EA011107B1

EA011107B1 - Способ и устройство для усовершенствованной фокусировки тока в приборах каротажа сопротивлений контактным методом

Info

Publication number: EA011107B1
Application number: EA200702232A
Authority: EA
Inventors: Маттиас Горек; Мартин Фольберт; Кристиан Фульда
Original assignee: Бейкер Хьюз Инкорпорейтед
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2008-12-30
Also published as: WO2006115783B1; CN101203776A; EP1875274B1; CA2604834A1; EP1875274A1; BRPI0610597A2; WO2006115783A1; US20060238202A1; WO2006115783A8; US7256582B2; EA200702232A1; CA2604834C

Abstract

Приведено описание прибора каротажа сопротивлений контактным методом, имеющего один или несколько измерительных электродов и фокусирующих электродов и один или несколько экранирующих электродов. С целью доведения до минимума протекания тока между измерительными и экранирующими электродами регулируют разность потенциалов между измерительными и фокусирующими электродами. За счет этого обеспечивают улучшенную фокусировку и избегают влияния контактного импеданса.

Description

Настоящее изобретение относится к области геофизических исследований в скважинах. В частности, настоящее изобретение относится к устройству и способу определения удельного сопротивления толщ пород с использованием электрических методов геофизической разведки.

Уровень техники

В обычных приборах каротажа сопротивлений контактным методом с фокусировкой тока фокусирующий электрод испускает ток, чтобы направить токовый пучок измерительного электрода глубже в проводящий материал. Для того чтобы определить удельное сопротивление материала, регистрируют напряжение и ток измерительного электрода. Потенциалы возбуждения фокусирующего и измерительного электродов должны точно совпадать во избежание возникновения возмущений идеального электрического поля, за счет чего обеспечивается эффект фокусировки. При значительной разности потенциалов возбуждения могут возникать токи от фокусирующего электрода к измерительному электроду или наоборот, проходящие через скважинный флюид вокруг прибора и способные полностью уничтожить эффект фокусировки и привести к значительным погрешностям измерений, если не принимать их во внимание. Обычно за счет эффекта фокусировки получают электрический ток с большей глубиной проникновения, чем без фокусировки.

В патенте И8 3365658, выданном на имя В1гбте11, для определения удельного сопротивления толщ пород предложено использование электрического каротажа с фокусировкой тока. Центральный измерительный электрод испускает измерительный ток в направлении прилегающих толщ пород. При помощи экранного тока, испускаемого фокусирующими электродами, расположенными вблизи измерительного электрода и с обеих его сторон, измерительный ток фокусируют в относительно узкий пучок тока, направленный из ствола скважины. В патенте И8 4122387, выданном на имя А)ат и др., описано устройство, позволяющее осуществлять одновременный боковой каротаж толщи пород на различных расстояниях от ствола скважины с использованием систем фокусирующих электродов, расположенных на зонде, который опускают в ствол скважины на каротажном кабеле. Один излучатель регулирует частоты двух токов, проходящих через толщу пород на различных заданных расстояниях от ствола скважины. Оплетка каротажного кабеля действует в качестве обратного питающего электрода одной из систем фокусирующих электродов, а электрод электродного комплекта кабеля непосредственно над каротажным зондом действует в качестве обратного питающего электрода второй системы фокусирующих электродов. Также описаны два варианта осуществления, в которых измеряют опорные напряжения на электродах электродного комплекта кабеля и систем фокусирующих электродов.

В прошлом предлагались методы исследования толщи пород с использованием группы измерительных электродов. См., например, патент И8 2930969, выданный на имя Вакег, патент СА 685727, выданный на имя Мапп и др., патент И8 4468623, выданный на имя С1ап/его. и патент И8 5502686, выданный на имя Поту и др. В патенте на имя Вакег предложено использование множества электродов, каждый из которых состоит из дисков, электрически соединенных гибкими проводами с дисками и проводами, заделанными в поверхность гибкой трубы. В патенте на имя Мапп предложено использование группы небольших электродных дисков, которые установлены на приборе или прижимном башмаке и каждый из которых вносит отдельно измеряемый измерительный ток для исследования толщи пород электрическими методами. Электродные диски помещают в горизонтальной плоскости с зазорами по окружности между электродами и устройством для последовательного возбуждения и измерения измерительного тока электродов.

В патенте на имя С1ап/его описаны приборы с прижимными башмаками, на каждом из которых расположено множество небольших измерительных электродов, отдельно измеряемые измерительные токи которых вводят в стенку ствола скважины. Измерительные электроды образуют группу, в которой они расположены, по меньшей мере, по окружности (вокруг оси ствола скважины) через определенные промежутки таким образом, чтобы измерительные токи, которые вводят в участки стенки ствола скважины, до заданной степени перекрывали друг друга по мере движения прибора вдоль ствола скважины. Измерительные электроды имеют небольшие размеры, позволяющие подробно исследовать электрическими методами прилегающий участок окружности ствола скважины и получать информацию о стратиграфии толщи пород вблизи ствола скважины, а также о трещинах и их ориентации. В одном из вариантов осуществления для определения пространственной структуры электрической энергии, вводимой центральным электродом, используют группу измерительных электродов, образующих пространственно замкнутый контур вокруг центрального электрода. В другом варианте осуществления для ввода тока в толщу пород через преимущественно прилегающий участок окружности ствола скважины используют линейную группу измерительных электродов. Дискретные составляющие тока могут быть измерены по отдельности, в результате чего может быть получено множество геодезических сигналов, которые отображают плотность тока, поступающего от группы, и на основании которых может быть составлено подробное электрическое изображение прилегающего участка окружности ствола скважины по мере движения прибора вдоль ствола скважины. Группа измерительных электродов также может иметь замкнутый контур, такой как круг, что позволяет непосредственно определять ориентацию удельного сопротивле

- 1 011107 ния аномалий.

В патенте на имя Όοτγ описано применение акустического датчика в сочетании с установленными на прижимном башмаке электродами, при этом акустические датчики позволяют заполнять пробелы в изображении, получаемом с использованием электродов, за счет того, что в стволах скважин большого диаметра электроды неизбежно не обеспечивают полный охват ствола скважины.

Процесс электрохимического уравновешивания металла (например, электрода) и электролита приводит к образованию слоев со сложной формой удельного сопротивления. Импеданс этих слоев называют контактным импедансом. При наличии тока в направлении электрода или от электрода импедансный слой создает разность потенциалов непосредственно снаружи и внутри электрода. Контактный импеданс подвержен значительным колебаниям и является нелинейным. Он зависит в основном от материала электрода, электрохимических свойств флюида, плотности тока и частоты подаваемого напряжения. Поскольку в природной среде толща пород заполнена флюидом, химический состав которого не полностью поддается проверке, контактный импеданс измерительных и фокусирующих электродов почти невозможно точно прогнозировать. Эффект фокусировки ослабляется или нарушается, когда возникает разность потенциалов фокусирующего и измерительного электродов вне импедансного слоя. Из-за этой разности может возникнуть ток через буровой раствор между электродами. Таким образом, контактный импеданс, по меньшей мере, существенно влияет на разрешающую способность измерений.

В патенте υδ 6373254, выданном на имя Όίοη и др., описан способ и устройство для регулирования воздействия, которое контактный импеданс оказывает на измерения удельного сопротивления толщи пород в процессе каротажа во время бурения. С целью регулирования импеданса поддерживают преимущественно нулевую разность потенциалов двух контрольных электродов, расположенных на приборе каротажа сопротивлений вблизи питающего электрода.

В других источниках рассматривается использование контрольных электродов при каротажных работах на кабеле. См., например, Эа\зе5 и др. (8РЕ 24676), Еуапк и др. (υδ 6025722), 8еетап (υδ 5396175), 8тЙ5 и др. (8рЕ 30584) и 8еЕо1Ьегд (υδ 3772589). Метод контрольных электродов предусматривает использование двух дополнительных электродов (которые называют контрольными электродами), расположенных между измерительным электродом и фокусирующим электродом для контроля возможной разности потенциалов. С помощью схемы управления регулируют потенциал измерительного электрода или фокусирующего электрода, чтобы в идеале поддерживать разность потенциалов контрольных электродов на нулевом уровне. Поскольку контрольные электроды не испускают ток, предполагается, что на них не влияет контактный импеданс. На основании минимального перепада напряжений на контрольных электродах делают вывод, что разность потенциалов фокусирующего электрода и измерительного электрода, в каждом случае за пределами импедансного слоя непосредственно снаружи электрода, равна нолю.

Проблема контактного импеданса в процессе каротажа во время бурения/измерений во время бурения (ЕЛУЭ/МХУЭ. от английского - 1оддтд \\1н1е бпШпд/теакитетеп! \\'1н1е блШпд) отличается от проблем каротажа на кабеле с учетом существенно более высокого механического напряжения, которое испытывает измерительный прибор во время работы. Согласно механическим требованиям к электроду в приборах Ε^Ό/Μ^Ό изоляционные прокладки электрода должны быть небольшими по сравнению с изоляционными прокладками приборов бокового каротажа. Таким образом, характеристика приборов каротажа сопротивлений Е\УЭ/М\УЭ отличается от их спускаемых на кабеле аналогов. В патенте υδ 5339037, выданном на имя Воппег и др., описано устройство Μ^Ό, в котором электрически изолированные электроды измеряют напряжения, возникающие в результате возбуждения двух разнесенных передатчиков. Одновременно измеряют контрольные токи. На основании значений напряжения и контрольного тока определяют удельное сопротивление. В патенте на имя Воппег не рассматривается вопрос контактного импеданса.

В патенте ϋδ 6348796, выданном на имя Еуапк и др., описан способ усовершенствования обычной технологии фокусировки путем использования трех электродов, которые приводятся в действие различными потенциалами. Токовый электрод, приводимый в действие средним потенциалом, окружен другим электродом, потенциал которого меньше на величину μν. Другой электрод, расположенный вокруг двух этих электродов, приводят в действие потенциалом, который на величину μν больше потенциала токового электрода. В патенте на имя Еуапк не рассматривается вопрос контактного импеданса.

Желательно, чтобы устройство и способ усовершенствования технологии фокусировки сочетались с возможностью, по существу, не зависеть от контактного импеданса, а также изменений удельного сопротивления среды. Также предпочтительно, чтобы устройство было применимо для Μ^Ό, а также каротажа на кабеле. В основу настоящего изобретения положена данная задача.

Краткое изложение сущности изобретения

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложено устройство для определения параметра удельного сопротивления толщи пород. Устройство включает каротажный зонд, находящийся в стволе скважины, пробуренной в толще пород. Каротажный зонд имеет по меньшей мере один измерительный электрод, который подает ток зонда (центрального электрода) в толщу пород. По мень- 2 011107 шей мере один фокусирующий электрод, соединенный по меньшей мере с одним измерительным электродом, фокусирует ток зонда. По меньшей мере между одним фокусирующим электродом и по меньшей мере одним измерительным электродом расположен экранирующий электрод. Устройство включает схему для сведения к минимуму протекания тока по меньшей мере между одним измерительным электродом и экранирующим электродом. Схема может включать процессор, изменяющий потенциал по меньшей мере одного измерительного электрода, ток, подаваемый по меньшей мере на один измерительный электрод, импеданс по меньшей мере между одним фокусирующим электродом и по меньшей мере одним измерительным электродом и/или потенциал по меньшей мере одного фокусирующего электрода. На основании тока зонда и потенциала фокусирующего электрода и/или измерительного электрода процессор может определять полное (кажущееся) сопротивление (импеданс), соответствующее параметру удельного сопротивления. Из полного сопротивления может быть выведено удельное сопротивление толщи пород. Определяемое полное сопротивление преимущественно не зависит от отклонения каротажного зонда и/или удельного сопротивления флюида в стволе скважины. Устройство может включать средство доставки, такое как кабель или бурильную трубу. Может быть предусмотрен датчик ориентации, выход которого используют для получения отображения удельного сопротивления в стволе скважины. Снаружи фокусирующего электрода может быть предусмотрен дополнительный экранирующий электрод. Процессор может находиться на поверхности или в стволе скважины. Измерительный электрод, экранирующий электрод и фокусирующий электрод могут иметь кольцевую форму.

В изобретении также предложен способ определения параметра удельного сопротивления толщи пород. С помощью измерительного электрода на каротажном зонде, находящемся в толще пород, в толщу пород подают ток зонда. Ток зонда фокусируют с помощью фокусирующего электрода на каротажном зонде. Измерительный электрод защищен от фокусирующего электрода экранирующим электродом. Между измерительным электродом и экранирующим электродом доводят до минимума протекание тока. Протекание тока может быть сведено к минимуму путем изменения потенциала измерительного электрода, изменения тока, подаваемого на измерительный электрод, изменения импеданса между фокусирующим электродом и измерительным электродом и/или изменения потенциала фокусирующего электрода. На основании тока зонда и потенциала фокусирующего электрода или измерительного электрода может быть определено полное сопротивление, соответствующее параметру удельного сопротивления. Определяемое полное сопротивление, по существу, не зависит от отклонения каротажного зонда и/или удельного сопротивления флюида в стволе скважины. Для доставки каротажного зонда в ствол скважины может использоваться бурильная труба с компоновкой низа бурильной колонны, на которой установлен каротажный зонд, или кабель. Может быть получено отображение удельного сопротивления в стволе скважины.

В изобретении, кроме того, предложен машиночитаемый носитель для использования с каротажным зондом, размещаемым в стволе скважины, пробуренной в толще пород. Каротажный зонд включает измерительный электрод, который доставляет ток зонда в толщу пород, и фокусирующий электрод, который фокусирует ток зонда. Каротажный зонд также включает экранирующий электрод, расположенный между фокусирующим электродом и измерительным электродом. Носитель содержит команды, позволяющие доводить до минимума протекание тока между измерительным электродом и экранирующим электродом и на основании тока зонда и потенциала фокусирующего или измерительного электрода определять полное сопротивление.

Краткое описание чертежей

Отличительные особенности, принципы и способ осуществления изобретения, наряду с решаемыми в нем задачами и преимуществами, станут более понятны из следующего далее подробного описания и чертежей с неограничивающими примерами осуществления изобретения, на которых показано:

фиг. 1 (уровень техники) - схематическая иллюстрация буровой системы;

фиг. 2 (уровень техники) - типичная конфигурация различных компонентов переводника измерительного датчика удельного сопротивления;

фиг. 3 - схематическая иллюстрация конфигураций электродов, используемых в настоящем изобретении;

фиг. 4 - схема, соответствующая конфигурации электродов на фиг. 3;

фиг. 5а-5в - варианты осуществления изобретения, в которых управление током экранирующего электрода осуществляют путем (а) регулирования источника напряжения, (б) регулирования источника тока и (в) регулирования комплексного сопротивления;

фиг. 6а-6г - различные схемы расположения, с помощью которых может быть достигнута конфигурация электродов, показанная на фиг. 3;

фиг. 7 - конфигурация электродов согласно альтернативному варианту осуществления изобретения; фиг. 8 - блок-схема работы варианта осуществления, показанного на фиг. 7;

фиг. 9а, б - каскадирование фокусирующих электродов;

фиг. 10 - блок-схема работы конфигурации электродов, показанной на фиг. 9а, б;

фиг. 11а, б - сравнение электрического поля известного устройства и предложенного в настоящем изобретении устройства;

- 3 011107 фиг. 12 - график радиуса разрешения предложенного в настоящем изобретении устройства в зависимости от отклонения зонда и удельного сопротивления толщи пород при удельном сопротивлении бурового раствора 0,02 Ом/м (Ω-м);

фиг. 13 - график полного сопротивления предложенного в настоящем изобретении устройства в зависимости от отклонения зонда и удельного сопротивления толщи пород при удельном сопротивлении бурового раствора 0,02 Ом/м;

фиг. 14 - график полного сопротивления предложенного в настоящем изобретении устройства в зависимости от отклонения зонда и удельного сопротивления толщи пород при удельном сопротивлении бурового раствора 0,2 Ом/м;

фиг. 15 - график полного сопротивления предложенного в настоящем изобретении устройства в зависимости от отклонения зонда и удельного сопротивления толщи пород при удельном сопротивлении бурового раствора 2 Ом/м.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 схематически показана буровая система 10 с бурильной колонной 20, на которой установлена буровая компоновка 90 (также именуемая компоновкой низа бурильной колонны - КНБК), доставляемая в ствол 26 скважины для бурения. Буровая система 10 включает обычную буровую вышку 11, установленную на полу 12, на который опирается буровой ротор 14, которому сообщает вращение с необходимым числом оборотов первичный привод, такой как электродвигатель (не показан). Бурильная колонна 20 представляет собой систему труб, такую как бурильная труба 22 или гибкие трубы малого диаметра, которые проходят с поверхности в ствол 26 скважины. Когда в качестве системы труб используют бурильные трубы 22, бурильную колонну 20 проталкивают в ствол 26 скважины. Однако в случае использования гибких труб малого диаметра для перемещения системы труб от их источника, такого как барабан-накопитель (не показан), в стволе 26 скважины используют устройство захвата и подачи непрерывной колонны труб, такое как затвор (не показан). Для бурения ствола 26 скважины используют буровое долото 50, установленное на конце бурильной колонны, которое при вращении разрушает толщу пород. В случае использования бурильной трубы 22 бурильную колонну 20 посредством квадратной штанги 21, вертлюжного соединения 28 и талевого каната 29, проходящего через шкив 23, соединяют с буровой лебедкой 30. В процессе бурения буровую лебедку 30 используют для регулирования осевой нагрузки на долото, которая является важным параметром, влияющим на скорость проходки. Поскольку работа буровой лебедки хорошо известна из уровня техники, она подробно не описана далее.

В процессе бурения через канал в бурильной колонне 20 при помощи бурового насоса 34 под давлением подают соответствующий буровой раствор 31, который поступает из резервуара (источника) 32 для бурового раствора. Буровой раствор подается буровым насосом 34 в бурильную колонну 20 через поглотитель гидравлического удара, трубопровод 38 и квадратную штангу 21. Буровой раствор 31 выпускают на дне 51 ствола скважины через отверстие в буровом долоте 50. Буровой раствор 31 циркулирует вверх по стволу скважины через кольцевое пространство 27 между бурильной колонной 20 и стволом 26 скважины и возвращается резервуар 32 по обратному трубопроводу 35. Буровой раствор служит для смазывания бурового долота 50 и отвода выбуренной породы от бурового долота 50. На трубопроводе 38 предпочтительно установлен датчик 8_Ь обеспечивающий информацию о расходе бурового раствора. Расположенный на поверхности датчик 8₂ крутящего момента и датчик 8₃, соединенный с бурильной колонной 20, соответственно, обеспечивают информацию о крутящем моменте и скорости вращения бурильной колонны. Для получения информации о нагрузке на крюк бурильной колонны 20 дополнительно используют датчик (не показан), соединенный с талевым канатом 29.

В одном из вариантов осуществления изобретения буровое долото 50 вращается лишь при вращении бурильной трубы 22. В другом варианте осуществления изобретения для сообщения вращения буровому долоту 50 в буровой компоновке 90 расположен забойный двигатель 55 (турбобур), а вращение бурильной трубы 22 обычно используют при необходимости в качестве дополнительного крутящего момента и для изменения направления бурения.

В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, забойный двигатель 55 соединен с буровым долотом 50 посредством ведущего вала (не показан), который расположен в подшипниковом узле 57. Когда через забойный двигатель 55 под давлением поступает буровой раствор 31, забойный двигатель 55 сообщает вращение буровому долоту 50. Подшипниковый узел 57 обеспечивает радиальное и осевое усилия бурового долота. В качестве центратора нижнего участка узла забойного двигателя используют стабилизатор 58, соединенный с подшипниковым узлом 57.

Рассмотрим фиг. 2, на которой показана типичная конфигурация различных компонентов переводника измерительного датчика удельного сопротивления. На верхнем конце расположен модульный перепускной переводник 101. Позицией 103 обозначено питание и электронное оборудование для обработки. Переводник имеет стабилизатор 107 и может иметь порт разгрузки (вывода) данных, обозначенный позицией 105. Позицией 109 обозначен датчик удельного сопротивления (дополнительно рассмотренный далее), а позицией 113 обозначено измерительное электронное оборудование. С обоих концов переводника предусмотрены модульные соединения для крепления переводника к компоновке низа бурильной колонны. Для измерения угла отклонения узла датчика во время постоянного вращения предусмотрен

- 4 011107 датчик 111 ориентации. Могут использоваться датчики ориентации различных типов, включая магнитометры, акселерометры или гироскопы. Использование таких устройств для определения угла отклонения известно из техники и дополнительно не описано.

Обозначенный позицией 107 стабилизатор выполняет несколько функций. Как и обычных стабилизаторов, одной из его функций является уменьшение колебаний и вибрации узла датчика. Вместе с тем, в контексте настоящего изобретения он также имеет другую важную функцию, а именно, центрирования части компоновки низа бурильной колонны (КНБК), включающей узел датчика, а также обеспечения заданного отклонения датчиков от стенки ствола скважины. Хотя это и не показано на фиг. 2, наружный диаметр стабилизатора превышает наружный диаметр части КНБК, включающей датчик удельного сопротивления.

За счет этой разницы в диаметрах датчик удельного сопротивления сохраняет отклонение от стенки ствола скважины во время постоянного вращения бурильной колонны.

В настоящем изобретении предложен альтернативный способ решения проблемы контактного импеданса при определении удельного сопротивления толщи пород. Вместо двух контрольных электродов в изобретении используется лишь один дополнительный электрод (называемый экранирующим электродом) и применяется особый механизм управления. Данный способ позволяет усовершенствовать эффект фокусировки по сравнению с обычным способом с использованием контрольных электродов.

На фиг. 3 схематически проиллюстрирован вариант осуществления изобретения. Показан экранирующий электрод 123, расположенный между измерительным электродом 121 и фокусирующим электродом 125. Если поле внутри бурового раствора или толщи пород является неидеальным (см. Предпосылки создания изобретения), внутри экранирующего электрода будет протекать ток. Экранирующий электрод соединен с измерительным электродом амперметром А1, который передает измеренное значение 131 тока контроллеру 133. Контроллер регулирует напряжение, подаваемое источником 135 напряжения, до тех пор пока не прекратится ток через амперметр А1. Результатом данного условия является то, что ток, поступающий в экранирующий электрод, должен выйти из него, не оказав влияния на измерительное электронное оборудование. Поскольку измерительный электрод должен быть окружен экранирующим электродом, для выполнения условия отсутствия тока через А1 потенциал фокусирующего электрода не может быть выше, ниже или равным потенциалу измерительного электрода. Таким образом, ток из фокусирующего электрода поступает в экранирующий электрод и должен выйти из него в буровой раствор или толщу пород, поскольку потенциал между измерительным электродом и экранирующим электродом равен нолю (сравнить с фиг. 4). За счет этого обеспечивается усовершенствованная фокусировка.

Согласно фиг. 4, на которой показана схема, соответствующая конфигурации электродов на фиг. 3, измерительный электрод М имеет фокусирующий электрод С. Фокусирующий электрод фокусирует ток зонда внутрь толщи пород. Позицией X на фиг. 4 обозначено положение внутри бурового раствора за пределами импедансного слоя вблизи экранирующего электрода 8. Позициями и₁ и и_С обозначены напряжения, подаваемые одним или несколькими источниками питания. Позицией К_М обозначено сопротивление измерительного электрода. Позицией К_М8 обозначено сопротивление соединения от М до 8. Позициями Ζ_μ, Ζ₈ и Ζ_σ обозначены контактные импедансы, соответствующие измерительному электроду М, экранирующему электроду 8 и фокусирующему электроду С. Позициями И_МЪ| и К_мип2 обозначены сопротивления бурового раствора. Позициями К_АМ, К_А8 и К_АС обозначены полные кажущиеся сопротивления толщи пород, соответственно, для измерительного электрода, экранирующего электрода и фокусирующего электрода. К возврата обозначено на фиг. 4 символом заземления.

Измерения удельного сопротивления осуществляют следующим образом. На фокусирующий электрод С подают напряжение и_С. Измеряют ток 1_М8 между фокусирующим электродом и экранирующим электродом. Регулируют напряжение и_МС (например, путем изменения напряжения и₁) до тех пор, пока ток 1_М8 не станет равным 0. Поскольку ток 1_М8=0, разность потенциалом между М и точкой X в буровом растворе исчезает и, таким образом, в направлении от М к X или наоборот отсутствует результирующий ток. Через К_АМ протекает суммарный ток в направлении от М через Ζ_μ и от X через Е_мии1. Поэтому нижеследующее в одинаковой степени относится к неизвестным и неравным контактным импедансам Ζ_μ, Ζ8 и Ζ_ο:

(1) в толщу пород поступает полный ток, выходящий из М;

(2) в направлении от М к С не может возникнуть ток и (3) эффект фокусировки даже улучшается за счет отсутствия контактного импеданса и в точности равного потенциала С и М.

В таком случае полное сопротивление ρ_α вычисляют согласно следующему уравнению:

Р«=к~ (1) 'Л/ в котором к означает константу, которая может быть определена путем калибровки зонда известными способами;

1_М означает ток зонда (амперметр К_М);

- 5 011107

Имо означает разность потенциалов между напряжением на измерительном электроде и опорным потенциалом (напряжением возврата).

Рассмотрим фиг. 5а-5в, на которых проиллюстрированы различные способы достижения нулевого тока между измерительным электродом и экранирующим электродом. Как показано на фиг. 5а, для этого регулируют напряжение, подаваемое источником 135 напряжения. На фиг. 5б показано, что регулируют ток, поступающий из источника тока. На фиг. 5в показано, что регулируют сопротивление 2_к, которое меняет ток, проходящий через измерительный электрод и экранирующий электрод, путем использования разности потенциалов ϋο_η между фокусирующим электродом и землей в качестве источника питания.

Перед тем как перейти к рассмотрению фиг. 6а-6г, определим базовое понятие экранированного измерительного электрода (ЭИМ). ЭИМ включает плоский измерительный электрод произвольной формы, окруженный изоляцией, вокруг которого находится экранирующий электрод. Экранирующий электрод также окружен изоляцией. Электроды может приводить в действие показанное на фиг. 5а-в электронное оборудование путем поддержания постоянного потенциала фокусирующего электрода.

На фиг. 6а показан зонд, который может представлять собой зонд для измерений во время бурения, входящий в компоновку низа бурильной колонны, или доставляемый на кабеле каротажный зонд, при этом на его корпусе 153 поддерживают потенциал возврата, и он включает один или несколько частичных фокусирующих электродов 151а, 151Ь, 151с произвольной формы. Фокусирующие электроды могут работать при различных постоянных потенциалах. Каждый фокусирующий электрод имеет один или несколько ЭИМ 155. Один или несколько ЭИМ могут приводиться в действие показанным на фиг. 5а-5в электронным оборудованием при различных потенциалах. В случае регулирования импеданса ЭИМ могут быть оснащены несколькими параллельно приводимыми в действие регулируемыми сопротивлениями с использованием источника напряжения сопутствующего фокусирующего электрода. Каждый из показанных на фиг. 6а частичных фокусирующих электродов окружен изолятором 157, изолирующим фокусирующий электрод от потенциала возврата. Показанная конкретная конструкция с фокусирующим электродом 151Ь применима на ребрах прибора для измерений во время бурения.

Основное различие между фиг. 6б и фиг. 6а состоит в том, что на фиг. 6б показано использование полных фокусирующих электродов 151а', 151Ь', 151с'.

Показанная конкретная конструкция с электродом 151Ь' применима на ребрах прибора для измерений во время бурения. На фиг. 6в показаны фокусирующие электроды в форме башмаков, которые отделены от корпуса 151 зонда соответствующими промежуточными (изолирующими) элементами 161.

Как показано на фиг. 6г, зонд, на корпусе которого поддерживают потенциал возврата, имеет несколько групп кольцевых электродов. Каждая группа состоит из внутреннего кольцевого измерительного электрода 201, который окружен двумя короткозамкнутыми экранирующими кольцевыми электродами 203. Экранирующие кольцевые электроды окружены двумя короткозамкнутыми фокусирующими кольцевыми электродами 205. Различные наборы короткозамкнутых фокусирующих электродов могут приводиться в действие при различных постоянных потенциалах. Измерительные и экранирующие электроды могут приводиться в действие показанным на фиг. 5а-5в электронным оборудованием при различных потенциалах. Также могут поддерживаться различные постоянные потенциалы измерительных электродов, а потенциалы фокусирующих электродов регулироваться.

На фиг. 7 показан вариант осуществления, аналогичный показанному на фиг. 6г. Вместе с тем, пары экранирующих электродов 203а, 203Ь и пары фокусирующих электродов 205а, 205Ь не являются короткозамкнутыми. Для приведения в действие данного варианта осуществления следует использовать блоксхему, показанную на фиг. 8. У измерительного электрода группы поддерживают постоянный потенциал. Экранирующий ток экранирующего кольцевого электрода, с каждой стороны окруженного измерительным и фокусирующим кольцевыми электродами, доводят до минимума путем регулирования потенциала соседнего фокусирующего кольцевого электрода. Данная конструкция позволяет приводить в действие два фокусирующих кольцевых электрода, которые окружают измерительный электрод, при различных потенциалах путем использования двух отдельно приводимых в действие экранирующих электрода. Данный вариант осуществления применим для усиления фокусировки и вертикального разрешения в толще пород с сильными скачками удельного сопротивления.

На фиг. 9а и 9б проиллюстрировано каскадирование экранирующих и фокусирующих электродов с использованием двух экранирующих и двух фокусирующих электродов. Обычно измерительный электрод 301 окружен первым экранирующим электродом 303, который в свою очередь окружен первым фокусирующим электродом 305. Кроме того, первый фокусирующий электрод окружен вторым экранирующим электродом 307. За счет этого первый фокусирующий электрод, окруженный вторым экранирующим электродом, также может быть экранирован, как и измерительный электрод. Следуя данному принципу экранирования внутренних фокусирующих электродов, конструкцию можно описать как измерительный электрод, окруженный экранирующим электродом и η-парами внутренних фокусирующих и экранирующих электродов. Вся конструкцию завершает наиболее удаленный от центра фокусирующий электрод 309. На фиг. 9а проиллюстрированы плоские электроды произвольной формы. Экранирующие и фокусирующие электроды имеют такую же форму, как и измерительный электрод. Наружный фокусирующий электрод 309 может иметь отличающуюся форму и может представлять собой частичный или

- 6 011107 полный фокусирующий электрод. На фиг. 9б показаны кольцевые электроды с соответствующим замыканием накоротко. Позицией 311 обозначен корпус зонда.

На фиг. 10 схематически проиллюстрирован способ работы по вариантам осуществления, показанным на фиг. 9а, б. Измерительный электрод и внутренний экранирующий электрод приводят в действие, как это описано выше. У наружного фокусирующего электрода поддерживают постоянный потенциал. В зависимости от числа пар внутренних фокусирующих и экранирующих электродов регулируют потенциал каждого внутреннего фокусирующего электрода, доводя до минимума экранирующий ток соответствующего экранирующего электрода. Для этого могут использоваться источники напряжения или тока, а также регулируемые сопротивления. В случае использования регулируемых сопротивлений они могут быть подключены параллельно источнику напряжения фокусирующего электрода или в виде каскада, соединяющего одну пару электродов со следующей парой электродов.

На фиг. 11а и 11б приведено сравнение конфигурации электродов без дополнительного экранирующего электрода и с дополнительным экранирующим электродом. Показано электрическое поле для модели, осесимметричной относительно перпендикуляра электродов, расположенного по центру измерительного электрода. На фиг. 11а показаны линии электрического поля при обычной конфигурации электродов в идеальных условиях (при одинаковом потенциале измерительного и фокусирующего электрода и отсутствии контактного импеданса). Позицией 401 обозначен измерительный электрод, позицией 405 фокусирующий электрод и позицией 403 - изолятор. В данном случае радиус 453 разрешения (радиус, в пределах которого ток измерительного электрода проникает в толщу пород) является преимущественно таким же, как и радиус 451 разрешения измерительного электрода и равен половине ширины изолятора. На фиг. 116 показаны линии электрического поля при конфигурации электродов, включающей экранирующий электрод 505. Позицией 501 обозначен измерительный электрод. Позициями 503 и 507 обозначены изоляторы. Потенциал фокусирующего электрода 509 поддерживают несколько выше, чем потенциал измерительного электрода, выполняя условие отсутствия тока между измерительным электродом и экранирующим электродом, за счет чего часть тока фокусирующего электрода поступает в экранирующий электрод и выходит из него в толщу пород. Радиус 553 разрешения является меньшим, чем радиус 551 разрешения измерительного электрода, в результате чего улучшается фокусировка тока измерительного электрода.

На фиг. 12 показан вид в перспективе трехмерного графика диаметра разрешения в зависимости от логарифма удельного сопротивления толщи пород и расстояния между типичным зондом и толщей пород при удельном сопротивлении бурового раствора 0,02 Ом/м. Важно отметить, что радиус разрешения преимущественно не зависит от удельного сопротивления толщи пород. Кроме того, диаметр разрешения является преимущественно постоянным в относительно широком диапазоне отклонений (4-8 мм), а при отклонении менее 4,4 мм он меньше диаметра измерительного электрода (5,08 мм). При других величинах удельного сопротивления бурового раствора (не показаны) на графиках прослеживается аналогичная тенденция.

На фиг. 13 показан вид в перспективе трехмерного графика логарифма полного сопротивления в зависимости от величины отклонения и логарифма удельного сопротивления толщи пород при удельном сопротивлении бурового раствора 0,02 Ом/м. Следует отметить две вещи. Во-первых, что более важно, полное сопротивление, измеряемое зондом, находится преимущественно в линейной зависимости от удельного сопротивления толщи пород. Во-вторых, полное сопротивление преимущественно одинаково в широком диапазоне отклонений (2-8 мм).

На фиг. 14 показан график, аналогичный графику на фиг. 13, но при удельном сопротивлении бурового раствора 0,2 Ом/м. Снова следует отметить, что полное сопротивление преимущественно не зависит от отклонения. Если сравнить фиг. 14 с фиг. 13, удельное сопротивление бурового раствора не оказывает заметного влияния на полное сопротивление.

На фиг. 15 показан график, аналогичный графику на фиг. 13, но при удельном сопротивлении бурового раствора 2 Ом/м. Полное сопротивление находится преимущественно в линейной зависимости от удельного сопротивления толщи пород, преимущественно не зависит от отклонения, и на него не оказывает заметного влияния удельное сопротивление бурового раствора.

В одном из вариантов осуществления могут быть предусмотрены соответствующие калибровочные кривые соотношения полного сопротивления и удельного сопротивления толщи пород при различных величинах удельного сопротивления бурового раствора. Удельное сопротивление бурового раствора может быть известно заранее или измерено на месте с помощью соответствующего устройства, такого как устройство, описанное в патенте И8 6801039, выданном на имя ЕаЬтщ и др., правопреемником которого является правопреемник настоящего изобретения и содержание которого путем ссылки полностью включено в настоящее описание.

С помощью предложенного в настоящем изобретении устройства и способа может быть получено отображение удельного сопротивления в среде измерений в процессе бурения с использованием измерений ориентации с помощью соответствующего датчика ориентации, такого как магнитометр. Способы получения таких отображений рассмотрены, например, в патенте И8 6173793, выданном на имя Тйошркои и др., правопреемником которого является правопреемник настоящего изобретения и содер

- 7 011107 жание которого путем ссылки полностью включено в настоящее описание.

Обработка данных может осуществляться скважинным процессором, что позволяет получать скорректированные результаты измерений преимущественно в режиме реального времени. В качестве альтернативы результаты измерений могут регистрироваться под землей, извлекаться при подъеме бурильной колонны и обрабатываться наземным процессором. Подразумевается, что при управлении и обработке данных используют компьютерную программу на соответствующем машиночитаемом носителе, позволяющую процессору осуществлять управление и обработку. Машиночитаемый носитель может включать постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (СНИЗУ), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ), флэш-память и оптические диски.

Несмотря на то что в описании были раскрыты предпочтительные варианты осуществления изобретения, для специалиста в данной области техники будут очевидны различные усовершенствования. Предполагается, что раскрытие охватывает все изменения, входящие в объем притязаний приложенной формулы изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для определения параметра удельного сопротивления толщи пород, включающее каротажный зонд, размещаемый в стволе пробуренной в толще пород скважины и имеющий по меньшей мере один измерительный электрод для подачи тока зонда в толщу пород;

по меньшей мере один фокусирующий электрод, связанный по меньшей мере с одним измерительным электродом и фокусирующий ток зонда;

экранирующий электрод, расположенный по меньшей мере между одним фокусирующим электродом и по меньшей мере одним измерительным электродом; и схему для сведения к минимуму протекание тока по меньшей мере между одним измерительным электродом и экранирующим электродом, которая содержит процессор, изменяющий по меньшей мере один из показателей, включающих потенциал по меньшей мере одного измерительного электрода, импеданс по меньшей мере между одним фокусирующим электродом и по меньшей мере одним измерительным электродом и потенциал по меньшей мере одного фокусирующего электрода.
2. Устройство по п.1, дополнительно включающее процессор для определения, на основании тока зонда и потенциала по меньшей мере одного из электродов, включающих фокусирующий электрод и измерительный электрод, полного сопротивления, соответствующего параметру удельного сопротивления.
3. Устройство по п.2, в котором процессор определяет полное сопротивление ρ_α согласно следующему уравнению:

в котором к означает коэффициент калибровки;

Имо означает напряжение по меньшей мере одного из электродов, включающих фокусирующий электрод и измерительный электрод, относительно опорного потенциала;

1_м означает ток зонда.
4. Устройство по п.3, где интересующим параметром является удельное сопротивление толщи пород, определяемое процессором на основании полного сопротивления.
5. Устройство по п.2, в котором определяемое полное сопротивление, по существу, не зависит по меньшей мере от одного из параметров, включающих отклонение каротажного зонда и удельное сопротивление флюида в стволе скважины.
6. Устройство по п.1, в котором отклонение каротажного зонда от стенки ствола скважины составляет приблизительно от 2 до 10 мм.
7. Устройство по п.1, дополнительно включающее средство доставки каротажного зонда в ствол скважины, выбранное из группы, включающей бурильную трубу с компоновкой низа бурильной колонны, на которой установлен каротажный зонд, и кабель.
8. Устройство по п.1, дополнительно включающее датчик ориентации, на выходе которого отображается угол ориентации каротажного зонда, при этом устройство включает процессор, создающий отображение удельного сопротивления толщи пород с использованием выхода датчика ориентации.
9. Устройство по п.1, в котором размер по меньшей мере одного измерительного электрода превышает ток зонда у стенки ствола скважины.
10. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере один экранирующий электрод представляет собой электрод, окружающий по меньшей мере один фокусирующий электрод.
11. Устройство по п.1, дополнительно включающее изоляторы, расположенные по меньшей мере между одним измерительным и экранирующим электродами и между экранирующим и по меньшей мере одним фокусирующим электродами.

- 8 011107
12. Устройство по п.1, в котором процессор расположен по меньшей мере в одном из положений, включающих наземное и внутрискважинное положения.
13. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере один измерительный электрод, экранирующий электрод и по меньшей мере один фокусирующий электрод представляют собой кольцевые электроды.
14. Способ определения параметра удельного сопротивления толщи пород, при осуществлении которого подают ток зонда в толщу пород с помощью измерительного электрода на каротажном зонде, размещенном в толще пород;

фокусируют ток зонда с помощью фокусирующего электрода на каротажном зонде;

экранируют измерительный электрод от фокусирующего электрода и минимизируют протекание тока между измерительным и экранирующим электродами путем изменения по меньшей мере одного из показателей, включающих потенциал измерительного электрода, ток, подаваемый на измерительный электрод, импеданс между фокусирующим и измерительным электродами и потенциал фокусирующего электрода.
15. Способ по п.14, в котором на основании тока зонда и потенциала по меньшей мере одного из электродов, включающих фокусирующий электрод и измерительный электрод, определяют полное сопротивление, соответствующее параметру удельного сопротивления.
16. Способ по п.14, в котором на стадии определения полного сопротивления ρ_α дополнительно используют следующее уравнение:

в котором к означает коэффициент калибровки;

Имо означает напряжение по меньшей мере одного из электродов, включающих фокусирующий электрод и измерительный электрод, относительно опорного потенциала;

1_м означает ток зонда.
17. Способ по п.15, в котором параметром удельного сопротивления является удельное сопротивление толщи пород, определяемое на основании полного сопротивления.
18. Способ по п.15, в котором определяемое полное сопротивление, по существу, не зависит по меньшей мере от одного из параметров, включающих отклонение каротажного зонда и удельное сопротивление флюида в стволе скважины.
19. Способ по п.14, в котором каротажный зонд доставляют в ствол скважины на одном из средств, включающих бурильную трубу с компоновкой низа бурильной колонны, на которой установлен каротажный зонд, и кабель.
20. Способ по п.14, в котором получают отображение удельного сопротивления толщи пород с использованием измерений ориентации.
21. Машиночитаемый носитель для использования с каротажным зондом, размещаемым в стволе пробуренной в толще пород скважины и включающим измерительный электрод, который подает ток зонда в толщу пород;

фокусирующий электрод, который фокусирует ток зонда; и экранирующий электрод, расположенный между фокусирующим и измерительным электродами, при этом носитель содержит команды, позволяющие процессору минимизировать протекание тока между измерительным и экранирующим электродами путем изменения по меньшей мере одного из показателей, включающих потенциал по меньшей мере одного измерительного электрода; ток, подаваемый по меньшей мере на один измерительный электрод; импеданс по меньшей мере между одним фокусирующим электродом и по меньшей мере одним измерительным электродом и потенциал по меньшей мере одного фокусирующего электрода; и определять полное сопротивление на основании потенциала фокусирующего или измерительного электрода и тока зонда.
22. Носитель по п.21, выбранный из группы, включающей постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (СНИЗУ), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ), флэш-память и оптический диск.