Способ фокусировки изображения и устройство для изображения удельного электрического сопротивления буровой скважины

Изобретение относится к электрическому каротажу. Сущность: устройство содержит группу измерительных электродов, отделенных от площадки или от корпуса инструмента посредством защитного электрода. На защитном электроде сохраняют несколько меньший потенциал, чем на площадке. Потенциал измерительного электрода имеет промежуточное значение. При такой компоновке ток от защитного электрода обеспечивает расфокусировку измерительного тока от измерительного электрода, когда происходит его подача в формацию, а на больших расстояниях происходит повторная фокусировка тока от измерительного электрода посредством воздействия тока от площадки. Технический результат: относительная нечувствительность к неровностям стенки буровой скважины. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Перекрестные ссылки на родственные заявки на патент

В этой заявке на патент заявлен приоритет согласно предварительной заявке на патент № 60/175585 в Соединенных Штатах, поданной на рассмотрение 11 января 2000 г.

Предпосылки для создания изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение в общем относится к разведке месторождений углеводородов, включающей в себя электрические исследования буровой скважины, проникающей в земную формацию. Точнее, это изобретение относится к весьма локальным исследованиям буровой скважины, при которых используют подачу и измерение индивидуально сфокусированных разведочных токов, подводимых к стенке буровой скважины посредством инструмента, перемещаемого вдоль этой скважины.

Уровень техники

Хорошо известна регистрация электрических параметров буровой скважины, причем описаны различные устройства и способы, применяемые для этой цели. При электрических исследованиях буровой скважины электрический ток от электрода подают в формацию от инструмента, находящегося внутри буровой скважины. Используют два способа работы: в случае первого способа ток на измерительном электроде сохраняют постоянным и измеряют напряжение, в то время как в случае второго способа фиксированным является напряжение электрода, а ток, идущий от электрода, подлежит замеру. В идеале желательно, чтобы в том случае, если изменяется электрический ток при сохранении постоянным напряжения, измеряемого на контрольно-измерительном электроде, ток был бы обратно пропорционален удельному электрическому сопротивлению исследуемой земной формации. Напротив, в том случае, если электрический ток сохраняют постоянным, желательно, чтобы напряжение, измеряемое на контрольно-измерительном электроде, было пропорционально удельному электрическому сопротивлению исследуемой земной формации.

Предложены способы исследования земной формации группами измерительных электродов. См., например, патент США №2930969 на имя Baker, канадский патент №685727 на имя Mann и др., патент США №4468623 на имя Gianzero и патент США №5502686 на имя Dory и др. В патенте на имя Baker предложено множество электродов, каждый из которых образован в виде головки, электрически соединенной гибкими проводами, при этом головки и провода заделаны в поверхность убирающейся трубы. В патенте на имя Mann предложена группа небольших электродных головок, устанавливаемая на инструмент или на площадку, при этом каждая из головок последовательно обеспечивает подвод отдельно измеряемого разведывательного тока с целью электрического исследования земной формации. Электродные головки располагают в горизонтальной плоскости, а по окружности между электродами обеспечены промежутки; в патенте также описано устройство для последовательного возбуждения и измерения разведочного тока электродов.

В патенте на имя Gianzero раскрыты площадки, установленные на инструмент, каждая из которых имеет множество небольших измерительных электродов, от которых к стенке буровой скважины подводят индивидуально измеряемые разведочные токи. Измерительные электроды установлены в виде группы, при этом они расположены через интервалы вдоль по меньшей мере окружного направления (вокруг оси буровой скважины), чтобы подавать разведочные электрические токи к участкам стенки буровой скважины, которые в заданной степени перекрывают друг друга, когда инструмент перемещается вдоль буровой скважины. Измерительные электроды изготавливают небольшими для возможности подробного электрического исследования идущего в окружном направлении смежного участка буровой скважины, чтобы получить стратиграфические показатели формации вблизи от стенки буровой скважины, а также получить сведения о трещинах и их ориентации. В случае одного из способов обеспечивают группу измерительных электродов в виде пространственно замкнутой петли вокруг центрального электрода, при этом группу используют для определения пространственной характеристики электрической энергии, подводимой центральным электродом. В другом варианте конструкции обеспечена линейная группа измерительных электродов для подачи потока электрического тока к формации по проходящему в окружном направлении смежному рабочему участку буровой скважины. Дискретные части потока электрического тока могут быть измерены по отдельности, чтобы получить множество разведочных сигналов, характеризующих плотность тока от группы, посредством которых может быть получено подробное электрическое изображение проходящего по окружности смежного участка буровой скважины, когда происходит перемещение инструмента вдоль буровой скважины. При другой форме группы измерительных электродов их располагают в виде замкнутой петли, например в виде круга, чтобы обеспечить возможность выполнения непосредственных замеров ориентации удельных электрических сопротивлений аномалий.

В патенте на имя Dory раскрыто использование акустического датчика в сочетании с электродами, установленными на площадке, при этом использование акустических датчиков обеспечивает возможность заполнения зазоров изображения, получаемых при использовании электродов, установленных на площадке, вследствие того, что в буровых скважинах большого диаметра площадки необязательно будут обеспечивать полный охват буровой скважины.

Известные устройства, представляя собой контактные устройства, восприимчивы к влиянию неровностей стенок буровой скважины; токи, проходящие от электродов, зависят от хорошего контакта между электродом и стенкой буровой скважины. Если стенка буровой скважины имеет неровности, то контакт и, следовательно, электрический ток от электродов будет неравномерным, что приводит к неточному изображению буровой скважины. Второй недостаток заключается в относительно малой глубине исследования, причиной чего является использование измерительных электродов с тем же самым потенциалом, что и у площадки, в результате чего происходит расхождение измерительных токов.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение представляет собой способ и устройство для получения изображения удельного электрического сопротивления буровой скважины. Устройство включает в себя группу измерительных электродов, отделенных от площадки или корпуса инструмента посредством защитных электродов. Потенциал защитного электрода сохраняют несколько меньшим, чем у площадки, а потенциал измерительного электрода имеет промежуточное значение. В случае такой компоновки ток от измерительного электрода первоначально расходится при вхождении в формацию, а затем сходится (фокусируется) и после этого в итоге вновь расходится, чтобы определить глубину исследования. Такая компоновка обеспечивает относительную невосприимчивость к неровностям стенок буровой скважины. Если требуется, то может быть обеспечено перекрытие по окружности или по вертикали как посредством расположения измерительных электродов, обеспечивающих перекрытие, так и на основе расширения измерительного луча в зоне исследования внутри формации.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 (известный уровень техники) представлены вид в перспективе и блок-схема инструмента с площадками, предназначенного для исследования буровой скважины.

На фиг.2 представлен идеальный поток электрического тока, необходимый для проведения надлежащих измерений, используя инструмент согласно фиг.1.

На фиг.3 представлен фактический поток электрического тока при использовании инструмента согласно фиг.1.

На фиг.4 представлено схематическое поперечное сечение, иллюстрирующее расположение электродов и потоки электрического тока в варианте осуществления настоящего изобретения.

На фиг.5А-5D представлены компоновки электродов в различных вариантах осуществления настоящего изобретения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Для того чтобы надлежащим образом разъяснить настоящее изобретение, обратимся к фиг. 1-5.

На фиг.1 (известный уровень техники) представлены площадка 30 и группа 70 из десяти круглых измерительных электродов 36, которые расположены по возможности ближе друг к другу в виде множества рядов 74, 76. Электроды 36 окружены изолирующими кольцами 44. Измерительные электроды 36 вровень установлены на площадке 30, при этом поверхность 42 площадки обладает электропроводностью. Изоляторы 44 обеспечивают электрическую изоляцию измерительных электродов 36 от электропроводной поверхности 42 площадки, а при работе площадки 30 электрический потенциал нескольких измерительных электродов 36 и электропроводной поверхности 42 фактически одинаков. Электрический ток, проходящий от каждого из электродов 36, указывает удельное электрическое сопротивление формации, находящейся в контакте с электродом. Площадка 30 или корпус инструмента (не показан) действует в качестве рабочего электрода.

На фиг.2 представлено схематическое поперечное сечение устройства для последовательного определения удельного электрического сопротивления, включающее в себя измерительный электрод. Показано устройство 100, находящееся в контакте со стенкой 106 буровой скважины в формации 102. Устройство включает в себя площадку, части 101а, 101b которой показаны на фигуре, вместе с измерительным электродом 103 и с зазорами 107, обеспечивающими электрическое отделение измерительного электрода 103 от площадки. Для простоты иллюстрации соединения между источником электрического тока, измерительным электродом 103 и площадкой 101a, 101b не показаны. Внутри формации 102 также показаны идеальные пути прохождения электрического тока 109а, 109b и 109с от измерительного электрода 103 и пути прохождения электрического тока 111a, 111b,...111f от площадки. В случае показанной идеальной ситуации поток электрического тока проходит непосредственно к формации, при этом линии тока параллельны на расстоянии, обозначенном позицией 105, после чего пути прохождения электрического тока начинают расходиться. Квалифицированным специалистам в этой отрасли известно, что в итоге ток будет возвращен обратно к источнику через возвратный электрод (не показан). Расстояние от стенки 106 буровой скважины до места, обозначенного позицией 105, представляет собой глубину исследования инструментом. Величина электрического тока, проходящего от измерительного электрода 103, указывает электрическую проводимость формации от непосредственной близости к измерительному электроду 103 на глубину исследования. В известных устройствах для последовательного определения удельного электрического сопротивления измеряют электрические токи от отдельных измерительных электродов, чтобы получить показатели проводимости формации вблизи от электродов.

Теперь обратимся к фиг.3, на которой представлена реальная ситуация. Вследствие геометрии площадок, электропроводной части корпуса инструмента вблизи от площадок, а также геометрии электроизоляционного участка инструмента между участком площадки и вышеупомянутым возвратным электродом электрический ток от площадки и измерительного электрода весьма быстро расходится. Это указано путями 109а', 109b' и 109с' прохождения тока от измерительного электрода 103 и быстрым расхождением токов 111a'...111f' от площадки. В результате этого ток, проходящий от электрода 103, зависит от электропроводности формации в первой зоне, находящейся в контакте с измерительным электродом, а также частей формации, окружающих упомянутую первую зону. Это приводит к уменьшению разрешающей способности инструмента. Кроме того, на пути прохождения тока будут оказывать влияние неровности стенки буровой скважины, указанные позицией 106'. Оба этих воздействия (расхождение и влияние неровностей стенки) могут привести к ошибочным показаниям электропроводности формации.

В настоящем изобретении две эти проблемы решают посредством использования способа фокусировки луча. Этот способ позволяет расфокусировать измерительный луч (электрический ток от измерительного электрода), когда он покидает инструмент, после чего луч вновь фокусируют приблизительно на удалении от площадки, несущей измерительный электрод, составляющем 1/4-1/2 дюйма (0,625-1,25 см). Это позволяет снизить чувствительность изображения к влиянию неровностей стенки буровой скважины. Об этом речь пойдет ниже.

Теперь обратимся к фиг. 4, на которой показано схематическое поперечное сечение измерительного электрода согласно настоящему изобретению. В иллюстративных целях показан один измерительный электрод 215. К этому измерительному электроду примыкают основные защитные электроды 203а, 203b, которые отделяют измерительный электрод 215 от площадки или корпуса 201a, 210b инструмента. На измерительном электроде 215 сохраняется напряжение V, которое выше напряжения защитных электродов 203а, 203b, но ниже напряжения площадки 201а, 201b. В обычном случае напряжение V составляет 5 вольт, в то время как значения составляют порядка . Они представляют собой относительные напряжения, когда электрический ток проходит из измерительных электродов.

В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения расположение электродов не изменено, но ток проходит к измерительным электродам. При такой компоновке величины напряжения будут такими же, как и обсуждавшиеся выше величины. Эта конфигурация далее обсуждаться не будет, но она могла бы представлять собой простой вариант при обсуждении, касающемся тока, выходящего из измерительных электродов.

Пониженный потенциал основной защиты 203а, 203b приводит к тому, что ток от измерительного электрода 215 будет расходиться, когда он покидает измерительный электрод. Чем больше расхождение луча, тем меньше чувствительность элемента длины измерительного луча. Когда происходит дальнейшее движение луча в формацию, более высокий потенциал площадки 201а, 201b приводит к тому, что луч от измерительного электрода 215 и защиты 203а, 203b будет сжат, за счет чего увеличивается чувствительность этой части измерительного луча. Поскольку наибольшее расхождение измерительного луча наиболее близко к стенке буровой скважины, луч совершенно нечувствителен к влиянию неровностей стенки буровой скважины. На большем расстоянии от стенки буровой скважины, таком, которое указано позицией 205b, измерительный луч вновь расходится. Зона между позициями 205а и 205b включает в себя зону наибольшей чувствительности инструмента. Зона наибольшей чувствительности приблизительно определяется частью между позициями 205с и 205b, где диаметр измерительного луча невелик, и его наименьшее значение достигается на расстоянии между позициями 205с и 205b. Путем соответствующего регулирования электрических потенциалов можно получить измерительный луч, имеющий диаметр в зоне чувствительности, который больше или меньше диаметра измерительных электродов. Электроды и площадка подсоединены к источнику электрического тока для сохранения желаемых напряжений, и, как и в известных устройствах, ток от измерительного электрода является показателем электропроводности формации.

Одно из преимуществ настоящего изобретения по сравнению с известными устройствами заключается в возможности проведения точных измерений в буровой скважине, имеющей неровные стенки. Как можно видеть на фиг. 4, в данном случае не требуется физический контакт между всем измерительным электродом и формацией; все, что необходимо, так это хороший электрический контакт, причем даже в случае помех в скважине, создаваемых текучей средой. Вследствие расфокусировки луча вблизи от измерительного электрода предложенное устройство относительно нечувствительно к наличию в скважине текучей среды между частями электрода и формации. Аналогично этому изобретение надлежащим образом функционирует, когда происходит неполный физический контакт между защитным электродом и формацией.

В контексте настоящего изобретения слово “площадка” используют только для удобства, при этом изобретение будет одинаково хорошо действовать, если, как описано ниже, с целью несения измерительных электродов и/или подачи токов к формации вместо площадки будет использован корпус инструмента. Квалифицированным специалистам в этой отрасли будет очевидно, что согласно настоящему изобретению площадка фактически необязательно должна входить в контакт со стенкой буровой скважины. Основная функция площадки заключается в фокусировке измерительного луча после расфокусировки, вызываемой защитным электродом. Это может быть осуществлено посредством корпуса инструмента, который фактически не входит в контакт со стенкой буровой скважины, причем почти так же, как и посредством площадки, не находящейся в контакте со стенкой буровой скважины. Соответственно, использование слова “площадка” далее и особенно в пунктах формулы изобретения также предполагает включение в это понятие корпуса инструмента.

В изобретении могут быть использованы различные конфигурации измерительных электродов, защитных электродов и площадок. На фиг. 5а представлена группа измерительных электродов 315а, 315b, 315с..., установленных внутри фактически прямоугольного защитного электрода 303 с зазорами 307а (которые содержат изоляционный материал). Защитный электрод 303 отделен от площадки или от корпуса 301 посредством фактически прямоугольного изоляционного зазора 307b. В одном из вариантов изобретения промежуток между измерительными электродами выбран так, как и в патенте на имя Gianzero, с тем чтобы обеспечить перекрытие по азимуту и по глубине, то есть диаметр D измерительного электрода больше, чем горизонтальный промежуток d₁ между электродами 315b, 315с в смежных рядах и вертикальный промежуток d₂ между рядами электродов. В другом варианте осуществления изобретения отсутствует такое перекрытие электродов по азимуту и по вертикали, однако благодаря расширению измерительного луча, обсужденному выше со ссылкой на фиг. 4, достигается перекрытие по азимуту и по глубине буровой скважины в зоне исследования.

На фиг.5b представлена другая компоновка электродов согласно настоящему изобретению. При этом измерительные электроды 415 концентричны с защитными электродами 403. Также указаны изоляционные зазоры 407 и 419. Как и в случае варианта осуществления изобретения, обсужденного выше применительно к фиг. 5а, измерительные электроды могут либо не могут иметь перекрытие по азимуту или по глубине. Когда сами измерительные электроды не перекрываются, расширение измерительного луча обеспечивает перекрытие измерений на глубине исследования.

На фиг.5с представлена компоновка измерительных электродов 515, отделенных от защитного электрода 503 посредством изоляционного зазора 507. Защитный электрод 503, в свою очередь, отделен от площадки посредством изоляционного зазора 519.

На фиг.5а представлена конфигурация измерительных электродов, при этом измерительные электроды 615 расположены двумя группами с изоляционными зазорами 607. Как и на фиг. 5с, защитный электрод 603 отделен от площадки другим зазором 619.

Еще в одном варианте осуществления изобретения (не показан) вспомогательный защитный электрод, расположенный между площадкой и защитным электродом, используют для фокусировки луча в зоне исследования.

Хотя приведенное выше описание касается предпочтительных вариантов осуществления изобретения, для квалифицированных специалистов в этой отрасли будет очевидно выполнение различных модификаций изобретения. Предполагается, что все варианты, находящиеся в пределах объема и существа прилагаемых пунктов формулы изобретения, охвачены приведенным выше описанием.

1. Устройство, подаваемое в буровую скважину для получения изображения удельного электрического сопротивления земной формации, сквозь которую проходит буровая скважина, при этом устройство содержит

a) множество измерительных электродов, находящихся в электрическом контакте с формацией, при этом каждый из множества измерительных электродов подсоединен к источнику электрического тока для подачи луча измерительного тока, соответствующего каждому измерительному электроду, к формации, причем упомянутое множество измерительных электродов имеет первый электрический потенциал;

b) по меньшей мере один защитный электрод со вторым потенциалом, фактически окружающий каждый из упомянутого множества измерительных электродов для подачи электрического тока для расфокусировки измерительных токов на первом расстоянии к формации, при этом упомянутый второй потенциал имеет величину, меньшую величины первого потенциала;

c) площадку с третьим электрическим потенциалом, подсоединенную к источнику электрического тока для подачи тока к формации для расфокусировки измерительного тока на втором расстоянии до формации, при этом третий потенциал имеет большую величину, чем величина первого потенциала, а упомянутое второе расстояние больше первого расстояния.

2. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере один защитный электрод находится на расстоянии, которое либо (i) обеспечивает контакт с формацией, либо (ii) обеспечивает непосредственную близость к формации.

3. Устройство по п.1, в котором площадка находится на расстоянии, которое либо (i) обеспечивает контакт с формацией, либо (ii) обеспечивает непосредственную близость к формации.

4. Устройство по п.1, в котором множество измерительных электродов имеет первый диаметр, относящийся к каждому из измерительных электродов.

5. Устройство по п.1, в котором каждый луч измерительного тока имеет второй диаметр на расстоянии, связанном с первым расстоянием и со вторым расстоянием, при этом второй диаметр больше первого диаметра.

6. Устройство по п.5, в котором каждый луч измерительного тока имеет эффективный диаметр, связанный с первым расстоянием и со вторым расстоянием, при этом упомянутый эффективный диаметр меньше второго диаметра.

7. Устройство по п.4, в котором упомянутые измерительные электроды расположены в виде группы на площадке через интервалы, которые выбирают для обеспечения промежутка между измерительными электродами в окружном направлении и в направлении по оси буровой скважины для обеспечения перекрытия первого диаметра множества электродов.

8. Устройство по п.6, в котором упомянутые измерительные электроды расположены в виде группы на площадке через интервалы, которые выбирают для обеспечения промежутка между измерительными электродами в окружном направлении и в направлении по оси буровой скважины, с возможностью обеспечения перекрытия эффективного диаметра измерительного тока, относящегося к каждому из множества электродов.

9. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере один защитный электрод содержит множество защитных электродов, при этом упомянутое множество защитных электродов меньше множества измерительных электродов либо равно ему.

10. Устройство по п.1, дополнительно содержащее средство измерения для измерения тока на каждом из измерительных электродов.

11. Устройство по п.1, дополнительно содержащее средство измерения для измерения потенциала каждого из измерительных электродов.

12. Способ получения изображения удельного электрического сопротивления земной формации, сквозь которую проходит буровая скважина, при этом способ содержит этапы, при которых

a) осуществляют соединение источника электрического тока с каждым из множества измерительных электродов с первым электрическим потенциалом, находящихся в электрическом контакте с формацией и подающих луч измерительного тока, соответствующий каждому измерительному электроду, к формации;

b) осуществляют использование по меньшей мере одного защитного электрода со вторым потенциалом, по существу, окружающего каждый из упомянутого множества измерительных электродов, тем самым обеспечивают расфокусировку измерительных токов на первом расстоянии до формации, при этом величина второго потенциала меньше величины первого потенциала;

с) используют (i) площадку или (ii) вспомогательный защитный электрод с третьим электрическим потенциалом, подсоединенные к источнику электрического тока для подачи тока к формации и для повторной фокусировки измерительного тока на втором расстоянии до формации, при этом упомянутый третий потенциал имеет величину, большую величины первого потенциала, а упомянутое второе расстояние больше первого расстояния.

13. Способ по п.12, при котором по меньшей мере один защитный электрод располагают на расстоянии, которое либо (i) обеспечивает контакт с формацией, либо (ii) обеспечивает непосредственную близость к формации.

14. Способ по п.12, при котором площадка находится на таком расстоянии, которое либо (i) обеспечивает контакт с формацией, либо (ii) обеспечивает непосредственную близость к формации.

15. Способ по п.12, при котором дополнительно осуществляют определение эффективного диаметра для каждого из измерительных лучей внутри формации.

16. Способ по п.12, при котором дополнительно компонуют измерительные электроды, располагаемые в виде группы на площадке через интервалы, которые выбирают для обеспечения промежутка между измерительными электродами вдоль окружного направления и вдоль осевого направления буровой скважины, чтобы обеспечить перекрытие диаметра большого количества электродов.

17. Способ по п.15, при котором дополнительно осуществляют компоновку измерительных электродов, располагаемых в виде группы на площадке через интервалы, которые выбирают для обеспечения промежутка между измерительными электродами вдоль окружного направления и вдоль осевого направления буровой скважины, чтобы обеспечить перекрытие эффективного диаметра каждого из измерительных лучей внутри формации.

18. Способ по п.12, при котором дополнительно измеряют ток на каждом из измерительных электродов.

19. Способ по п.12, при котором дополнительно измеряют электрический потенциал на каждом из измерительных электродов.