DE102004050151A1

DE102004050151A1 - Induktionsmessungen mit reduzierten Bohrlocheffekten

Info

Publication number: DE102004050151A1
Application number: DE102004050151A
Authority: DE
Inventors: Gerald Missouri Minerbo; Sofia Sugar Land Davydycheva; Hanming Sugar Land Wang; Dean M. Sugar Land Homan
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2005-06-02
Also published as: RU2344446C2; GB2407386B; CN1619099A; US20050083161A1; FR2862698A1; GB0422597D0; US7138897B2; CN100538401C; CA2485254A1; RU2004129914A; GB2407386A; FR2862698B1; CA2485254C

Abstract

Induktionswerkzeug, beinhaltend einen leitenden Dorn; wenigstens eine Anordnung, umfassend einen Sender, eine Kompensationsspule und einen Empfänger, der in einem den leitenden Dorn umgebenden isolierenden Werkzeugkörper angeordnet ist; und eine an dem isolierenden Werkzeugkörper an einer ausgewählten, zwischen der Kompensationsspule und dem Empfänger liegenden Stelle angeordnet ist, wobei die ausgewählte Stelle beabstandet von dem Sender mit einem Abstand, der ungefähr dem harmonischen Mittel des Abstands zwischen dem Sender und der Empfangsspule und dem Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger entspricht, und wobei die Elektrode einen Kontakt beinhaltet, der einen Leitungsweg zu dem leitenden Dorn schafft. Weitere Elektroden können über und unter jedem Sender und Empfänger angeordnet sein, um die Empfindlichkeit gegenüber Exentrizität des Werkzeugs in dem Bohrloch zu reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft Techniken zur Formationswiderstandsaufzeichnung unter Verwendung von Induktionswerkzeugen. Im Speziellen betrifft die Erfindung Induktionswerkzeuge und Verfahren zum Verringern von Bohrlocheffekten bei Messungen eines spezifischen Widerstands gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 10.
Elektromagnetische (EM)-Induktionswerkzeuge werden in der Öl- und Gasindustrie verwendet, um den spezifischen Widerstand von Erdformationen um ein Bohrloch zu bestimmen. Induktionswerkzeuge arbeiten unter Verwendung einer Sendespule (Sender) zum Erzeugen eines alternierenden magnetischen Feldes in den Erdformationen. Das alternierende magnetische Feld induziert Wirbelströme in den Formationen. Eine oder mehrere mit einem Abstand zu dem Sender angeordnete Empfangsspulen (Empfänger) werden verwendet, um den in der Erdformation fließenden Strom zu detektieren. Die Größe der empfangenen Signale ist ungefähr proportional zu der Formationsleitfähigkeit. Die Formationsleitfähigkeiten können daher aus den empfangenen Signalen abgeleitet werden.
Herkömmliche Drahtleitungen(wireline) und Vermessung-beim-Bohren (logging while drilling, LWD)-EM-Induktionswerkzeuge sind mit Spulen (Antennen) ausgestattet, die als Quellen und/oder Sensoren arbeiten können. Bei Wireline-EM-Induktionswerkzeugen sind die Antennen typischerweise von einem Gehäuse (oder Werkzeugkörper) umschlossen, das aus einem widerstandsfähigen Kunststoff-Material (isolierend), beispielsweise einem laminierten, mit Epoxidharz imprägnierten Fiberglasmaterial aufgebaut ist. Bei LWD-EM-Induktionswerkzeugen sind die Antennen üblicherweise an metallischen Trägern (Ringen bzw. Kragen) montiert, um den rauhen Umgebungen, die während des Bohrens auftreten, zu widerstehen.

Sowohl bei den Wireline- als auch den LWD-Induktionswerkzeugen sind die Antennen typischerweise beabstandet voneinander entlang der Werkzeugachse. Diese Antennen sind in der Regel Spulen vom Solenoid-Typ, die einen oder mehrere Windungen von einem um einen Träger gewundenen isolierten Leitungsdraht umfaßt. US 4 873 488 und US 5 235 285 beschreiben beispielsweise Meßgeräte, die mit Antennen ausgerüstet sind, die entlang einem zentralen metallischen Träger (ein leitender Dorn) angeordnet sind.

Eine einen Strom leitende Spule (oder Antenne) kann als ein magnetisches Moment dargestellt werden, das proportional zum Strom und der Fläche ist. Die Richtung und die Größe des magnetischen Moments kann durch einen Vektor, der senkrecht zur Ebene der Spule ist, dargestellt werden. In herkömmlichen Induktions- und Ausbreitungs-Bohrlochvermessungsgeräten sind die Sender- und Empfängerantennen mit ihren magnetischen Momenten entlang der Längsachse der Meßgeräte ausgerichtet. Diese Meßgeräte haben longitudinale magnetische Dipole (longitudinal magnetic dipoles, LMD). Wenn ein LMD-Werkzeug in einem Bohrloch angeordnet ist und angeregt wird, elektromagnetische Energie zu senden, fließen die induzierten Wirbelströme in Schleifen um die Antenne in dem Bohrloch und in der umgebenden Formation. Die Wirbelströme fließen in Ebenen, die senkrecht zu der Werkzeugachse (also der Bohrlochachse) sind. Wenn das Werkzeug zentral in dem Bohrloch ist, fließen keine Wirbelströme das Bohrloch hinauf oder hinunter.

Eine auftauchende Technik auf dem Gebiet der EM-Induktionsbohrlochvermessung ist die Verwendung von in Meßgeräten inkorporierten Antennen, die schräg- oder querverlaufende Antennen aufweisen, d.h. die magnetischen Dipole der Antennen sind verkippt oder senkrecht zu der Werkzeugachse. Dies bedeutet, daß diese Meßgeräte transversale oder verkippte magnetische Dipole (TMD) haben. TMD-Meßgeräte können Wirbelströme induzieren, die das Bohrloch hinauf und hinunterfließen können und daher Messungen ermöglichen, die empfindlich gegenüber Eintauchebenen, Formationsbrüchen oder Formationsanisotropie sind. Moderne Induktionswerkzeuge umfassen typischerweise dreiachsige Anordnungen bzw. Felder, in denen der Sender und die Empfänger jeweils drei in verschiedenen Richtungen (typischerweise in orthogonalen Richtungen) angeordnete Spulen aufweisen können. Zwei der Spulen in einem dreiaxialen Sender oder Empfänger können TMD-Antennen sein. Bohrlochvermessungsgeräte, die mit TMD ausgerüstet sind, werden beispielsweise in US 4 319 191 , US 5 508 616 , US 5 757 191 , US 5 781 436 , US 6 044 325 und US 6 147 496 beschrieben.

Zwar ermöglichen die TMD-Werkzeuge (umfassend dreiachsige Werkzeuge) die Bereitstellung von zusätzlichen Informationen über den spezifischen Widerstand der Formation, aber diese Werkzeuge werden stärker durch das Bohrloch beeinflußt, insbesondere bei kontrastreichen Situationen, d.h., wenn der Schlamm in dem Bohrloch leitfähiger als die Formation ist. Wenn ein TMD-Werkzeug im Zentrum eines Bohrlochs (in 1A mit 20 bezeichnet) angeregt wird, so kann es Wirbelströme induzieren, die das Bohrloch hinauf oder hinunter fließen. Aufgrund der Symmetrie werden sich die hinauf- und hinunterfließenden Ströme auslöschen und es gibt keinen Nettostrom, der das Bohrloch hinauf- oder hinunterfließt. Wenn ein TMD-Werkzeug exzentrisch bzw. außermittig ist, so kann die Symmetrie verschwinden. Wenn das TMD-Werkzeug exzentrisch in einer Richtung parallel zu der Richtung der magnetischen Dipole seiner Antennen (in 1A mit 22 bezeichnet) ist, bleibt die Symmetrie bezüglich der Antenne erhalten und es gibt keinen Nettostromfluß entlang der Bohrlochachse, wenn die Antenne angeregt wird. Wenn ein TMD exzentrisch in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der magnetischen Dipole von seiner Antenne ist (in 1A mit 21 bezeichnet), so existiert die Symmetrie jedoch nicht länger und es gibt Nettoströme, die das Bohrloch hinauf- oder hinunterfließen, wenn die Antenne angeregt wird. In kontrastreichen Situationen (d.h. leitender Schlamm und mit Widerstand versehene Formation) können die Bohrlochströme eine weite Strecke entlang des Bohrlochs fließen. Der Stromfluß in der Formation kann in diesem Fall auch asymmetrisch sein. Die asymmetrischen Ströme induzieren unerwünschte Signale in den TMD-Empfängern, die mehrere Größenordnungen größer sein können als die erwarteten Signale von der Formation.

US 5 041 975 beschreibt eine Technik zum Verarbeiten von Daten aus Bohrlochmessungen, um bezüglich Bohrlocheffekten zu korrigieren. US 5 058 077 beschreibt eine Technik zum Verarbeiten von Bohrlochsensordaten, um den Effekt von exzentrischer Rotation des Sensors während des Bohrens zu kompensieren. US 6 541 979 beschreibt Techniken zum Reduzieren des Effekts der Bohrlochexzentrizität unter Verwendung von mathematischen Korrekturen hinsichtlich der Bohrlochstromeffekte.

US 6 573 722 beschreibt Verfahren zum Reduzieren des Effekts von Werkzeugexzentrizität in dem Bohrloch durch Minimieren der Bohrlochströme, die die TMD-Antennen durchfließen. In einer Ausführungsform ist eine unter der TMD-Antenne lokalisierte Elektrode fest verdrahtet mit einer anderen Elektrode, die oberhalb der TMD-Antenne lokalisiert ist, um einen Leitungsweg hinter der TMD-Antenne zu schaffen. Dieser zusätzliche Leitungsweg verringert den Anteil von Bohrlochströmen, die vor der TMD-Antenne hindurchfließen, und minimiert daher die unerwünschten Effekte. In einer anderen Ausführungsform wird ein Werkzeug beschrieben, das einen ortsgebundenen Strom in dem Bohrloch (zwischen den zwei Elektroden, die an jeder Seite einer TMD-Antenne angeordnet sind) erzeugt, der den unerwünschten Bohrlochströmen entgegenwirkt oder diese auslöscht. Weitere Beispiele von Verfahren und Vorrichtungen zum Reduzieren der Bohrlochstromeffekte beinhalten US 6 573 722 B2 , US 6 624 634 B2 , US 6 693 430 B2 , US 6 680 613 B2 und US 6 710 601 B2 sowie US 2003/0146753 A1 und US 2003/0155924 A1.

Obwohl diese bekannten Verfahren wirksam im Reduzieren von Bohrlocheffekten bei Induktionswerkzeugen sind, so verbleibt ein Bedürfnis zur weiteren Verbesserung im Aufbau von Induktionswerkzeugen, die weniger anfällig gegenüber Werkzeugexzentrizität in dem Bohrloch sind. Experimentelle Studien zeigten, daß das Vorgehen, den das Bohrloch hinauffließenden oder hinunterfließenden Strom auszulöschen, keine zufriedenstellende Leistung ergibt. Große Elektroden können ein temperaturabhängiges fehlerhaftes Signal erzeugen, so daß es bevorzugt ist, kleine Elektroden zu verwenden.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft Induktionswerkzeuge. Ein Induktionswerkzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet einen leitenden Dorn; wenigstens eine Anordnung umfassend einen Sender, eine Kompensationsspule und einen Empfänger, angeordnet in einem isolierenden Werkzeugkörper, umgebend den leitenden Dorn; und eine in dem isolierenden Werkzeugkörper an einem ausgewählten Ort zwischen der Kompensationsspule und dem Empfänger angeordnete Elektrode, wobei der ausgewählte Ort von dem Sender um einen Abstand entsprechend ungefähr einem harmonischen Mittelwert von einem Abstand zwischen dem Sender und der Kompensationsspule und einem Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger beabstandet ist, und wobei die Elektrode einen Kontakt beinhaltet, der diese mit dem leitenden Dorn verbindet.

Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft Verfahren zum Aufbauen von Induktionswerkzeugen. Ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Anordnen wenigstens einer Anordnung, umfassend einen Sender, eine Kompensationsspule und einen Empfänger auf einem isolierenden Werkzeugkörper, der einen leitenden Dorn des Induktionswerkzeugs umgibt; Bestimmen eines Ortes von Nullempfindlichkeit, wobei der Ort von Nullempfindlichkeit an einem harmonischen Mittel von einem Abstand zwischen dem Sender und der Kompensationsspule und einem Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger angeordnet ist; und Anordnen einer kleinen Elektrode auf dem isolierenden Werkzeugkörper nahe dem am Ort der Nullempfindlichkeit, wobei ein Leitungsweg zwischen der Elektrode und dem leitenden Dorn ausgestaltet ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
1A bzw. 1B illustrieren ein exzentrisches Werkzeug einer transversalen Anordnung und die asymmetrische Stromverteilung, die unerwünschte Bohrlocheffekte verursacht.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer dreiachsigen Anordnung.
3 zeigt die Effekte der Exzentrizität auf verschiedene transversale XX-Anordnungen auf ein Induktionswerkzeug mit isolierendem Körper.
4 zeigt die Effekte der Exzentrizität auf verschiedene transversale XX-Anordnungen auf ein Induktionswerkzeug mit leitendem Körper.
5 zeigt ein Induktionswerkzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt Ergebnisse von Simulationen von Werkzeugen, wie sie in 5 gezeigt sind, mit verschiedenen Anzahlen von Elektroden, die auf dem Werkzeugkörper angeordnet sind.
7 zeigt ein Induktionswerkzeug mit kleinen Elektroden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
8A zeigt eine vergrößerte Darstellung von Elektroden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
8B zeigt einen Querschnitt einer Fingerelektrode, die mit einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann.
8C und 8D zeigen andere Ausführungsformen einer Fingerelektrode, die mit Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann.
9 zeigt simulierte Messungen unter Verwendung eines Werkzeugs, das in 7 gezeigt ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt die Effekte der Exzentrizität auf ein Werkzeug, das in 7 gezeigt ist, im Vergleich zu einem Werkzeug mit isolierendem Körper und zu einem Werkzeug mit Metallkörper.
11 zeigt die Fähigkeit eines in 7 gezeigten Werkzeugs, um Formationsanisotropie zu messen, im Vergleich zu einem Werkzeug mit isolierendem Körper und zu einem Werkzeug mit Metallkörper.
12 zeigt die Fähigkeit eines in 7 gezeigten Werkzeugs, um Formationsanisotropie bei Vorliegen einer Werkzeugexzentrizität zu messen, im Vergleich zu einem Werkzeug mit isolierendem Körper und zu einem Werkzeug mit Metallkörper.
13 zeigt die Schulterbetteffekte eines in 7 gezeigten Werkzeugs im Vergleich zu einem Werkzeug mit isolierendem Körper und zu einem Werkzeug mit Metallkörper.
14 zeigt die Effekte von Exzentrizität und Anschlagbett auf ein in 7 gezeigtes Werkzeug im Vergleich zu einem Werkzeug mit isolierendem Körper und zu einem Werkzeug mit Metallkörper.
15 zeigt die Ergebnisse von 14 nach Entfernung von Schulterschichteffekten eines in 7 gezeigten Werkzeugs im Vergleich zu einem Werkzeug mit isolierendem Körper und zu einem Werkzeug mit Metallkörper.
16 zeigt ein Prototyp-Werkzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
17 zeigt 27"(68,6 cm)-dreiachsige Leitfähigkeitsmessungen bei Vorliegen einer Werkzeugexzentrizität unter Verwendung eines in 16 gezeigten Werkzeugs im Vergleich zu einem Werkzeug mit isolierendem Körper und zu einem Werkzeug mit Metallkörper.
18 zeigt 39"(99,1 cm)-dreiachsige Leitfähigkeitsmessungen bei Vorliegen einer Werkzeugexzentrizität unter Verwendung eines in 16 gezeigten Werkzeugs im Vergleich zu einem Werkzeug mit isolierendem Körper und zu einem Werkzeug mit Metallkörper.
19 zeigt ein Computermodell eines Prototyp-Werkzeugs gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
20 zeigt 27"(68,6 cm)-dreiachsige Leitfähigkeitsmessungen bei Vor liegen einer Werkzeugexzentrizität unter Verwendung eines in 19 gezeigten Werkzeugs im Vergleich zu einem Werkzeug mit isolierendem Körper und zu einem Werkzeug mit Metallkörper.
21 zeigt ein Computermodell eines Prototyp-Werkzeugs gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
22 zeigt 27"(68,6 cm)-dreiachsige Leitfähigkeitsmessungen bei Vorliegen einer Werkzeugexzentrizität unter Verwendung eines in 21 gezeigten Werkzeugs im Vergleich zu einem Werkzeug mit isolierendem Körper und zu einem Werkzeug mit Metallkörper.
23 zeigt ein Verfahren zum Aufbauen eines Werkzeugs, das weniger durch Werkzeugexzentrizität beeinflußbar ist.
Ausführungsformen der Erfindung betreffen Induktionsbohrlochvermessungswerkzeuge, die weniger durch Bohrlocheffekte beeinflußbar sind. Da die Unterscheidung zwischen einem Induktionswerkzeug und einem Ausbreitungswerkzeug für die Erfindung nicht von Belang ist, beinhaltet der Begriff „Induktionswerkzeug" in der Beschreibung sowohl Induktions- als auch Ausbreitungswerkzeuge. In ähnlicher Weise werden „Bohrlocheffekte" und „Werkzeugexzentrizitätseffekte" (oder „Exzentrizitätseffekte") in der Beschreibung austauschbar verwendet, da der Unterschied zwischen ihnen nicht von Belang ist. Ein Fachmann erkennt, daß Leitfähigkeit eine Umkehrung bzw. Inversion des spezifischen Widerstands ist, und, daß eine Bezugnahme auf „Leitfähigkeit" in der Beschreibung auch das Inverse, den „spezifischen Widerstand", umfaßt und umgekehrt.
Wie oben erwähnt, sind Induktionsanordnungen mit magnetischen Momenten senkrecht (d.h. transversal) zu der Achse des Bohrlochs empfindlicher auf Bohrlocheffekte. Zudem ist die Empfindlichkeit einer transversalen Spule bzw. Querspule gegenüber Exzentrizität sehr verschieden abhängig davon, ob die Exzentrizität in der Richtung des magnetischen Moments oder senkrecht zu dem magnetischen Moment ist. In der Beschreibung wird eine Queranordnung in einem weiten Sinne verwendet, um jede Anordnung mit einer Querkomponente im magnetischen Moment zu umfassen. Beispielsweise hat eine Anordnung mit einer verkippten Spule (d.h. einer Spule, die nicht parallel oder senkrecht zu der Achse des Werkzeugs ist) eine transversale Komponente in seinem magnetischen Moment und daher kann dies in der Beschreibung als eine transversale Anordnung angesehen werden. Man beachte, daß eine dreiachsige Anordnung zwei transversale Anordnungen beinhaltet und daher die folgende Beschreibung über eine transversale Anordnung auch anwendbar auf die „transversalen Komponenten" in einer dreiachsigen Anordnung ist.
1A illustriert, daß ein Bohrlochvermessungswerkzeug eine querverlaufende (transversale) oder verkippte magnetische Dipol(„transverse or tilted magnetic dipole", TMD)-Antenne haben kann, die im Zentrum 20 des Bohrlochs 13 oder exzentrisch in einer parallelen Richtung 22 oder einer senkrechten Richtung 21 plaziert sein kann. Die parallele oder senkrechte Richtung ist bezüglich der Richtung des magnetischen Dipols der Antenne. Parallele Exzentrizität 22 erzeugt Wirbelströme aufwärts und abwärts des Bohrlochs. Aufgrund der Symmetrie fließt jedoch kein Nettostrom das Bohrloch hinauf oder hinunter. Daher erzeugt ein Werkzeug mit seiner exzentrisch in der Parallelrichtung 22 liegenden TMD-Antenne nicht mehr unerwünschte Effekte als ein Werkzeug, dessen TMD-Antenne exakt im Zentrum 20 des Bohrlochs 13 ist. Im Gegenteil, ein Werkzeug mit seiner exzentrisch in der senkrechten Richtung 21 liegenden TMD-Antenne induziert Wirbelströme, die das Bohrloch hinauf- und hinabfließen, aber ohne die Symmetrie, um die auf- und abfließenden Ströme auszulöschen. Als ein Ergebnis erzeugt senkrechte Exzentrizität 21 signifikante Bohrlochströme 23, wie sie in 1B gezeigt sind. Der in der Formation fließende Strom ist also in diesem Fall asymmetrisch. Die asymmetrische Stromverteilung erzeugt ein starkes Signal in einem auf einem spezifischen Widerstandsmeßgerät 10 angeordneten Empfänger 24.
Die in 1A gezeigte senkrechte Exzentrizität 21 und parallele Exzentrizität 22 illustrieren die Extreme der Werkzeugverschiebungen vom Zentrum des Bohrlochs 20. In einem typischen Fall wird die Exzentrizität zwischen diesen beiden Extremen liegen, d.h. eine Exzentrizität in einer Richtung, die eine Kombination sowohl der x- als auch der y-Richtung ist.
Ein typisches Induktionswerkzeug, wie beispielsweise das AIT^TM-Werkzeug von Schlumberger Technology Corp. (Houston, Texas) beinhaltet einige Induktionsanordnungen, umfassend einen gewöhnlichen Sender und einige beabstandet von dem Sender angeordnete Empfänger. Induktionswerkzeuge können auch zusätzlich zu Spulen Elektroden beinhalten, wie es beispielsweise in US 6 573 722 , US 6 680 613 und US 6 710 601 beschrieben ist. Beispiele solcher Induktionswerkzeuge sind in US 4 873 488 und US 5 041 975 beschrieben. In einem typischen Induktionswerkzeug kann jeder Hauptempfänger in der Anordnung in Reihe mit einer Kompensationsspule verbunden sein. Die Funktion der Kompensationsspule ist es, eine direkte Verbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger auszuschließen.
Wenn die Kompensationsspule optimiert ist, sollte der Empfänger kein Signal in einem Medium mit keiner Leitfähigkeit (beispielsweise Luft) erzeugen; diese Bedingung wird als Wechselbalance bezeichnet. Ein Fachmann wird erkennen, daß die Anzahl von Windungen der Kompensationsspule und der Abstand zwischen dem Sender und der Kompensationsspule so ausgewählt werden kann, daß eine optimale Auslöschung der direkten Kopplung zwischen dem Sender und dem Hauptempfänger erreicht wird.
Unter Bezugnahme auf 2 kann die Wechselbalancebedingung ungefähr ausgedrückt werden als
wobei M B / z,M R / z die magnetischen Momente in z-Richtung jeweils für die Kompensations- und die Hauptempfängerspule sind, und Z_B,Z_R die Abstände (Distanzen) vom Sender bis zur Kompensations- bzw. bis zur Empfängerspule sind. Für eine dreiachsige Anordnung gilt die gleiche Bedingung für die x- und y-Kopplungen.
Moderne Induktionswerkzeuge beinhalten oftmals eine oder mehrere dreiachsige Anordnungen, in welchen der Sender, der Hauptempfänger und die Kompensationsspule jeweils drei Spulen (Antennen) beinhalten, die in verschiedenen Richtungen (typischerweise in orthogonalen Richtungen) vorliegen. 2 illustriert eine schematische Darstellung einer typischen dreiachsigen Anordnung, die einen Sender T, einen Hauptempfänger R und eine Kompensationsspule B beinhaltet. Wie gezeigt, weisen der Sender, der Hauptempfänger und die Kompensationsspule jeweils drei separate Spulen auf, die magnetische Momente in orthogonalen Richtungen haben. Die drei magnetischen Momente des Senders T sind als M T / x, M T / y, M T / z bezeichnet. Die drei magnetischen Momente des Hauptempfängers sind als M R / x, M R / y, M R / z bezeichnet. Die drei magnetischen Momente der Kompensationsspule sind als M B / x, M B / y, M B / z bezeichnet.
Da der Sender und der Empfänger in einer dreiachsigen Anordnung jeder drei Antennen (siehe 2) beinhaltet, werden neun komplexe Spannungen unter Verwendung einer dreiachsigen Anordnung aufgezeichnet, was eine Matrix von scheinbaren Leitfähigkeiten wie folgt ergibt:
Da diese neun Kopplungen mit Antennen in verschiedenen Richtungen erhalten wurden, sind sie durch Werkzeugexzentrizität oder Bohrlocheffekte in verschiedenem Ausmaß beeinflußt. 3 illustriert simulierte Spannungsmessungen für verschiedene Kopplungen von dreiachsigen Anordnungen in einem Werkzeug mit einem isolierenden Körper (nicht gezeigt). Die Abstände zwischen der Sender- und der Hauptempfängerspule sind 27 Zoll = 68,6 cm, 39 Zoll = 99,1 cm, 54 Zoll = 137,2 cm und 72 Zoll = 182,9 cm. Die Betriebsfrequenz ist 26,8 kHz für alle Berechnungen und Messungen in der Beschreibung.
In 3 sind die berechneten R-Signale von XX-Kopplungen von verschiedenen Anordnungen gegenüber der Werkzeugverschiebung (Exzentrizität) entlang der y-Achse in dem Bohrloch aufgetragen. Das Bohrloch hat einen Durchmesser von 8,5 Zoll = 21,6 cm und ist mit einem Schlamm gefüllt, der eine Leitfähigkeit von 5.000 mS/m aufweist. Es ist aus 3 offensichtlich, daß die Fehler in den XX-Signalen groß sind im Verhältnis zu der Formationsleitfähigkeit, die 50 mS/m beträgt. In einem leitfähigen Schlamm sind die Fehler in den XX-Kopplungen für Verschiebungen (Exzentrizität) entlang der y-Achse sehr viel größer als die Fehler in den YY-Kopplungen. Hier wird auf US 6 573 722 und US 6 556 015 verwiesen.
Die aus 3 ersichtlichen Bohrlocheffekte können minimiert werden, wenn ein leitfähiger Werkzeugkörper (beispielsweise Metallkörper) verwendet wird. 4 zeigt den Exzentrizitätseffekt eines Werkzeugs mit Metallkörper (nicht gezeigt) in einem leitenden Bohrloch. Die R-Signale der XX-Kopplungen für die vier Sender-Empfänger-Abstände sind gegen die Werkzeugverschiebung (Exzentrizität) entlang der y-Achse in dem Bohrloch aufgetragen. Für die längeren Abstände mit 39 Zoll = 99,1 cm, 54 Zoll = 137,2 cm und 72 Zoll = 182,9 cm sind die XX-Kopplungen fast unabhängig von der Exzentrizität des Werkzeugs. Der kürzere Anordnungsabstand 27XX ist jedoch immer noch wesentlich durch die Werkzeugexzentrizität beeinflußt.
Ein metallischer Körper kann zwar eine effektive Reduzierung von Bohrlocheffekten schaffen, allerdings erzeugt der metallische Körper temperaturabhängige Fehler in den Messungen. Eine Alternative zu einem metallischen Körperwerkzeugaufbau ist in US 10/604 622 und US 6 667 620 beschrieben. Die dort beschriebenen Induktionswerkzeuge haben isolierende Gehäuse (Werkzeugkörper) für die Empfangsspulen. Die isolierenden Körper beinhalten leitende Elektroden (Ringelektroden oder gefingerte Elektroden), die zwischen den Sende- und Empfängerspulen angeordnet sind; die leitenden Elektroden sind mit dem metallischen zentralen Trägerdorn elektrisch geerdet. Diese Elektroden verhindern einen asymmetrischen Stromfluß in dem Bohrloch, welches den Fehlerbeitrag von Werkzeugexzentrizität auf die XX- und YY-Kopplungen reduziert. Mit diesen Ausgestaltungen wird der Exzentrizitätseftekt wesentlich reduziert verglichen mit dem Werkzeug mit isolierendem Körper. Diese Ausgestaltungen liefern jedoch unzufriedenstellende Auslöschung von Exzentrizitätseffekten in größeren Bohrlöchern. Zudem kompliziert diese Art von Elektrode den Response von kurz beabstandeten Messungen auch dann, wenn das Werkzeug zentral in dem Bohrloch ist.
Ausführungsformen der Erfindung verbessern den Aufbau eines Induktionswerkzeugs durch Verwendung einer Anzahl von Elektroden, die zwischen dem Sender und den Empfängern angeordnet sind. Um die Verteilung der Vielzahl von Elektroden in einem isolierenden Werkzeugkörper zu verstehen, wird ein hypothetisches Werkzeug mit einer erhöhten Anzahl von Elektroden modelliert (5).
Das in 5 gezeigte Induktionswerkzeug beinhaltet einen leitenden Dorn M, einen Werkzeugkörper B und verschiedene Anordnungen. Die Anordnungen beinhalten einen herkömmlichen Sender T und eine Reihe von Hauptempfängern im Abstand von 27 Zoll = 68,58 cm, 39 Zoll = 99,1 cm, 54 Zoll = 137,2 cm und 72 Zoll = 182,9 cm, die als R27, R39, R54 und R72 bezeichnet sind. Zusätzlich sind entsprechende Kompensationsspulen B27, B39, B54 und B72 vorgesehen, um wechselseitige Kopplungen zwischen dem Sender und den Hauptempfängern zu reduzieren. Einige Elektroden (Elektroden 1 bis 6), die so ausgestaltet sind, um Bohrlocheffekte zu reduzieren, sind ebenfalls am Werkzeug gezeigt. Die folgenden Simulationen sind mit verschiedenen beinhaltenden Elektroden (Elektroden 1 bis 6) durchgeführt, um die Verteilung dieser Elektroden zur Reduzierung von Bohrlocheffekten zu untersuchen. In der ersten Berechnung ist nur Elektrode 1 vorhanden. In der zweiten Berechnung sind nur die Elektroden 1 und 2 vorhanden, und so weiter.
6 zeigt den transversalen Exzentrizitätseffekt für vier Empfängerabstände mit einer ansteigenden Anzahl von Elektroden (Kurven 1 bis 6 entsprechend der Anzahl von Elektroden in jedem Diagramm). Wie in 6 gezeigt, benötigt die 27XX-Kopplung die ersten drei Elektroden (Elektroden 1 bis 3 in 6), um stabile Messungen unabhängig von der Werkzeugexzentrizität zu erhalten. Die 39XX-Kopplung benötigt mindestens vier Elektroden (Elektroden 1 bis 4 in 5), um stabile Messungen zu erhalten. Die 54XX-Kopplung benötigt fünf Elektroden (Elektroden 1 bis 4 in 5), um stabile Messungen zu erhalten. Für die 72XX-Kopplung werden alle sechs Elektroden benötigt, um eine gute Auslöschung des Exzentrizitätseffekts zu erhalten. Diese Ergebnisse deuten an, daß eine Elektrode über und unter jeder Empfangsspule benötigt wird. Die Elektrode (d.h. Elektrode 6) unter dem letzten Empfänger R72 wird vorzugsweise an einem Ort plaziert, so daß diese Elektrode 6 und die Elektrode 5 vor dem letzten Empfänger R72 symmetrisch mit Bezug auf den Empfänger R72 angeordnet sind. Das bedeutet, daß in bevorzugten Ausführungsformen die Elektroden 5 und 6 den Empfänger R72 symmetrisch „überspannen" oder „überspreizen".
Zusätzlich wurde gefunden, daß weitere Elektroden über und unterhalb des Senders T vorgesehen sein können, um die Bohrlocheffektauslöschung zu verbessern. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Elektroden über und unter dem Sender symmetrisch um den Sender angeordnet, um eine gute Bohrlocheffektauslöschung zu schaffen. In einigen Ausführungsformen sind zwei Elektroden jeweils über und unter dem Sender, um die Bohrlocheffektauslöschung zu verbessern (siehe beispielsweise T1 bis T4 in 7). In einigen Ausführungsformen haben die Elektroden über und unter dem Sender längere axiale (longitudinale) Spannweite als andere Elektroden. In einigen Ausführungsformen sind die über und unter dem Sender befindlichen Elektroden nahe zu dem Sender plaziert.
Mehr-Elektroden-Werkzeugaufbau
Die obige Simulation zeigt, wo die Elektroden plaziert werden sollten, d.h. jeweils eine über und unter jedem Empfänger. Große Elektroden können jedoch bei einer Induktionsanordnung nicht akzeptierbare Fehler in den gemessenen Spannungen (sowohl in den gleichphasigen als auch in den Querkomponenten) beitragen. Diese Fehler können nicht so einfach korrigiert werden, da diese Fehler von der Temperatur und mechanischen Bewegungen der Elektroden relativ zu den Spulen abhängen. Daher wurde eine Studie durchgeführt, um zu schauen, ob der Bohrlocheffekt unter Verwendung von kleinen Elektroden ausgelöscht werden kann, die strategisch an der Induktionssonde plaziert werden.
Die Empfindlichkeit von Messungen aufgrund einer kleinen Inhomogenität nahe des Sondenkörpers kann ungefähr durch Doll's geometrischen Faktor vorhergesagt werden. Siehe hierzu J.H. Moran und K.S. Kunz, „Basic Theory of Induction Logging and Application to the Study of Two-Coil Sondes", Geophysics, Band 6, Seiten 829-58, Dezember 1962; und H.G. Doll, "Introduction to Induction Logging and Application to Logging of Wells Drilled with Oil Base Mud", J. Petroleum Technology, Band 1, Nr. 6, Seiten 148-62, Juni 1949. Eine kleine Inhomogenität bei vertikaler Position z erzeugt eine Spannungsänderung (ΔV_zz) in der koaxialen empfangenen Spannung V_zz proportional zu
Alle Ausdrücke in Gleichung (2) haben die ähnliche Bedeutung, wie sie oben in Zusammenhang mit 2 beschrieben sind. Die Funktion hat eine Nullstelle an der Position z₀, welches durch Lösen von
erhalten wird.
Aufgrund der wechselseitigen Balancebedingung in Gleichung (1) können wir schreiben
oder äquivalent 1 – z0/zR = z0/zB – 1, (5)was ergibt
Gleichung (6) zeigt, daß die Position von Nullempfindlichkeit z₀ an dem harmonischen Mittel von z_B und z_R ist. Mit anderen Worten, ist der Abstand vom Ort mit Nullempfindlichkeit vom Sender ein harmonischer Mittelwert der Abstände vom Sender zu der Kompensationsspule und zu dem Hauptempfänger. Die XX- und YY-Kopplungen haben ebenfalls Nullempfindlichkeit nahe dieser Position. Man beachte, daß Gleichung 6 einen Ort mit exakter Nullempfindlichkeit für Punktdipolantennen an Luft angibt. Für ein reales Werkzeug wird die Gleichung jedoch nur einen angenäherten Ort angeben.
7 zeigt ein Induktionswerkzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Induktionswerkzeug 70 beinhaltet eine kleine Elektrode nahe der Position von Nullempfindlichkeit für jeden Empfänger. Der Begriff „kleine Elektrode" bedeutet, daß die Elektrode eine kleine (beispielsweise 1 Zoll = 2,54 cm) axiale (longitudinale) Spannweite (vgl. 5 und 7) aufweist. Diese kleinen Elektroden bilden einen kleinen Anteil (längs) des Werkzeugkörpers und führen damit weniger temperaturabhängige Fehler in die Induktionsmessungen ein. In der Beschreibung wird ein Induktionswerkzeug mit einer Vielzahl von kleinen Elektroden, von denen einige an Stellen mit Nullempfindlichkeit angeordnet sind, als ein „Mehr-Elektroden"-Induktionswerkzeug bezeichnet. Dieser Begriff wird verwendet, um das Werkzeug von bekannten Induktionswerkzeugen mit metallischem Körper oder einem Induktionswerkzeug mit isolierendem Körper zu unterscheiden.
Wie in 7 gezeigt, ist eine kleine Elektrode E7 auch unter dem entferntesten Empfänger R72 angeordnet und vier kleine Elektroden T1 bis T4 sind um den Sender T plaziert. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Elektroden E6 und E7, die über bzw. unter dem entferntesten Empfänger R72 angeordnet sind, im wesentlichen gleich beabstandet von dem Empfänger R72. Gleichermaßen sind die Elektroden T1, T2, die über dem Sender T angeordnet sind, und die Elektroden T3, T4, die unter dem Sender T angeordnet sind, im wesentlichen gleich beabstandet von dem Sender T. Man beachte, daß, obwohl vier Elektroden T1 bis T4 gezeigt sind, auch andere Anzahlen von Elektroden vorgesehen sein können, die um den Sender T angeordnet sind. Ferner kann jede der Elektroden eine kontinuierliche Ringelektrode, eine segmentierte Ringelektrode, eine kontinuierliche Fingerelektrode, eine segmentierte Fingerelektrode oder eine Vielzahl von Rundelektroden sein, die um den Umfang des Werkzeugkörpers mit dazwischen angeordnetem isolierendem Material angeordnet sind.
8A zeigt zwei kleine (kleine axiale Spannweite) Elektroden 80 zur Verwendung an einem Induktionswerkzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie gezeigt, umfaßt die Elektrode 80 eine Vielzahl von (acht) Segment-Elektroden (oder Rundelektroden) 81 mit dazwischen angeordneten acht Abschnitten von isolierendem Material 82, um einen Ring zu bilden, der an der in 7 gezeigten Nullempfindlichkeitsstelle angeordnet ist. Anstatt der acht Elektroden und/oder isolierenden Materialabschnitte können auch andere Anzahlen verwendet werden.
Die in 8A gezeigte Elektrode 80 wird Ströme von dem Bohrloch in den leitenden Dorn (nicht gezeigt) über Kontakte 81 führen, aber sie wird keine Ströme in der azimuthalen Richtung führen. Einige Abänderungen solcher Elektroden sind möglich einschließlich verschiedene Anzahlen, Formen und Größen der Elektroden. Wie oben erwähnt, kann die Elektrode aus einer Ringelektrode oder einer segmentierten Ringelektrode bestehen, d.h. mit Segmentierungen in der azimuthalen Richtung, wobei die Lücken mit einem isolierenden Material gefüllt sind. Die segmentierte Ringelektrode erlaubt nicht, daß Ströme in der azimuthalen Richtung fließen. Dies verringert weiter eine Störung der Induktionsmessungen. Zudem kann die Elektrode vorzugsweise aus metallischen Fingern bestehen, wenn es wünschenswert ist, Elektroden mit einer großen longitudinalen Spannweite (entlang der axialen Richtung des Werkzeugs) zu haben.
8B zeigt ein Beispiel einer Fingerelektrode, die mit Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann. Wie gezeigt, umfaßt einen Querschnitt der Fingerelektrode 80B einen oder mehrere leitende Drähte, die in der Form von Fingern 81B mit einer Vielzahl von dazwischen angeordneten isolierenden Abschnitten 82B angeordnet sind. Die leitenden Finger 81B sind mit dem leitenden Dorn (nicht gezeigt) über eine Vielzahl von Kontakten bzw. Anschlüssen 83B verbunden.
8C zeigt eine Variante von einer Fingerelektrode, die ausgestaltet ist, um Strom vom Bohrloch zum Dorn zu führen, wobei Wirbelströme in der Elektrode selbst minimiert sind. Diese spezielle Ausführungsform kann günstig aus einem leitenden Blech 81C durch Erzeugen einer Vielzahl von Lücken 82C von oben und von unten in alternierendem Muster hergestellt werden. Diese Variante einer Fingerelektrode kann um den Werkzeugkörper gewickelt werden, ohne einen vollständigen Umfang (d.h. mit wenigstens einer Lücke) zu bilden, so daß Strom nicht in der azimuthalen Richtung (in Richtung des Umfangs) fließt. In diesem Fall wird nur ein Kontakt 83B benötigt, um einen Leitungsweg zu dem inneren leitenden Dorn zu schaffen.
8D zeigt ein anderes Beispiel einer Fingerelektrode. In diesem Beispiel sind zwei Gruppen von leitenden Drähten bzw. Fingern 81D auf einem isolierenden Material 82D gedruckt. Eine Gruppe von Fingern 81D ist oben miteinander verbunden, während die zweite Gruppe von Fingern 81D unten verbunden ist. Die erste und die zweite Gruppe von Fingern können ohne Kontakt miteinander verteilt sein. Auch diese Ausführungsform kann um den Werkzeugkörper gewickelt sein, vorzugsweise mit mindestens einer Lücke, um den Stromfluß in der azimuthalen Richtung zu vermeiden. Diese spezielle Ausgestaltung einer Fingerelektrode ist ähnlich dem Faraday'schen Schild, das in US 6 667 620 beschrieben ist. US 6 667 620 beschreibt auch Verfahren zum Herstellen solcher Elektroden unter Verwendung von Druckschaltungstechnologien. Die Dicke des leitenden Blechs/Drahts, das bzw. der die leitenden „Finger" bildet, und die Dichte der „Finger" kann variiert werden in Abhängigkeit von speziellen Ausgestaltungen des Werkzeugs, um die Reduzierung der Bohrlocheffekte mit minimaler Störung der elektromagnetischen Messungen zu optimieren. Ferner ist es auch möglich, die Finger in einer anderen Richtung (beispielsweise in der transversalen Richtung) auszurichten, obwohl die beschriebenen Beispiele „Finger" zeigen, die in der longitudinalen Richtung orientiert sind.
Die Eigenschaften eines Werkzeugs gemäß Ausführungsformen der Erfindung, beispielsweise das in 7 gezeigte „Multi-Elektroden"-Werkzeug sind mit Finite-Elemente-Analyse untersucht und mit herkömmlichen Werkzeugen verglichen worden. 9 zeigt Ergebnisse der Finite-Elemente-Berechnung von Antworten in einem homogenen (isotropen) Medium für vier Messungen mit 27XX-, 39XX-, 54XX- und 72XX-Anordnungen von drei verschiedenen Typen von Werkzeugen: ein Mehr-Elektroden-Werkzeug, ein Werkzeug mit metallischem Körper und ein Werkzeug mit einem isolierendem Körper. Aus 9 ist ersichtlich, daß das Mehr-Elektroden-Werkzeug gemäß den Ausführungsformen der Erfindung Messungen erzeugen kann, die im wesentlichen die gleichen wie die der Werkzeuge mit metallischem Körper oder isolierendem Körper sind.
10 zeigt die Exzentrizitätsantworten von 27XX-, 39XX-, 54XX- und 72XX-Messungen, die durch die gleichen drei verschiedenen Typen von Induktionswerkzeugen in einem Bohrloch mit einem Durchmesser von 8,5 Zoll = 21,6 cm durchgeführt wurden. Die Formationsleitfähigkeit beträgt 50 mS/m, und die Schlammleitfähigkeit beträgt 5.000 mS/m. Aus 10 ist klar ersichtlich, daß das Verhalten des Mehr-Elektroden-Induktionswerkzeugs ähnlich dem des Werkzeugs mit metallischem Körper in den meisten Situationen ist. Sowohl das Mehr-Elektroden-Werkzeug als auch das Werkzeug mit metallischem Körper sind unempfindlicher auf Werkzeugexzentrizität als das Werkzeug mit isolierendem Körper.
Transversale Anordnungen werden entwickelt, da sie empfindlich auf den spezifischen Widerstand einer Formation in der vertikalen Richtung sind. Eine Hauptverwendung von der transversalen Anordnung liegt in der Messung von spezifischem Widerstand von anisotropen Formationen. Daher ist es wichtig, daß der Einschluß von Mehr-Elektroden nicht zu einem Abfall in der Fähigkeit, den vertikalen spezifischen Widerstand in anisotropen Formationen zu messen, führt. 11 zeigt die Antworten von 27XX-, 39XX-, 54XX- und 72XX-Messungen in einer anisotropen Formation mit einem zentralen Werkzeug in einem leitenden Bohrloch mit einem Durchmesser von 16 Zoll = 40,6 cm. Das Werkzeug ist zentrisch in einem Bohrloch mit einem Durchmesser von 16 Zoll = 40,6 cm mit einer Schlammleitfähigkeit von 5.000 mS/m. Die horizontale Leitfähigkeit der Formation beträgt 500 mS/m. Das Verhältnis von vertikalem spezifischen Widerstand R_v zu horizontalem spezifischen Widerstand R_h, d.h. R_v/R_h, wird in dieser Untersuchung von 1 bis 10 variiert. Die Anisotropieantworten des Mehr-Elektroden-Werkzeugs werden erhalten und liegen nahe bei denen von einem Werkzeug mit metallischem Körper.
11 zeigt, daß das Mehr-Elektroden-Werkzeug nützlich in der Messung von dem spezifischen Widerstand in einer anisotropen Formation ist, wenn das Werkzeug in dem Bohrloch zentriert ist. Um nützlich zu sein, sollte die Fähigkeit der Werkzeuge, anisotropen spezifischen Widerstand zu messen, nicht durch die Werkzeugexzentrizität vermindert werden. 12 zeigt die Antworten von 27XX-, 39XX-, 54XX- und 72XX-Messungen in einer anisotropen Formation mit drei Typen von Werkzeugen, die entlang der y-Richtung um 4 Zoll = 10,2 cm in einem leitenden Bohrloch mit einem Durchmesser von 16 Zoll = 40,6 cm mit einer Leitfähigkeit des Schlamms von 5.000 mS/m vom Zentrum verschoben ist. Die horizontale Formationsleitfähigkeit beträgt 500 mS/m. Das Verhältnis R_v/R_h wird in der Untersuchung von 1 bis 10 variiert. Die anisotropen Antworten des Mehr-Elektroden-Werkzeugs sind ähnlich zu denen von dem Werkzeug mit metallischem Körper. Sowohl das Mehr-Elektroden-Werkzeug und das Werkzeug mit metallischem Körper sind empfindlich gegenüber einem größeren Bereich von Anisotropie, verglichen mit dem Werkzeug mit isolierendem Körper. Das exzentrische Werkzeug mit isolierendem Körper kann keine zuverlässige Angabe über R_v/R_h geben, wie es durch Vergleich in den 11 und 12 zu sehen ist.
Effekt des Bohrlochs auf vertikalen Response
In einer typischen Induktionsanordnungs-Log (beispielsweise ein AIT-Log) werden Bohrlochkorrekturen unter Annahme eines homogenen Mediums außerhalb des Bohrlochs angewendet. Siehe hierzu US 5 041 975 . Ein wichtiger Punkt dabei ist, ob der Bohrlocheffekt von dem vertikalen Response des Werkzeugs (beispielsweise Schulterschichteffekte) getrennt werden kann. Schulterschichteffekte tauchen in dünnen Schichtformationen auf, insbesondere, wenn die benachbarten Schichten leitfähiger sind als die untersuchte Schicht. Die Schulter schichteffekte führen zu fehlerhaften Anzeigewerten, die korrigiert werden müssen, bevor ein genauer spezifischer Widerstand der Formation aus den Messungen abgeleitet werden kann.
13 zeigt Rückantworten von 39XX-Messungen von drei verschiedenen Typen von Werkzeugen in einem homogenen Medium (50 mS/m) und in einer dreilagigen Formation mit keinem Bohrloch. Die dreilagige Formation umfaßt eine 12 Fuß = 3,66 m dicke Schicht mit einer Leitfähigkeit von 50 mS/m, die zwischen zwei Lagen mit einer Leitfähigkeit von 1.000 mS/m „sandwichartig" angeordnet ist. Die gezeigten Ergebnisse sind durch Finite-Elemente-Berechnungen berechnet. Wie in 13 gezeigt, sind die Werkzeuganzeigen (etwa 130 mS/m) alle wesentlich beeinflußt durch die Anwesenheit von mehreren leitenden Schichten über und unter der zu untersuchenden Schicht (die 12 Fuß = 3,66 m dicke Schicht), obwohl alle drei Arten von Werkzeugen genaue Leitfähigkeit (etwa 50 mS/m) in der homogenen Formation erzeugen.
Die in 13 gezeigten Schulterschichteffekte können die Messungen wesentlich verkomplizieren, insbesondere bei der Anwesenheit von Werkzeugexzentrizitäten. 14 zeigt die Exzentrizitätsantworten von 39XX-Anordnungen in drei verschiedenen Typen von Induktionswerkzeugen in einem Bohrloch mit und ohne die Schulterschichten. Die homogene Formation hat eine Leitfähigkeit von 50 mS/m. Das Dreilagen-Formationsmodell (Schulterschichtmodell) hat eine 12 Fuß = 3,66 m dicke Schicht (50 mS/m), die „sandwichartig" zwischen leitfähigeren Schichten (1.000 mS/m) angeordnet ist. Das 16 Zoll = 40,6 cm Bohrloch ist mit einem Schlamm mit einer Leitfähigkeit von 5.000 mS/m gefüllt.
Wie in 14 gezeigt, ist das isolierende Werkzeug (Kurven 1 und 2) unabhängig von Formationsarten durch Exzentrizitätseffekte beeinflußt. Man beachte, daß Schulterschichteffekte einen unterschiedlichen Anteil von Ablesewerten den Anzeigen der Messungen hinzufügen, abhängig von der Werkzeugexzentrizität, d.h. der Unterschied zwischen Kurve 1 und Kurve 2 wird immer stärker ausgeprägt, wenn sich die Werkzeugexzentrizität erhöht. Im Gegensatz dazu werden das Werkzeug mit metallischem Körper (Kurven 5 und 6) und das Mehr-Elektroden-Werkzeug (Kurven 3 und 4) weniger durch Schulterschichteffekte beeinflußt, und der Schulterschichteffekt scheint konstant unabhängig von Werkzeugexzentrizität zu sein. Ein Mehr-Elektroden-Werkzeug gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird daher verläßlichere Messungen liefern als ein Werkzeug mit isolierendem Körper, und die Schulterschichteffekte werden einfacher zu korrigieren sein.
15 zeigt die Ergebnisse von Schulterschichteffektkorrekturen auf die in 14 gezeigten Ergebnisse. Die Exzentrizitätsrückantworten auf 39XX-Messungen für die drei verschiedenen Arten von Induktionswerkzeugen sind mit und ohne Schulterschichteffektkorrektur gezeigt. Kurve 1 zeigt die Rückantwort von dem Werkzeug mit isolierendem Körper mit Schulterschichteffektkorrektur, wohingegen Kurve 2 die Messung mit dem gleichen Werkzeug in einer homogenen Formation zeigt. Es ist offensichtlich, daß die Schulterschichteffekte nicht korrekt über verschiedene Werkzeugexzentrizitäten entfernt werden können, d.h. Kurve 1 ist von Kurve 2 verschieden. Das heißt, daß die Exzentrizitätseffekte und die Schulterschichteffekte nicht einfach mit einem Werkzeug mit isolierendem Körper separierbar sind. Im Gegensatz dazu sind die Kurven 3 und 5 nach Schulterschichtkorrektur mit den entsprechenden Kurven für die homogenen Formationsmessungen (Kurven 4 und 6) für das Mehr-Elektroden-Werkzeug und das Werkzeug mit metallischem Körper übereinander legbar. Das Ergebnis zeigt an, daß der Exzentrizitätseffekt und der Schulterschichteffekt ungefähr trennbar sind für das Mehr-Elektroden-Werkzeug und das Werkzeug mit metallischem Körper, aber nicht jedoch für das Werkzeug mit isolierendem Körper.
Experimentelle Prüfung
Die obigen Simulationen zeigen, daß ein Mehr-Elektroden-Induktionswerkzeug gemäß Ausführungsformen der Erfindung ähnliche Messungen liefert, wie die eines Werkzeugs mit einem metallischen Körper. Die Messungen eines Mehr-Elektroden-Werkzeugs sind weniger beeinflußt durch Werkzeugexzentrizität (Bohrlocheffekte) oder Schulterschichteffekte, verglichen mit Messungen eines Werkzeugs mit einem isolierenden Körper. Diese berechneten Ergebnisse wurden in Labormessungen an realen Werkzeugen basierend auf diesem Aufbau geprüft.
Ein experimenteller Prototyp ähnlich zu dem Mehr-Elektrodenaufbau (beispielsweise das in 7 gezeigte Werkzeug) wurde aufgebaut und getestet in einem großen Tank, der mit Leitungswasser (79,2 mS/m) gefüllt war. Der Prototyp hat acht kurze Elektroden. Das Bohrloch wurde simuliert durch ein leitendes Kunststoffrohr, beispielsweise TIVAR^TM 1000 von Poly Hi Dolidur (Fort Wayne, IN), das mit Salzwasser (6,16 S/m) gefüllt war. Der innere Durchmesser des Kunststoffrohres betrug 13 Zoll = 33,0 cm.
16 zeigt ein Finite-Differenz-Modell von einem experimentellen Prototyp-Werkzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Prototyp wurde mit SLDMCYL, einem elektromagnetischen Simulator basierend auf dreidimensionaler zylindrischer Finite-Differenz-Methode, der von Schlumberger entwickelt wurde, erstellt. Die Elektrode zwischen den Empfängerspulen bei 15 und 21 Zoll (38,1 cm bzw. 53,3 cm) wurde weggelassen, und der Prototyp hatte zwei den Sender umgebende Elektroden, anstelle von vier. Die Fingerelektroden von dem in 8A gezeigten Typ wurden als anisotrope zylindrische Hüllen modelliert, die in azimuthaler Richtung keine und in der axialen und radialen Richtung eine hohe Leitfähigkeit aufweisen. Sie sind mit dem zentralen Leiter durch anisotrope Platten, die keine Leitfähigkeit in der axialen und azimuthalen Richtung aufweisen, verbunden. Diese Darstellung der Elektroden ist ähnlich, aber nicht äquivalent zu dem segmentierten Elektrodenmodell in 8A.
Das Modellieren zeigt an, daß die Rückantworten durch den Widerstand von den Fingern und den Platten für einen angemessenen Bereich von Widerstand unbeeinflußt sind. Gute Übereinstimmung zwischen den Messungen und den Berechnungen wurde für den 27 Zoll (68,6 cm)-Empfänger (17) und auch den 39 Zoll (99,1 cm)-Empfänger (18) erzielt. Diese Prüfungen bestätigen, daß die Modellcodes die Reduzierung der Bohrlocheffekte korrekt vorhersagen.
19 zeigt ein Finite-Differenz-Modell eines ähnlichen Prototyps mit neun kurzen Elektroden. Die Elektroden zwischen den Empfängerspulen bei 15 und 21 Zoll (38,1 cm und 53,3 cm) wurden in diesem Prototyp aufgenommen. Der Prototyp wurde in einem leitenden Rohr (TIVAR^TM-Rohr) getestet, das einen Durchmesser von ungefähr 7,9 Zoll (20,1 cm) aufwies und mit Salzwasser mit einer Leitfähigkeit von 5,68 S/m gefüllt war. Die Leitfähigkeit des Tanks war in diesem Falle 56,8 mS/m. Die gemessenen und berechneten Rückantworten für die 27 Zoll (68,6 cm)-Anordnung sind in 20 gezeigt. In dem Rohr mit 7,9 Zoll (20,1 cm) Durchmesser kann die Geometrie nicht so genau kontrolliert werden wie in dem 13 Zoll (33,0 cm)-Rohr, so daß die Übereinstimmung in 20 nicht so gut wie in 17 ist.
21 zeigt Rückantworten von einer anderen Variante mit fünf 1 Zoll(2,54 cm)-Elektroden und vier 3 Zoll(7,62 cm)-Fingerelektroden nahe dem Sender. Eine ausreichend nahe Übereinstimmung zwischen den berechneten und experimentellen Ergebnissen wird für die 27 Zoll(68,6 cm)-Empfänger (22) erhalten. Dieser Aufbau gibt 27XX- und 27YY-Rückantworten, die praktisch unabhängig von Exzentrizität für diese Bohrlochdurchmesser ist.
Die obige Beschreibung zeigt klar, daß Induktionswerkzeuge so aufgebaut werden können, daß sie gegenüber Bohrlocheffekten „resistenter" sind. 23 faßt ein Verfahren zum Gestalten eines Induktionswerkzeuges gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zusammen. Wie gezeigt, kann ein Verfahren 230 mit dem Ausgestalten eines konventionellen Induktionswerkzeuges (Schritt 231) beginnen. Das konventionelle Induktionswerkzeug kann ein Mehr-Anordnungswerkzeug sein, beispielsweise das AIT^TM, welches typischerweise einen herkömmlichen Sender und eine Vielzahl von Empfängern und die entsprechenden Kompensationsspulen, die beabstandet von dem Sender angeordnet sind, beinhaltet. Einige Induktionswerkzeuge können mehr als einen Sender beinhalten und andere können Elektroden für die Messungen eines spezifischen Widerstandes einer flachen Formation beinhalten. Man beachte, daß das Werkzeug Anordnungen beinhalten kann, die longitudinale magnetische Dipolspulen, transversale magnetische Dipolspulen, verkippte Spulen oder dreiachsige Spulen aufweisen.
Basierend auf dem Aufbau der Induktionswerkzeuge können Orte mit Nullempfindlichkeit z₀ berechnet werden an den harmonischen Mittelwerten für den Abstand zwischen Sender und der Kompensationsspule z_B und dem Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger z_R (Schritt 232). Jeder Ort mit Nullempfindlichkeit ist zwischen einer Hauptempfängerspule und der Kompensationsspule in Reihe verbunden.
Schließlich können eine oder mehrere Elektroden in dem Induktionswerkzeug bei einer oder mehreren Orten nahe den Orten von Nullempfindlichkeit beinhaltet sein (Schritt 233). Zusätzlich kann eine weitere Elektrode (oder Mehr-Elektroden) unterhalb des letzten Empfängers beinhaltet sein, vorzugsweise angeordnet an einem symmetrischen Ort bezüglich der letzten Elektrode (oder Mehr-Elektroden). Weiterhin können, wie oben gezeigt, weitere Elektroden um den Sender (Schritt 234) und unterhalb des letzten Empfängers (Schritt 235) beinhaltet sein, um weiter Bohrlocheffekte zu reduzieren.
Man beachte, daß bevorzugte Ausführungsformen Mehr-Elektroden (beispielsweise die Fingerelektroden) verwenden; einige Ausführungsformen können jedoch einzelne Elektroden (wie beispielsweise eine Rundelektrode oder eine Ringelektrode mit isolierenden Lücken, um die azimuthale Leitfähigkeit zu unterbrechen) beinhalten. Ferner sei bemerkt, daß die obige Beschreibung transversale Anordnungen verwendet, um die Probleme, die mit Bohrlocheffekten zusammenhängen, zu illustrieren. Es ist klar, daß Ausführungsformen der Erfindung die Bohrlocheffekte in den transversalen Anordnungen effektiv unterdrücken/reduzieren. Allerdings können Ausführungsformen der Erfindung auch mit longitudinalen Anordnungen, verkippten Antennenanordnungen oder dreiachsigen Anordnungen verwendet werden. Ausführungsformen der Erfindung sind auf ein Wireline-Werkzeug, ein Bohrlochvermessung-beim-Bohren-Werkzeug (loggingwhile-drilling tool, LWD) oder ein Messen-beim-Bohren-Werkzeug (measurementwhile-drilling, MWD) anwendbar.
Ausführungsformen der Erfindung schaffen Verfahren zum Auslöschen der großen Bohrlocheffekte, die transversale oder dreiachsige Induktionsmessungen verfälschen. Das Löschungsverfahren ist kompatibel mit dem mechanischen Aufbau einer Wireline-Induktionssonde und hat einen minimalen Einfluß auf die herkömmlichen koaxialen Induktionsmessungen.
Ausführungsformen der Erfindung schaffen eine ungefähre Formel für die Position von Nullempfindlichkeit, wo eine kleine Elektrode (oder ein Ring von mehreren Elektroden oder Fingerelektroden) zwischen einer Hauptempfängerspule und der mit dieser in Reihe geschalteten Kompensationsspule plaziert werden kann.
Eigenschaften eines Werkzeugs gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind ähnlich zu denen von einem Werkzeug mit einem metallischen Körper in Bezug auf (1) Rückantworten in einem homogenen Medium, (2) anisotropen Rückantworten, (3) Bohrlochexzentrizitätseffekten und (4) der Trennung von vertikalen Rückantworten und Bohrlocheffekten.

Claims

Induktionswerkzeug, beinhaltend: einen leitenden Dorn; wenigstens eine in einem isolierenden, den leitenden Dorn umgebenden Werkzeugkörper angeordnete Anordnung, umfassend einen Sender (T), eine Kompensationsspule (B) und einen Empfänger (R); und eine in dem isolierenden Werkzeugkörper an einer ausgewählten Stelle zwischen der Kompensationsspule (B) und dem Empfänger (R) angeordnete Elektrode, wobei die ausgewählte Stelle um einen Abstand von dem Sender beabstandet ist, der ungefähr mit einem harmonischen Mittelwert von einer Distanz zwischen dem Sender (T) und der Kompensationsspule (B) und einem Abstand zwischen dem Sender (T) und dem Empfänger (R) korrespondiert, und wobei die Elektrode einen Kontakt beinhaltet, der einen Leitungsweg zu dem leitenden Dorn schafft.
Induktionswerkzeug nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Anordnung eine transversale oder dreiachsige Anordnung umfaßt.
Induktionswerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zwischen der Kompensationsspule (B) und dem Empfänger (R) angeordnete Elektrode eine Ringelektrode, eine segmentierte Ringelektrode, eine Fingerelektrode oder eine Vielzahl von Rundelektroden ist, die um einen Umfang des isolierenden Werkzeugkörpers angeordnet ist.
Induktionswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der harmonische Mittelwert gemäß
berechnet wird, wobei z₀ der korrespondierende Abstand zu dem harmonischen Mittelwert ist sowie z_B und z_R jeweils Abstände von dem Sender (T) zur Kompensationsspule (B) und dem Empfänger (R) sind.
Induktionswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner beinhaltend eine weitere, in dem isolierenden Werkzeugkörper mit einem Abstand unter einem Empfänger (R72), der am weitesten von dem Sender (T) beabstandet ist, angeordnet ist, wobei die weitere Elektrode einen Leiter beinhaltet, der den leitenden Dorn kontaktiert.
Induktionswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner beinhaltend ein in dem Isolationswerkzeugkörper im wesentlichen symmetrisch um den Sender (T) angeordnetes Elektrodenpaar, wobei jede Elektrode des Elektrodenpaares einen Leiter beinhaltet, der den leitenden Dorn kontaktiert.
Induktionswerkzeug nach Anspruch 6, ferner beinhaltend eine weitere, in dem isolierenden Werkzeugkörper mit einem Abstand unterhalb des Empfängers (R72), der am weitesten von dem Sender (T) beabstandet ist, angeordneten Elektrode, wobei die weitere Elektrode einen Leiter beinhaltet, der den leitenden Dorn kontaktiert.
Induktionswerkzeug nach Anspruch 6 oder 7, ferner beinhaltend ein weiteres, in dem isolierenden Werkzeugkörper im wesentlichen symmetrisch um den Sender (T) angeordnetes Elektrodenpaar, wobei jede Elektrode des weiteren Elektrodenpaars einen Leiter beinhaltet, der den leitenden Dorn kontaktiert.
Induktionswerkzeug nach Anspruch 8, ferner beinhaltend eine weitere, in dem isolierenden Werkzeugkörper mit einem Abstand unterhalb des Empfängers (R72), der den weitesten Abstand von dem Sender aufweist, angeordneten Elektrode, wobei die weitere Elektrode einen Leiter beinhaltet, der den leitenden Dorn kontaktiert.
Verfahren zum Entwerten eines Induktionswerkzeugs, umfassend: Anordnen wenigstens einer Anordnung, umfassend einen Sender (T), eine Kompensationsspule (B) und einen Empfänger (R) in einem einen leitenden Dorn des Induktionswerkzeugs umgebenden isolierenden Werkzeugkörpers; Bestimmen einer Stelle von Nullempfindlichkeit, wobei die Stelle von Nullempfindlichkeit beim harmonischen Mittel des Abstands zwischen dem Sender (T) und der Kompensationsspule (B) und dem Abstand zwischen dem Sender (T) und dem Empfänger (R) angeordnet ist; und Anordnen einer Elektrode in dem isolierenden Werkzeugkörper nahe der Stelle von Nullempfindlichkeit, wobei ein Leitungsweg zwischen der Elektrode und dem leitenden Dorn erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine Anordnung eine transversale oder eine dreiachsige Anordnung umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Elektrode eine Ringelektrode, eine segmentierte Ringelektrode, eine Fingerelektrode oder eine Vielzahl von Rundelektroden ist, die um einen Umfang des isolierenden Werkzeugkörpers angeordnet ist.
Induktionswerkzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der harmonische Mittelwert gemäß
berechnet wird, wobei z₀ dem Abstand des harmonischen Mittelwerts entspricht sowie z_B und z_R Abstände von dem Sender (T) zur Kompensationsspule (B) und dem Empfänger (R) sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, ferner beinhaltend Anordnen einer weiteren Elektrode in dem isolierenden Werkzeugkörper mit einem Abstand unterhalb eines Empfängers (R72), der den weitesten Abstand von dem Sender (T) aufweist, wobei die weitere Elektrode einen Leiter beinhaltet, der den leitenden Dorn kontaktiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, ferner umfassend Anordnen eines Elektrodenpaares in dem isolierenden Werkzeugkörper im wesentlichen symmetrisch um den Sender (T), wobei jede Elektrode des Elektrodenpaares einen Leiter beinhaltet, der den leitenden Dorn kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend Anordnen einer weiteren Elektrode in dem isolierenden Werkzeugkörper bei einer Distanz unterhalb des Empfängers (R72), der den weitesten von dem Sender (T) aufweist, wobei die weitere Elektrode einen Leiter beinhaltet, der den leitenden Dorn kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, ferner umfassend Anordnen eines zweiten Elektrodenpaares in dem isolierenden Werkzeugkörper im wesentlichen symmetrisch um den Sender (T), wobei jede Elektrode des zweiten Elektrodenpaares einen Leiter beinhaltet, der den leitenden Dorn kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner beinhaltend Anordnen einer zusätzlichen Elektrode in dem isolierenden Werkzeugkörper mit einem Abstand unterhalb des Empfängers (R72), der den weitesten Abstand von dem Sender (T) aufweist, wobei die weitere Elektrode einen Leiter beinhaltet, der den leitenden Dorn kontaktiert.