NO339127B1 - Apparat og fremgangsmåte for å måle fluidresistivitet - Google Patents

Description

KRYSSREFERANSE TIL BESLEKTEDE SØKNADER

[0001] Ikke relevant.

REDEGJØRELSE VEDRØRENDE STATLIG STØTTET FORSKNING ELLER

UTVIKLING

[0002] Ikke relevant.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

[0003] Borehull bores ned i jordens overflate for å utvinne forekomster av hydrokarboner og andre ønskede materialer som er innestengt i formasjonene under. En brønn blir typisk boret ved å koble en borkrone til den nedre enden av en sekvens av sammenkoblede rørseksjoner, kjent som en borestreng. Borefluider, eller slam, blir pumpet ned gjennom en senterboring i borestrengen og strøm-mer ut gjennom porter i borekronen. Borefluidene tjener til å smøre og kjøle ned borekronen, til å føre borespon tilbake til overflaten og til å danne et hydrostatisk "lokk" som er tilstrekkelig til å hindre formasjonsfluider i å "blåse ut" borehullet når de påtreffes. Når borehullet er boret dypt nok til at et ønsket punkt kan nås, gjen-nomføres operasjoner for å perforere og frakturere undergrunnsformasjonen slik at hydrokarboner, om slike finnes på stedet, kan strømme fra formasjonen og inn i det nyborede borehullet. Siden det hydrostatiske trykket i søylen av boreslam kan være høyere enn trykkene i hydrokarbonreservoarene, vil ikke hydrokarbonene alltid strømme fra formasjonen og inn i borehullet av seg selv. Før fullskala utvinn-ingsoperasjoner påbegynnes foretrekker bore- og produksjonsoperatører å teste formasjonsfluidene for å sikre at den ønskede type og mengde hydrokarboner finnes i formasjonen før de kompletterer brønnen. Når formasjonsfluidene er identifi-sert, vil forskjellige operasjoner for å utvinne hydrokarbonene i disse bli utført.

[0004] For å teste fluidene blir typisk en formasjonstester utplassert nedihulls. Forskjellige formasjonsfluidtestere for kabeloperasjoner og LWD-(Logging-While-Drilling)-anvendelser er kjente for fagmannen, omfattende den modulopp-byggede dynamiske testeren som selges under varebetegnelsen MDT™ av Schlumberger Technology Corp. (Houston, Texas). En detaljert beskrivelse av disse verktøyene kan finnes i US-patentene 4,860,581 og 4,936,139 utstedt til Zimmerman mfl. og den publiserte US-patentsøknaden 2004/0104341 av Betancourt mfl. Ovennevnte patenter og søknad er overdratt til samme som denne søknaden, og inntas som referanse her i sin helhet.

[0005] Figur 1 illustrerer skjematisk en formasjonstester 10 opphengt i borehullet 12 fra den nedre enden av en typisk flerlederkabel 15 som på vanlig måte er kveilet opp på en passende vinsj (ikke vist) på overflaten. Kabelen 15 er elektrisk koblet til et elektrisk styringssystem 18 på overflaten. Verktøyet 10 omfatter et lang-strakt legeme 19 som omgir nedihullsdelen av verktøystyringssystemet 16. Det langstrakte legemet 19 fører også en selektivt forlengbar fluidinnhentingsenhet 20 og en selektivt forlengbar verktøyforankringsstruktur 21 som er anordnet på respektive motsatte sider av verktøylegemet. Fluidinnhentingsenheten 20 er utstyrt for selektivt å tette av eller isolere valgte deler av veggen i borehullet 12 slik at det skapes trykk- eller fluidkommunikasjon med den vedsidenliggende jordformasjo-nen 14. Også innbefattet i verktøyet 10 er en innretning (ikke vist) for å bestemme trykket og temperaturen nedihulls samt en fluidanalysemodul 25 som fluidet strøm-mer gjennom. Fluidet kan deretter bli ført ut gjennom en port (ikke vist), eller det kan bli sendt til ett eller flere fluidoppsamlingskamre 22 og 23, som kan motta og lagre fluidene som innhentes fra formasjonen. Styring avfluidinnstrømningsen-heten, fluidanalyseringsseksjonen og strømningsveien til oppsamlingskamrene be-sørges av de elektriske styringssystemene 16 og 18. Som fagmannen vil forstå kan de elektriske styringssystemene omfatte én eller flere mikroprosessorer, tilhør-ende minne samt annen maskinvare og/eller programvare for å realisere oppfinnelsen.

[0006] Før formasjonsprøver hentes inn i oppsamlingskamrene 22 og 23 er det ønskelig at man er sikker på at fluidene er fra den urørte formasjonen, dvs. ikke kontaminert av borefluid fra den invaderte sonen. For å sikre at urørte formasjonsfluider blir samlet inn anvendes en fluidanalysator 25 for å overvåke fluidenes beskaffenhet etter hvert som de suges inn. Fluidanalysemodulen 25 kan være en optisk modul, en trykkfølermodul, en resistivitetsmodul eller liknende. Av disse er resistivitetsmodulen spesielt nyttig på grunn av sitt brede dynamiske område. En typisk resistivitetsmodul kan omfatte flere elektroder som er i kontakt med fluidet. Disse elektrodene anvendes for å lede strømmer inn i fluidet og for å måle spenningsfallet over en lengde. Et eksempel på en slik modul er vist i figur 1 (ele- ment 56) i US-patentet 4,860,581, utstedt til Zimmerman. Figur 2 viser ett eksempel på en slik modul (føler).

[0007] Som illustrert i figur 2 bestemmes fluidresistiviteten av en føler med fire elektroder, der de fire elektrodene er korte metallrør adskilt fra hverandre og fra inn- og utstrømningsrørene av korte, isolerende rør. De to ytterste elektrodene leder en elektrisk strøm (I) inn i fluidprøven, og spenningsfallet (V) mellom de to innerste elektrodene blir målt. Med en kjent strøm (I) og den målte spenningen (V) er fluidets resistivitet bestemt.

[0008] Disse elektrodeanordningene er imidlertid eksponert for fluidene i strømningsrøret, som kan være under forholdsvis høye trykk (opptil 2069 bar (30,000 psi)). Derfor er det nødvendig med gode tetninger (f.eks. "bulkhead", o-ringer eller andre mekaniske tetninger) for å beskytte de elektroniske delene som befinner seg utenfor strømningsrøret og er under atmosfærisk trykk (omtrent 1 bar (14 psi)). Ettersom borehull boret på slike dyp ofte har minste hulldiameter, må slike måleutstyr og tetningsmekanismene ("bulkhead" og o-ringer) nødvendigvis være veldig små. I det begrensede volumet som er tilgjengelig for resistivitetsføle-ren er det vanskelig å oppnå trykkforseglinger mellom alle de isolerte rørene og metallrørene. For føleren vist i figur 2 ville minst åtte tetninger være nødvendig; ti medregnet tetningene mellom de ytterste isolerende rørene og inn- og utstrøm-ningsrørene. I stedet anvendes fire "bulkhead"-gjennomføringer for de fire kablene som kobler elektrodene til elektronikken. Ved ekstreme temperaturer og trykk kan også de fire "bulkhead"-gjennomføringene være upålitelige. Som følge av dette er det meget vanskelig å lage en pålitelig resistivitetsføler.

[0009] US 2004012395 beskriver en fremgangsmåte og anordning for å måle fluidresistivitet med to strømledende metallseksioner atskilt av en seksjon med et isolerende materiale. En første toroid induserer elektrisk strøm mens en andre toroid måler den induserte strømmen. Det dannesen strømsløvfe ved å ha en strømledende bane utenfor strømningsrøret.

[0010] US 3404335 A omhandler en anordning for å måle fluidresistivitet. Anordningen har et strømningsrør med to ledende deler atskilt av en isolerende del, alternativt kan strømningsrøret være isolerende. To toroider omgir strømningsrøret, den ene induserer strøm mens den andre måler indusert strøm

[0011] Følgelig eksisterer det fortsatt et behov for fremgangsmåter og appa-rater for resistivitetsmåling som på en pålitelig måte kan anvendes i formasjonstest-ere eller tilsvarende nedihullsutstyr.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

[0012] Et første aspekt av oppfinnelsen tilveiebringer Apparat for å måle fluidresistivitet av formasjonsfluider som strømmer i et borehull, omfattende et strømningsrør innrettet motta formasjonsfluidene for gjennomstrømning, der strømningsrøret omfatter en første metallrørseksjon og en andre metallrørseksjon forbundet med en sammenføyning omfattende et isolerende belegg for å hindre direkte elektrisk kommunikasjon mellom den første seksjonen og den andre seksjonen, der en første seksjonen og den andre seksjonen har et indre isolerende belegg som strekker seg over sammenføyningen for å definere en ønsket målelengde i strømningsrøret, der den første seksjonen og den andre seksjonen er innrettet for å være i kontakt med fluidet som strømmer i strømningsrøret slik at det, sammen med en strømledende bane anordnet utenfor strømningsrøret, dannes en strømretursløyfe, en første toroid og en andre toroid som omgir strømningsrøret, på begge sider av sammenføyningen, der den første toroiden er innrettet for å indusere en elektrisk strøm i fluidet i strømningsrøret og den andre toroiden er innrettet for å måle den elektriske strømmen som blir indusert i fluidet i strømningsrøret, og en elektronikkenhet for å styre funksjoner ved den første toroiden og den andre toroiden.

[0013] Et andre aspekt av oppfinnelsen tilveiebringer en fremgangsmåte for måle resistivitet i et formasjonsfluid i et borehull, omfattende det å drive formasjonsfluidet gjennom et strømningsrør i et resistivitetmålingsapparat, der strømningsrøret omfatter en isolerende seksjon mellom en første seksjon og en andre seksjon, indusere en elektrisk strøm i formasjonsfluidet i strømningsrøret ved hjelp av en første toroid, måle den elektriske strømmen som induseres i formasjonsfluidet med en andre toroid, og å kalibrere den første toroiden og den andre toroiden med en kalibreringssløyfe anordnet langs strømningsrøret, eller med kalibreringsviklinger innlemmet i den første toroiden og den andre toroiden.

[0014] Ytterligere aspekter av oppfinnelsen fremgår av kravene 2 - 8 og 10.

[0015] Det beskrives et apparat for å måle fluidresistivitet omfattende et strømningsrør innrettet for å stå i fluidkommunikasjon med formasjonsfluider, der strømningsrøret omfatter en første seksjon med et første strømledende område, en andre seksjon med et andre strømledende område og en isolerende seksjon anordnet mellom den første seksjonen og den andre seksjonen for å hindre direkte elektrisk kommunikasjon mellom den første seksjonen og den andre seksjonen, der det første strømledende området og det andre strømledende området er innrettet for å være i kontakt med et fluid inneholdt i strømningsrøret slik at det, sammen med en strømledende bane utenfor strømningsrøret, dannes en strømretursløyfe; en første toroid og en andre toroid som omgir strømningsrøret, der den første toroiden er innrettet for å indusere en elektrisk strøm i fluidet i strøm-ningsrøret og den andre toroiden er innrettet for å måle den elektriske strømmen som blir indusert i fluidet i strømningsrøret; og en elektronikkenhet for å styre funksjoner ved den første toroiden og den andre toroiden.

[0016] Det beskrives et apparat for å måle fluidresistivitet, omfattende et strømningsrør innrettet for å stå i fluidkommunikasjon med formasjonsfluider, der strømningsrøret er laget av et isolerende materiale; en første toroid og en andre toroid som omgir strømningsrøret og er anordnet i en avstand fra hverandre langs strømningsrøret, der den første toroiden er innrettet for å indusere en elektrisk strøm i et fluid inneholdt i strømningsrøret og den andre toroiden er innrettet for å måle den elektriske strømmen som blir indusert i fluidet; et metallhus som omgir den første toroiden, den andre toroiden og en del av strømningsrøret, der metallhuset er innrettet for å danne en returstrømbane for den elektriske strømmen som blir indusert i fluidet; og en elektronikkenhet for å styre funksjoner ved den første toroiden og den andre toroiden.

[0017] Det beskrives en fremgangsmåter for å måle resistivitet i et formasjonsfluid i et borehull, omfattende det å: drive formasjonsfluidet gjennom et strømningsrør i et resistivitetmålingsapparat, der strømningsrøret omfatter en isolerende seksjon mellom en første strømledende seksjon og en andre strømled-ende seksjon; indusere en elektrisk strøm i formasjonsfluidet i strømningsrøret med en første toroid; og måle den elektriske strømmen som induseres i formasjonsfluidet med en andre toroid.

[0018] Andre aspekter og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følg-ende beskrivelsen og de etterfølgende kravene.

KORT BESKRIVELSE AV FIGURENE

[0019] Figur 1 illustrerer skjematisk en kjent formasjonstester anordnet i en brønnboring.

[0020] Figur 2 illustrerer skjematisk en kjent resistivitetsføler med fire elektroder.

[0021] Figur 3 illustrerer skjematisk en toroid resistivitetsføler ifølge én utfør-elsesform av oppfinnelsen.

[0022] Figur 4 er en tverrsnittsskisse av et apparat for måling av fluidresistivitet ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

[0023] Figur 5 illustrerer et tverrsnitt av et fluidsstrømningrør ifølge en utfør-elsesform av foreliggende oppfinnelse.

[0024] Figur 6 illustrerer et tverrsnitt av et annet fluidstrømningsrør ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

[0025] Figur 7 illustrerer et tverrsnitt av et annet fluidstrømningsrør ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

[0026] Figur 8 illustrerer et tverrsnitt av et annet fluidstrømningsrør ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

[0027] Figur 9 illustrerer et tverrsnitt av et annet fluidstrømningsrør ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

[0028] Figur 10 illustrerer et tverrsnitt av et annet fluidstrømningsrør ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

[0029] Figur 11 er en skisse som representerer en resistivitetskurve som vil kunne forventes når en brønn er boret med et vannbasert slam og ved testing av en sone som inneholder olje.

[0030] Figur 12 illustrerer et måleapparat ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

[0031] Figur 13 viser et elektrisk skjema av en krets ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

[0032] Figur 14 viser en resistivitetmålingsanordning som innbefatter en kali-breringssløyfe eller sekundære viklinger på toroidene for kalibrering ifølge én utførelsesform av oppfinnelsen.

DETALJERT BESKRIVELSE

[0033] Utførelsesformer av oppfinnelsen vedrører en resistivitetsføler egnet for bruk i en formasjonstester eller tilsvarende utstyr. En resistivitetsføler ifølge ut-førelsesformer av oppfinnelsen anvender ikke elektroder som er i direkte kontakt med fluidene som resistiviteten skal måles for. I stedet anvender en resistivitets-føler ifølge utførelsesformer av oppfinnelsen toroider for induktivt å måle resistiviteten til fluidene i et strømningsrør. En resistivitetsføler ifølge utførelsesformer av oppfinnelsen kan anvendes i en fluidanalysator i en formasjonstester (f.eks. 25 i figur 1).

[0034] Figur 3 illustrerer skjematisk en toroid-basert resistivitetsføler ifølge én utførelsesform av oppfinnelsen. Som kan sees i figur 3 innbefatter resistivitets-føleren 30 et strømningsrør 35 som omfatter et isolerende segment 33 flankert av to strømledende segmenter 31, 32. Merk at det isolerende segmentet 33 er vist laget i sin helhet av et elektrisk isolerende materiale (f.eks. keramikk, glass, PEEK, etc), mens de strømledende segmentene 31, 32 i sin helhet er laget av et strøm-ledende materiale (f.eks. metall). Fagmannen vil imidlertid forstå at det isolerende segmentet 33 også kan omfatte et strømledende legeme med et isolerende belegg på den innvendige overflaten, forutsatt at det ikke eksisterer en kontinuerlig strøm-ledende bane langs hele dens lengde som lar strøm gå mellom de strømledende segmentene 31 og 32. Tilsvarende kan de strømledende segmentene 31, 32 også være laget av et ikke-strømledende materiale med et strømledende belegg på den innvendige overflaten. Forskjellige endringer av oppbygningen til et strømningsrør ifølge utførelsesformer av oppfinnelsen vil bli illustrert med flere eksempler neden-for, med henvisning til figurene 5-10.

[0035] Igjen med henvisning til figur 3 er to toroider T1, T2 anordnet rundt (eller omskriver) de strømledende segmentene 31, 32. Fagmannen vil vite at en toroid omfatter en smultringformet kjerne, som typisk er laget av ferritt eller et annet ferromagnetisk materiale, og strømledende trådviklinger på kjernen. Når en strøm ledes gjennom den strømledende trådviklingen, induseres et magnetfelt. Det induserte magnetfeltet, som hovedsaklig er linjeført med kjernens sirkelbane, kan indusere en strøm i et strømledende materiale som er omgitt av kjernen. Den induserte strømmen ledes i en retning som er parallell med kjernens akse.

[0036] Følgelig, når toroiden T1 aktiviseres, induserer den induktivt en strøm i fluidene i strømningsrøret 35. Tilstedeværelsen av et isolerende segment 33 hindrer at den induserte elektriske strømmen ledes direkte fra det første strøm-ledende segmentet 31 til det andre strømledende segmentet 32, og tvinger den induserte strømmen til å gå gjennom fluidsøylen inneholdt i det isolerende segmentet 33 (vist som prikkede piler 39) for å komme til det andre strømledende segmentet 32. En strømreturbane 38 lar da strømmen returnere til det strømledende segmentet 31 og slutter kretsen. Strømmen som induseres i det andre strømled-ende segmentet 32 og fluidet der induserer i sin tur induktivt en strøm (eller spenning) i den andre toroiden T2. Strømmen eller spenningen som detekteres i toroiden T2 kan sammenliknes med strømmen (eller spenningen) anvendt på toroiden T1 for å beregne motstanden i fluidet ( Rf) over det isolerende segmentet 33. Denne motstanden ( Rf) avhenger av fluidets resistivitet (pf), tverrsnittsarealet ( A) til strømningsrøret 35 og lengden (/) til det isolerende segmentet 33. Nærmere bestemt er Rf = K * pt* I / A, der K er en konstant som avhenger av geometrien og har en verdi som er nær 1. K kan bestemmes fra en engangskalibrering ved an-vendelse av et fluid med kjent resistivitet. Følgelig kan motstanden ( Rf) bestemmes fra den målte spenningen. Fluidets resistivitet (pf) kan således beregnes fra den kjente lengden ( I) til det isolerende segmentet 33, det kjente tverrsnittsarealet ( A) til strømningsrøret 35 og den kjente faktoren K. Detaljer ved denne beregningen vil bli beskrevet senere i forbindelse med figurene 12 og 13.

[0037] En resistivitetsføler (eller et resistivitetmålingsapparat) som illustrert i figur 3 kan innlemmes i forskjellige nedihullsverktøy for å måle fluidresistivitet i et strømningsrør. Ett eksempel, som illustrert i den følgende beskrivelsen, er å innlemme en slik resistivitetsføler i en fluidanalysemodul (vist som 25 i figur 1) i en formasjonstester (f.eks. MDT™).

[0038] Figur 4 viser et apparat 100 for å måle fluidresistivitet ifølge én utfør-elsesform av oppfinnelsen. Resistivitetmålingsapparatet 100 er fortrinnsvis konstru-ert slik at resistiviteten til fluider som strømmer gjennom et strømningsrør 102 kan måles induktivt. Det viste fluidstrømningsrøret 102 omfatteren innløpsseksjon 104 og en utløpsseksjon 106 (svarende til de strømledende segmentene i figur 3) adskilt av en isolerende seksjon 108. Den isolerende seksjonen 108 hindrer at elektriske strømmer ledes direkte fra innløpsseksjonen 104 til utløpsseksjonen 106. Innløps- og utløpsseksjonene 104,106 er fortrinnsvis laget av et materiale med høy styrke, for eksempel metall, PEEK, keramikk, etc. Som angitt over, dersom disse segmentene er laget av ikke-strømledende materialer (f.eks. PEEK eller keramikk), kan rørseksjonenes innvendige overflate bli belagt med et strømled-ende materiale for å oppnå elektrisk kontakt med fluidet. Denne elektriske kontak-ten danner en del av sløyfen (vist som 38 i figur 3) som sørger for retur av strøm-men. Merk at dersom fluidinnløpsrøret og fluidutløpsrøret er laget av metall, disse fluidrørene kan sørge for elektrisk kontakt med fluidet.

[0039] Resistivitetmålingsapparatet 100 omfatter også et par av toroider 110 og 112 som omgir strømningsrøret 102. Toroidene 110 og 112 er adskilt aksielt av et mellomrom 114. Endedekseler 116, 118 holder toroidene 110, 112 på plass i resistivitetmålingsapparatet 100. Den første toroiden 112 kan indusere en strøm i fluidet som strømmer gjennom strømningsrøret 102, og den andre toroiden 110 kan detektere denne strømmen (eller indusert spenning), eller omvendt. Siden toroidene 110, 112 måler strøm i fluidene indirekte uten å måtte være i kontakt med fluidet, kan de utføre sine funksjoner fra utsiden av strømningsrøret, som er under høyt trykk. Resistivitetmålingsapparatet 100 omfatter en elektronikkenhet 120 som driver toroiden 110 eller 112 og måler eller beregner resistivitet. Siden verken elek-tronikkenheten 120, toroidene 110, 112 eller noen kabler og ledere mellom disse er eksponert for de høye trykkene i strømningsrøret 102, er det ikke nødvendig med avanserte tetninger og hydrauliske isoleringsmekanismer. Derfor vil resistivitetmålingsapparatet 100 være mye mer driftsikkert siden risikoen for katastrofal svikt i en hydraulisk tetning som beskytter elektronikk og følere er minimert.

[0040] I dette konkrete eksempelet er alle komponentene i resistivitetmålingsapparatet 100 inneholdt i et hus 122 som er tilpasset for å passe inne i en måle- og testeanordning (f.eks. en MDT™) for utplassering nedihulls. For slike anvendelser er resistivitetmålingsapparatet 100 fortrinnsvis dimensjonert slik at det passer i et eksisterende verktøy. Ifølge én utførelsesform av oppfinnelsen kan huset 122 for eksempel være et sylindrisk hus med diameter 5 cm (to tommer),

slik at det får plass i et MDT™-verktøy. En måle- og testeanordning av denne stør-

reisen krever nødvendigvis at diameteren til strømningsrøret 102 er liten (f.eks. mindre enn 0,6 cm (0,250 tommer)). Dersom en tradisjonell elektrodeanordning anvendes, vil hydrauliske tetninger som er nødvendige for å tette av rundt elektrodene måtte ha veldig små dimensjoner, og vil trolig ha problemer med å stå imot trykk som overstiger 2069 bar (30000 psi) og temperaturer opptil 200 °C. Ved hjelp av toroider er det mulig å isolere all elektronikk fra de høye trykkene, og det er derfor ikke nødvendig med hydrauliske tetninger.

[0041] Som angitt over er forskjellige utførelser mulige for å konstruere et strømningsrør med et isolerende segment mellom de to strømledende segmentene. I én utførelsesform kan et strømningsrør omfatte en isolerende seksjon 108 laget av glass (eller andre isolerende materialer, så som keramikk eller PEEK (polyetereterketon)) som i begge sine ender er sammenføyd med strømledende seksjoner (f.eks. seksjonene 104 og 106 i figur 4) som er laget av metall. Glass/metall-sammenføyninger har med hell vært benyttet i nedihullsverktøy. Glass kan sørge for isolasjon og er i stand til å stå imot forholdsvis høye trykk. Andre materialer omfattende, men ikke begrenset til høytemperatur-plast (f.eks. PEEK) og keramikk kan også anvendes.

[0042] I figur 5 er en strømningsrør-enhet 102 tilsvarende den i figur 4 vist skjematisk. En glass-til-metall-tetning er dannet mellom seksjonene 104 og 106, slik at glassdelen av tetningen fungerer som den isolerende seksjonen 108, hvor-ved et isolert mellomrom 130 dannes mellom seksjonene 104 og 106. Når den induseres av toroiden 112, ledes elektrisk strøm (vist skjematisk med pilene 132) mellom seksjon 104 og seksjon 106 i fluidet gjennom strømningsrøret 102. I eksempelet vist i figur 5 er strømflytens lengde 132 omtrent den samme som størrel-sen til det aksielle mellomrommet mellom seksjonene 104 og 106. Siden glassdelen 108 har betydelig lavere strekk- og skjærfasthet enn metallseksjonene 104 og 106, er imidlertid glassdelen mer følsom for radielle spenninger og utsatt for brudd når fluider under høyt trykk strømmer gjennom strømningrøret 102. Dette vil også være tilfelle med en isolerende seksjon av plast. Det er derfor ønskelig å re-dusere den aksielle lengden til glass- eller plastseksjonen.

[0043] I figur 6 er et annet strømningsrør 402 vist skjematisk. Strømnings-røret 402 omfatter strømledende seksjoner 404 og 406 som er aksielt nærmere hverandre enn de tilsvarende seksjonene i figur 4. Med et mindre aksielt mellom rom mellom seksjonene 404 og 406 reduseres de radielle spenningene i den isolerende seksjonen 408 dramatisk. Dersom det aksielle mellomrommet reduseres, kan imidlertid resistivitetsmålingen bli unøyaktig siden den målte motstanden avhenger av det isolerende segmentet (/). Derfor, for å kompensere for den redu-serte aksielle lengden, kan den isolerende seksjonen 408 utvides med en lengde 430 på den innvendige overflaten i strømningsrøret 402. Andelen av den isolerende seksjonen 408 inne i boringen i strømningsrøret 402 kan være forholdsvis tynn, for eksempel et tynt belegg. Strømflyten 432 er tilnærmet like lang som strømflyten 132 i figur 5, men lengden av svakt glass (eller annet materiale) innenfor den isolerende seksjonen 408 er betydelig redusert. Følgelig er den isolerende seksjonen 408 mye mindre utsatt for svikt under store trykkbelastninger enn den isolerende seksjonen 108 i figur 5.

[0044] Figur 7 viser et strømningsrør 502 ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen. I figur 7 dannes strømningsrøret 502 hovedsaklig av en første seksjon 504 og en andre seksjon 506 koblet sammen i et gjenget inngrep, med et isolerende belegg anordnet på gjengene 534. Den første seksjonen 504 og den andre seksjonen 506 kan være laget av metall. Det isolerende belegget på gjengene 534 hindrer effektivt elektrisk kommunikasjon mellom seksjonene 504 og 506 og tvinger strøm 532 til å gå gjennom fluidet i strømningsrøret 502. For å øke den aksielle lengden som strømmen 532 må gå er en isolerende seksjon 508 med lengde 530 belagt på den innvendige overflaten i strømningsrøret 502. Den isolerende seksjonen 508 kan være av et hvilket som helst isolerende materiale, for eksempel glass, keramikk, gummi, PEEK, etc. Siden den isolerende seksjonen 508 understøttes av metallseksjonene 504 og 506 skulle den være i stand til å stå imot betydelig radiell spenning fra fluidet i strømningsrøret 502. Sannsynligheten for svikt minimeres.

[0045] Fagmannen vil forstå at variasjoner av utførelsesformen vist i figur 7 er mulige. For eksempel viser figur 8 en utførelsesform som har en gjengekobling, der et isolerende materiale 834 (f.eks. keramikk) er lagt på den ene av eller begge de gjengede endene for å hindre elektrisk kommunikasjon mellom fluidinnløpsrøret 804 og fluidutløpsrøret 806. Det keramiske belegget er typisk 0,25-0,49 cm (0,010 til 0,020 tommer) tykt. Keramiske belegg er tilgjengelige fra forskjellige leverandø-rer, for eksempel Praxair Inc. Den mekaniske belastningen fra det interne trykket bæres av metallrørene, slik at denne konstruksjonen er meget robust. Det isolerende området mellom de to metallrørene er oppnådd ved å legge til et isolerende lag 831, som kan være et keramisk belegg, et gummilag lagt på metallrørene eller en innsats av plast, glass eller PEEK. Det isolerende laget 831 med lengde 830 tvinger strømmen til å gå gjennom fluidsøylen i denne seksjonen.

[0046] Figur 9 viser en tilsvarende utførelsesform, men med en gjengefri kobling. Som vist i figur 9 erfluidinnløpsrøret 904 og fluidutløpsrøret 906 koblet gjennom en krymptilpasningsmekanisme. Ved kobling av de to rørene varmes det ytre metallrøret opp slik at det utvides, og dermed kan føres over det indre røret. Når det ytre røret kjøles ned til samme temperatur som det indre røret, komprime-res de to rørene og danner en trykkforsegling. Sammenkoblingsområdet (på det indre røret, det ytre røret eller begge) er belagt med et isolerende materiale 934, for eksempel keramikk (typisk med en tykkelse på 0,25 - 0,49 cm (0,010 - 0,020 tommer), for å hindre direkte elektrisk kommunikasjon mellom innløpsrøret 904 og utløpsrøret 906. Et isolerende lag 931 er lagt på innsiden av røret for å skape det isolerende segmentet. En annen mulighet er å anvende O-ringtetninger i sammenkoblingsområdet heller enn varmekrymppasning for å danne en trykktet-ning (ikke vist).

[0047] Figur 10 viser et strømningsrør 702 ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen. Som kan sees i figur 10 dannes strømningsrøret 702 hovedsaklig av et isolerende rør 703 som omfatter to seksjoner av strømledende belegg 704, 706. Seksjonene av det strømledende belegget 704, 706 er adskilt av en ikke-belagt seksjon 730. De strømledende beleggene 704, 706 er sammenkoblet eks-ternt av en kabel eller av metallhuset som omgir føleren. Strømmen 732 går mellom de to strømledende beleggene.

[0048] Figurene 5-10 illustrerer forskjellige strømningsrør ifølge utførelses-former av oppfinnelsen. Disse eksemplene er kun for illustrasjonsformål. Fagmannen vil forstå at andre modifikasjoner er mulige innenfor oppfinnelsens ramme. For eksempel viser figur 12 en resistivitetsføler ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen, som innbefatter et strømningsrør 602 laget av et ikke-strømledende materiale (f.eks. PEEK eller keramikk) og et metallhus 640 som omgir de to toroidene 610, 612. I denne utførelsesformen gir metallhuset strømreturbaner i punkter der strømningsrøret 602 forlater metallhuset 640. I disse punktene kommer fluidet i kontakt med fluidinnløpsrør og fluidutløpsrør av metall.

[0049] Et resistivitetmålingsapparat ifølge utførelsesformer av oppfinnelsen kan brukes til å overvåke resistivitetsendringer, for eksempel mens formasjonsfluidene suges inn i en formasjonstester. Når resistiviteten når en stasjonær tilstand, kan det antas at fluidet som suges inn i formasjonstesteren er representativt for urørte formasjonsfluider, dvs. hovedsaklig fritt for borefluid. Figur 11 viser en resistivitetskurve som vil kunne forventes når en brønn er boret med et vannbasert slam og ved testing av en sone som inneholder olje. Som vist er den initielle resistiviteten til fluidene sterkt påvirket av de strømledende borefluidene som har trengt inn i formasjonen. Etter hvert som mer fluid suges inn i formasjonstesteren avtar andelen av borefluider, mens andelen av urørt formasjonsfluid øker. Til slutt forventes resistiviteten som måles i strømningsrøret å nærme seg den til de urørte formasjonsfluidene, dvs. nærme seg en stasjonær tilstand. Følgelig kan en resisti-vitetsføler ifølge oppfinnelsen brukes til å bestemme når fluidet som suges inn i en formasjonstester er representativt for urørte formasjonsfluider og derfor er egnet for innsamling for senere analyse.

[0050] I tillegg til "kvalitative" anvendelser beskrevet over i forbindelse med figur 11, kan et resistivitetmålingsapparat ifølge utførelsesformer av oppfinnelsen også anvendes for å bestemme fluidenes resistivitet (kvantitative anvendelser).

[0051] Med henvisning til figurene 12 og 13 vil nå fysikken bak den indirekte målingen av fluidresistivitet med to toroider bli beskrevet. Figur 12 viser en fluid-resistivitetscelle 600 med to toroider 610, 612 for å måle resistivitet i fluider i et strømningsrør 602 ved induktiv kobling. Som beskrevet over i forbindelse med figur 4 induserer den første toroiden 612 en strøm i strømningsrøret 602, og den andre toroiden 610 måler den induserte strømmen. Strømningsrøret 602 vist i figur 12 er et ikke-strømledende rør med innvendig radius a og lengde /. Fluidresistivitetscellen 600 i figur 12 er inneholdt i et sylindrisk metallhus 640 og omfatter et innvendig hulrom 642 fylt med et ikke-strømledende materiale med nominell magnetisk permeabilitet / jo, omfattende, men ikke begrenset til luft under atmosfærisk trykk, vakuum eller et isolerende polymermateriale (f.eks. epoksy, gummi, glassfiber, plastikk, PTFE eller PEEK).

[0052] Størrelsen til strømmen som induseres i strømningsrøret 602 avhenger av resistiviteten { pfi til fluidet som strømmer gjennom det ikke-strømledende røret 602 og forskjellige egenskaper ved toroidene 610, 612. Hver toroid 610, 612 har en innvendig radius b, en utvendig radius c, en tykkelse h, et antall omspunn-ede trådviklinger N og en permeabilitet Fortrinnsvis har toroidene 610, 612 en høy magnetisk permeabilitet og kan være laget av ferritt, jernpulver, mymetall, superlegering eller et hvilket som helst annet materiale som er egnet for arbeidsfrekvensen. Arbeidsfrekvensen kan være en hvilken som helst frekvens som kan indusere en strøm i fluidene i strømningsrøret, for eksempel i området fra 5KHz til 200 MHz, fortrinnsvis 20 KHz til 10 MHz, mer foretrukket 20KHz til 2MHz. Videre kan hver toroid 610, 612 omfatte en elektrostatisk skjerming for å fjerne/minimere eventuelle kapasitive koblinger eller direkte gjensidige induktive koblinger mellom toroidene 610, 612.

[0053] Selvinduktansen til toroidene 610, 612, som vist i figur 12, kan beskrives som: der no = 47T • 10-<7>Henry/m. Den gjensidige induktansen mellom hver toroid 610, 612 og fluidet i strømningsrøret 602 kan beskrives som:

Selvinduktansen til halvparten av det fluidfylte strømningsrøret 602 er:

der det første leddet dominerer fordi//'» 1. Merk at d er den innvendige radien til metallhuset 640. Som angitt over er motstanden til fluidene i strømningsrøret 602

avhengig av fluidets resistivitet (pf), fluidledningsveiens lengde ( I) og rørets tverr-snittsareal ( A = nat) :

[0054] Som kan sees i figur 13 aktiviserer en kjent strøm U (fra en kilde med spenning Vj) den første toroiden 612, og induserer med det en strøm /'i fluidrøret 602, som returnerer via endedekslene av metall og metallhuset (se figur 12). Denne induserte strømmen /' skaper en strøm l2(eller spenning V2) i den andre toroiden 610. Utgangen fra den andre toroiden 610 er koblet til en operasjonsfor-sterker (ikke vist), fortrinnsvis med høy inngangsimpedans.

[0055] Kretsmodellen vist i figur 13 kan anvendes for å illustrere prosessene for å løse for Rf og således pf. For den første toroiden 612:

For den andre toroiden 612:

For fluidrøret 602:

Løsning med hensyn på V2gir: der begge leddene har tap og reaktans. Dersom V2er målt med en operasjonsfor-sterker med høy nok impedans, kan det antas at l2er null, og likningen over reduseres til:

[0056] Innsetting av selvinduktansen i likningen over gir relasjonen mellom de målte størrelsene for V2og /f og den ønskede størrelsen Rf som følger:

Denne likningen kan nå inverteres og kombineres med likning 4 for å finne Rf og pt. Det skal bemerkes at den relative magnetiske permeabiliteten (h") er kvadrert i telleren i likning 12, og den opptrer også i nevneren som en del av Lf (se likning 3).

[0057] Den relative magnetiske permeabiliteten //'til toroidene 610, 612 kan være temperaturavhengig, og vil derfor kunne måtte kalibreres over hele området av arbeidstemperaturer. Dersom temperaturvariasjonen til//'er liten og forutsig-bar, kan da en temperaturavhengig korreksjon om nødvendig bli anvendt på avles-ningen. Én mulighet er å måle permeabiliteten //'til toroidene ved forskjellige temperaturer før utplassering nedihulls. Når den er i bruk kan en føler i fluidresistivitetscellen 600 måle temperaturen og legge inn en korreksjonsfaktor fra en oppslags-tabell i beregningen.

[0058] Dersom temperaturvariasjonen til//'er stor eller uforutsigbar, kan det være nødvendig å innlemme en kalibreringsfunksjon i systemet. Én mulighet er å legge til sekundære viklinger (S1, S2 i figur 14) for hver toroid 610, 612, slik at disse toroidene kan kalibreres ved å mate inn en kjent strøm og måle spenningen den induserer. Sekundære viklinger (f.eks. S1) kan også anvendes for å overvåke den anvendte spenningen (f.eks. Vi). En annen mulighet ville være å føre en strømleder (f.eks. en lederkabel eller kalibreringssløyfe (CL i figur 14)) gjennom begge toroidene 610, 612 parallelt med fluidrøret 602. Kalibreringssløyfen (CL) er koblet i serie med en kjent motstand Rcog en bryter for å åpne og lukke kretsen. Spenningen V2vil kunne måles med kalibreringssløyfen både åpen og lukket. I dette tilfellet er målingen ved åpen sløyfe:

og målingen ved lukket sløyfe er: X og Yer målte størrelser, S er kjent og G og / i' er ukjente. Løsning av likningene 13-16 overgir

[0059] Merk at systemets (se figur 13) totale motstand ikke bare avhenger av fluidmotstanden ( Rf) i strømningsrøret, men også av effektiviteten til den induktive koblingen mellom fluidet og toroidene. Effektiviteten til en induktiv kobling avhenger av frekvensen (co) og fluidets induktans (Lf). For å oppnå en pålitelig måling av fluidresistiviteten (pf) er det foretrukket at systemets oppbygning og arbeidsfrekvensen velges slik at Rf > co Lf. Ved konstruksjon av et system er det viktig å huske på at pr og Rf kan variere med mange størrelsesordener. Dette er spesielt viktig ved måling av fluider med lav resistivitet, så som vannbasert slam eller for-masjonsvann.

[0060] I praksis kan den toroidale fluidresistivitetscellen anvendes med en ideell spenningsmotor for V1 og en ideell strømmåling for 12, i hvilket tilfelle vi kan sette opp uttrykket:

Her er C kalibreringsfaktoren funnet ved å måle responsen til en trådvikling ført gjennom de to toroidene med kjent bestandighet Rcal. Kalibreringsmotstanden er antatt å være en presisjonsmotstand med en temperaturstabilitet på 5ppm/C.

[0061] Beskrivelsen over anvender en formasjonstester for å forklare utførel-sesformer av oppfinnelsen. Fagmannen vil forstå at utførelsesformer av oppfinnelsen også vil kunne benyttes i andre anvendelser, så som kabelførte verktøy for åpne brønner, kabelførte verktøy forforede brønner (f.eks. CHDT™ (Cased Hole Dynamic Tester), et varemerke eiet av Schlumberger Technology Corp. (Houston, Texas)), LWD-verktøy, permanent overvåkning (i både nedihulls- og overflateut-styr), og i andre strømningsrør (spesielt de som utsettes for høye trykk).

[0062] Selv om oppfinnelsen er beskrevet i forbindelse med et begrenset antall utførelsesformer vil fagmannen, på grunnlag av denne beskrivelsen, se at andre utførelsesformer kan konstrueres som ikke fjerner seg fra oppfinnelsens ramme som beskrevet her. Følgelig skal oppfinnelsens ramme kun begrenses av de etterfølgende kravene.

Claims (10)

1. Apparat for å måle fluidresistivitet av formasjonsfluider som strømmer i et borehull, omfattende: et strømningsrør (102, 502), innrettet motta formasjonsfluidene for gjennomstrømning, der strømningsrøret omfatter en første metallrørseksjon (504, 804, 904) og en andre metallrørseksjon (506, 806, 906) forbundet med en sammenføyning (534, 834, 934) omfattende et isolerende belegg for å hindre direkte elektrisk kommunikasjon mellom den første seksjonen og den andre seksjonen, der en første seksjonen og den andre seksjonen har et indre isolerende belegg (508, 831, 931) som strekker seg over sammenføyningen for å definere en ønsket målelengde (530, 830, 930) i strømningsrøret, der den første seksjonen og den andre seksjonen er innrettet for å være i kontakt med fluidet som strømmer i strømningsrøret slik at det, sammen med en strømledende bane anordnet utenfor strømningsrøret, dannes en strømretursløyfe; en første toroid (110) og en andre toroid (112) som omgir strømningsrøret, på begge sider av sammenføyningen, der den første toroiden er innrettet for å indusere en elektrisk strøm (532) i fluidet i strømningsrøret og den andre toroiden er innrettet for å måle den elektriske strømmen som blir indusert i fluidet i strømningsrøret; og en elektronikkenhet for å styre funksjoner ved den første toroiden og den andre toroiden.

2. Apparat ifølge krav 1, der den isolerende seksjonen er laget av et materiale valgt fra glass, keramikk og polyetereterketoner.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, der det isolerende belegget er et keramisk belegg.

4. Apparat ifølge hvilket som helst av de foregående krav, der sammenføyningen er en gjengekobling ogdet isolerende belegget er anordnet på et gjenget område på den første seksjonen, et gjenget område på den andre seksjonen, eller både gjengede områder på den første seksjonen og den andre seksjonen.

5. Apparat ifølge hvilket som helst av kravene 1 - 3, der sammenføyningen varmekrymppasning- eller presspasningsammenføyning, og det isolerende belegget er anordnet på et koblingsområde på den første seksjonen, på et koblingsområde på den andre seksjonen eller på koblingsområder på både den første seksjonen og den andre seksjonen.

6. Apparat ifølge hvilket som helst av de foregående krav, videre omfattende en kalibreringssløyfe anordnet langs strømningsrøret for kalibrering av den første toroiden og den andre toroiden, der kalibreringssløyfen kan bli skrudd på og av.

7. Apparat ifølge hvilket som helst av kravene 1 - 5, der den første toroiden og den andre toroiden omfatter kalibreringsviklinger.

8. Apparat ifølge krav 1, der apparatet er anordnet i en formasjonstester.

9. Fremgangsmåte for måle resistivitet i et formasjonsfluid i et borehull, omfattende det å: drive formasjonsfluidet gjennom et strømningsrør (102, 402, 502, 702) i et resistivitetmålingsapparat, der strømningsrøret omfatter en isolerende seksjon (108, 408, 508, 730) mellom en første seksjon (104, 404, 504, 704) og en andre seksjon (106, 406, 506, 706); indusere en elektrisk strøm i formasjonsfluidet i strømningsrøret ved hjelp av en første toroid (110); måle den elektriske strømmen som induseres i formasjonsfluidet med en andre toroid (112); og å kalibrere den første toroiden og den andre toroiden med en kalibreringssløyfe (CL) anordnet langs strømningsrøret, eller med kalibreringsviklinger (S1, S2) innlemmet i den første toroiden og den andre toroiden.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, videre omfattende det å bestemme resistiviteten til formasjonsfluidet fra måling gjort med den andre toroiden.