Формирование изображения формации в процессе бурения в непроводящих жидкостях
Изобретение относится к электрическому каротажу и предназначено для исследования стенки ствола скважины, пробуренной с использованием непроводящего бурового раствора. Устройство содержит корпус, приспособленный для включения в состав узла устройства для каротажа в процессе бурения, датчик удельного сопротивления, расположенный на корпусе устройства. Датчик содержит измерительный башмак, который поддерживает электрод-инжектор тока, электрод возврата тока и матрицу измерительных электродов. Матрица измерительных электродов расположена между электродом-инжектором тока и электродом возврата тока. Измерительный башмак включает в себя проводящее звено, имеющее потенциал, равный потенциалу стенки ствола скважины. Датчик расположен на корпусе устройства так, что не касается стенки ствола скважины, когда корпус устройства прижимается к стенке ствола скважины. Устройство содержит также и схемы для управления подачей тока с электрода-инжектора тока и для измерения разности потенциалов между электродами в матрице измерительных электродов. Технический результат: обеспечение возможности каротажа в процессе бурения с использованием непроводящего бурового раствора при уменьшении помехи от электродов инжекции тока при использовании относительно высоких частот и уменьшении влияния, вызванного неодинаковыми зазорами. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 13 ил.
ОПИСАНИЕ
Ссылки на связанные заявки
Данная заявка представляет собой частичное продолжение заявки на патент США, имеющей №10/240639, «Logging Sonde For Electrically Exploring Geological Formations Through Which A Borehole Passes» («Каротажный зонд для электрического исследования геологических формаций, через которые проходит ствол скважины»), поданной 4 марта 2003 г. авторами Чеун (Cheung) и др., которая испрашивает приоритет по заявке РСТ/ЕР01/03718, поданной 29 марта 2001 г., и испрашивает приоритет по заявке на патент Франции, имеющей № FR 20000004527, поданной 7 апреля 2000 г.
Предшествующий уровень техники
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится, в общем, к каротажу скважин с использованием устройства каротажа сопротивления; а более конкретно, оно относится к каротажу сопротивления, осуществляемому в процессе бурения в скважине, пробуренной с использованием непроводящего бурового раствора.
Описание предшествующего уровня техники
Если говорить в общих чертах, то для разведки углеводородов крайне желательным представляется получение точных данных о характеристиках геологической формации на различных глубинах ствола скважины. Многие из этих характеристик имеют очень мелкую структуру, например, слоистость, неоднородные элементы, характеристики пор, трещины и т.д. В качестве примера отметим, что ориентация, плотность и длина трещин играют главную роль в определении динамических характеристик коллекторской породы.
В течение многих лет определение таких точных характеристик было возможно только посредством анализа бурильных кернов, взятых при бурении скважины. Однако взятие таких кернов является крайне дорогой технологией, и ее использование остается делом относительно исключительным.
Патент ЕР-0110750, или соответствующий ему Патент США №4567759, выданный Экстрому (Ekstrom) и др., описывает способ формирования изображения стенки буровой скважины, заключающийся в генерировании через регулярные промежутки времени сигналов характеристики, представляющих измерение с высоким пространственным разрешением некоторой характеристики этой стенки; измерении глубины скважины, к которой (глубине) относятся эти сигналы характеристики, с точностью того же самого порядка, что и пространственное разрешение сигналов характеристики; и преобразовании указанных сигналов, представляющих эту характеристику в виде линейной функции глубины ствола скважины, при помощи цветовой шкалы, связанной со значениями преобразованных сигналов, таким образом, чтобы сформировать визуальное изображение.
Этот способ формирования изображения в более детальном виде реализован в устройстве для исследования удельной электропроводности формации (описанном, например, в патенте ЕР-0071540 или в соответствующем ему патенте США №4468623, выданном Джайэнзироу (Gianzero) и др.), который способен регистрировать характеристики с миллиметровым разрешением. Этот тип устройства имеет ряд управляющих электродов, также известных как «кнопки», размещенных на проводящем опорном элементе, прижимаемом к стенке ствола скважины. Источник постоянного тока прикладывает напряжение к каждой кнопке и проводящей поверхности опорного элемента таким образом, что измерительные токи инжектируются (подаются) в формацию перпендикулярно стенке. Возврат тока обеспечивается посредством электрода, расположенного близко к поверхности, или, возможно, на другой части устройства. Опорный элемент перемещается вдоль ствола скважины, и дискретные токи, связанные с каждой кнопкой, пропорциональны удельной электропроводности материала, обращенного к кнопкам.
При применении изобретения, изложенного в патенте под номером патента США 4567759, выданного Экстрому (Ekstrom) и др., сигналы модифицируются посредством удаления таких влияний, как колебания скорости устройства и возмущения, вызванные изменениями в окружающей устройство среде, а также усиливаются и отображаются способом, близким к формированию визуального изображения внутренней поверхности скважины.
Способы формирования изображения за последние несколько лет достигли больших успехов при использовании в стволах скважин, пробуренных с применением проводящего бурового раствора, такого как буровой раствор на водной основе или буровой раствор типа эмульсии «нефть в воде». Однако при использовании буровых растворов, имеющих дисперсионную непроводящую среду, таких как буровые растворы на углеводородной основе или буровые растворы типа эмульсии «вода в нефти», полученные изображения имеют очень низкое качество. Эти низкие результаты обычно приписывают помехам, вызванным присутствием слоя непроводящего бурового раствора или слоя бурового раствора и фильтрационной корки бурового раствора, расположенных между кнопками и исследуемой формацией. Поскольку толщина слоя бурового раствора изменяется, в частности, как функция неровности стенки, изменение в результирующих токах может полностью скрыть любые изменения тока, относящиеся к измеряемой формации.
Задачи измерения в непроводящем буровом растворе решают и другие способы, среди которых патент США под №6191588, описывающее устройство для исследования удельной электропроводности формации, в котором используются непроводящий опорный элемент и кнопки, которые образуют электроды напряжения вместо электродов тока, описанных в патенте США №4468623. Электроды инжекции (подачи) тока размещены вне опорного элемента или в предпочтительном варианте непосредственно на его концах. В любом случае два инжектора (электрода, подающих ток) размещены таким образом, что ток проходит через формацию в основном параллельно опорному элементу и, таким образом, в предпочтительном варианте, протекает в существенной мере ортогонально к границам слоев. В таких условиях разность потенциалов между двумя кнопками пропорциональна удельному сопротивлению материала, обращенного к кнопкам.
Вышеупомянутый патент США №6191588 рекомендует использование постоянного тока или переменного тока очень низкой частоты, так что удельное сопротивление опорного элемента гораздо больше, чем удельное сопротивление бурового раствора. Однако на практике работа с постоянным током порождает проблемы шума, вызываемого, в частности, образованием спонтанных потенциалов в формации. Кроме того, сопротивление бурового раствора ограничивает величину инжектируемого тока, поэтому разность потенциалов, измеренная между двумя парами кнопок, очень мала и, следовательно, трудноизмерима.
Следовательно, желательно было бы иметь возможность работать с переменным током, имеющим относительно высокую частоту, например, порядка нескольких тысяч герц. К сожалению, на таких частотах опорный элемент ведет себя как диэлектрик, чья эффективная удельная электропроводность подобна эффективной удельной электропроводности бурового раствора. Это приводит к тому, что полное электрическое сопротивление при прохождении тока через опорный элемент имеет тот же порядок, что полное электрическое сопротивление при прохождении тока через буровой раствор. В таких условиях разности потенциалов между парами кнопок скорее представляют разность потенциалов, приложенную между токовыми электродами, чем удельное сопротивление обращенной к ним формации, и, следовательно, устройство становится бесполезным.
Международная публикация с № WO 01/77710, описывает усовершенствование устройства, описанного в патенте США №6191588, имеющее своей целью сделать возможной работу с переменным током с частотами выше, чем 1000 герц. С этой целью эта заявка на патент предлагает устройство для исследования стенки ствола скважины в геологической формации, содержащий непроводящий опорный элемент, около конца которого установлены электрод источника переменного тока и электрод возврата тока, а в центре которого расположена матрица, состоящая из пар электродов (dV) измерения разности потенциалов. Удельное сопротивление формации напротив каждой пары электродов dV рассчитывается по формуле:
ρ=k·dV/I;
где ρ является удельным сопротивлением, k является геометрическим коэффициентом, dV является разностью потенциалов между парой электродов, и I является электрическим током в формации.
Для экранирования электродов dV от электрического поля, генерируемого в изолирующем опорном элементе и в непроводящей жидкости, сзади изолирующего опорного элемента вставлена проводящая задняя пластина, параллельная фронтальной поверхности опорного элемента и покрывающая бульшую часть области между токовыми электродами. В особо предпочтительном варианте изобретения электропроводная часть опорного элемента соединена с землей, или, если выразиться более точно, она помещена на тот же уровень электрического потенциала, что и геологическая формация. В таких условиях измерительные электроды действительно измеряют потенциал обращенной к ним формации даже в случае, когда опорный элемент имеет наклон, то есть, когда расстояние «зазора» между формацией и электродами источника отлично от расстояния зазора между формацией и электродом возврата.
Основное ограничение этого измерения заключается в том, что опорный элемент должен быть расположен близко к стенке ствола скважины, особенно в формациях с низким удельным сопротивлением. В противном случае измерение dV чувствительно скорее к электрическому полю, сформированному в жидкости ствола скважины и опорном элементе, чем к электрическому полю, сформированному в формации. Например, в формации с удельным сопротивлением 0,1 Ом·м максимальный зазор составляет около 5 мм, в то время как в формации с удельным сопротивлением 100 Ом·м максимальный зазор составляет 15 мм. В результате этого в случае, когда поверхность ствола скважины неровная, изображения портятся неправильными показаниями прибора и становятся неинтерпретируемыми.
Для решения этой проблемы один подход предлагает усовершенствованные способы экранирования электродов измерения напряжения от электрического поля, сформированного в опорном элементе инжекторами тока (электродами подачи тока). Экранирующая поверхность располагается вровень или почти вровень с наружной поверхностью опорного элемента.
Благодаря этим особым признакам устройство, соответствующее вышеназванному подходу, позволяет производить точные измерения удельного сопротивления в скважинах с непроводящим буровым раствором, даже в случае, когда опорный элемент не плотно прижат к стенке формации из-за толстой фильтрационной корки бурового раствора или складчатости упомянутой стенки. Благодаря средству экранирования электрическое поле в опорном элементе устраняется или почти устраняется. В буровом растворе между опорным элементом и стенкой ствола скважины электрическое поле также значительно ослабляется вблизи от измерительных электродов, так что электрические эквипотенциальные кривые в буровом растворе остаются практически перпендикулярными к стенке формации. Следовательно, потенциал на этих измерительных электродах остается близким к потенциалу в формации.
В одном варианте осуществления сам опорный элемент представляет собой экранирующее средство, при этом упомянутый опорный элемент изготовлен из электропроводящего материала. В данном случае в опорном элементе вокруг каждого из электродов источника, возврата и измерительных электродов устраиваются изолирующие вставки.
Во втором варианте осуществления опорный элемент изготовлен из электрически непроводящего материала, а экранирующее средство содержит электропроводящие листы, которые размещены внутри упомянутого опорного элемента таким образом, что упомянутые проводящие листы располагаются почти вровень с наружной поверхностью упомянутого опорного элемента.
Хотя вышеописанные устройства способны обеспечивать изображения стволов скважин, пробуренных с использованием непроводящих буровых растворов, они представляют собой устройства, спускаемые в скважину на тросе, и не пригодны для применения в условиях каротажа в процессе бурения. Следовательно, существует потребность в устройствах или способах для формирования изображения ствола скважины в процессе бурения скважины с использованием непроводящего бурового раствора.
Сущность изобретения
Один аспект изобретения относится к устройству каротажа сопротивления, предназначенному для исследования стенки ствола скважины, пробуренной с использованием непроводящего бурового раствора. Устройство согласно одному варианту осуществления изобретения включает в себя: корпус устройства, приспособленный для включения в состав узла устройства для каротажа в процессе бурения; датчик удельного сопротивления, расположенный на корпусе устройства (при этом датчик удельного сопротивления содержит опорный элемент датчика, который поддерживает электрод-инжектор тока, электрод возврата тока и матрицу измерительных электродов); и схемы для управления инжекцией тока с электрода-инжектора тока и для измерения разности потенциалов между электродами в матрице измерительных электродов, при этом матрица измерительных электродов расположена между электродом-инжектором тока и электродом возврата тока, при этом опорный элемент датчика сконструирован из изолирующего материала и включает в себя проводящее звено.
Один аспект изобретения относится к устройству каротажа сопротивления, предназначенному для исследования стенки ствола скважины, пробуренной с использованием непроводящего бурового раствора. Устройство согласно одному варианту осуществления изобретения включает в себя корпус устройства, приспособленный для включения в состав узла устройства для каротажа в процессе бурения; датчик удельного сопротивления, расположенный на корпусе устройства (при этом датчик удельного сопротивления содержит опорный элемент датчика, который поддерживает электрод-инжектор тока, электрод возврата тока и матрицу измерительных электродов); и схемы для управления инжекцией тока с электрода-инжектора тока и для измерения разности потенциалов между электродами в матрице измерительных электродов, при этом матрица измерительных электродов расположена между электродом-инжектором тока и электродом возврата тока, при этом опорный элемент датчика сконструирован из проводящего материала, а электроды изолированы от проводящего материала.
Другие аспекты и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
Перечень чертежей
Фиг.1 представляет схему, демонстрирующую принцип, на котором основывается микроэлектрическое измерение формации.
Фиг.2 представляет геометрическую модель, использованную для моделирования электрических полей в геологической формации.
Фиг.3 содержит два графика (Фиг.3А и 3В), на которых значения, вычисленные как функция модели, показанной на Фиг.2, для разности потенциалов между измерительными электродами, представлены в графическом виде для опорного элемента, который параллелен стенке (Фиг.3А), или для опорного элемента, который слегка наклонен по отношению к стенке (Фиг.3В).
Фиг.4 представляет вариант изобретения с проводящей пластиной, подразделяющей опорный элемент на отделения.
Фиг.5 представляет буровую систему из предшествующего уровня техники.
Фиг.6 представляет датчик удельного сопротивления, имеющий проводящее звено в изолирующем опорном элементе, расположенном на корпусе устройства, согласно одному варианту осуществления изобретения.
Фиг.7 представляет датчик удельного сопротивления, имеющий проводящий опорный элемент, расположенный на корпусе устройства, согласно другому варианту осуществления изобретения.
Фиг.8 представляет датчик удельного сопротивления, имеющий проводящий опорный элемент, расположенный на корпусе устройства, согласно другому варианту осуществления изобретения.
Фиг.9 представляет иллюстрацию, показывающую два пути прохождения тока для тока, поданного в формацию датчиком удельного сопротивления, согласно изобретению.
Фиг.10А и 10В представляют иллюстрации способов для предотвращения короткого замыкания пути измерительного тока, использующих устройство согласно одному варианту осуществления изобретения.
Фиг.11а-11е представляют конфигурации измерительных электродов согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.
Фиг.12А и 12В изображают устройство PowerDrive™, имеющее разворачиваемые опорные элементы, которые могут быть использованы с датчиками согласно настоящему изобретению.
Фиг.13 представляет пример невращающейся втулки для использования с датчиком согласно одному варианту осуществления изобретения.
Подробное описание изобретения
Варианты осуществления изобретения относятся к устройству и способам для формирования изображения формации с использованием каротажа по методу сопротивлений, осуществляемого в процессе бурения в стволах скважин, пробуренных с применением непроводящих жидкостей. Устройство согласно вариантам осуществления изобретения может включать в себя датчики, расположенные в компоновке низа бурильной колонны, которые вращаются вместе с бурильной колонной. В качестве альтернативы, устройство согласно вариантам осуществления изобретения может включать в себя датчики, расположенные на невращающихся втулках или опорных элементах, которые поддерживают контакт со стенкой ствола скважины во время бурения. В данном описании для ссылки на непроводящие буровые растворы, которые включают в себя буровые растворы на углеводородной основе и буровые растворы типа эмульсии «вода в нефти», в общем случае будут использоваться буровые растворы на углеводородной основе (РУО).
Устройство для каротажа сопротивлений может быть основано на электрических диполях (обычно с использованием металлических электродов) или магнитных диполях (обычно с использованием индукционных катушек или объемных резонаторов с очень высокой частотой). Варианты осуществления изобретения относятся к датчикам или устройствам, использующим металлические электроды. Совместно рассматриваемая заявка на патент США, имеющая №60/511467, озаглавленная «Apparatus And Methods For Imaging Wells Drilled With Oil-Based Muds» («Устройство и способы для формирования изображения скважин, пробуренных с использованием буровых растворов на углеводородной основе»), авторы Тэбэноу (Tabanou) и др., и имеющая своим правообладателем правообладателя по настоящему изобретению, описывает устройства и методы, основанные на электрических диполях и предназначенные для формирования изображения ствола скважины в скважинах, пробуренных с использованием РУО. Другая совместно рассматриваемая заявка на патент США, имеющая №10/812369, озаглавленная «Oil Base Mud Resistivity Imager, Dipmeter, And Fault Imager» («Формирователь изображения на базе удельного сопротивления при буровом растворе на углеводородной основе, пластовый наклономер и формирователь дефектных изображений»), авторы Хомэна (Homan) и др., и имеющая своим правообладателем правообладателя по настоящему изобретению, описывает устройства и методы, основанные на электромагнитной индукции и предназначенные для формирования изображения ствола скважины в скважинах, пробуренных с использованием РУО.
На Фиг.5 приведена иллюстрация системы для каротажа в процессе бурения, которая может быть использована с вариантами осуществления настоящего изобретения. Как показано на чертеже, типичная система для каротажа в процессе бурения включает в себя буровую вышку 10, расположенную над стволом 11 скважины. Узел бурильного устройства, который включает в себя бурильную колонну 12 и буровую головку 15, расположен в стволе 11 скважины. Бурильная колонна 12 и буровая головка 15 поворачиваются за счет вращения ведущей трубы 17, соединенной с верхним концом бурильной колонны 12. Ведущая труба 17 вращается за счет зацепления с роторным столом 16 или аналогичным механизмом, образующим часть буровой установки 10. Ведущая труба 17 и бурильная колонна 12 подвешены на крюке 18, соединенном с ведущей трубой 17 посредством вращающегося вертлюга 19.
Буровой раствор хранится в резервуаре 7 и нагнетается через центр бурильной колонны буровым насосом 9 для подачи вниз. После циркуляции через буровую головку 15 буровой раствор поступает вверх через кольцевое пространство между стволом 11 скважины и внешней поверхностью бурильной колонны 12. Поток бурового раствора смазывает и охлаждает головку 15 и поднимает буровой шлам, созданный головкой 15 на поверхность для сбора и удаления.
Как показано на чертеже, устройство 14 для каротажа соединено с бурильной колонной 12. Сигналы, измеренные устройством 14 для каротажа, могут быть переданы в расположенную на поверхности компьютерную систему 13 или сохранены в запоминающих устройствах (на чертеже не показаны), расположенных в устройстве 14. Устройство 14 для каротажа может включать в себя один или более датчиков удельного сопротивления согласно настоящему изобретению, предназначенных для формирования изображения ствола скважины.
В качестве альтернативы, датчик по данному изобретению может быть установлен на одном или более опорных элементах, ребрах, или стабилизаторах (или центраторах) 28, которые аналогичны тем, что используются для уменьшения биения бурильной колонны во время работы. Опорный элемент или стабилизатор могут вращаться, и могут не вращаться вместе с бурильной колонной. Если опорный элемент или центратор вращается вместе с бурильной колонной, то для обеспечения полного изображения скважины будет достаточно одного набора датчиков. Если опорный элемент или центратор не вращается вместе с бурильной колонной, то для обеспечения более полного охвата ствола скважины потребуется иметь на центраторе (или на расположенных на нем ребрах) множество наборов датчиков.
Датчик согласно данному изобретению, независимо от того, включен ли он в состав вращающегося сборочного узла компоновки низа бурильной колонны или установлен на невращающейся втулке, основан на принципе, аналогичном принципу работы датчика, описанного в РСТ/US99/14420 или в патенте США №6191588 В1, выданном Чену (Chen). Один такой вариант осуществления изобретения показан на Фиг.1.
На Фиг.1 представлена схема, показывающая принцип, на котором основывается электрическое измерение в способе формирования изображения, описанном в Международной заявке на патент РСТ/US99/14420. Это устройство специально приспособлено для исследования стенки 2 ствола скважины, пробуренной с использованием непроводящего бурового раствора, например бурового раствора, жидкую фазу которого, по существу, составляет нефть (дизельное масло, синтетическое масло) или эмульсия «вода в нефти». Термин «буровой раствор на углеводородной основе» используется ниже для обозначения буровых растворов любого из этих типов. Буровой раствор образует на стенке 2 фильтрационную корку 1 бурового раствора.
Устройство для исследования стенки ствола скважины имеет опорный элемент 3, изготовленный из электроизолирующего материала, такого как керамика или полимеры, имеющие высокую прочность и высокие тепловую и химическую стойкости, в частности, типа полиариленэфиркетона (полиэфирэфиркетона или ПЭЭК).
Опорный элемент служит в качестве поддерживающего элемента для двух инжекторов тока: электрода 4 источника и электрода 5 возврата. Эти два электрода расположены на противоположных концах опорного элемента и занимают всю его ширину, что можно более отчетливо увидеть на виде спереди, или, по меньшей мере, они занимают большую часть его ширины таким образом, чтобы максимизировать площадь поверхности этих электродов инжекции тока. Центральная часть опорного элемента имеет два ряда измерительных электродов 6, и в случае, показанном на чертеже, она имеет пять пар измерительных электродов. Форма опорного элемента такова, что измерительные электроды 6 слегка отодвинуты назад, так что, когда опорный элемент прижимается к стенке 2, измерительные электроды напрямую не контактируют с геологической формацией. Следует отметить, что эта предпочтительная форма не является обязательной в случае, когда порода пористая, поскольку при таких условиях бурение с использованием бурового раствора на углеводородной основе, вызывает образование фильтрационной корки бурового раствора, удельное сопротивление которой больше чем удельное сопротивление геологической формации, причем, эта фильтрационная корка всегда располагается между измерительными электродами и геологической формацией, препятствуя таким образом, тому, чтобы какая-либо из измерительных кнопок подверглась короткому замыканию, войдя в контакт с горной породой.
Как показано на Фиг.1, зоны в формации, измеренные измерительными электродами, определяются расстоянием между двумя рядами измерительных электродов. Следовательно, разрешение изображения ствола скважины, полученного при помощи такого устройства, определяется расстояниями между электродами. Варианты осуществления изобретения могут иметь расстояния между измерительными электродами порядка около 1 дюйма (25,4 мм), колеблясь в пределах от 0,2 дюйма (5,08 мм) до 2 дюймов (50,8 мм).
При постоянном токе или переменном токе с частотой менее чем около 100 килогерц удельное сопротивление геологической формации обычно лежит в диапазоне от 0,1 Ом·м до 10000 Ом·м, в то время как буровой раствор на углеводородной основе имеет эффективное удельное сопротивление от около 0,1 мОм·м до около 10 мОм·м. При таких условиях, если инжекторами 4 и 5 в формацию подается ток i, притом, что измерительные электроды изолированы непроводящим опорным элементом, то, применив закон Ома, получаем, что удельное сопротивление формации, расположенной под парой измерительных электродов, равно отношению разности потенциалов δV между двумя электродами к плотности J тока. Иначе говоря, удельное сопротивление формации получается из уравнения: ρ=δV/J=k δV/I, где k является геометрическим коэффициентом.
Если подаваемый ток представляет собой переменный ток достаточно высокой частоты (более чем около 1 килогерца), то опорный элемент не может более рассматриваться как совершенный электрический изолятор, но должен, наоборот, рассматриваться как диэлектрик, погруженный в диэлектрическую среду, а именно в буровой раствор на углеводородной основе. При частоте тока около 10 килогерц, например, достаточно относительной диэлектрической проницаемости опорного элемента быть выше чем 2, для того чтобы полное электрическое сопротивление току по опорному элементу имело тот же порядок величины, что и полное электрическое сопротивление току через буровой раствор. Относительная диэлектрическая проницаемость полимеров типа полиариленэфиркетон имеет значения порядка 3, что по сравнению с другими распространенными материалами является малой величиной. Таким образом, смена материала не является решением проблемы.
Для лучшего понимания эффекта этого поведения диэлектрика, было проведено моделирование опорного элемента в контакте с формацией. Используемая модель показана на Фиг.2. Модель включает в себя слой бурового раствора толщиной 5 мм, расположенный на горной породе, толщиной 1 м и длиной 2 м. Опорный элемент, помещенный в центральной части модели, сам смоделирован в виде прямоугольного тела длиной 300 мм и толщиной 12,5 мм с инжекторами тока, имеющими длину 40 мм и толщину 5 мм, и парой измерительных электродов, каждый из которых имеет длину 5 мм и толщину 2,5 мм. Опорный элемент соединен с остальной частью устройства металлическим кронштейном. Эта модель игнорирует, в частности, пучок электрических проводов, соединяющих опорный элемент с электронным блоком для обработки сигналов.
Опорный элемент также может быть снабжен задней пластиной, выполненной из металла и имеющей потенциал, который является «плавающим» или идентичным потенциалу горной породы (заземленным).
Для тока с частотой 10 килогерц удельные электропроводности рассматриваемых материалов имеют следующие значения:
| Удельная электропроводность (σ + jwε Cм-1) | |||
| Действительнаячасть | Мнимая часть | εI | |
| Буровой раствор | 1×10-6 | 2,81×10-6 | 5 |
| Опорный элемент (полиэфирэфиркетон) | 0 | 1,8×10-6 | 3,2 |
| Горная порода (порядоквеличины) | 10-0,0001 | ~2×10-6 | ~3-15 |
| Металлические части | 1×106 | 0 | - |
Рассматриваемый буровой раствор на углеводородной основе представляет собой эмульсию «вода в нефти» в соотношении 10:90, где нефть представляет собой синтетическое масло n-олефинного типа.
Значения, рассчитанные на этой модели для разности потенциалов между двумя измерительными электродами в виде функции удельного сопротивления Rt горной породы, представлены в графическом виде на Фиг.3, при этом принимается, что опорный элемент точно параллелен горной породе и находится от нее на одинаковом расстоянии «зазора» величиной 5 мм (Фиг.3А), или принимается, что опорный элемент слегка наклонен, причем расстояние зазора между опорным элементом и горной породой меняется в диапазоне с 2 мм до 5 мм (Фиг.3В).
В отсутствие задней пластины (значения, представленные треугольниками) сигнал является практически постоянным до тех пор, пока удельное сопротивление формации менее чем примерно 100 Ом·м, так что устройство является неподходящим в случае, если частота переменного тока на инжекторах составляет 10 килогерц.
При наличии задней пластины, имеющей потенциал, который оставлен плавающим (значения, представленные квадратами), разность потенциалов между измерительными электродами в случае, когда опорный элемент параллелен горной породе, выглядит прямо пропорциональной сопротивлению горной породы. Однако если опорный элемент наклонен по отношению к горной породе, то как и в случае опорного элемента без задней пластины сигнал для формаций, имеющих удельное сопротивление менее чем 100 Ом·м, является практически постоянным. В случае задней пластины, соединенной с землей (то есть задней пластины, потенциал которой идентичен потенциалу горной породы), который соответствует точкам, представленным окружностями, сигнал действительно характеризует удельное сопротивление формации, даже если опорный элемент слегка наклонен, что часто случается в стволе скважины.
В соответствии с этим для заземления задней пластины могут использоваться различные средства. В качестве примера отметим, что простейший способ заключается в соединении пластины с устройством для каротажа, которое само соединено с землей через протяженный канат, на котором он подвешен, указанный канат, возможно, проходит через несколько тысяч метров формации.
Другое решение заключается в том, чтобы оценить потенциал формации посредством усреднения, используя для этого электронную схему, которая усредняет значения потенциалов, измеренных всеми парами измерительных электродов.
Возможно также измерить этот потенциал непосредственно, например, посредством дополнительных электродов, которые имеют, в предпочтительном варианте, большие размеры и окружают набор пар измерительных электродов, и затем поддерживать потенциал задней пластины на упомянутом уровне потенциала посредством подходящей электронной схемы.
В особо предпочтительном варианте изобретения, схематически показанном на Фиг.4, проводящая задняя пластина имеет дополнения, которые изолируют зону измерительных электродов от концевых зон, содержащих инжекторы. В такой конструкции минимальное расстояние между двумя инжекторами может быть сокращено примерно на 20% при сохранении сигнала, пропорционального удельному сопротивлению геологической формации.
Для улучшения экранирования измерительных электродов от токовых электродов один подход приводит к тому, что средства экранирования размещают ближе к наружной поверхности опорного элемента в областях между инжекторами и измерительными электродами. Таким образом, средство экранирования будет размещено вровень или почти вровень с наружной поверхностью опорного элемента. В случае, когда это сделано, электрическое поле, формируемое в опорном элементе, устраняется (см. вариант осуществления с проводящим опорным элементом) или почти устраняется (см. вариант осуществления с непроводящим опорным элементом). Кроме того, это электрическое поле почти устраняется между наружной поверхностью опорного элемента и стенкой формации вблизи от измерительных электродов. Следовательно, вблизи от измерительных электродов электрические эквипотенциальные кривые в буровом растворе практически перпендикулярны стенке ствола скважины (и наружной поверхности опорного элемента), чем обеспечивается то, что потенциал на упомянутых электродах остается близким к потенциалу в формации.
Первый вариант осуществления изобретения состоит в проводящей металлической конструкции опорного элемента, которая содержит изолирующие вставки вокруг электродов источника и возврата и измерительных электродов. Следовательно, в этом варианте реализации устройства согласно изобретению измерительные электроды экранируются самим проводящим опорным элементом.
В проводящем опорном элементе 90 поддерживается потенциал, близкий к потенциалу формации перед измерительными электродами. Например, в одном предпочтительном варианте реализации изобретения потенциал опорного элемента обеспечивают равным измеренному потенциалу формации перед измерительными электродами 6. Как упоминалось в заявке на патент РСТ/ЕР01/03718 А1, электронная схема, не показанная на чертежах, усредняет все значения потенциалов, измеренные всеми измерительными электродами.
Второй вариант осуществления изобретения состоит из опорного элемента, изготовленного из изолирующего материала, и экранирующего средства, которое составляют проводящие (например, металлические) листы. Для того чтобы не ослаблять конструкцию, наружные части экранирующих листов могут быть заформованы внутрь опорного элемента. В качестве альтернативы, проводящие листы могут быть размещены как на внутренней поверхности, так и на наружной поверхности опорного элемента.
На Фиг.6 показан один вариант реализации датчика, имеющего изолирующую лицевую поверхность и проводящую заднюю пластину и расположенного на устройстве для каротажа в процессе бурения. Как показано на чертеже, датчик 300 согласно одному варианту осуществления изобретения расположен на вращающемся бурильном узле 310. Датчик 300 содержит электрод 301 инжекции тока, электрод 302 возврата тока и матрицу измерительных электродов 303, все из которых расположены на изолирующем опорном элементе 304. Кроме того, проводящий экран (или проводящая задняя пластина) 305 расположена за электродами, но изолирована от проводящего бурильного узла 310 слоем изоляции или полостью 307. Датчик 300 может факультативно включать в себя экраны 306 между электродом-инжектором 301 тока и измерительными электродами 303 и/или между электродом 302 возврата тока и измерительными электродами 303. Эти проводящие экраны 305, 306 могут уменьшить потенциал, наводимый в изолирующем опорном элементе 304, что делает измерения, производимые измерительными электродами, более связанными с удельным сопротивлением формации согласно тому, что показано на Фиг.3А и Фиг.3В.
Кроме того, проводящий экран (или проводящая задняя пластина) могут быть «заземлены» на потенциал формации посредством проводящего соединения 308. Как отмечалось выше со ссылкой на Фиг.3В поддержание потенциала проводящего экрана (задней пластины) на уровне, в существенной мере идентичном потенциалу формации, уменьшает вредные последствия, вызванные неравными значениями зазора на двух концах датчика. Специалист в данной области техники, должен понимать, что для поддержания потенциала проводящей задней пластины на уровне, близком или идентичном потенциалу формации, могут быть использованы различные способы. Как упоминалось выше, задняя пластина может быть заземлена на бурильную колонну. При другом подходе можно оценить или определить возможное значение потенциала формации и активно поддерживать потенциал на проводящей задней пластине таким образом, чтобы он был в существенной мере одинаковым с потенциалом формации. В качестве альтернативы можно использовать проводящее соединение так, чтобы обеспечить проводящей задней пластине возможность непрямого «контакта» с формацией, то есть обеспечить пассивное заземление проводящей задней пластины. В этом случае предпочтительно, чтобы точка «контакта» с формацией располагалась в непосредственной близости к измерительным электродам, так чтобы потенциал заземления на проводящей задней пластине был в существенной мере одинаков с потенциалом формации перед измерительными электродами. Подход, заключающийся в пассивном заземлении, непрактичен при использовании устройства, спускаемого в скважину на тросе, поскольку стенка ствола скважины часто имеет непроводящую фильтрационную корку бурового раствора, которая изолирует формацию. Однако в вариантах применения для каротажа в процессе бурения ствол скважины только что пробурен, и на стенке ствола скважины образовалось малое количество фильтрационной корки бурового раствора или эта корка не образовалась вовсе. Следовательно, эффективное заземление может быть достигнуто простым контактом стенки ствола скважины, и такой контакт может быть осуществлен с бульшим усилием во время бурения, чем во время каротажа устройством, спускаемым в скважину на тросе.
В связи с наличием механического сопротивления в среде проведения каротажа в процессе бурения, в предпочтительной реализации используется металлический опорный элемент. На Фиг.7 показан датчик согласно другому варианту осуществления изобретения, в котором датчики располагаются на металлическом опорном элементе, но изолированы от металлического опорного элемента. Кроме того, в целях обеспечения механической прочности металлический опорный элемент также функционирует как проводящая задняя пластина, описанная выше. Эта конфигурация устраняет потребность в отдельной проводящей задней пластине. Как показано на чертеже, датчик 400 содержит электрод-инжектор 401 тока, электрод 402 возврата тока и матрицу измерительных электродов 403, все из которых расположены на проводящем опорном элементе 405. Однако все эти электроды изолированы от проводящего опорного элемента 405 при помощи изолирующих вставок 404, окружающих электроды.
Датчик 400 вместе со своим проводящим опорным элементом 405 помещен в полость в бурильном узле 410. Проводящий опорный элемент 405 изолирован от остальной части бурильного узла при помощи изолирующих листов (или слоя изолирующего материала) 407, находящихся в этой полости. Проводящий опорный элемент 405 может быть «заземлен» или его потенциал может поддерживаться на уровне, в существенной мере одинаковом с потенциалом формации, посредством проводящего соединения 408, которое может быть соединено со схемами, поддерживающими на проводящем опорном элементе 405 выбранный потенциал, или которое может пассивно заземлять проводящий опорный элемент 405 на формацию.
Фиг.8 изображает вариант реализации датчика, показанного на Фиг.7. Как показано на чертеже, датчик 500 содержит электрод-инжектор 501 тока, электрод 502 возврата тока и матрицу измерительных электродов 503, все из которых расположены на проводящем опорном элементе 505, но изолированы от проводящего опорного элемента 505 при помощи изолирующих вставок 504. Датчик 500 помещен в полость в бурильном узле 510, без изолирующего листа. Следовательно, проводящий опорный элемент 505 имеет электрическую связь с бурильным узлом 510, и для заземления проводящего опорного элемента 505 не требуется никакого проводящего соединения.
Вышеописанные примеры иллюстрируют датчики согласно вариантам осуществления изобретения. Эти датчики изолированы от корпуса устройства или бурильной колонны. Однако задняя сторона датчиков содержит проводящие звенья, которые могут представлять собой проводящую заднюю пластину в изолирующем опорном элементе или сам проводящий опорный элемент. Предпочтительно, чтобы потенциал проводящего звена поддерживался на уровне в существенной мере одинаковом с потенциалом формации перед измерительными электродами, или чтобы проводящее звено было заземлено на формацию около измерительных электродов.
Другим фактором, оказывающим влияние на эффективность работы измерительных электродов, является путь прохождения тока. Ток, подаваемый в формацию, должен пройти перед измерительными электродами, а не через проводящую бурильную колонну или корпус устройства для каротажа. На Фиг.9 проиллюстрированы два проводящих пути для возвращения поданного тока на электрод возврата. Как показано на чертеже, бурильный узел 610, имеющий датчик 600 по данному изобретению, прижимается к формации 620. Ток, поданный с электрода 601 инжекции тока, может пойти по пути А назад к электроду 602 возврата или по пути В к электроду 602 возврата. Отметим, что два пути А и В приводятся только для иллюстрации и не имеют своей целью ограничить объем изобретения.
Как показано на Фиг.9, ток, возвращающийся по пути А, проходит перед измерительными электродами 603, позволяя измерительным электродам 603 получить сигналы, относящиеся к удельному сопротивлению формации перед ними. В противоположность этому ток, возвращающийся по пути В, не проходит перед измерительными электродами 603. Следовательно, ток, возвращающийся по пути В, не порождает относящиеся к формации сигналы на измерительных электродах 603. Соответственно, должно быть предусмотрено средство для уменьшения или устранения короткого замыкания, к которому приводит путь В.
На Фиг.10А представлен один вариант осуществления изобретения, который может предотвратить короткое замыкание нормального пути А прохождения тока, вызываемое проводящим корпусом устройства или проводящим опорным элементом. В то же самое время корпус устройства и проводящий опорный элемент могут быть заземлены на потенциал формации в месте, расположенном рядом с измерительными электродами. Как показано на чертеже, проводящий корпус устройства (или бурильная колонна) 710 и проводящий опорный элемент 704, в случае его использования, не контактируют с формацией. Вместо этого со стенкой ствола скважины контактируют пояски 711 и 712, обеспечивающие зазор. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из поясков 711 и 712, обеспечивающих зазор, был изготовлен из проводящего материала и обеспечивал проводящее соединение, позволяющее поддерживать потенциал проводящего опорного элемента 704 (или задней пластины), в существенной мере идентичный потенциалу формации. Если бы оба пояска 711 и 712, обеспечивающих зазор, были проводящими, то их контакты позволили бы току течь по пути В. В этом случае предпочтительно, чтобы расстояние между поясками 711 и 712, обеспечивающими зазор, было большим по сравнению с длиной проводящего опорного элемента. Например, если расстояние между поясками 711 и 712, обеспечивающими зазор, по меньшей мере, в два раза больше длины проводящего опорного элемента, то ток, протекающий по пути В, будет, возможно, существенно меньше, чем ток, протекающий по пути А.
На Фиг.10В показан вариант осуществления изобретения, альтернативный варианту, показанному на Фиг.10А. Как показано на Фиг.10В, в корпусе 710 устройство для каротажа предусмотрена выемка, так что опорный элемент 704 вместе с электродами не будет напрямую контактировать со стенкой ствола скважины. Когда это устройство для каротажа прижимается к стенке ствола скважины, между опорным элементом 704 и стенкой ствола скважины будет оставаться слой непроводящего бурового раствора. Этот слой непроводящего бурового раствора будет обеспечивать изоляцию. Следовательно, только части корпуса устройства для каротажа, расположенные выше и ниже выемки, контактируют со стенкой ствола скважины, что обеспечивает заземление. Отметим, что расстояние между верхним краем 751 и нижним краем 752 выемки 750 должно быть большим по сравнению с длиной опорного элемента 704, с тем, чтобы минимизировать короткое замыкание требуемого тока (показанного на Фиг.10А как путь А). Специалист в данной области техники должен понимать, что возможны разновидности вариантов осуществления изобретения, показанных на Фиг.10А и 10В. Например, альтернативой варианту осуществления изобретения, показанному на Фиг.10В, является введение в выемку 750, показанную на Фиг.10В изолирующего материала.
Опубликованная заявка на патент США, имеющая №2003/0173968 А1, находящаяся на рассмотрении, авторами которой являются Чеун (Cheung) и др., описывает способы получения значений удельного сопротивления формации для случая, когда между датчиком и стенкой ствола скважины расположен слой непроводящего бурового раствора. Права на заявку принадлежат правообладателю по настоящему изобретению, и она включена во всей своей полноте в настоящее описание посредством ссылки.
Некоторые варианты осуществления изобретения имеют датчики, расположенные на вращающихся частях бурильного узла. Если датчик вращается вместе с бурильной колонной, то изображение ствола скважины может быть получено при помощи единственного датчика, который может включать в себя пару (или более) измерительных электродов (показанных на Фиг.1 как позиция 6). Некоторые варианты осуществления изобретения имеют датчики, расположенные на невращающихся опорных элементах бурильного узла. Если датчики, расположены на невращающихся опорных элементах (или ребрах), то несколько датчиков должно быть размещено на опорных элементах, которые расположены по окружности корпуса устройства. Ориентация (азимутальное направление) и глубина измерения датчиков может для целей построения изображений ствола скважины быть определена при помощи известных традиционных способов.
Датчик согласно настоящему изобретению, размещен ли он на вращающейся или на невращающейся части устройства для каротажа, может иметь измерительные электроды, расположенные в различных конфигурациях. Фиг.11а-11е иллюстрируют различные конфигурации измерительных электродов, которые могут использоваться с датчиком согласно данному изобретению. На Фиг.11а показана простая двухкнопочная компоновка, которая включает в себя кнопки а1 и а2. Эта конфигурация может измерять только «легко различимое» вертикальное электрическое поле; она не может дать информацию, достаточную для того, чтобы получить фактические направление и величину электрического поля.
Для определения величины и направления электрического поля требуется более чем два электрода. Предпочтительно, чтобы эти электроды были расположены так, чтобы обеспечивать измерения в существенным образом ортогональных направлениях, как это описано в патенте США №6191588 В1, выданном Чену (Chen). На Фиг.11b показана одна конфигурация, включающая в себя четыре электрода. Одна пара электродов, b1 и b2, расположена таким образом, чтобы измерять электрическое поле в вертикальном направлении (δVv), в то время как другая пара, b3 и b4, расположена таким образом, чтобы измерять электрическое поле в горизонтальном направлении (δVН). Отметим, что вертикальное и горизонтальное направления используются здесь только для иллюстрации. Специалист в данной области техники должен понимать, что эти направления могут не совпадать с истинным вертикальным или истинным горизонтальным направлениями. Относительные величины δVv и δVН являются функцией фактических направления и величины электрического поля. Таким образом, направление и величина электрического поля могут быть получены на основе измерений δVv и δVН.
На Фиг.11с проиллюстрирована конфигурация, в которой три электрода, c1, c2, и с3, расположены таким образом, чтобы обеспечивать измерения δVv и δVН. Следует отметить, что средние положения измерений δVv и δVН, полученных при помощи датчика, показанного на Фиг.11с, различны. Вертикальное измерение δVv получено в положении, смещенном на половину расстояния между кнопками горизонтально, а горизонтальное измерение δVН получено в положении, смещенном на половину расстояния между кнопками вертикально. Соответственно, в предпочтительных вариантах осуществления изобретения, значения δV/I, используемые для построения изображения ствола скважины, должны быть смещены по глубине измерения и азимуту. Таким образом, датчик, показанный на Фиг.11с, представляется менее предпочтительным, чем датчик, показанный на Фиг.11b. Однако эти измерения могут также быть использованы и без поправки на сдвиг положения, поскольку расстояние между электродами может быть порядка 1 дюйма (25,4 мм) или меньше, и, следовательно, в некоторых вариантах применения смещение положения может быть проигнорировано.
На Фиг.11d проиллюстрирована конфигурация, в которой четыре электрода, d1, d2, d3 и d4, расположены таким образом, чтобы обеспечивать два измерения в вертикальном направлении, δVv1 и δVv2, и два измерения в горизонтальном направлении, δVН1 и δVН2. Измерения δVv1 и δVv2 могут быть использованы для расчета среднего значения измерения в вертикальном направлении: δVv=1/2(δVv1+δVv2). Аналогичным образом, измерения δVН1 и δVН2 могут быть использованы для расчета среднего значения измерения в горизонтальном направлении: δVН=1/2 (δVН1+δVН2). Как показано на Фиг.11d, средние положения рассчитанных δVv и δVН находятся в центре квадрата, в углах которого расположены эти четыре электрода. Таким образом, эта конфигурация датчика обеспечивает результаты, аналогичные результатам варианта, показанного на Фиг.11b.
На Фиг.11е показана другая конфигурация датчика, в котором три электрода, е1, е2 и е3, расположены в виде треугольника, в предпочтительном варианте - в виде равностороннего треугольника. При такой конфигурации вертикальное измерение (δVv) получают посредством нахождения среднего двух измерений (δVv1 и δVv2), полученных диагонально расположенной парой электродов е1 и е2 и диагонально расположенной парой электродов е3 и е2, соответственно. Оно равно: δVv=1/2(δVv1+δVv2). Горизонтальное измерение δVН может быть получено от пары электродов е1 и е3 или из разности между двумя измерениями, полученными диагонально расположенной парой электродов (δVv1 и δVv2). Оно равно: δVН=δVv2-δVv1. Отметим, что средние положения δVv и δVН не совпадают, причем горизонтальное измерение δVН получено в положении, смещенном вертикально на половину расстояния между кнопками. Соответственно, значения δV/I, используемые для построения изображения ствола скважины, могут нуждаться в смещении по глубине измерения. Однако в некоторых вариантах применения позиционные смещения могут не быть значительными и могут быть проигнорированы.
Как было отмечено выше, датчики согласно данному изобретению могут быть размещены на вращающейся части бурильного узла, в предпочтительном варианте - на шарнирно закрепленных опорных элементах в компоновке низа бурильной колонны. Шарнирно закрепленные опорные элементы могут прижимать датчики к стенке ствола скважины, что способствует проведению измерения и минимизирует или устраняет эффекты, связанные с зазором устройства. В целях минимизации зазоров устройства для каротажа и максимизации и поддержания контакта со стенкой ствола скважины в инструментах (устройствах), спускаемых в скважину на тросе, широко используются разворачиваемые опорные элементы. Использование разворачиваемых опорных элементов в устройствах для каротажа в процессе бурения или для измерений в процессе бурения встречается редко, что вызвано тяжелыми условиями, с которыми сталкиваются устройства во время бурения. В последнее время в области разворачиваемых опорных элементов для использования в устройствах для каротажа в процессе бурения произошло некоторое развитие. Специалист в данной области техники должен понимать, что датчики согласно данному изобретению могут быть использованы с любым разворачиваемым опорным элементом, известным ли в настоящий момент времени, или тем, который еще будет разработан.
Один пример разворачиваемого опорного элемента можно найти в устройстве PowerDrive™, недавно представленного компанией Schlumberger Technology Corporation (г.Хьюстон, Техас, США). Устройства PowerDrive™ включают в себя опорные элементы с гидравлическим управлением, которые могут быть использованы для управления буровой головкой посредством механизма толкания головки. На Фиг.12А показан поперечный разрез муфты, оснащенной тремя опорными элементами 91 PowerDrive™, расположенной на устройстве 90 PowerDrive™, который находится в процессе бурения скважины 95. Разворачиваемые опорные элементы на устройстве PowerDrive™ могут быть использованы для размещения датчиков, предназначенных для измерения свойств формации. Например, на Фиг.12В показан датчик согласно одному варианту осуществления изобретения, размещенный на одном из опорных элементов PowerDrive™.
Другой пример разворачиваемых опорных элементов описан в совместно рассматриваемой заявке на патент США №10/605200, авторы Хомэн (Homan) и др., которая описывает компенсируемые давлением опорные элементы (с механизмом поршневого типа), предназначенные для использования в каротажных устройствах для каротажа в процессе бурения или для измерений в процессе бурения. Эти расширяемые опорные элементы могут также быть использованы с вариантами осуществления изобретения. Отметим, что варианты осуществления изобретения не ограничены используемыми типами разворачиваемых опорных элементов.
Как отмечалось выше, некоторые варианты осуществления изобретения включают в себя вышеописанные датчики, установленные на невращающейся втулке (опорных элементах) на бурильном узле. В данной области техники известны различные невращающиеся опорные элементы. Например, патент США №6230557 В1, выданный Киглинику (Ciglenec) и др., описывает устройство и способ для установки датчиков измерения давления на невращающихся втулках. Правами на этот патент обладает правообладатель по настоящему изобретению, и этот патент во всей своей полноте включен в данное описание посредством ссылки.
На Фиг.13 показан один пример невращающейся втулки, включающей в себя датчик согласно данному изобретению. Как показано на чертеже, невращающаяся втулка 1000 содержит множество лезвий 1016 стабилизатора и одно или более ребер 1014. Датчик согласно данному изобретению может быть установлен на ребре 1014. Как показано в этом примере, на ребре 1014 размещен изолирующий опорный элемент 1004. На изолирующем опорном элементе размещены: электрод 1001 инжекции тока, электрод 1002 возврата тока и секция измерительных электродов 1003. Ребро может включать в себя шарнирный механизм (на чертеже не показан), выдвигающий ребро на стенку ствола скважины. Шарнирный механизм может основываться на гидравлическом давлении, пружине и т.д. Другие примеры невращающихся втулок/опорных элементов могут быть найдены в патенте США №6564883, выданном Фредриксу (Fredericks) и др., в патенте США №6600321 В2, выданном Эвансу (Evans), и в патенте США №6173793, выданном Томпсону (Thompson) и др.
Невращающиеся опорные элементы или втулки могут быть выполнены существенным образом не вращающимися посредством любого механизма, известного в данной области техники. Например, опорный элемент может быть прижат к стенке ствола скважины посредством шарнирного механизма, приводимого в действие механическим усилием (например, пружины) или гидравлическим давлением. Сила трения между опорными элементами и стенкой ствола скважины удерживает опорные элементы от вращения (или в существенной мере уменьшает его вращение). В качестве альтернативы, опорный элемент может быть выполнен существенным образом не вращающимся посредством придания ему вращения с той же, в существенной мере, скоростью, но в противоположном направлении по отношению к вращению бурильной колонны. Это «противовращение» может быть достигнуто с использованием, например, двигателя бурового раствора.
Преимущества изобретения могут включать в себя один или более из следующих аспектов. Варианты осуществления изобретения могут быть использованы для изображения скважины в процессе бурения с использованием непроводящего бурового раствора. Датчики удельного сопротивления согласно данному изобретению включают в себя проводящие задние пластины или экраны или используют проводящие опорные элементы с тем, чтобы уменьшить помехи от электродов инжекции тока при использовании относительно высоких частот. Кроме того, предпочтительно, чтобы потенциал проводящих задних пластин или экранов или проводящих опорных элементов поддерживался на уровне, который в существенной мере одинаков с потенциалом формации перед измерительными электродами, что минимизирует вредные воздействия, вызванные неодинаковыми зазорами. Датчики согласно данному изобретению могут быть использованы на вращающейся части или на невращающейся части бурильного узла.
Хотя изобретение и было описано в отношении ограниченного числа вариантов своего осуществления, специалисты в данной области техники, имея возможность ознакомиться с данным описанием, должны понимать, что могут быть разработаны и другие варианты осуществления изобретения, которые не выходят за пределы объема данного изобретения в том виде, в котором оно здесь описано. Соответственно, объем изобретения должен ограничиваться только прилагаемой формулой изобретения.
1. Устройство каротажа удельного сопротивления для исследования стенки ствола скважины, пробуренной с использованием непроводящего бурового раствора, содержащее
проводящий корпус устройства, приспособленный для включения в состав узла устройства для каротажа в процессе бурения;
датчик удельного сопротивления, расположенный на корпусе устройства, при этом датчик удельного сопротивления содержит измерительный башмак, который поддерживает электрод-инжектор тока, электрод возврата тока, матрицу измерительных электродов;
и
схемы для управления инжекцией тока с электрода-инжектора тока и для измерения разности потенциалов между электродами в матрице измерительных электродов,
при этом матрица измерительных электродов расположена между электродом-инжектором тока и электродом возврата тока,
при этом измерительный башмак включает в себя проводящее звено, сконфигурированное таким образом, чтобы иметь потенциал, по существу, идентичный потенциалу стенки ствола скважины,
причем измерительный башмак расположен по отношению к проводящему корпусу устройства таким образом, что датчик удельного сопротивления, содержащий измерительный башмак, не касается стенки ствола скважины, когда проводящий корпус устройства прижимается к стенке ствола скважины.
2. Устройство по п.1, в котором измерительный башмак сконструирован из изолирующего материала, и проводящее звено изолировано от проводящего.узла устройства для каротажа в процессе бурения.
3. Устройство по п.1, в котором проводящее звено в измерительном башмаке заземлено на потенциал стенки ствола скважины.
4. Устройство по п.1, в котором датчик удельного сопротивления расположен в выемке на корпусе устройства так, что датчик удельного сопротивления не касается стенки ствола скважины, когда корпус устройства прижимается к стенке ствола скважины.
5. Устройство по п.4, в котором длина выемки, по меньшей мере, в два раза больше длины измерительного башмака вдоль продольной оси корпуса устройства.
6. Устройство по п.1, в котором корпус устройства содержит два пояска, обеспечивающих зазор, так что датчик удельного сопротивления не касается стенки ствола скважины, когда корпус устройства прижимается к стенке ствола скважины, причем датчик удельного сопротивления расположен между двумя упомянутыми поясками, обеспечивающими зазор.
7. Устройство по п.6, в котором, по меньшей мере, один из двух поясков, обеспечивающих зазор, сконструирован из проводящего материала, что обеспечивает проводящее соединение для заземления проводящего звена в измерительном башмаке на потенциал формации.
8. Устройство по п.7, в котором два пояска, обеспечивающих зазор, сконструированы из проводящего материала, и расстояние между поясками, обеспечивающими зазор, по меньшей мере в два раза больше длины измерительного башмака так, что ток, протекающий по пути короткого замыкания от электрода-инжектора тока через проводящий корпус устройства к электроду возврата тока, меньше, чем ток, возвращающийся к электроду возврата тока от стенки ствола скважины.
9. Устройство по п.1, в котором датчик удельного сопротивления расположен на части корпуса устройства, которая не вращается вместе с бурильной колонной во время операции бурения.
10. Устройство по п.1, в котором датчик удельного сопротивления расположен на части корпуса устройства, которая вращается вместе с бурильной колонной во время операции бурения.
11. Устройство по п.1, в котором матрица измерительных электродов сконфигурирована таким образом, чтобы обеспечивать измерения напряжения в формации в двух, по существу, ортогональных направлениях.
12. Устройство каротажа сопротивления для исследования стенки ствола скважины, пробуренной с использованием непроводящего бурового раствора, содержащее
проводящий корпус устройства, приспособленный для включения в состав узла устройства для каротажа в процессе бурения;
датчик удельного сопротивления, расположенный на корпусе устройства, при этом датчик удельного сопротивления содержит проводящий измерительный башмак, поддерживающий электрод-инжектор тока, электрод возврата тока, матрицу измерительных электродов, проводящее звено, сконфигурированное таким образом, чтобы иметь потенциал, по существу, идентичный потенциалу стенки ствола скважины; и
схемы для управления инжекцией тока с электрода-инжектора тока и для измерения разности потенциалов между электродами в матрице измерительных электродов,
при этом матрица измерительных электродов расположена между электродом-инжектором тока и электродом возврата тока, при этом измерительный башмак расположен по отношению к
проводящему корпусу устройства таким образом, что датчик удельного сопротивления не касается стенки ствола скважины, когда проводящий корпус устройства прижимается к стенке ствола скважины.
13. Устройство по п.12, в котором проводящий измерительный башмак изолирован от проводящего корпуса устройства.
14. Устройство по п.12, в котором проводящий измерительный башмак заземлен на потенциал стенки ствола скважины.
15. Устройство по п.12, в котором датчик удельного сопротивления расположен в выемке на корпусе устройства так, что датчик удельного сопротивления не касается стенки ствола скважины, когда корпус устройства прижимается к стенке ствола скважины.
16. Устройство по п.15, в котором длина выемки по меньшей мере в два раза больше длины измерительного башмака вдоль продольной оси корпуса устройства так, что путь короткого замыкания между электродом-инжектором тока и электродом возврата тока через проводящий корпус устройства и вокруг упомянутой выемки, по существу, уменьшен или устранен.
17. Устройство по.п.12, в котором корпус устройства содержит два пояска, обеспечивающих зазор, так что датчик удельного сопротивления не касается стенки ствола скважины, когда корпус устройства прижимается к стенке ствола скважины.
18. Устройство по п.17, в котором по меньшей мере один из двух поясков, обеспечивающих зазор, сконструирован из проводящего материала, что обеспечивает проводящее соединение для заземления проводящего звена в измерительном башмаке на потенциал формации.
19. Устройство по п.12, в котором датчик удельного сопротивления расположен на разворачиваемом опорном элементе на корпусе устройства.
20. Устройство по п.12, в котором датчик удельного сопротивления расположен на части корпуса устройства, которая не вращается вместе с бурильной колонной во время операции бурения.
21. Устройство по п.12, в котором датчик удельного сопротивления расположен на части корпуса устройства, которая вращается вместе с бурильной колонной во время операции бурения.
22. Устройство по п.12, в котором матрица измерительных электродов сконфигурирована таким образом, чтобы обеспечивать измерения напряжения в формации в двух, по существу, ортогональных направлениях.
23. Устройство по п.12, в котором проводящий измерительный башмак изолирован от корпуса устройства.
