MX2014015015A - Sistemas y metodos de registro de antena inclinada que producen señales de medicion robustas. - Google Patents

Abstract

Aquí se divulgan sistemas de registro electromagnético y métodos que proporcionan un conjunto de señales que de manera robusta aproximan la respuesta de una herramienta de modelo que emplea tríadas ortogonales de antenas de punto-dipolo; una modalidad del método ilustrativo obtiene mediciones de señal de una herramienta de registro electromagnético sensible al azimut como una función de posición en un barreno, la herramienta tiene al menos dos distancias de separación (d1, d2) entre antenas de transmisión y recepción; mediciones de acoplamiento directo ortogonales (Vxx, Vyy, Vzz) se derivan de las mediciones de señal y se convierten en un conjunto de señales robustas, el conjunto incluyendo: una relación entre componentes de acoplamiento Vzz a diferentes distancias de separación, una relación entre componentes de acoplamiento Vxx y Vzz, una relación entre componentes de acoplamiento Vyy y Vzz, y una relación entre componentes de acoplamiento Vxx y Vyy; el conjunto puede incluir una señal robusta adicional que tiene una relación entre una suma de componentes de acoplamiento cruzado Vxz+Vzx o Vyz+Vzy y una suma de componentes de acoplamiento directo ortogonales.

Description

SISTEMAS Y METODOS DE REGISTRO DE ANTENA INCLINADA QUE PRODUCEN SEÑALES DE MEDICION ROBUSTAS ANTECEDENTES DE LA INVENCION Los principios básicos y téenicas para el registro electromagnético para formaciones terrestres son muy conocidos. Por ejemplo, el registro de inducción para determinar la resistividad (o su inverso, conductividad) de formaciones de tierra adyacentes a un barreno durante mucho tiempo ha sido una técnica estándar e importante en la búsqueda y recuperación de depósitos de petróleo subterráneo. En resumen, un transmisor transmite una señal electromagnética que pasa a través de los materiales de la formación alrededor del barreno e induce una señal en uno o más receptores. La amplitud y/o fase de las señales del receptor son influenciadas por la resistividad de la formación, permitiendo que se realicen mediciones de resistividad.

Las características de la señal medida y/o las propiedades de la formación calculadas a partir de las mismas son registradas como una función de la profundidad o posición de la herramienta en el barreno, produciendo un registro de formación que puede ser utilizado por analistas.

Sin embargo, observar que la resistividad de una formación determinada puede ser isotrópica (igual en todas las direcciones) o anisotrópica (desigual en diferentes direcciones). En formaciones eléctricamente anisotrópicas, la anisotropia generalmente se atribuye a la colocación de capas finas durante la formación sedimentaria de la formación. Por lo tanto, en un sistema de coordenadas de formación orientado de manera que el plano x-y es paralelo a las capas de la formación y el eje z es perpendicular a las capas de la formación, las resistividades Rx y Ry en las direcciones x y y, respectivamente, tienden a ser las mismas, pero la resistividad Rz en la dirección z es diferente. Por lo tanto, la resistividad en una dirección paralela al plano de la formación (es decir, el plano x-y) con frecuencia se conoce como la resistividad horizontal, RH, y la resistividad en la dirección perpendicular al plano de la formación (es decir, la dirección z) con frecuencia se conoce como la resistividad vertical, Rv. El indice de anisotropia, h se define como h=[RV/RH]1/2· Como una complicación adicional a la medición de la resistividad de la formación, los barrenos generalmente no son perpendiculares a los lechos de la formación. El ángulo entre el eje del pozo de sondeo y la orientación de los lechos de la formación (conforme a lo representado por un vectoi: normal al lecho de la formación) tiene dos componentes. Estos componentes son el ángulo de buzamiento y el ángulo de impacto. El ángulo de buzamiento es el ángulo entre el eje del barreno y el vector normal para el lecho de la formación. El ángulo de impacto es la dirección en la cual el eje de los barrenos "se aleja" del vector normal. (Esto se definirá de manera más rigurosa en la descripción detallada).

Las mediciones de registro de resistividad electromagnética son una función compleja de la resistividad de la formación, la anisotropia de la formación y los ángulos de buzamiento e impacto de la formación, los cuales todos pueden ser desconocidos. Además, los ingenieros con frecuencia se basan en modelos simplificados para interpretar las mediciones en una manera convenientemente pronta. Las herramientas de registro que no consideran cada uno de los parámetros desconocidos y las diferencias entre el modelo y la operación de la herramienta del "mundo real" pueden proporcionar una calidad de medición que sea menor a lo ideal. Por el contrario, las herramientas que consideran cada uno de estos factores proporcionarán unas mediciones de resistividad mejoradas. Además, las herramientas que pueden proporcionar mediciones de buzamiento e impacto junto con información de orientación azimutal, se pueden utilizar para geodireccionamiento.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS Por consiguiente, aquí se divulgan sistemas de registro de antena inclinados y métodos que producen señales de mediciones robustas. En los dibujos: La figura 1 muestra un ambiente de registro mientras se perfora ilustrativo.

La figura 2 muestra un ambiente de registro cableado ilustrativo.

La figura 3 muestra una relación entre los ejes de coordenadas de un barreno y un lecho de formación de buzamiento.

La figura 4 muestra un arreglo de antena en triada ortogonal para una herramienta de registro electromagnético.

La figura 5A muestra ángulos para definir la orientación de una antena inclinada.

La figura 5B muestra silos azimutales alrededor de la circunferencia de un barreno.

La figura 6 es un diagrama en bloques de un módulo electrónico ilustrativo para una herramienta de registro electromagnético.

La figura 7 muestra una herramienta de registro electromagnético ilustrativa que tiene antenas de transmisión y recepción inclinadas.

Las figuras 8A-8D muestran configuraciones de antena alternativas para una herramienta de registro electromagnético.

Las figuras 9A-9D comparan la fase y amplitud de componentes de acoplamiento de señal calibrados y no calibrados.

Las figuras 10A-10B muestran la fase y amplitud de una señal robusta ilustrativa.

Las figuras 11A-11B muestran la fase y amplitud de derivaciones de instrumentación ilustrativas para la señal robusta.

Las figuras 12A-12J muestran la respuesta de fase y amplitud ilustrativa de un conjunto de señales robustas.

Las figuras 13A-13E muestran registros de fase ilustrativos para el conjunto de señales robustas.

La figura 14 es un gráfico de flujo de un método de registro electromagnético ilustrativo.

Se debiera entender, no obstante, que las modalidades especificas proporcionadas en las figuras y la descripción detallada a continuación no limitan la divulgación. Por el contrario proporcionan los cimientos para que un experto en la téenica deduzca las formas alternativas, equivalentes y otras modificaciones que quedan abarcadas en el alcance de las reivindicaciones anexas.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Las configuraciones y operaciones divulgadas de las herramientas se entienden mejor en el contexto de los sistemas más grandes en los cuales operan. Por consiguiente, en la figura 1 se muestra un ambiente de registro mientras se perfora (LWD) ilustrativo. Una plataforma de perforación 2 soporta una grúa de brazo móvil 4 que tiene un bloque de desplazamiento 6 para subir y bajar una sarta de perforación 8. Una barra Kelly 10 sopota la sarta de perforación 8 a medida que es bajada a través de una tabla giratoria 12. Una broca 14 es impulsada por un motor pozo abajo y/o por la rotación de la sarta de perforación 8. D medida que la broca 14 gira, ésta crea un barreno 16 que pasa a través de diversas formaciones 18. Una bomba 20 hace circular fluido de perforación a través de una tubería de alimentación 22 a la barra Kelly 10, pozo abajo a través del interior de la sarta de perforación 8, a través de los orificios en la broca 14, de regreso a la superficie a través del anillo alrededor de la sarta de perforación 8, y dentro de un foso de retención 24. El fluido de perforación transporta cortes del barreno al interior del foso 24 y ayuda a mantener la integridad del barreno.

Una herramienta de registro de resistividad electromagnética 26 está integrada en el ensamble de fondo de pozo cerca de la broca 14. A medida que la broca extiende el barreno a través de las formaciones, la herramienta de registro 26 recopila mediciones relacionadas con las diversas propiedades de la formación asi como la orientación y posición de la herramienta y otras condiciones de perforación diversas. La herramienta de registro 26 puede asumir la forma de un collar de perforación, es decir, un tubular de pared gruesa que proporciona peso y rigidez para ayudar en el proceso de perforación. Un subensamble de telemetría 28 puede ser incluido para transferir mediciones de la herramienta a un receptor de superficie 30 y para recibir comandos desde el receptor de superficie.

Las mediciones de orientación de herramienta pueden ser ejecutadas utilizando un indicador de orientación azimutal, el cual puede incluir magnetómetros, inclinómetros y/o acelerómetros, aunque se pueden utilizar otros tipos de sensor tal como giroscopios. De manera más preferible, las mediciones de orientación son recopiladas utilizando tanto un magnetómetro de saturación de 3 ejes como un acelerómetro de 3 ejes. Tal como se conoce en la téenica, la combinación de esos dos sistemas de sensor permite la medición de la cara de la herramienta, la inclinación del barreno, y la dirección de compás del barreno. Los ángulos de la cara de herramienta y de la inclinación de agujero se calculan a partir de la salida del sensor del acelerómetro. Las salidas del sensor del magnetómetro se utilizan para calcular la dirección del compás. Con la cara de herramienta, la inclinación de agujero, y la información del compás, se puede utilizar una herramienta de acuerdo con la presente divulgación para orientar la broca al lecho deseable.

En diversos puntos en tiempo durante el proceso de perforación, la sarta de perforación 8 se puede retirar del barreno como se muestra en la figura 2. Una vez que se ha removido la sarta de perforación, las operaciones de registro se pueden realizar utilizando una herramienta de registro cableada 34, es decir, una sonda de instrumento de detección suspendida por un cable 42 que tiene conductores para transportar energía a la herramienta y transportar telemetría desde la herramienta a la superficie. La sonda ilustrada incluye una herramienta de registro de resistividad 34 que tiene brazos de centralización 36 que centran la herramienta dentro del barreno a medida que la herramienta es jalada pozo arriba. Una instalación de registro 44 recopila mediciones de la herramienta de registro 34, e incluye el cálculo de instalaciones para procesamiento y almacenamiento de las mediciones recopiladas por la herramienta de registro. ha figura 1 muestra que las formaciones 18 no son perpendiculares al barreno, lo cual puede ocurrir naturalmente o puede ser causado por las operaciones de perforación direccionales. El barreno tiene un sistema de coordenadas 50 definido de acuerdo con el eje largo del barreno (el eje z) y el lado norte (o alternativamente, el lado alto) del agujero (el eje x). Las formaciones 18, cuando se caracterizan como un plano, tienen un sistema de coordenadas 51 definido de acuerdo con la normal al plano (el eje z") y la dirección de descenso más inclinada (el eje x"). Tal como se muestra en la figura 3, los dos sistemas de coordenadas están relacionados por dos rotaciones. Comenzando con el sistema de coordenadas del barreno (x, y, z), una primera rotación de ángulo g se realiza alrededor del eje z. El sistema de coordenadas resultante es denotado (c', y', z'). El ángulo g es el ángulo de impacto relativo, el cual indica la dirección del buzamiento de la formación con relación al sistema de coordenadas del barreno. Una segunda rotación del ángulo a entonces se realiza alrededor del eje y. Este alinea el sistema de coordenadas del barreno con el sistema de coordenadas de la formación. El ángulo alfa es el ángulo de buzamiento relativo, el cual es el ángulo de inclinación de los lechos con relación al eje largo del barreno.

La resistividad vertical generalmente se define por ser la resistividad tal como es medida perpendicular al plano de la formación, y la resistividad horizontal es la resistividad tal como es medida dentro del plano de la formación. Es deseable la determinación de cada uno de estos parámetros (ángulo de buzamiento, ángulo de impacto, resistividad vertical y resistividad horizontal).

La figura 4 muestra una configuración de antena hipotética para una herramienta de registro de resistividad electromagnética multi-componente. (La herramienta de registro de resistividad electromagnética se puede incorporar como una herramienta cableada y como una herramienta de registro mientras se perfora). Se proporciona una triada de bobinas de transmisor Tx, Ty y Tz, cada una orientada a lo largo de un eje respectivo. Al menos una triada de bobinas de receptor similarmente orientadas Rx, Ry y Rz también es proporcionada a cierta distancia de la triada del transmisor. Moran y Gianzero, en "Effects of Formation Anisotropy on Resistivity Logging Measurements" Geophysics, Vol.44, No.7, p. 1266 (1979), observaron que el campo magnético h en las bobinas del receptor puede ser representado en términos de los momentos magnéticos m en los transmisores y una matriz de acoplamiento C: h m C (1) En forma expresa, la ecuación (1) es: donde Mx, My, y Mz son los momentos magnéticos (proporcional a la fuerza de la señal de transmisión) creados por los transmisores Tx, Ty, y Tz respectivamente. Hx, Hy, y Hzson los campos magnéticos, proporcionales a la fuerza de la señal de recepción) en las antenas de receptor Rx, Ry y Rz, respectivamente.

En la configuración de antena de la figura 4, si cada transmisor es encendido a su vez, y las mediciones de señal son tomadas en cada receptor en respuesta a cada encendido, se obtienen nueve mediciones de señal. Estas nueve mediciones permiten la determinación de una matriz de acoplamiento completa C. (Cu = aTJ , donde I es el indice para el transmisor Tx, Ty, o Tz, J es el indice para el receptor Rx, Ry, o Rz, a±j es una constante determinada por el diseño de la herramienta, y Vij es un valor complejo que representa el desplazamiento de amplitud y fase de la señal medido por el receptor J en respuesta al encendido del transmisor I.) El conocimiento de la matriz de acoplamiento completa permite la determinación del ángulo de buzamiento, ángulo de impacto, resistividad vertical y resistividad horizontal. Se puede utilizar un número de téenicas para determinar estos parámetros. Por ejemplo, el ángulo de buzamiento e impacto se puede determinar a partir de valores de matriz de acoplamiento tal como lo explica Li Gao y Stanlcy Gianzero, Patente de los Estados Unidos Número 6,727,706 "Orientación Virtual de la Herramienta de Inducción para la Determinación del Angulo de Buzamiento de la Formación". Dados estos ángulos, la resistividad vertical y horizontal se puede determinar de acuerdo con las ecuaciones proporcionadas por Michael Bittar, Patente de los Estados Unidos Número 7,019,528 "Herramienta de Resistividad de Ondas Electromagnéticas que tiene una Antena Inclinada para Orientación geográfica dentro de una Zona Explotable deseada". De manera alternativa, una solución simultánea para estos parámetros se puede encontrar tal como se describió en la referencia de Bittar.

La figura 5A muestra dos ángulos que se pueden utilizar para especificar la orientación de una antena de bobina inclinada. La antena de bobina inclinada se puede considerar como residiendo en un plano que tiene un vector normal. El ángulo de inclinación Q es el ángulo entre el eje longitudinal de la herramienta y el vector normal. El ángulo de azimut b es el ángulo entre la proyección del vector normal en el plano X-Y y la linea de trazo de la herramienta. De manera alternativa, en el contexto pozo abajo, el ángulo azimutal b puede representar el ángulo entre la proyección del vector normal en el plano X-Y y el eje x del sistema de coordenadas del barreno. La figura 5 muestra una división de la circunferencia del barreno en n silos, cada silo correspondiendo a un rango de valores de ángulo azimutal. Un ángulo azimutal representativo (por ejemplo, promedio) está asociado con cada silo. Las mediciones de antena inclinada se pueden asociar con el silo que contiene el ángulo azimutal para esa antena, el ángulo (y el silo correspondiente) cambia a medida que rota la herramienta.

Se observa que en la configuración de antena de la figura 4 se emplean tres orientaciones de antena de transmisor y tres orientaciones de antena de receptor. Se ha descubierto que cuando se explota la rotación de la herramienta, es posible determinar toda la matriz de acoplamiento únicamente con orientaciones de antena de un transmisor y dos receptores (o de manera equivalente, orientaciones de antena de un receptor y dos transmisores). Por supuesto, se pueden emplear más antenas de transmisor y/o receptor y puede ser útil para producir mediciones más robustas tal como se describe a continuación.

Antes de considerar diversas herramientas que tienen configuraciones de antena especificas, se describe la electrónica común a cada herramienta. La figura 6 muestra un diagrama en bloques funcional de la electrónica para una herramienta de resistividad. La electrónica incluye un módulo de control 602 que está acoplado a un interruptor análogo 604. El interruptor análogo 604 está configurado para impulsar cualquiera de una de las bobinas de transmisor Ti, T2, T3, T4 con una señal de corriente alterna (AC) desde una fuente de señal 606. En al menos algunas modalidades, la fuente de señal proporciona señales de radiofrecuencia. El número de control 602 de preferencia selecciona una bobina de transmisor, realiza pausas lo suficientemente largas para que las corrientes transitorias mueran, después envía señales al módulo de transmisión/almacenamiento de datos 610 para aceptar una muestra de amplitud y fase de las señales medidas por cada una de los bobinas de receptor. El módulo de control 602 de preferencia repite este proceso en secuencia para cada uno de los transmisores. Los valores de desplazamiento de fase y amplitud son proporcionados por el detector de desplazamiento de fase y amplitud 608 que está acoplado a cada una de las bobinas de receptor R1-R4 para este propósito.

El módulo de control 602 puede procesar las mediciones de desplazamiento de amplitud y fase para obtener mediciones compensadas y/o promedios de medición. Además de ser almacenadas en memoria, las mediciones de fondo de pozo, sin procesar, compensadas o promediadas se pueden transmitir a la superficie para procesamiento a fin de determinar los elementos de matriz de acoplamiento, ángulos de buzamiento e impacto, resistividad vertical y horizontal, y otra información tal como (I) distancia al limite del lecho más cercano, (II) dirección del limite del lecho más cercano y (III) resistividad de cualesquiera lechos adyacentes cercanos. De manera alternativa, todo o parte de este procesamiento puede ser ejecutado pozo abajo y los resultados pueden ser comunicados a la superficie. El módulo de transmisor/almacenamiento de datos 610 se puede acoplar a la unidad de telemetría 28 (figura 1) para transmitir mediciones de señal o resultados de procesamiento a la superficie. La unidad de telemetría 28 puede utilizar cualquiera de varias téenicas conocidas para transmitir información a la superficie, incluyendo pero no limitado a (1) pulso de presión de lodo; (2) conexión cableada; (3) onda acústica; y (4) ondas electromagnéticas.

La figura 7 muestra una herramienta de registro de resistividad electromagnética 702 que tiene únicamente dos orientaciones de antena de receptor. La herramienta 702 es proporcionada con una o más regiones 706 de diámetro reducido. Una bobina de alambre 704 es colocada en la región 706 y, en algunas modalidades, está separada de la superficie del subensamble 702 por una distancia constante. Para soportar y proteger mecánicamente la bobina 704, se puede utilizar un material rellenador no conductor (que no se muestra) tal como epoxy, caucho o cerámica en las regiones de diámetro reducido 706. La bobina 704 es una bobina de transmisor, y las bobinas 710 y 712 son bobinas de recepción, aunque esas funciones se pueden invertir en virtud del principio de reciprocidad. En operación, la bobina de transmisor 704 transmite una señal electromagnética de interrogación la cual se propaga a través del barreno y la formación circundante. Las bobinas de receptor 710, 712 detectan la señal electromagnética de interrogación y proporcionan una medición de la atenuación de amplitud y desplazamiento de fase de la señal electromagnética. Para mediciones diferenciales se pueden proporcionar bobinas de receptor adicionales paralelas a la bobinas 710, 712 a una distancia axialmente separada (ver por ejemplo figura 8). A partir de las mediciones de desplazamiento de fase y atenuación de amplitud absoluta o diferencial, los componentes de matriz de acoplamiento se pueden determinar y utilizar como la base para determinar parámetros de formación y como la base para la orientación geográfica.

En algunas modalidades, la bobina de transmisor 704 está separada aproximadamente 30 pulgadas (76.2 cm) de las bobinas de receptor 710, 712. Las bobinas de receptor adicionales podrían ser colocadas aproximadamente a 8 pulgadas (20.32 cm) de la bobina de transmisor. Las bobinas de transmisor y receptor pueden comprender tan poco como un bucle de alambre, aunque más bucles pueden proporcionar una potencia de señal adicional. La distancia entre las bobinas y la superficie de herramienta de preferencia se ubica en el rango de 1/16 pulgadas a ¾ pulgadas, pero puede ser más grande. La bobina de transmisor 704 y la bobina de receptor 712 pueden tener un ángulo de inclinación de aproximadamente 45 grados y pueden estar alineadas con el mismo ángulo de azimut, mientras que la bobina de receptor 710 puede tener un ángulo de inclinación de aproximadamente 45° y un azimut de 180 grados separado de la bobina de receptor 712 (o de manera equivalente, un ángulo de inclinación de menos 45° al mismo ángulo de azimut que la bobina de receptor 712).

La señal medida por un receptor inclinado en respuesta al encendido de un transmisor inclinado se puede expresar en términos de las señales Vu que serían medidas por la herramienta de la figura 4. Cuando ambas bobinas de transmisor y receptor son orientadas al mismo ángulo de azimut b, la señal de receptor inclinada VR es sinocos/? V XX yx sin 0R cos b vR(P) = sin qt sin b Vxy y, sin 0R sin b (3) donde qt es el ángulo de inclinación del transmisor y 0R es el ángulo de inclinación del receptor En forma escrita, la señal recibida es: _ C + cos 2b - ^yx TC '~'xy sin 2b (4) + [(C„ +Ce)cos/? + (Cv +CJ.)sin/?]+^Ce +^ + jy 2 - ^doble(^) + ^sencillo (/¾ + K lo que significa que — donde sin Q, sin 0r =Vzy cos Q, sin 6>r sin Q, cos Q, ,C„ = cos 6> cos Q, El ajuste de curva sinusoidal se puede aplicar a la señal recibida para extraer los coeficientes (sumados) en la ecuación (5). Las mediciones de una segunda respuesta de receptor inclinado al transmisor inclinado proporcionan un conjunto adicional de mediciones que permite que se obtengan valores individuales Cu (o de manera equivalente, el Vij). (Observar que en la mayoría de los casos Vxy se puede asumir igual a Vyx, pero lo mismo no aplica para otros componentes cruzados). Como un ejemplo, tomar 0t =er2 =0c y QL =-Q , con los receptores Rl y R2 ubicados a una distancia di del transmisor. El componente de acoplamiento zz puede ser escrito como donde Vrl_const es el voltaje complejo constante Vvu , de la ecuación (4) asociado con el receptor Rl, y Vrå const es el valor correspondiente para el receptor R2. A lo largo de lineas similares, los componentes xx y yy pueden ser escritos - - _ _ _ _ _ __ _ Los componentes cruzados pueden ser escritos: V rl _ sencillo _sm +v rl _ sencillo jm.

VMV 2 eos A sin (8b) V rl _ sencillo _sin -V r2 _ sencillo _sin (8c) 2 eos Asín A V +v VM) = rl _ sencillo _cos rl _ sencillo _cos 2 eos A sin A (8d) V r rl _ sencillo _cos—V T rl _ sencillo _cos (8e) VM) = 2eosA sinA Se conocen y se pueden utilizar otras téenicas para derivar los componentes de acoplamiento de las mediciones de señal recibida. Ver, por ejemplo, WO 2008/076130 "Herramienta de medición de componente de acoplamiento de antena que tiene una configuración de antena rotativa" y WO 2011/129828 "Procesamiento y orientación geográfica con una herramienta rotativa".

Para proporcionar mediciones más robustas, tal como se indica en las figuras 8A-8D, se pueden incluir en la herramienta transmisores y/o receptores adicionales. La figura 8A muestra una herramienta que tiene un primer conjunto de antenas de receptor inclinadas en forma opuesta (Rupl, Rup2, con ángulos de sesgo respectivos -0c y +0c) a una distancia di de una antena de transmisor inclinada (Tupi con ángulo de sesgo +0c) y un segundo conjunto de antenas de receptor inclinadas en forma opuesta (Rdnl, Rdn2 a -0c y +0c) a una distancia d2 de la antena de transmisor inclinada Tupi. El conjunto adicional de antenas de receptor permite la cancelación del efecto de mandril tal como se explica adicionalmente a continuación. La herramienta ilustrada además incluye una segunda antena de transmisor inclinada (Tdnl a +0c) colocada a una distancia di del segundo conjunto de antenas de receptor y la distancia d2 del primer conjunto de antenas de receptor. La antena de transmisor adicional permite la compensación de efectos de temperatura en la electrónica del receptor tal como se explica adicionalmente a continuación.

La figura 8B muestra una configuración de antena alterna en la cual la antena de transmisor adicional esta sesgada en una dirección opuesta a la primera antena de transmisor. La figura 8C muestra una configuración de antena con dos conjuntos de antenas de transmisor inclinas en forma opuesta (+QO y una sola antena de receptor inclinada a una distancia di y una sola antena de receptor a una distancia d2, las dos antenas de receptor son paralelas (+0c). La figura 8D es similar, pero tiene las dos antenas de receptor sesgadas en direcciones opuestas. Otra configuración de antena todavía incluiría dos conjuntos de antenas de transmisor inclinadas de manera opuesta junto con dos conjuntos de antenas de receptor inclinadas de manera opuesta. Además se observa gue las antenas de receptor se muestran como estando colocadas entre las antenas de transmisor, pero esto no es un requerimiento, ya que algunas modalidades de herramienta pueden tener las antenas de transmisor colocadas entre las antenas de receptor.

Dadas las configuraciones de antena ilustrativas, las mediciones de herramienta se pueden combinar como se resalta a continuación para proporcionar valores más robustos, es decir, mediciones que son insensibles a los efectos ambientales (por ejemplo, temperatura, presión y excentricidad) y que compensan las no-idealidades de la herramienta tal como la presencia de un mandril de herramienta conductor cuando los modelos asumen dipolos de punto. Como un paso en esta dirección, la herramienta puede adquirir mediciones con un segundo conjunto de receptores a una distancia d2 del transmisor (ver, por ejemplo, Figura 8A). Se ha encontrado que la relación (en lo sucesivo denominada "Señal 1" o SI): SI = Vzz(di)/Vzz(d2) (9) reduce significativamente la sensibilidad al efecto de mandril, y sirve como una buena indicación de la resistividad de la formación. La señal 1 se puede calibrar por medio de una medición que cuelga en el aire en la cual la herramienta es suspendida lo suficientemente lejos de cualquier material conducto o parcialmente conductor (por ejemplo, 20 pies (6.09 metros) en el aire) y las respuestas de señal recibidas son anotadas. La representación de las mediciones que cuelgan en el aire con un superindice "aire", la señal calibrada es La segunda expresión anterior simplemente indica que la calibración puede ser ejecutada de manera equivalente sobre una base componente por componente.

Tomando como un ejemplo la configuración de antena de la figura 8A con un diámetro de mandril de 4.0", un diámetro de bobina de antena de 4.5" (tal como se mide proyectando la bobina sobre el plano x-y), una primera separación de antena de transmisión-recepción de dl=28" y una segunda separación de antena de transmisión-recepción de d2=36", y una frecuencia de señal operativa de 500 kHz, una simulación fue ejecutada para ilustrar los efectos del mandril en las señales medidas proporcionadas por las ecuaciones (9) y (10). Debido a que las señales son de valor complejo, éstas son graficadas en la figura 9 en términos de su ángulo de fase y amplitud.

Las figuras 9A y 9B muestran el ángulo de fase y amplitud de la señal 1 (ecuación 9) como una función de la resistividad de la formación y el ángulo de sesgo. Para comparación, la señal esperada derivada de un modelo de dipolo de punto también se muestra. Las figuras 9C y 9D muestran el ángulo de fase y amplitud de la señal calibrada 1 (ecuación 10) como una función de la resistividad de la formación y ángulo de sesgo. Las curvas del ángulo de fase se traslapan tan bien como para poder ser indistinguibles. La figura 9B, no obstante indica un efecto de mandril importante cuando las herramientas que tienen bajos ángulos de sesgo de antena miden formaciones con resistividades más elevadas. Sin embargo, las señales calibradas corrigen de manera adecuada este efecto y llevan las curvas por mucho a una alineación con el modelo de dipolo de punto. A medida que la inclinación de la curva de señal se aplana para resistividades altas, el cálculo de la resistividad de la formación puede ser sensible a pequeños errores en esta región.

Para mejorar la resistencia a los efectos de la temperatura, se pueden utilizar mediciones compensadas. Dichas téenicas de compensación son conocidas (al menos con respecto a herramientas que utilizan antenas coaxiales) y combinan las mediciones extraídas a partir de las respuestas de los receptores a la primera antena con las respuestas de los receptores a la segunda antena. Por ejemplo, denotar la medición de señal calibrada derivada del transmisor Tupi (Figura 8B) como y la medición de señal calibrada derivada de Tdnl como , la medición de señal compensada se puede expresar como Un enfoque de compensación alternativo es simplemente promediar las dos mediciones calibradas. Dependiendo de la configuración de antena, puede ser deseable preceder este cálculo de compensación con el desplazamiento de profundidad y/o inversión de azimut de las mediciones de señal calibradas para asegurar que las mediciones recolectadas utilizando las diferentes antenas estén asociadas con la misma región de la formación. Las mediciones adicionales también pueden mejorar la relación señal a ruido.

Volviendo a un análisis de un solo transmisor, ahora se consideran señales de herramienta adicionales. Al igual que con la señal 1, resulta de ayuda normalizar los otros componentes de acoplamiento. Infortunadamente, el efecto de distancia en las mediciones del componente de acoplamiento xx es diferente del efecto en las mediciones del componente de acoplamiento zz, haciendo que un enfoque diferente sea deseable. La relación (en lo sucesivo denominada "señal 2" o "S2 "): S2(d)=Vxx(d)/Vzzd) (12) se ha encontrado que compensa el efecto de mandril y produce una mejor aproximación de una respuesta de herramienta de punto-dipolo. Esta se puede calibrar y compensar en una forma similar que la señal 1. Las respuestas del segundo conjunto de receptores también se pueden tomar en cuenta con un promedio geométrico, produciendo una S2 combinada: la cual también puede ser calibrada y compensada tal como se describió previamente. Las figuras 10A y 10B muestran la fase y amplitud de la S2 combinada, no calibrada, no compensada como una función de la resistividad y el ángulo de sesgo.

(Debido al denominador en la ecuación 7b, no se incluye un ángulo de sesgo cero). También se muestra una repuesta de modelo de herramienta de punto-dipolo. Para resistividades por arriba de aproximadamente 0.2 WGP, la coincidencia con el modelo de punto-dipolo es bastante buena. Se espera una respuesta similar para la señal 3, la cual es definida S3(d)=Vyy(d)/Vzz(d) (14) con En una vena similar se puede definir una cuarta señal: S4(d)=Vxx(d)/Vyy(d) (16) con Se espera que un ángulo de sesgo aproximado de 45° ofrezca la mejor inmunidad al ruido ya que proporciona respuestas de antena con respuestas de señal aproximadamente iguales a partir de los componentes xx y zz. Se observa que la señal S4 puede ser definida utilizando la relación inversa con resultados igualmente efectivos.

La figura 11 ilustra los resultados de una prueba de enfriamiento, en la cual una herramienta de registro es calentada a 300°C antes de ser suspendida en el aire y se deja enfriar a temperatura ambiente. Las figuras 11A y 11B muestran la fase y amplitud de la señal calibrada S2 (pero no combinada o compensada) como una función de temperatura. La variación de señal es aproximadamente +0.1° de fase y +2% de amplitud. Con mediciones compensadas, esta variación esencialmente se elimina.

Aunque las cuatro señales anteriores han sido definidas, cada una, en términos de una relación entre dos componentes, la definición de señales robustas no necesita ser limitada a esto. Una quinta señal contemplada es definida como: La quinta señal ofrece una sensibilidad mejorada al ángulo de buzamiento relativo. Al igual que con las otras señales, se pueden determinar versiones combinadas, calibradas y compensadas de la quinta señal. Con este conjunto de señales de medición robustas, se puede esperar que se calculen resultados de inversión muy confiables.

Las téenicas de relación, calibración y compensación que han sido aplicadas a los componentes de acoplamiento extraídos también se pueden aplicar a las señales de receptor. Por lo tanto, por ejemplo, se puede expresar una señal de resistividad azimutal calibrada _ _ o una señal de orientación geográfica con base en la operación de un primer transmisor Tupi puede ser expresada y una señal de orientación geográfica combinada puede ser expresada: tí -"* M- 7t w, t- , (21) Las ecuaciones (17) a (19) ilustran métodos de compensación general que aplican a mediciones azimutales de herramientas MWD/LWD con sistemas de antena inclinados. Estas señales pueden ser utilizadas para determinar parámetros de formación, tal como resistividad de formación, anisotropia de formación, ángulo de buzamiento relativo de la formación, etc. Además, debido a la cancelación de mandril y efectos de temperatura, estas señales también se pueden utilizar para herramientas contempladas a futuro.

Se observa que las señales S1-S5 son calculadas a partir de los componentes de acoplamiento, y se pueden determinar a partir de estos componentes sin considerar la manera en que los componentes de acoplamiento fueron derivados de las mediciones de herramienta. Entre otras cosas, esta observación indica que los principios aquí divulgados se pueden aplicar a las mediciones de cualquier configuración de antena suficiente para determinar los componentes de i acoplamiento (incluyendo aquel de la figura 4) y sin considerar si la herramienta está incorporada en forma cableada o LWD. Además se observa que aunque cada una de las operaciones de combinación, calibración y compensación antes descritas pueden contribuir a mejorar la precisión de la medición, cada una de estas operaciones es opcional. El orden en el cual se aplican las operaciones elegidas es por mucho un asunto de conveniencia y se puede modificar sin impactar significativamente sus beneficios potenciales. Algunas o todas las operaciones de combinación, calibración y/o compensación pueden ser ejecutadas en los componentes de acoplamiento extraídos antes o después de los cálculos de relación que producen señales S1-S5, y en al menos algunos casos, podrían ser ejecutadas en las mediciones de señal recibidas (que dependen del azimut) antes de la extracción de los componentes de acoplamiento.

Se ha encontrado que el conjunto de señales S1-S4 sirve como un excelente conjunto de entradas a partir de las cuales se pueden derivar parámetros de la formación tal como resistividad horizontal, anisotropía, ángulo de buzamiento y ángulo de impacto. La precisión se mejora con el uso de señales adicionales tales como la señal S5. Las figuras 12A-12E ilustran las fases de las señales S1-S5 y las figuras 12F-12H ilustran las amplitudes de las señales S1-S5 para diferentes resistividades anisotropías y ángulos de buzamiento en una formación homogénea. Las sensibilidades de las señales a cada uno de estos parámetros es evidente a partir de una inspección de esta figuras, y las téenicas de calibración, combinación y compensación previamente enfatizadas no inhiben esta sensibilidad, tal como se ha encontrado que es el caso para otras técnicas de reducción de ruido. Sin limitar la manera en la cual se emplea el conjunto de señales para derivar los parámetros de la formación, se observa que la señal SI se relaciona de manera estrecha con la operación de una herramienta de registro convencional y, de hecho, se puede convertir en una señal de resistividad convencional. Las señales S2 y S3 pueden ser utilizadas para determinar la anisotropia resistiva de la formación. La señal S4 captura la divergencia de los componentes de acoplamiento xx y yy y proporciona una sensibilidad útil al ángulo de buzamiento. La señal S5 se refiere a los componentes de acoplamiento cruzado para los componentes de acoplamiento directo y sirve para acelerar la inversión con su sensibilidad única a los parámetros de la formación. La ejecución de la inversión en el conjunto de señales S1-S4 o S1-S5 produce un estimado robusto de los parámetros de la formación .

Las figuras 13A-13E ilustran el conjunto de señales S1-S5 derivado de un conjunto de mediciones del mundo real (tal como se proporciona en la figura 14) a través de una herramienta que tiene la configuración de antena de la figura 8B. Estos registros de señal pueden ser impresos, desplegados en una pantalla de computadora, o de otra manera pueden volverse tangibles para que un usuario los estudie y analice. Los registros de señal muestran la fase de señal como una función de la profundidad medida (es decir, posición a lo largo del barreno). La inversión fue ejecutada sobre las señales S1-S5 utilizando una téenica de Levenberg-Marquardt con un código de inversión OD para un modelo de punto-dipolo produjo el conjunto de señales predichas indicado por las lineas discontinuas en la figura 13. Se puede observar un excelente emparejamiento entre las señales derivadas ("sin procesar") y las señales predichas ("sim"). Los parámetros obtenidos también se emparejan con lo que los petrofisicos saben respecto a esto desde otras fuentes.

La figura 14 es un gráfico de flujo de un método de registro de antena inclinada ilustrativo que se puede ejecutar a través de un controlador pozo abajo, a través de una instalación de computación de superficie que recibe mediciones desde la herramienta, o ejecutado de manera cooperativa por ambos. En el bloque 802 se selecciona un transmisor inicial. En el bloque 804, se enciende el transmisor seleccionado, y se mide la amplitud y fase de cada respuesta del receptor. La posición y orientación de la herramienta también son capturadas y utilizadas para asociar las mediciones de respuesta del receptor con un silo de medición. (Debido a que la pared del barreno está conceptualmente dividida en una rejilla, cada silo tiene tanto una extensión angular como una extensión axial. En el bloque 806, se utilizan las últimas mediciones para actualizar la respuesta promedio para cada receptor para el silo determinado.

En el bloque 808, se realiza una prueba para determinar si se necesitan mediciones adicionales o si surgirán en la posición del barreno actual. Por ejemplo, en herramientas que tienen múltiples transmisores, se desea tener mediciones de cada transmisor. Otros motivos para necesitar mediciones adicionales incluyen tener un número deseado de mediciones dentro de cada silo de medición antes que se ejecute un procesamiento adicional, o tener al menos un número determinado de mediciones azimutalmente diferentes antes que se ejecute un procesamiento adicional. Si se esperan mediciones adicionales en la posición actual, el procesamiento adicional puede ser pospuesto hasta que se hayan recolectado todas las mediciones relevantes. El proceso de registro entonces procede con la selección del siguiente transmisor en el bloque 809 y los bloques 804-809 se repiten hasta que se han logrado suficientes mediciones para la posición de barreno actual.

Una vez que se ha obtenido un número suficiente de mediciones en una posición determinada en el barreno, el método continúa con el bloque 810, donde los acoplamientos de antena ortogonales son extraídos a partir de las mediciones que dependen del azimut recolectadas en la posición actual del barreno. Esto se puede realizar de acuerdo con las ecuaciones (3)-(8) antes proporcionadas, o a través de cualquier método conveniente incluyendo una solución de cuadrados mínimos para un sistema lineal de ecuaciones tal como aquel divulgado en WO 2008/076130 "Herramienta de medición de componente de acoplamiento de antena que tiene una configuración de antena rotativa". Algunas configuraciones de antena (por ejemplo, aquellas que utilizan tríadas ortogonales) pueden producir dichas mediciones directamente.

En el bloque 812, las señales S1-S5 son derivadas de los componentes ortogonales tal como se describió antes. Puede haber un conjunto de dichas señales para cada uno de los múltiples pares de antena de transmisión-recepción, los cuales pueden estar sujetos a una operación de combinación (para combinar mediciones tomadas por receptores a diferentes distancias) y/o una operación de compensación (para determinar mediciones obtenidas en respuesta a diferentes transmisores) para producir señales más precisas S1-S5 en el bloque opcional 814. Una operación de calibración opcional también se puede aplicar en el bloque 814.

En el bloque 816, se realiza un estimado inicial de los parámetros de la formación. Este estimado se puede basar en valores predeterminados, resultados previos, o se puede generar en forma aleatoria. Los parámetros de la formación contemplados incluyen resistividad horizontal, anisotropia, ángulo de buzamiento e impacto, pero se pueden emplear otros parámetros. En el bloque 818, un conjunto predicho de señales S1-S5 es generado a partir de un modelo basado en los valores de parámetro de la formación estimados. En el bloque 820, el conjunto de señales predichas se compara con el conjunto de señales derivadas en los bloques 812-814. Si no hay una coincidencia adecuada, los valores estimados son actualizados en el bloque 821 de acuerdo con una téenica de Levenberg-Marquardt, una técnica Gauss-Newton, u otra técnica de solución numérica. Los bloques 818-821 se repiten hasta que el conjunto predicho de señales converge en el conjunto derivado. Después, en el bloque opcional 822, un registro en tiempo real que despliega uno o más de los parámetros de la formación como una función de posición es actualizado con los valores de parámetro recientemente determinados. El registro asocia los valores calculados con una posición axial o de profundidad dentro del barreno.

En el bloque 824 se realiza una revisión para determinar si la información de registro está disponible (o se volverá disponible) para posiciones adicionales dentro del barreno.

En caso de ser asi, el proceso comienza nuevamente con el bloque 802. De otra manera el proceso finaliza.

Numerosas variaciones y modificaciones serán aparentes para aquellos expertos en la téenica una vez que se aprecie en su totalidad la descripción anterior. Por ejemplo, la divulgación anterior describe numerosas configuraciones de antena en una herramienta de registro mientras se perfora, dichas configuraciones de antena también se pueden aplicar fácilmente a herramienta de registro cableadas. Además, el principio de reciprocidad se puede aplicar para obtener mediciones equivalentes mientras se intercambia cada función de antena como un transmisor o receptor. Se pretende que las siguientes reivindicaciones sean interpretadas para abarcar todas esas variaciones y modificaciones.

Claims (20)

NOVEDAD DE LA INVENCION Habiendo descrito la presente invención, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1.- Un método de registro electromagnético que comprende: obtener mediciones de señal recolectadas por una herramienta de registro electromagnética sensible al azimut como una posición de función en un barreno, la herramienta tiene al menos dos distancias de separación (di, d2) entre las antenas de transmisión y recepción; derivar mediciones de acoplamiento directo ortogonales (Vxx, Vyy, Vzz) a partir de las mediciones de señal; proporcionar un conjunto de señales robustas como una función de posición en el barreno, las señales robustas incluyendo: una relación entre componentes de acoplamiento Vzz a diferentes distancias de separación, una relación entre componentes de acoplamiento Vxx y Vzz, úna relación entre componentes de acoplamiento Vyy y una relación entre componentes de acoplamiento Vxx y Vyy

2.- El método de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende desplegar el conjunto de señales robustas en la forma de registro a un usuario.

3.- El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque, como parte de dicha derivación o aprovisionamiento, el método incluye combinar mediciones asociadas con diferentes distancias de separación para obtener cada una de las señales robustas.

4.- El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque, como parte de dicha derivación o aprovisionamiento, el método además incluye emplear mediciones asociadas con diferentes antenas de transmisión para asegurar que las señales robustas sean compensadas para derivación de instrumentación.

5.- El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque, como parte de dicha derivación o aprovisionamiento, el método incluye utilizar mediciones colgantes en aire para calibración de cada una de las señales robustas.

6.- El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las mediciones de señal representan mediciones promediadas para silos de medición.

7.- El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la herramienta es una herramienta de registro mientras se perfora que tiene una o más antenas inclinadas.

8.- El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la herramienta es una herramienta cableada que tiene al menos una triada de antenas de transmisión ortogonales y al menos una triada de antenas de recepción ortogonales.

9.- El método de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende proporcionar una señal robusta adicional que tiene una relación entre una suma de componentes de acoplamiento cruzados Vxz+Vzx o Vyz+Vzy y una suma ponderada o no ponderada de componentes de acoplamiento directo ortogonales.

10.- El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque la señal robusta adicional se puede expresar como se muestra

11.- Un sistema de registro electromagnético que comprende: una memoria que almacena software de registro; y al menos un procesador acoplado a la memoria para ejecutar el software de registro, el software ocasionando que al menos un procesador: obtenga mediciones de señal de la herramienta de registro electromagnético sensible al azimut como una función de posición en un barreno, la herramienta tiene al menos dos distancias de separación (di, d2) entre las antenas de transmisión y recepción; derive mediciones de acoplamiento directo ortogonales (Vxx, Vyy, Vzz) a partir de las mediciones de señal; proporcione un conjunto de señales robustas como una función de posición en el barreno, las señales robustas incluyendo: una relación entre componentes de acoplamiento Vzz a diferentes distancias de separación, una relación entre componentes de acoplamiento Vxx y Vzz, una relación entre componentes de acoplamiento Vyy y Vzz, y una relación entre componentes de acoplamiento Vxx y Vyy.

12.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el software además ocasiona que al menos un procesador despliegue el conjunto de señales robustas en forma;de registro a un usuario.

13.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque, como parte de dicha derivación o aprovisionamiento, el software ocasiona que al menos un procesador combine mediciones asociadas con diferentes distancias de separación para obtener cada una de las señales robustas.

14.- El sistema de conformidad con ía reivindicación 13, caracterizado porque, como parte de dicha derivación o aprovisionamiento, el software además ocasiona que al menos un procesador emplee las mediciones asociadas con diferentes antenas de transmisión para asegurar que las señales robustas sean compensadas para derivación de instrumentación.

15.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque, como parte de dicha derivación o aprovisionamiento, el software ocasiona que al menos un procesador utilice mediciones que cuelgan en aire para calibración de cada una de las señales robustas.

16.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque las mediciones de señal representan mediciones ponderadas para silos de medición.

17.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la herramienta es una herramienta de registro mientras se perfora que tiene una o más antenas inclinadas .

18.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la herramienta es una herramienta cableada que tiene al menos una triada de antenas de transmisión ortogonales y al menos una triada de antenas de recepción ortogonales.

19.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el conjunto de señales robustas incluye una señal robusta adicional que tiene una relación entre una suma de componentes de acoplamiento cruzado Vxz+Vzx o Vyz+Vzy y una suma ponderada o no ponderada de componentes de acoplamiento directo ortogonales.

20.- El sistema de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque la señal robusta adicional se puede expresar como se muestra -