устройство для каротажа буровой скважины

Формула изобретения

1. Каротажное устройство для геофизического исследования скважины, содержащее устройство для каротажа, средство для бурения, выполненное с буровой головкой на буровой штанге, проходящей сквозь буровую скважину, причем средство для каротажа соединено со средством для бурения для совместного прохождения скважины, отличающееся тем, что средство для каротажа имеет средство для генерирования статического магнитного поля в области скважины, примыкающей к средству для бурения, средство для генерирования радиочастотного (РЧ) магнитного поля для возбуждения ядер изыскиваемых материалов (пород), которые должны быть подвергнуты анализам в регионе, средство для приема сигналов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) от исследуемых ядер и обеспечения выхода сигнала, показывающего свойства изыскиваемых материалов (пород), которые следует анализировать, при этом средства для генерирования статического и радиочастотного магнитных полей выполнены с возможностью генерирования полей симметричных продольно простирающейся оси устройства, а средство для генерирования радиочастотного магнитного поля является электрически изолированным от буровой штанги.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для каротажа скважины соединено со средством для бурения для одновременного вращения в скважине в процессе бурения.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что средство для генерирования статического магнитного поля выполнено с трубчатым магнитом, расположенным около части бурильной штанги, близко примыкающей к головке средства для бурения, причем трубчатый магнит, выполнен по крайней мере с одним постоянным магнитом.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что трубчатый магнит включает упругие части.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство для генерирования статического магнитного поля выполнено с возможностью обеспечивать в области скважины, примыкающей к средству для каротажа, градиент статического магнитного поля, перпендикулярный радиочастотному магнитному полю.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство для каротажа выполнено с антенной, расположенной на средстве для генерирования статического магнитного поля, причем антенна является частью средства для генерирования РЧ магнитного поля и частью средства для приема сигналов ЯМР.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство для генерирования статического магнитного поля включает трубчатый магнитный элемент, расположенный около части буровой штанги, близко примыкающей к головке средства для бурения, а трубчатый магнит выполнен по крайней мере с одним постоянным магнитом.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что трубчатый магнит является упругим.

9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что средство для каротажа включает антенну, расположенную на трубчатом магните, антенну, образующую часть средства для генерирования РЧ магнитного поля и часть средства для приема сигналов ЯМР.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что антенна выполнена электрически изолированной от трубчатого магнита.

11. Устройство по п. 9 или 10, отличающееся тем, что трубчатый магнит является удлиненным телом, имеющим продольную центральную ось, а антенна включает по крайней мере одну удлиненную часть, простирающуюся вдоль трубчатого магнита параллельно оси.

12. Устройство по п.3, отличающееся тем, что буровая штанга является цилиндрическим телом, имеющим продольную центральную ось и включающим продольно простирающееся кольцевое углубление, в котором расположен трубчатый магнит.

13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что средство для каротажа включает антенну, расположенную на требуемом магните, причем антенна является частью средства для генерирования РЧ магнитного поля и частью средства для приема сигналов ЯМР.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что антенна выполнена электрически изолированной от трубчатого магнита.

15. Устройство по п.13 или 14, отличающееся тем, что трубчатый магнит представляет удлиненный элемент, имеющий продольную центральную ось и цилиндрическую внешнюю поверхность, простирающуюся вокруг оси, причем антенна включает по крайней мере одну удлиненную часть, простирающуюся вдоль внешней поверхности трубчатого магнита параллельно оси.

16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что электрически изолированная и немагнитная муфта расположена вокруг трубчатого магнита и антенны.

17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что муфта изготовлена из стекловолокна.

18. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что слой электрически изолирующего и немагнитного материала расположен между трубчатым магнитом и антенной.

19. Устройство по п.6, отличающееся тем, что антенна выполнена с возможностью генерировать импульсное дипольное поле.

20. Устройство по п.6, отличающееся тем, что антенна включает две пары удлиненных проводников, расположенных непосредственно вблизи средства для генерирования статического магнитного поля.

21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что две пары удлиненных проводников соединены в группы и проводники каждой пары являются связанными параллельно.

22. Устройство по п.20 или 21, отличающееся тем, что средство для генерирования статического магнитного поля включает удлиненный трубчатый постоянный магнит, выполненный с продольной центральной осью, причем две пары удлиненных проводников простираются вдоль постоянного магнита параллельно центральной оси.

23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что одна пара проводников расположена диаметрально противоположно другой.

24. Устройство по п. 23, отличающееся тем, что каждый из проводников имеет форму тонкой полосы, ширина которой составляет приблизительно шестнадцать градусов круговой периферии постоянного магнита.

25. Устройство по п.23 или 24, отличающееся тем, что расстояние, разделяющее проводники каждой пары проводников, составляет приблизительно двадцать градусов круговой периферии постоянного магнита.

26. Устройство по п.3, отличающееся тем, что трубчатый магнит имеет продольную центральную ось, а антенна включает две пары удлиненных проводников, простирающихся вдоль трубчатого магнита параллельно оси.

27. Устройство по п.26, отличающееся тем, что две пары удлиненных проводников соединены в группу, причем проводники каждой пары соединены параллельно.

28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что одна пара проводников расположена диаметрально противоположно другой.

29. Устройство по п.28, отличающееся тем, что каждый из проводников имеет форму тонкой полосы, ширина которой составляет приблизительно шестнадцать градусов круговой периферии постоянного магнита.

30. Устройство по п.28 или 29, отличающееся тем, что расстояние, разделяющее проводники каждой пары проводников, составляет приблизительно двадцать градусов круговой периферии постоянного магнита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к каротажу скважины с использованием ядерного магнитного резонанса, а точнее к устройствам и способам, использующим ядерный магнитный резонанс для регистрации данных, касающихся скважины, когда выполняется бурение этой скважины.

Получение информации, касающейся месторождений нефти и другого органического топлива в подземном геологическом слое, составляет содержание различных технологических подходов. Например, один общепринятый технический прием получения такой информации известен как каротаж посредством ядерного магнитного резонанса. По существу каротаж посредством ядерного магнитного резонанса предполагает введение устройства или зонда для каротажа в скважину, бурение которой осуществляется обычным буровым оборудованием. Зонд служит для того, чтобы возбудить ядра материалов в окружающей геологической структуре, так что могут быть измерены различные параметры, например спиновая плотность, релаксация T1 и T2 и т.д. окружающей геологической формации. Из этих данных может быть определена ценная информация, касающаяся состава структуры, например количество нефти, которое может быть извлечено.

Примеры известных устройств и способов для каротажа посредством ядерного магнитного резонанса описаны в следующих патентах США: N 3508438 (Алгер и др. ), 3617867 (Герцог), 3667035 (Шлихтер), 4350955 (Джексон), 4467642 (Гивенс), 4528508 (Вейл, Ш), 4560663 (Никсик и др.), 4629986 (Клоу и др.), 4710713 (Тейчер и др.), 4714881 (Гивенс), 4717878 (Тейер и др.) и 4993638 (Кеньон и др.).

Хотя описанные выше устройства и способы в целом пригодны для выполнения поставленных задач, тем не менее для них характерен один существенный недостаток. Этот недостаток заключается в том, что эти известные системы не сконструированы (и по существу непригодны для каротажа скважины, когда выполняется ее бурение). Вместо этого они сконструированы таким образом, что вначале осуществляется бурение скважины, затем извлекается устройство для бурения нисходящей скважины, после этого в скважину вводится устройство или зонд для каротажа, и затем посредством него выполняются измерения.

Существенно более желательный способ должен обеспечить возможность каротажа горной породы в течение фактического выполнения буровых работ. Замеры таких параметров геологической структуры вблизи от скважины, когда выполняется ее бурение, иногда упоминаются в этой отрасли как "измерение при бурении" (MWD) либо "каротаж при бурении" (LWD). Такой процесс, описанный, например, в: Двунаправленное сопротивление: Техническая брошюра, 841-206, фирма до настоящего времени выполняла путем использования устройств не на основе ядерного магнитного резонанса. Например, "Телеко Ойлфельд Сервис, Инк.", июль 1989 г., предлагает на продажу инструмент под названием "RGD (гамма-удельное сопротивление, направление) инструмент для измерения при бурении. Это устройство описано компанией "Телеко" как многосенсорный инструмент, от которого передаются реальные по времени замеры к поверхностному оборудованию для детектирования, декодирования, отображения и архивирования. RGD инструмент состоит из трех датчиков для нисходящих скважин, установленных в сорокафутовом буровом бугеле. Датчик удельного сопротивления формации и датчик гамма-лучей устанавливаются при сборке под датчиком направления и передатчиком и располагаются по возможности наиболее близко к буровой головке. Составляющий одно целое узел обеспечивает выбор двух путей, а именно запись данных, касающихся нисходящей скважины, либо передачу данных измерения при бурении наверх в виде кодированных импульсов давления в буровом растворе. Данные от инструмента нисходящей скважины и информация о поверхности (такие, как глубина, скорость проникновения, нагрузки при зацеплении и число оборотов в минуту) затем записываются рядом кабинных или некабинных поверхностных систем получения данных. Такие поверхностные системы выдают данные реальной по времени регистрации параметров и архивируют данные на ленте или гибком диске либо на том и другом.

Основные компоненты RGD инструмента включают в себя передатчик, который создает положительные импульсы в буровом растворе в ответ на цифровые кодированные сигналы от датчика. Приводная турбина для циркуляции бурового раствора обеспечивает мощность для агрегата в нисходящей скважине. Турбинам придается такая конфигурация, чтобы управлять потоком в диапазоне 250 - 1100 г/мин. Создан датчик удельного сопротивления, который представляет собой шестнадцатидюймовый нормально закороченный датчик удельного сопротивления, расположенный в подсборке под передатчиком и датчиком направления. Созданный "Телеко" датчик естественных гамма лучей расположен посредине между электродами удельного сопротивления, так что оба датчика оценки формации одновременно получают информацию на одной глубине, тем самым исключается необходимость запоминания любого измерения. Также создана система ориентации инструмента, которая состоит из системы с цифровым датчиком, которая регистрирует информацию, касающуюся ориентации инструмента (например, азимут и наклон).

Такие узлы для нисходящей скважины имеют конфигурацию, находящуюся внутри буровой штанги. Штанги для измерения при бурении обеспечивают течение бурового раствора вокруг различных датчиков. Большая часть датчиков расположена в стенке буровой штанги вблизи от наружной поверхности, при этом часто требуется электрическая изоляция относительно штанги.

Хотя вышеуказанные инструменты могут давать преимущество по сравнению с технологией каротажа посредством проводниковых линий за счет обеспечения выполнения каротажа при ведении бурения, тем не менее для этих инструментов характерны определенные ограничения. Такие ограничения являются результатом того, что делается попытка скопировать проводниковые инструменты для каротажа, которые действуют в более мягкой окружающей среде, чем инструменты для измерения при бурении. Инструменты для измерения при бурении каротажа при бурении требуют более сложной, основательной технологии, поэтому имеется тенденция к их удорожанию. Требуется провести адекватную нефтефизическую оценку минимально по трем типам измерений или регистраций параметров, т.е. нейтронов, глубинного удельного сопротивления и плотности.

Кроме того, такие системы не могут быть достаточны для предсказания количества имеющейся нефти, поскольку они не обладают достаточной ключевой информацией, следовательно, они не способны предсказывать продуктивность горных пород.

Устройства и способы для каротажа посредством ядерного магнитного резонанса, предусматривающие совмещение продольной оси инструмента для каротажа с продольной осью скважины и выполнение анализа материалов в зоне буровой скважины вблизи инструмента для каротажа одновременно с бурением скважины, снимают эти ограничения путем обеспечения непосредственного замера этих ключевых данных. При приведении инструментов в действие для измерения удельного сопротивления, гамма-излучения и направления при бурении обеспечивается возможность полной нефтефизической оценки. Ценность этого устройства для ядерного магнитного резонанса четко демонстрируется посредством его сравнения с возможностями проводниковой технологии для обеспечения информации по пористой структуре и по наличию жидкостей. Это возможно из-за способности ядерного магнитного резонанса оценить пористую систему горной породы независимо от типа формации горной породы. Однако, как упоминалось ранее, в известных системах для каротажа посредством ядерного магнитного резонанса, содержащих, как правило, средство для каротажа и средство бурения, выполненное с буровой головкой, установленной на буровой штанге, проходящей через скважину, причем средство для каротажа соединено со средством бурения с возможностью совместного прохождения через буровую скважину, не представляется возможным приспособить измерительную систему к технологии измерения при бурении каротажа при бурении.

Основная задача изобретения заключается в создании устройства и способа, используемых для каротажа буровых скважин, с применением ядерного магнитного резонанса, который позволяет избежать недостатки известных технических решений.

Еще одна задача изобретения заключается в создании устройства и способа для бурения скважины и одновременного каротажа скважины посредством использования ядерного магнитного резонанса.

Еще одна задача изобретения заключается в создании устройства, которое имеет простую конструкцию и эффективно для бурения скважины с одновременным каротажем этой скважины посредством использования ядерного магнитного резонанса.

Еще одна задача изобретения заключается в создании устройства для ядерного магнитного резонанса, предназначенного для каротажа буровой скважины, которое имеет прочную конструкцию и устанавливается таким образом, чтобы подсоединяться к буровому агрегату, с тем чтобы каротаж мог выполняться одновременно с бурением скважины.

Эти и другие задачи изобретения достигаются путем выполнения устройства для каротажа буровой скважины и способа его использования для осуществления геофизического исследования буровой скважины при бурении этой скважины за счет того, что в устройстве для каротажа средство для каротажа выполнено со средством для генерирования статического магнитного поля в зоне участка скважины, прилегающей к средству для каротажа, средством для генерирования радиочастотного магнитного поля для возбуждения ядер исследуемых материалов в зоне анализа и средством для приема сигналов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) исследуемых ядер и передачи выходного сигнала, указывающего свойства анализируемых материалов, при этом средства для генерирования статического и радиочастотно-магнитных полей выполнены с возможностью создания полей, симметричных относительно продольной оси устройства, а средство, генерирующее радиочастотное магнитное поле, электрически изолировано от буровой штанги; средство для каротажа подсоединено к средству бурения с возможностью совместного вращения при бурении скважины; средство для генерирования статического магнитного поля выполнено с трубчатым элементом, расположенным на некотором расстоянии на буровой штанге, удаленном от буровой головки, причем трубчатый элемент содержит по крайней мере один постоянный магнит. Магнитный элемент выполнен с эластичными элементами. Средство для генерирования статического магнитного поля выполнено с трубчатым магнитным средством, расположенным на некотором расстоянии на буровой штанге вблизи от буровой головки, причем магнитное средство содержит по крайней мере один постоянный магнит. Магнитное средство содержит эластичные элементы. Средство для генерирования статического магнитного поля выполнено с возможностью создания в зоне скважины вблизи со средством для каротажа градиентного статического магнитного поля, ортогонального радиочастотному магнитному полю. Средство для каротажа выполнено с антенной, установленной на средстве для генерирования статического магнитного поля, причем антенна образует часть средства для генерирования радиочастотного магнитного поля и часть средства для приема сигналов ЯМР. Средство для генерирования статического магнитного поля выполнено с трубчатым магнитным средством, расположенным на некотором расстоянии на буровой штанге вблизи буровой головки, причем трубчатое магнитное средство содержит по крайней мере один постоянный магнит; трубчатое магнитное средство выполнено эластичным. Средство для каротажа выполнено с антенной, установленной на трубчатом магнитном средстве, причем антенна образует часть средства для генерирования радиочастотного магнитного поля и часть средства для приема сигналов ЯМР. Антенна выполнена электрически изолированной от магнитного средства; магнитное средство является удлиненным элементом, имеющим центральную продольную ось, а антенна выполнена с по крайней мере одним удлиненным элементом, расположенным вдоль магнитного средства параллельно упомянутой оси. Буровая штанга является цилиндрическим элементом, имеющим центральную продольную ось и включающим продольно расположенное круглое углубление, в котором расположено магнитное средство. Средство для каротажа выполнено с антенной, установленной на магнитном средстве, причем антенна образует часть средства для генерирования радиочастотного магнитного поля и часть средства для приема сигналов ЯМР; антенна выполнена электрически изолированной от магнитного средства; магнитное средство является удлиненным элементом, имеющим продольную центральную ось и цилиндрическую наружную поверхность, окружающую упомянутую ось, антенна выполнена по крайней мере с одним удлиненным элементом, расположенным вдоль наружной поверхности магнитного средства параллельно оси.

Устройство для каротажа дополнительно имеет электрически изолированный и немагнитный рукав, расположенный около магнитного средства и антенны. Рукав изготовлен из стекловолокна, дополнительно имеет слой электрически изолирующего и немагнитного материала между магнитным средством и антенной. Антенна выполнена с возможностью генерировать импульсное дипольное поле; антенна содержит две пары удлиненных проводников, расположенных непосредственно вблизи от средства для генерирования статического магнитного поля. Две пары удлиненных проводников соединены последовательно, и проводники каждой пары соединены параллельно. Средство для генерирования статического магнитного поля выполнено с удлиненным трубчатым постоянным магнитом, имеющим продольную центральную ось, а две пары удлиненных проводников проходят вдоль постоянного магнита параллельно центральной оси; каждый из проводников выполнен с относительно небольшой шириной, определяемой дугой первого предварительно определенного полярного угла, измеренного относительно оси, при этом расстояние между центрами дуг каждой пары проводников является вторым предварительно определенным полярным углом, измеренным относительно оси; первый предварительно определенный полярный угол приблизительно равен 16^o; второй полярный угол приблизительно равен 20^o; трубчатый магнит включает продольную центральную ось, а антенна содержит две пары удлиненных проводников, расположенных воль трубчатого магнита параллельно продольной центральной оси; две пары удлиненных проводников соединены последовательно, и проводники каждой пары соединены параллельно, каждый из проводников имеет относительно небольшую ширину, определяемую дугой первого предварительного определенного полярного угла, измеренного относительно оси, а расстояние между центрами луг каждой пары проводников является вторым предварительно определенным полярным углом, измеренным относительно оси; первый предварительно определенный полярный угол приблизительно равен 16^o; второй полярный угол приблизительно равен 20^o.

Кроме того, в известном способе геофизического анализа буровой скважины бурение выполняют путем вращения буровой головки инструмента для каротажа, а свойства анализируемых материалов определяют на базе сигналов ЯМР, получаемых от воздействия статического магнитного поля и радиочастотного магнитного поля на анализируемые материалы в зоне скважины вблизи инструмента для каротажа, причем статическое магнитное поле является градиентным полем.

Благодаря введению вышеизложенных признаков в устройстве для каротажа согласно изобретению достигается положительный эффект в соответствии с поставленными задачами.

Согласно одному из предпочтительных аспектов изобретения устройство установлено вблизи от буровой головки для вращательного и продольного перемещения с буровой головкой, когда она образует скважину. Устройство может приводиться в действие в это время для создания выходного сигнала, указывающего на свойства материалов, подлежащих анализу в зоне, примыкающей к устройству.

На фиг. 1 изображен боковой вид, частично в сечении, нижнего конца устройства для ядерного магнитного резонанса при бурении, которое сконструировано согласно существу изобретения; на фиг. 2 - в увеличенном масштабе вид в сечении по линии 2-2 на фиг. 1; на фиг. 3 - в увеличенном масштабе вид в сечении по линии 3-3 на фиг. 1; на фиг. 4 - частично в сечении изометрический вид в увеличенном масштабе части устройства на фиг. 1.

Устройство для каротажа в соответствии с изобретением, предназначенное для геофизического анализа буровой скважины, содержит средство для каротажа и средство бурения, выполненное с буровой головкой, установленной на буровой штанге, проходящей через скважину, причем средство для каротажа соединено со средством бурения с возможностью совместного прохождения через буровую скважину, при этом средство для каротажа выполнено со средством для генерирования статического магнитного поля в зоне участка скважины, прилегающей к средству для каротажа, средством для генерирования радиочастотного магнитного поля для возбуждения ядер исследуемых материалов в зоне анализа и средством для приема сигналов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) исследуемых ядер и передачи выходного сигнала, указывающего свойства анализируемых материалов, а средства для генерирования статического и радиочастотно-магнитных полей выполнены с возможностью создания полей симметричных относительно продольной оси устройства, причем средство, генерирующее радиочастотное магнитное поле, электрически изолировано от буровой штанги. Средство для каротажа подсоединено к средству бурения с возможностью совместного вращения при бурении скважины. Средство для генерирования статического магнитного поля выполнено с трубчатым элементом, расположенным на некотором расстоянии на буровой штанге, удаленном от буровой головки, причем трубчатый элемент содержит по крайней мере один постоянный магнит; магнитный элемент выполнен с эластичными элементами. Средство для генерирования статического магнитного поля выполнено с трубчатым магнитным средством, расположенным на некотором расстоянии на буровой штанге вблизи от буровой головки, причем магнитное средство содержит по крайней мере один постоянный магнит; магнитное средство содержит эластичные элементы. Средство для генерирования статического магнитного поля выполнено с возможностью создания в зоне скважины вблизи со средством для каротажа градиентного статического магнитного поля ортогонального радиочастотному магнитному полю. Средство для каротажа выполнено с антенной, установленной на средстве для генерирования статического магнитного поля, причем антенна образует часть средства для генерирования радиочастотного магнитного поля и честь средства для приема сигналов ЯМР. Средство для генерирования статического магнитного поля выполнено с трубчатым магнитным средством, расположенным на некотором расстоянии на буровой штанге вблизи буровой головки, причем трубчатое магнитное средство содержит по крайней мере один постоянный магнит; трубчатое магнитное средство выполнено эластичным. Средство для каротажа выполнено с антенной, установленной на трубчатом магнитном средстве, причем антенна образует часть средства для генерирования радиочастотного магнитного поля и честь средства для приема сигналов ЯМР; антенна выполнена электрически изолированной от магнитного средства; магнитное средство является удлиненным элементом, имеющим центральную продольную ось, а антенна выполнена с по крайней мере одним удлиненным элементом, расположенным вдоль магнитного средства параллельно упомянутой оси. Буровая штанга является цилиндрическим элементом, имеющим центральную продольную ось и включающим продольно расположенное круглое углубление, в котором расположено магнитное средство. Средство для каротажа выполнено с антенной, установленной на магнитном средстве, причем антенна образует часть средства для генерирования радиочастотного магнитного поля и часть средства для приема сигналов ЯМР; антенна выполнена электрически изолированной от магнитного средства; магнитное средство является удлиненным элементом, имеющим продольную центральную ось и цилиндрическую наружную поверхность, окружающую упомянутую ось. Антенна выполнена по крайней мере с одним удлиненным элементом, расположенным вдоль наружной поверхности магнитного средства параллельно оси. Устройство для каротажа дополнительно имеет электрически изолированный и немагнитный рукав, расположенный около магнитного средства и антенны. Рукав изготовлен из стекловолокна; дополнительно имеет слой электрически изолирующего и немагнитного материала между магнитным средством и антенной. Антенна выполнена с возможностью генерировать импульсное дипольное поле; антенна содержит две пары удлиненных проводников, расположенных непосредственно вблизи от средства для генерирования статического магнитного поля. Две пары удлиненных проводников соединены последовательно, и проводники каждой пары соединены параллельно. Средство для генерирования статического магнитного поля выполнено с удлиненным трубчатым постоянным магнитом, имеющим продольную центральную ось, а две пары удлиненных проводников проходят вдоль постоянного магнита параллельно центральной оси; каждый из проводников выполнен с относительно небольшой шириной, определяемой дугой первого предварительно определенного полярного угла, измеренного относительно оси, при этом расстояние между центрами дуг каждой пары проводников является вторым предварительно определенным полярным углом, измеренным относительно оси. Первый предварительно определенный полярный угол приблизительно равен 16^o; второй полярный угол приблизительно равен 20^o. Трубчатый магнит включает продольную центральную ось, а антенна содержит две пары удлиненных проводников, расположенных вдоль трубчатого магнита параллельно продольной центральной оси. Две пары удлиненных проводников соединены последовательно, и проводники каждой пары соединены параллельно; каждый из проводников имеет относительно небольшую ширину, определяемую дугой первого предварительно определенного полярного угла, измеренного относительно оси, а расстояние между центрами дуг каждой пары проводников является вторым предварительно определенным полярным углом, измеренным относительно оси. Первый предварительно определенный полярный угол приблизительно равен 16^o; второй полярный угол приблизительно равен 20^o.

Способ геофизического анализа буровой скважины, предусматривающий совмещение продольной оси инструмента для каротажа с продольной осью скважины и выполнение анализа материалов в зоне буровой скважины вблизи инструмента для каротажа одновременно с бурением скважины, осуществляет бурение путем вращения буровой головки инструмента для каротажа, при этом свойства анализируемых материалов определяют на базе сигналов ЯМР, получаемых от воздействия статического магнитного поля и радиочастотного магнитного поля на анализируемые материалы в зоне скважины вблизи инструмента для каротажа, причем статическое магнитное поле является градиентным полем.

На чертежах одинаковые позиции относятся к одним и тем же деталям. На фиг. 1 позицией 20 обозначено устройство для бурения скважины и одновременно для каротажа структуры окружающего грунта с использованием способов измерения посредством ядерного резонанса. Система 20 в основном содержит буровое средство 22, средство 24 для каротажа с помощью ядерного магнитного резонанса и средство 26 стабилизации положения, причем все они находятся в выполненном за одно целое узле или сборке, расположенной таким образом, чтобы создать буровую скважину под действием обычного бурового устройства (не показано). Итак, устройство 20 расположено таким образом, чтобы оно вращалось вокруг своей продольной оси 28 под действием энергии от бурового устройства, с тем чтобы заставить буровое средство 22 войти в грунт 30 (фиг. 2 и 3) в месте нахождения геологической структуры (материалов), подлежащей анализу, для образования скважины 32 (фиг. 2 и 3).

Средство 24 для каротажа с помощью ядерного магнитного резонанса включает "зондовый" участок, составленный из узла с постоянным магнитом и антенной, и "контрольный" участок, составленный из взаимосвязанных электронных/электрических компонентов. Зондовый участок сконструирован для того, чтобы создать имеющее градиент статическое магнитное поле в радиальном направлении, то есть наружу от центральной продольной оси 28 устройства. Кроме того, это поле имеет направление, фактически перпендикулярное продольной оси 28, и в целом равномерную амплитуду вдоль азимута относительно этой оси. Поле создается в земной структуре 30, которая находится вблизи от скважины 32. Антенна зонда служит для того, чтобы создать магнитное поле высокой частоты в земной структуре вблизи от скважины для возбуждения ядер материала (материалов), предназначенного для анализа. Направление магнитного поля высокой частоты фактически перпендикулярно как продольной оси устройства, так и направлению статического поля. Антенна соединена с электронными/электрическими компонентами средства 24 для каротажа с помощью ядерного магнитного резонанса для приема сигналов ядерного магнитного резонанса от анализируемого материала (материалов), тогда как электронные/электрические компоненты создают выходные сигналы, указывающие свойства этих материалов.

Квалифицированный специалист в этой отрасли из описания зондовой части средства 24 для каротажа с помощью ядерного магнитного резонанса поймет, что поля, созданные таким средством, подобны полям, раскрытым в патенте США N 4710713. Путем такого выполнения устройство 20 позволяет исследовать природу материала (материалов) в геологической формации вблизи от скважины в зоне в целом цилиндрической конфигурации, проходящей вокруг скважины. Этот объем далее указывается как "чувствительный объем". В предпочтительном варианте осуществления изобретения создание скважины диаметром 10 дюймов (25,4 см) обеспечивает чувствительный объем круговой цилиндрической конфигурации, расширяющийся от 12 дюймов (30,5 см) до 20 дюймов (50,8 см) от центральной продольной оси устройства 20 и скважины.

Для проведения магнитных резонансных измерений жидкости, например нефти, в горных формациях вблизи от скважины при использовании устройства 20 должно быть выполнено три условия. Первое условие заключается в том, что статические и переменные (высокой частоты) магнитные поля, созданные устройством, должны оставаться ортогональными друг к другу, когда выполняется вращение устройства 20. Поэтому внешние статические и переменные поля, создаваемые средством 24 для каротажа с помощью ядерного магнитного резонанса, симметричны относительно продольной оси устройства. Второе условие для эффективной работы заключается в том, что вращение буровой части 22 должно иметь частоту значительно ниже частоты ларморовской прецессии. Как будет подробно описано ниже, частота ларморовской прецессии находится в диапазоне 1 МГц, хотя вращение инструмента происходит с частотой менее десяти Гц. Наконец, поскольку все буровые бугели изготавливаются из электропроводной стали для обеспечения надлежащей прочности, и поскольку хорошо известно, что электромагнитные волны с трудом проходят электрические проводники со сталью, равномерно влияющей на электромагнитную проницаемость, когда они находятся в непосредственной близости, зондовая часть средства 24 для каротажа с помощью ядерного магнитного резонанса включает в себя антенну высокой частоты, которая расположена на неэлектропроводной магнитной втулке снаружи от стального бугеля, образующего зонд.

Как следует из фиг. 1, устройство 20 выполнено в форме стального корпуса, составленного из большого количества продольно расположенных секций, формирующих и/или вмещающих буровое средство 22, средство 24 для каротажа с помощью ядерного магнитного резонанса и стабилизационное средство 26. В частности, свободная концевая секция системы 20 выполнена в форме трубчатой стальной буровой штанги 34, на которой монтируется буровая головка 36. Буровая головка 36 и его опорная буровая штанга 34 формируют указанное ранее буровое средство 22. Буровая головка 36 может представлять собой головку любого известного типа, используемую для бурения нефтяных скважин.

Буровая головка устанавливается на дальнем (удаленном) конце секции удлинителя 38. Секция 38 также представляет собой трубчатый элемент, предпочтительно образованный из стали, причем его внешняя периферия имеет круглую форму. Большое количество ребер 40 выступает наружу в радиальном направлении от внешней поверхности секции 38. Каждое ребро представляет собой удлиненный элемент, имеющий идущую в продольном направлении концевую часть 40A, идущую под углом промежуточную часть 40B и вторую идущую в продольном направлении концевую часть 40C. Таким образом, концевые части 40A и 40C каждого ребра смещены по окружности друг от друга посредством идущей под углом промежуточной части. Это устройство из ребер формирует ранее указанное стабилизационное средство и при таком выполнении облегчает стабилизацию кручения устройства 20 в течение бурения/каротажа. Кроме того, как показано на фиг. 3, ребра располагаются так, что их верхняя поверхность входит в соприкосновение с внутренней стенкой буровой скважины, тем самым сохраняя центровку устройства 20 в скважине при выполнении бурения и каротажа.

Стабилизирующая секция удлинителя 38 с обеспечением возможности отсоединения крепится к другой секции удлинителя 42 через соединитель 44 с резьбовой нарезкой. Секция удлинителя 42 формирует ранее указанную зондовую часть средства 24 для каротажа с помощью ядерного магнитного резонанса и, следовательно, включает в себя упомянутую ранее сборку из магнита и антенны. Эта сборка в основном содержит магнит 46 и пару антенн 48 и 50. Как можно видеть, секция 42 представляет собой трубчатый элемент, предпочтительно образованный из нержавеющей стали, имеющий конец 44 с внешней резьбовой нарезкой, который проходит в соответствующую горловину с внутренней резьбовой нарезкой на ближнем конце стабилизирующей секции 38.

Магнит 46 содержит трубчатый элемент, который служит для создания статического магнитного поля в чувствительном объеме. Каждая из антенн 48 и 50 установлена на трубчатом магните 46 способом, который описан ниже.

Антенна 48 служит в качестве средства для создания поля высокой частоты в чувствительном объеме для того, чтобы возбудить ядра материала (материалов), предназначенного для анализа. Кроме того, антенна 48 служит в качестве средства для получения сигналов ядерного магнитного резонанса, создаваемых возбужденными ядрами. Антенна 50 служит в качестве калибровочной антенны, то есть она и взаимосвязанное с ней электронное средство (не показано) выполняют измерение электрического нагружения окружающей среды для калибрования системы 20.

Детали конструкции и устройство антенны 48 наилучшим образом можно будет понять, если обратиться к фиг. 1, 3 и 4. При этом, как можно видеть на них, антенна 48 содержит две пары параллельно соединенных проводниковых пар 52 и 54. Две пары 52 и 54 последовательно соединены друг с другом для образования последовательной/параллельной антенны 48. Последовательно/параллельная антенна 48 подсоединена к взаимосвязанным электронным/электрическим компонентам системы, например к высокочастотному передатчику/приемнику (не показаны). Эти компоненты предпочтительно располагаются внутри другой удлиненной секции устройства 20 (описана ниже).

Как следует из фиг. 4, проводниковая пара 52 составлена из двух электрических проводников 52A и 52B, идущих в продольном направлении. Эти проводники на одном конце электрически подсоединены к кольцевому проводнику 56. Подобным же образом проводниковая пара 54 составлена из двух идущих в продольном направлении электрических проводников 54A и 54B, которые также на одном конце совместно соединены с кольцевым проводником 56. Другие концы проводников 52A и 52B электрически соединены друг с другом мостиковым проводником 58. Подобным же образом другие концы проводников 54A и 54B электрически соединены друг с другом мостиковым проводником 60. Мостиковый проводник 58 в свою очередь электрически подсоединен к центральному проводнику 62A соосного кабеля 62, в то время как мостиковый проводник 60 электрически подсоединен к плетеному проволочному проводнику 62B этого кабеля.

Две проводниковые пары 52 и 54 антенны 48 устанавливаются на магнит 46 секции усилителя 42 в диаметрально противоположных положениях по отношению друг к другу (фиг. 2 и 4). В частности, проводниковая пара 52 расположена в продольном направлении вдоль северного полюса магнита 46, в то время как проводниковая пара 54 расположена вдоль южного полюса S. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, каждый из проводников 52A и 52B выполнен в виде тонкой полосы, ширина которой составляет приблизительно 16^o круговой периферии магнита 46, на котором монтируется антенна. Кроме того, расстояние, отделяющее проводники 52A и 52B друг от друга, приблизительно составляет 20^o. Проводники 54A и 54B подобным же образом сконструированы и ориентированы относительно друг друга.

В случае проводников 52A и 52B и проводников 54A и 54B амплитуда поля высокой частоты, создаваемого антенной 48, приближается к косинусному распределению по отношению к углу направления вращения (направление этого угла указано стрелкой, обозначенной "RD" на фиг.2). Она служит для исключения определенных неравномерностей более высокого порядка и приводит к максимально равномерному распределению магнитного поля в чувствительном объеме.

Как упомянуто выше, антенна подсоединена к передатчику/приемнику. В частности, проводник 62A подсоединен к выходной/входной клемме с положительным потенциалом (обозначенной "+" на фиг. 4) передатчика/приемника высокой частоты, в то время как проводник 62B соединен с землей. Передатчик/приемник может иметь любую приемлемую конструкцию для создания желаемых электрических сигналов, чтобы возбудить ядра материала (материалов) в чувствительном объеме, и для создания электрических выходных сигналов, характеризующих сигналы ядерного магнитного резонанса, создаваемые возбужденными ядрами.

Калибровочная антенна 50 представляет собой небольшую антенну, которая в основном содержит скрученную пару тонких электрических проводников 50A, заканчивающихся у петлевого конца 50B. Один из проводников 50A электрически подсоединен к центральному проводнику 64A второго соосного кабеля 64, в то время как другой проводник 50A электрически подсоединен к плетеному проволочному проводнику 64B этого кабеля. Кабель 64 подсоединен к надлежащей калибровочной цепи (не показана), расположенной внутри бугельной секции (описанной далее), в которой расположены другие электронные/электрические компоненты, составляющие систему 20. Таким образом, плетеный проводник 64B кабеля подсоединен к земле, а проводник 64B подсоединен к клемме (обозначенной "+" на фиг. 4) калибровочной цепи с положительным потенциалом.

Как видно на фиг. 4, магнит 46 в основном содержит тонкостенную цилиндрическую трубу или втулку, которая образована из неэлектропроводного ферритного материала со свойствами постоянного магнита, например из комбинации феррита, бария и стронция. Предпочтительно, чтобы магнит имел ось равномерного намагничивания, которая перпендикулярна продольной оси 28 устройства 20. Магнит 46 расположен в идущем в продольном направлении кольцевом углублении 66, проходящем вокруг секции удлинителя 42.

Поскольку устройство 20 располагается таким образом, чтобы оно могло вращаться вокруг своей продольной оси для каротажа при бурении, магнит 46 будет подвергаться ударам и вибрации. Соответственно предпочтительно, чтобы магнит 46 был в некоторой степени эластичным для поглощения упомянутых ударов и вибрации. Как вариант магнит может состоять из керамических деталей или плиток, которые удерживаются внутри или крепятся на плотном, ударопоглощающем матричном материале.

На наружную поверхность магнита 46 нанесено тонкое покрытие 68, образованное из электроизоляционного материала, например стекловолокна, тефлона и т.д., имеющего толщину приблизительно 100 мл. Антенны 48 и 50 установлены на имеющей покрытие наружной поверхности 68 магнита и электроизолированы от него покрытием 68. Каждая антенна проходит в продольном направлении вдоль наружной поверхности магнита, при этом антенна 48 проходит фактически по всей длине магнита, а антенна 50 проходит только часть длины магнита между проводниками 54A и 54B. Для того чтобы защитить магнит 46 и установленные на нем антенны 48 и 50, вокруг сочетания магнит/антенна расположена электроизоляционная, например стекловолоконная, втулка 70.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, длина магнита 46 приблизительно составляет 183 см, длина антенны 48 приблизительно составляет 137 см, а длина антенны 50 примерно составляет 76 см. Кроме того, наружный диаметр кольцеобразного углубления 66 приблизительно составляет 12 см. Наружный диаметр магнита с покрытием примерно составляет 16 см. Наружный диаметр втулки 70 примерно составляет 18 см.

Электронные/электрические компоненты, которые составляют систему 20, например передатчик/приемник, контроллер и т.д. располагаются внутри "управляющей" секции удлинителя 72. Управляющая секция 72 представляет собой полый элемент, образованный из стали, и предпочтительно включает в себя камеру (не показана), в которой установлены электронные/электрические компоненты системы. Эта камера обладает стойкостью к высокому давлению, с которым часто приходится сталкиваться при буровых операциях, тем самым защищая некоторые хрупкие электронные/электрические компоненты от такого давления.

Кабели 62 и 64 проходят от антенны соответственно 48 и 50 через идущее под углом отверстие 74 в секции удлинителя 42. Это отверстие сообщается с кольцеобразным пространством 76 у внутренней поверхности секций 42 и 72 с проводами антенны (то-есть кабелями 62 и 64), идущими через отверстие 74, кольцеобразное пространство 76 во внутреннее пространство секции 72 для соединения с находящимися в ней электронными устройствами.

Подобно секции 42, секция 72 включает в себя большое количество стабилизирующих ребер 40, установленных на ее внешней периферии для убыстрения стабилизации кручения устройства, расположенного по центру внутри буровой скважины.

Без дополнительного разъяснения вышеуказанное будет достаточно полно иллюстрировать изобретение, поэтому специалисты смогут приспособить его для использования в различных условиях эксплуатации.