NO344296B1 - Fremgangsmåte og anordning for avbildning av resistivitet i en borehullsvegg med fullstendig omkretsmessig dekning - Google Patents

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for å utføre elektrisk logging i et borehull, og en fremgangsmåte for å utførelse av resistivitetsmålinger i et borehull gjennom en grunnformasjon.

Teknisk bakgrunn for oppfinnelsen

Elektrisk borehullslogging i jorden er velkjent og forskjellige anordninger og forskjellige teknikker er blitt beskrevet for slike formål. Generelt er det to kategorier av anordninger som brukes i elektriske loggeanordninger. I den første kategorien er måleelektroder (strømkilder eller sluk) utplassert i forbindelse med en diffus returelektrode (slik som verktøylegeme eller en forlengelse av dette). En målt strøm flyter i en krets som forbinder en strømkilde med måleelektrodene gjennom grunnformasjonen til returelektroden og tilbake til strømkilden i verktøyet. I den andre kategorien, den som gjelder induktive måleverktøy, induserer derimot en antenne i måleverktøyet en strøm inne i grunnformasjonen. Størrelsen av den induserte strømmen blir detektert ved å bruke enten den samme antennen eller en separat mottakerantenne. Foreliggende oppfinnelse tilhører den første kategorien.

Det er flere potensielle måter å drive en anordning på for resistivitetsmåling i borehull. Ifølge en metode blir strømmen ved måleelektroden holdt konstant, og en spenning blir målt, mens spenningen i elektroden ifølge en annen metode er fast og den strømmen som flyter fra elektroden blir målt. Ideelt er det ønskelig at hvis strømmen blir variert for å holde konstant spenning ved en overvåkningselektrode, at strømmen er omvendt proporsjonal med resistiviteten til grunnformasjonen som undersøkes. Omvendt er det ønskelig at hvis strømmen blir holdt konstant, at spenningen som måles ved en overvåkningselektrode, er proporsjonal med resistiviteten i grunnformasjonen som undersøkes. Ohms lov lærer at hvis både strøm og spenning varierer, er resistiviteten i grunnformasjonen proporsjonal med forholdet mellom spenning og strøm.

Mange eksempler på bruk av fokuserte elektroder til resistivitetsmålinger er blitt vist i tidligere kjent teknikk. Et slikt eksempel er foreslått i US-patent nr.

6,348,796 til Evans m.fl., med tittel "Image Focusing Method and Apparatus for Wellbore Resistivity Imaging". '796-patentet til Evans er overdratt til eieren av foreliggende oppfinnelse og blir herved i sin helhet inkorporert ved referanse.

I '796-patentet er det beskrevet en anordning som innbefatter en gruppe måleelektroder separert fra en pute eller legeme til instrumentet ved hjelp av fokuselektroder, hvor puten eller legemet virker som verneelektrode. fokuselektroden blir holdt på et litt lavere potensial enn puten, og måleelektroden er på et mellomliggende potensial i forhold til disse. Med dette arrangementet divergerer strømmen fra måleelektroden innledningsvis etterhvert som den flyter inn i formasjonen, så konvergerer den (fokuseres) og til slutt så divergerer den igjen for å definere en undersøkelsesdybde. Dette arrangementet har en tendens til å redusere instrumentenes sensitivitet for borehullsrugositet.

Bruken av fokuserende elektroder er også diskutert i US-patent nr.6,600,321 til Evans, med tittel "Apparatus and Method for Wellbore Resistivity Determination and Imaging Using Capacitive Coupling". '321-patentet til Evans er overdratt til eieren av foreliggende oppfinnelse og inkorporeres herved i sin helhet ved referanse.

I typiske instrumenter for måling av borehullsresistivitet slik som det som er beskrevet i det forannevnte '321-patentet til Evans, er det et antall resistivitetsgrupper jevnt atskilt omkring omkretsen til verktøylegemet (stammen). Hver gruppe omfatter en pute som omgir antallet måleelektroder og én eller flere fokuserende elektroder. Det kan f.eks. være fire eller seks separate resistivitetsgrupper anordnet rundt omkretsen til instrumentet. Jo flere grupper som tilveiebringes, jo mindre må hver gruppe være for at alle fysisk skal passe inn rundt omkretsen til gruppen.

En merkbar ulempe ved slike tidligere kjente arrangementer er at de har en tendens til å gi et ufullstendig bilde av borehullet som et resultat av de gapene som nødvendigvis finnes mellom tilstøtende resistivitetsgrupper på instrumentet.

Foreliggende oppfinnelse er ment å gjøre noe med denne ulempen ved kjent teknikk.

US 2002153879 A1 omhandler et apparat og en fremgangsmåte som benytter kapasitiv kopling for resistivitetsmålinger av borehull. Apparatet omfatter en stamme, en omkretsmessig pute som er anordnet på stammen og som bærer et antall individuelle måleelektroder.

I US 4468623 A er det omtalt en fremgangsmåte og et apparat for å bruke putebærende elektroder for elektrisk undersøkelse av et borehull. I denne varianten er avstanden mellom elektrodene mindre enn bredden av elektrodene.

CA 685727 A beskriver et apparat og en fremgangsmåte for borehullslogging som gir en visuell representasjon av en borehullsvegg. Der omtales et apparat hvor elektrodene er kontinuerlig og jevnt i avstand fra hverandre.

Oppsummering av oppfinnelsen

En utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er spesielt en anordning for evaluering av en grunnformasjon, og spesielt resistivitetsegenskapene til en borehullsvegg. Anordningen innbefatter en brønnhullssammenstilling transportert i et borehull i grunnformasjonen. Brønnhullssammenstillingen kan innbefatte et organ slik som en stamme, som har en endelig konduktivitet forskjellig fra null. Et antall måleelektroder med kort avstand blir båret på en periferipute hvor lengden av puten er betydelig lenger enn lengden av måleelektrodene. Dette arrangementet frembringer "ultrafokusering" av målestrømmene, noe som gjør det mulig for verktøyet å operere nøyaktig med en veggavstand fra borehullsveggen på opptil en tomme.

Oppfinnelsen vedrører en anordning for å utføre elektrisk logging i et borehull gjennom en grunnformasjon, der en stamme; en omkretsmessig pute som er anordnet på stammen og som bærer et antall individuelle måleelektroder er jevnt atskilt omkring hele omkretsen til stammen. Ifølge oppfinnelsen strekker den omkretsmessige puten seg kontinuerlig rundt stammen.

Ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen er avstanden mellom hvert par med antallet måleelektroder er mindre enn bredden av hver elektrode.

I en utførelse er puten videre innrettet for å tjene som fokuseringselektrode for å øke målestrømmen inn i sideveggen til borehullet.

I tråd med en utførelsesform av oppfinnelsen er forholdet mellom lengden av puten og avstanden mellom elektrodene og sideveggen i borehullet minst 10:1.

I samsvar med en variant av oppfinnelsen er forholdet mellom lengden av puten og lengden av hver av antallet elektroder minst 50:1.

Oppfinnelsen vedrører videre en fremgangsmåte for utførelse av resistivitetsmålinger i et borehull gjennom en grunnformasjon, hvor fremgangsmåten omfatter:

(a) å bruke et måleverktøy til å injisere målestrøm inn i borehullsveggen;

(b) å ta resistivitetsmålinger ved et antall måleelektroder anordnet omkretsmessig omkring måleverktøyet, hvor måleelektrodene blir båret på en omkretsmessig pute rundt verktøyet og er jevnt atskilt fra hverandre med en avstand som er mindre enn bredden av hver av måleelektrodene slik at verktøyet har fullstendig omkretsmessig oppløsning, hvor den omkretsmessige pute strekker seg kontinuerlig rundt stammen.

I en alternativ fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen omfatter trinn (a) med injisering av strøm inn i borehullsveggen omfatter:

(c) å tilveiebringe minst én fokuseringselektrode holdt på et potensial som er tilstrekkelig til å fokusere målestrømmen inn i borehullsveggen for derved å minimalisere flyten av strøm gjennom væske som omgir verktøyet.

I en utførelse har fokuseringselektrodendimensjoner som er tilstrekkelige til å fokusere målestrømmen inn i borehullsveggen når måleelektrodene er atskilt fra borehullsveggen med en veggavstand på opptil én tomme.

Kort beskrivelse av tegningene

Foreliggende oppfinnelse vil best kunne forstås under henvisning til de vedføyde tegningene hvor like henvisningstall refererer til like elementer, og hvor: Fig. 1 er et funksjonelt diagram over en kabelmåleoperasjon i samsvar med konvensjonell praksis;

fig. 2 er et perspektivskjema av endel av et brønnhullsmåleverktøy utformet i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen;

fig. 3 er et elektrisk skjem som representerer måleverktøyet på fig.2; fig. 4 er et sideriss i tverrsnitt av en todimensjonal modell av et måleverktøy i overensstemmelse med en utførelsesform av oppfinnelsen; og fig. 5 er en plotting av loggedybde som funksjon av impedans fra data fremskaffet i henholdt il en utførelsesform av oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen

I den følgende beskrivelse er på grunn av tydeligheten ikke alle trekk ved aktuelle implementeringer beskrevet. Man vil selvsagt forstå at under utviklingen av en slik aktuell implementering som i ethvert slikt prosjekt, må det tas mange konstruksjonsmessige og tekniske beslutninger for å oppnå konstruktørenes spesielle formål og delformål (f.eks. overensstemmelse med systemer og tekniske begrensninger) som vil variere fra én implementering til en annen. Det må dessuten nødvendigvis måtte tas hensyn til riktig konstruksjons- og programmeringspraksis for det aktuelle miljøet. Det skal bemerkes at slike utviklingsarbeider kan være komplekse og tidkrevende, utenfor kunnskapsområdet til en typisk legmann, men vil likevel være en rutinemessig oppgave for vanlige fagkyndige på de relevante områdene.

Fig. 1 viser et verktøy 10 for avbildning av borehull opphengt i et borehull 12 som trenger inn i en grunnformasjon slik som 13. Verktøyet 10 er opphengt ved hjelp av en passende kabel 14 som er ført over en skive 16 montert på en boreplattform 18. Etter industristandarden innbefatter kabelen 14 et belastningsorgan og syv ledere for overføring av kommandoer til verktøyet og for å motta data tilbake fra verktøyet, såvel som kraft for verktøyet. Verktøyet 10 blir hevet og senket ved hjelp av heisespill 20. En elektronikkmodul 22 på overflaten 23 sender de nødvendige driftskommandoene ned i hullet og mottar så data tilbake fra verktøyet, som kan registreres på et lagringsmedium av en hvilken som helst ønsket type for samtidig eller senere behandling. Dataene kan sendes i analog eller digital form. Dataprosessorer slik som en egnet datamaskin 24 kan være tilveiebrakt for å utføre dataanalyse i felten i sann tid eller av de registrerte dataene etter at de er sendt til et behandlingssenter for etterbehandling av dataene.

Det vises til fig.2 hvor det er vist en perspektivskisse av et verktøy 100 for måling av borehullsresistivitet i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen. Som vist på fig.2 omfatter instrumentet 100 en langstrakt, fortrinnsvis sylindrisk stamme eller et rør 101 som bærer en enhetlig, omkretsmessig pute 102. Den omkretsmessige puten bærer i sin tur en kontinuerlig, omkretsmessig rekke med måleknapper (elektroder) 1a, 1b,...1n. Knappene er plassert på en enhetlig periferipute 102 som strekker seg rundt røret eller stammen 104, som i den her beskrevne utførelsesformen også er elektrisk ledende og ved hjelp av isolasjonslag 107 fra en returelektrode 108. Knapper (elektroder) 1a, 1b, ...1n er atskilt fra hverandre ved hjelp av tynne isolerende gap 106. I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er avstanden mellom to elektroder mindre enn bredden av hver enkelt elektrode. I en utførelsesform har knappene (elektrodene) 1a, 1b,...1n en dimensjon på 4 mm x 4 mm.

I samsvar med et viktig aspekt ved oppfinnelsen blir fullstendig omkretsmessig måling oppnådd i stedet for den segmenterte dekningen i forbindelse med tidligere kjente resistivitetsmåleverktøy. Puten 102 er fortrinnsvis ledende, og under drift av verktøyet 100 blir puten 102 holdt under et visst fast potensial definert av den påtrykte spenningen. I én utførelsesform blir alle knappene også holdt på det samme potensialet som overflaten til puten.

Som vanlig fagkyndig på området vil forstå, er en utfordring for å oppnå fullstendig omkretsmessig dekning av borehullet, å tilveiebringe immunitet i systemet mot parasittiske effekter fra avstanden mellom puten 102 og en borehullsvegg (ikke vist på fig.2). Siden vannbasert borevæske (slam) vanligvis er mer konduktiv enn formasjonen, strekker veien for minst motstand seg fra knappen til returelektroden gjennom slam, og bare en ubetydelig del av strømmen lekker inn i formasjonen. Størrelsen av denne lekkasjen øker med konduktiviteten til formasjon, og den går ned når formasjonen blir mer resistiv.

Fig. 3 er et forenklet skjematisk diagram for én enkelt knappe-elektrode 1. Som vist er strømmen i kretsen I avhengig av gapresistansen Rg og resistiviteten til formasjonen Rf. Gapresistiviteten Rg er igjen en funksjon av slamresistiviteten, avstanden mellom knappen og borehullsveggen, lengden av stammen (returelektroden) og lengden av puten 102.

Siden den er ekvipotensial, fokuserer den konduktive stammen 104 strømmen i radial retning (perpendikulært til borehullsaksen). Den samme fokuserende effekten kan oppnås ved å øke lengden av metallputen 102. Det vil si at ved å utføre fokusering, blir strømmen tvunget inn i formasjonen. Jo bedre fokuseringen er, jo smalere blir strømrørene som representerer vertikal strøm som går fra knappen til returen gjennom slammet. Som vanlig fagkyndig på området vil forstå, kan alle midler for å øke gapresistansen Rg i forhold til formasjonsresistansen Rf, slik som ved økte fokuseringsbetingelser eller ved å redusere veggavstanden, ha en tendens til å øke sensitiviteten til instrumentet 100 for målt strøm til formasjonsresistiviteten, noe som reduserer den parasittiske effekten som oppstår fra forekomsten av gapet.

Hvis V er den påtrykkede spenningen og Re = RgRf/(Rg+Rf) er den resistive impedansen, så er strømmen I i kretsen gitt av

Hvis betingelsen Rg>>Rf holder, følger målestrømmen konduktiviteten (eller den inverse resistiviteten) til formasjonen. Det vil si

I en utførelsesform av oppfinnelsen blir putenes størrelse valgt for å tilveiebringe tilstrekkelige fokuseringsforhold selv for verdier av veggavstanden i størrelsesorden én tomme.

Gyldigheten av løsningen ifølge foreliggende oppfinnelse kan illustreres ved hjelp av todimensjonal matematisk modellering. Det vises til fig.5 hvor det er vist et skjematisk todimensjonalt sideriss av resistivitetsinstrumentet 100 i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen. Fig.4 viser instrumentet 100 som har en pute 102, en returelektrode 108, isolasjon 105, 107, en stamme 104 og måleelektroder 1a, 1b, 1c,...1n. Puten 102, returelektroden 108 og måleelektrodene 1a, 1b, 1c, ...1n er modellert som en konduktiv ring båret av puten 102, som i sin tur er montert på stammen 104. For formålet med modelleringen blir driftsfrekvensen spesifisert til å være 1,1 KHz. Returelektroden 108 har en lengde LR på 1 m, lengden av isolasjonen LINS er 1 m og lengden av den konduktive ringen som representerer de enkelte måleelektrodene 1a, 1b, 1c,...ln (LME) er 4 mm. Puten 102 har derimot en lengde LP på 0,25 m, noe som er mer enn 50 ganger større enn lengden LME av måleelektrodene 1a...1n.

Ifølge ett aspekt ved oppfinnelsen er verktøyet innrettet for å tilveiebringe nøyaktige målinger til tross for en viss avstand mellom måleelektrodene og sideveggen i borehullet. I den foretrukne utførelsesformen er spesielt forholdet mellom putelengden og den maksimale avstanden (referert til her som pute/avstandforholdet) tatt hensyn til sammen med forholdet mellom putelengden og lengden av måleelektroden for å oppnå "ultrafokusering" av målestrømmen, det vil si å dirigere den maksimale mengden med målestrøm inn i formasjonen og mindre i borevæsken.

I den beskrevne utførelsesformen med en putelengde på 0,25 m (25 cm), hvis det er ønsket å oppnå nøyaktige målinger med en maksimal veggavstand på en halv tomme eller 1,25 cm, vil f.eks. pute/avstand-forholdet blir 15/1,25 = 10:1. Hvis en større maksimal veggavstandsverdi blir foretrukket, kan verktøyet utformes for å ha en putelengde LP som er øket tilsvarende. For å tilveiebringe nøyaktige målinger ved en veggavstand på opptil én tomme med en pute på 25 cm, vil pute/avstandforholdet være omtrent 10:1.

Det vises til fig.5 hvor referansemodellen er sammensatt av serier av 10.000 ohmms lag 200, 202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218 og 220; disse lagene med høy resistivitet representerer lag av hydrokarboner. Mellom hydrokarbonlagene er det lag med resistivitet på 1000 ohmm som representerer ikke-hydrokarbonformasjoner. Området er modellert slik at det blir krysset av et 8,5 tommers borehull fylt med 0,1 ohmm slam. Tykkelsen av de første fire lagene 200, 204, 206 og 208 er 0,5 tommer, de neste fire lagene har en tykkelse på 1 tomme (210), så 2 tommers lag 212 og 214, to 3 tommers lag 216 og 218, og et 4 tommer tykt lag 220.

Modelleringsresultatene er presentert på fig.5, hvor x-aksen er en loggedybde, mens y-aksen er den simulerte impedansen. De forskjellige kurvene 120, 122, 124 og 126 svarer til veggavstander på henholdsvis 1 tomme, 0,75 tommer, 0,50 tommer og 0,25 tommer. Fra fig.5 er det tydelig at med det arrangementet som er skjematisk skissert på fig.4, og spesielt med en putelengde/måleelektrodelengde større enn 50x, identifiseres tydelige trekk ved kurvene 120, 122, 124 og 126 nøyaktig lagene med vekslende resistivitet for en veggavstand på opptil 1 tomme.

Fra de presenterte resultatene fra den matematiske modelleringen kan det spesielt observeres at i tilfelle med en veggavstand på 0,15 tommer er alle lagene godt oppløst og oppløsningen forringes med økende veggavstand. Men selv for veggavstanden på 0,75 tommer er systemet i stand til å detektere lagene på 1 tomme og tykkere.

Fra den foregående beskrivelse vil det være opplagt at et verktøy for resistivitetsmålinger i en borehullsvegg med fullstendig omkretsmessig oppløsning er blitt beskrevet. Verktøy i samsvar med oppfinnelsen er vist å oppnå nøyaktige resultater selv i tilfeller med veggavstander mellom verktøyet og sideveggen på opptil 1 tomme eller deromkring.

Vanlige fagkyndige på området vil innse at foreliggende oppfinnelse med fordel kan praktiseres i forbindelse med en hvilken som helst av mange kjente loggeanordninger. Selv om en spesiell utførelsesform av oppfinnelsen såvel som mulige varianter og alternativer er blitt beskrevet og/eller antydet her, vil man forstå at den foreliggende beskrivelsen er ment å lære, antyde og illustrere forskjellige trekk og aspekter ved oppfinnelsen, men ikke er ment å være begrensende med hensyn til omfanget av oppfinnelsen slik den er definert eksklusivt i og av de etterfølgende patentkrav.

Det er imidlertid tenkt og eksplisitt forstått at forskjellige erstatninger, endringer og/eller modifikasjoner, innbefattende, men ikke begrenset til slike implementeringsvarianter og valgmuligheter som kan ha blitt spesielt angitt eller antydet her, innbefattende inntak av teknologiske forbedringer i forbindelse med spesielle fremgangsmåtetrinn eller systemkomponenter som er oppdaget eller utviklet etter datoen for denne beskrivelsen, kan gjøres i forbindelse med den beskrevne utførelsesformen av oppfinnelsen uten nødvendigvis å avvike fra det tekniske og legale omfanget av oppfinnelsen slik den er definert i de etterfølgende patentkrav.

Claims (8)

Patentkrav

1. Anordning for å utføre elektrisk logging i et borehull (12) gjennom en grunnformasjon, karakterisert ved:

en stamme (101);

en omkretsmessig pute (102) anordnet på stammen (101) og som bærer et antall individuelle måleelektroder (1a-1n) jevnt atskilt omkring hele omkretsen til stammen (101), hvor den omkretsmessige pute (102) strekker seg kontinuerlig rundt stammen (101).

2. Anordning ifølge krav 1, hvor avstanden mellom hvert par med antallet måleelektroder er mindre enn bredden av hver elektrode.

3. Anordning ifølge krav 2, hvor puten videre er innrettet for å tjene som fokuseringselektrode for å øke målestrømmen inn i sideveggen til borehullet (12).

4. Anordning ifølge krav 2, hvor forholdet mellom lengden av puten og avstanden mellom elektrodene og sideveggen i borehullet er minst 10:1.

5. Anordning ifølge krav 2, hvor forholdet mellom lengden av puten og lengden av hver av antallet elektroder er minst 50:1.

6. Fremgangsmåte for utførelse av resistivitetsmålinger i et borehull (12) gjennom en grunnformasjon, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter:

(a) å bruke et måleverktøy (100) til å injisere målestrøm inn i borehullsveggen; (b) å ta resistivitetsmålinger ved et antall måleelektroder (1a-1n) anordnet omkretsmessig omkring måleverktøyet (100), hvor måleelektrodene (1a-1n) blir båret på en omkretsmessig pute (102) rundt verktøyet (100) og er jevnt atskilt fra hverandre med en avstand som er mindre enn bredden av hver av måleelektrodene (1a-1n) slik at verktøyet (100) har fullstendig omkretsmessig oppløsning, hvor den omkretsmessige pute (102) strekker seg kontinuerlig rundt stammen (101).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvor trinn (a) med injisering av strøm inn i borehullsveggen omfatter:

(c) å tilveiebringe minst én fokuseringselektrode holdt på et potensial som er tilstrekkelig til å fokusere målestrømmen inn i borehullsveggen for derved å minimalisere flyten av strøm gjennom væske som omgir verktøyet.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, hvor fokuseringselektroden har dimensjoner som er tilstrekkelige til å fokusere målestrømmen inn i borehullsveggen når måleelektrodene er atskilt fra borehullsveggen med en veggavstand på opptil én tomme.