способ электромагнитного каротажа скважин в процессе бурения и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ электромагнитного каротажа скважин в процессе бурения, включающий операции возбуждения зондирующего электрического поля в зоне контроля и измерения сигналов реакции контролируемой околоскважинной среды с помощью цилиндрических электродов-зондов, и определение электрофизических параметров среды, отличающийся тем, что в зоне контроля возбуждают переменное двухчастотное электрическое поле посредством подключения системы каротажа к электрическому разделителю телеметрической системы с электромагнитным каналом связи, при этом в качестве электродов-зондов используют электрический разделитель, металлический кронштейн и диэлектрический корпус приборного контейнера, в котором размещена скважинная аппаратура каротажа, проводят измерение комплексных величин напряжения частотами w₁ и w₂, приложенных к разделителю, и комплексных величин токов протекающих в измерительной цепи между разделителем и корпусной точкой аппаратуры каротажа, а также между металлическим кронштейном и корпусной точкой аппаратуры каротажа соответственно, а об электрофизических параметрах разбуриваемого пласта судят по комплексным проводимостям, характеризующим разбуриваемый пласт и буровой раствор внутри бурильной трубы в зоне расположения приборного контейнера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят калибровку измерительной системы, которая сводится к измерению величин токов и напряжений при заданных тестовых воздействиях на входе этой системы.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что тестовое воздействие на входе системы каротажа производится путем подключения к входным зажимам системы R-C цепей с заданными параметрами, а именно R-C цепи могут включаться между буровыми трубами разделителя и между каждой из этих труб и кронштейном приборного контейнера.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что комплексные проводимости, характеризующие электрофизические параметры разбуриваемого пласта и бурового раствора внутри буровой трубы в зоне расположения приборного контейнера, определяют по следующим формулам:









причем комплексные проводимости Y_и1(w₁), Y_и2(w₂), Y_и3(w₁) и Y_и3(w₂) определяются по измеренным значениям комплексных токов и напряжений а комплексные величины Y₁₀(w₁), Y₂₀(w₂), Y₃₀(w₁) и Y₃₀(w₂), а также определяются результатом калибровки измерительной системы, где Y₁(w₁) и Y₂(w₂) - комплексные проводимости между буровыми трубами и металлическим кронштейном приборного контейнера, характеризующие буровой раствор, а Y₃(w₁) и Y₃(w₂) - комплексные проводимости между буровыми трубами, характеризующие пласт, Y_и1(w₁), Y_и2(w₂), Y_и3(w₁) и Y_и3(w₂) - комплексные проводимости, определенные по измеренным значениям комплексных токов и напряжений, Y₁₀(w₁), Y₂₀(w₂), Y₃₀(w₁) и Y₃₀(w₂) - комплексные проводимости, обусловленные паразитными емкостями и гальваническими связями, определяемые в процессе калибровки измерительной системы, комплексные коэффициенты передачи измерителей тока и напряжения, определяемые в процессе калибровки измерительной системы.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что об изменениях электрофизических параметров разбуриваемого пласта в зоне расположения забойной колонны судят по отношению комплексных проводимостей, характеризующих пласт [Y₃(w₁) и Y₃(w₂)] и буровой раствор [Y₁(w₁) и Y₂(w₂)].

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что рабочие частоты w₁ и w₂ зондирующего электрического поля выбирают в соответствии с требуемой величиной радиальной дальности контроля электрофизических свойств околоскважинной зоны.

7. Устройство электромагнитного каротажа скважин в процессе бурения, содержащее электроды для создания зондирующего электрического поля, электронные ключи, датчики тока и преобразователи напряжения, телеметрическую систему, отличающееся тем, что оно снабжено тремя электронными ключами, двухканальным цифроаналоговым преобразователем (ЦАП), многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), памятью команд, памятью хранения результатов, устройством ввода-вывода и цифровым сигнальным процессором, имеющим порт управления коммутацией и последовательный порт, при этом телеметрическая система выполнена с беспроводным электромагнитным каналом связи, в качестве электродов для создания и измерения зондирующего электрического поля используются электрический разделитель, металлический кронштейн, корпусная точка скважинной аппаратуры каротажа и диэлектрический корпус приборного контейнера, в котором размещена аппаратура каротажа, каждый из ключей соединен с выходом порта управления коммутацией цифрового сигнального процессора, при этом первый вход первого ключа соединен с электрическим разделителем, а второй - с передатчиком телеметрической системы, первый вход второго ключа соединен с диэлектрическим корпусом приборного контейнера, а второй вход второго ключа соединен со вторым преобразователем напряжения, выход которого подключен к электрическому разделителю, первый вход третьего ключа соединен с первым преобразователем напряжения, а второй вход третьего ключа соединен со входами первого и второго датчиков тока, выходы которых соединены с первым входом второго ключа и входом второго преобразователя напряжения соответственно, а также с двумя входами АЦП, два других входа которого соединены с первым и вторым преобразователями напряжения, при этом со входами первого и второго преобразователей напряжения соединены первый и второй выходы ЦАП, вход которого соединен с цифровым сигнальным процессором, выход АЦП соединен с последовательным портом цифрового сигнального процессора, причем к последнему подключены память команд, память хранения результатов и устройство ввода-вывода.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые способ и устройство относятся к области контрольно-измерительной техники и предназначены для проведения каротажа газонефтяных скважин в процессе бурения в составе MWD систем с беспроводным электромагнитным каналом связи.

При бурении нефтяных и газовых скважин информация о геологических свойствах разреза необходима для оперативной оптимизации траектории скважин, особенно горизонтальных, с целью вывода разбуриваемой скважины в наиболее продуктивные в нефтяном или газовом отношении пласты.

Известен способ диэлектрического каротажа скважин, заключающийся в том, что в скважинном приборе применен цилиндрический конденсатор из двух обкладок. Одна из обкладок (нижняя) представляет собой латунный цилиндр, а второй обкладкой служит корпус прибора. Указанный конденсатор-зонд включен в колебательный контур, и по измеренной частоте контура и напряжения на нем судят о диэлектрической проницаемости разбуриваемого плата [ 1 ]. Соответствующее устройство содержит автогенератор, в который включен колебательный контур со скважинным конденсатором зондом, генератор-гетеродин, смеситель, усилитель, выпрямитель, преобразователь напряжения, мультивибратор, частотомер, датчик тока, компенсатор.

Известен аналогичный способ диэлектрического каротажа скважин, в котором зондирующее электромагнитное поле создается с помощью электродов скважинного конденсатора-зонда металлических цилиндров, расположенных на одной оси в торец друг к другу на некотором расстоянии один от другого. Число электродов два или три [2].

Известна также телеметрическая система (телесистема) для контроля траектории ствола скважины с инклинометрическим и геофизическим блоками с использование беспроводного электромагнитного канала связи, причем передатчик канала связи подключен к разделителю - диэлектрической вставке между нижней (забойной) и верхней буровыми трубами, электрически разделяющей буровую колонну, и служащей передающей антенной [3].

Наиболее близкой по технической реализации является устройство и способ, описанные в патенте GВ 2130378 А, кл. G 01 V 3/20 [4 - прототип]. Способ электромагнитного каротажа включает операции возбуждения зондирующего электрического поля в зоне контроля и измерение сигналов реакции контролируемой околоскважинной среды с помощью цилиндрических электродов-зондов, и определения электрофизических параметров среды.

Недостатком известных способов и устройств является невозможность одновременного определения диэлектрических свойств разбуриваемого пласта и его удельной электрической проводимости с учетом изменений электрофизических свойств бурового раствора в процессе бурения и погрешностей аппаратуры, что существенно снижает информативность каротажа.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и информативности определения электрофизических параметров разбуриваемых пластов и точности управления буровым инструментом в процессе бурения горизонтальных скважин.

Указанная задача реализуется с использованием конструктивных элементов передающей антенны беспроводного электромагнитного канала связи забойной телесистемы и приборного контейнера, в котором размещена аппаратура электромагнитного каротажа, в качестве электродов-зондов системы электромагнитного каротажа.

На фиг. 1 приведена схема расположения приборного контейнера в зоне разделителя буровых труб, где 1 и 2 - буровые трубы, 3 - металлический кронштейн приборного контейнера, 4 - диэлектрическая вставка-разделитель, 5 - диэлектрический корпус приборного контейнера, 6 - стенки скважины, 7 - направление движения бурового раствора.

Цель достигается тем, что производят измерение комплексных величин напряжения с частотами W₁ и W₂, приложенных к разделителю и комплексных величин токов протекающих в измерительной цепи между разделителем и корпусной точкой прибора, а также между металлическим кронштейном приборного контейнера и корпусной точкой прибора, а об электрофизических параметрах разбуриваемого пласта судят по комплексным проводимостям, характеризующим разбуриваемый пласт и буровой раствор внутри буровой трубы в зоне расположения приборного контейнера.

При этом калибровка измерительной системы сводится к измерению величин токов и напряжений при заданных тестовых воздействиях на входе этой системы.

Тестовое воздействие на входе системы каротажа производится путем подключения к входным зажимам системы R-C цепей с заданными параметрами: а именно R-C цепи могут включаться между буровыми трубами разделителя и между каждой из этих труб и кронштейном приборного контейнера.

Комплексные проводимости, характеризующие электрофизические параметры разбуриваемого пласта и бурового раствора внутри буровой трубы, в зоне расположения приборного контейнера, определяются по следующим формулам:









Причем комплексные проводимости Yи₁(W₁), Yи₂(W₂), Yи₃(W₁), и Yи₃(W₂) определяются по измеренным значениям комплексных токов напряжений а комплексные величины Y₁₀(w₁) и Y₂₀(w₂), Y₃₀(w₁) и Y₃₀(w₂), а также определяются по результатам калибровки измерительной системы.

Об изменениях электрофизических параметров разбуриваемого пласта в зоне расположения забойной колонны судят по отношению комплексных проводимостей, характеризующих пласт [Y₃(w₁) и Y₃(w₂)] и буровой раствор [Y₁(w₁) и Y₂(w₂)] .

Рабочие частоты w₁ и w₂ зондирующего электрического поля выбираются в соответствии с требуемой величиной радиальной дальности контроля электрофизических свойств околоскважинной зоны.

Для реализации способа электромагнитного каротажа скважин в процессе бурения предлагается устройство, использующее в качестве электродов-зондов конструктивные элементы разделителя электромагнитного канала связи забойной телесистемы и приборного контейнера. Устройство содержит электронные ключи, датчики тока, преобразователи напряжения, цифровой сигнальный процессор с портом управления коммутацией, ЦАП, АЦП, устройство ввода-вывода, память команд и хранения результатов измерения. Предлагаемое устройство отличается тем, что один из входов каждого из ключей соединен с выходом порта управления коммутацией, первый вход первого ключа соединен с разделителем, а второй с передающей системой электромагнитного канала связи, первый вход второго ключа соединен с корпусной точкой прибора, второй его вход соединен с преобразователем напряжения, выход которого подключен к разделителю, первый вход третьего ключа соединен с преобразователем напряжения, а второй вход этого ключа соединен с входами датчиков тока, выходы которых соединены с первым входом второго ключа и входом преобразователя напряжения, причем первый и второй выходы двухканального ЦАП соединены с входами преобразователей напряжения, а вход ЦАП соединен с входами преобразователей напряжения, а вход ЦАП соединен с сигнальным процессором, выходы датчиков тока соединены с входами многоканального АЦП, два других входа которого соединены с преобразователями напряжения, а выход многоканального АЦП соединен с последовательным портом цифрового сигнального процессора, причем к последнему подключены память команд и хранения результатов измерений и устройство ввода-вывода.

Рассмотрим содержание предлагаемого способа. Он содержит следующие операции:

1. Возбуждение переменного двухчастотного электрического поля в зоне контроля, с использованием в качестве электродов-зондов элементов конструкции разделителя электромагнитного канала связи забойной телесистемы и приборного контейнера.

2. Измерение комплексных величин напряжений приложенных к разделителю комплексных величин токов протекающих в измерительной цепи между разделителем и корпусной точкой прибора, а также между металлическим кронштейном приборного контейнера и корпусной точкой прибора.

3. Определение комплексных проводимостей, характеризующих разбуриваемый пласт и буровой раствор внутри буровой трубы в зоне расположения приборного контейнера.

4. Калибровка измерительной системы каротажа, сводящаяся к измерению величин токов напряжений при заданных тестовых воздействиях на входе системы.

5. Операция реализации тестового воздействия путем подключения к входным зажимам системы R-C цепей с заданными параметрами.

6. Определение скорректированных комплексных проводимостей, характеризующих электрофизические параметры разбуриваемого пласта и бурового раствора внутри буровой трубы с учетом мешающих воздействий на результаты контроля - паразитных проводимостей и приборных погрешностей системы каротажа.

7. Определение изменений электрофизических параметров разбуриваемого пласта в зоне расположения забойной колонны по отношению скорректированных значений комплексных проводимостей, характеризующих пласт и буровой раствор.

8. Операция выбора рабочих частот w₁ и w₂ зондирующего электрического поля в соответствии с требуемой величиной радиальной дальности контроля электрофизических свойств околоскважинной зоны.

9. Суть предлагаемого способа поясним с помощью схемы замещения системы электромагнитного каротажа (фиг. 2), где 1 и 2 - буровые трубы, электрически изолированные друг от друга с помощью разделителя, 3 - металлический кронштейн приборного контейнера, д.т. 1 и д.т. 1 - датчики тока, Y₁ и Y₂ - комплексные проводимости между буровыми трубами 2, 1 и кронштейном 3. Эти проводимости определяются электрофизическими параметрами бурового раствора, Y₃ - комплексная проводимость между трубами 1 и 2, обусловленная электрофизическими параметрами разбуриваемого пласта и бурового раствора, Y₁₀, Y₂₀, Y₃₀ - комплексные проводимости, обусловленные паразитными емкостями и гальваническими связями между электродами, а также проводимостями между электродами в воздухе.

10. Рассмотрим основные операции предлагаемого способа.

Переменное двухчастотное электрическое поле возбуждается в зоне контроля напряжениями приложенными к разделителю, т.е. приложенными между буровыми трубами 2 и 1 и корпусной точкой прибора ().

Сигналы реакции контролируемой среды определяются комплексными значениями токов, измеряемых датчиками тока 1 и 2. Измеряются следующие величины:













где - истинные значения напряжений и токов в измерительной цепи, - измеренные значения тех же величин,

,

комплексные коэффициенты передачи измерителей тока и напряжения.

По измеренным значениям токов и напряжений определяются комплексные проводимости Y_u1Y_u2Y_u3, связанные с истинными их значениями следующими соотношениями:











Для выделения из измеренных значений комплексных проводимостей Y_u1, Y_u2, Y_u3, информативных составляющих Y₁, Y₂, Y₃ производится операция калибровки измерительной системы. При этом прибор отключается от электродов 1, 2 и 3, а к соответствующим зажимам прибора подключается калиброванная нагрузка: Y₃ ^K1Y₁ ^K1

Y₂ ^K1 - между зажимами 1-2, 1-3, 2-3 (фиг.2), а затем - Y₃ ^K1, Y₁ ^K1, Y₂ ^K1.

При этих калиброванных нагрузках производится измерение комплексных токов напряжений а затем определяются комплексные проводимости:









аналогично определяются проводимости Y_u3 ^k1(w₁), Y_u1 ^k2(w₁), Y_u2 ^k2(w₁), Y_u3 ^k2(w₁), при калиброванной нагрузке Y₃ ^k2, Y₁ ^k2Y₂ ^k2. По результатам калибровки определяют неинформативные составляющие комплексных проводимостей Y₁₀Y₂₀Y₃₀ и комплексные коэффициенты передачи

Информативные составляющие комплексных проводимостей определяются по результатам операций измерения и калибровки









полученные значения комплексных проводимостей характеризуют электрофизические параметры разбуриваемого пласта и бурового раствора.

Функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ изображена на фиг. 3.

Здесь обозначено:

8 - корпусная точка аппаратуры каротажа, 9, 10 и 11 - соответственно первый, второй и третий электронные ключи, 12 - первый датчик тока (ДТ1), 13 - второй датчик тока (д. т.2), 14 - первый преобразователь напряжения, 15 - второй преобразователь напряжения, 16 - порт управления коммутацией, 17 - двухканальный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), 18 - цифровой сигнальный процессор (DSP), 19 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 20 - устройство ввода-вывода (УВВ), 21 - память команд, 22 - память хранения результатов измерения.

Устройство работает следующим образом.

После поступления сигнала синхронизации с передатчика электромагнитного канала связи забойной телесистемы на устройство ввода-вывода (УВВ) 20 цифрового сигнального процессора (DSP) 18, через порт управления коммутации (ПУК) 16 процессора подаются сигналы на электронные ключи 9, 10 и 11. При этом первый ключ 9 размыкается, отключая (блокируя) выходную цепь передатчика телесистемы от разделителя, второй ключ 10 размыкается, преобразователь напряжения 7 расшунтируется и с него на разделитель подается зондирующий сигнал - напряжение Третий ключ 11 замыкается (закорачивается), подключая преобразователь напряжения 15 к измерительной цепи. Сигналы с преобразователя напряжения 15 и 14 через многоканальный АЦП 19 поступают в процессор 18, где происходит измерение и обработка сигналов. После замыкания ключа 11 и подачи зондирующих сигналов на разделитель, через датчики тока 12 и 13 (д.т.1 и д.т. 2) протекают токи, замыкающиеся по следующим контурам.

Два токовых контура с преобразователями напряжения

Для датчика тока 12 (д.т.1): корпусная точка прибора (КТП) 8 - блок 12 - ключ 11 - блок 14 - проводимости (Y1-Y10) - КТП 8.

Для датчиков тока 13 (Д.Т.2) - блок 5 - ключ 11 - блок 14 - проводимости (Y₃-Y₃₀) - блок 15 - блок 13 (д.т.2).

В последнем случае токами через проводимости (Y1-Y10) и (Y2-Y20) пренебрегаем, так как внутренние сопротивления преобразователей 6 и 7 малы и шунтируют указанные проводимости.

Два токовых контура с преобразователем напряжения

Для датчика тока 12 (д.т. 1): КТП 8 - блок 12 - блок 13 - блок 15 - проводимости (Y₂-Y₂₀) - КТП 8.

Для датчика тока 13 (д.т.2): блок 13 - ключ 11 - блок 14 - проводимости (Y₃-Y₃₀) - блок 15 - блок 13.

В последнем случае током проводимости (Y1-Y10) пренебрегаем, так как внутренне сопротивление преобразователя 14 мало и шунтирует указанную проводимость.

Преобразователи 14 и 15 выдают напряжения подаваемые через преобразователи 14 и 15 на разделитель, формируются в цифровой форме в сигнальном процессоре 18 через двухканальный ЦАП 17 подаются на блоки 14 и 15.

Сигналы, пропорциональные токам с датчиков 12 и 13 (д.т.1 и д.т.2) после преобразования в многоканальном АЦП 19 в цифровой форме, поступают в сигнальный процессор 18. В сигнальном процессоре DSP 18 производится фильтрация и измерение величины токов с частотами w₁, w₂. С преобразователей напряжения 14 и 15 напряжения через АЦП 11 также подаются в сигнальный процессор 18, где происходит их измерение и обработка. Из сигнального процессора 18 обработанные результаты измерений через УВВ 20 поступают в передающее устройство забойной телесистемы. Память команд 21 содержит алгоритмы измерения и обработки сигналов. Память хранения результатов измерения 22 содержит данные, которые не могли быть переданы в наземную часть телесистемы ввиду ограниченности пропускной способности канала связи телесистемы.

Прелагаемый способ и устройство имеют следующие преимущества:

1. Позволяют производить электромагнитный каротаж скважин и бурового раствора с использованием конструктивных элементов передающей части забойной телесистемы.

2. Позволяют производить одновременный каротаж разбуриваемого пласта и бурового раствора на двух рабочих частотах зондирующего электрического поля, по двум параметрам: диэлектрической проницаемости среды и удельной электрической проводимости, что существенно повышает надежность и информативность электромагнитного каротажа.

3. Дают возможность выделить наиболее информативные составляющие измеряемых сигналов, несущих информацию об электрофизических параметрах околоскважинной зоны и бурового раствора.

4. Применение бортового компьютера в забойной части телесистемы позволяет реализовать обработку информации в реальном масштабе времени, повысить информативность информации, передаваемой в наземную часть телесистемы по беспроводному электромагнитному каналу связи.

5. Позволяют реализовать работу системы каротажа совместно с электромагнитным каналом связи в режиме разделения по времени.

6. Сравнительная простота реализации устройства с использованием современной элементной базы и микропроцессорной техники.

7. Применение предлагаемой системы электромагнитного каротажа в процессе бурения газонефтяных скважин позволит существенно повысит эффективность и конкурентоспособность отечественных MWD технологий.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Аксельрод С.М. Высокочастотные методы исследования скважин (индукционный и диэлектрический каротаж), Госгеолтехиздат, М., 1962.

2. Черняк Г.А. Диэлектрические методы исследования влажных грунтов. Недра, М., 1964.

3. Лукьянов Э.Е. Состояние и перспективы развития геофизических исследований в горизонтальных скважинах. Часть II, Тверь, 1994.

4. Патент Великобритании 2130378 А, кл. С 01 V 3/20, опубл. 31.05.1984, 9 с.).