BRPI0610597A2

BRPI0610597A2 - método e aparelho para focalização melhorada de corrente em ferramentas de medição de resistividade galvánica

Info

Publication number: BRPI0610597A2
Application number: BRPI0610597-1A
Authority: BR
Inventors: Mathias Gorek; Martin Folberth; Christian Fulda
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2010-07-06
Also published as: US20060238202A1; WO2006115783A8; CN101203776A; EA011107B1; EA200702232A1; CA2604834A1; US7256582B2; EP1875274B1; EP1875274A1; WO2006115783A1; CA2604834C; WO2006115783B1

Abstract

A presente invenção refere-se a uma ferramenta de resistividade galvânica com um ou mais eletrodos de medição e eletrodos de proteção e um ou mais eletrodos de blindagem. A diferença de potencial entre os eletrodos de medição e os eletrodos de proteção é controlada para minimizar o fluxo de corrente entre os eletrodos de medição e os eletrodos de blindagem. Isto fornece focalização melhorada e evita efeitos de impedância de contato.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO EAPARELHO PARA FOCALIZAÇÃO MELHORADA DE CORRENTE EMFERRAMENTAS DE MEDIÇÃO DE RESISTIVIDADE GALVÂNICA".

Fundamento da Invenção

1. Campo da Invenção

A presente invenção é relativa a registro de poço. Em particular,a presente invenção é um aparelho e método para determinar a resistividadede informações de subsuperf ície utilizando métodos elétricos

2. Fundamento da Técnica

Em ferramentas convencionais de medição de resistividade gal-vânica que utilizam uma técnica de focalização, um eletrodo de proteçãoemite corrente para conduzir o feixe de corrente de um eletrodo de mediçãomais profundamente para o interior de um material condutor. A resistividadedo material é determinada por meio de registro de medição de corrente evoltagem de eletrodo de medição. O potencial de acionamento no eletrodode proteção e de medição deve ser exatamente o mesmo para evitar pertur-bações do campo elétrico ideal, o que assegura que o efeito de focalizaçãotem lugar. Diferenças mais elevadas de potencial de acionamento podemconduzir a correntes do eletrodo de proteção para o eletrodo de medição, ouvice-versa, que passam o fluido do furo de sondagem ao redor da ferramen-ta, o que poderia destruir completamente o efeito de focalização e conduz aerros de medição elevados caso não consideradas. Em geral o efeito de fo-calização irá conduzir a uma corrente elétrica com uma profundidade de pe-netração mais elevada comparada com aquela sem focalização.

Birdwell (Patente U.S. 3.365.658) ensina a utilização de um ele-trodo focalizado para a determinação da resistividade de formações de sub-superfície. Uma corrente de pesquisa é emitida a partir de um eletrodo cen-tral de pesquisa para formações de terra adjacentes. Esta corrente de pes-quisa é focalizada em um feixe de corrente relativamente estreito para forado furo de sondagem, utilizando uma corrente de focalização emitida a partirde eletrodos de focalização próximos, localizados adjacentes ao eletrodo depesquisa e de cada lado dele. Ajam e outros (Patente U.S. 4.122.387) divul-ga um aparelho no qual registros simultâneos podem ser feitos em diferentesdistâncias laterais através de uma formação a partir de um furo de sonda-gem, por meio de sistemas de eletrodo de proteção localizados em umasonda que é abaixada para o interior do furo de sondagem por meio de umcabo de registro. Um único oscilador controla a freqüência de duas correntesde formação que escoam através da formação nas profundidades lateraisdiferentes desejadas a partir do furo de sondagem. A armadura do cabo deregistro atua como o retorno de corrente para um dos sistemas de eletrodode proteção, e um eletrodo de cabo em um conjunto eletrodo de cabo imedi-atamente acima da sonda de registro atua como o retorno de corrente para osegundo sistema de eletrodo de proteção. Duas modalidades também sãodivulgadas para medir voltagens de referência entre eletrodos no conjuntode eletrodo de cabo e nos sistemas de eletrodo de proteção.

Técnicas para investigar a formação de terra com sistemas deeletrodos de medição foram propostas. Ver, por exemplo, a Patente U.S.Número 2.930.969 a Baker, a Patente Canadense Número 685.727 a Manne outros, a Patente U.S. Número 4.468.623 a Gianzero, e a Patente U.S.Número 5.502.686 a Dory e outros. A Patente de Baker propunha uma plura-lidade de eletrodos, cada um dos quais era formado de botões que são uni-dos eletricamente por meio de fios flexíveis com botões e fios embutidos nasuperfície de um tubo dobrável. A Patente de Mann propõe em um sistemade pequenos botões de eletrodo ou montados em uma ferramenta ou umcalço e cada um dos quais introduz em seqüência uma corrente de pesquisamensurável separadamente para uma investigação elétrica da formação deterra. Os botões de eletrodo são colocados em um plano horizontal com es-paçamentos circunferenciais entre eletrodos, e um dispositivo para excitar emedir em seqüência uma corrente de pesquisa a partir do eletrodo é descrito.

A Patente de Gianzero divulga calços montados na ferramenta,cada um dos quais com uma pluralidade de pequenos eletrodos de mediçãoa partir dos quais correntes de pesquisa mensuráveis individualmente sãoinjetadas no sentido da parede do furo de sondagem. Os eletrodos de medi-ção são arranjados em um sistema no qual os eletrodos de medição são co-locados de tal forma a intervalos ao longo de no mínimo uma direção circun-ferencial ao redor do eixo do furo de sondagem, de modo a injetar correntesde pesquisa para o interior de segmentos da parede do furo de sondagemcom superposição uma com a outra, até uma extensão predeterminada,quando a ferramenta é movida ao longo do furo de sondagem. Os eletrodosde medição são feitos pequenos para possibilitar uma investigação elétricadetalhada sobre um segmento circunferencialmente contíguo ao furo desondagem, de modo a obter indicações da estratigrafia da formação junto àparede do furo de sondagem, bem como a fraturas e suas orientações. Emuma técnica, um sistema de malha espacialmente fechada de eletrodos demedição é fornecida ao redor de um eletrodo central, com o sistema utilizadopara detectar o padrão espacial de energia elétrica injetada pelo eletrodocentral. Em uma outra modalidade, um sistema linear de eletrodos de medi-ção é fornecido para injetar um fluxo de corrente para o interior da formaçãosobre um segmento circunferencialmente efetivamente contíguo ao furo desondagem. Porções discretas do fluxo de corrente são mensuráveis separa-damente, de modo a obter uma pluralidade de sinais de pesquisa represen-tativos da densidade de corrente a partir do sistema, e a partir dos quaisuma imagem elétrica detalhada de um segmento circunferencialmente contí-nuo da parede do furo de sondagem pode ser derivada quando a ferramentaé movida ao longo do furo de sondagem. Em uma outra forma de um siste-ma de eletrodos de medição, eles são arranjados em uma malha fechada, talcomo um círculo, para possibilitar medições diretas de orientações de resis-tividade de anomalias.

A Patente de Dory divulga a utilização de um sensor acústico emcombinação com eletrodos montados em calço, a utilização dos sensoresacústicos tornando possível encher os espaços na imagem obtida utilizandoeletrodos montados em calço devido ao fato que em furos de sondagem degrande diâmetro os calços não irão necessariamente fornecer uma coberturacompleta do furo de sondagem.

O processo de equilíbrio eletroquímico entre um metal (por e-xemplo, eletrodo) e um fluido eletrolítico conduz a camadas de comporta-mento resistivo complexo. A impedância destas camadas é a chamada "im-pedância de contato". Quando corrente escoa para o interior ou a partir deum eletrodo, uma diferença entre o potencial imediatamente fora e dentro doeletrodo será criada por meio da camada de impedância. Impedâncias decontato são altamente variáveis e não lineares. Elas dependem principal-mente do material do eletrodo, propriedades eletroquímicas do fluido, densi-dade de corrente e freqüência das voltagens aplicadas. Em ambientes natu-rais, a formação é enchida com um fluido cuja composição química não écompletamente controlável, e é quase impossível predizer exatamente im-pedâncias de contato para eletrodos de medição e de proteção. O efeito defocalização será enfraquecido ou danificado sempre que os potenciais deeletrodos de proteção e medição além da camada de impedância se torna-rem diferentes. Esta diferença poderia fazer uma corrente escoar através dalama entre os eletrodos. A impedância de contato tem assim, no mínimo,impacto significativo na resolução da medição.

A U.S. 6.373.254 a Dion e outros, descreve um método e apare-lho para controlar o efeito de impedância de contato em uma medição deresistividade de formação durante uma operação de registrar ao perfurar. Ocontrole da impedância de contato é realizado mantendo uma diferençasubstancialmente zero em potencial entre dois eletrodos de monitoramentoposicionados na ferramenta de registro de resistividade junto a um eletrodode corrente.

Outros discutiram a utilização de eletrodos de monitoramentopara aplicações com linha de cabo. Ver, por exemplo, Davies e outros (SPE24.676), Evans e outros (U.S. 6.025.722), Seaman (U.S. 5.396.175), Smits eoutros (SPE 30584), e Scholberg (U.S. 3.772.589). A técnica de eletrodo demonitoramento utiliza dois eletrodos adicionais chamados eletrodos de moni-toramento localizados entre eletrodo de medição e de proteção para obser-var uma possível diferença de potencial. O potencial no eletrodo de mediçãoou de proteção é ajustado por meio de um circuito de controle para manter avoltagem entre os eletrodos de monitoramento idealmente em zero. Os ele-trodos de monitoramento não emitem corrente e são, portanto, admitidosnão serem afetados por impedancias de contato. A partir da queda de volta-gem mínima entre os eletrodos de monitoramento é concluído que a diferen-ça de potencial entre cada um dos eletrodos de proteção e de medição alémda camada de impedância imediatamente fora do eletrodo é zero.

O problema de impedancias de contato durante aplicações deregistrar ao perfurar/medir ao perfurar LWD/MWD) difere daquele de aplica-ções com linha de cabo devido à tensão mecânica significativamente maiselevada da ferramenta de medição durante a operação. Os requisitos mecâ-nicos de um eletrodo em ferramentas LWD/MWD requerem que espaços deisolamento no eletrodo deveriam ser pequenos comparados aos espaços deisolamento em ferramentas lateroperfil (laterolog). Portanto, a resposta deferramentas de resistividade LWD/MWD é diferente de suas contrapartidasde linha de cabo. Bonner e outros (U.S. 5.339.037 ensina um dispositivoMWD no qual um eletrodo eletricamente isolado mede voltagens que resul-tam de excitação de dois transmissores espaçados separados. Simultanea-mente, correntes de monitoramento são medidas. A resistividade é obtida apartir dos valores de voltagens e corrente de monitoramento. Bonner nãoenfrenta o aspecto de impedancias de contato.

Evans e outros (U.S. 6.348.796) descreve um método para a-primorar a tecnologia de focalização convencional utilizando três eletrodosque são operados em diferentes potenciais. O eletrodo de corrente de que éoperado em um potencial médio é circundado por um outro eletrodo com umpotencial alguns micro volts mais baixos. Um outro eletrodo ao redor destesambos eletrodos é acionado a alguns micro volts mais elevados do que oeletrodo de corrente. O aspecto de impedancias de contato não é enfrentadoem Evans.

Seria desejável ter um aparelho e método para fornecer tecnolo-gia de focalização aprimorada combinada com a capacidade de ser substan-cialmente independente de impedancias de contato, bem como mudançasde resistividade do ambiente. Também seria preferível que o aparelho pu-desse ser utilizado por operações MWD bem como com linha de cabo. Apresente invenção satisfaz esta necessidade.

Sumário da Invenção

Uma modalidade da invenção é um aparelho para determinar umparâmetro de resistividade de uma formação de terra. O aparelho inclui umaferramenta de registro em um furo de sondagem na formação de terra. Aferramenta de registro tem no mínimo um eletrodo de medição que transpor-ta uma corrente de medição para o interior da formação de terra. No mínimoum eletrodo de proteção associado com o no mínimo um eletrodo de medi-ção focaliza a corrente de medição. Um eletrodo de blindagem é interpostoentre o no mínimo um eletrodo de proteção e o no mínimo um eletrodo demedição. O aparelho inclui circuitos que minimizam um fluxo de corrente en-tre o no mínimo um eletrodo de medição e o eletrodo de blindagem. Os cir-cuitos podem incluir um processador que altera um potencial do no mínimoum eletrodo de medição, uma corrente suprida para o no mínimo um eletro-do de medição, uma impedância entre o no mínimo um eletrodo de proteçãoe o no mínimo um eletrodo de medição, e/ou um potencial do no mínimo umeletrodo de proteção. Um processador pode determinar a partir da correntede medição e um potencial do eletrodo de proteção e/ou do eletrodo de me-dição uma resistência aparente relacionada ao parâmetro resistividade. Aresistividade da formação pode ser derivada da resistência aparente. A re-sistência aparente determinada é substancialmente independente de umstandoff (espaçamento) da ferramenta de registro e/ou de uma resistividadede um fluido no furo de sondagem. O aparelho pode incluir um dispositivo detransporte tal como uma linha de cabo ou um tubular de perfuração. Umsensor de orientação pode ser fornecido, a saída do sensor de orientaçãosendo utilizada para fornecer uma imagem de resistividade do furo de son-dagem. Um eletrodo de blindagem adicional pode ser fornecido fora do ele-trodo de proteção. O processador pode estar em uma localização de super-fície ou uma localização furo abaixo. O eletrodo de medição, o eletrodo deblindagem e o eletrodo de proteção podem ser conformados em anel.

Uma outra modalidade da invenção é um método de determinarum parâmetro resistividade de uma formação de terra. Uma corrente de me-dição é transportada para o interior da formação de terra utilizando um ele-trodo de medição em uma ferramenta de registro na formação de terra. Acorrente de medição é focalizada utilizando um eletrodo de proteção na fer-ramenta de registro. O eletrodo de medição é blindado do eletrodo de prote-ção. Um fluxo de corrente entre o eletrodo de medição e o eletrodo de blin-dagem é minimizado. Minimizar o fluxo de corrente pode ser feito alterandoum potencial do eletrodo de medição, alterando uma corrente suprida para oeletrodo de medição, alterando uma impedância entre o eletrodo de proteçãoe o eletrodo de medição e/ou alterando um potencial do eletrodo de prote-ção. Uma resistência aparente relacionada ao parâmetro resistividade podeser determinada a partir da corrente de medição e um potencial do eletrodode proteção ou eletrodo de medição. A resistência aparente determinada ésubstancialmente independente de um "standoff" da ferramenta de registro,e/ou uma resistividade de um fluido no furo de sondagem. A ferramenta deregistro pode ser transportada para o interior do furo de sondagem em umtubular de perfuração com um conjunto de fundo de furo que carrega a fer-ramenta de registro ou em uma linha de cabo. Uma imagem de resistividadedo furo de sondagem pode ser produzida.

Uma outra modalidade da invenção é um meio legível por com-putador para utilização com uma ferramenta de registro utilizada em um furode sondagem em uma formação de terra. A ferramenta de registro inclui umeletrodo de medição que transporta uma corrente de medição para o interiorda formação de terra e um eletrodo de proteção que focaliza a corrente demedição. A ferramenta de registro também tem eletrodo de blindagem posi-cionado entre o eletrodo de proteção e o eletrodo de medição. O meio incluiinstruções que possibilitam minimizar um fluxo de corrente entre o eletrodode medição e o eletrodo de blindagem, e a determinação de uma resistênciaaparente a partir da corrente de medição e um potencial do eletrodo de pro-teção ou de medição.

Breve Descrição das Figuras

Os aspectos inovadores que acredita-se serem característicosda invenção, tanto quanto à organização e métodos de operação, juntamen-te com os objetivos e vantagens dela, serão melhor entendidos a partir dadescrição detalhada a seguir e dos desenhos nos quais a invenção está ilus-trada à guisa de exemplo apenas para a finalidade de ilustração e descrição,e não têm a intenção de uma definição dos limites da invenção:

A figura 1 (Técnica Precedente) é.uma ilustração esquemáticade um sistema de perfuração;

A figura 2 (Técnica Precedente) é uma configuração tomadacomo exemplo dos diversos componentes de um sub-sensor de medição deresistividade;

A figura 3 é uma ilustração esquemática de configurações deeletrodo para a presente invenção;

A figura 4 mostra um circuito equivalente à configuração de ele-trodo da figura 3;

As figuras 5a-5c ilustram modalidades da invenção nas quaiscontrole da corrente de blindagem é conseguida por (a) ajustar uma fonte devoltagem, (b) ajustar uma fonte de corrente, e (c) ajustar uma resistênciacomplexa;

As figuras 6a-6d ilustram diferentes arranjos por meio dos quaisa configuração de eletrodo da figura 3 pode ser conseguida;

A figura 7 ilustra a configuração de eletrodo de uma modalidadealternativa da invenção;

A figura 8 é um diagrama esquemático para operar a modalidadeda figura 7;

As figuras 9a, 9b ilustram o cascateamento de eletrodos de pro-teção;

A figura 10 ilustra um diagrama esquemático para a operação daconfiguração de eletrodo da figura 9a-b;

As figuras 11a-b mostram uma comparação do campo elétricopara um dispositivo da técnica precedente e um dispositivo de acordo com apresente invenção;

A figura 12 é uma plotagem do raio de resolução para um dispo-sitivo de acordo com a presente invenção como uma função de espaçamen-to de ferramenta e resistividade de formação para uma resistividade de lamade

0,02 Q-m;

A figura 13 é uma plotagem da resistência aparente para umdispositivo de acordo com a presente invenção como uma função de espa-çamento da ferramenta e resistividade de formação para uma resistividadede lama de

0,02 Q-m;

A figura 14 é uma plotagem da resistência aparente para umdispositivo de acordo com a presente invenção como uma função de espa-çamento da ferramenta e resistividade de formação para uma resistividadede lama de

0,2 Q-m;

A figura 15 é uma plotagem da resistência aparente para umdispositivo de acordo com a presente invenção como uma função de espa-çamento da ferramenta e resistividade de formação para uma resistividadede lama de

2 Q-m;

Descrição Detalhada da Invenção

A figura 1 mostra um diagrama esquemático de um sistema deperfuração 10 com uma coluna de perfuração 20 que carrega um conjuntode perfuração 90 (também referido como o conjunto de fundo de furo, ou"BHA") transportado em um "furo de poço" ou "furo de sondagem" 26 paraperfurar o furo de poço. O sistema de perfuração 10 inclui um guindaste(derrick) convencional 11 montado em um piso 12 que suporta uma mesarotativa 14 que é girada por um movimentador primário tal como um motorelétrico (não mostrado) a uma velocidade de rotação desejada. A coluna deperfuração 20 inclui uma tubulação tal como um tubo de perfuração 22 ouuma tubulação bobinada que se estende para baixo a partir da superfície,para o interior do furo de sondagem 26. A coluna de perfuração 20 é empur-rada para o interior do furo de poço 26 quando um tubo de perfuração 22 éutilizado como a tubulação. Para aplicações de tubulação bobinada um inje-tor de tubulação tal como um injetor (não mostrado) contudo é utilizado paramovimentar a tubulação a partir de sua fonte, tal como um carretei (não mos-trado) para o furo de poço 26. A broca de perfuração 50 ligada à extremida-de da coluna de perfuração rompe as formações geológicas quando é giradapara perfurar o furo de sondagem 26. Se um tubo de perfuração 22 é utiliza-do, a coluna de perfuração 20 é acoplada a um guincho de perfuração(drawworks) 30 através de uma junta Kelly 21, giratório 28 e linha 29 atravésde uma polia 23. Durante operações de perfuração o guincho de perfuração30 é operado para controlar o peso sobre a broca, o qual é um parâmetroimportante que afeta a velocidade de penetração. A operação do guincho deperfuração é bem conhecida na técnica, e assim não será descrita aqui emdetalhe.

Durante operações de perfuração um fluido de perfuração ade-quado 31, a partir de um poço de lama (fonte) 32 é circulado sob pressãoatravés de um canal na coluna de perfuração 20 por meio de uma bomba delama 34. O fluido de perfuração passa a partir da bomba de lama 34 para ointerior da coluna de perfuração 20 através de um tanque de oscilação ("de-surger") 36, linha de fluido 28 e junta Kelly 21. O fluido de perfuração 31 édescarregado no fundo do furo de sondagem 51 através de uma abertura nabroca de perfuração 50. O fluido de perfuração 31 circula furo acima atravésdo espaço anelar 27 entre a coluna de perfuração 20 e o furo de sondagem26 e retorna para o poço de lama 32 através de uma linha de retorno 35. Ofluido de perfuração atua para lubrificar a broca de perfuração 50 e para car-regar recortes ou aparas do furo de sondagem para longe da broca de perfu-ração 50. Um sensor Si preferivelmente colocado na linha 38 fornece infor-mação a respeito da vazão de fluido. Um sensor de torque de superfície S2 eum sensor S3 associado com a coluna de perfuração 20 fornecem, respecti-vamente, informação a respeito do torque e velocidade de rotação da colunade perfuração. Adicionalmente um sensor (não mostrado) associado com alinha 29 é utilizado para fornecer a carga do gancho da coluna de perfuração 20.

Em uma modalidade da invenção, a broca de perfuração 50 égirada somente girando o tubo de perfuração 22. Em uma outra modalidadeda invenção um motor furo abaixo 55 (motor de lama) é colocado no conjun-to de perfuração 90 para girar a broca de perfuração 50 e o tubo de perfura-ção 22 é girado usualmente para suplementar a energia de rotação, se re-querido, e para efetuar mudanças na direção de perfuração.

Na modalidade da figura 1, o motor de lama 55 é acoplado àbroca de perfuração 50 através de um eixo de acionamento (não mostrado)colocado em um conjunto mancai 57. O motor de lama gira à broca de perfu-ração 50 quando o fluido de perfuração 31 atravessa o motor de lama 55 sobpressão. O conjunto mancai 57 suporta as forças radial e axial da broca deperfuração. Um estabilizador 58, acoplado ao conjunto mancai 57, atua co-mo um centralizador para a porção a mais inferior do conjunto motor de lama.

Voltando agora para a figura 2, uma configuração tomada comoexemplo dos diversos componentes do sub-sensor de medição de resistivi-dade está mostrada. Na extremidade superior um "sub" transversal modular101 é fornecido. A energia e eletrônica de processamento são indicados por103. O sub é dotado de um estabilizador 107 e uma porta de armazenamen-to de dados pode ser fornecida em 105. Um sensor de resistividade, discuti-do mais abaixo, é fornecido em 109 com o sensor de eletrônica de mediçãoem 113. Conexões modulares 115 são fornecidas em ambas as extremida-des do sub que possibilitam ao sub fazer parte do conjunto de perfuração defundo do furo. Um sensor de orientação 111 é fornecido para medir o ânguloda face da ferramenta do conjunto sensor durante rotação continuada. Dife-rentes tipos de sensores de orientação podem ser utilizados, que incluemmagnetômetros, acelerômetros ou giroscópios. A utilização de tais dispositi-vos para determinação do ângulo da face da ferramenta é reconhecida natécnica e não é mais discutida aqui.

O estabilizador mostrado em 107 serve para diversas funções.

Como estabilizadores convencionais, uma função é reduzir oscilações e vi-brações do conjunto sensor. Contudo, no contexto da presente invenção eletambém serve a uma outra função importante, a saber, centralizar a porçãodo conjunto de fundo de furo ("BHA") que inclui um conjunto sensor, e tam-bém manter os sensores com um espaço especificado a partir da parede dofuro de sondagem. Isto não está visível na figura 2, porém o diâmetro exter-no do estabilizador é maior do que o diâmetro externo da porção do BHAque inclui o sensor de resistividade. Como resultado desta diferença em di-âmetro, o sensor de resistividade é mantido com um espaçamento a partirda parede do furo de sondagem durante rotação continuada da coluna deperfuração.

A presente invenção fornece uma técnica alternativa para supe-rar o problema de impedâncias de contato na determinação de resistividadede informações geológicas. A invenção utiliza somente um eletrodo adicional(chamado "eletrodo de blindagem") ao invés de dois eletrodos de monitora-mento, e utiliza um mecanismo de controle diferente. Com este método oefeito de focalização será melhorado comparado à aplicação da técnica deeletrodo de monitoramento convencional.

A figura 3 é uma ilustração esquemática de uma modalidade dainvenção. Existe um eletrodo de blindagem 123 localizado entre o eletrodode medição 121 e o eletrodo de proteção 125. Se o campo dentro da lamaou formação não é ideal (ver Fundamento da Invenção), um fluxo de corren-te terá lugar dentro do eletrodo de blindagem. O eletrodo de blindagem éconectado ao eletrodo de medição através de um medidor de corrente A1que transmite o valor da corrente medida 131 para um controlador 133. Ocontrolador ajusta a fonte de voltagem 135 até que a corrente através doamperímetro A1 desapareça. Esta condição conduz ao resultado que corren-te que penetra no eletrodo de blindagem tem que deixá-lo sem influenciar aeletrônica de medição. Uma vez que o eletrodo de medição deve ser circun-dado pelo eletrodo de blindagem, o potencial no eletrodo de proteção nãopode ser mais elevado do que, mais baixo do que, ou igual ao eletrodo demedição para preencher as condições de nenhuma corrente atravessar A1.

Assim, corrente a partir do eletrodo de proteção penetra no eletrodo de blin-dagem e deve deixá-lo para o interior da lama ou da formação, uma vez queo potencial entre o eletrodo de medição e de blindagem é zero (compararcom a figura 4). Este efeito conduz a uma focalização avançada.

Fazendo referência agora à figura 4, que é um circuito equiva-lente ao arranjo da figura 3, um eletrodo de medição M é fornecido com oeletrodo de proteção G. O eletrodo de proteção focaliza a corrente de medi-ção para a formação. Na figura 4, X indica uma localização dentro da lamaalém da camada de impedância adjacente ao eletrodo de blindagem S. Ui eUg são voltagens aplicadas a partir de uma ou mais fontes de energia. Rm éa resistência do eletrodo de medição. Rms é a resistência da conexão de Mpara S. Zm, Zs e Zq são as impedâncias de contato relacionadas ao eletrodode medição M, ao eletrodo de blindagem S e ao eletrodo de proteção G.Rmudi, e Rmud2 são resistências de lama. Ram, Ras e Rag são resistênciasaparentes de formação para o eletrodo de medição, o eletrodo de blindageme o eletrodo de proteção, respectivamente. O retorno R está indicada pelosímbolo terra na figura 4.

Medições de resistividade são realizadas pelo procedimento aseguir. Uma voltagem Ug será aplicada no eletrodo de proteção G. A corren-te Ims entre o eletrodo de proteção e o eletrodo de blindagem é medida. Avoltagem Umg é controlada (por exemplo, por meio de avaliar a voltagem doUi) até que a corrente Ims vá para zero. Uma vez que Ims é zero, a diferençade potencial entre M e o ponto X na lama desaparece e, portanto, nenhumsaldo de fluxo de corrente ocorre desde M para X, ou vice-versa. A somadas correntes desde M através de ZM e desde X através Rmudi irá escoaratravés de RAM. Devido a isto, o que se segue permanece, mesmo para im-pedâncias de contato desconhecidas e desiguais Zm, Zs e Zq.

(1) a corrente total que deixa M penetra na formação,

(2) nenhuma corrente direta de M para G pode ocorrer, e

(3) o efeito de focalização será mesmo melhor do que seria semimpedâncias de contato e exatamente o mesmo potencial em G e M.

A resistividade aparente é então calculada comopa = k. (Umo/Im)

onde k é uma constante que pode ser determinada por calibra-ção da ferramenta utilizando métodos conhecidos, Im é a corrente através doeletrodo de medição (Medidor de Corrente Rm) e Umo é a voltagem entre oeletrodo de medição e o potencial de retorno (referência).

Voltando agora para as figuras 5A-5C, diversos métodos deconseguir correntes zero entre o eletrodo de medição e o eletrodo de blinda-gem estão ilustrados. Na figura 5a, a fonte de voltagem 135 é controlada. Nafigura 5b a corrente a partir de uma fonte de corrente é controlada. Na figura5c uma impedância Zk é controlada, a qual varia a corrente através do ele-trodo de medição e de blindagem utilizando a diferença de potencial de UGnentre o eletrodo de proteção e o terra como fonte de suprimento.

Antes de discutir as figura 6a-6c, definimos o conceito básico deum eletrodo de medição blindado (SME). O SME compreende um eletrodode medição chato de forma arbitrária circundado por um isolamento que écircundado pelo eletrodo de blindagem. O eletrodo de blindagem também écircundado por isolamento. Os eletrodos poderiam ser operados pela eletrô-nica das figuras 5a-c mantendo constante o potencial de proteção.

Voltando agora para a figura 6a, um corpo de ferramenta 153que poderia ser ou um conjunto de fundo de furo ou um arranjo MWD ouuma ferramenta de registro transportada por linha de cabo, é mantida em umpotencial de retorno e equipada com um ou mais eletrodos de proteção par-ciais de forma arbitrária 151 a, 151 b e 151 c. Os eletrodos de proteção podemser operados em potenciais constantes diferentes. Cada eletrodo de prote-ção é equipado com um ou mais SMEs 155. O um ou mais SMEs poderiamser operados pela eletrônica das figuras 5a-5c em diferentes potenciais. Nocaso de utilizar ajustamento de impedância, os SMEs podem ser suprimidospor diversas impedâncias ajustáveis operadas paralelas utilizando a fonte devoltagem do eletrodo de proteção que acompanha. Cada um dos eletrodosde proteção parciais da figura 6a é circundado por um isolador 157 para iso-lar a proteção do retorno. O arranjo particular mostrado com eletrodos deproteção 151b é adequado para utilização de nervuras de um dispositivoMWD.

A diferença principal entre as figuras 6b e 6a é que na anterioreletrodos de proteção total 151a', 151b', 151c' são utilizados. O arranjo parti-cular mostrado com o eletrodo de proteção 151b1 é adequado para utilizaçãoem nervuras de um dispositivo MWD. A figura 6c mostra eletrodos de prote-ção na forma de calços que são estendidos a partir do corpo de ferramenta151 por elementos de extensão adequados (isolantes) 161.

Na figura 6d um corpo de ferramenta que é mantido em um po-tencial de retorno é equipado com diversos grupos de eletrodos anel. Cadagrupo consiste de um anel eletrodo de medição interno 201 que é circunda-do por dois anéis eletrodos de blindagem 203 que estão em curto. Os anéiseletrodos de blindagem são circundados por dois anéis eletrodos de prote-ção em curto 205. Os diferentes conjuntos de eletrodos de proteção em cur-to podem ser operados em diferentes potenciais constantes. Eletrodos demedição e de blindagem podem ser operados pela eletrônica das figuras 5a-5c em potenciais diferentes. Também é possível manter os eletrodos de me-dição em potenciais constantes diferentes, enquanto ajustando os potenciaisnos eletrodos de proteção.

A modalidade mostrada na figura 7 é similar àquela na figura 6d.Contudo, os pares de eletrodos de blindagem 203a, 203 b e os pares de ele-trodos de proteção 205a, 205b não estão em curto. Para operar esta modali-dade o esquema da figura 8 deveria ser utilizado. O eletrodo de medição deum grupo é mantido em um potencial constante. A corrente de blindagem doanel eletrodo de blindagem circundado pelo anel eletrodo de medição e pro-teção de cada lado é controlado para um mínimo ajustando o potencial noanel eletrodo de proteção adjacente. Este conjunto torna possível acionar osdois anéis eletrodos de proteção que circundam um eletrodo de medição emdiferentes potenciais utilizando dois eletrodos de blindagem operados sepa-radamente. Esta modalidade poderia ser utilizada para aprimorar focalizaçãoe resolução vertical em contrastes muito elevados de resistividade de formação.

As figuras 9a e 9b ilustram o cascateamento de eletrodos deblindagem e proteção com base em dois eletrodos de blindagem e dois ele-trodos de proteção. Um eletrodo de medição 301 é normalmente circundadopor um primeiro eletrodo de blindagem 303 que é, por sua vez, circundadopor um primeiro eletrodo de proteção 305. Este é estendido circundando oprimeiro eletrodo de proteção com um segundo eletrodo de blindagem 307.Desta maneira o primeiro eletrodo de proteção circundado pelo segundo ele-trodo de blindagem também poderia ser "blindado" como um eletrodo demedição. Continuando este princípio do blindar eletrodos de proteção inter-nos, o conjunto poderia agora ser descrito como um eletrodo de mediçãoque é circundado por um eletrodo de blindagem e n-pares de eletrodos deproteção e de blindagem. Todo o conjunto é acabado pelo eletrodo de prote-ção o mais externo 309. Na figura 9a, eletrodos chatos de forma arbitráriaestão ilustrados. Os eletrodos de blindagem e proteção são da mesma formaque o eletrodo de medição. O eletrodo de proteção externo 309 pode ser deforma diferente, e poderia ser um eletrodo de proteção parcial ou total. Nafigura 9b, eletrodos anel estão mostrados com curto adequado. 311 é o cor-po da ferramenta.

A figura 10 é uma ilustração esquemática do método de operaras modalidades das figuras 9a-b. O eletrodo de medição e de proteção in-ternos são operados como discutido acima. O eletrodo de proteção externo émantido em um potencial constante. Dependendo do número de pares deeletrodos de blindagem - proteção internos, os potenciais do eletrodo de pro-teção em cada eletrodo de proteção interno são controlados minimizando acorrente de blindagem do eletrodo de blindagem correspondente. Isto pode-ria ser conseguido utilizando fontes de voltagem ou corrente, bem como im-pedâncias ajustáveis. Onde impedâncias ajustáveis são utilizadas, elas po-dem ser conectadas em paralelo à fonte de voltagem de proteção ou casca-teadas a partir de um par de eletrodos até o próximo par de eletrodos.

As figuras 11a e 11b mostram uma comparação de uma configu-ração de eletrodos sem e com eletrodo de blindagem adicional. As ilustra-ções mostram o campo elétrico para um modelo que é assimétrico axialmen-te em relação à perpendicular dos eletrodos localizados no centro do eletro-do de medição. A figura 11a mostra linhas de campo elétrico de uma confi-guração de eletrodo convencional sob condições ideais (mesmo potencial noeletrodo de medição e de proteção e nenhuma impedância de contato). Oeletrodo de medição está indicado por 401 o eletrodo de proteção por 405 eo isolador por 403. Neste caso ou raio de resolução 453 do apoio dentro doqual a corrente do eletrodo de medição penetra na formação é substancial-mente o mesmo que o raio 451 do eletrodo de medição e metade da largurado isolador. A figura 11 b mostra linhas de campo elétrico de uma configura-ção de eletrodo que inclui um eletrodo de blindagem 505. O eletrodo de me-dição é indicado por 501. Os isoladores são indicados por 503 e 507. O po-tencial do eletrodo de proteção 509 é mantido ligeiramente mais elevado doque aquele do eletrodo de medição, preenchendo a condição de nenhumescoamento de corrente entre o eletrodo de medição e o de blindagem, demodo que uma parte da corrente de proteção que penetra no eletrodo deblindagem o deixa, passando para o interior da formação. O raio de resolu-ção 553 é menor do que o raio 551 do eletrodo de medição, resultando emmelhor focalização da corrente de medição.

A figura 12 é uma vista em perspectiva de uma plotagem em 3Ddo diâmetro de resolução como uma função do logaritmo de resistividade deformação e a distância entre uma ferramenta tomada como exemplo e aformação, para uma resistividade de lama de 00,2 Q-m. Um ponto importan-te a observar é que o raio de resolução é substancialmente independente daresistividade da formação. Adicionalmente, sobre uma faixa de espaçamen-tos reativamente grande (4 mm até 8) mm o diâmetro de resolução é subs-tancialmente constante, e com um valor de menos do que 4,4 mm, menor doque o diâmetro do eletrodo de medição (5,08 mm). Plotagens para outrosvalores de resistividade de lama (não mostrado) apresentam comportamentosimilar.

A figura 13 é uma vista em perspectiva de uma plotagem em 3Ddo logaritmo da resistência aparente como uma função da distância de es-paçamento e o logaritmo da resistividade de formação para uma resistivida-de de lama de 0,02 Q-m. Dois pontos são dignos de observação. Primeiro eo mais importante, a resistência aparente quando medida pela ferramenta ésubstancialmente linear coma resistividade da formação. Em segundo lugar,a resistência aparente é substancialmente a mesma sobre uma ampla faixade espaçamentos (2 mm - 8 mm).

A figura 14 é uma plotagem similar à figura 13, porém para umaresistividade de lama de 0,2 ü-m. Novamente é observado que a resistênciaaparente é substancialmente linear com a resistividade da formação e subs-tancialmente independente de espaçamento. Comparar a figura 14 com afigura 13 mostra que a resistência aparente não parece ser afetada de ma-neira notável pela resistividade da lama.

Voltando agora para a figura 15, uma plotagem similar à figura13 está mostrada para uma resistividade de lama de 2 Q-m. Novamente, aresistência aparente é substancialmente linear com a resistividade da forma-ção substancialmente independente de espaçamento e não afetada de ma-neira notável por resistividade da lama.

Em uma modalidade da invenção curvas de calibração adequa-das são fornecidas, as quais relacionam a resistência aparente e a resistivi-dade da formação para diferentes valores de resistividade da lama. A resisti-vidade da lama pode ser conhecida antes ou pode ser medida no local utili-zando um dispositivo adequado, tal como aquele divulgado na US 6.801.039a Fabris e outros, que tem ou mesmo consignatário que a presente inven-ção, e cujo conteúdo é aqui completamente incorporado para referência.

Com o aparelho é método da presente invenção uma imagem deresistividade pode ser obtida em um ambiente MWD utilizando medições deorientação por meio de um sensor de orientação adequado, tal como ummagnetômetro. Métodos de produzir tais imagens estão discutidos, por e-xemplo, na U.S. 6.173.793 a Thompson e outros, que tem o mesmo consig-natário que a presente invenção, e cujo conteúdo é aqui incorporado parareferência.

O processamento dos dados pode ser feito por meio de um pro-cessador furo abaixo para fornecer medições corrigidas substancialmenteem tempo real. Alternativamente, as medições poderiam ser registradas furoabaixo, recuperadas quando a coluna de perfuração e movimentada, e pro-cessadas utilizando um processador na superfície. Está implícita no controlede processamento dos dados a utilização de um programa de computadorem um meio legível por máquina o qual possibilita ao processador realizar ocontrole de processamento. O meio legível por máquina pode incluir ROMs,EPROMs, EEPROMs, memórias voláteis e discos óticos.

Embora a divulgação que precede seja orientada para as moda-lidades preferenciais da invenção, diversas modificações serão evidentesàqueles versados na técnica. É intenção que todas as variações dentro doescopo e espírito das reivindicações anexas sejam abrangidas pela divulga-ção que precede.

Claims

1. Aparelho para determinar um parâmetro resistividade de umaformação de terra, o aparelho compreendendo:(a) uma ferramenta de registro em um furo de sondagem na for-mação de terra, a ferramenta de registro tendp no mínimo um eletrodo demedição que transporta uma corrente de medição para o interior da forma-ção de terra;(b) no mínimo um eletrodo de proteção associado com o no mí-nimo um eletrodo de medição, que focaliza a corrente de medição;(c) um que eletrodo de blindagem interposto entre o no mínimoum eletrodo de proteção e o no mínimo um eletrodo de medição; e(d) circuitos que minimizam um fluxo de corrente entre o no mí-nimo um eletrodo de medição e o eletrodo de blindagem.

2. Aparelho da reivindicação 1, no qual os circuitos incluem umprocessador que altera no mínimo um dentre (i) um potencial do no mínimoum eletrodo de medição; (ii) uma corrente suprida para o no mínimo um ele-trodo de medição, e (iii) uma impedância entre o no mínimo um eletrodo deproteção e o no mínimo um eletrodo de medição, e (iv) um potencial do nomínimo um eletrodo de proteção.

3. Aparelho da reivindicação 1, que ainda compreende um pro-cessador que determina a partir da corrente de medição e um potencial deno mínimo um dentre (i) o eletrodo de proteção, e (ii) o eletrodo de mediçãouma resistência aparente relacionada ao parâmetro resistividade.

4. Aparelho da reivindicação 3, no qual o processador determinaa resistência aparente utilizando a relação da forma:Pa = k. (Umg/Im)onde pa é a resistividade aparente e k é um fator de calibração,Umg é a voltagem de no mínimo um dentre (i) a proteção e (ii) o eletrodo demedição em relação a um potencial de referência, e lM é a corrente de medição.

5. Aparelho da reivindicação 4, no qual o parâmetro de interessecompreende uma resistividade de formação e no qual o processador aindadetermina a resistividade de formação a partir da resistência aparente.

6. Aparelho da reivindicação 3, no qual a resistência aparentedeterminada é substancialmente independente de nò mínimo um dentre (i)um espaçamento da ferramenta de registro e (ii) uma resistividade de umfluido no furo de sondagem.

7. Aparelho da reivindicação 1, no qual existe um espaçamentoentre cerca de 2 mm e cerca de 10 mm entre a ferramenta de registro e aparede do furo de sondagem.

8. Aparelho da reivindicação 1, ainda compreendendo um dispo-sitivo de transporte que transporta a ferramenta de registro para o interior dofuro de sondagem, o dispositivo de transporte sendo selecionado dentre ogrupo que consiste de (i) um tubular de perfuração com um conjunto de fun-do de furo que carrega a ferramenta de registro e, (ii) uma linha de cabo.

9. Aparelho da reivindicação 1, ainda compreendendo um sensorde orientação que fornece uma saída indicativa de um ângulo de orientaçãoda ferramenta de registro, o aparelho incluindo um processador que repro-duz uma imagem de resistividade da formação utilizando uma saída do sen-sor de orientação.

10. Aparelho da reivindicação 1, no qual uma dimensão do nomínimo um eletrodo de medição é maior do que uma dimensão da correntede medição em uma parede do furo de sondagem.

11. Aparelho da reivindicação 1, no qual o no mínimo um eletro-do de blindagem ainda compreende no mínimo um segundo eletrodo deblindagem que circunda o no mínimo um eletrodo de proteção.

12. Aparelho da reivindicação 1, ainda compreendendo isolado-res posicionados entre (i) o no mínimo um eletrodo de medição e o eletrodode blindagem, e (ii) o eletrodo de blindagem e o no mínimo um eletrodo deproteção.

13. Aparelho da reivindicação 2, no qual o processador está emuma de (i) uma localização de superfície, e (ii) uma localização furo abaixo.

14. Aparelho da reivindicação 1, no qual o no mínimo um eletro-do de medição, o eletrodo de blindagem e o no mínimo um eletrodo de pro-teção compreendem eletrodos anel.

15. Método de determinar um parâmetro resistividade de umaformação de terra, o método compreendendo:(a) transportar uma corrente de medição para o interior da for-mação de terra utilizando um eletrodo de medição em uma ferramenta deregistro na formação de terra;(b) focalizar a corrente de medição utilizando um eletrodo deproteção na ferramenta de registro;(c) blindar o eletrodo de medição do eletrodo de proteção; e(d) minimizar um fluxo de corrente entre o eletrodo de medição eo eletrodo de blindagem.

16. Método da reivindicação 15, no qual minimizar o fluxo de cor-rente ainda compreende no mínimo um de (i) alterar um potencial do eletro-do de medição; (ii) alterar uma corrente suprida para o eletrodo de medição,(iii) alterar uma impedância entre o eletrodo de proteção e o eletrodo de me-dição, e (iv) alterar um potencial do eletrodo de proteção.

17. Método da reivindicação 15, ainda compreendendo determi-nar a partir da corrente de medição e um potencial de no mínimo um de (i) oeletrodo de proteção e (ii) o eletrodo de medição uma resistência aparenterelacionada ao parâmetro resistividade.

18. Método da reivindicação 15, no qual no qual determinar aresistência aparente ainda compreende utilizar uma relação da forma:pa = k. (Umg/Im)onde pa é a resistividade aparente e k é um fator de calibração,Umg é a voltagem de no mínimo um dentre (i) a proteção e (ii) o eletrodo demedição em relação a um potencial de referência, e Im é a corrente de medição.

19. Método da reivindicação 17, no qual o parâmetro resistivida-de compreende uma resistividade de formação determinada a partir da resis-tência aparente.

20. Método da reivindicação 17, no qual a resistência aparentedeterminada é substancialmente independente de no mínimo um dentre (i)um espaçamento da ferramenta de registro e (ii) uma resistividade de umfluido no furo de sondagem.

21. Método da reivindicação 15, ainda compreendendo transpor-tar a ferramenta de registro para o interior do furo de sondagem em um den-tre (i) um tubular de perfuração com um conjunto de fundo de furo que car-rega a ferramenta de registro e (ii) uma linha de cabo.

22. Método da reivindicação 15, ainda compreendendo produziruma imagem de resistividade da formação utilizando medições de orienta-ção.

23. Meio legível por computador para utilização com uma ferra-menta de registro utilizada em um furo de sondagem em uma formação deterra, a ferramenta de registro compreendendo:(a) um eletrodo de medição que transporta uma corrente de me-dição para o interior da formação de terra;(b) um eletrodo de proteção que focaliza a corrente de medição;e(c) um eletrodo de blindagem posicionado entre o eletrodo deproteção e o eletrodo de medição,o meio compreendendo instruções que possibilitam:(d) minimizar um fluxo de corrente entre o eletrodo de medição eo eletrodo de blindagem; e(e) a determinação de uma resistência aparente a partir de umpotencial do eletrodo de proteção ou do eletrodo de medição e a corrente demedição.

24. Meio da reivindicação 23, selecionado dentre o grupo queconsiste de (i) um ROM, (ii) uma EPROM, (iii) uma EAROM, (iv) uma memó-ria flash e (v) um disco ótico.