NO20111475A1 - Standoff-uavhengig resistivitets-sensorsystem - Google Patents

Description

KRYSSREFERANSE TIL BESLEKTEDE SØKNADER

Denne søknaden tar prioritet fra den provisoriske US-patentsøknaden 61/172,942 innlevert 27. april 2009.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

1. Oppfinnelsens område

[0001] Foreliggende oppfinnelse vedrører brønnlogging. Spesielt er foreliggende oppfinnelse et apparat og en fremgangsmåte for bestemmelse av beskaffenheten til undergrunnsformasjoner med bruk av kontaktanordninger.

2. Bakgrunn for oppfinnelsen

[0002] Oppfinnelsen vil først bli beskrevet i forbindelse med anvendelse av kontaktanordninger i resistivitetsmålinger. I tradisjonelle galvaniske resistivitets-målingsverktøy som anvender en fokuseringsmetode, sender en guardelektrode ut strøm for å lede strømstrålen fra en måleelektrode dypere inn i et strømledende materiale. Resistiviteten til materialet blir bestemt gjennom registrering av måle-elektrodens spenning og strøm. Drivpotensialet på guard- og måleelektroden må være eksakt det samme for å unngå forstyrrelser av det ideelle elektriske feltet, hvilket sikrer at fokuseringseffekten inntreffer. Større forskjeller i drivpotensial kan føre til strømmer fra guard- til måleelektrode eller omvendt som går gjennom borehullsfluidet rundt verktøyet, noe som vil ødelegge fokuseringseffekten fullstendig og føre til store målefeil dersom den ikke tas hensyn til. I alminnelighet vil fokuseringseffekten føre til en elektrisk strøm med større inntrengningsdyp sammenliknet med inntrengningsdypet uten fokusering.

[0003] Ett av problemene med å gjøre resistivitetsmålinger under boring (MWD) er at det borede borehullet har større diameter enn sensormodulen. Forskjellen i diameter resulterer i forskjellige standoffavstander for sensorelektrodene fra borehullsveggen. I vannbasert slam resulterer den varierende standoffavstanden i en strømflyt som ikke er rettet radielt fra sensorelektrodene til veggen, noe som fører til en utsmøring av resistivitetsbildet. I oljebasert slam resulterer den varierende standoffavstanden i forskjellige impedanser over mellomrommet i flyten av elektrisk strøm fra elektroden til formasjonen, slik at strømverdien ikke er representativ for formasjonens resistivitet i nærheten av elektroden.

[0004] Kjente metoder har forsøkt å løse dette problemet med varierende grad av suksess ved å anvende fokuserings- og guardelektroder (som øker utstyrets kompleksitet) og med prosesseringsmetoder. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en enkel utstyrsbasert løsning på problemet med variabel standoffavstand.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

[0005] Én utførelsesform av oppfinnelsen er et apparat innrettet for å evaluere en jordformasjon. Apparatet omfatter: en bærer innrettet for å bli fraktet i et borehull; en torsjonsstav koblet til bæreren; en kontaktenhet koblet til torsjonsstaven; og en aktuator tilknyttet torsjonsstaven, der aktuatoren er innrettet for å påføre en torsjonskraft på torsjonsstaven, der torsjonskraften blir anvendt for å holde en kontaktenhet i en posisjon nærved borehullsveggen.

[0005] En annen utførelsesform av oppfinnelsen er en fremgangsmåte for å evaluere en jordformasjon. Fremgangsmåten omfatter å: frakte en bærer omfattende en torsjonsstav inn i et borehull; og anvende en aktuator tilknyttet torsjonsstaven for å påføre en torsjonskraft som holder en kontaktenhet på bæreren nær ved borehullsveggen.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0006] De hittil ukjente trekkene som antas å være kjennetegnende for oppfinnelsen, både når det gjelder oppbygning og virkemåte, sammen med målene og fordelene med denne vil forstås bedre fra den følgende detaljerte beskrivelsen og tegningene der oppfinnelsen er illustrert gjennom et eksempel, som kun er gitt for illustrasjons- og forklaringsformål og ikke er ment som en definisjon av oppfinnelsens ramme: Figur 1 er en skjematisk illustrasjon av et boresystem; Figur 2 (kjent teknikk) er et eksempel på utførelse av de forskjellige komponentene i en sensorenhet for resistivitetsmåling; Figur 3 er en ekvivalent krets for resistivitetsanordninger med elektroder; Figur 4 viser en første tegning av en resistivitetssensorenhet ifølge den foreliggende oppfinnelse; og Figur 5 er en andre tegning av resistivitetssensorenheten ifølge den foreliggende oppfinnelse.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

[0007] Figur 1 viser et skjematisk diagram av et boresystem 10 med en borestreng 20 som fører en boreenhet 90 (også omtalt som en bunnhullsenhet, eller "BHA") fraktet i et "brønnhull" eller "borehull" 26 for å bore brønnhullet. Boresystemet 10 omfatter et tradisjonelt boretårn 11 oppstilt på et gulv 12 som understøtter et rotasjonsbord 14 som blir rotert av en drivkraft, så som en elektrisk motor (ikke vist), med en ønsket rotasjonshastighet. Borestrengen 20 omfatter et rør, så som et borerør 22 eller et kveilerør, som står nedover fra overflaten og inn i borehullet 26. Når et borerør 22 anvendes som rør, blir borestrengen 20 dyttet innover i brønnhullet 26. For kveilerøranvendelser anvendes en rørinjektor, så som en injektor (ikke vist), for å mate ut røret fra en kilde for dette, så som en trommel (ikke vist), og inn i brønnhullet 26. Borkronen 50 festet til enden av borestrengen bryter opp de geologiske formasjonene når den blir rotert for å bore borehullet 26. Dersom et borerør 22 blir anvendt, er borestrengen 20 koblet til et heiseverk 30 via et rotasjonsrør 21, en svivel 28 og et tau 29 gjennom en trinse 23. Under boreoperasjoner blir heiseverket 30 aktivert for å styre borkronetrykket, som er en viktig parameter som påvirker borehastigheten. Virkemåten til heiseverket er velkjent for fagmannen, og er derfor ikke beskrevet i detalj her.

[0008] Under boreoperasjoner blir et passende borefluid 31 fra en slamtank (kilde) 32 sirkulert under trykk gjennom en kanal i borestrengen 20 av en slampumpe 34. Borefluidet går fra slampumpen 34 og inn i borestrengen 20 via en desurger 36, en fluidkanal 28 og rotasjonsrøret 21. Borefluidet 31 føres ut ved bunnen 51 av borehullet gjennom en åpning i borkronen 50. Borefluidet 31 sirkulerer oppihulls gjennom ringrommet 27 mellom borestrengen 20 og borehullet 26 og returnerer til slamtanken 32 via en returkanal 35. Borefluidet tjener til å smøre borkronen 50 og til å føre borehullfragmenter eller borekaks vekk fra borkronen 50. En sensor Si, fortrinnsvis anordnet i kanalen 38, gir informasjon om fluidstrømningsmengden. En dreiemomentsensor S2på overflaten og en sensor S3tilknyttet borestrengen 20 gir informasjon henholdsvis om dreiemomentet på og rotasjonshastigheten til borestrengen. I tillegg blir en sensor (ikke vist) tilknyttet tauet 29 anvendt for å bestemme kroklasten fra borestrengen 20.

[0009] I én utførelsesform av oppfinnelsen blir borkronen 50 rotert ved kun å rotere borerøret 22.1 en annen utførelsesform av oppfinnelsen er en nedihullsmotor 55 (slammotor) anordnet i boreenheten 90 for å rotere borkronen 50, og borerøret 22 blir rotert vanligvis for å supplere rotasjonskraften, dersom det er nødvendig, og for å bevirke til endringer i boreretningen.

[0010] I utførelsesformen i figur 1 er slammotoren 55 koblet til borkronen 50 via en drivaksel (ikke vist) anordnet i en opplagringsenhet 57. Slammotoren roterer borkronen 50 når borefluidet 31 passerer gjennom slammotoren 55 under trykk. Opplagringsenheten 57 tar opp de radielle og aksielle kreftene fra borkronen. En stabilisator 58 koblet til opplagringsenheten 57 tjener som sentreringsanordning for den nederste andelen av slammotorenheten. Et hittil ukjent aspekt ved apparatet vist i figur 1 er en delenhet beskrevet nedenfor i forbindelse med figurene 4 og 5.

[0011] Figur 2 viser et eksempel på utførelse av de forskjellige komponentene i en resistivitetsmålesensorenhet. Ved den øvre enden er det anordnet et modulært overgangsstykke 101. Kraft- og prosesseringselektronikk er angitt som 103. Enheten er forsynt med en stabilisator 107 og en datadumpingsport kan være tilveiebragt ved 105. En resistivitetssensor er tilveiebragt ved 109 med sensor- og måleelektronikk ved 113. Sensoren 109 er forsynt med flere strømelektroder (beskrives nedenfor). Modulære forbindelser 115 er tilveiebragt ved begge ender av enheten som gjør at enheten kan bli anvendt som en del av bunnhullsenheten. En orienteringssensor 111 er tilveiebragt for å måle toolfacevinkelen til sensorenheten under rotasjon. Forskjellige typer orienteringssensorer kan bli anvendt, omfattende magnetometere, akselerometere eller gyroskop. Bruk av slike anordninger for å bestemme toolfacevinkelen er kjent for fagmannen og er ikke beskrevet nærmere her.

[0012] Stabilisatoren vist ved 107 tjener flere funksjoner. I likhet med tradisjonelle stabilisatorer er én funksjon å redusere oscillasjon og vibrasjon av sensorenhet. I forbindelse med foreliggende oppfinnelse har den imidlertid også en annen viktig funksjon, nemlig å sentrere den andelen av bunnhullsenheten (BHA) som omfatter en sensorenhet og også opprettholde sensorene i en spesifisert standoffavstand fra borehullsveggen. Det kan ikke sees i figur 2, men den utvendige diameteren til stabilisatoren er større enn den utvendige diameteren til den andelen av bunnhullsenheten som omfatter resistivitetssensoren. Som følge av denne forskjellen i diameter holdes resistivitetssensoren i en gitt standoffavstand fra borehullsveggen under rotasjon av borestrengen.

[0013] Den ekvivalente kretsen for flyten av strøm gjennom en sensorelektrode er vist i figur 3. Kraftkilden for sensoren er angitt som U og impedansen i mellomrommet mellom sensorelektroden og borehullsveggen Zg omfatter en motstandskomponent Rg og en kapasitanskomponent Cg. Formasjonens impedans er angitt med Zf. For å gjøre illustrasjonen fullstendig er impedansen Zrved en retur-elektrode ved en fjernlokasjon (ikke vist) dannet av en motstandskomponent Rrog en kapasitanskomponent Cr, vist, men vanligvis neglisjert som ubetydelig. Til-svarende neglisjeres også en induktiv impedans Zj. Det som er viktig å merke seg er at Zg endrer seg med standoffavstanden og kan være stor nok sammenliknet med Zftil å påvirke flyten av strøm gjennom elektroden. Følgelig vil den estimerte resistiviteten til formasjonen være feil.

[0014] For å unngå problemene forbundet med variabel standoffavstand anvendes en hittil ukjent komponent. Denne er illustrert ved 400 i figur 4. Av grunner som en vil forstå senere kan komponenten omtales som en bærer. Komponenten omfatter en hydraulikkenhet 405. Hydraulikkenheten 405 omfatter et stempel (ikke vist i figur 4) som skyver en hevstang 403 som igjen roterer en torsjonsstav 401'. Kontaktenheten 407 er anordnet mellom torsjonsstaven 401' og en annen torsjonsstav 401. Rotasjon av torsjonsstaven 401' beveger kontaktenheten 407 utover slik at den kan gå i inngrep med borehullsveggen. For formålet med foreliggende oppfinnelse kan torsjonsstavene også omtales som fjærer. I én utførelsesform av oppfinnelsen omfatter kontaktenheten en sensorpute (som vist i figur 4) som er forsynt med elektroder. Andre utførelser av kontaktenheten er beskrevet nærmere nedenfor.

[0015] Som vist i figur 5 er torsjonsstaven 401 utført med en innvendig kabelboring 501 som tilveiebringer en kanal for elektriske ledere fra kontaktenheten 407. Bevegelse av kontaktenheten 407 er angitt med 503. Som kan sees kan kontaktenheten beveges til nær ved borehullsveggen. For formålet med foreliggende oppfinnelse er "nær ved borehullsveggen" ment å bety "i kontakt med borehullsveggen eller i nærheten av borehullsveggen". Frasen "i nærheten av" skal forstås ut i fra sammenhengen kontaktenheten blir anvendt. For eksempel er i én utførelsesform av oppfinnelsen kontaktenheten forsynt med en sensorpute med elektroder for å gjøre resistivitetsmålinger. I dette tilfellet er "i nærheten av" ment å bety "mindre enn 5mm fra". I en annen utførelsesform av oppfinnelsen er kontaktenheten forsynt med en tetning og en plugg for å trekke inn en prøve av et formasjonsfluid. I dette tilfellet betyr "i nærheten av" at tetningen og pluggen på kontaktenheten er i faktisk fysisk kontakt med borehullsveggen. I en annen utførelsesform av oppfinnelsen er kontaktenheten forsynt med en geofon med opptil tre komponenter som stilles i fysisk kontakt med borehullsveggen for å gjøre VSP-(Vertical Seismic Profiling)-målinger under boring.

[0016] Torsjonsstaven 401 kan være forsynt med opplagringer 503. Rotasjon av torsjonsstaven 401 er angitt med pilen 505 mens bevegelse av aktuatoren er angitt med 507.

[0017] Når kontaktenheten er forsynt med en sensorpute med sensorer kan puten følge borehullets profil. Kraften på kontaktenheten 407 mot borehullet vil være proporsjonal med forflytningen av hevstangen 403, som igjen er proporsjonal med det hydrauliske trykket i hydraulikkenheten 405.

[0018] Med en slik utførelse er det mulig å ha sensorputen i en veldig liten avstand fra borehullsveggen. Strømmene gjennom elektrodene viser da resistivitets-egenskapen ved jordformasjonen ettersom impedansen fra mellomrommet er veldig liten. Et resistivitetsbilde av borehullsveggen kan bli generert fra strømmene i elektrodene ved hjelp av kjente metoder og registrert på et lagringsmedium. For å beskytte sensorputen 407 mot slitasje kan den være forsynt med en hard kledning, så som polykrystalllin diamant (PCD).

[0019] Forskyvningen av sensorputen 407 kan måles ved å måle torsjonsvinkelen til torsjonsstaven 401 som angitt av forflytningen av hevstangen 403 eller stempelet. For formålet med foreliggende oppfinnelse anses forflytningen av hevstangen 403 og av stempelet som ekvivalente. Forskyvningen av kontaktenheten 407 tilveiebringer således en kalibermåling av borehullet. Antatt at siden av komponenten 400 motsatt for sensorputen 407 også er i kontakt med borehullsveggen, oppnås en kontinuerlig måling av borehullsdiameteren. Ved å kombinere denne med orienteringsmålingen fra orienteringssensoren 111 er det mulig å frembringe et kontinuerlig bilde av størrelsen til borehullet i tillegg til resistivitetsbildet oppnådd fra resistivitetsmålingene.

[0020] Med apparatet og fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kan et resistivitetsbilde frembringes i et MWD-miljø ved hjelp av orienteringsmålinger av en passende orienteringssensor 111, så som et magnetometer. Metoder for å generere slike bilder er beskrevet for eksempel i US 6,173,793 til Thompson m. fl., som er overdratt til samme som foreliggende oppfinnelse og som inntas her som referanse i sin helhet. Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kan også bli anvendt for å generere et resistivitetsbilde av en jordformasjon ved anvendelse av flere puter fraktet på en kabel, der hver av putene inneholder flere måle-elektroder, guardelektroder og brokoplingskretser.

[0022] Behandlingen av dataene kan bli utført av en prosessor nede i hullet for å frembringe korrigerte målinger hovedsakelig i sann tid. Alternativt kan målingene bli registrert nede i hullet, hentet ut når borestrengen trekkes ut og behandlet med bruk av en prosessor på overflaten. Implisitt i styring og behandling av dataene er bruk av et dataprogram på et passende maskinlesbart medium som setter prosessoren i stand til å utføre styringen og behandlingen. Det maskinlesbare mediet kan omfatte ROM, EPROM, EEPROM, flashminner og optiske platelagre.

Claims (22)

1. Apparat innrettet for evaluering av en jordformasjon, der apparatet omfatter: en bærer innrettet for å bli fraktet i et borehull; en torsjonsstav koblet til bæreren; en kontaktenhet koblet til torsjonsstaven; og en aktuator tilknyttet torsjonsstaven, der aktuatoren er innrettet for påføring av en torsjonskraft på torsjonsstaven, der torsjonskraften blir anvendt for å holde en kontaktenhet i en posisjon nærved borehullsveggen.

2. Apparat ifølge krav 1, der kontaktenheten videre omfatter en sensorenhet innrettet for å gjøre en måling av en egenskap ved jordformasjonen.

3. Apparat ifølge krav 2, der sensorenheten videre omfatter en sensorpute innrettet for å befinne seg nær ved borehullsveggen.

4. Apparat ifølge krav 2, der sensorenheten videre omfatter flere elektroder.

5. Apparat ifølge krav 2, der sensorenheten videre omfatter en sensor innrettet for tilveiebringing av et utgangssignal som angir minst én av: (i) en resistivitetsegenskap ved jordformasjonen, (ii) en optisk egenskap ved jordformasjonen, og (iiii) en seismisk egenskap ved jordformasjonen.

6. Apparat ifølge krav 2, der kontaktenheten videre omfatter en tetning og en port for å slippe inn et fluid fra jordformasjonen.

7. Apparat ifølge krav 4, videre omfattende: en kraftkilde innrettet for føring av en elektrisk strøm inn i formasjonen gjennom de flere elektrodene; og minst én prosessor innrettet for frembringing av et bilde av en resistivitetsegenskap ved jordformasjonen ved hjelp av den elektriske strømmen i de flere elektrodene.

8. Apparat ifølge krav 1, der aktuatoren videre omfatter en hevstang eller -arm innrettet for å beveges av et hydraulisk aktivert stempel.

9. Apparat ifølge krav 1, videre omfattende en orienteringssensor innrettet for angivelse av bærerens orientering under rotasjon av denne.

10. Apparat ifølge krav 9, videre omfattende en prosessor innrettet for anvendelse av et signal som angir rotasjonsbevegelsen og posisjonen til aktuatoren for tilveiebringing av et bilde av størrelsen til borehullet.

11. Apparat ifølge krav 3, videre omfattende et dekke av polykrystalllin diamant på sensorputen innrettet for redusering av sensorputens slitasje.

12. Apparat ifølge krav 1, der den minst ene torsjonsstaven omfatter en kanal for en elektrisk leder fra sensorputen.

13. Fremgangsmåte for å evaluere en jordformasjon, der fremgangsmåten omfatter trinnene med å: frakte en bærer omfattende en torsjonsstav inn i et borehull; og anvende en aktuator tilknyttet torsjonsstaven for å påføre en torsjonskraft som holderen kontaktenhet på bæreren nærved borehullsveggen.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, videre omfattende trinnet med å anvende en sensorenhet i kontaktenheten for å gjøre en måling av en egenskap ved jordformasjonen.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, videre omfattende trinnet med å anvende en sensorpute på sensorenheten for å være nær ved borehullsveggen.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 14, videre omfattende trinnet med å anvende flere elektroder på sensorputen for å tilveiebringe et signal som angir en resistivitetsegenskap ved jordformasjonen.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 14, videre omfattende trinnet med å anvende en sensor på sensorputen for å tilveiebringe et utgangssignal som angir minst én av: (i) en resistivitetsegenskap ved jordformasjonen, (ii) en optisk egenskap ved jordformasjonen, og (iii) en seismisk egenskap ved jordformasjonen.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 14, videre omfattende trinnet med å anvende en tetning og en port på kontaktenheten for å slippe inn et fluid fra jordformasjonen.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 14, der det å påføre torsjonskraften videre omfatter trinnet med å bevirke til rotasjonsbevegelse av den minst ene torsjonsstaven ved hjelp av en hevstang eller -arm drevet eller aktivert av et hydraulisk aktivert stempel.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 14, videre omfattende trinnet med å måle bærerens orientering av under rotasjon av denne og anvende den målte orienteringen for å tilveiebringe bildet av en egenskap ved formasjonen.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 20, videre omfattende trinnet med å anvende et signal som angir rotasjonsbevegelsen og bevegelsen av aktuatoren for å tilveiebringe et bilde av størrelsen til borehullsveggen.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 14, videre omfattende trinnet med å føre en elektrisk leder fra kontaktenheten gjennom en kanal på den minst ene torsjonsstaven.