения дальности до металлических (в частности, магнитных) объектов и определения местоположения бурового долота. В отличие от криогенных магнитометров (сверхпроводящих квантовых интеферометров), эксплуатирующихся в криогенной среде, магнитометры на атомарных парах могут работать при гораздо более высоких температурах и поэтому хорошо подходят для геофизических вариантов применения (например, при температурах выше 95°C-160°C).

[0018] Основной вариант применения магнитометров с приемом сигналов электромагнитной телеметрии на поверхности Земли, или для определения местоположения бурового долота, хорошо известны специалистам в данной области техники. Данные варианты применения новых устройств, систем и способов изобретения описаны ниже первыми.

[0019] В общем, поле окружающей среды можно аннулировать с помощью измерения магнитного поля Земли относительно малочувствительным вторым магнитометром (например, магнитометром по меньшей мере в 1000 раз менее чувствительным, чем высокочувствительный первый магнитометр). Например, относительно малочувствительный магнитометр может представлять собой феррозондовый магнитометр, используемый для обеспечения общего аннулирования напряженности локального поля, окружающего чувствительный магнитометр, с использованием катушки Гельмгольца. Чтобы отличать относительно малочувствительный магнитометр от относительно чувствительного магнитометра, относительно малочувствительный магнитометр называется в данном документе опорным магнитометром R, или вторым магнитометром. Относительно чувствительный магнитометр называться рубидиевым (на рубидиевых парах) магнитометром M, или первым магнитометром. Данные обозначения не ограничивают тип магнитометра, выбранного в качестве относительно чувствительного или относительно малочувствительного магнитометров. Например, алмазный магнитометр можно также использовать в качестве первого магнитометра. Таким образом, для обозначения только принимают, что относительно чувствительный магнитометр является по меньшей мере в одну тысячу раз более чувствительным, чем относительно малочувствительный магнитометр.

[0020] В некоторых вариантах осуществления используют опорный магнитометр R с тремя измерительными осями и работающую по трем осям катушку Гельмгольца. Перед прочей обработкой данных сигналы с опорного магнитометра с тремя измерительными осями можно фильтровать для исключения любого компонента от сигнала, генерируемого буровым долотом, который должен обнаруживаться с использованием рубидиевого магнитометра. На расчетных глубинах в скважине, если амплитуда сигнала (либо аппаратуры электромагнитной телеметрии или локации долота) меньше чувствительности опорного магнитометра R, фильтрация не требуется.

[0021] Рубидиевый магнитометр M устанавливают в работающей по трем осям катушке Гельмгольца. Выходной сигнал рубидиевого магнитометра M может проходить фильтрацию для исключения частотного диапазона сигнала, подлежащего обнаружению. Данный отфильтрованный выходной сигнал подается в блок обработки сигнала, приводящий в действие катушку Гельмгольца для минимизации выходного сигнала рубидиевого магнитометра M, таким образом подавляется поле окружающей среды.

[0022] Отмечаем, что подавление части магнитного поля окружающей среды, ортогонального оси чувствительности рубидиевого магнитометра M, можно экранировать с использованием такого материала, как мю-металл, но рубидиевый магнитометр нельзя полностью окружить экранированием, поскольку требуемый сигнал тогда гасится перед входом в рубидиевый магнитометр M (данное не относится к скважинному применению для электромагнитной телеметрии). Различные примеры вариантов осуществления, в которых можно реализовать некоторые или все данные преимущества, подробно описаны ниже.

[0023] На Фиг. 1 показана блок-схема устройства 100 и системы 102 согласно различным вариантам осуществления изобретения. В многих вариантах осуществления устройство 100 содержит рубидиевый магнитометр M (например, рубидиевый магнитометр для измерений по одной оси или аналогичный), имеющий относительно высокую чувствительность. Рубидиевый магнитометр M размещается в катушке 108 Гельмгольца, и может являться блоком с одной рабочей осью (например, если ось катушки Гельмгольца совмещается с измерительной осью рубидиевого магнитометра M) или блоком с тремя рабочими осями. Экран 112 применяется для уменьшения или исключения влияния внешнего поля на рубидиевый магнитометр M. Несколько методик, которые можно использовать для применения рубидиевого магнитометра M, в различных ситуациях, описаны ниже.

[0024] В одном варианте осуществления поле внешней среды, окружающей рубидиевый магнитометр M, подавляется с использованием однонаправленной катушки 108 Гельмгольца без использования опорного магнитометра R. В данном случае рубидиевый магнитометр M размещается внутри экрана 112, который открыт вдоль измерительной оси рубидиевого магнитометра M и закрыт от поля вдоль других осей.

[0025] Магнитометр M и экран 112 устанавливаются по центру однонаправленной катушки 108 Гельмгольца, при этом измерительная ось магнитометра M совмещается с осью симметрии катушки 108 Гельмгольца. Сборка в целом устанавливается с ориентацией, предпочтительной для обнаружения сигнала со скважинного передатчика электромагнитной телеметрии или источника магнитного поля (например, обсадной колонны другой скважины для измерения дальности) на буровом долоте или вблизи него. Выходной сигнал рубидиевого магнитометра M оцифровывается и подается на процессор SP обработки сигналов. Процессор SP регулирует ток, приводящий в действие катушку 108 Гельмгольца. Перед обработкой выходной сигнал рубидиевого магнитометра M может фильтроваться с использованием фильтра 116, как указано выше.

[0026] В некоторых вариантах осуществления система 102 содержит одно или несколько устройств 100, а также кожух 104. Кожух 104 может являться корпусом инструмента для работы на каротажном кабеле или скважинного инструмента. Процессор (процессоры) 130 может располагаться на поверхности 166 как часть наземной рабочей станции 156, в системе 124 сбора и обработки данных над поверхностью или ниже поверхности Земли 166, или размещаться вместе с устройством 100, прикрепленным к кожуху 104. Система 102 может содержать передатчик 144 данных (например, передатчик телеметрии), передающий собранные данные на наземную рабочую станцию 156. Логическую схему 140 можно использовать для сбора и обработки сигналов, принятых с устройства 100. Принятые данные можно сохранять в запоминающем устройстве 150, возможно, как часть базы 134 данных. Таким образом, можно реализовать многочисленные варианты осуществления.

[0027] На Фиг. 2 показана блок-схема последовательности операций нескольких способов 211, 259 согласно различным вариантам осуществления изобретения. Данные способы 211, 259, которые можно использовать по существу для обнуления внешнего поля окружающего рубидиевый магнитометр, можно применять для нескольких конфигураций устройства 100 на Фиг. 1.

[0028] В способе 211 счетчик итераций инициализируют в блоке 221. Абсолютную величину и знак IU (самого высокого тока возбуждения на катушке Гельмгольца для создания полезного выхода рубидиевого магнитометра) и IL (самого низкого тока возбуждения на катушке Гельмгольца для создания полезного выхода рубидиевого магнитометра) устанавливают, выставляя границы поиска по току в блоке 225, 229, посредством операций в блоках 233, 237, 241, 245, 249 и 253.

[0029] Ток, используемый для возбуждения катушки Гельмгольца, корректируется на основе сравнения MU и MM (алгебраический знак на выходе рубидиевого магнитометра, соответствующий IU, и алгебраический знак рубидиевого магнитометра на выходе при возбуждении током IM соответственно). ML (алгебраический знак на выходе рубидиевого магнитометра, соответствующий IL) не используется в показанном примере. Вместе с тем, поскольку MU и ML имеют противоположные знаки, специалист в данной области техники, после рассмотрения данного описания и фигур должен понимать, что ML можно использовать взамен MU, если действия, показанные в способе 211, реверсировать.

[0030] Прогнозируют, что выход рубидиевого магнитометра должен вначале находиться за шкалой, т.е. поле окружающей среды должно являться настолько большим, что полезный выход не может быть получен. Ток, проходящий через катушку Гельмгольца, затем ступенчато меняется, последовательно получая заданные величины в блоках 233, 237, 241, 245, 249 и 253 до обнаружения изменения на выходе рубидиевого магнитометра. В данной точке полезно, но не обязательно, продолжение ступенчатого изменения величин тока до выхода рубидиевого магнитометра вновь за шкалу, но в противоположном направлении (т.е. с изменением знака) от исходного выхода за шкалу. Два предельных значения тока, при которых рубидиевый магнитометр способен срабатывать (IU, IL, записанные в блоках 225, 229), определяют диапазон токов, которые следует искать для обнуления поля окружающей среды.

[0031] Когда эффективный диапазон токов (IU, IL) обнуления определен, ток в катушке Гельмгольца устанавливают средним от верхнего и нижнего токов, определяющих диапазон значений тока, и делают отсчет на выходе рубидиевого магнитометра. Новый диапазон значений тока определяют, выбирая в середине диапазона величину IM тока и значение тока на конце первичного диапазона значений тока, которое дает выход с рубидиевого магнитометра, противоположный по знаку, полученному в средней точке первичного диапазона значений тока. Данное повторяется для фиксированного числа итераций. Максимальное число итераций в нормальных условиях не превышает числа бит, требуемых для получения показания по полной шкале (см. Таблицу I), поскольку диапазон чувствительности для рубидиевого магнитометра делится пополам во время каждой итерации.

[0032] При обнулении поля окружающей среды с использованием данной методики может являться полезной низкочастотная фильтрация выхода рубидиевого магнитометра для исключения входа сигнала, подлежащего обнаружению, в операцию обнуления.

[0033] Когда поле окружающей среды по существу обнулено, можно осуществлять мониторинг прошедшего низкочастотную фильтрацию выходного сигнала с рубидиевого магнитометра непрерывно для обнаружения медленного отклонения параметров магнитного поля Земли. Для начала способа 259 мониторинга и корректировки по медленного отклонения параметров можно инициализировать в блоке 261 коэффициенты масштабирования (например, SF = коэффициент масштабирования тока возбуждения катушки Гельмгольца), пороговые значения (например, DM = допустимое медленное отклонение параметров на выходе рубидиевого магнитометра) и начальные значения (например, I = начальный выходной сигнал рубидиевого магнитометра, и T = временной интервал между взятием отсчетов I).

[0034] Как часть способа 259 выходной сигнал с рубидиевого магнитометра можно получить во время мониторинга в блоке 263. Фильтрация может продолжаться после обнуления поля окружающей среды в блоке 265. Как часть мониторинга выходной сигнал рубидиевого магнитометра можно дискретизировать, согласно действиям в блоках 267, 269. Когда выходной сигнал изменяется со временем на величину, больше заданной (например, половину показания по полной шкале), как определено в блоке 275, ток в катушке Гельмгольца корректируется по существу для обнуления отклонения. Данное можно выполнять как часть одного действия в блоке 279, поскольку выходной сигнал рубидиевого магнитометра является линейной функцией поля и поскольку во время первичного обнуления (см. способ 211) возможен мониторинг изменения выходного сигнала рубидиевого магнитометра как функции изменения тока в катушке Гельмгольца. Надлежащие изменения можно выполнять при обработке принятого сигнала для компенсации изменений тока в катушке Гельмгольца.

[0035] Специалист в данной области техники должен уяснить после изучения данного описания и прилагаемых фигур, что способы 211, 259 можно выполнять с использованием аналоговых электронных схем. Вместе с тем частота отклика системы должна выходить за пределы частотного диапазона сигнала передачи данных. Подавление поля окружающей среды с использованием опорного магнитометра с тремя измерительными осями и работающей по трем осям катушки Гельмгольца рассмотрено ниже.

[0036] В данном варианте осуществления опорный магнитометр R может включаться в состав устройства 100, как показано на Фиг. 1. Ток в работающей по трем осям катушке 108 Гельмгольца можно инициализировать, создавая начальное обнуление поперечного поля в рубидиевом магнитометре с использованием расчетной ориентации рубидиевого магнитометра M и по существу обнуление аксиального поля с использованием способа 211, поскольку каждая катушка Гельмгольца имеет характеристичный коэффициент масштабирования, определяющий отношение величины поля по центру катушки к току, проходящему через катушку. Использование экрана 112 из мю-металла для экранирования большей части поперечного поля окружающей среды, как показано на Фиг. 1 совместно со способом 211 Фиг. 2, должно содействовать работе от начальной поперечной компенсации до определения тока, требуемого для понижения аксиального компонента поля окружающей среды.

[0037] Когда устройство 100 инициализировано (т.е. начальные величины поля определены для успешной работы рубидиевого магнитометра M), коррекцию для приспособления к изменениям в поле окружающей среды можно выполнять напрямую по отсчетам магнитометра. Данное проще выполнить с помощью выставления измерительной оси рубидиевого магнитометра M в одном направлении с одной из трех измерительных осей опорного магнитометра R. В данном случае когда поле окружающей среды вдоль данной измерительной оси изменяется на некоторую величину, можно выполнять надлежащее изменение тока в катушке Гельмгольца, которая подавляет поле окружающей среды вдоль измерительной оси рубидиевого магнитометра.

[0038] Отмечаем, что когда работающая по трем осям катушка Гельмгольца используется для подавления поля окружающей среды, оценку курса (относительно магнитного поля Земли) рубидиевого магнитометра M можно выполнять по токам в индивидуальных катушках Гельмгольца и коэффициентам масштабирования SF (из отношения тока катушки к величине поля). Вычисленный по трем осям вектор направлен противоположно вектору магнитного поля Земли и, таким образом, определяет ориентацию рубидиевого магнитометра относительно магнитного поля Земли. Ориентация опорного магнитометра R с тремя измерительными осями относительно магнитного поля Земли определяется тремя измеряемыми величинами поля. Используя обе ориентации, возможно, зная новое опорное измерение магнитного поля, отличное от измерения, использованного в инициализации системы, прогнозировать величину тока в каждой из катушек Гельмгольца для продолжения противодействия магнитному полю окружающей среды. Данная процедура описана в следующих абзацах.

[0039] Используя три тока в катушках Гельмгольца и коэффициенты масштабирования для данных катушек, можно вычислить компоненты вектора магнитного поля в системе координат катушек Гельмгольца как вектор .

Затем можно вычислить абсолютную величину вектора поля, создаваемого катушками Гельмгольца, как:

[0040] Если поле, наблюдаемое опорным магнитометром R, определяется с помощью .

абсолютную величину вектора поля, наблюдаемого опорным магнитометром R, можно вычислить, как:

[0041] Векторное произведение вектора поля, наблюдаемого опорным магнитометром R, и вектора поля, созданного катушками Гельмгольца, должно давать вектор, ортогональный обоим данным векторам. Указанное верно, если вектор поля, наблюдаемый опорным магнитометром R, и вектор поля, создаваемый катушками Гельмгольца, не имеют одинакового направления, в результате получается нулевой вектор (преобразования между двумя системами координат в данном случае не нужны).

[0042] Абсолютная величина векторного произведения должна являться произведением абсолютных значений двух векторов и синуса угла между ними. Векторное произведение определяет ось вращения, которую можно использовать для поворота измерений из системы координат опорного магнитометра к системе координат катушки Гельмгольца.

[0043] Угол поворота между векторным полем, полученным с катушки Гельмгольца, и векторным полем, полученным с опорного магнитометра, можно определить с использованием как абсолютной величины векторного произведения, так и скалярного произведения, следующим образом (где Abs[ ] означает "абсолютная величина"):

[0044] Используя ось поворота, полученную из векторного произведения и угла поворота, можно образовать матрицу поворота для определения преобразования между отсчетами опорного магнитометра и полем, создаваемым катушкой Гельмгольца. Образование матрицы поворота хорошо известно специалистам в данной области техники. Например, матрица поворота может представлять собой следующее:

[0045]

В выражении для R (u_x, u_y, u_z) является единичным вектором вдоль оси поворота в системе координат катушки Гельмгольца.

[0046] Для вычисления токов, требуемых для подавления поля окружающей среды при его изменении, поле окружающей среды измеряют с использованием опорного магнитометра, и поле подавления вычисляют в системе координат катушки Гельмгольца с использованием матрицы поворота. Коэффициенты масштабирования катушки затем используют для вычисления абсолютной величины токов, которые должны создавать поле подавления, и данные токи затем используют для возбуждения индивидуальных катушек.

[0047] В идеале, абсолютная величина поля подавления, создаваемого катушкой Гельмгольца, равна абсолютной величине вектора поля, измеренного опорной катушкой, когда поле окружающей среды обнулено, т.е. в идеале Abs[B′]=Abs[B]. Вместе с тем на практике небольшая их разность возможна, поскольку ограниченное число бит, создаваемое любой заданной системой, не обеспечивает совершенного разрешения, так что поле только по существу является обнуленным. С учетом указанного рекомендуется использование дополнительного коэффициента масштабирования для перенормирования абсолютной величины поля подавления по абсолютной величине вектора поля, наблюдаемого опорным магнитометром при каждом его измерении.

[0048] Когда поле окружающей среды обнуливают с использованием одной из методик, описанной в данном документе, полученный в результате сигнал с рубидиевого магнитометра M можно применять для зондирования магнитного поля по сигналам электромагнитной телеметрии или местоположения осциллирующего источника магнитного поля в скважине. Данное может создавать некоторые преимущества.

[0049] Например, для уяснения преимуществ, которые можно получить, рассмотрим систему электромагнитной телеметрии с диапазоном частот 30 Гц. Сигналы со скважинного передатчика электромагнитной телеметрии можно обнаруживать c помощью датчика электрического поля (обычно соединение между оборудованием устья скважины и удаленной точкой в грунте) или с использованием магнитометра. Обычные магнитометры (относительно малочувствительные, такие как феррозондовые магнитометры) имеют вследствие ограничения по шуму чувствительность 1 нТл, в лучшем случае. Указанное означает, что рубидиевый магнитометр с чувствительностью 40 пTл/Гц⁵ можно использовать для расширения диапазона сигналов приблизительно в пять раз. Растянутый диапазон можно использовать либо для улучшения скорости передачи данных измерительной системы, или ее рабочей глубины, или того и другого.

[0050] Рассмотрим обычную систему электромагнитной телеметрии, в которой еще не используется эффективно диапазон частот. Предполагается, что использование рубидиевого магнитометра с чувствительностью 40 пTл/Гц⁵ на фиксированной глубине должно обеспечить увеличение скорости передачи данных на 0,15 бит/сек на дБ отношения сигнала к шуму для каждого канала. В пятиканальной системе можно достигнуть общего улучшения скорости передачи данных 3,4 бит/сек. Увеличение чувствительности магнитометра до 70 фТл/Гц⁵ (более высокие значения чувствительности являются возможными, но не достигнуты в варианте осуществления микроэлектромеханических систем) в аналогичных условиях и, принимая остающиеся одинаковыми уровни шума, означает, что скорость передачи данных можно по меньшей мере удвоить вновь.

[0051] Улучшенные показатели работы также можно видеть в аспекте улучшений в достижении глубины. Например, использование сигнала с частотой 1 Гц с улучшением в 10 дБ в отношении сигнала к шуму на фиксированной глубине для однородных пластов с сопротивлением 5 Ом дает улучшение досягаемости, превышающее 1000 метров.

[0052] Варианты внутрискважинного применения устройства 100, показанного на Фиг. 1, включают в себя прием сигналов электромагнитной телеметрии нисходящей линии связи, прием сигналов ретрансляторов электромагнитной телеметрии, прием сигналов, используемых для измерения дальности до магнитных объектов или до объектов, несущих низкочастотные электрические токи, сигналов минералогического состава и анализа магнитной восприимчивости бурового раствора.

[0053] Предусматривается, что магнитные условия на глубине в стволе скважин значительно тише, чем условия на поверхности Земли. Таким образом, уровень собственных шумов для магнитных измерений должен быть несколько ниже, чем для измерений на поверхности, что делает сверхчувствительные магнитометры подходящими для работы в скважине.

[0054] В варианте применения для измерения дальности может возбуждаться осциллирующее магнитное поле в цели, подлежащей обнаружению. Данное может достигаться с помощью вращающегося магнита на буровом долоте, например, или использования источника электромагнитного поля, такого как передатчик. Переменный ток можно также подвести к обсадной колонне скважины-цели, или источник меняющегося по времени магнитного поля можно разместить в скважине-цели.

[0055] Существует первый тип низкочастотного измерения дальности, где измеряют магнитное поле токов, возбужденных в бурильной колонне, и имеется второй тип низкочастотного измерения дальности, где измеряют магнитное поле, возбужденное в объекте, являющемся предметом измерения дальности. Различные методики экранирования используются для данных двух типов измерения дальности.

[0056] В большинстве случаев тип экранирования, применяемый в скважинном приеме электромагнитной телеметрии, является одинаковым с используемым для первого типа измерения дальности. В данных вариантах применения магнитное поле, подлежащее измерению создается током, проходящим вдоль бурильной колонны.

[0057] Проблемы конструирования, подлежащие решению, могут стать понятны при рассмотрении магнитометра, установленного в полости в центре бурильной колонны или КНБК (компоновка низа бурильной колонны), которая несет электрический ток, распределенный приблизительно с азимутальной симметрией вокруг бурильной колонны. В данном случае можно показать с использованием закона Ампера, что результирующее магнитное поле в полости, возникающее от тока, является нулевым.

[0058] Ситуацию можно некоторым образом разрешить вводом асимметрии в ток распределения. Другим подходом к решению проблемы является обнаружение магнитного поля в камере за пределами пути тока.

[0059] На Фиг. 3 показан вид сбоку с вырезом установочной конфигурации 300 магнитометра согласно различным вариантам осуществления изобретения. Здесь канал 310 вырезан в сечении утяжеленной бурильной трубы 314 для размещения магнитометра M. Измерительная ось магнитометра M имеет направление ортогональное продольной оси 322 утяжеленной бурильной трубы, а также параллельное оси 324, параллельной основанию полости. Другими словами, измерительная ось является ортогональной линии, прочерченной радиально от центральной осевой линии утяжеленной бурильной трубы, которая является ортогональной основанию полости.

[0060] На Фиг. 3, магнитометр M реагирует на ток, проходящий под ним. То есть между основанием магнитометра M и внутренним каналом 330 утяжеленной бурильной трубы 314. Если возможно, магнитометр M должен устанавливаться в центре установочной камеры, созданной каналом и крышкой 334, установленной сверху канала 310. Крышка 334 должна иметь электрическую изоляцию от корпуса утяжеленной бурильной трубы 314.

[0061] Конфигурации 300 может являться эффективной в одних ситуациях и неэффективной в других, поскольку магнитометр M не защищен от магнитного поля Земли. Если утяжеленная бурильная труба 314 выполнена из магнитного материала, она должна экранировать часть магнитного поля Земли. Экранирование можно создавать, выполняя коробку из экранирующего материала, такого как мю-металл, где стенки и потолок коробки служат стенками и крышкой канала 310. Днище у коробки отсутствует для исключения экранирования поля, создаваемого электрическим током, проходящим под магнитометром M. Для концентрации прохода тока под магнитометром M медная полоса 338 может паяться серебряным припоем к дну и/или стенкам канала 310.

[0062] В установочной конфигурации 300 отклик магнитометра значительно улучшается в сравнении с простой установкой магнитометра на наружной поверхности утяжеленной бурильной трубы 314. Без показанных улучшений значительная часть магнитного поля от тока в утяжеленной бурильной трубе не принимается магнитометром, поскольку только малая часть тока проходит под магнитометром. Улучшенный отклик получается при использовании конфигурации 300, где значительный объем металла удален из утяжеленной бурильной трубы 314, увеличивая результирующее электрическое сопротивление утяжеленной бурильной трубы (т.е. канала 310) под магнитометром M.

[0063] В дополнение, в конфигурации 300 показана медная полоса 338, расположенная в полости 310, содержащей магнитометр M, между магнитометром M и дном канала 310, вырезанного в утяжеленной бурильной трубе 314. Поскольку медь имеет значительно более высокую электропроводность, чем стали, обычно используемые в конструкции утяжеленной бурильной трубы, медная полоса 338 создает предпочтительный путь тока. Полоса 338 может паяться серебряным припоем в полости 310, при этом удлиненные концы входят в беззазорный контакт со стенками полости 310 с помощью серебряного припоя. Конфигурация 300 в общем заставляет ток проходить к центру утяжеленной бурильной трубы 314, под магнитометром M.

[0064] Наконец, в конфигурации 300 полость 310 и параллельные вырезы утяжеленной бурильной трубы 314 показаны настолько длинными, насколько практически возможно. Данное служит двум целям: (a) обеспечивает подачу тока на медную полосу 338, и (б) обеспечивает мониторинг разности потенциалов на одной из полостей 310 (что можно также использовать для обнаружения сигналов).

[0065] С геометрией конфигурации 300 долю F тока, которая проходит через медную полосу 338 и таким образом под магнитометром M, дает следующее:

где σСu удельная электропроводность меди в См/метр, и T толщина медной полосы в метрах.

[0066] Для параметрического анализа T=αH1, где H1 = глубина установочной полости 310 в метрах, 0<α<1 безразмерный параметр, W1 = ширина полости 310 в метрах, и σsteel удельная электропроводность материала корпуса утяжеленной бурильной трубы 314 в См/метр. R1 внутренний радиус утяжеленной бурильной трубы 314 в метрах, и R3 наружный радиус утяжеленной бурильной трубы 314 в метрах. Для упрощения, принимается, что крышки 334 полостей (не показано) включены в вычисление проводимости, но в некоторых вариантах осуществления крышки 334 имеют электрическую изоляцию.

[0067] Полосу 338 можно выполнять из любого материала с проводимостью выше, чем у материала конструкции утяжеленной бурильной трубы. Медь является только одним возможным вариантом. Серебро является другим вариантом, но использование серебра может являться неоправданным по соображениям стоимости и ожидаемой величины улучшения показателей работы по сравнению с медью.

[0068] В некоторых вариантах осуществления F как функция α имитируется для σCu=6,3 10⁷ См/метр, σsteel=1,37 10⁷ См/метр (может составлять до ~6(10)⁶ См/метр), W1=0,01376 метров, H1=0,0268 метров, R1=0,034925 метров, R3=0,085725 метров. Как показано на Фиг. 3, имеется шесть полостей 310, одна из которых содержит медную полосу 338 с магнитометром и экран 112 из мю-металла. В данном случае экран 112 из мю-металла принимается электрически изолированным от полости 310. Если магнитометр должен устанавливаться в полости без экранирования или медной полосы с пайкой серебряным припоем, по расчету только 0,6% тока должно проходить под магнитометром при вычислении для варианта реализации, показанного на Фиг. 3.

[0069] Таким образом, на Фиг. 1-3 показано, что можно реализовать много вариантов осуществления. Например, в некоторых вариантах осуществления устройство 100 содержит два магнитометра, катушку Гельмгольца и процессор обработки сигналов. То есть устройство 100 может содержать первый магнитометр M, по меньшей мере частично расположенный в катушке 108 Гельмгольца, и второй магнитометр R, имеющий чувствительность по меньшей мере в одну тысячу раз ниже первого магнитометра M. Устройство 100 может также содержать процессор SP обработки сигналов, выполненный с возможностью приводить в действие катушку 108 Гельмгольца согласно сигналу, переданному вторым магнитометром R, для по существу обнуления магнитного поля Земли, окружающего первый магнитометр M, и приема скважинного сигнала обнаружения или сигнала скважинной телеметрии с первого магнитометра M.

[0070] Первый или чувствительный магнитометр может являться рубидиевым или алмазным магнитометром. Таким образом, первый магнитометр M может представлять собой по меньшей мере один рубидиевый магнитометр или алмазный магнитометр.

[0071] Второй или малочувствительный магнитометр может являться феррозондовым магнитометром. Таким образом, второй магнитометр R может представлять собой феррозондовый магнитометр.

[0072] Для обнуления магнитного поля Земли оси малочувствительного магнитометра можно выставлять по осям катушки Гельмгольца. Таким образом, каждые, катушка 108 Гельмгольца и второй магнитометр R могут представлять собой блоки, работающие по трем осям, по существу, соосные по трем осям.

[0073] Если измерительные оси катушки Гельмгольца и чувствительного магнитометра выставлены по одной прямой, можно использовать блоки с одной измерительной осью. Таким образом, катушка 108 Гельмгольца и первый магнитометр M могут, каждый, представлять собой блоки с одной измерительной осью, по существу, выставленные вдоль одной оси.

[0074] Если магнитное поле Земли имеет медленное отклонение параметров, возбуждение катушки Гельмгольца можно менять для компенсации. Фильтр нижних частот можно использовать на выходе чувствительной катушки для определения, имеется ли медленное отклонение параметров. Таким образом, устройство 100 может содержать фильтр 116 нижних частот, соединенный с выходом первого магнитометра M, причем фильтр 116 нижних частот обеспечивает на выходе мониторинг медленного отклонения параметров, связанного с магнитным полем Земли.

[0075] Если экран из мю-металла не используется, или является только частично эффективным в экранировании поперечного поля, дополнительную пару катушек Гельмгольца с одной рабочей осью с полями, ортогональными друг другу и направлению измерительной оси рубидиевого магнитометра, можно использовать. В данном случае может являться полезным знание общей ориентации рубидиевого магнитометра относительно магнитного поля Земли. Указанное можно использовать для установки начальной величины и ориентации для поперечного оси поля от катушек Гельмгольца для подавления поперечного компонента поля окружающей среды.

[0076] Уточнения можно выполнять с помощью итерационного процесса, хотя поиск трехмерного пространства для выполнения итераций может занимать время, снижая эффективность рубидиевого магнитометра. Величину поля окружающей среды и расчет поперечного компонента поля можно получать с использованием типичных величин в зоне работ или с помощью опорного магнитометра.

[0077] Экран из мю-металла (никель, железо, медь и молибден) или сплава никеля с железом можно использовать для повышения эффективности чувствительного магнитометра вдоль его измерительной оси. "Магнитно-проницаемый" экран можно также использовать, имеющий проницаемость более 500 относительно вакуума и в некоторых вариантах осуществления более 50000 на частотах менее 100 Гц. Такие материалы могут включать в себя фольгу NETIC® S-36, фольгу CONETIC-AA® и электромагнитное покрытие Nanovate™, все серийно производятся и поставляются Magnetic Shield Corporaton of Bensenville, IL. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления устройство 100 содержит магнитно-проницаемый экран 112, по существу окружающий первый магнитометр M, с отверстием, по существу совмещенным с измерительной осью первого магнитометра M.

[0078] На Фиг. 4 показана система 464 каротажа на кабеле варианта осуществления изобретения, и на Фиг. 5 показана система 564 буровой установки варианта осуществления изобретения. Таким образом, системы 464, 564 могут содержать части корпуса 470 инструмента для каротажа на кабеле или скважинного инструмента 524 для применения при бурении в скважине.

[0079] Таким образом, на Фиг. 4 показана скважина во время каротажа на кабеле. В данном случае буровая платформа 486 оборудована вышкой 488, несущей грузоподъемное оборудование 490.

[0080] Бурение нефтяных и газовых скважин обычно выполняют, применяя колонну бурильных труб, соединенных вместе для образования бурильной колонны, которую спускают через ротор 410 в ствол 412 скважины. Здесь принимается, что бурильную колонну временно удаляют из ствола 412 скважины для обеспечения спуска каротажного инструмента в корпусе 470, такого как зонд, на тросе или каротажном кабеле 474 в ствол 412 скважины. Обычно каротажный инструмент в корпусе 470 спускается на кабеле в нижнюю часть продуктивной зоны и затем поднимается вверх по существу с постоянной скоростью.

[0081] Во время подъема вверх на ряде глубин контрольно-измерительные приборы (например, устройство 100 или систему 102, показанные на Фиг. 1), включенные в корпус 470 инструмента можно использовать для выполнения измерений в подземных геологических пластах 414, смежных со стволом 412 скважины (и корпусом 470 инструмента). Данные измерений можно передавать на наземную каротажную станцию 492 для хранения, обработки и анализа. Каротажная станция 492 снабжена электронным оборудованием для обработки данных сигналов различных типов, которые может генерировать любой один или несколько компонентов устройства 100 или системы 102 Фиг. 1. Аналогично, данные оценки пласта можно собирать и анализировать во время операций бурения (например, при каротаже во время бурения и отборе проб во время бурения).

[0082] В некоторых вариантах осуществления корпус 470 инструмента содержит магнитный инструмент для получения и анализа измерений магнитного поля в подземном пласте через ствол скважины. Инструмент подвешивается в стволе скважины на каротажном кабеле 474, который соединяет инструмент с наземным блоком управления (например, представляющим собой рабочий пост 454). Инструмент может развертываться в стволе 412 скважины на гибкой насосно-компрессорной трубе, составной бурильной трубе, кабелированной бурильной трубе или по любой другой подходящей методике развертывания.

[0083] На Фиг. 5 показано расположение системы 564 на буровой установке 502, смонтированной на поверхности 504 на скважине 506. Буровая установка 502 выполнена с возможностью несения бурильной колонны 508. Бурильная колонна 508 может работать, проходя через ротор 410 для бурения ствола 412 скважины через подземные пласты 414. Бурильная колонна 508 может включать в себя ведущую бурильную трубу 516, бурильную трубу 518 и компоновку 520 низа бурильной колонны, расположенную снизу бурильной трубы 518.

[0084] Компоновка 520 низа бурильной колонны может включать в себя утяжеленные бурильные трубы 522, скважинный инструмент 524 и буровое долото 526. Буровое долото 526 может работать, создавая ствол 412 скважины, проходя от поверхности 504 подземные пласты 414. Скважинный инструмент 524 может содержать любое число инструментов различного типа, в том числе инструменты измерений во время бурения, инструменты каротажа во время бурения и другие.

[0085] Во время операций бурения бурильная колонна 508 (возможно включающая в себя ведущую бурильную трубу 516, бурильную трубу 518 и компоновку 520 низа бурильной колонны) может вращаться ротором 410. Здесь не показано, но в дополнение или альтернативно компоновка 520 низа бурильной колонны может также вращаться двигателем (например, гидравлическим забойным двигателем), установленным в скважине. Утяжеленные бурильные трубы 522 можно использовать для добавления осевой нагрузки на буровое долото 526. Утяжеленные бурильные трубы 522 могут также делать жестче компоновку 520 низа бурильной колонны, обеспечивая передачу компоновкой 520 низа бурильной колонны добавленной осевой нагрузки на буровое долото 526 и помогая буровому долоту 526 в забуривании на поверхности 504 и в проходке в подземных пластах 414.

[0086] Во время операций бурения буровой насос 532 может перекачивать промывочный раствор (также известный специалистам в данной области техники как "буровой раствор") из емкости 534 бурового раствора по шлангу 536 в бурильную трубу 518 и вниз к буровому долоту 526. Буровой раствор может выходить из бурового долота 526 и возвращаться на поверхность 504 через кольцевое пространство 540 между бурильной трубой 518 и стенками ствола 412 скважины. Буровой раствор может затем возвращаться в емкость 534 бурового раствора, где такой раствор фильтруется. В некоторых вариантах осуществления буровой раствор можно использовать для охлаждения бурового долота 526, а также создания смазки для бурового долота 526 во время операций бурения. Кроме того, буровой раствор можно использовать для удаления выбуренной породы, вырабатываемой буровым долотом 526.

[0087] Таким образом, на Фиг. 1 и 3-5 можно видеть, что в некоторых вариантах осуществления системы 464, 564 могут включать в себя утяжеленную бурильную трубу 522, скважинный инструмент 524 и/или подвешиваемый на каротажном кабеле корпус 470 инструмента для размещения одного или нескольких устройств 100, аналогичных или идентичных устройству 100, описанному выше и показанному на Фиг. 1. Компоненты системы 102 на Фиг. 1 могут также размещаться в инструменте 524 или корпусе 470 инструмента.

[0088] Таким образом, для описания в данном документе термин "кожух" может включать в себя любое одно или несколько из следующего: утяжеленную бурильную трубу 522, скважинный инструмент 524 или корпус 470 инструмента, работающего на каротажном кабеле (все имеющие наружные стенки, для образования корпуса или прикрепления магнитометров, сенсоров, пробоотборников текучей среды, манометров, передатчиков, приемников, логических схем сбора и обработки данных и систем сбора и обработки данных). Инструмент 524 может представлять собой скважинный инструмент, такой как инструмент каротажа во время бурения или инструмент измерения глубины скважины. Корпус 470 инструмента, работающего на каротажном кабеле, может содержать каротажный инструмент, включающий в себя зонд, например, соединенный с каротажным кабелем 474. Много вариантов осуществления можно, таким образом, реализовать.

[0089] Например, в некоторых вариантах осуществления система 464, 564 может включать в себя дисплей 496 для представления магнитной информации сигнала, как измеренной, так и обработанной/вычисленной, а также информации базы данных, возможно в графической форме. Система 464, 564 может также включать в себя вычислительную логическую схему, возможно, в составе наземной каротажной станции 492, или компьютерного рабочего поста 454, для приема сигналов с передатчиков и приемников, и другой контрольно-измерительной аппаратуры для определения свойств пласта 414.

[0090] Таким образом, система 464, 564 может содержать корпус скважинного инструмента, такой как корпус 470 каротажного инструмента, работающего на кабеле, или скважинный инструмент 524 (например, корпус инструмента каротажа во время бурения или измерений во время бурения), и одно или несколько устройств 100, прикрепленных к корпусу инструмента, причем устройство 100 сконструировано и работает, как описано выше.

[0091] Кожух, который может представлять собой утяжеленную бурильную трубу, можно изготавливать со станочной обработкой для выполнения каналов на его наружной поверхности, обуславливающих проход большей части тока вдоль внутренней поверхности кожуха. Устройство 100 можно устанавливать в одном из каналов. Таким образом, систему 102, 464, 564 можно сконструировать с кожухом скважинного инструмента, имеющим множество продольных каналов 310 вокруг наружного периметра, при этом первый магнитометр устанавливается в закрытом одном из каналов (например, см. крышку 334 Фиг. 3), совместно с медной полосой 338, прикрепленной к кожуху скважинного инструмента.

[0092] В вариантах применения, где измеряют внешнее изменяющееся во времени поле, можно использовать электроизоляционный промежуток 594 в утяжеленной бурильной трубе, расположенный насколько практически возможно близко к магнитометру M. Таким образом, систему 102, 464, 564 можно конструировать с электроизоляционным промежутком 594 в утяжеленной бурильной трубе, причем электроизоляционный промежуток 594 расположен вблизи первого магнитометра M или второго магнитометра R.

[0093] Устройство 100; системы 102, 464, 564; кожух 104; катушку 108 Гельмгольца; экран 112; фильтр 116; систему 124 сбора и обработки данных; процессоры 130; базу 134 данных; передатчик 144; запоминающее устройство 150; рабочие посты 156, 454; поверхность 166; установочную конфигурацию 300; каналы 310; утяжеленную бурильную трубу 314; внутренний канал 330; крышку 334; полосу 338; ротор 410; ствол 412 скважины; компьютерные рабочие посты 454; корпус 470 каротажного инструмента, работающего на кабеле; каротажный кабель 474; буровую платформу 486; вышку 488; грузоподъемное оборудование 490; каротажную станцию 492; дисплей 496; бурильную колонну 508; ведущую бурильную трубу 16; бурильную трубу 18; компоновку 520 низа бурильной колонны; утяжеленные бурильные трубы 522; скважинный инструмент 524; буровое долото 526; буровой насос 532; емкости 534 бурового раствора; шланг 536; опорный магнитометр R и рубидиевый магнитометр М все можно характеризовать как "модули" в данном документе.

[0094] Такие модули могут включать в себя схемы аппаратных средств, и/или процессор и/или схемы запоминающих устройств, модули программ из объектов системы программного обеспечения, и/или программно-аппаратные средства и их комбинации по требованию архитектуры устройства 100 и систем 102, 464, 564 и соответствующие конкретным вариантам осуществления. Например, в некоторых вариантах осуществления такие модули можно включать в состав устройства и/или систему пакета программ моделирования работы, такие как программное обеспечение пакета программ моделирования электрического сигнала, пакета программ моделирования потребления и распределения электропитания, пакета программ моделирования электропитания /рассеяния тепла и/или комбинации программного обеспечения и аппаратного обеспечения, используемые для моделирования работы различных возможных вариантов осуществления.

[0095] Следует также понимать, что устройство и системы различных вариантов осуществления можно применять для работ, иных чем каротаж, и, следовательно, различные варианты осуществления каротажом не ограничиваются. Фигуры, показывающие устройства 100 и системы 102, 464, 564, дают общее понимание структуры различных вариантов осуществления и не служат исчерпывающим описанием всех элементов и признаков устройств и систем, в которых можно использовать конструкции, описанные в данном документе.

[0096] Варианты применения, которые могут включать в себя новые устройства и системы различных вариантов осуществления изобретения, включают в себя электронные схемы, применяемые в высокоскоростных компьютерах, схемах передачи и обработки сигнала, модемах, процессорных модулях, встроенных процессорах, переключателях данных и специализированных модулях. Такие устройства и системы можно дополнительно включать в состав как субкомпоненты в различных электронных системах, таких как телевизоры, сотовые телефоны, персональные компьютеры, рабочие посты, радиостанции, видеоприставки, транспортные средства, системы обработки сигнала для геотермальных инструментов и интерфейсов узловой телеметрии интеллектуальных приемопередатчиков среди прочего. Некоторые варианты осуществления включают в себя несколько способов.

[0097] Например, на Фиг. 6 в блок-схеме последовательности операций показано несколько дополнительных способов 611 согласно различным вариантам осуществления изобретения. В некоторых вариантах осуществления способы 611 могут включать в себя прием и обработку сигнала с малочувствительного магнитометра, который используется для обнуления поля Земли с помощью приведения в действие катушки Гельмгольца, окружающей чувствительный магнитометр. Таким образом, чувствительный магнитометр можно использовать для обнаружения относительно слабых сигналов, таких как сигналы измерения дальности от скважинной обсадной колонны или сигналы скважинной телеметрии. Сигнал, принятый чувствительным магнитометром, может являться осциллирующим сигналом (например, сигнал, генерируемый в обсадной колонне или долоте) или статическим сигналом, который может меняться вследствие быстрого спуска бурового долота в пределах расстояния обнаружения магнитометром.

[0098] В некоторых вариантах осуществления экран можно использовать для улучшения эффективной чувствительности вдоль измерительной оси чувствительного магнитометра. Таким образом, способ 611 может начинаться в блоке 621 с экранирования первого магнитометра материалом магнитного экранирования по существу во всех направлениях, не совпадающих с измерительной осью первого магнитометра.

[0099] Чувствительный магнитометр можно сделать более эффективным, если токи, связанные с принимаемым им сигналом, циркулируют физически близко. Таким образом, способ 611 может продолжаться блоком 625 с циркуляцией тока, связанного с сигналом, принятым первым магнитометром (например, первым сигналом) вокруг первого магнитометра. Способ 611 может продолжаться в блоке 629, включающем в себя концентрацию тока, связанного с первым сигналом в пути, снабженном увеличенной электропроводимостью относительно ферромагнитного кожуха, окружающего первый магнитометр (например, см. Фиг. 3).

[00100] Способ 611 может продолжаться в блоке 633 приемом и обработкой первого сигнала с первого магнитометра, где первый магнитометр по меньшей мере частично установлен в катушке Гельмгольца.

[00101] Чувствительный магнитометр можно устанавливать в утяжеленной бурильной трубе. Таким образом, действия в блоке 633 могут включать в себя прием первого сигнала с первого магнитометра, где первый магнитометр установлен в утяжеленной бурильной трубе.

[00102] В некоторых вариантах осуществления можно осуществлять мониторинг первого сигнала. Например, способ 611 может включать в себя, в блоке 637, мониторинг прошедшей фильтр низкочастотной версии первого сигнала. При этом медленное отклонение параметров (например, магнитного поля Земли) можно легче обнаруживать.

[00103] Способ 611 может продолжаться в блоке 641, включающем в себя прием и обработку второго сигнала со второго магнитометра, имеющего чувствительность по меньшей мере в одну тысячу раз меньше, чем у первого магнитометра.

[00104] В большинстве вариантов осуществления способ 611 включает в себя обработку данных второго сигнала для определения сигнала возбуждения (для катушки Гельмгольца) в блоке 645. Например, сигнал возбуждения катушки Гельмгольца можно определить с помощью итеративного поиска полезной величины. Таким образом, действие в блоке 645 может содержать определение сигнала возбуждения с помощью повторяющегося изменения тока, подаваемого на катушку Гельмгольца, для установления верхнего и нижнего значений тока, создающих применимую величину первого сигнала (например, см. способы, показанные на Фиг. 2).

[00105] После фильтрации нижних частот (и мониторинга) выход с чувствительного магнитометра можно использовать для индикации медленного отклонения параметров в магнитном поле Земли. Таким образом, способ 611 может включать в себя, в блоке 649, обнаружение медленного отклонения параметров в магнитном поле Земли с помощью мониторинга прошедшей фильтрацию нижних частот версии первого сигнала.

[00106] После обнаружения отклонения работу устройства можно корректировать. Таким образом, способ 611 может включать в себя, после обнаружения превышения медленным отклонением параметров заданного значения, корректировку сигнала возбуждения с помощью коэффициента масштабирования, умножаемого на отклонение в блоке 653.

[00107] Способ 611 может продолжаться в блоке 657, включающем в себя приведение в действие катушки Гельмгольца с использованием сигнала возбуждения для по существу обнуления магнитного поля Земли, окружающего первый магнитометр.

[00108] Способ 611 может продолжаться в блоке 661, включающем в себя обработку данных первого сигнала как одного из следующего: сигнала локации в скважине или сигнала скважинной телеметрии. Сигнал локации можно использовать для определения дальности до подземного объекта, и сигнал телеметрии можно использовать для получения данных операций бурения.

[00109] Определение дальности, выполняемое чувствительным магнитометром может являться измерением дальности от магнитометра до обсадной колонны в другой скважине. Таким образом, способ 611 может включать в себя в блоке 665 определение дальности до подземного объекта как приблизительной дальности от первого магнитометра до обсадной колонны, установленной во втором стволе скважины, отличном от первого ствола скважины. В данном случае первый магнитометр по существу окружен первым стволом скважины.

[00110] Передатчик электромагнитной телеметрии можно применять для передачи информации на чувствительный магнитометр. Таким образом, действия в блоке 665 могут содержать прием первого сигнала с передатчика скважинной телеметрии во время операций бурения в скважине. Можно реализовать другие дополнительные варианты осуществления.

[00111] Следует отметить, что способы, описанные в данном документе, необязательно выполнять в описанном порядке, или любом конкретном порядке. Кроме того, различные действия, описанные для способов, идентифицированных в данном документе, можно исполнить итеративно, последовательно или параллельно. Различные элементы каждого способа (например, способов, показанных на Фиг. 2 и 6) можно замещать один на другой, в способах и между способами. Информация, включающая в себя параметры, команды, операнды и другие данные, может передаваться и приниматься в форме одной или нескольких несущих волн.

[00112] После прочтения и изучения содержания данного описания специалист в данной области техники должен понимать режим, в котором программы программного обеспечения можно запустить из машиночитаемого носителя в компьютерную систему для исполнения функций, заданных в программе программного обеспечения. Специалист в данной области техники должен также понимать различные языки программирования, которые можно использовать для создания одной или нескольких программ программного обеспечения для реализации и выполнения способов, раскрытых в данном документе. Например, программы можно структурировать в объектно-ориентированном формате с использованием объектно-ориентированного языка, такого как Java или C#. В другом примере программы можно структурировать в процедурно-ориентированном формате с использованием процедурно-ориентированного языка, такого как assembly или C. Компоненты программного обеспечения могут поддерживать связь с использованием любого числа механизмов, хорошо известных специалисту в данной области техники, таких как прикладные программные интерфейсы или методики связи между процессами, включающие в себя удаленные вызовы процедуры. Идеи различных вариантов осуществления не ограничены каким-либо конкретным языком или средой программирования. Таким образом, можно реализовать другие варианты осуществления.

[00113] Например, на Фиг. 7 показана блок-схема изделия 700, изготовленного согласно различным вариантам осуществления, например компьютера, системного запоминающего устройства, магнитного или оптического диска или другого устройства сохранения данных. Изделие 700 может включать в себя один или несколько процессоров 716, соединенных с машиночитаемым носителем, таким как запоминающее устройство 736 (например, носитель на сменном диске, а также любое материальное, не промежуточное запоминающее устройство, включающее в себя электрический, оптический или электромагнитный проводник), несущее соответствующую информацию 738 (например, команды и/или данные компьютерной программы), которая при выполнении одним или несколькими процессорами 716 дает выполнение машиной (например, изделием 700) любых действий, для описанных выше способов, показанных на Фиг. 2 и 6, устройства, показанного на Фиг. 1, и систем, показанных на Фиг. 1, 4 и 5. Процессоры 716 могут представлять собой один или несколько процессоров, поставляемых Intel Corporation (например, процессоры семейства Intel®Core™), Advanced Micro Devices (например, процессоры AMD Athlon™), и других производителей полупроводниковой техники.

[00114] В некоторых вариантах осуществления изделие 700 может содержать один или несколько процессоров 716, соединенных с дисплеем 718 для отображения данных, обрабатываемых процессором 716, и/или беспроводной приемопередатчик 720 (например, приемопередатчик скважинной телеметрии) для приема и передачи данных, обработанных процессором.

[00115] Система (системы) запоминающих устройств в составе изделия 700 может включать в себя запоминающее устройство 736, представляющее собой энергозависимое запоминающее устройство (например, динамическое оперативное запоминающее устройств) и/или энергонезависимое запоминающее устройство. Запоминающее устройство 736 можно использовать для сохранения данных 740, обрабатываемых процессором 716.

[00116] В различных вариантах осуществления изделие 700 может содержать устройство 722 связи, которое может в свою очередь включать в себя усилители 726 (например, предварительные усилители или усилители мощности) и одну или несколько антенн 724 (например, передающие антенны и/или принимающие антенны). Сигналы 742, принятые или переданные устройством 722 связи, можно обрабатывать способами, описанными в данном документе.

[00117] Возможно много вариаций изделия 700. Например, в различных вариантах осуществления изделие 700 может содержать скважинный инструмент, включающий в себя устройство 100, показанное на Фиг. 1. В некоторых вариантах осуществления изделие 700 является аналогичным или идентичным устройству 100 или системе 102, показанной на Фиг. 1.

[00118] На Фиг. 8 и 9 показаны дополнительные конфигурации 810, 910 установки магнитометров соответственно согласно различным вариантам осуществления изобретения. В отличие от конфигурации 310, показанной на Фиг. 3, чувствительность магнитометра M может дополнительно усиливаться, либо доработкой медной полосы с образованием петли вокруг магнитометра (см. вид спереди и сверху конфигурации 810), или с помощью установки детали из феррита под магнитометром (см. конфигурацию 300, на Фиг. 3), или того и другого. Феррит является материалом с относительно высокой магнитной проницаемостью, который не должен входить в контакт с экраном из мю-металла для предотвращения магнитного короткого замыкания.

[00119] Как указано выше, магнитометры, подходящие для вариантов применения данного изобретения, изготавливаются в виде микроэлектромеханических системных устройств. В данном масштабе, когда того требует вариант применения, катушки Гельмгольца могут включаться в состав внутрискважинных устройств (например, утяжеленной бурильной трубы 314) для подавления поля окружающей среды. Данное можно использовать в комбинации с геометрическими формами, показанными на Фиг. 3 и 8-9, с общей осью двух катушек на данных фигурах, образующих катушку Гельмгольца вдоль измерительной оси магнитометра M, и с магнитометром M, расположенным по центру между данными двумя катушками так, что измерительная ось магнитометра M направлена вдоль продольной оси медной спирали 812. Магнитометр M экранируется экраном 112 из мю-металла. Стержень 816 из высокопроницаемого феррита может устанавливаться в спирали 812, между магнитометром M и основанием полости 310 для дополнительной концентрации потока.

[00120] На Фиг. 9 показан несколько иной подход в котором настолько много меди, насколько практически возможно, используется для канализирования тока под магнитометр. Утяжеленная бурильная труба 314 имеет цилиндрический вырезанный снаружи канал 920 (который может иметь кожух по окружности, не показанный на Фиг. 9.) Медная рубашка 914 проходит по окружности внутри цилиндра, но сужается до одного канала под магнитометром M, таким образом отводя большую часть тока напрямую под магнитометр M, который имеет измерительную ось, указанную ярлыком X. Ферритовая полоса 816 может устанавливаться под магнитометр M, как описано выше и показано на Фиг. 8.

[00121] Медная рубашка 914 может паяться серебряным припоем на всех местах контакта с утяжеленной бурильной трубой 314. В некоторых вариантах осуществления использование медной рубашки 914 может являться нежелательным, поскольку получающаяся в результате конфигурация 910 может являться значительно менее жесткой, чем остальные части КНБК.

[00122] Возможно большое число других конфигураций. Общие планы реализации данных конфигураций включают в себя: (a) канализирование тока насколько возможно близко к магнитометру M, (б) если практически возможно, осуществление циркуляции тока вокруг магнитометра M, (в) концентрацию магнитного поля тока с использованием ферритового или аналогичного материала (например, ферритовой полосы 816), (г) экранирование поля окружающей среды с использованием экрана 112 из мю-металла, и/или одной или нескольких катушек Гельмгольца, и (д) электроизоляция экрана 112 из мю-металла от остальной системы.

[00123] В некоторых вариантах осуществления обнаруживают наружное изменяющееся во времени поле. В данном случае когда применяют вариант магнитного или низкочастотного электромагнитного измерения дальности, может быть полезной установка изоляционного промежутка в утяжеленной бурильной трубе, близкого насколько практически возможно к магнитометру M (см. элемент 594 на Фиг. 5, например). Промежуток помогает предотвращать создание токами, наведенными в бурильной колонне, полей, обнаруживаемых магнитометром. В таких вариантах применения может требоваться выполнение измерений по двум осям или по трем осям, возможно с использованием магнитометров, имеющих измерительных оси ортогональные друг другу. Экран из мю-металлов можно применять вокруг данных магнитометров открытых вдоль измерительных осей.

[00124] Поле окружающей среды вдоль измерительной оси каждого магнитометра в данных вариантах применения обнаружения внешнего поля может подавляться с использованием катушки Гельмгольца и привязки к менее чувствительным магнитометрам, установленным в части бурильной колонны, по существу свободной от магнитной интерференции. Поле окружающей среды можно обнуливать способом, по существу одинаковым с описанным выше. Вместе с тем, если бурильная колонна вращается при выполнении измерений, можно учитывать некоторые результирующие относительно быстрые вариации магнитного поля Земли в системе координат бурильной колонны.

[00125] В сущности, использование устройств, систем и способов, раскрытых в данном документе, может обеспечить увеличение чувствительности измерений магнитного поля, относительно обычных устройств. В результате, глубину, диапазон и/или скорость передачи данных систем электромагнитной телеметрии можно увеличить, также можно увеличить дальность обнаружения магнитных тел и осциллирующих электроисточников магнитного поля.

Комбинация данных преимуществ может значительно увеличить ценность работ, выполняемых эксплуатирующей/ разведочной компанией, одновременно с регулированием повременных затрат.

[00126] Прилагаемые чертежи, являющиеся частью данного документа, показывают иллюстративно и не в качестве ограничения конкретные варианты осуществления, в которых объект изобретения можно реализовать. Варианты осуществления описаны достаточно подробно для обеспечения реализации специалистом в данной области техники идей, раскрытых в данном документе. Другие варианты осуществления можно применять и разрабатывать на данной основе, так что замены и изменения структурных и логических схем можно выполнять без отхода от объема данного изобретения. Данное подробное описание изобретения поэтому не должно считаться ограничивающим, и объем различных вариантов осуществления определяет только прилагаемая формула изобретения совместно с полным диапазоном эквивалентов, которые соответствуют пунктам формулы.

[00127] Такие варианты осуществления объекта изобретения можно именовать в данном документе индивидуально и/или вместе термином "изобретение" только для удобства и без ограничения объема данной заявки любым одним изобретением или идеей изобретения, если несколько позиций фактически раскрыты. Таким образом, хотя конкретные варианты осуществления показаны и описаны в данном документе, должно быть ясно, что любое устройство, разработанное для достижения аналогичной цели, можно заменить для показанных конкретных вариантов осуществления. Данное описание охватывает любые и все адаптации или вариации различных вариантов осуществления. Комбинации описанных выше вариантов осуществления и другие варианты осуществления, конкретно не описанные в данном документе, должны быть понятны специалисту в данной области техники при рассмотрении приведенного выше описания.

[00128] Реферат соответствует 37 C.F.R. § 1.72(b), требующему от реферата обеспечения быстрого понимания читателем технической сущности изобретения. Реферат представлен с пониманием, что его не должны использовать для интерпретации или ограничения объема или значения формулы изобретения. В дополнение, в приведенном выше подробном описании изобретения можно видеть, что различные признаки группируются вместе в одном варианте осуществления для упорядочивания описания. Данный способ описания не следует интерпретировать, как отражающий условие, что заявленные варианты осуществления требуют больше признаков, чем конкретно указано в каждом пункте формулы изобретения. Наоборот, как отражено в следующей формуле изобретения, объект изобретения имеет меньше признаков, чем все раскрытые в одном варианте осуществления. Таким образом, следующие пункты формулы изобретения находятся в составе подробного описания изобретения, при этом каждый пункт представляет сам по себе отдельный вариант осуществления.

Использование: для идентификации состава и распределения материала. Сущность изобретения заключается в том, что способ и изделие могут работать, получая первый сигнал с первого магнитометра, по меньшей мере частично расположенного в катушке Гельмгольца, получая второй сигнал со второго магнитометра, имеющего чувствительность по меньшей мере в одну тысячу раз меньше, чем у первого магнитометра, обрабатывая второй сигнал для определения сигнала возбуждения, приводящего в действие катушку Гельмгольца, использующую сигнал возбуждения для обнуления магнитного поля Земли, окружающего первый магнитометр, и обрабатывая первый сигнал, являющийся сигналом скважинной локации или сигналом скважинной телеметрии, причем по сигналу локации определяют дальность до подземного объекта и по сигналу телеметрии получают данные операций бурения в скважине. Технический результат: обеспечение возможности подавления части магнитного поля окружающей среды и увеличения чувствительности измерений магнитного поля. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.

1. Реализуемый с помощью компьютерного процессора способ обнаружения магнитного поля, содержащий:
обнаружение первого сигнала с первого магнитометра, по меньшей мере частично расположенного в катушке Гельмгольца;
обнаружение второго сигнала со второго магнитометра, имеющего чувствительность по меньшей мере в одну тысячу раз меньше, чем у первого магнитометра;
обработку данных второго сигнала для определения сигнала возбуждения;
приведение в действие катушки Гельмгольца с использованием сигнала возбуждения для по существу обнуления магнитного поля Земли, окружающего первый магнитометр;
и обработку данных первого сигнала, представляющего собой сигнал скважинной локации или сигнал скважинной телеметрии, причем сигнал локации определяет дальность до подземного объекта и сигнал телеметрии передает данные операций бурения в скважине.

2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий:
определение сигнала возбуждения повторяющимся изменением тока на катушке Гельмгольца для установления верхней и нижней величин тока, при которых получают приемлемую величину первого сигнала.

3. Способ по п. 1, дополнительно содержащий:
обнаружение медленного отклонения параметров в магнитном поле Земли с помощью мониторинга версии первого сигнала, прошедшего фильтр нижних частот.

4. Способ по п. 3, дополнительно содержащий:
при обнаружении превышения медленным отклонением параметров заданной величины, корректировку сигнала возбуждения с применением коэффициента масштабирования, умноженного на медленное отклонение параметров.

5. Способ по п. 1, в котором первый магнитометр, по существу окружен первым стволом скважины, дополнительно содержащий:
определение дальности до подземного объекта как приблизительной дальности от первого магнитометра до скважинной обсадной колонны, установленной во втором стволе скважины, отличном от первого ствола скважины.

6. Способ по п. 1, дополнительно содержащий:
прием первого сигнала с передатчика скважинной телеметрии во время операций бурения в скважине.

7. Способ по п. 1, дополнительно содержащий:
осуществление циркуляции тока, связанного с первым сигналом, вокруг первого магнитометра.

8. Способ по п. 1, дополнительно содержащий:
концентрацию тока, связанного с первым сигналом, в пути с помощью создания пути увеличенной проводимости относительно ферромагнитного кожуха, окружающего первый магнитометр.

9. Способ по п. 1, дополнительно содержащий:
экранирование первого магнитометра материалом магнитного экранирования по существу на всех направлениях, не совпадающих с измерительной осью первого магнитометра.

10. Способ по п. 1, в котором обнаружение первого сигнала дополнительно содержит: обнаружение первого сигнала с первого магнитометра, когда первый магнитометр расположен в утяжеленной бурильной трубе.

11. Устройство для обнаружения магнитного поля, содержащее:
первый магнитометр, по меньшей мере частично расположенный в катушке Гельмгольца;
второй магнитометр, имеющий чувствительность по меньшей мере в одну тысячу раз меньше, чем у первого магнитометра; и
процессор обработки сигналов, выполненный с возможностью приведения в действие катушки Гельмгольца согласно сигналу, создаваемому вторым магнитометром, для по существу обнуления окружающего первый магнитометр магнитного поля Земли и приема сигнала скважинной локации или сигнала скважинной телеметрии с первого магнитометра.

12. Устройство по п. 11, в котором первый магнитометр представляет собой по меньшей мере один рубидиевый магнитометр или алмазный магнитометр.

13. Устройство по п. 11, в котором второй магнитометр представляет собой феррозондовый магнитометр.

14. Устройство по п. 11, в котором катушка Гельмгольца и второй магнитометр содержат:
блоки с тремя измерительными осями, по существу выставленные по трем осям.

15. Устройство по п. 11, в котором катушка Гельмгольца и первый магнитометр содержат:
блоки с одной рабочей осью, по существу выставленные вдоль одной оси.

16. Устройство по п. 11, дополнительно содержащее:
сигнал, прошедший фильтр нижних частот, соединенный с выходом первого магнитометра, причем фильтр нижних частот обеспечивает мониторинг на выходе медленного отклонения параметров, связанного с магнитным полем Земли.

17. Устройство по п. 11, дополнительно содержащее:
магнитно-проницаемый экран, по существу окружающий первый магнитометр, с отверстием, по существу выставленным по измерительной оси первого магнитометра.

18. Система для обнаружения магнитного поля, содержащая:
кожух скважинного инструмента; и
устройство, прикрепленное к кожуху, причем устройство содержит первый магнитометр, по меньшей мере частично расположенный в катушке Гельмгольца, второй магнитометр, имеющий чувствительность по меньшей мере в одну тысячу раз меньше, чем у первого магнитометра, и процессор обработки сигналов, выполненный с возможностью приведения в действие катушки Гельмгольца согласно сигналу, созданному вторым магнитометром, для по существу обнуления магнитного поля Земли, окружающего первый магнитометр, и приема сигнала скважинной локации или сигнала скважинной телеметрии с первого магнитометра.

19. Система по п. 18, в которой кожух содержит одно из следующего:
корпус инструмента, работающего на каротажном кабеле, скважинный инструмент измерений во время бурения или скважинный инструмент каротажа во время бурения.

20. Система по п. 18, в которой кожух скважинного инструмента имеет множество продольных каналов по наружному периметру, и при этом первый магнитометр устанавливается в закрытом одном из каналов вместе с медной полосой, прикрепленной к кожуху скважинного инструмента.

21. Система по п. 18, дополнительно содержащая:
изоляционный промежуток в утяжеленной бурильной трубе, причем изоляционный промежуток расположен вблизи первого или второго магнитометра.