BRPI0610597B1 - Method and apparatus for improved current focusing on galvanic resistivity measurement tools - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E APARELHO PARA FOCAUZAÇÃO MELHORADA DE CORRENTE EM FERRAMENTAS DE MEDIÇÃO DE RESISTIVIDADE GALVÂNICA".

Antecedentes da Invenção 1. Campo da Invenção A presente invenção refere-se a registro de poço. Em particular, a presente invenção é um aparelho e método para determinar a resistividade de informações de subsuperfícíe utilizando métodos elétricos. 2. Antecedentes da Técnica Em ferramentas convencionais de medição de resistividade gal-vânica que utilizam uma técnica de focalização, um eletrodo de proteção emite corrente para conduzir o feixe de corrente de um eletrodo de medição mais profundamente para o interior de um material condutor. A resistividade do material é determinada por meio de registro de corrente e voltagem de eletrodo de medição. O potencial de acionamento no eletrodo de proteção e de medição deve ser exatamente o mesmo para evitar perturbações do campo elétrico ideal, o que assegura que o efeito de focalização ocorra. Diferenças mais elevadas de potencial de acionamento podem conduzir a correntes do eletrodo de proteção para o eletrodo de medição, ou vice-versa, que passam o fluido do furo de sondagem ao redor da ferramenta, o que poderia destruir completamente o efeito de focalização e conduzir a erros de medição elevados caso não consideradas. Em geral, o efeito de focalização irá conduzir a uma corrente elétrica com uma profundidade de penetração mais elevada comparada com aquela sem focalização.

Birdwell (Patente U.S. 3.365.658) ensina a utilização de um eletrodo focalizado para a determinação da resistividade de formações de sub-superfície. Uma corrente de pesquisa é emitida a partir de um eletrodo central de pesquisa para formações de terra adjacentes. Esta corrente de pesquisa é focalizada em um feixe de corrente relativamente estreito para fora do furo de sondagem, utilizando uma corrente de focalização emitida a partir de eletrodos de focalização próximos, localizados adjacentes ao eletrodo de pesquisa e de cada lado dele. Ajam e outros (Patente U.S. 4.122.387) des- crever um aparelho no qual registros simultâneos podem ser feitos em diferentes distâncias laterais através de uma formação a partir de um furo de sondagem, por meio de sistemas de eletrodo de proteção localizados em uma sonda que é abaixada para o interior do furo de sondagem por meio de um cabo de registro. Um único oscilador controla a frequência de duas correntes de formação que escoam através da formação nas profundidades laterais diferentes desejadas a partir do furo de sondagem. A armadura do cabo de registro atua como o retorno de corrente para um dos sistemas de eletrodo de proteção, e um eletrodo de cabo em um conjunto de eletrodo de cabo imediatamente acima da sonda de registro atua como o retorno de corrente para o segundo sistema de eletrodo de proteção. Duas modalidades também são descritas para medir voltagens de referência entre eletrodos no conjunto de eletrodo de cabo e nos sistemas de eletrodo de proteção. Técnicas para investigar a formação de terra com sistemas de eletrodos de medição foram propostas. Ver, por exemplo, a Patente U.S. Número 2.930.969 a Baker, a Patente Canadense Número 685.727 a Mann e outros, a Patente U.S. Número 4.468.623 a Gianzero, e a Patente U.S. Número 5.502.686 a Dorye outros, A Patente de Baker propunha uma pluralidade de eletrodos, cada um dos quais era formado de botões que são unidos eletricamente por meio de fios flexíveis com botões e fios embutidos na superfície de um tubo dobrável. A Patente de Mann propõe um sistema de pequenos botões de eletrodo ou montados em uma ferramenta ou um calço e cada um dos quais introduz em seqüência uma corrente de pesquisa mensurável separadamente para uma investigação elétrica da formação de terra. Os botões de eletrodo são colocados em um plano horizontal com espaçamentos circunferenciais entre eletrodos, e um dispositivo para excitar e medir em seqüência uma corrente de pesquisa a partir do eletrodo é descrito. A Patente de Gianzero descreve calços montados na ferramenta, cada um dos quais com uma pluralidade de pequenos eletrodos de medição a partir dos quais correntes de pesquisa mensuráveis individualmente são injetadas no sentido da parede do furo de sondagem. Os eletrodos de medição são arranjados em um sistema no qual os eletrodos de medição são colocados de tal forma a intervalos ao longo de no mínimo uma direção circunferencial (ao redor do eixo do furo de sondagem), de modo a injetar correntes de pesquisa para o interior de segmentos da parede do furo de sondagem com superposição uma com a outra, até uma extensão predeterminada, quando a ferramenta é movida ao longo do furo de sondagem. Os eletrodos de medição são feitos pequenos para possibilitar uma investigação elétrica detalhada sobre um segmento circunferencialmente contíguo ao furo de sondagem, de modo a obter indicações da estratigrafia da formação junto à parede do furo de sondagem, bem como a fraturas e suas orientações. Em uma técnica, um arranjo em loop espacialmente fechado de eletrodos de medição é fornecido ao redor de um eletrodo central, com o sistema utilizado para detectar o padrão espacial de energia elétrica injetada pelo eletrodo central. Em uma outra modalidade, um sistema linear de eletrodos de medição é fornecido para injetar um fluxo de corrente para o interior da formação sobre um segmento circunferencialmente efetivamente contíguo ao furo de sondagem. Porções discretas do fluxo de corrente são mensuráveis separadamente, de modo a obter uma pluralidade de sinais de pesquisa representativos da densidade de corrente a partir do sistema, e a partir dos quais uma imagem elétrica detalhada de um segmento circunferencialmente contínuo da parede do furo de sondagem pode ser derivada quando a ferramenta é movida ao longo do furo de sondagem. Em uma outra forma de um sistema de eletrodos de medição, eles são arranjados em uma malha fechada, tal como um círculo, para possibilitar medições diretas de orientações de resis-tividade de anomalias. A Patente de Dory descreve a utilização de um sensor acústico em combinação com eletrodos montados em calço, a utilização dos sensores acústicos tornando possível encher os espaços na imagem obtida utilizando eletrodos montados em calço devido ao fato de que em furos de sondagem de grande diâmetro os calços não irão necessariamente fornecer uma cobertura completa 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 a corrente escoa para o interior ou a partir de um eletrodo, uma diferença entre o potencial imediatamente fora e dentro do eletrodo será criada por meio da camada de impedância. Impedâncias de contato são altamente variáveis e não lineares. Elas dependem principalmente do material do eletrodo, propriedades eletroquímicas do fluido, densidade de corrente e freqüência das voltagens aplicadas. Em ambientes naturais, a formação é enchida com um fluido cuja composição química não é completamente controlável, e é quase impossível predizer exatamente impedâncias de contato para eletrodos de medição e de proteção. O efeito de focalização será enfraquecido ou danificado sempre que os potenciais de eletrodos de proteção e medição além da camada de impedância se tornarem diferentes. Esta diferença podería fazer uma corrente escoar através da lama entre os eletrodos. A impedância de contato tem assim, no mínimo, impacto significativo na resolução da medição. A U.S. 6.373.254 a Dior) e outros, descreve um método e aparelho para controlar o efeito de impedância de contato em uma medição de resistividade de formação durante uma operação de registrar ao perfurar. O controle da impedância de contato é realizado mantendo uma diferença substancialmente zero em potencial entre dois eletrodos de monitoramento posicionados na ferramenta de registro de resistividade junto a um eletrodo de corrente.

Outros discutiram a utilização de eletrodos de monitoramento para aplicações com linha de cabo. Ver, por exemplo, Davies e outros (SPE 24.676), Evans e outros (U.S. 6.025.722), Seeman (U.S. 5.396.175), Smitse outros (SPE 30584), e Scholberg (U.S. 3.772.589). A técnica de eletrodo de monitoramento utiliza dois eletrodos adicionais (chamados eletrodos de monitoramento) localizados entre o eletrodo de medição e de proteção para observar uma possível diferença de potencial. O potencial no eletrodo de medição ou de proteção é ajustado por meio de um circuito de controle para manter a voltagem entre os eletrodos de monitoramento idealmente em zero. Os eletrodos de monitoramento não emitem corrente e são, portanto, admiti- dos não serem afetados por impedâncias de contato. A partir da queda de voltagem mínima entre os eletrodos de monitoramento é concluído que a diferença de potencial entre cada um dos eletrodos de proteção e de medição além da camada de impedância imediatamente fora do eletrodo é zero. O problema de impedâncias de contato durante aplicações de registrar ao perfurar/medir ao perfurar (LWD/MWD) difere daquele de aplicações com linha de cabo devido à tensão mecânica significativamente mais elevada da ferramenta de medição durante a operação. Os requisitos mecânicos de um eletrodo em ferramentas LWD/MWD requerem que espaços de isolamento no eletrodo sejam pequenos comparados aos espaços de isolamento em ferramentas lateroperfil. Portanto, a resposta de ferramentas de resistividade LWD/MWD é diferente de suas contrapartidas de linha de cabo. Bonner e outros (U.S. 5.339.037 ensinam um dispositivo MWD no qual um eletrodo eletricamente isolado mede voltagens que resultam de excitação de dois transmissores espaçados separados. Simultaneamente, correntes de monitoramento são medidas. A resistividade é obtida a partir dos valores de voltagens e corrente de monitoramento. Bonner não enfrenta o aspecto de impedâncias de contato.

Evans e outros (U.S. 6.348.796) descrevem um método para aprimorar a tecnologia de focalização convencional utilizando três eletrodos que são operados em diferentes potenciais. O eletrodo de corrente que é operado em um potencial médio é circundado por um outro eletrodo com um potencial alguns microvolts mais baixos. Um outro eletrodo ao redor destes ambos eletrodos é acionado a alguns microvolts mais elevados do que o eletrodo de corrente. O aspecto de impedâncias de contato não é enfrentado em Evans.

Seria desejável ter um aparelho e método para fornecer tecnologia de focalização aprimorada combinada com a capacidade de ser substancialmente independente de impedâncias de contato, bem como mudanças de resistividade do ambiente. Também seria preferível que o aparelho pudesse ser utilizado por operações MWD bem como operações com fio. A presente invenção satisfaz esta necessidade.

Sumário da Invenção Uma modalidade da invenção é um aparelho para determinar um parâmetro de resistividade de uma formação de terra. O aparelho inclui uma ferramenta de registro em um furo de sondagem na formação de terra. A ferramenta de registro tem, no mínimo um, eletrodo de medição que transporta uma corrente de medição para o interior da formação de terra. No mínimo um eletrodo de proteção associado com o, no mínimo um, eletrodo de medição focaliza a corrente de medição. Um eletrodo de blindagem é interposto entre o, no mínimo um, eletrodo de proteção e o, no mínimo um, eletrodo de medição. O aparelho inclui circuitos que minimizam um fluxo de corrente entre o, no mínimo um, eletrodo de medição e o eletrodo de blindagem. Os circuitos podem incluir um processador que altera um potencial do, no mínimo um, eletrodo de medição, uma corrente suprida para o, no mínimo um, eletrodo de medição, uma impedância entre o, no mínimo um, eletrodo de proteção e o, no mínimo um, eletrodo de medição, e/ou um potencial do, no mínimo um, eletrodo de proteção. Um processador pode determinar a partir da corrente de medição e um potencial do eletrodo de proteção e/ou do eletrodo de medição uma resistência aparente relacionada ao parâmetro de resistividade. A resistividade da formação pode ser derivada da resistência aparente. A resistência aparente determinada é substancialmente independente de um espaçamento da ferramenta de registro e/ou de uma resistividade de um fluido no furo de sondagem. O aparelho pode incluir um dispositivo de transporte tal como um fio ou um tubular de perfuração. Um sensor de orientação pode ser fornecido, a saída do sensor de orientação sendo utilizada para fornecer uma imagem de resistividade do furo de sondagem. Um eletrodo de blindagem adicional pode ser fornecido fora do eletrodo de proteção. O processador pode estar em uma localização de superfície ou uma localização furo abaixo. O eletrodo de medição, o eletrodo de blindagem e o eletrodo de proteção podem ser conformados em anel.

Uma outra modalidade da invenção é um método de determinar um parâmetro de resistividade de uma formação de terra. Uma corrente de medição é transportada para o interior da formação de terra utilizando um eletrodo de medição em uma ferramenta de registro na formação de terra. A corrente de medição é focalizada utilizando um eletrodo de proteção na ferramenta de registro. O eletrodo de medição é blindado do eletrodo de proteção. Um fluxo de corrente entre o eletrodo de medição e o eletrodo de blindagem é minimizado. A minimização do fluxo de corrente pode ser feita alterando um potencial do eletrodo de medição, alterando uma corrente suprida para o eletrodo de medição, alterando uma impedância entre o eletrodo de proteção e o eletrodo de medição e/ou alterando um potencial do eletrodo de proteção. Uma resistência aparente relacionada ao parâmetro de resistivida-de pode ser determinada a partir da corrente de medição e um potencial do eletrodo de proteção ou eletrodo de medição. A resistência aparente determinada é substancialmente independente de um espaçamento da ferramenta de registro, e/ou uma resistividade de um fluido no furo de sondagem. A ferramenta de registro pode ser transportada para o interior do furo de sondagem em um tubular de perfuração com um conjunto de furo de fundo que carrega a ferramenta de registro ou em uma linha de cabo. Uma imagem de resistividade do furo de sondagem pode ser produzida.

Uma outra modalidade da invenção é um meio legível por computador para utilização com uma ferramenta de registro utilizada em um furo de sondagem em uma formação de terra. A ferramenta de registro inclui um eletrodo de medição que transporta uma corrente de medição para o interior da formação de terra e um eletrodo de proteção que focaliza a corrente de medição. A ferramenta de registro também tem eletrodo de blindagem posicionado entre o eletrodo de proteção e o eletrodo de medição. O meio inclui instruções que possibilitam minimizar um fluxo de corrente entre o eletrodo de medição e o eletrodo de blindagem, e a determinação de uma resistência aparente a partir da corrente de medição e um potencial do eletrodo de proteção ou de medição.

Breve Descrição das Figuras i Acredita-se que os aspectos inovadores sejam característicos da invenção, tanto quanto à organização e métodos de operação, juntamente com os objetivos e vantagens dela, serão melhor entendidos a partir da des- crição detalhada a seguir e dos desenhos nos quais a invenção está ilustrada 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 esquemática de um sistema de perfuração; A figura 2 (Técnica Precedente) é uma configuração tomada como exemplo dos diversos componentes de um subssensor de medição de resistividade; A figura 3 é uma ilustração esquemática de configurações de eletrodo para a presente invenção; A figura 4 mostra um circuito equivalente à configuração de eletrodo da figura 3;

As figuras 5a-5c ilustram modalidades da invenção nas quais o controle da corrente de blindagem é conseguido ao (a) ajustar uma fonte de voltagem, (b) ajustar uma fonte de corrente, e (c) ajustar uma resistência complexa;

As figuras 6a-6d ilustram diferentes arranjos por meio dos quais a configuração de eletrodo da figura 3 pode ser conseguida; A figura 7 ilustra a configuração de eletrodo de uma modalidade alternativa da invenção; A figura 8 é um diagrama esquemático para operar a modalidade da figura 7;

As figuras 9a, 9b ilustram o cascateamento de eletrodos de proteção; A figura 10 ilustra um diagrama esquemático para a operação da configuração de eletrodo da figura 9a-b;

As figuras 11a-b mostram uma comparação do campo elétrico para um dispositivo da técnica precedente e um dispositivo de acordo com a presente invenção; A figura 12 é uma plotagem do raio de resolução para um dispositivo de acordo com a presente invenção como uma função de espaçamento de ferramenta e resistividade de formação para uma resistividade de lama de 0,02 Ω-m; A figura 13 é uma plotagem da resistência aparente para um dispositivo de acordo com a presente invenção como uma função de espaçamento da ferramenta e resistividade de formação para uma resistividade de lama de 0,02 Ω-m; A figura 14 é uma plotagem da resistência aparente para um dispositivo de acordo com a presente invenção como uma função de espaçamento da ferramenta e resistividade de formação para uma resistividade de lama de 0,2 Ω-m; A figura 15 é uma plotagem da resistência aparente para um dispositivo de acordo com a presente invenção como uma função de espaçamento da ferramenta e resistividade de formação para uma resistividade de lama de 2 Ω-m;

Descrição Detalhada da Invenção A figura 1 mostra um diagrama esquemático de um sistema de perfuração 10 com uma coluna de perfuração 20 que carrega um conjunto de perfuração 90 (também referido como o conjunto de furo de fundo, ou "BHA") transportado em um "furo de poço” ou "furo de sondagem" 26 para perfurar o furo de poço. O sistema de perfuração 10 inclui uma torre de perfuração convencional 11 montada em um piso 12 que suporta uma mesa rotativa 14 que é girada por um movimentador primário tal como um motor elétrico (não mostrado) a uma velocidade de rotação desejada. A coluna de perfuração 20 inclui uma tubulação tal como um tubo de perfuração 22 ou uma 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 empurrada para o interior do furo de poço 26 quando um tubo de perfuração 22 é utilizado como a tubulação. Para aplicações de tubulação bobinada, um inje-tor de tubulação tal como um injetor (não mostrado) contudo é utilizado para movimentar a tubulação a partir de sua fonte, tal como um carretei (não mostrado) para o furo de poço 26. A broca de perfuração 50 ligada à extremidade da coluna de perfuração rompe as formações geológicas quando é girada para perfurar o furo de sondagem 26. Se um tubo de perfuração 22 for utili- zado, a coluna de perfuração 20 é acoplada a um guincho principal 30 através de uma junta Kelly 21, destorcedor 28 e linha 29 através de uma polia 23. Durante operações de perfuração o guincho principal 30 é operado para controlar o peso sobre a broca, o qual é um parâmetro importante que afeta a velocidade de penetração. A operação do guincho principal é bem-conhecida na técnica, e assim não será descrita aqui em detalhe.

Durante as operações de perfuração, um fluido de perfuração adequado 31, a partir de um poço de lama (fonte) 32 é circulado sob pressão através de um canal na coluna de perfuração 20 por meio de uma bomba de lama 34. O fluido de perfuração passa a partir da bomba de lama 34 para o interior da coluna de perfuração 20 através de um "desurger" 36, linha de fluido 28 e junta Kelly 21.0 fluido de perfuração 31 é descarregado no fundo do furo de sondagem 51 através de uma abertura na broca de perfuração 50.0 fluido de perfuração 31 circula furo acima através do espaço anelar 27 entre a coluna de perfuração 20 e o furo de sondagem 26 e retorna para o poço de lama 32 através de uma linha de retorno 35. O fluido de perfuração atua para lubrificar a broca de perfuração 50 e para carregar recortes ou a-paras do furo de sondagem para longe da broca de perfuração 50. Um sensor Si preferivelmente colocado na linha 38 fornece informação a respeito da vazão de fluido. Um sensor de torque de superfície S2 e um sensor S3 associado com a coluna de perfuração 20 fornecem, respectivamente, informação a respeito do torque e velocidade de rotação da coluna de perfuração. Adicionalmente, um sensor (não mostrado) associado com a linha 29 é utilizado para fornecer a carga do gancho da coluna de perfuração 20.

Em uma modalidade da invenção, a broca de perfuração 50 é girada somente girando o tubo de perfuração 22, Em uma outra modalidade da invenção, um motor furo abaixo 55 (motor de lama) é colocado no conjunto de perfuração 90 para girar a broca de perfuração 50 e o tubo de perfuração 22 é girado usualmente para suplementar a energia de rotação, se requerido, e para efetuar mudanças na direção de perfuração, Na modalidade da figura 1, o motor de lama 55 é acoplado à broca de perfuração 50 através de um eixo de acionamento (não mostrado) colocado em um conjunto de mancai 57. 0 motor de lama gira a broca de perfuração 50 quando o fluido de perfuração 31 atravessa o motor de lama 55 sob pressão. O conjunto de mancai 57 suporta as forças radial e axial da broca de perfuração. Um estabilizador 58, acoplado ao conjunto de mancai 57, atua como um centralizador para a porção a mais inferior do conjunto motor de lama.

Voltando agora para a figura 2, uma configuração tomada como exemplo dos diversos componentes do subssensor de medição de resistivi-dade está mostrada. Na extremidade superior, uma redução "sub“ transversal modular 101 é fornecida. A energia e eletrônica de processamento são indicadas por 103. O sub é dotado de um estabilizador 107 e uma porta de armazenamento de dados pode ser fornecida em 105. Um sensor de resisti-vidade (discutido mais abaixo), é fornecido em 109 com o sensor e eletrônica de medição em 113. Conexões modulares 115 são fornecidas em ambas as extremidades do sub que possibilitam ao sub fazer parte do conjunto de perfuração de fundo do furo. Um sensor de orientação 111 é fornecido para medir o ângulo da face da ferramenta do conjunto sensor durante rotação continuada. Diferentes tipos de sensores de orientação podem ser utilizados, que incluem magnetômetros, acelerômetros ou giroscópios. A utilização de tais dispositivos para determinação do ângulo da face da ferramenta é reconhecida na técnica e não é mais discutida aqui. O estabilizador mostrado em 107 serve para diversas funções. Como estabilizadores convencionais, uma função é reduzir oscilações e vibrações do conjunto sensor. Contudo, no contexto da presente invenção ele também serve a uma outra função importante, a saber, centralizar a porção do conjunto de furo de fundo ("BHA") que inclui um conjunto sensor, e também manter os sensores com um espaço especificado a partir da parede do furo de sondagem. Isto não está visível na figura 2, porém o diâmetro externo do estabilizador é maior do que o diâmetro externo da porção do BHA que inclui o sensor de resistividade. Como resultado desta diferença em diâmetro, o sensor de resistividade é mantido com um espaçamento a partir da parede do furo de sondagem durante rotação continuada da coluna de perfuração. A presente invenção fornece uma técnica alternativa para superar o problema de impedâncias de contato na determinação de resistividade de informações geológicas. A invenção utiliza somente um eletrodo adicional (chamado "eletrodo de blindagem") ao invés de dois eletrodos de monitoramento, e utiliza um mecanismo de controle diferente. Com este método o efeito de focalização será melhorado comparado à aplicação da técnica de eletrodo de monitoramento convencional. A figura 3 é uma ilustração esquemática de uma modalidade da invenção. Existe um eletrodo de blindagem 123 localizado entre o eletrodo de medição 121 e o eletrodo de proteção 125. Se o campo dentro da lama ou formação não é ideal (ver Antecedentes da Invenção), um fluxo de corrente terá lugar dentro do eletrodo de blindagem. O eletrodo de blindagem é conectado ao eletrodo de medição através de um medidor de corrente A1 que transmite o valor da corrente medida 131 para um controlador 133. O controlador ajusta a fonte de voltagem 135 até que a corrente através do amperímetro A1 desapareça. Esta condição conduz ao resultado que a corrente que penetra no eletrodo de blindagem tem que deixá-lo sem influenciar a eletrônica de medição. Uma vez que o eletrodo de medição deve ser circundado pelo eletrodo de blindagem, o potencial no eletrodo de proteção não pode ser mais elevado do que, mais baixo do que, ou igual ao eletrodo de medição para preencher as condições de nenhuma corrente atravessar A1. Assim, a corrente a partir do eletrodo de proteção penetra no eletrodo de blindagem e deve deixá-lo para o interior da lama ou da formação, uma vez que o potencial entre o eletrodo de medição e de blindagem é zero (comparar com a figura 4). Este efeito conduz a uma focalização avançada.

Fazendo referência agora à figura 4, que é um circuito equivalente ao arranjo da figura 3, um eletrodo de medição M é fornecido com o eletrodo de proteção G. O eletrodo de proteção focaliza a corrente de medição para a formação. Na figura 4, X indica uma localização dentro da lama além da camada de impedância adjacente ao eletrodo de blindagem S. Ui e Ug são voltagens aplicadas a partir de uma ou mais fontes de energia. Rm é a resistência do eletrodo de medição. Rms é a resistência da conexão de M para S. ZM, Zs e ZG são as impedâncias de contato relacionadas ao eletrodo de 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 resistências aparentes de formação para o eletrodo de medição, o eletrodo de blindagem e o eletrodo de proteção, respectivamente. O retorno R está indicado pelo símbolo terra na figura 4.

Medições de resistividade são realizadas pelo procedimento a seguir. Uma voltagem UG será aplicada no eletrodo de proteção G. A corrente Ims entre o eletrodo de proteção e o eletrodo de blindagem é medida. A voltagem Umg é controlada (por exemplo, ao variar a voltagem do Ui) até que a corrente Ims vá para zero. Uma vez que Ims é zero, a diferença de potencial entre Meo ponto X na lama desaparece e, portanto, nenhum saldo de fluxo de corrente ocorre desde M para X, ou vice-versa. A soma das correntes desde M através de Zm e desde X através Rmudi irá escoar através de RAm· Devido a isto, o que se segue permanece, mesmo para impedâncias de contato desconhecidas e desiguais ZM, Zs e ZG. (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 sem impedâncias de contato e exatamente o mesmo potencial em G e M. A resistividade aparente é então calculada como pa = k. (Umo/ !m ) onde k é uma constante que pode ser determinada por calibra-ção da ferramenta utilizando métodos conhecidos, Im é a corrente através do eletrodo de medição (Medidor de Corrente Rm) e Umo é a voltagem entre o eletrodo de medição e o potencial de retorno (referência).

Voltando agora para as figuras 5A-5C, diversos métodos de conseguir correntes zero entre o eletrodo de medição e o eletrodo de blindagem estão ilustrados. Na figura 5a, a fonte de voltagem 135 é controlada. Na figura 5b, a corrente a partir de uma fonte de corrente é controlada. Na figura 5c, 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 UGn entre o eletrodo de proteção e o terra como fonte de suprimento.

Antes de discutir as figuras 6a-6c, for definido o conceito básico de um eletrodo de medição blindado (SME). O SME compreende um eletrodo de medição chato de forma arbitrária circundado por um isolamento que é circundado pelo eletrodo de blindagem. O eletrodo de blindagem também é circundado por isolamento. Os eletrodos poderíam ser operados pela eletrônica das figuras 5a-c mantendo constante o potencial de proteção.

Voltando agora para a figura 6a, um corpo de ferramenta 153 que podería ser ou um conjunto de furo de fundo ou um arranjo MWD ou uma ferramenta de registro transportada por linha de cabo, é mantida em um potencial de retorno e equipada com um ou mais eletrodos de proteção parciais de forma arbitrária 151a, 151b e 151c. Os eletrodos de proteção podem ser operados em potenciais constantes diferentes. Cada eletrodo de proteção é equipado com um ou mais SMEs 155. O um ou mais SMEs poderíam ser operados pela eletrônica das figuras 5a-5c em diferentes potenciais. No caso de utilizar ajustamento de impedância, os SMEs podem ser suprimidos por diversas impedâncias ajustáveis operadas paralelas utilizando a fonte de voltagem do eletrodo de proteção que o acompanha. Cada um dos eletrodos de proteção parciais da figura 6a é circundado por um isolador 157 para isolar a proteção do retorno. O arranjo particular mostrado com eletrodos de proteção 151b é adequado para utilização de nervuras de um dispositivo MWD. ■ A diferença principal entre as figuras 6b e 6a é que na anterior, eletrodos de proteção total 151a1,151b', 151c' são utilizados. O arranjo particular mostrado com o eletrodo de proteção 151 b' é adequado para utilização em nervuras de um dispositivo MWD. A figura 6c mostra eletrodos de proteção na forma de calços que são estendidos a partir do corpo de ferramenta 151 por elementos de extensão adequados (isolantes) 161.

Na figura 6d um corpo de ferramenta que é mantido em um potencial de retorno é equipado com diversos grupos de eletrodos em anel. Cada grupo consiste em um anel eletrodo de medição interno 201 que é cir- cundado por dois anéis eletrodos de blindagem 203 que estão em curto. Os anéis eletrodos de blindagem são circundados por dois anéis eletrodos de proteção em curto 205. Os diferentes conjuntos de eletrodos de proteção em curto podem ser operados em diferentes potenciais constantes. Eletrodos de medição e de blindagem podem ser operados pela eletrônica das figuras 5a-5c em potenciais diferentes. Também é possível manter os eletrodos de medição em potenciais constantes diferentes, enquanto ajustando os potenciais nos 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 eletrodos de proteção 205a, 205b não estão em curto. Para operar esta modalidade, o esquema da figura 8 deveria ser utilizado. O eletrodo de medição de um grupo é mantido em um potencial constante. A corrente de blindagem do anel eletrodo de blindagem circundado pelo anel eletrodo de medição e proteção de cada lado é controlado para um mínimo ajustando o potencial no anel eletrodo de proteção adjacente. Este conjunto torna possível acionar os dois anéis eletrodos de proteção que circundam um eletrodo de medição em diferentes potenciais utilizando dois eletrodos de blindagem operados separadamente. Esta modalidade poderia ser utilizada para aprimorar a focaliza-ção e a resolução vertical em contrastes muito elevados de resistividade de formação, As figuras 9a e 9b ilustram o cascateamento de eletrodos de blindagem e proteção com base em dois eletrodos de blindagem e dois eletrodos de proteção. Um eletrodo de medição 301 é normalmente circundado por um primeiro eletrodo de blindagem 303 que é, por sua vez, circundado por um primeiro eletrodo de proteção 305. Este é estendido circundando o primeiro eletrodo de proteção com um segundo eletrodo de blindagem 307. Desta maneira, o primeiro eletrodo de proteção circundado pelo segundo eletrodo de blindagem também poderia ser “blindado" como um eletrodo de medição. Continuando este princípio do blindar eletrodos de proteção internos, o conjunto poderia agora ser descrito como um eletrodo de medição que é circundado por um eletrodo de blindagem e n-pares de eletrodos de proteção e de blindagem. Todo o conjunto é acabado pelo eletrodo de proteção externo 309. Na figura 9a, eletrodos chatos de forma arbitrária estão ilustrados, Os eletrodos de blindagem e proteção são da mesma forma que o eletrodo de medição. O eletrodo de proteção externo 309 pode ser de forma diferente, e podería ser um eletrodo de proteção parcial ou total. Na figura 9b, eletrodos em anel estão mostrados com curto adequado. 311 é o corpo da ferramenta. A figura 10 é uma ilustração esquemática do método de operar as modalidades das figuras 9a-b. O eletrodo de medição e de proteção internos são operados como discutido acima. O eletrodo de proteção externo é mantido em um potencial constante. Dependendo do número de pares de eletrodos de blindagem - proteção internos, os potenciais do eletrodo de proteção em cada eletrodo de proteção interno são controlados minimizando a corrente de blindagem do eletrodo de blindagem correspondente. Isto podería ser conseguido utilizando fontes de voltagem ou corrente, bem como im-pedâncias ajustáveis. Onde impedâncias ajustáveis são utilizadas, elas podem 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 configuração de eletrodos sem e com eletrodo de blindagem adicional. As ilustrações mostram o campo elétrico para um modelo que é assimétrico axialmen-te em relação à perpendicular dos eletrodos localizados no centro do eletrodo de medição. A figura 11 a mostra linhas de campo elétrico de uma configuração de eletrodo convencional sob condições ideais (mesmo potencial no eletrodo de medição e de proteção e nenhuma impedância de contato). O eletrodo de medição está indicado por 401, o eletrodo de proteção por 405 e o isolador por 403. Neste caso, o raio de resolução 453 (rato dentro do qual a corrente do eletrodo de medição penetra na formação) é substancialmente o mesmo que o raio 451 do eletrodo de medição e metade da largura do isolador. A figura 11 b mostra linhas de campo elétrico de uma configuração de eletrodo que inclui um eletrodo de blindagem 505. O eletrodo de medição é indicado por 501. Os isoladores são indicados por 503 e 507. O potencial do eletrodo de proteção 509 é mantido ligeiramente mais elevado do que aquele do eletrodo de medição, preenchendo a condição de nenhum escoamento de corrente entre o eletrodo de medição e o de blindagem, de modo que uma parte da corrente de proteção que penetra no eletrodo de blindagem o deixa, passando para o interior da formação. O raio de resolução 553 é menor do que o raio 551 do eletrodo de medição, resultando em melhor focali-zação da corrente de medição. A figura 12 é uma vista em perspectiva de uma plotagem em 3D do diâmetro de resolução como uma função do logaritmo de resístívidade de formação e a distância entre uma ferramenta tomada como exemplo e a formação, para uma resistividade de lama de 0,02 Ω-m. Um ponto importante a observar é que o raio de resolução é substancialmente independente da resistividade da formação. Adicionalmente, sobre uma faixa de espaçamentos relativamente grande (4 mm até 8 mm) o diâmetro de resolução é substancialmente constante, e com um valor de menos do que 4,4 mm, menor do que o diâmetro do eletrodo de medição (5,08 mm). Plotagens para outros valores de resistividade de lama (não mostrado) apresentam comportamento similar. A figura 13 é uma vista em perspectiva de uma plotagem em 3D do logaritmo da resistência aparente como uma função da distância de espaçamento e o logaritmo da resistividade de formação para uma resistividade de lama de 0,02 Ω-m. Dois pontos são dignos de observação. Primeiro e o mais importante, a resistência aparente quando medida pela ferramenta é substancialmente linear com a resistividade da formação. Em segundo lugar, a resistência aparente é substancialmente a mesma sobre uma ampla faixa de espaçamentos (2 mm - 8 mm). A figura 14 é uma plotagem similar à figura 13, porém para uma resistividade de lama de 0,2 Ω-m. Novamente, é observado que a resistência aparente é substancialmente linear com a resistividade da formação e substancialmente independente de espaçamento. Comparar a figura 14 com a figura 13 mostra que a resistência aparente não parece ser afetada de maneira notável pela resistividade da lama.

Voltando agora para a figura 15, uma plotagem similar à figura 13 está mostrada para uma resistividade de lama de 2 Ω-m. Novamente, a resistência aparente é substancialmente linear com a resistividade da formação substancialmente independente de espaçamento e não afetada de maneira notável por resistividade da lama.

Em uma modalidade da invenção, curvas de calibração adequadas são fornecidas, as quais relacionam a resistência aparente e a resistividade da formação para diferentes valores de resistividade da lama. A resistividade da lama pode ser conhecida antes ou pode ser medida no local utilizando um dispositivo adequado, tal como aquele descrito na US 6.801.039 a Fabris e outros, que tem o mesmo consignatário que a presente invenção, e cujo conteúdo é aqui completamente incorporado para referência.

Com o aparelho é método da presente invenção, uma imagem de resistividade pode ser obtida em um ambiente MWD utilizando medições de orientação por meio de um sensor de orientação adequado, tal como um magnetômetro. Métodos de produzir tais imagens estão discutidos, por exemplo, na U.S. 6.173,793 a Thompson e outros, que têm o mesmo consignatário que a presente invenção, e cujo conteúdo é aqui incorporado para referência. O processamento dos dados pode ser feito por meio de um processador furo abaixo para fornecer medições corrigidas substanciaimente em tempo real. Alternativamente, as medições poderíam ser registradas furo abaixo, recuperadas quando a coluna de perfuração é movimentada, e processadas utilizando um processador na superfície. Está implícita no controle de processamento dos dados a utilização de um programa de computador em um meio legível por máquina o qual possibilita ao processador realizar o controle de processamento. O meio legível por máquina pode incluir ROMs, EPROMs, EEPROMs, memórias voláteis e discos óticos.

Embora a descrição que precede seja orientada para as modalidades preferenciais da invenção, diversas modificações serão evidentes à-queles versados na técnica. É intenção que todas as variações dentro do escopo e espírito das reivindicações anexas sejam abrangidas pela descrição que precede.

REIVINDICAÇÕES

Claims (22)

1. Aparelho para determinar um parâmetro de resistividade de uma formação de terra, o aparelho compreendendo: (a) uma ferramenta de registro em um furo de sondagem na formação de terra, a ferramenta de registro tendo no mínimo um eletrodo de medição que transporta uma corrente de medição para o interior da formação de terra; (b) no mínimo um eletrodo de proteção, associado com o no mínimo um eletrodo de medição, que focaliza a corrente de medição; (c) um eletrodo de blindagem interposto entre o no mínimo um eletrodo de proteção e o no mínimo um eletrodo de medição; e (d) um sistema de circuitos que minimiza um fluxo de corrente entre o no mínimo um eletrodo de medição e o eletrodo de blindagem, o sistema de circuitos inclui um processador que altera no mínimo um entre (i) um potencial do no mínimo um eletrodo de medição, (ii) uma impedância entre o no mínimo um eletrodo de proteção e o no mínimo um eletrodo de medição e (iii) um potencial do no mínimo um eletrodo de proteção.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, adicionalmente compreendendo um processador que determina, a partir da corrente de medição e de um potencial de no mínimo um dentre (i) o eletrodo de proteção e (ii) o eletrodo de medição, uma resistência aparente relacionada com o parâmetro de resistividade.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, no qual o processador determina a resistência aparente utilizando uma relação da forma: Pa = k. (Umg/Im) onde pa é a resistividade aparente, k é um fator de calibração, Umg é a voltagem de no mínimo um dentre (i) o eletrodo de proteção e (ii) o eletrodo de medição em relação a um potencial de referência e lM é a corrente de medição.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, no qual o parâmetro de interesse compreende uma resistividade de formação e no qual o processador ainda determina a resistividade de formação a partir da resistência aparente.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, no qual a resistência aparente determinada é substancialmente independente de no mínimo um dentre (i) um espaçamento da ferramenta de registro e (ii) uma resis-tividade de um fluido no furo de sondagem.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, no qual existe um espaçamento entre cerca de 2 mm e cerca de 10 mm entre a ferramenta de registro e uma parede do furo de sondagem.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um dispositivo de transporte que transporta a ferramenta de registro para o interior do furo de sondagem, o dispositivo de transporte sendo selecionado a partir do grupo que consiste em (i) um tubular de perfuração com um conjunto de furo de fundo que carrega a ferramenta de registro e (ii) uma linha de cabo.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um sensor de orientação que fornece uma saída indicativa de um ângulo de orientação da ferramenta de registro, o aparelho incluindo um processador que produz uma imagem de resistividade da formação utilizando uma saída do sensor de orientação.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, no qual um tamanho do no mínimo um eletrodo de medição é maior do que um tamanho da corrente de medição em uma parede do furo de sondagem.

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, no qual o no mínimo um eletrodo de blindagem ainda compreende no mínimo um segundo eletrodo de blindagem que circunda o no mínimo um eletrodo de proteção.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo isoladores posicionados entre (i) o no mínimo um eletrodo de medição e o eletrodo de blindagem, e (ii) o eletrodo de blindagem e o no mínimo um eletrodo de proteção.

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, no qual o processador está em uma dentre (i) uma localização de superfície e (ii) uma localização de furo abaixo.

13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, no qual o no mínimo um eletrodo de medição, o eletrodo de blindagem e o no mínimo um eletrodo de proteção compreendem eletrodos em anel.

14. Método de determinar um parâmetro de resistividade de uma formação de terra, o método compreendendo as etapas de: (a) transportar uma corrente de medição para o interior da formação de terra utilizando um eletrodo de medição em uma ferramenta de registro na formação de terra; (b) focalizar a corrente de medição utilizando um eletrodo de proteção na ferramenta de registro; (c) blindar o eletrodo de medição a partir do eletrodo de proteção; e (d) minimizar um fluxo de corrente entre o eletrodo de medição e o eletrodo de blindagem por no mínimo um dentre (i) alterar um potencial do eletrodo de medição, (ii) alterar uma corrente fornecida ao eletrodo de medição, (iii) alterar uma impedância entre o eletrodo de proteção e o eletrodo de medição e (iv) alterar um potencial do eletrodo de proteção.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, ainda compreendendo a etapa de determinar, a partir da corrente de medição e de um potencial de no mínimo um dentre (i) o eletrodo de proteção e (ii) o eletrodo de medição, uma resistência aparente relacionada ao parâmetro de resistividade.

16. Método, de acordo com a reivindicação 14, no qual a etapa de determinar a resistência aparente ainda compreende utilizar uma relação da forma: pa = k. (Umg/Im) onde pa é a resistividade aparente, k é um fator de calibração, Umg é a voltagem de no mínimo um dentre (i) o eletrodo de proteção e (ii) o eletrodo de medição em relação a um potencial de referência e Im é a corrente de medição.

17. Método, de acordo com a reivindicação 15, no qual o parâmetro de resistividade compreende uma resistividade de formação determi- nada a partir da resistência aparente.

18. Método, de acordo com a reivindicação 15, no qual a resistência aparente determinada é substancialmente independente de no mínimo um dentre (i) um espaçamento da ferramenta de registro e (ii) uma resis-tividade de um fluido no furo de sondagem.

19. Método, de acordo com a reivindicação 14, ainda compreendendo a etapa de transportar a ferramenta de registro para o interior do furo de sondagem em um dentre (i) um tubular de perfuração com um conjunto de furo de fundo que carrega a ferramenta de registro e (ii) uma linha de cabo.

20. Método, de acordo com a reivindicação 14, ainda compreendendo a etapa de produzir uma imagem de resistividade da formação utilizando medições de orientação.

21. Meio legível por computador para utilização com uma ferramenta de registro utilizada em um furo de sondagem em uma formação de terra, a ferramenta de registro compreendendo: (a) um eletrodo de medição que transporta uma corrente de medição 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 de proteção e o eletrodo de medição, o meio compreendendo instruções possibilitando o processador a: (d) minimizar um fluxo de corrente entre o eletrodo de medição e o eletrodo de blindagem ao alterar no mínimo um dentre (i) um potencial do no mínimo um eletrodo de medição, (ii) uma corrente fornecida ao no mínimo um eletrodo de medição, (iii) uma impedância entre o no mínimo um eletrodo de proteção e o no mínimo um eletrodo de medição e (iv) um potencial do no mínimo um eletrodo de proteção; e (e) determinar uma resistência aparente a partir de um potencial do eletrodo de proteção ou do eletrodo de medição e da corrente de medi- ção.

22. Meio, de acordo com a reivindicação 21, selecionado a partir do grupo que consiste em (i) um ROM, (ii) uma EPROM, (iii) uma EAROM, (iv) uma memória flash e (v) um disco ótico.