устройство для размещения спускового инструмента, способ передачи и/или приема сигнала через земную формацию и способ измерения характеристик земной формации с использованием спускового инструмента

Формула изобретения

1. Устройство для размещения спускового инструмента, содержащее переводник, имеющий удлиненное тело с трубчатыми стенками и центральным отверстием, выполненный с возможностью образования части длины бурильной колонны и содержащий, по меньшей мере, одну секцию, имеющую, по меньшей мере, одну щель, образованную в ней таким образом, что щель полностью проходит сквозь трубчатую стенку для создания непрерывного канала для прохождения сигнала, и средство для создания барьера для давления между внутренней стороной и внешней стороной трубчатой стенки у, по меньшей мере, одной щели, расположенное в центральном отверстии, и спусковой инструмент, выполненный с возможностью прохождения по бурильной колонне и вхождения в центральное отверстие переводника.

2. Устройство по п.1, в котором стенки удлиненного тела выполнены полностью металлическими.

3. Устройство по п.1, в котором снабженная щелями секция выполнена из немагнитного материала.

4. Устройство по п.1, в котором средство для создания барьера для давления включает втулку, расположенную в совмещении со снабженной щелями секцией.

5. Устройство по п.1, в котором спусковой инструмент приспособлен для прокачивания через бурильную колонну или перемещения на кабеле в бурильной колонне.

6. Устройство по п.1, в котором спусковой инструмент на одном конце содержит соединительное средство, приспособленное для извлечения спускового инструмента из отверстия переводника.

7. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит контактное средство, расположенное между спусковым инструментом и стенкой центрального отверстия и приспособленное для обеспечения прохождения электрического тока между спусковым инструментом и указанной стенкой при расположении инструмента в центральном отверстии.

8. Устройство по п.1, в котором спусковой инструмент содержит постоянный магнит.

9. Устройство по п.1, в котором спусковой инструмент содержит модулятор для дистанционного сообщения при расположении спускового инструмента в переводнике.

10. Устройство по п.1, в котором спусковой инструмент содержит средство для хранения данных.

11. Устройство по п.1, в котором спусковой инструмент содержит, по меньшей мере, одну антенну, приспособленную для передачи и/или приема электромагнитной энергии.

12. Устройство по п.11, в котором переводник содержит средство для размещения спускового инструмента, выполненное с возможностью расположения спускового инструмента внутри центрального отверстия таким образом, чтобы, по меньшей мере, одна антенна инструмента находилась в совмещении со снабженной щелями секцией в переводнике.

13. Устройство по п.11, в котором переводник приспособлен с указанным средством в центральном отверстии фокусировать, по меньшей мере, одну антенну, расположенную на спусковом инструменте при его расположении в переводнике.

14. Устройство по п.11, в котором, по меньшей мере, одна антенна спускового инструмента окружена экраном, имеющим, по меньшей мере, одну щель, образованную в нем.

15. Устройство по п.11, в котором спусковой инструмент содержит, по меньшей мере, одну образованную в нем полость, приспособленную для размещения антенны.

16. Устройство по п.1, в котором спусковой инструмент содержит один источник гамма-излучения.

17. Устройство по п.1, в котором переводник содержит эксцентриковое средство для обеспечения эксцентриситета спускового инструмента в центральном отверстии при расположении спускового инструмента в переводнике.

18. Устройство по п.1, в котором спусковой инструмент содержит, по меньшей мере, один детектор гамма-излучения.

19. Устройство по п.1, в котором спусковой инструмент содержит источник нейтронов.

20. Способ передачи и/или приема сигнала через земную формацию, при котором бурят скважину в земной формации с использованием бурильной колонны, содержащей переводник, имеющий удлиненное тело с трубчатыми стенками, по меньшей мере, одну секцию, имеющую, по меньшей мере, одну щель, образованную в ней и полностью проходящую сквозь трубчатую стенку для создания непрерывного канала для прохождения сигнала, и средство для создания барьера для давления между внутренней стороной и внешней стороной трубчатой стенки, расположенное внутри центрального отверстия у, по меньшей мере, одной щели, располагают внутри переводника спусковой инструмент со средством для передачи сигналов и/или со средством для приема сигналов, размещают спусковой инструмент внутри переводника таким образом, чтобы, по меньшей мере, одно средство для передачи или приема сигналов совмещалось с, по меньшей мере, одной снабженной щелями секцией в переводнике, и передают или принимают сигнал через формацию соответственно с помощью средства для передачи сигналов или средства для приема сигналов.

21. Способ по п.20, при котором при передаче или приеме сигнала через формацию передают сигнал на другой переводник бурильной колонны или принимают сигнал от другого переводника бурильной колонны.

22. Способ по п.20, при котором используют средство для передачи сигналов, выполненное с возможностью передачи электромагнитной энергии, и средство для приема сигналов, выполненное с возможностью приема электромагнитной энергии.

23. Способ по п.22, при котором дополнительно устанавливают связь принятой электромагнитной энергии с удельным электрическим сопротивлением формации.

24. Способ по п.20, при котором расположение спускового инструмента в переводнике осуществляют при расположении переводника на поверхности формации.

25. Способ по п.20, при котором расположение спускового инструмента в переводнике осуществляют посредством перемещения спускового инструмента через бурильную колонну для помещения его в переводник.

26. Способ по п.20, при котором дополнительно осуществляют сопоставление полученного сигнала с положением переводника в скважине.

27. Способ по п.20, при котором дополнительно осуществляют телеметрию данных, представляющих полученный сигнал из местоположения, удаленного от переводника.

28. Способ по п.20, при котором дополнительно осуществляют хранение данных, представляющих полученный сигнал, в средстве для хранения данных в спусковом инструменте.

29. Способ по п.20, при котором принимают или передают сигнал через формацию при извлечении бурильной колонны из скважины.

30. Способ измерения характеристик земной формации, окружающей скважину, при котором используют спусковой инструмент с, по меньшей мере, одним средством для передачи сигналов или с, по меньшей мере, одним средством для приема сигналов, с концевым средством, способным принимать ловильную головку или кабельное соединение, располагают спусковой инструмент в переводнике на бурильной колонне для измерения характеристик формации, используют средства для передачи или приема при прохождении бурильной колонной скважины, переводник, имеющий удлиненное тело с центральным отверстием и включающий, по меньшей мере, одну щель, образованную в нем, для обеспечения канала для прохождения сигнала, и средство для создания барьера для давления между внутренней стороной и внешней стороной переводника у, по меньшей мере, одной щели.

31. Способ по п.30, при котором расположение спускового инструмента в переводнике осуществляют при расположении переводника на поверхности земли для измерения характеристик формации при бурении скважины через формацию.

32. Способ по п.30, при котором осуществляют расположение спускового инструмента в переводнике посредством перемещения инструмента через бурильную колонну для размещения в переводнике для измерения характеристик формации при извлечении бурильной колонны из скважины.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится, в общем, к исследованию глубинных земных формаций, к устройствам и способам для передачи и/или приема сигналов через металлический трубчатый элемент и, в частности, к устройству для размещения спускового инструмента.

Каротаж удельного электрического сопротивления и гамма-каротаж относятся к двум оценочным измерениям, наиболее часто выполняемым при геофизических исследованиях в скважинах. Такие измерения используют для обнаружения и оценки свойств потенциальных нефтегазоносных зон в глубинных формациях. Во многих скважинах, особенно при небольшой стоимости скважин, выполняют только два измерения, а при большей стоимости скважины измерения выполняют на поверхности и в промежуточных секциях.

Эти способы каротажа осуществляют различными путями.

Скважинный инструмент, содержащий ряд передающих устройств и детекторов, предназначенных для измерения различных параметров, можно опускать на конце кабеля или талевого троса. Кабель, который присоединяют к передвижному центру обработки какого-либо вида на поверхности, является средством, по которому параметрические данные передаются на поверхность. С помощью тросового каротажа такого типа становится возможным измерение параметров скважины и формации как функции глубины, т.е. по мере того как прибор вытягивают вверх по стволу скважины.

В некоторых скважинах, когда время бурения учтено в общей стоимости, осуществлять каротаж невозможно, поскольку тросовый каротаж является слишком дорогостоящим. Доведение параметров скважины до необходимых для тросового каротажа, монтаж опускаемого в скважину на тросе инструмента и время для опускания и вытягивания опускаемых в скважину на тросах инструментов сокращают время бурения. Горизонтальные или наклонные скважины также характеризуются повышенной стоимостью и в них трудно использовать связанные с тросом инструменты.

Альтернативой способам тросового каротажа является сбор данных о рабочих условиях в скважине во время процесса бурения. При сборе и обработке такой информации во время процесса бурения бурильщик может изменять или корректировать ключевые стадии бурильных работ, чтобы оптимизировать работу. Последовательность операций по сбору данных о рабочих условиях в скважине и относительно перемещения бурильной колонны со скважинным буровым оборудованием и инструментом во время бурильных работ известна как способ скважинного исследования во время бурения. Аналогичные способы, направленные больше на измерение параметров формации, чем на перемещение бурильной колонны, известны как способы каротажа во время бурения. Как и в случае тросового каротажа, использование инструментов для каротажа во время бурения и скважинного исследования во время бурения не может быть обоснованным, вследствие высокой стоимости оборудования и соответствующей эксплуатации, поскольку инструменты находятся в скважине в продолжении всего времени бурения.

Каротаж во время спускоподъемного цикла является эффективной в части стоимости альтернативой способам каротажа во время бурения и скважинного исследования во время бурения. При каротаже во время спускоподъемного цикла «спусковой» инструмент небольшого диаметра опускают в скважину по бурильной колонне по окончании работы долота, непосредственно до вытягивания бурильной колонны. Спусковой инструмент используют для измерения физических показателей скважины, когда бурильную колонну извлекают или поднимают из скважины. Во время подъема измеренные данные записываются как функции времени в запоминающем устройстве инструмента. На поверхности во втором комплекте оборудования во время подъема записывается глубина долота в зависимости от времени, и это обеспечивает возможность сравнения измерений по глубине.

В патенте США №5589825 описан способ каротажа во время спускоподъемного цикла с использованием скважинного зонда для каротажа, выполненного с возможностью перемещения по бурильной колонне в переводнике бурильной колонны. В патенте США №5589825 описан переводник, имеющий оконную конструкцию для обеспечения возможности передачи сигнала между заключенным в корпус скважинным зондом для каротажа и стволом скважины. Оконная конструкция может находиться в открытом или закрытом состоянии. Недостаток предложенного устройства заключается в том, что при открытом окне скважинный зонд для каротажа подвергается воздействию шероховатого и абразивного окружения скважины, при этом обломки выбуренной породы могут повредить скважинный зонд и заклинить оконную конструкцию. На больших глубинах скважинные условия постепенно становятся более неблагоприятными. На глубинах от 5000 до 8000 м имеют место температуры около 260°С и давления около 170 МПа. Это усиливает разрушение внешних или открытых элементов скважинного зонда. Поэтому конструкция с открывающимся окном является непрактичной в скважинных условиях.

В заявке на патент Великобритании №2337546А описана конструкция из композиционного материала, заключенная внутри удлинителя, для обеспечения возможности прохождения электромагнитной энергии при измерениях во время бурильных работ. В указанной заявке №2337546А описан удлинитель, имеющий канавки или выемки с заделанными крышками из композиционного материала. Недостаток устройства, предложенного в заявке №2337546А, заключается в использовании композиционных материалов для изготовления неразъемных деталей удлинителя. Усталостные нагрузки (т.е. изгиб и вращение бурильной трубы) являются следствием бурильных работ. Когда бурильная труба подвергается изгибу или кручению, форма канавок или выемок изменяется, что приводит к разрушению устройства в результате напряжений или к ухудшению уплотнения. Когда композиционный материал и металл должны работать механически как одно целое, как это описано в указанной заявке Великобритании №2337546А, различия в свойствах между металлом и композиционным материалом крышек трудно компенсировать соответствующим образом. Поэтому повышенная склонность к разрушению при экстремальных напряжениях и нагрузках, возникающих во время бурильных работ, делает непрактичной реализацию описанной конструкции.

В патентах США №№5988300 и 5944124 описана трубчатая конструкция из композиционного материала, выполненная с возможностью использования в бурильной колонне. В указанных патентах описана составная конструкция, включающая в себя трубу, объединенную с концевыми фитингами и соединенную с концевыми фитингами посредством внешней обмотки. В дополнение к высокой стоимости изготовления еще одним недостатком этой конструкции является то, что конструкция, состоящая из многих частей, более предрасположена к разрушению при экстремальных напряжениях, возникающих во время бурильных работ.

В патенте США №5939885 описано устройство для каротажа скважин, содержащее установочный элемент, снабженный рамочными антеннами и размещенный внутри снабженного щелями удлинителя. Однако устройство не рассчитано на выполнение каротажных операций во время спускоподъемного цикла. В патентах США №№4041780 и 4047430 описан каротажный прибор, который прокачивают вниз в бурильную колонну для получения каротажных диаграмм. Однако для использования устройства, предложенного в указанных патентах №№4041780 и 4047430, необходимо поднимать из скважины всю бурильную колонну (для удаления бурового долота) до того, как можно будет осуществить какой-либо каротаж. Поэтому во многих случаях бурильных работ реализация описанного устройства не является практичной и эффективной по затратам.

В патенте США №5560437 описаны способ телеметрии и устройство для выполнения измерений скважинных параметров. В указанном патенте №5560437 описан каротажный зонд, который выталкивают в бурильную колонну. Каротажный зонд содержит на одном конце датчик, который устанавливается в заданное положение в отверстии, имеющемся в специальном буровом долоте на конце бурильной колонны. При этом датчик непосредственно обращен к скважине. Недостаток устройства, предложенного в указанном патенте №5560437, заключается в том, что датчик не защищен от опасных условий скважины. Кроме того, использование небольшого датчика, выступающего через небольшое отверстие, не имеет практического значения при каротаже удельного электрического сопротивления.

В патенте США №4914637 описан скважинный инструмент, выполненный с возможностью развертывания и опускания в бурильную колонну от поверхности до необходимого места в колонне. Модулятор в инструменте передает на поверхность собранные данные. В патенте США №5050675 (переуступленном настоящему правопреемнику) описано снабженное отверстиями устройство, содержащее зонд с индуктивным элементом связи для передачи сигналов между поверхностью и скважинным инструментом. В патенте США №5455573 описано устройство индуктивной связи для скважинных инструментов с коаксиальной компоновкой. Кроме того, предложены способы исследования скважин с использованием снабженных щелями труб. В патенте США №5372208 описано использование секций, снабженных щелями труб в качестве частей бурильной колонны, для получения проб подземной воды во время бурения. Однако ни одно из этих предложенных устройств не относится к измерениям через трубу или к передаче сигналов.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание простого и надежного устройства для каротажа в течение спускоподъемного цикла и эффективных способов для обнаружения и оценки свойств потенциальных нефтегазоносных зон в глубинных формациях, способов для передачи и/или приема сигналов через земную формацию, способа для измерения характеристик глубинной формации с использованием усовершенствованного устройства, способного обеспечивать каротаж в течение спускоподъемного цикла, каротаж во время бурения или измерения с помощью опускаемого на тросе инструмента и способов уплотнения отверстий в поверхности трубчатых элементов, используемых при бурильных работах.

Этот технический результат достигается тем, что устройство для размещения спускового инструмента содержит переводник, имеющий удлиненное тело с трубчатыми стенками и центральным отверстием, выполненный с возможностью образования части длины бурильной колонны и содержащий, по меньшей мере, одну секцию, имеющую, по меньшей мере, одну щель, образованную в ней таким образом, что щель полностью проходит сквозь трубчатую стенку для создания непрерывного канала для прохождения сигнала, и средство для создания барьера для давления между внутренней стороной и внешней стороной трубчатой стенки у, по меньшей мере, одной щели, расположенное в центральном отверстии, и спусковой инструмент, выполненный с возможностью прохождения по бурильной колонне и вхождения в центральное отверстие переводника.

Стенки удлиненного тела могут быть выполнены полностью металлическими.

Снабженная щелями секция может быть выполнена из немагнитного материала.

Средство для создания барьера для давления может включать втулку, расположенную в совмещении со снабженной щелями секцией.

Спусковой инструмент может быть приспособлен для прокачивания через бурильную колонну или перемещения на кабеле в бурильной колонне.

Спусковой инструмент на одном конце может содержать соединительное средство, приспособленное для извлечения спускового инструмента из отверстия переводника.

Устройство может дополнительно содержать контактное средство, расположенное между спусковым инструментом и стенкой центрального отверстия и приспособленное для обеспечения прохождения электрического тока между спусковым инструментом и указанной стенкой при расположении инструмента в центральном отверстии.

Спусковой инструмент может содержать постоянный магнит.

Спусковой инструмент может содержать модулятор для дистанционного сообщения при расположении спускового инструмента в переводнике.

Спусковой инструмент может содержать средство для хранения данных.

Спусковой инструмент может содержать, по меньшей мере, одну антенну, приспособленную для передачи и/или приема электромагнитной энергии.

Переводник может содержать средство для размещения спускового инструмента, выполненное с возможностью расположения спускового инструмента внутри центрального отверстия таким образом, чтобы, по меньшей мере, одна антенна инструмента находилась в совмещении со снабженной щелями секцией в переводнике.

Переводник может быть приспособлен с указанным средством в центральном отверстии фокусировать по меньшей мере одну антенну, расположенную на спусковом инструменте при его расположении в переводнике.

По меньшей мере, одна антенна спускового инструмента может быть окружена экраном, имеющим, по меньшей мере, одну щель, образованную в нем.

Спусковой инструмент может содержать, по меньшей мере, одну образованную в нем полость, приспособленную для размещения антенны.

Спусковой инструмент может содержать один источник гамма-излучения.

Переводник может содержать эксцентриковое средство для обеспечения эксцентриситета спускового инструмента в центральном отверстии при расположении спускового инструмента в переводнике.

Спусковой инструмент может содержать, по меньшей мере, один детектор гамма-излучения.

Спусковой инструмент может содержать источник нейтронов.

Согласно изобретению создан способ передачи и/или приема сигнала через земную формацию, при котором бурят скважину в земной формации с использованием бурильной колонны, содержащей переводник, имеющий удлиненное тело с трубчатыми стенками, по меньшей мере, одну секцию, имеющую, по меньшей мере, одну щель, образованную в ней и полностью проходящую сквозь трубчатую стенку для создания непрерывного канала для прохождения сигнала, и средство для создания барьера для давления между внутренней стороной и внешней стороной трубчатой стенки, расположенное внутри центрального отверстия у по меньшей мере одной щели, располагают внутри переводника спусковой инструмент со средством для передачи сигналов и/или со средством для приема сигналов, размещают спусковой инструмент внутри переводника таким образом, чтобы, по меньшей мере, одно средство для передачи или приема сигналов совмещалось с, по меньшей мере, одной снабженной щелями секции в переводнике и передают или принимают сигнал через формацию соответственно с помощью средства для передачи сигналов или средства для приема сигналов.

При передаче или приеме сигнала через формацию можно передавать сигнал на другой переводник бурильной колонны или принимают сигнал от другого переводника бурильной колонны.

Можно использовать средство для передачи сигналов, выполненное с возможностью передачи электромагнитной энергии, и средство для приема сигналов, выполненное с возможностью приема электромагнитной энергии.

Можно дополнительно устанавливать связь принятой электромагнитной энергии с удельным электрическим сопротивлением формации.

Расположение спускового инструмента в переводнике можно осуществлять при расположении переводника на поверхности формации.

Расположение спускового инструмента в переводнике можно осуществлять посредством перемещения спускового инструмента через бурильную колонну для помещения его в переводник.

Можно дополнительно осуществлять сопоставление полученного сигнала с положением переводника в скважине.

Можно дополнительно осуществлять телеметрию данных, представляющих полученный сигнал из местоположения, удаленного от переводника.

Можно дополнительно осуществлять хранение данных, представляющих полученный сигнал в средстве для хранения данных в спусковом инструменте.

Принимать или передавать сигнал через формацию можно при извлечении бурильной колонны из скважины.

Согласно изобретению создан также способ измерения характеристик земной формации, окружающей скважину, при котором используют спусковой инструмент с, по меньшей мере, одним средством для передачи сигналов, или с, по меньшей мере, одним средством для приема сигналов, с концевым средством, способным принимать ловильную головку или кабельное соединение, располагают спусковой инструмент в переводнике на бурильной колонне для измерения характеристик формации, используют средства для передачи или приема при прохождении бурильной колонной скважины, переводник, имеющий удлиненное тело с центральным отверстием и включающий по меньшей мере одну щель, образованную в нем, для обеспечения канала для прохождения сигнала, и средство для создания барьера для давления между внутренней стороной и внешней стороной переводника у, по меньшей мере, одной щели.

Расположение спускового инструмента в переводнике можно осуществлять при расположении переводника на поверхности земли для измерения характеристик формации при бурении.

Можно осуществлять расположение спускового инструмента в переводнике посредством перемещения инструмента через бурильную колонну для размещения в переводнике для измерения характеристик формации при извлечении бурильной колонны из скважины.

Другие особенности и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего подробного описания со ссылками на чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схематичный вид спускового инструмента согласно изобретению;

фиг.2а - разрез спускового инструмента согласно изобретению, при этом показаны антенна с соответствующим электромонтажом и отверстия;

фиг.2b - схематичный вид экранирующей конструкции согласно изобретению, окружающей антенну спускового инструмента;

фиг.3 - схематичный вид трубчатого элемента со снабженными щелями секциями согласно изобретению;

фиг.4а и 4b изображают схематичные виды спускового инструмента согласно изобретению, зацепленного внутри трубчатого элемента;

фиг.5 изображает график, иллюстрирующий зависимость между размерами щелей трубчатого элемента и ослаблением проходящей электромагнитной энергии;

фиг.6 - схематичный вид спускового инструмента согласно изобретению в компоновке с центратором;

фиг.7а - разрез трубчатого элемента с барьером для давления согласно изобретению;

фиг.7b - сечение по линии А-А на фиг.7а трубчатого элемента с тремя щелями;

фиг.8а - разрез трубчатого элемента с еще одной конфигурацией барьера для давления согласно изобретению;

фиг.8b - сечение по линии В-В на фиг.8а трубчатого элемента с тремя щелями;

фиг.9а - разрез спускового инструмента, расположенного в совмещении с барьером для давления согласно изобретению;

фиг.9b - вид сверху спускового инструмента и барьера для давления, показанных на фиг.9а;

фиг.10 - разрез компоновки барьера для давления и трубчатого элемента согласно изобретению;

фиг.11 - разрез снабженного щелью трубчатого элемента со вставкой, уплотнением и стопорной втулкой согласно изобретению;

фиг.12а и 12b изображают разрезы и местные разрезы снабженной щелью трубчатой секции согласно изобретению с конической щелью и с соответствующей конической вставкой;

фиг.13а изображает схематичный вид спускового инструмента и смещенной от центра антенны внутри трубчатого элемента согласно изобретению;

фиг.13b и 13с изображают схематичные виды спускового инструмента и антенны, окруженной фокусирующим экраном, согласно изобретению, при этом показан эффект экранирования магнитного и электрического полей;

фиг.14 изображает вид сверху экранирующей конструкции согласно изобретению, образованной внутри отверстия трубчатого элемента;

фиг.15 - схематичный вид экранирующей конструкции согласно изобретению, образованной полостью внутри спускового инструмента;

фиг.16 - схематичный вид спускового инструмента согласно изобретению, включающего в себя модулятор, и зацепленного внутри трубчатого элемента;

фиг.17 - схематичный вид компоновки спускового инструмента, показанного на фиг.16, используемого для радиосвязи в реальном времени с отдаленным скважинным инструментом;

фиг.18 - схематичный вид компоновки спускового инструмента согласно изобретению для измерений пористости с использованием методов ядерного магнитного резонанса;

фиг.19а и 19b изображают схематичные виды компоновок антенн спускового инструмента согласно изобретению внутри трубчатых элементов;

фиг.20 изображает схематичные виды трубчатого элемента и спускового инструмента с индуктивными элементами связи согласно изобретению;

фиг.21 - вид сверху и схематичный вид смещенного от центра спускового инструмента и трубчатого элемента с индуктивными элементами связи согласно изобретению;

фиг.22а и 22b изображают схематичные виды индуктивных элементов связи согласно изобретению внутри спускового инструмента и трубчатого элемента;

фиг.23 изображает разрез индуктивного элемента связи и экрана согласно изобретению, установленных в трубчатом элементе;

фиг.24 - упрощенная схема индуктивного элемента связи согласно изобретению;

фиг.25 - схема последовательности стадий, иллюстрирующая способ согласно изобретению для передачи и/или приема сигнала через земную формацию;

фиг.26 - схема последовательности стадий, иллюстрирующая способ согласно изобретению для измерения характеристики земной формации, окружающей скважину;

фиг.27 - схема последовательности стадий, иллюстрирующая способ согласно изобретению для уплотнения отверстия в поверхности трубчатого элемента; и

фиг.28 - схема последовательности стадий, иллюстрирующая способ согласно изобретению для уплотнения сквозного отверстия в поверхности трубчатого элемента.

В интересах ясности не все особенности вариантов осуществления настоящего изобретения рассмотрены в этом описании изобретения. Следует учесть, что, хотя разработка любого такого варианта осуществления может быть сложной и трудоемкой, она тем не менее является рутинным делом для обычного специалиста в области техники, к которой относится данное изобретение, извлекающего пользу из этого раскрытия.

Устройство согласно изобретению состоит из двух основных деталей, спускового инструмента и удлинителя. Далее удлинитель будет именоваться переводником.

1. Спусковой инструмент

На фиг.1 показан вариант осуществления спускового инструмента 10 согласно изобретению. Спусковой инструмент 10 представляет собой удлиненную металлическую оправку небольшого диаметра, в которой можно разместить одну или несколько антенн 12, источники, датчики (использованные здесь термины датчик и детектор являются взаимозаменяемыми), магниты, узел генератора и детектора гамма-излучения, узел генерации и обнаружения нейтронов, различную электронику, аккумуляторные батареи, скважинный процессор, генератор частоты, порт вывода и считывания и записывающее запоминающее устройство (не показаны).

К спусковому инструменту 10 не предъявляются такие механические требования, как к переводнику. Поэтому на него наложены существенно меньшие механические ограничения. Спусковой инструмент 10 имеет посадочный механизм (хвостовик) 14 на нижнем конце и ловильную головку 16 на верхнем конце. Ловильная головка 16 позволяет захватывать спусковой инструмент 10 и извлекать из переводника при использовании известного инструмента для извлечения, такого как описанный в патенте США №5278550 (переуступленном настоящему правопреемнику). Преимущество извлекаемого спускового инструмента 10 заключается в снижении затрат на оставляемые в скважине инструменты.

Как показано на фиг.2а, каждая антенна 12 спускового инструмента 10 состоит из многовитковой проволочной рамки, помещенной в эпоксидную композицию 18 со стекловолокном, расположенной в канавке герметичного кожуха спускового инструмента 10 и уплотненной напрессованным резиновым материалом 20. Ввод 22 обеспечивает проход для проводки антенны 12 и выходит во внутреннее отверстие 24 в спусковом инструменте 10. Как известно из области техники, к которой относится изобретение, каждая антенна 12 может работать на прием или передачу электромагнитного сигнала.

Антенна 12 излучает электрическое поле в азимутальной плоскости. Предпочтительно, каждая антенна 12 окружена экраном 26 из нержавеющей стали (аналогичным описанному в патенте США №4949045, переуступленном настоящему правопреемнику), который имеет одну или несколько осевых щелей 28, расположенных по окружности экрана 26. На фиг.2b показаны осевые щели 28, распределенные по окружности экрана 26. Короткое замыкание экранов 26 осуществляется на осевых концах металлической оправки спускового инструмента 10. Эти экраны 26 обеспечивают возможность распространения поперечного электрического излучения и наряду с этим блокируют поперечное магнитное и поперечное электромагнитное излучения. Кроме того, экраны 26 предохраняют антенны 12 от повреждения с наружной стороны. Электроника и компоновка датчиков спускового инструмента 10 сходны с описанными в патенте США №4899112 (переуступленном настоящему правопреемнику).

2. Переводник

На фиг.3 показан вариант осуществления переводника 30 согласно изобретению. Переводник 30 имеет удлиненное тело с трубчатыми стенками и центральным отверстием 32. Переводник 30 не содержит ни электроники, ни датчиков и является полностью металлическим, изготовленным предпочтительно из нержавеющей стали. Он является частью обычной компоновки низа бурильной колонны и в процессе работы долота располагается в бурильной колонне, находящейся в скважине. Переводник 30 имеет обычные резьбовые нефтепромысловые соединения (наружную и внутреннюю резьбу) на каждом конце (не показаны).

Переводник 30 содержит одну или несколько секций 36 с одной или несколькими осевыми щелями 38, расположенными на всем протяжении трубчатой стенки. Каждая удлиненная осевая щель 38 полностью проходит сквозь трубчатую стенку переводника 30 и, предпочтительно, выполнена с хорошо закругленными концами. Моделирование напряжений показало, что в стенках переводника 30 можно образовывать довольно длинные щели 38 с сохранением конструктивной целостности переводника 30. Для минимизации изгибающего момента, действующего на щель (щели) 38, на внешней поверхности переводника 30 можно выполнить снижающие напряжение канавки 40.

Каждая щель 38 образует непрерывный канал для прохождения электромагнитной энергии через переводник 30. Щели 38 блокируют поперечное магнитное излучение, но позволяют проходить поперечному электрическому излучению, хотя и с некоторым ослаблением. Степень ослабления переводником 30 поперечных электрических полей зависит от таких факторов, как частота, число щелей, ширина щелей, длина щелей, наружный диаметр и внутренний диаметр переводника, а также местоположение и размеры антенны спускового инструмента 10. Например, на фиг.5 показано затухание, вносимое переводником 30, измеренное на частоте 400 кГц, в случае 25-витковой рамки диаметром 44,45 мм, центрированной в переводнике 30 с внутренним диаметром 90,17 мм и наружным диаметром 171,45 мм, имеющем одну или две щели 38 различной длины и ширины. Как ясно из фиг.5, добавление щелей 38 или выполнение щелей более длинными или более широкими уменьшает затухание. Однако в случае только одной или двух щелей 38 шириной 12,7 мм и длиной 152,4-203,2 мм затухание, вносимое переводником 30, составляет всего примерно 15 дБ, которое является достаточно малым для многих применений.

При работе спусковой инструмент 10 прокачивают вниз и/или опускают по бурильной колонне на кабеле по окончании работы долота и приводят в зацепление внутри переводника 30. Как показано на фиг.4а, спусковой инструмент 10 принимается спусковым «башмаком» 42 внутри центрального отверстия 32 переводника 30. На фиг.4b показано расположение спускового инструмента 10 в переводнике 30, при котором каждая антенна 12, источник или датчик находится в совмещении со щелью 38 в переводнике 30. Предпочтительно, спусковой башмак 42 также оказывает фиксирующее действие для предотвращения любого осевого перемещения спускового инструмента 10 после его зацепления внутри переводника 30.

На фиг.6 показан вариант осуществления изобретения, включающий центратор 44, который служит для сохранения спускового инструмента 10 центрированным и устойчивым внутри переводника 30, смягчения ударов и уменьшения влияния перемещения инструмента 10 на измерения. Для ограничения перемещения спускового инструмента 10 и предохранения его от ударов о внутреннюю стенку переводника 30 в центральном отверстии 32 можно расположить один или несколько центраторов 44. Кроме того, для обеспечения устойчивости положения спускового инструмента 10 можно установить один или несколько рессорных листов 46, проходящих от центратора 44. Рессорные листы 46 прижаты к спусковому инструменту 10, когда он находится в зацеплении внутри переводника 30. Для удержания центратора (центраторов) 44 в переводнике 30 можно использовать болты 48 с уплотнительными кольцами 50 с сохранением барьера для давления между внутренней стороной и наружной стороной переводника 30.

В качестве альтернативы центратор 44 можно установить на спусковом инструменте 10, а не на переводнике 30 (фиг.16). В этом случае центратору 44 можно придать такую форму, чтобы он удерживался втянутым во время спуска и раскрывался, когда спусковой инструмент 10 опущен в переводник 30. Понятно, что в изобретении можно использовать центратор 44 других конфигураций, известных в области техники, к которой относится изобретение.

Спусковой инструмент 10 и переводник 30 имеют электромагнитные свойства, аналогичные свойствам коаксиального кабеля, при этом спусковой инструмент 10 функционирует как внутренний проводник, а переводник 30 функционирует как наружный проводник коаксиального кабеля. При использовании проводящего бурового раствора «коаксиальный кабель» вносит потери. При использовании бурового раствора на углеводородной основе «коаксиальный кабель» имеет небольшое затухание. Внутри переводника 30 между приемником и приемником или передатчиком и приемником может существовать паразитная связь антенн 12. Как описывалось выше, экраны 26, окружающие антенны 12, заземлены на оправке спускового инструмента 10 для минимизации емкостной связи между ними или связи по поперечному электромагнитному излучению. Кроме того, для ослабления связи по поперечному электромагнитному излучению предусмотрена электрическая симметрия антенн 12. Центраторы 44 можно также использовать в качестве контактных средств для образования высокочастотных короткозамкнутых цепей между спусковым инструментом 10 и переводником 30 для предотвращения паразитной связи. Например, чтобы гарантировать надежное короткое замыкание между спусковым инструментом 10 и переводником 30, на центраторах 44 можно установить небольшие зубчатые колеса с острыми зубьями (не показаны).

4.3. Барьер для давления

Поскольку каждая щель 38 полностью проходит сквозь стенку переводника 30, то для сохранения перепада давления между внутренней стороной и наружной стороной переводника 30 и гидравлической целостности используют барьер для давления. Существуют различные способы создания барьера для давления между внутренней стороной и наружной стороной переводника 30 в случае использования снабженных щелями секций 36.

На фиг.7а показан вариант осуществления переводника 30 с барьером для давления согласно изобретению. Внутри центрального отверстия 32 переводника 30 установлена в положении, согласованном со щелью (щелями) 38, цилиндрическая втулка 52. Втулка 52 изготовлена из материала, который является прозрачным для электромагнитной энергии. Пригодные к применению материалы включают в себя класс полиэфиркетонов, описанных в патенте США №4320224, или другие подходящие полимеры. Материал одного такого вида, называемый полиэфирэфиркетоном, изготавливает фирма Victrex USA, Inc. из Уэст-Честера, Пенсильвания. Фирмы Cytec Fiberite, Greene Tweed и BASF предлагают другие подходящие термопластичные полимеры. Еще одним пригодным для применения материалом является тетрагональная фаза циркониевой керамики, изготавливаемой фирмой Coors Ceramics из Голдена, Колорадо. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что эти и другие материалы можно комбинировать для изготовления подходящей для применения втулки 52.

Полиэфиркетон и полиэфирэфиркетон могут противостоять значительной нагрузке давлением и могут использоваться в тяжелых условиях скважины. Керамики могут выдерживать значительно большие нагрузки, но они не особенно стойки к удару. Для повышения прочности втулки 52 можно также использовать смеси из полиэфирэфиркетона или полиэфиркетона и стекла, углерода или кевлара.

Кроме того, в центральное отверстие 32 введены стопор 52 и распорка 56 для поддержания втулки 52, и они предназначены для перемещения и совмещения ее со щелями 38. Втулка 52 расположена между стопором 54 и распоркой 56, которые выполнены в виде полых цилиндров, устанавливаемых на одной оси в центральном отверстии 32. Предпочтительно, обе детали изготовлены из нержавеющей стали. На одном конце стопор 54 соединен со втулкой 52, при этом втулка 52 установлена соосно внутри стопора 54. Когда во время работы перепад давления на переводнике 30 возрастает, втулка 52 воспринимает нагрузку, изолируя переводник 30 от давления в щелевой области. Гидравлическая целостность на стыке между втулкой 52 и стопором 54 поддерживается уплотнительным кольцом 53. Посадочный «ключ» 55 использован для зацепления втулки 52 со стопором 54 и предотвращает поворот одной детали относительно другой (см. увеличенное изображение на фиг.7а-1). Стопорный штифт 57 проходит через переводник 30 и находится в зацеплении со свободным концом стопора 54, чтобы предотвратить поворот стопора в отверстии 32 переводника 30. Кроме того, для образования гидравлического уплотнения между стопором 54 и переводником 30 в канавках на внешней поверхности стопора 54 размещены уплотнительные кольца 59.

Во время работы внутренняя втулка 52 будет, вероятно, испытывать осевое тепловое расширение вследствие высоких температур в скважине. Поэтому предпочтительно, чтобы втулка 52 могла перемещаться в осевом направлении, когда она испытывает такие изменения, с целью предотвращения искривления. Распорка 56 состоит из внутреннего цилиндра 60 внутри внешнего цилиндра 62. Пружина 64 на одном конце внешней поверхности внутреннего цилиндра 60 создает осевую силу, противодействующую внешнему цилиндру 62 (аналогично автомобильному амортизатору). Внешний цилиндр 62 соединен со втулкой 52 с использованием ключа 55 и уплотнительного кольца 53 на стыке, описанном выше и показанном на увеличенном изображении части фиг.7а (фиг.7а-1). Подпружиненная распорка 56 имеет важное значение при неодинаковом тепловом расширении деталей. В варианте осуществления из фиг.7а переводник 30 показан соединенным с другими трубчатыми деталями посредством резьбовых нефтепромысловых соединений 70.

С целью иллюстрации на фиг.7а переводник 30 показан только с одной щелью 38. В других вариантах осуществления может быть несколько втулок 52, соединенных с другими деталями описанным образом, для образования индивидуальных барьеров для давления на протяжении некоторого количества снабженных щелями секций 36 (не показаны). В случае такой компоновки используют только два уплотнительных кольца 53 на внутренней стороне переводника 30 на протяжении всей секции с щелевой структурой. Это минимизирует опасность, заключающуюся в смещении уплотнительных колец 53 в щели во время сборки или ремонта. На фиг.7b показан вид в разрезе (по линии А-А на фиг.7а) переводника 30 в конфигурации с тремя щелями 38.

На фиг.8а показан еще один вариант осуществления переводника 30 с барьером для давления согласно изобретению. В этом варианте осуществления подпружиненная распорка 56 поддерживает внешний цилиндр 62 примыкающим к втулке 52, а уплотнительные кольца 68 размещены в канавках на внешней поверхности втулки 52, предпочтительно, по обеим сторонам от щели 38. На одном конце стопор 54 оперт на заплечик или выступ 58, образованный на стенке центрального отверстия 32. На фиг.8b показан вид в разрезе (по линии В-В на фиг.8а) переводника 30 в конфигурации с тремя щелями 38.

В еще одном варианте осуществления барьера для давления согласно изобретению втулка 52, изготовленная из полиэфирэфиркетона или полиэфиркетона, или из модификации этих материалов со стеклом, углеродом или кевларом в качестве наполнителя, может быть скреплена с металлической вставкой (не показанной), при этом вставка содержит уплотнительные кольца для герметизации переводника 30, как это описано выше. Металлическая вставка может быть установлена внутри переводника 30 так, как описано выше, или с использованием крепежного средства или стопорных штифтов (не показаны). Материал втулки также может быть напрессован или намотан на несущую вставку. Кроме того, для получения дополнительной прочности волокна в намотанном материале можно ориентировать соответствующим образом.

На фиг.9а показан еще один вариант осуществления барьера для давления согласно изобретению. В этом варианте осуществления цилиндрическая втулка 52 удерживается в совмещении со щелью (щелями) 38 металлическим стопором 72. Как показано, стопор 72 может быть изготовлен вместе с соответствующей щелью 74, образованной в нем для прохождения сигнала, или в виде отдельных деталей (не показаны), поддерживающих втулку 52 в верхней части и в нижней части. Осевое перемещение или поворот стопора 72 внутри переводника 30 может быть ограничено любым из нескольких средств, известных в области техники, к которой относится изобретение, включая стопорный штифтовой механизм или ключевое устройство со стопорной гайкой (не показаны). Кроме того, как будет дополнительно описано ниже, щель 38 может быть закрыта защитной вставкой. При работе спусковой инструмент 10 расположен внутри переводника 30 так, что антенна 12 совмещена со щелью (щелями) 38.

Как показано на фиг.9b, стопор 72 выполнен так, что он проходит внутрь и уменьшает внутренний диаметр переводника 30, чтобы ограничить перемещение спускового инструмента 10. Поток бурового раствора протекает через несколько каналов или отверстий 76 в стопоре 72 и через кольцеобразный зазор 78 между спусковым инструментом 10 и стопором 72. Стопор 72 фактически действует как центратор для стабилизации спускового инструмента 10 и предохранения его от удара о внутреннюю поверхность переводника 30, снижения интенсивности ударов и повышения надежности.

На фиг.10 показан еще один вариант осуществления барьера для давления согласно изобретению. Переводник 30 изготовлен с таким заводским соединением 80, что втулку 52 можно ввести внутрь центрального отверстия 32. Втулка 52 изготовлена так, как описано выше, и снабжена гидравлическим уплотнением с использованием уплотнительных колец 82 в канавках, выполненных на внешней поверхности обоих концов втулки 52. Осевое перемещение втулки 52 внутри центрального отверстия 32 ограничено упорным выступом 84, образованным на одном конце двухкомпонентного переводника 30, и концом согласованного соединения переводника 30. Поскольку втулка 52 утоплена в канавку 86, выполненную на внутренней поверхности переводника 30, эта компоновка обеспечивает свободное прохождение спускового инструмента 10 большого диаметра. Кроме того, эта компоновка обеспечивает легкий доступ к втулке 52 и к щели (щелям) 38 для технического обслуживания и осмотра.

На фиг.11 показан еще один вариант осуществления барьера для давления согласно изобретению. Щель 38 в переводнике 30 выполнена трехступенчатой, предпочтительно, с хорошо закругленными концами. На одной из ступенек имеется опорный заплечик 90 для вставки 92, а две другие поверхности вместе со вставкой 92 образуют конфигурацию канавки 94 для уплотнительного кольца. Видоизмененное уплотнительное кольцо состоит из собственно уплотнительного кольца 96, натянутого вокруг вставки 92 на соответствующей ступеньке, и металлических элементов 98, расположенных на противоположных сторонах от кольца 96. Предпочтительно, металлические элементы выполнены в виде замкнутых петель.

Как описано выше, втулку 52 можно установить внутри переводника 30 вместе с одним или несколькими уплотнительными кольцами (не показанными). Как показано на фиг.11, втулка 52 также может иметь щель 100, проходящую сквозь ее стенку, для образования свободного канала для любого поступающего или уходящего сигнала. Втулка 52 может иметь соответствующую щель 100 для каждой щели 38 в переводнике 30.

Чтобы обеспечить возможность прохождения электромагнитной энергии, вставку 92 и втулку 52 желательно изготавливать из диэлектрических материалов, описанных выше. Однако, если втулка 52 выполнена со щелью 100, втулку 52 можно изготовить из любого подходящего материала.

Если втулка 52 выполнена со щелью 100, внутреннее давление в переводнике 30 может продвигать вставку 92 наружу. Опорный заплечик 90 воспринимает эту нагрузку. По мере того как внутреннее давление повышается, уплотнительное кольцо 96 продвигает металлические элементы 98 против выдавленного зазора, которые эффективно перекрывают зазор. В результате исчезает пространство для выдавливания уплотнительного кольца 96. Поскольку металл намного тверже, чем материал уплотнительного кольца, он вообще не выдавливается. Поэтому видоизмененная конфигурация способствует созданию ситуации, при которой мягкий элемент (уплотнительное кольцо) обеспечивает уплотнение, а твердый элемент (металлическая петля) предотвращает выдавливание, т.е. имеется случай идеального уплотнения. В случае изменения направления давления втулка 52 захватывает вставку 92 в щели 38, предохраняя вставку 92 от вытеснения.

С помощью изобретения могут быть реализованы другие конфигурации барьера для давления. Один способ заключается в использовании нескольких отдельных втулок 52, соединенных друг с другом другими удерживающими конструкциями и ограниченных в перемещении уплотнением для перепада давления или устройством со стопорной гайкой (не показанными). Еще один способ заключается в использовании протяженной втулки 52 (не показанной), перекрывающей несколько секций 36. Еще один способ заключается в использовании втулки 52, прикрепленной к внешней поверхности переводника 30 на протяжении щелевой области, или в использовании сочетания (не показанного) внутренней втулки и внешней втулки 52.

4. Вставки для щелей

Хотя снабженные щелями секции эффективны при полностью открытых или неблокированных щелях 38, срок службы узла можно повысить путем предотвращения проникания пустой породы и текучих сред и эрозии щелей 38 и изолирующей втулки 52. Чтобы задержать пустую породу и текучие среды снаружи и обеспечить прохождение сигналов, щели 38 можно заполнить резиной, эпоксидной композицией со стекловолокном или другим подходящим наполнителем.

Вариант осуществления переводника 30 с конической щелью 38 показан на фиг.12а. Как показано на фиг.12b, щель 38 сужена таким образом, что наружное окно W₁ является более узким, чем внутреннее окно W₂. Клин 88 из изолирующего материала (например, из эпоксидной композиции со стекловолокном) введен внутрь конической щели 38. Клин 88 может быть закреплен в переводнике посредством резины. Слой резины окружает клин 88 и закрепляет его в переводнике 30. Кроме того, кольцевой слой резины может быть напрессован на внутреннюю и/или внешнюю поверхность переводника 30, чтобы уплотнить клин 88 в щели 38.

5. Конструкции фокусирующих экранов

Измерения ослабления поперечного электрического излучения простой рамочной антенны 12, прошедшего через одну щель 38 достаточных размеров, показали, что поперечное электрическое поле заметно ослабляется. Однако это ослабление можно уменьшить путем использования экрана вокруг антенны 12 для фокусировки электромагнитного поля в щель 38.

На фиг.13а показана антенна 12, состоящая из 25 витков провода на катушке диаметром 44,45 мм, установленная на металлическом спусковом инструменте 10 диаметром 25,4 мм, при этом она расположена с радиальным смещением от центра внутри отверстия переводника 30 с внутренним диаметром 90,17 мм и наружным диаметром 171,45 мм, напротив щели 38, и центрирована по вертикали относительно щели 38. Измеренное ослабление поперечного электрического поля в диапазоне частот от 25 кГц до 2 МГц было почти постоянным и составляло 16,5 дБ.

Как показано на фиг.13b, антенна 12 находится внутри тонкого экрана 102, образованного из металлической трубки со щелью 104 шириной 12,7 мм и длиной 152,4 мм, совмещенной со щелью 38 в переводнике 30 (не показанном); для этого случая были выполнены те же самые измерения. Антенна 12 была полностью окружена экраном 102, исключая открытую щель 104, и помещена внутрь переводника 30.

Ослабление для этого узла в том же самом переводнике 30 составляло 11,8 дБ, уменьшение ослабления примерно 5 дБ. На фиг.13b и 13с соответственно показано, как экран 102 влияет на магнитное и электрическое поля. Затухание, вносимое самим экраном 102, является минимальным.

На фиг.14 показан еще один вариант осуществления экранирующей конструкции изобретения. В этом варианте осуществления в центральное отверстие 32 переводника 30 введен цилиндрический элемент 106, который выполняет функцию фокусирующего экрана, окружая антенну 12, когда спусковой инструмент 10 находится в зацеплении внутри переводника 30.

На фиг.15 показан еще один вариант осуществления экранирующей конструкции изобретения. Оправка спускового инструмента 10 имеет образованный механической обработкой карман или полость 108. Рамочная антенна 12, намотанная на катушке 110, изготовленной из диэлектрического материала, установлена внутри полости 108. Диэлектрическую катушку можно заменить ферритовым стержнем. При такой конфигурации само тело спускового инструмента 10 служит фокусирующим экраном. Гидравлическая целостность спускового инструмента 10 поддерживается путем покрытия антенны 12 эпоксидной композицией со стекловолокном, резиной или иным подходящим материалом. Ослабление излучения рамочной антенны 12, имеющей 200 витков на катушке диаметром 22,225 мм, измерялось для этого узла, установленного описанным выше образом в тот же самый переводник 30. Измеренное затухание составляло только примерно 7 дБ. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что в полости 108 спускового инструмента 10 можно разместить источники и датчики других типов.

6. Компоновки спускового инструмента/переводника

На фиг.16 показан еще один вариант осуществления изобретения. Переводник 30 изобретения соединен с другим трубчатым элементом 111, образующим секцию бурильной колонны. Спусковой инструмент 10 включает антенну 12, хвостовик 14 на нижнем конце и ловильную головку 16 на верхнем конце. Хвостовик 14 размещен в спусковом башмаке 42 в переводнике 30, который используется для совмещения антенны 12 со снабженной щелями секцией 36. Как и раньше, спусковой инструмент 10 содержит различную электронику, аккумуляторные батареи, скважинный процессор, генератор частоты, порт вывода и считывания, запоминающее устройство и т.д. (не показанные) в герметичном корпусе. Кроме того, спусковой инструмент 10 может содержать источники и датчики различных типов, известные из области техники, к которой относится изобретение.

6.1. Спусковой инструмент с модулятором

Спусковой инструмент, показанный на фиг.16, также снабжен модулятором 116 для передачи сигнала на поверхность. Как известно из области техники, к которой относится изобретение, пригодный к использованию модулятор 116 состоит из поворотного клапана, который работает при непрерывной продольной волне давления в столбе бурового раствора. Путем изменения фазы сигнала (частотной модуляции) и последующего обнаружения этих изменений можно передавать сигнал между поверхностью и спусковым инструментом 10. В такой компоновке спусковой инструмент 10 можно направлять по бурильной колонне для получения данных измерений (например, удельного электрического сопротивления или уровня гамма-излучения), относящихся к характеристикам формации, и для передачи таких данных на поверхность в реальном времени. В качестве альтернативы все или некоторые данные измерений могут быть сохранены в запоминающем устройстве спускового инструмента 10, находящегося в скважине, для последующей выборки. Кроме того, модулятор 116 можно использовать для проверки правильного расположения спускового инструмента 10 в переводнике 30 и контроля процесса измерений. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что узел модулятора 116 можно включить во все варианты осуществления спускового инструмента/переводника согласно изобретению.

На фиг.17 показан еще один вариант осуществления изобретения. Переводники 30 и спусковые инструменты 10 согласно изобретению можно использовать для передачи данных и/или инструкций между поверхностью и отдаленным инструментом 112, расположенным на протяжении бурильной колонны. С целью иллюстрации инструмент 112 показан с коробкой 113 буровой коронки в нижней части ведущего вала 114. Ведущий вал 114 соединен с двигателем 115 буровой установки через посредство внутренней передачи (не показанной) и подшипниковой секции 117. Кроме того, инструмент 112 имеет антенну 12, установленную на коробке 113 буровой коронки. Двигатель 115 вращает вал 114, который вращает коробку 113 долота, поэтому во время бурения антенна 12 вращается.

В компоновке на фиг.17 спусковой инструмент 10 может быть зацеплен внутри переводника 30 на поверхности или отправлен по бурильной колонне, когда переводник 30 находится в скважине в нужном месте. После зацепления может быть организована линия радиосвязи между антенной 12 спускового инструмента 10 и антенной 12 в инструменте 112, при этом сигнал проходит через снабженную щелями секцию 36. Таким способом может быть установлена в реальном времени радиосвязь между поверхностью и скважинным инструментом 112. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что датчики и/или передающие и принимающие сигналы устройства других типов можно устанавливать на отдаленные инструменты 112 различных типов для связи с соответствующими устройствами, установленными на спусковом инструменте 10.

6.2. Обнаружение ядерного магнитного резонанса

Известно, что, когда совокупность магнитных моментов, например ядер водорода, подвергается воздействию статического магнитного поля, существует тенденция ориентации их по направлению магнитного поля, что приводит к намагничиванию объема. Путем измерения времени, необходимого для перегруппировки спиновых осей ядер водорода, осуществляют быструю неразрушающую оценку пористости, характеристик подвижной текучей среды и проницаемости земных формаций. См.: Timur A., Pulsed nuclear magnetic resonance studies of porosity, movable fluid, and permeability of sandstones; Journal of Petroleum Technology, June 1969, p.775. В патенте США №4717876 описан скважинный каротажный прибор на основе ядерного магнитного резонанса, в котором использованы эти способы.

Определить пористость формации по данным магнитного резонанса можно с помощью немагнитного переводника 30, показанного на фиг.18. Переводник 30 может быть изготовлен из обычной высокопрочной немагнитной стали, используемой в промышленности. Как описано выше, спусковой инструмент 10 содержит электронику, аккумуляторные батареи, центральный процессор, запоминающее устройство и т.д. Противолежащие постоянные магниты 118, размещенные в спусковом инструменте 10, создают магнитное поле. Высокочастотная катушка 120 индуктивности установлена между магнитами 118 для формирования магнитного поля в той же самой области с целью возбуждения ядер в окрестности формации. Конструкция высокочастотной катушки 120 индуктивности аналогична конструкции антенны 12, описанной выше в виде многовитковой рамочной антенны с центральной трубкой для намотки провода и повышения механической прочности. Предпочтительно, постоянные магниты 118 и высокочастотная катушка 120 индуктивности размещены в немагнитной части переводника 30, которая имеет осевые щели 38 с барьером для давления (не показанным) согласно изобретению.

В случае немагнитного переводника 30 статическое магнитное поле В₀ постоянных магнитов 118 проникает в окружающую формацию и возбуждает ядра в окружающей формации. Катушка 120 индуктивности в спусковом инструменте 10 создает высокочастотное магнитное поле B₁, которое перпендикулярно к В ₀ с наружной стороны переводника 30. Высокочастотная катушка 120 индуктивности находится в совмещении с осевой щелью (щелями) 38 переводника 30.

Измерение магнитного резонанса в продолжение спускоподъемного цикла может быть более сложным по сравнению с измерениями распространяющегося удельного электрического сопротивления из-за различных факторов, включая по своей природе меньшее отношение сигнала к шуму, коэффициенты формы постоянных магнитов, эффективность высокочастотной катушки индуктивности, настройку высокодобротной антенны, высокую потребность в электроэнергии и меньшую скорость каротажа.

6.3. Измерение гамма-излучения

Известно, что измерения прохождения гамма-излучения через формацию можно использовать для определения ее характеристики, такой, как плотность. Взаимодействие гамма-излучения при комптоновском рассеянии зависит только от плотности частиц рассеивающих электронов. В свою очередь, она пропорциональна объемной плотности формации. В известных каротажных приборах используются детекторы и источник гамма-излучения, а основным видом взаимодействия является комптоновское рассеяние (см. патент США №5250806, переуступленный настоящему правопреемнику). Кроме того, измерения характеристик формации на основе гамма-излучения реализованы в технологии каротажа в процессе спускоподъемного цикла (см. Logging while tripping cuts time to run gamma rays. Oil & Gas Journal, June 1996, pp.65-66). Настоящее изобретение может быть использовано для осуществления измерений на основе гамма-излучения, известных из области техники, к которой относится изобретение, при этом оно обеспечивает получение преимуществ по сравнению с известными способами осуществления.

Переводник 30 изобретения имеет конструктивную целостность, необходимую для выполнения бурильных работ, а также обеспечивает канал низкой плотности для прохождения гамма-излучения. На фиг.4b эта компоновка показана для иллюстрации осуществления согласно изобретению измерений на основе гамма-излучения. В этом варианте осуществления спусковой инструмент 10 снабжен источником гамма-излучения и детекторами гамма-излучения (не показанными), известными в области техники, к которой относится изобретение, и описанными в патенте США №5250806. Антенны 12 на фиг.4b должны быть заменены источником гамма-излучения и детекторами гамма-излучения (не показаны).

При измерениях этого вида обычно используют два детектора гамма-излучения. Как принято в области техники, к которой относится изобретение, детекторы гамма-излучения размещены на спусковом инструменте 10 на соответствующих расстояниях от источника. Снабженные щелями секции 36 также размещены соответствующим образом для согласования с положениями источника и детекторов спускового инструмента 10. При измерениях может потребоваться калибровка для учета лучей, распространяющихся вдоль внутренней поверхности переводника 30. Как известно из области техники, к которой относится изобретение, детекторы гамма-излучения также можно соответствующим образом разместить внутри спускового инструмента 10, чтобы экранировать их от прямого излучения источника.

На фиг.14 для иллюстрации показана компоновка еще одного варианта осуществления изобретения с использованием гамма-излучения. В случае спускового инструмента 10, снабженного описанным узлом для измерений гамма-излучения и эксцентричного по отношению к щелям 38, в этой компоновке будут более эффективно захватываться рассеянное гамма-излучение и снижаться потери передачи.

6.4. Измерение удельного электрического сопротивления

Изобретение можно использовать для измерения удельного электрического сопротивления формации, используя основанные на распространении электромагнитных волн способы, известные из области техники, к которой относится изобретение, включая описанные в патентах США №№5594343 и 4899112 (оба переуступлены настоящему правопреемнику). На фиг.19а и 19b показаны две компоновки спускового инструмента 10/переводника 30 согласно изобретению. Пара центрально расположенных приемных антенн R_x использована для измерения фазового сдвига и затухания электромагнитных волн. Для определения удельного электрического сопротивления по фазовому сдвигу и удельного электрического сопротивления по затуханию можно использовать таблицы соответствия. Передающие антенны Т_х размещены выше и ниже приемных антенн R_x, либо в компоновке, показанной на фиг.19а, где имеются две симметрично расположенные передающие антенны Т_х, либо в компоновке, показанной на фиг.19b, где имеются несколько передающих антенн Т_х выше и ниже приемных антенн R_x. Компоновку из фиг.19а можно использовать для осуществления скважинных измерений удельного электрического сопротивления по фазовому сдвигу и затуханию с компенсацией параметров скважины, тогда как несколько разнесенных антенн Т_х из фиг.19b позволяют осуществлять скважинные измерения фазового сдвига и затухания с компенсацией параметров скважины на различных глубинах исследования. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что иные компоновки источников и датчиков и алгоритмы или модели можно использовать для исследования формации и определения характеристик формации.

7. Индуктивно связанные спусковой инструмент и переводник

На фиг.20 показаны другие варианты осуществления переводника 30 и спускового инструмента 10 согласно изобретению. Переводник 30 содержит одну или несколько интегральных антенн 12 для передачи и/или приема электромагнитной энергии, размещенных на внешней поверхности удлиненного тела. Как описано выше, антенны 12 помещены в эпоксидную композицию со стекловолокном с напрессованной поверх резиной. Кроме того, переводник 30 имеет один или несколько индуктивных элементов 122 связи, распределенных по трубчатой стенке.

Спусковой инструмент 10 имеет герметичный корпус небольшого диаметра, такой, как описан выше, который содержит электронику, аккумуляторные батареи, скважинный процессор, генератор частоты, порт вывода и считывания, записывающее запоминающее устройство и т.д., а также один или несколько индуктивных элементов 122 связи, расположенных вдоль его тела.

Как показано на фиг.21, спусковой инструмент 10 внутри переводника 30 смещен от центра так, что индуктивный элемент (элементы) 122 связи в спусковом инструменте 10 и индуктивный элемент (элементы) 122 связи в переводнике 30 находятся в непосредственной близости. Как известно из области техники, к которой относится изобретение, элементы 122 связи состоят из обмоток, образованных вокруг ферритовых сердечников. Вводы 124 соединяют провода антенны 12 с индуктивным элементом 122 связи, расположенным в небольшом углублении 126 в переводнике 30. Металлический экран 128 с вертикальными щелями покрывает каждую антенну 12 для защиты ее от механического повреждения и, как ранее описывалось, обеспечивает необходимую электромагнитную фильтрацию. Правильное размещение спускового инструмента 10 внутри переводника 30 повышает эффективность индуктивной связи. Чтобы сместить спусковой инструмент 10 внутри переводника 30 от центра, позиционирование осуществляют с использованием хвостовика и спускового башмака (фиг.4а). Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что другие смещенные от центра устройства можно использовать для реализации изобретения.

Как показано на фиг.22а, индуктивные элементы 122 связи имеют U-образные сердечники, изготовленные из феррита. Ферритовый сердечник и обмотки заключены в эпоксидную композицию со стекловолокном, поверх которой напрессована резина 131, и установлены в корпусе 130 элемента связи, изготовленном из металла. Корпус 130 элемента связи может быть изготовлен из нержавеющей стали или из немагнитного металла. Обычные уплотнительные кольца 132, расположенные вокруг корпуса 130 индуктивного элемента связи, обеспечивают гидравлическое уплотнение. Индуктивные элементы 122 связи в спусковом инструменте 10 также могут быть заключены в эпоксидную композицию со стекловолокном и напрессованной поверх ее резиной 131. Кроме того, тонкий цилиндрический экран (не показаны), изготовленный из полиэфирэфиркетона или полиэфиркетона, может быть размещен на внешней поверхности переводника 30 для защиты и безопасности корпуса 130 элемента связи.

При работе будет иметься зазор между индуктивными элементами 122 связи в спусковом инструменте 10 и в переводнике 30, так что эффективность связи не достигнет 100%. Для повышения эффективности связи и уменьшения эффектов рассогласования полюсов желательно, что площадь поверхности полюсов была возможно большей.

На фиг.22b показана щель 38 в переводнике 30 длиной 92,25 мм и шириной 25,4 мм. Поверхность полюса для этого индуктивного элемента 122 связи имеет длину 27,94 мм и ширину 19,05 мм, обеспечивающие площадь перекрытия 532,257 мм². В этой компоновке поддерживается высокая эффективность связи и уменьшаются эффекты, обусловленные перемещением спускового инструмента 10 во время бурения или спускоподъемной операции, изменением зазора между индуктивными элементами 122 связи и изменениями углового положения спускового инструмента 10 относительно переводника 30. Другое преимущество длинной щели 38 заключается в том, что она обеспечивает пространство для герметичных вводов 124 в корпусе 130 индуктивного элемента связи.

Кроме того, при необходимости в этом корпусе 130 можно разместить элементы настройки антенны (конденсаторы). Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что для получения требуемой индуктивной связи в стенках переводника 30 могут быть образованы отверстия иных конфигураций, такие, как круговые отверстия, показанные на фиг.20.

Поскольку в большинстве случаев давление внутри переводника 30 будет на 6,89476-13,78952 МПа выше, чем с наружной стороны переводника 30, корпус 130 индуктивного элемента связи необходимо механически удерживать на своем месте. На фиг.23 показано, что экран 128 антенны можно использовать для удержания на месте корпуса 130 индуктивного элемента связи. Как описано выше, экран 128 имеет щели на протяжении антенны 12, но в других местах выполнен сплошным. Сплошная часть удерживает корпус 130 индуктивного элемента связи и воспринимает нагрузку в случае падения перепада давления. Кроме того, на внешнюю поверхность корпуса 130 индуктивного элемента связи можно поместить лапки (не показанные), чтобы удержать корпус от перемещения внутрь. На внутренней поверхности экрана 128 также можно нарезать резьбу, при этом витки резьбы будут входить в зацепление с сопряженными «зубцами» (не показанными) на переводнике 30.

На фиг.24 показана простая эквивалентная схема для варианта осуществления индуктивного элемента связи и передающей антенны согласно изобретению. На стороне спускового инструмента 10 ток равен I₁, а напряжение равно V₁. На стороне переводника 30 ток равен I₂, а напряжение равно V₂. Взаимная индуктивность равна М, а собственная индуктивность каждой половины равна L. При одинаковом числе витков в каждой половине этот индуктивный элемент связи является симметричным. При направлении тока I ₂, указанном на фиг.24, напряжения и токи связаны соотношениями V₁=jLI ₁+jMI ₂ и V₂=jMI ₁+jLI ₂. Импеданс антенны является в основном индуктивным (L_A) с небольшой резистивной частью (R_A ), при этом z_a=r_a+JL _A. Обычно индуктивный импеданс равен примерно 100 Ом, тогда как резистивный импеданс равен примерно 10 Ом. Для устранения индуктивности антенны можно использовать настроечный конденсатор (С), создающий на стороне спускового инструмента импеданс Z₂=R_A+jL _A-j/c˜R _A. Отношение тока, подводимого к антенне, к току, возбуждающему индуктивный элемент связи, I₂/I ₁=-jM/(jL+R _A+jL _A-j/C). Индуктивный элемент связи имеет много витков и сердечник с высокой магнитной проницаемостью, так что L>L_A и L>>R _A. С хорошим приближением I₂/I₁ =˜-M/L (знак относится к направлению протекания тока на фиг.24).

8. Осуществления изобретения

Как описано выше, спусковой инструмент 10 может быть снабжен средствами для хранения данных, например, обычным запоминающим устройством и другими средствами, хорошо известными в области техники, к которой относится изобретение, или теми, которые могут быть разработаны впоследствии. Эти средства для хранения можно использовать для передачи данных и/или инструкций между поверхностью и скважинным спусковым инструментом 10. Данные принятых сигналов могут храниться в средстве для хранения, находящемся в скважине, и впоследствии считываться, когда спусковой инструмент 10 возвращают на поверхность. Как известно в области техники, к которой относится изобретение, в компьютере (или в другом регистрирующем средстве) на поверхности хранятся данные отслеживания времени в зависимости от положения переводника в скважине, так что можно осуществлять сопоставление запомненных данных с местоположением переводника в скважине. В качестве альтернативы, как известно из уровня техники, к которому относится изобретение, данные и/или инструкции можно передавать в реальном времени между поверхностью и спусковым инструментом 10, используя способ телеметрической передачи данных каротажа/измерений во время бурения.

На фиг.25 показана схема последовательности стадий способа 300 для передачи и/или приема сигналов через земную формацию в соответствии с изобретением. Способ содержит следующие стадии: бурение 305 скважины сквозь земную формацию бурильной колонной, содержащей переводник, имеющий удлиненное тело с трубчатыми стенками и, по меньшей мере, одну секцию, имеющую, по меньшей мере, одну щель, выполненную в ней и полностью проходящую через трубчатую стенку для образования непрерывного канала, необходимого для прохождения электромагнитной энергии, зацепление 310 внутри переводника спускового инструмента, выполненного со средством для передачи сигналов и/или приема сигналов, размещение 315 спускового инструмента внутри переводника таким образом, чтобы, по меньшей мере, одно средство для передачи или приема сигналов совмещалось с, по меньшей мере, одной снабженной щелями секцией в переводнике, и передача или прием 320 сигналов через формацию соответственно с помощью средства для передачи или приема.

На фиг.26 показана схема последовательности стадий способа 400 для измерения характеристики земной формации, окружающей скважину, в соответствии с изобретением. Способ содержит следующие стадии: использование 405 скважинного инструмента с, по меньшей мере, одним средством для передачи сигналов и с, по меньшей мере, одним средством для приема сигналов, использование 410 скважинного инструмента с концевым средством, способным принимать ловильную головку или кабельное соединение, с помощью ловильной головки на инструменте зацепление 415 инструмента внутри бурильной колонны для измерения характеристики формации с использованием средства для передачи и приема, по мере прохождения бурильной колонной скважины, с помощью кабельного соединения на инструменте присоединение кабеля к инструменту и подвешивание 420 инструмента внутри скважины для измерения характеристики формации с использованием средства для передачи и приема.

Способ 400, показанный на фиг.26, может быть реализован посредством спускового инструмента 10 и переводников 30 согласно изобретению. Спусковой инструмент может быть выполнен с концевым сегментом или крышкой (не показанными) для размещения ранее описанной ловильной головки или кабельного соединения. Совместно с ловильной головкой, присоединенной к спусковому инструменту, инструмент можно использовать согласно раскрытым вариантам реализации. Совместно с кабельным соединением спусковой инструмент можно использовать как инструмент, спускаемый в скважину на заданную глубину на тросе.

Должно быть понятно, что нижеследующие способы для уплотнения отверстия или щели в поверхности трубчатого элемента основаны на раскрытых барьерах для давления и вставках для щелей согласно изобретению.

На фиг.27 показана схема последовательности стадий способа 500 для уплотнения отверстия в поверхности трубчатого элемента, имеющего удлиненное тело с трубчатыми стенками и центральным отверстием. Способ содержит следующие стадии: размещение 505 в отверстии вставки, имеющей форму отверстия, и нанесение 510 связующего материала на вставку и/или в отверстие для зацепления вставки в отверстии.

На фиг.28 показана схема последовательности стадий способа 600 для уплотнения сквозного отверстия в поверхности трубчатого элемента, имеющего удлиненное тело с трубчатыми стенками и центральным отверстием. Способ содержит следующие стадии: размещение 605 в отверстии вставки, имеющей форму отверстия, и размещение 610 стопорного средства в трубчатом элементе для поддержания вставки напротив отверстия.

Хотя способы и устройства данного изобретения были описаны как конкретные варианты осуществления, специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что без отступления от идеи и объема изобретения в конструкции и в стадии или в последовательность стадий способов, описанных в настоящей заявке, могут быть внесены изменения. Например, изобретение можно реализовать в компоновке, в которой один узел спускового инструмента/ переводника снабжен средствами для измерения набора характеристик формации, включая удельное электрическое сопротивление, пористость и плотность. Специалистам в области техники, к которой относится изобретения, понятно, что все такие подобные изменения считаются находящимися в рамках идеи и объема изобретения, определенными приложенной формулой изобретения.