АНТЕННЫ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТОВ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ И СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H01Q1/04 G01V3/26 E21B47/13 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] В процессе бурения скважин с целью добычи углеводородов для получения или регистрации в режиме реального времени данных об окрестности бурового долота используются различные технологии записи и передачи. Измерения окружающих подземных пластов могут производиться в ходе буровых работ с использованием скважинных измерительных инструментов и инструментов геофизического исследования, таких как инструменты для измерения во время бурения (measurement-while-drilling, MWD) и/или геофизического исследования во время бурения (logging-while-drilling, LWD), которые позволяют охарактеризовать пласты и помочь в принятия оперативных решений. Инструменты геофизического исследования в стволе скважины позволяют проводить измерения, которые могут использоваться для определения электрического сопротивления (или его обратной величины - проводимости) пластов, через которые проходит скважина, причем электрическое сопротивление указывает на различные особенности пластов. Эти измерения могут выполняться с использованием одной или большего количества антенн, соединенных или иным образом связанных с инструментами геофизического исследования в стволе скважины.

[0002] Антенны для инструментов геофизического исследования часто формируют путем размещения катушечных обмоток вокруг осевого участка инструмента геофизического исследования, такого как муфта утяжеленной бурильной трубы. Для повышения эффективности и/или чувствительности антенны под обмотками катушек иногда располагают ферритовый материал или «ферриты». Ферриты способствуют созданию контура с большим эффективным расстоянием действия магнитной проницаемости (т.е., канал потока) для магнитного поля, создаваемого обмотками катушек, и экранированию катушечных обмоток от муфты утяжеленной бурильной трубы, защищая от связанных с ней потерь (например, вихревых токов, возникающих в муфте утяжеленной бурильной трубы).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0003] Следующие чертежи иллюстрируют некоторые аспекты настоящего изобретения и не должны рассматриваться как исключительные варианты реализации изобретения. В объект изобретения можно вносить различные модификации, изменения, возможны различные комбинации и эквиваленты по форме и функции без отступления от сущности и объема изобретения.

[0004] На Фиг. 1 схематически изображена иллюстративная буровая система, в которой могут использоваться принципы настоящего изобретения.

[0005] На Фиг. 2 схематически изображена иллюстративная кабельная система для работы с внутрискважинным инструментом, в которой могут использоваться принципы настоящего изобретения.

[0006] На Фиг. 3А приведен частичный изометрический вид иллюстративного инструмента геофизического исследования в стволе скважины.

[0007] На Фиг. 3B приведен схематический вид сбоку инструмента геофизического исследования в стволе скважины согласно Фиг. 3A.

[0008] На Фиг. 4 приведен вид сбоку в сечении иллюстративной антенны.

[0009] На Фиг. 5A приведен вид сбоку в сечении другой иллюстративной антенны.

[0010] На Фиг. 5B приведен изометрический вид части антенного блока согласно Фиг. 5A.

Подробное описание изобретения

[0011] Настоящее изобретение относится в целом к инструментам геофизического исследования в стволе скважины, используемым в нефтегазовой отрасли, и, более конкретно, к антеннам, используемым в инструментах геофизического исследования в стволе скважины, и способам изготовления антенн.

[0012] Описанные здесь варианты реализации изобретения уменьшают сложность сборки антенн, используемых в инструментах геофизического исследования в стволе скважины, а также обеспечивают механическую целостность антенны. При изготовлении или сборке одной из описанных здесь антенн множество ферритов могут располагаться вокруг внешней поверхности оправки для закрепления инструмента и простираться по окружности вокруг указанной внешней поверхности. В некоторых случаях на внешней поверхности оправки для закрепления инструмента выполняется канавка, и множество ферритов зафиксированы в канавке путем формования в канавке или, в альтернативном варианте, изготовлены путем печати в канавке с использованием аддитивного процесса производства. В других случаях множество ферритов могут быть установлены во множестве каналов, выполненных на внутренней поверхности внутренней гильзы, расположенной между бобиной и оправкой для закрепления инструмента. Затем бобину можно расположить вокруг внешней поверхности оправки таким образом, чтобы множество ферритов располагалось между оправкой для закрепления инструмента и частью бобины. В некоторых случаях бобину может быть сформирована непосредственно на внешней поверхности внутренней гильзы. В других случаях бобина может быть изготовлена путем печати непосредственно на внешней поверхности с использованием аддитивного процесса производства. Затем катушечная обмотка может быть обернута вокруг внешней поверхности бобины и продолжена в осевом направлении вдоль по меньшей мере части внешней поверхности.

[0013] На Фиг. 1 схематически изображена иллюстративная буровая система 100, в которой могут использоваться принципы настоящего изобретения согласно одному или большему количеству вариантов реализации. Как показано на чертеже, буровая система 100 может содержать буровую платформу 102, расположенную на поверхности, и ствол скважины 104, проходящий от буровой платформы 102 через один или большее количество подземных пластов 106. В других вариантах реализации изобретения, например, при бурении в море, буровую платформу 102 и ствол скважины 104 может разделять определенный объем воды.

[0014] Буровая система 100 может содержать вышку 108, поддерживаемую буровой платформой 102 и имеющую передвижной блок 110 для подъема и опускания бурильной колонны 112. Ведущая буровая труба 114 может поддерживать бурильную колонну 112, когда она опускается через ротор 116. Буровое долото 118 может быть соединено с бурильной колонной 112 и приводиться в движение скважинным двигателем и/или вращением бурильной колонны 112 ротором 116. При вращении бурового долота 118 создается ствол скважины 104, проникающий в подземные пласты 106. Насос 120 может обеспечивать циркуляцию бурового раствора в скважине: через подающую трубу 122 и ведущую буровую трубу 114, через внутреннюю часть бурильной колонны 112, через отверстия в буровом долоте 118, обратно на поверхность через кольцевое пространство, образованное вокруг бурильной колонны 112, и в сточный пруд 124. Буровой раствор охлаждает буровое долото 118 в процессе работы и переносит выбуренную породу из ствола скважины 104 в сточный пруд 124.

[0015] Буровая система 100 может дополнительно содержать компоновку низа бурильной колонны (bottom hole assembly, BHA), соединенную с бурильной колонной 112 вблизи бурового долота 118. BHA может содержать различные скважинные измерительные инструменты, такие как (но без ограничения перечисленным) инструменты для измерения во время бурения (MWD) и геофизического исследования во время бурения (LWD), которые могут быть выполнены с возможностью проведения скважинных измерений условий бурения. Инструменты MWD и LWD могут включать по меньшей мере один инструмент геофизического исследования в стволе скважины 126, который может содержать одну или большее количество антенн, способных принимать и/или передавать один или большее количество электромагнитных (ЭМ) сигналов, разнесенных в осевом направлении по длине инструмента геофизического исследования в стволе скважины 126. Как будет подробно описано ниже, инструмент геофизического исследования в стволе скважины 126 может дополнительно содержать множество ферритов, используемых для экранирования ЭМ-сигналов и, таким образом, повышения азимутальной чувствительности инструмента геофизического исследования в стволе скважины 126.

[0016] Когда буровое долото 118 проводит ствол скважины 104 сквозь пласты 106, инструмент геофизического исследования в стволе скважины 126 может непрерывно или периодически собирать данные азимутально-чувствительных измерений, относящиеся к удельному сопротивлению пластов 106, т.е. тому, насколько сильно сопротивление пластов 106 протеканию электрического тока. Инструмент геофизического исследования в стволе скважины 126 и другие датчики инструментов MWD и LWD могут быть соединены с возможностью передачи данных с телеметрическим модулем 128, используемым для передачи значений измерений и сигналов от BHA в наземный приемник (не показан) и/или для приема команд от наземного приемника. Телеметрический модуль 128 может содержать любые известные скважинные коммуникационные устройства, включая (без ограничения перечисленным) систему телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, систему телеметрии по акустическому каналу связи, систему проводной связи, систему беспроводной связи или любую их комбинацию. В некоторых вариантах реализации изобретения некоторые или все результаты измерений, выполненных инструментом геофизического исследования в стволе скважины 126, также могут храниться в инструменте геофизического исследования в стволе скважины 126 или телеметрическом модуле 128 для последующего извлечения на поверхности после отведения бурильной колонны 112.

[0017] В разные моменты времени в процессе бурения бурильная колонна 112 может извлекаться из ствола скважины 104, как показано на Фиг. 2, для проведения операций измерения/геофизического исследования. В частности, на Фиг. 2 схематически изображена иллюстративная кабельная система для работы с внутрискважинным инструментом 200, в которой могут использоваться принципы настоящего изобретения согласно одному или большему количеству вариантов реализации. На Фиг. 1 и 2 для обозначения одних и тех же компонентов или элементов используются аналогичные номера позиций, и, следовательно, их подробное описание может отсутствовать. Как проиллюстрировано на чертеже, кабельная система для работы с внутрискважинным инструментом 200 может содержать спускаемый на кабеле каротажный зонд 202, который может спускаться в ствол скважины 104 на кабеле 204. Спускаемый на кабеле каротажный зонд 202 может содержать описанный выше инструмент геофизического исследования в стволе скважины 126, который может быть соединен с возможностью передачи данных с кабелем 204. Кабель 204 может содержать проводники для передачи энергии спускаемому на кабеле каротажному зонду 202 и обеспечения связи между поверхностью и спускаемым на кабеле каротажным зондом 202. Установка для геофизических исследований 206, изображенная на Фиг. 2 в виде грузового автомобиля, может получать данные измерений от инструмента геофизического исследования в стволе скважины 126 и может содержать вычислительные системы и системы сбора данных 208 для управления, обработки, хранения и/или визуализации данных измерений, собранных инструментом геофизического исследования в стволе скважины 126. Вычислительные средства 208 могут быть соединены с возможностью передачи данных с инструментом геофизического исследования в стволе скважины 126 посредством кабеля 204.

[0018] На Фиг. 3А приведен частичный изометрический вид иллюстративного инструмента геофизического исследования в стволе скважины 300 в соответствии с одним или большим количеством вариантов реализации изобретения. Инструмент геофизического исследования 300 может быть идентичным или аналогичным инструменту геофизического исследования в стволе скважины 126 согласно Фиг. 1 и 2 и, следовательно, может использоваться в буровых или кабельных системах 100, 200, изображенных на чертежах. Инструмент геофизического исследования в стволе скважины 300 изображен как инструмент, содержащий антенный блок 302, который может быть расположен вокруг оправки для закрепления инструмента 304, такой как муфта утяжеленной бурильной трубы или тому подобное. Антенный блок 302 может содержать бобину 306 и катушку 308, намотанную вокруг бобины 306 и проходящую в осевом направлении за счет наматывания вдоль по меньшей мере части внешней поверхности бобины 306.

[0019] Конструкция бобины 306 может содержать высокотемпературную пластмассу, термопластик, полимер (например, полиимид), керамику или эпоксидный материал, а в альтернативном варианте может быть изготовлена из множества других немагнитных, электроизоляционных/непроводящих материалов. Бобина 306 может быть изготовлена, например, с использованием аддитивного процесса производства (т.е., посредством трехмерной печати), литья, литья под давлением, механической обработки или других известных производственных процессов.

[0020] Катушка 308 может содержать любое количество последовательных «оборотов» (т.е. витков катушечной обмотки 308) вокруг бобины 306, но обычно содержит по меньшей мере несколько (т.е. два или более) последовательных полных оборотов, причем каждый полный оборот проходит на 360 градусов вокруг бобины 306. В некоторых вариантах реализации изобретения на внешней поверхности бобины 306 может быть выполнена дорожка для размещения катушки 308. Например, одна или большее количество канавок могут быть сформированы на внешней поверхности бобины 306 для установки и закрепления в них катушки 308. Однако в других вариантах реализации изобретения внешняя поверхность бобины 306 может быть гладкой или ровной. Катушка 308 может быть концентрической или эксцентрической относительно центральной оси 310 оправки для закрепления инструмента 304.

[0021] Как показано на чертежах, витки или обмотки катушки 308 проходят вокруг бобины 306 под углом 312, смещенным от центральной оси 310. В результате антенный блок 302 может быть охарактеризован и иным образом обозначен как «наклонная рамочная антенна» или «направленная» антенна. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения угол 312 составляет, например, 45° и в альтернативном варианте может быть любым углом, смещенным от центральной оси 310, не выходя за пределы объема изобретения.

[0022] На Фиг. 3B приведен схематический вид сбоку инструмента геофизического исследования в стволе скважины 300 согласно Фиг. 3A. При протекании тока через катушку 308 антенного блока 302 может возникать дипольное магнитное поле 314, простирающееся радиально наружу от антенного блока 302, перпендикулярно направлению обмотки. В результате антенный блок 302 может иметь угол магнитного поля 316 относительно оправки для закрепления инструмента 304, а поскольку угол 312 (Фиг. 3А) составляет 45°, результирующий угол магнитного поля 316 также будет на 45° смещен от центральной оси 310. Однако, как будет понятно, угол магнитного поля 316 может изменяться путем регулирования или манипулирования углом 312.

[0023] На Фиг. 4 приведен вид сбоку в сечении иллюстративного антенного блока 400 в соответствии с одним или большим количеством вариантов реализации изобретения. Антенный блок 400 может быть идентичным или аналогичным антенному блоку 302 согласно Фиг. 3А и 3В, и поэтому он будет более понятен при рассмотрении этих чертежей, на которых аналогичные цифровые обозначения соответствуют аналогичным элементам или компонентам, повторное подробное описание которых может отсутствовать. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения оправка для закрепления инструмента 304 может содержать в целом цилиндрическую конструкцию, имеющую внутреннюю 402 и внешнюю 404поверхности. В некоторых вариантах реализации изобретения оправка для закрепления инструмента 304 может дополнительно обеспечивать и иным образом определять седловину 406, проходящую вдоль части внешней поверхности 404 оправки для закрепления инструмента 304. Седловина 406 может содержать часть внешней поверхности 404, которая имеет уменьшенный диаметр по сравнению с остальными частями внешней поверхности 404. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения некоторые или все компоненты антенного блока 400 могут быть расположены в седловине 406, прилегающей к внешней поверхности 404.

[0024] Антенный блок 400 может дополнительно иметь внешнюю гильзу 408, охватывающую и иным образом вмещающую различные компоненты антенного блока 400 в седловине 406. В частности, внешняя гильза 408 может иметь внутренний диаметр, превышающий внешний диаметр оправки для закрепления инструмента 304, и длину, достаточную для того, чтобы проходить в осевом направлении через седловину 406. Кроме того, внешняя гильза 408 обеспечивает круговой охват, проходя вокруг центральной оси 310 оправки для закрепления инструмента 304. Верхний и нижний концы внешней гильзы 408 могут быть соединены с внешней поверхностью 404 оправки для закрепления инструмента 304 на обоих концах седловины 406 с помощью одного или большего количества механических крепежных элементов 410, таких как (без ограничения перечисленным) пружинные стопорные кольца, защелки, болты, винты или другой известный механический крепеж.

[0025] Внешняя гильза 408 может быть выполнена из непроводящего или неметаллического материала, такого как (без ограничения перечисленным) стекловолокно, полимер или полимерный материал (например, полиэфирэфиркетон, или ПЭЭК (PEEK)), сплав на основе никеля, сплав на основе хрома, сплав на основе меди, INCONEL®, MONEL®, усовершенствованный композит и/или любая их комбинация. Понятно, что различные материалы или комбинации материалов могут быть предусмотрены в нескольких слоях для формирования внешней гильзы 408, не выходя за пределы объема изобретения.

[0026] Антенный блок 400 может дополнительно обеспечивать по меньшей мере одну канавку 412, выполненную на внешней поверхности 404 оправки для закрепления инструмента 304. По меньшей мере одна канавка 412 может быть выполнена с возможностью установки и закрепления множества ферритов 414. В некоторых вариантах реализации изобретения, как проиллюстрировано на чертежах, один или большее количество разделителей 416 может быть предусмотрено в канавке 412 и, в ином случае, они могут проходить радиально наружу от канавки 412. Разделители 416 могут служить для предотвращения физического контакта между боковыми смежными ферритами 414, которые могут быть установлены в канавке 412, и, таким образом, предотвращения образования непрерывной линии магнитной индукции между боковыми смежными ферритами 414. Разделители 416 могут быть изготовлены из различных материалов, включая (без ограничения перечисленным) высокотемпературную пластмассу, термопластик, полимер (т.е., полиимид), керамику, эпоксидный материал или любую их комбинацию. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения при выполнении канавки 412 разделители 416 могут быть выполнены механической обработкой на внешней поверхности 404 оправки для закрепления инструмента 304. В таких вариантах реализации изобретения канавка 412 может содержать множество канавок, разделенных разделителями 416.

[0027] Как правило, разделители 416 могут иметь относительную проницаемость (μ_r) около 1, что эквивалентно проницаемости свободного пространства или воздуха (μ_o). Соответственно, разделители 416 можно рассматривать как, по сути, эквивалент воздушных зазоров между соседними ферритами 414, часто называемые ʺпросветомʺ, которые, по существу, служат в качестве немагнитного изолятора между соседними ферритами 414.

[0028] Бобина 306 может быть расположена в седловине 406 радиально наружу от ферритов 414, так что ферриты 414 радиально расположены между бобиной 306 и оправкой для закрепления инструмента 304. Бобина 306 может обеспечивать и иным образом определять внутреннюю поверхность 418а и внешнюю поверхность 418b бобины напротив внутренней поверхности 418a бобины. Внутренняя поверхность 418a бобины может быть гладкой и в ином случае ровной, но в альтернативном варианте может представлять собой переменную внутреннюю поверхность, например, содержащую один или большее количество каналов, канавок и т.д. Катушка 308 может быть намотана вокруг внешней поверхности 418b бобины и проходить (т.е. наматываться) в осевом направлении вдоль по меньшей мере ее части. В некоторых вариантах реализации изобретения внешняя поверхность 418b бобины может быть гладкой или ровной, аналогично внутренней поверхности 418a бобины. Однако в других вариантах реализации изобретения внешняя поверхность 418b бобины может иметь множество намоточных канавок 420, выполненных с возможностью размещения и закрепления в них нескольких витков катушки 308.

[0029] В некоторых вариантах реализации изобретения в седловине 406 вокруг бобины 306 может быть предусмотрен защитный слой 422. Защитный слой 422 может быть выполнен с возможностью закрепления бобины 306 в седловине 406 и, одновременно, обеспечения возможности распространения сигналов от антенного блока 302 (Фиг. 3A-3B). Материалом защитного слоя 422 может быть любой материал, способный выдерживать скважинные условия, такие как повышенные температуры и давления, а также способный выдерживать воздействие обычно присутствующих в стволе скважины жидкостей, таких как буровые растворы, загрязняющие вещества, нефть, газ и т.д. Защитный слой 422 может быть выполнен из непроводящего и/или неметаллического материала, такого как резиновый материал, полимер и/или полимерный материал. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения защитный слой 422 выполнен из фторполимерного эластомера, такого как VITON®.

[0030] Ферриты 414 могут быть изготовлены из любого ферритного или ферромагнитного материала, который имеет относительную магнитную проницаемость более 100, например, из железа или сплава на основе железа. В некоторых вариантах реализации изобретения ферриты 414 могут быть изготовлены из любого магнитомягкого материала, такого как марганцово-цинковый материал (MnZn). Ферриты 414 могут быть расположены так, чтобы радиально располагаться между катушкой 308 и нижележащей оправкой для закрепления инструмента 304 и, тем самым, экранировать катушку 308 от вихревых токов, которые могут возникать в оправке для закрепления инструмента 304 во время работы в скважине. Понятно, что это может увеличить азимутальную чувствительность и/или повысить эффективность/напряженность поля антенного блока 400.

[0031] Ферриты 414 могут быть изготовлены с использованием различных процессов. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения ферриты 414 могут быть изготовлены из цельного блока материала путем механической обработки. Например, в таких вариантах реализации изобретения блок материала может содержать железный или ферритовый порошок, спрессованный с получением блока материала. Ферриты 414 получают из блока материала посредством механической обработки с получением требуемых размеров и/или геометрической формы. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения блок материала, используемый для получения ферритов 414, может содержать FLUXTROL® 100, доступный от Fluxtrol, Inc., Оберн-Хиллз, Мичиган, США.

[0032] В других вариантах реализации изобретения ферриты 414 могут быть отлиты из смеси порошка железо/ферритового материала и связующего вещества. Связующее вещество может содержать каучук на основе силикона, эластомер, RTV (Room Temperature Vulcanizing silicone - клей-герметик, вулканизирующийся при комнатной температуре), полимер (например, полиимид), керамику или эпоксидную смолу. Затем смесь прессуют в форме с размерами и геометрической формой, соответствующими изготовляемому ферриту 414. Затем, после охлаждения феррит 414 может извлекаться для размещения в антенном блоке 400.

[0033] В других вариантах реализации изобретения ферриты 414 могут быть напечатаны с использованием аддитивного процесса производства (например, 3D-печати). Подходящие аддитивные процессы производства, которые могут использоваться для печати ферритов 414, включают (без ограничения перечисленным) лазерное спекание (LS) [например, селективное лазерное спекание (SLS), прямое лазерное спекание металлов (DMLS)], лазерное плавление (LM) [например, селективное лазерное плавление (SLM), селективное лазерное плавление металлических порошковых материалов (LaserCUSING)], электронно-лучевое плавление (EBM), лазерное осаждение металла [например, прямое осаждение металла (DMD), лазерное формирование из порошка (фирм. наимен. Laser Engineered Net Shaping (LENS), производство с использованием направленного света (DLF), прямое лазерное осаждение (DLD), прямая лазерная обработка (DLF), ускоренное лазерное формование (LRF), лазерное плавление с осаждением (LMD)], любую их комбинацию и т.п. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения в аддитивном процессе производства может использоваться технология моделирования методом наплавления (FDM).

[0034] После изготовления с требуемыми размерами и геометрией ферриты 414 могут быть расположены в канавке 412 и иным образом зафиксированы на оправке для закрепления инструмента 304. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения ферриты 414 могут быть закреплены в канавке 412 с использованием промышленного адгезива или клея, такого как эпоксидный клей или RTV-силикон (клей-герметик, вулканизирующийся при комнатной температуре). В других вариантах реализации изобретения ферриты 414 могут быть закреплены в канавке 412 с использованием одного или большего количества механических крепежных элементов, таких как винты, болты, штифты, пружинные стопорные кольца и т.д., не выходя за пределы объема изобретения.

[0035] В некоторых вариантах реализации изобретения ферриты 414 могут быть расположены в канавке 412 и иным образом зафиксированы на оправке для закрепления инструмента 304 в процессе производства ферритов 414. В частности, по меньшей мере в одном варианте реализации изобретения ферриты 414 могут быть сформованы непосредственно в канавке 412 в процессе изготовления.

[0036] В других вариантах реализации изобретения ферриты 414 могут быть напечатаны непосредственно в канавке 412 с использованием аддитивного процесса производства. В таких вариантах реализации изобретения ферриты 414 могут быть напечатаны путем вращения оправки для закрепления инструмента 304 вокруг центральной оси 310 при постепенном формировании ферритов 414 с использованием 3D-принтера (не показан) таким образом, чтобы получить компоненты требуемых размеров. В альтернативном варианте 3D-принтер может быть выполнен с возможностью перемещения (т.е. вращения) вокруг центральной оси 310 оправки для закрепления инструмента 304 для постепенного формирования ферритов 414 с требуемыми размерами в канавке 412. В других вариантах реализации изобретения может использоваться сочетание поворота оправки для закрепления инструмента 304 и перемещения 3D-принтера вокруг центральной оси 310 для постепенного формирования ферритов 414 с требуемыми размерами.

[0037] Как будет понятно, закрепление ферритов 414 непосредственно на оправке для закрепления инструмента 304 (например, в канавке 412) при изготовлении ферритов 414 по отдельности с последующей фиксацией на оправке для закрепления инструмента 304 или во время самого процесса изготовления, может способствовать повышению механической прочности антенного блока 400. Это может также способствовать облегчению процесса сборки антенного блока 400. Более того, это может также упростить и снизить сложность формирования антенны за счет исключения повторяющихся компонентов антенны, что может снизить себестоимость при поддержании высокой надежности в условиях скважины.

[0038] На Фиг. 5А приведен вид сбоку в сечении другого иллюстративного антенного блока 500 в соответствии с одним или большим количеством вариантов реализации изобретения. Антенный блок 500 может быть в некоторых отношениях аналогичным антенному блоку 400 на Фиг. 4 и, следовательно, может быть лучше понят со ссылкой на указанный чертеж, где сходные цифровые обозначения представляют аналогичные элементы или компоненты, повторное подробное описание которых может отсутствовать.

[0039] Например, подобно антенному блоку 400 антенный блок 500 может содержать оправку для закрепления инструмента 304, а седловина 406 с уменьшенным диаметром может проходить вдоль части ее внешней поверхности 404. Внешняя гильза 408 может проходить через седловину 406, охватывая или иным образом вмещая другие компоненты антенного блока 500 в седловине 406. Антенный блок 500 может дополнительно содержать бобину 306, а катушка 308 может быть намотана вокруг внешней поверхности 418b бобины и проходить (т.е. наматываться) в осевом направлении вдоль по меньшей мере ее части. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения внешняя поверхность 418b бобины имеет канавки 420 для обмотки, в которые устанавливают и в которых закрепляют катушку 308, однако в альтернативном варианте канавки для обмотки 420 могут отсутствовать. В седловине 406 вокруг бобины 306 может быть также предусмотрен защитный слой 422, как в целом описано выше.

[0040] В отличие от антенного блока 400 на Фиг. 4 антенный блок 500 может содержать внутреннюю гильзу 502, в которую устанавливают ферриты 414 и которая располагается между бобиной 306 и оправкой для закрепления инструмента 304. Внутренняя гильза 502 может быть выполнена из любого немагнитного, электроизоляционного и/или непроводящего материала, включая (без ограничения перечисленным) немагнитный металл (например, 718 INCONEL®, медно-бериллиевый сплав, такой как TOUGHMET® и т.д.), высокотемпературная пластмасса, термопластик, полимер (например, полиимид), керамику, эпоксидный материал, композитный материал (например, стекловолокно) или любую их комбинацию. Внутренняя гильза 502 может быть изготовлена, например, с использованием аддитивного процесса производства (т.е. 3D-печати), литья, литья под давлением, механической обработки, формования или других известных производственных процессов. Внутренняя гильза 502 может оказаться преимущественной для повышения механической прочности антенного блока 500.

[0041] Внутренняя гильза 502 может иметь внутреннюю поверхность 504а и внешнюю поверхность 504b гильзы. Внешняя поверхность 504b гильзы может быть расположена радиально внутрь от внутренней поверхности 418a бобины 306. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения внешняя поверхность 504b гильзы может физически взаимодействовать с внутренней поверхностью 418a бобины, однако это не является обязательным. Кроме того, как проиллюстрировано на чертежах, на внутренней поверхности 504а внутренней гильзы 502 может быть предусмотрено множество ферритовых каналов 506. Ферритовые каналы 506 могут быть выполнены с возможностью установки и закрепления ферритов 414, которые, как было описано выше, радиально располагаются между катушкой 308 нижележащей оправкой для закрепления инструмента 304 для того, чтобы экранировать катушку 308 от вихревых токов, возникающих в оправке для закрепления инструмента 304.

[0042] На Фиг. 5B приведен изометрический вид части антенного блока 500. В некоторых вариантах реализации изобретения ферритовые каналы 506 могут быть выполнены во внутренней гильзе 502 так, что они проходят в целом ортогонально к канавкам 420 для обмотки, выполненными на внешней поверхности 418b бобины; т.е. под углом, повернутым на 90° от угла 312 (Фиг. 3A), со смещением от центральной оси 310 (Фиг. 3A). Соответственно, ферриты 414 могут быть охарактеризованы как «наклонные» ферриты, поскольку они должны быть наклонены вдоль закругления внутренней гильзы 502. В некоторых вариантах реализации изобретения каждый ферритовый канал 506 может быть выполнен с возможностью установки в него одного феррита 414. Однако в других вариантах реализации изобретения каждый ферритовый канал 506 может быть выполнен с возможностью установки в него двух или большего количества ферритов 414, расположенных один за другим.

[0043] Как проиллюстрировано на чертежах, в некоторых вариантах реализации изобретения каждый ферритовый канал 506 может быть выполнен и иным образом отделен выступом или разделителем 508, предусмотренным на внутренней поверхности 504а гильзы и проходящим радиально внутрь. При установке ферритов 414 в ферритовые каналы 506 разделители 508 могут служить для предотвращения физического контакта между боковыми смежными ферритами 414 и, таким образом, предотвращения возникновения непрерывных линий магнитной индукции между боковыми смежными ферритами 414. Будучи частью внутренней гильзы 502, разделители 508 также могут быть выполнены из немагнитного материала, имеющего относительную проницаемость (μ_r) около 1. Соответственно, разделители 508 могут считаться по существу эквивалентными воздушным зазорам между смежными ферритами 414 и тем самым служить в качестве немагнитных изоляторов между смежными ферритами 414.

[0044] На внутренней поверхности 504а гильзы может быть предусмотрены один или большее количество выступов для совмещения 510, проходящих радиально внутрь от внутренней гильзы 502. Выступы для совмещения 510 могут быть выполнены с возможностью сопряжения с канавкой или выемкой для совмещения (не показана), выполненной на внешней поверхности 404 оправки для закрепления инструмента 304. Сопряжение выступа для совмещения 510 с выемкой для совмещения позволяет упорядочить по оси и/или по окружности местоположение антенного блока 500 с аксиально смежными (т.е. расположенными выше или ниже по длине скважины) инструментами геофизического исследования в стволе скважины, входящими в состав скважинного оборудования.

[0045] Кроме того, одно или большее количество отверстий 512 могут быть совместно выполнены между бобиной 306 и внутренней гильзой 502 и могут использоваться для соединения двух компонентов. На Фиг. 5B проиллюстрирована половина комбинации бобины 306 и внутренней гильзы 502. Штыри для совмещения 514 (показан один из них) могут вставляться в отверстия 512, чтобы содействовать совмещению по оси другой половины комбинации бобины 306 и внутренней гильзы 502. Штыри для совмещения 514 также могут оказаться полезными для предотвращения вращения друг относительно друга бобины 306 и внутренней гильзы 502 во время работы.

[0046] Кроме того, в некоторых вариантах реализации изобретения бобина 306 и внутренняя гильза 502 могут быть соединены с использованием одного или большего количества предотвращающих вращение устройств 516, которые радиально проходят по меньшей мере частично через бобину 306 и внутреннюю гильзу 502. Как будет понятно, предотвращающее(ие) вращение устройство(а) 516 может(гут) оказаться полезным(и) при угловом совмещении бобины 306 с внутренней гильзой 502 для выполнения требуемой операции. Однако в других вариантах реализации изобретения предотвращающее(ие) вращение устройство(а) 516 может(гут) содержать шпоночный паз или аналогичный компонент, который предотвращает относительное осевое и вращательное перемещение бобины 306 и внутренней гильзы 502, не выходя за пределы объема изобретения.

[0047] Антенный блок 500 может быть изготовлен и иным способом сформирован следующим образом: вначале размещают ферриты 414 в ферритовых каналах 506, а затем устанавливают внутреннюю гильзу 502 вокруг оправки для закрепления инструмента 304 (например, в седловине 406). В некоторых вариантах реализации изобретения бобина 306 может быть впоследствии сформирована непосредственно на внешней поверхности 504b гильзы. В других вариантах реализации изобретения бобина 306 может быть впоследствии напечатана непосредственно на внешней поверхности 504b гильзы с использованием любого из упомянутых в настоящем описании аддитивных производственных процессов. В таких вариантах реализации изобретения бобина 306 может быть напечатана путем вращения оправки для закрепления инструмента 304 вокруг центральной оси 310 (Фиг. 5A) при постепенном формировании бобины 306 с использованием 3D-принтера (не показан) таким образом, чтобы получить компоненты требуемых размеров. В альтернативном варианте 3D-принтер может быть выполнен с возможностью перемещения вокруг центральной оси 310 для постепенного формирования бобины 306 с требуемыми размерами. В других вариантах реализации изобретения может использоваться сочетание поворота оправки для закрепления инструмента 304 и 3D-принтера вокруг центральной оси 310 для постепенного формирования бобины 306 с требуемыми размерами.

[0048] Размещение ферритов 414 во внутренней гильзе 502 и расположение бобины 306 вокруг внутренней гильзы 502 может оказаться выгодным с точки зрения обеспечения гибкости при изменении конструкции феррита 414 без необходимости соответствующего изменения конструкции бобины 306. Таким образом, бобина 306 и внутренняя гильза 502 могут содержать взаимозаменяемые компоненты антенного блока 500. В таких вариантах реализации изобретения может использоваться универсальная конструкция бобины 306, в то время как конструкция внутренней гильзы 502 может изменяться для приведения в соответствие с различными потребностями в геофизическом исследовании и обеспечения соответствия конструкции феррита 414. В результате конструкция или конфигурация катушки 308 может оставаться неизменной, в то время как ферриты 414 могут претерпевать изменения, необходимые для приведения в соответствие с конкретными потребностями в геофизическом исследовании. Это выгодно с точки зрения упрощения процесса сборки антенного блока 500.

[0049] Описанные здесь варианты реализации изобретения включают:

[0050] A. Антенный блок, содержащий бобину, выполненную с возможностью размещения вокруг внешней поверхности оправки для закрепления инструмента и имеющую внешнюю поверхность бобины, катушку, намотанную вокруг внешней поверхности бобины и проходящую в продольном направлении вдоль по меньшей мере части внешней поверхности бобины, и внутреннюю гильзу, которая расположена между бобиной и оправкой для закрепления инструмента и в которой размещено множество ферритов, расположенных между оправкой для закрепления инструмента и катушкой.

[0051] B. Способ изготовления антенного блока, включающий: размещение вокруг внешней поверхности оправки для закрепления инструмента внутренней гильзы, имеющей множество ферритов, расположенных в соответствующем множестве ферритовых каналов, выполненных на внутренней поверхности внутренней гильзы, размещение бобины вокруг оправки для закрепления инструмента при расположении внутренней гильзы между бобиной и оправкой для закрепления инструмента, и наматывание катушки вокруг внешней поверхности бобины таким образом, что множество ферритов располагается между оправкой для закрепления инструмента и катушкой.

[0052] С. Способ, включающий: введение в ствол скважины инструмента геофизического исследования в стволе скважины, содержащего оправку для закрепления инструмента, бобину, расположенную вокруг внешней поверхности оправки для закрепления инструмента и имеющую внешнюю поверхность бобины, катушку, намотанную вокруг внешней поверхности бобины, и множество ферритов, соединенных с внутренней гильзой, расположенной между бобиной и оправкой для закрепления инструмента, причем множество ферритов оказывается между оправкой для закрепления инструмента и катушкой; и получение данных измерений окружающего подземного пласта, выполняемых с помощью инструмента геофизического исследования в стволе скважины.

[0053] Каждый из вариантов реализации изобретения А, В и С может иметь один или большее количество следующих дополнительных элементов в любой комбинации: Элемент 1: при этом множество ферритов размещено во множестве ферритовых каналов, выполненных на внутренней поверхности внутренней гильзы. Элемент 2: при этом множество ферритовых каналов определено одним или несколькими разделителями, расположенными между боковыми смежными ферритами из множества ферритов. Элемент 3: при этом бобина имеет одну или большее количество канавок для обмотки на своей внешней поверхности, и в одну или большее количество указанных канавок для обмотки помещается катушка, и причем множество ферритовых каналов проходит в целом ортогонально одной или большему количеству канавок для обмотки. Элемент 4: при этом внутренняя гильза содержит материал, выбранный из группы, состоящей из: немагнитного металла, пластмассы, термопластика, полимера, керамики, эпоксидного материала, композитного материала, и любой их комбинации. Элемент 5: при этом внутреннюю гильзу печатают с использованием аддитивного производственного процесса. Элемент 6: дополнительно содержащий одно или большее количество предотвращающих вращение устройств, которые соединяют бобину и внутреннюю гильзу. Элемент 7: при этом оправка для закрепления инструмента имеет седловину с уменьшенным диаметром, а антенный блок дополнительно содержит защитный слой, выполненный вокруг бобины и катушки в седловине, и внешнюю гильзу, проходящую в осевом направлении через седловину, чтобы вместить в себя бобину и защитный слой. Элемент 8: при этом катушка намотана вокруг внешней поверхности бобины под углом, смещенным от центральной оси оправки для закрепления инструмента.

[0054] Элемент 9: дополнительно включающий печать множества ферритов с использованием аддитивного производственного процесса и закрепление множества ферритов во множестве ферритовых каналов с использованием по меньшей мере одного из адгезива или одного или большего количества механических крепежных элементов. Элемент 10: дополнительно включающий разделение боковых смежных ферритов из множества ферритов одним или большим количеством разделителей, выполненных на внутренней поверхности гильзы. Элемент 11: при этом размещение бобины вокруг оправки для закрепления инструмента включает формование бобины на внешней поверхности внутренней гильзы. Элемент 12: при этом размещение бобины вокруг оправки для закрепления инструмента включает печать бобины на внешней поверхности внутренней гильзы с использованием аддитивного производственного процесса. Элемент 13: дополнительно содержащий соединение бобины и внутренней гильзы одним или большим количеством предотвращающих вращение устройств. Элемент 14: при этом внутренняя гильза и бобина расположены в седловине с уменьшенным диаметром, выполненной на внешней поверхности оправки для закрепления инструмента, причем способ дополнительно включает размещение защитного слоя вокруг бобины и внутренней гильзы в седловине и инкапсуляцию внутренней гильзы, бобины и защитного слоя в седловине во внешней гильзе, проходящей в осевом направлении через седловину. Элемент 15: дополнительно включающий наматывание катушки вокруг внешней поверхности бобины под углом, смещенным от центральной оси оправки для закрепления инструмента.

[0055] Элемент 16: при этом оправка для закрепления инструмента функционально соединена с бурильной колонной, и введение в скважину инструмента геофизического исследования в стволе скважины дополнительно включает продвижение по стволу скважины инструмента геофизического исследования в стволе скважины на бурильной колонне и бурение части ствола скважины с помощью бурового долота, прикрепленного к дистальному концу бурильной колонны. Элемент 17: при этом введение в ствол скважины инструмента геофизического исследования в стволе скважины дополнительно включает продвижение по стволу скважины инструмента геофизического исследования в стволе скважины на кабеле, являющемся частью спускаемого на кабеле каротажного зонда.

[0056] В качестве неограничивающего примера иллюстративные комбинации, применимые к A, B и C, включают: Элемент 1 с элементом 2 и элемент 1 с элементом 3.

[0057] Таким образом, описанные системы и способы хорошо приспособлены для достижения упомянутых и подразумеваемых целей и преимуществ. Описанные выше конкретные варианты реализации изобретения являются только иллюстративными, поскольку принципы настоящего изобретения могут быть модифицированы и осуществлены на практике различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области после изучения данного изобретения. Кроме того, не предусмотрено никаких ограничений в части проиллюстрированных деталей конструкции или самих конструкций, за исключением описанных в формуле изобретения. Поэтому очевидно, что описанные выше конкретные иллюстративные варианты реализации изобретения могут быть изменены, объединены или модифицированы, и все такие варианты должны рассматриваться как входящие в объем настоящего изобретения. Иллюстративно описанные здесь системы и способы могут быть соответствующим образом реализованы на практике в отсутствие любого элемента, не раскрытого здесь конкретно, и/или любого описанного здесь необязательного элемента. Хотя устройства и способы описаны с употреблением терминов «содержащий» или «включающий» различные компоненты или этапы, устройства и способы также могут «состоять по существу из» или «состоять из» различных компонентов и этапов. Все указанные выше значения и диапазоны могут варьироваться в некоторой степени. Числовой диапазон с указанным нижним и верхним пределами должен рассматриваться как включающий в себя любое число или любой поддиапазон из указанного диапазона. В частности, любой приведенный в данном описании диапазон значений (определенный как: «от около a до около b» или, что эквивалентно, «от около a до b», или, что эквивалентно, «приблизительно a-b») следует понимать как указывающий каждое значение и поддиапазон, охватываемый(ое) этим более широким диапазоном значений. Кроме того, термины в формуле изобретения употребляются в их обычном прямом значении, если только заявителем явно и четко не указано иное. Кроме того, используемое в формуле изобретения упоминание в единственном числе означает один или большее количество определяемых в ней элементов. При возникновении противоречия в использовании слова или термина в данном описании изобретения и одном или нескольких патентных или других документах, которые могут быть включены в данное описание посредством ссылки, должны быть приняты определения, соответствующие данному описанию изобретения.

[0058] Используемый здесь термин «по меньшей мере один из», предшествующий ряду элементов с использованием союзов «и» или «или», изменяет список в целом, а не каждый элемент списка по отдельности. Выражение «по меньшей мере один из» допускает значение, включающее в себя по меньшей мере один из элементов и/или по меньшей мере одна из комбинаций элементов и/или по меньшей мере один из каждого из элементов. Для примера: каждое из выражений «по меньшей мере один из A, B и C» или «по меньшей мере один из A, B или C» относится только к A, только к B или только к C; любой комбинации A, B и C; и/или по меньшей мере к одному из A, B и C.

Изобретение относится к средствам электромагнитного каротажа скважины. В частности, предложен антенный блок, содержащий бобину, выполненную с возможностью размещения вокруг внешней поверхности оправки для закрепления инструмента и имеющую внешнюю поверхность бобины. Катушку наматывают вокруг внешней поверхности бобины, и катушка проходит в продольном направлении вдоль по меньшей мере части внешней поверхности бобины. Внутренняя гильза расположена между бобиной и оправкой для закрепления инструмента, и в ней размещено множество ферритов, расположенных между оправкой для закрепления инструмента и катушкой. Предложенное изобретение обеспечивает контур с большим эффективным расстоянием действия магнитной проницаемости для магнитного поля и экранирование катушечных обмоток от муфты утяжеленной бурильной трубы, защищая от связанных с ней потерь. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Антенный блок, содержащий:

бобину, выполненную с возможностью размещения вокруг внешней поверхности оправки для закрепления инструмента и имеющую внешнюю поверхность бобины;

катушку, содержащую множество обмоток, намотанных вокруг внешней поверхности бобины и проходящих в продольном направлении вдоль по меньшей мере части внешней поверхности бобины; и

внутреннюю гильзу, которая расположена между бобиной и оправкой для закрепления инструмента и в которой размещено множество ферритов, расположенных между оправкой для закрепления инструмента и катушкой.

2. Антенный блок по п. 1, отличающийся тем, что множество ферритов размещено во множестве ферритовых каналов, выполненных на внутренней поверхности внутренней гильзы.

3. Антенный блок по п. 2, отличающийся тем, что множество ферритовых каналов определено одним или несколькими разделителями, расположенными между боковыми смежными ферритами из множества ферритов.

4. Антенный блок по п. 2, отличающийся тем, что бобина имеет одну или большее количество канавок для обмотки на своей внешней поверхности, и в одну или большее количество указанных канавок для обмотки помещается катушка, причем множество ферритовых каналов проходит в целом ортогонально одной или большему количеству канавок для обмотки.

5. Антенный блок по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя гильза содержит материал, выбранный из группы, состоящей из: немагнитного металла, пластмассы, термопластика, полимера, керамики, эпоксидного материала, композитного материала и любой их комбинации.

6. Антенный блок по п. 1, отличающийся тем, что внутреннюю гильзу печатают с использованием аддитивного производственного процесса.

7. Антенный блок по п. 1, дополнительно содержащий одно или большее количество предотвращающих вращение устройств, которые соединяют бобину и внутреннюю гильзу.

8. Антенный блок по п. 1, отличающийся тем, что оправка для закрепления инструмента имеет седловину с уменьшенным диаметром, а антенный блок дополнительно содержит:

защитный слой, выполненный вокруг бобины и катушки в седловине; и

внешнюю гильзу, проходящую в осевом направлении через седловину для инкапсуляции бобины и защитного слоя.

9. Антенный блок по п. 1, отличающийся тем, что катушка намотана вокруг внешней поверхности бобины под углом, смещенным от центральной оси оправки для закрепления инструмента.

10. Способ сборки антенного блока, включающий:

размещение вокруг внешней поверхности оправки для закрепления инструмента внутренней гильзы, имеющей множество ферритов, расположенных в соответствующем множестве ферритовых каналов, выполненных на внутренней поверхности внутренней гильзы;

размещение бобины вокруг оправки для закрепления инструмента при расположении внутренней гильзы между бобиной и оправкой для закрепления инструмента; и

наматывание катушки, содержащей множество обмоток, вокруг внешней поверхности бобины, так что множество ферритов оказывается между оправкой для закрепления инструмента и катушкой.

11. Способ по п. 10, дополнительно включающий:

печать множества ферритов с использованием аддитивного производственного процесса; и

закрепление множества ферритов во множестве ферритовых каналов с использованием по меньшей мере одного из адгезива или одного или большего количества механических крепежных элементов.

12. Способ по п. 10, дополнительно включающий разделение боковых смежных ферритов из множества ферритов одним или большим количеством разделителей, выполненных на внутренней поверхности гильзы.

13. Способ по п. 10, отличающийся тем, что размещение бобины вокруг оправки для закрепления инструмента включает формование бобины на внешней поверхности внутренней гильзы.

14. Способ по п. 10, отличающийся тем, что размещение бобины вокруг оправки для закрепления инструмента включает печать бобины на внешней поверхности внутренней гильзы с использованием аддитивного производственного процесса.

15. Способ по п. 10, дополнительно содержащий соединение бобины и внутренней гильзы одним или большим количеством предотвращающих вращение устройств.

16. Способ по п. 10, отличающийся тем, что внутренняя гильза и бобина расположены в седловине с уменьшенным диаметром, выполненной на внешней поверхности оправки для закрепления инструмента, причем способ дополнительно включает:

размещение защитного слоя вокруг бобины и внутренней гильзы в седловине; и

инкапсуляцию внутренней гильзы, бобины и защитного слоя в седловине во внешней гильзе, проходящей в осевом направлении через седловину.

17. Способ по п. 10, дополнительно включающий наматывание катушки вокруг внешней поверхности бобины под углом, смещенным от центральной оси оправки для закрепления инструмента.

18. Способ каротажа скважины, включающий:

введение в ствол скважины инструмента геофизического исследования в стволе скважины, содержащего оправку для закрепления инструмента, бобину, расположенную вокруг внешней поверхности оправки для закрепления инструмента и имеющую внешнюю поверхность бобины, катушку, намотанную вокруг внешней поверхности бобины, и множество ферритов, соединенных с внутренней гильзой, расположенной между бобиной и оправкой для закрепления инструмента, причем множество ферритов оказывается между оправкой для закрепления инструмента и катушкой; и

получение данных измерений окружающего подземного пласта, выполняемых с помощью инструмента геофизического исследования в стволе скважины.

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что оправка для закрепления инструмента функционально соединена с бурильной колонной, и введение в скважину инструмента геофизического исследования в стволе скважины дополнительно включает:

продвижение по стволу скважины инструмента геофизического исследования в стволе скважины на бурильной колонне; и

бурение части ствола скважины с помощью бурового долота, прикрепленного к дистальному концу бурильной колонны.

20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что введение в ствол скважины инструмента геофизического исследования в стволе скважины дополнительно включает продвижение по стволу скважины инструмента геофизического исследования в стволе скважины на кабеле, являющемся частью спускаемого на кабеле каротажного зонда.