устройство для подавления влияний скважины, вызванных наклонным или поперечным магнитным диполем (варианты), устройство, предназначенное для размещения на кабеле, и способ изменения потока осевого электрического тока (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для использования в скважине, проходящей через пласт, отличающееся тем, что содержит удлиненную непроводящую опору, имеющую продольную ось и, по меньшей мере, один проводящий сегмент (16), расположенный на опоре, по меньшей мере, одну антенну, расположенную на опоре таким образом, что магнитный дипольный момент антенны наклонен или перпендикулярен относительно продольной оси опоры, причем проводящий сегмент имеет внешнюю поверхность, расположенную вокруг опоры, при этом внешняя поверхность простирается в осевом и поперечных направлениях, перекрывая упомянутую, по меньшей мере, одну антенну, так что упомянутая внешняя поверхность окружает антенну, и каждая, по меньшей мере, одна антенна выполнена с возможностью передачи и/или приема электромагнитной энергии.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проводящий сегмент (16) содержит металлическую трубку, соосно расположенную на внешней окружности опоры, и по меньшей мере одна антенна электрически изолирована от него.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опора содержит множество независимых проводящих сегментов, расположенных на ней.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что опора содержит два независимых проводящих сегмента, причем каждый проводящий сегмент расположен в непосредственной близости от антенны, причем упомянутые антенны расположены на опоре таким образом, что магнитные дипольные моменты антенн наклонены или перпендикулярны относительно продольной оси опоры.

5. Устройство для использования в скважине, проходящей через пласт, содержащее удлиненную опору, имеющую продольную ось, по меньшей мере, одну антенну, расположенную на опоре таким образом, что магнитный дипольный момент антенны наклонен или перпендикулярен относительно продольной оси опоры, причем каждая, по меньшей мере, одна антенна выполнена с возможностью передачи и/или приема электромагнитной энергии, отличающееся тем, что содержит первую пару электродов (М, М'), расположенных на опоре и выполненных с возможностью обеспечения измерения между ними величины индуцированного электрического поля в скважине, причем первая пара электродов расположена таким образом, что по меньшей мере одна антенна находится между электродами, вторую пару электродов (А, А'), расположенных на опоре и выполненных с возможностью обеспечения протекания тока между ними, причем вторая пара электродов расположена таким образом, что первая пара электродов находится между второй парой электродов.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что опора выполнена непроводящей вблизи, по меньшей мере, одной антенны, расположенной таким образом, что ее магнитный дипольный момент наклонен или перпендикулярен относительно продольной оси опоры.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что первая пара электродов выполнена с возможностью обеспечения измеряемой разности напряжений между электродами, когда антенна, расположенная в скважине, передает электромагнитную энергию, и электрод второй пары электродов выполнен с возможностью излучения тока в ответ на измеренную разность напряжений.

8. Способ изменения потока осевого электрического тока вдоль подземной скважины вблизи антенны, расположенной в данной скважине на непроводящей опоре, имеющей продольную ось и выполненной с возможностью размещения в скважине, причем антенна выполнена с возможностью передачи и/или приема электромагнитной энергии, отличающийся тем, что

a) устанавливают проводящий сегмент (16) на опоре таким образом, чтобы данный сегмент был обращен к скважине, когда опора размещена внутри скважины,

b) размещают антенну на опоре и проводящий сегмент в непосредственной близости от антенны для обеспечения пути для протекания осевого тока из скважины через проводящий сегмент в непосредственной близости от антенны, когда опора размещена внутри скважины, и таким образом, чтобы магнитный дипольный момент антенны был наклонен или перпендикулярен относительно продольной оси опоры.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что проводящий сегмент выполнен в виде металлической трубки, соосно расположенной на внешней окружности опоры.

10. Способ изменения потока осевого электрического тока вдоль подземной скважины вблизи антенны, расположенной внутри данной скважины таким образом, что магнитный дипольный момент антенны наклонен или перпендикулярен относительно оси скважины, причем антенна выполнена с возможностью передачи и/или приема электромагнитной энергии, отличающийся тем, что

(a) размещают первую пару электродов (М, М') внутри скважины таким образом, чтобы антенна находилась между электродами, причем первую пару электродов выполняют с возможностью измерения между ними величины индуцированного электрического поля, связанного с осевым током в скважине,

(b) размещают вторую пару электродов (А, А') внутри скважины таким образом, чтобы первая пара электродов находилась между второй парой электродов, причем вторую пару электродов выполняют с возможностью обеспечения тока между ними для обеспечения упомянутого измерения на этапе (а),

(c) измеряют величину индуцированного электрического поля, связанного с осевым электрическим током, на первой паре электродов, и

(d) осуществляют излучение тока внутри скважины в ответ на измерение, обеспечиваемое на этапе (с), причем излучение тока осуществляют между электродами второй пары электродов.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к методам уменьшения и/или коррекции влияний скважины, имеющих место при подземных измерениях. Более конкретно, изобретение относится к способам и устройствам для их осуществления, в которых каротажная аппаратура, содержащая источники или датчики с поперечным или наклонным магнитным диполем, выполнена с возможностью уменьшения или коррекции нежелательных электромагнитных влияний, связанных с эксплуатацией аппаратуры в скважине.

ОПИСАНИЕ ИЗВЕСТНОГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

В области разведки и добычи углеводородов известны различные методы геофизических исследований (каротажа) в скважинах. В этих методах обычно используются каротажные приборы или "зонды", снабженные источниками для излучения энергии в скважине, проходящей через подземный пласт. Излучаемая энергия взаимодействует с окружающим ее пластом, формируя сигналы, которые обнаруживаются и измеряются одним или несколькими датчиками на приборе. Обработав данные обнаруженных сигналов, получают профиль свойств пласта.

Известные методы электромагнитного (ЭМ) каротажа включают в себя "кабельный" каротаж и каротаж в процессе бурения (КПБ). При кабельном каротаже аппаратуру опускают в скважину на конце электрического кабеля и подземные измерения осуществляют по мере движения прибора по скважине. При КПБ прибор, расположенный в воротнике бура, присоединяют к буровому снаряду на время бурения скважины в подземных пластах.

В обычных приборах для кабельного каротажа и КПБ применяются антенны, которые могут работать как источники и/или датчики. При кабельном каротаже антенны обычно заключены в корпус, выполненный из твердого пластика, состоящего из слоистого стекловолокна, пропитанного эпоксидной смолой. При КПБ антенны обычно устанавливают на металлической опоре, чтобы они могли выдержать воздействие высоких температур и давления, имеющих место во время бурения. Обычные каротажные приборы также выполняют из термопластичных материалов. Термопластичные композитные структуры этих приборов обеспечивают непроводящую конструкцию для установки антенн. В патенте США №6084052 (переуступленном правопреемнику настоящей заявки) описаны варианты выполнения каротажных приборов из композитных материалов для использования при кабельном каротаже и КПБ.

Как при кабельном каротаже, так и КПБ антенны устанавливают на опорном элементе с осевым разносом друг от друга в направлении скважины. Эти антенны обычно представляют собой катушки в виде цилиндрического соленоида, которые содержат один или несколько витков изолированного провода, намотанного вокруг опоры. Например, в патентах США №№4873488 и 5235285 (переуступленных правопреемнику настоящей заявки) описаны приборы, снабженные антеннами, которые расположены вдоль центральной металлической опоры. В работе на передающую антенну подается переменный ток для излучения ЭМ энергии через скважинную жидкость (также именуемую далее как буровой раствор) и в пласт. Сигналы, обнаруженные на приемной антенне, обычно выражаются как комплексное число (комплексное напряжение) и отражают взаимодействие с буровым раствором и пластом.

Известен метод ЭМ каротажа, в котором подземные пласты исследуют путем получения каротажных диаграмм электрического сопротивления или проводимости посредством "фокусированных" измерений. В патенте США №3452269 (переуступленном правопреемнику настоящей заявки) описан прибор, предназначенный для осуществления таких фокусированных измерений. В способе, описанном в патенте '269, используется зондирующий ток, излучаемый основным электродом. Этот зондирующий ток вынужден протекать практически перпендикулярно оси скважины под действием фокусирующих токов, излучаемых соседними фокусирующими электродами. В патенте США №3305771 описан способ фокусирования с использованием прибора, снабженного тороидальными катушками. В патентах США №№3772589, 4087740, 4286217 (переуступленных правопреемнику настоящей заявки) описаны другие приборы электродного типа, используемые для подземных измерений.

В патенте США №5426368 (переуступленном правопреемнику настоящей заявки) описан способ каротажа с использованием группы токовых электродов, расположенных на опоре. В патенте '368 данная расстановка электродов используется для изучения геометрических характеристик скважины и свойств сопротивления пласта. В патентах США №№5235285 и 5339037 (переуступленных правопреемнику настоящей заявки) описаны металлические приборы, содержащие тороидальную катушку и систему электродов, для измерения сопротивления в процессе бурения. Способ измерения, описанный в патентах '285 и '037, заключается в индуцировании тока, который протекает по пути, включающему проводящий корпус опоры и пласт.

В патентах США №3388325 и 3329889 (переуступленных правопреемнику настоящей заявки) описаны устройства, содержащие компоновку из электрода и катушки, для осуществления подземных измерений. В патенте США №3760260 (переуступленном правопреемнику настоящей заявки) также описан скважинный прибор, содержащий электроды и катушки. В патенте '260 использована компоновка электрода, создающая радиальный поток тока в пласте, окружающем скважину. В патенте США №4511843 (переуступленном правопреемнику настоящей заявки) описан способ осуществления каротажа, в котором с электродов излучаются токи для обнуления разности потенциалов между другими электродами на приборе. В патенте США №4538109 (переуступленном правопреемнику настоящей заявки) описан способ осуществления каротажа, в основу которого положена задача коррекции или подавления влияния паразитных ЭМ составляющих на сигналы измерений в скважине.

Катушку, несущую ток, можно представить как магнитный диполь, магнитный момент которого пропорционален току и площади. Направление и силу магнитного момента можно представить вектором, перпендикулярным плоскости катушки. В обычных каротажных приборах, построенных на принципе индукции и распространения, передающая и приемная антенны установлены так, что их оси проходят вдоль продольной оси устройства. Следовательно, эти приборы реализуются с антеннами, имеющими продольные магнитные диполи (ПМД). Когда такую антенну помещают в скважину и подают на нее ток для передачи ЭМ энергии, токи протекают вокруг антенны в скважину и в окружающий пласт. При этом нет потока полного тока вверх или вниз по скважине.

В области каротажа скважин получил развитие метод с использованием приборов, содержащих антенны с наклонными или поперечными катушками, т.е. когда ось катушки не параллельна оси опоры. Эти приборы применяются с антеннами, имеющими поперечный или наклонный магнитный диполь (НМД). Такие конфигурации НМД необходимы для того, чтобы обеспечить ЭМ измерения с направленной чувствительностью и чувствительностью к анизотропным свойствам сопротивления пласта. Каротажные приборы с НМД описаны в патентах США №№4319191, 5508616, 5757191, 5781436, 6044325, 6147496, WO 00/50926, а также в работе V.F. Mechetin et al., TEMP - A New Dual Electromagnetic and Laterolog Apparatus-Technological Complex, THIRTEENTH EUROPEAN FORMATION EVALUATION SYMPOSIUM TRANSACTIONS, Budapest Chapter, paper K, 1990.

Самым проблематичным свойством НМД является чрезмерно большое влияние скважины, которое имеет место в сильно контрастных ситуациях, т.е. когда буровой раствор в скважине имеет гораздо более высокую проводимость, чем пласт. Когда НМД находится в центре скважины, по оси скважины не протекает полный ток. При смещении НМД от центра в направлении, параллельном направлению магнитного момента, симметрия ситуации также не позволяет полному току протекать по оси скважины. Однако, если НМД сместить от центра в направлении, перпендикулярном направлению магнитного момента, в скважине индуцируются осевые токи. В сильно контрастных ситуациях эти токи могут протекать на очень большое расстояние вдоль скважины. Когда эти токи проходят через НМД приемники, они могут вызывать нежелательные сигналы, во много раз превосходящие те сигналы, которые бы возникли в однородном пласте без скважины.

В патенте США №5041975 (переуступленном правопреемнику настоящей заявки) описан способ обработки данных сигнала измерений в скважине для коррекции влияния скважины. В патенте США №5058077 описан способ обработки данных скважинного датчика для компенсации влияния внецентрового поворота на датчик во время бурения. Однако ни один из этих патентов не касается свойств или влияний НМД в подземных измерениях.

Таким образом, существует потребность в усовершенствованных способах и устройствах для уменьшения или коррекции этих токов при использовании каротажных приборов с НМД.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно изобретению предложено устройство для использования в скважине, проходящей через пласт, содержащее удлиненную опору, имеющую продольную ось, по меньшей мере одну антену, расположенную на опоре таким образом, что магнитный дипольный момент антенны наклонен или перпендикулярен относительно продольной оси опоры, при этом каждая по меньшей мере одна антенна выполнена с возможностью передачи и/или приема электромагнитной энергии, первый электрод, расположенный на опоре, и второй электрод, расположенный на опоре, причем второй электрод расположен таким образом, что по меньшей мере одна антенна находится между первым и вторым электродом, при этом первый электрод подключен ко второму электроду для создания пути для тока между электродами.

Согласно изобретению предложено устройство для использования в скважине, проходящей через пласт, содержащее удлиненную непроводящую опору, имеющую продольную ось и по меньшей мере один проводящий сегмент, расположенный на ней, по меньшей мере одну антенну, расположенную на опоре таким образом, что магнитный дипольный момент антенны наклонен или перпендикулярен относительно продольной оси опоры, при этом по меньшей мере одна антенна расположена вдоль проводящего сегмента на опоре, и каждая по меньшей мере одна антенна выполнена с возможностью передачи и/или приема электромагнитной энергии.

Согласно изобретению предложено устройство для использования в скважине, проходящей через пласт, содержащее удлиненную опору, имеющую продольную ось, по меньшей мере одну антенну, расположенную на опоре таким образом, что магнитный дипольный момент антенны наклонен или перпендикулярен относительно продольной оси опоры, при этом каждая по меньшей мере одна антенна выполнена с возможностью передачи и/или приема электромагнитной энергии, первую пару электродов, расположенных на опоре и выполненных с возможностью совместного электромагнитного взаимодействия, причем первая пара электродов расположена таким образом, что по меньшей мере одна антенна находится между электродами, вторую пару электродов, расположенных на опоре и выполненных с возможностью совместного электромагнитного взаимодействия, причем вторая пара электродов расположена таким образом, что первая пара электродов находится между второй парой электродов.

Согласно изобретению предложено устройство, предназначенное для размещения на кабеле в скважине, проходящей через пласт, содержащее удлиненный проводящий металлический корпус, имеющий продольную ось, и по меньшей мере одну антенну, расположенную на корпусе таким образом, что магнитный дипольный момент антенны наклонен или перпендикулярен относительно продольной оси корпуса, экран, расположенный на корпусе для покрытия по меньшей мере одной антенны, и выполненный таким образом, что через него либо не проходят потоки тока, либо проходит азимутально симметричный поток тока, причем каждая по меньшей мере одна антенна выполнена с возможностью передачи и/или приема электромагнитной энергии для электромагнитной разведки пласта.

Согласно изобретению предложен способ изменения потока осевого электрического тока вдоль подземной скважины вблизи антенны, расположенной в скважине таким образом, что ее магнитный дипольный момент наклонен или перпендикулярен относительно оси скважины, причем антенна выполнена с возможностью передачи и/или приема электромагнитной энергии. Способ заключается в том, что обеспечивают первый электрод в скважине, обеспечивают второй электрод в скважине, причем второй электрод располагают таким образом, чтобы антенна находилась между первым и вторым электродами, и соединяют первый и второй электроды с проводником для создания пути протекания осевого тока через антенну между электродами.

Согласно изобретению предложен способ изменения потока осевого электрического тока вдоль подземной скважины вблизи антенны, расположенной в скважине на непроводящей опоре, имеющей продольную ось и предназначенной для размещения в скважине, причем антенна выполнена с возможностью передачи и/или приема электромагнитной энергии. Способ заключается в том, что устанавливают проводящий сегмент на опоре таким образом, чтобы он был обращен к скважине, когда опора размещена внутри скважины, располагают антенну вдоль проводящего сегмента для создания пути протекания осевого тока через антенну, когда опора находится внутри скважины, и располагают антенну вдоль проводящего сегмента таким образом, чтобы магнитный дипольный момент антенны был наклонен или перпендикулярен относительно продольной оси опоры.

Согласно изобретению предложен способ изменения потока осевого электрического тока вдоль подземной скважины вблизи антенны, расположенной внутри скважины таким образом, что магнитный дипольный момент антенны наклонен или перпендикулярен относительно оси скважины, причем антенна выполнена с возможностью передачи и/или приема электромагнитной энергии. Способ заключается в том, что (а) размещают первую пару электродов внутри скважины таким образом, чтобы антенна находилась между электродами, причем первая пара электродов выполнена с возможностью совместного электромагнитного взаимодействия, (b) размещают вторую пару электродов внутри скважины таким образом, чтобы первая пара электродов находилась между второй парой электродов, причем вторая пара электродов выполнена с возможностью совместного электромагнитного взаимодействия, (с) измеряют электромагнитное свойство, связанное с осевым электрическим током на первой или второй паре электродов, и (a) излучают ток внутри скважины в зависимости от электромагнитного свойства, измеренного на этапе (с), причем ток излучают между первой парой электродов, если в измерении на этапе (с) использовалась вторая пара электродов, или между второй парой электродов, если в измерении на этапе (с) использовалась первая пара электродов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты и преимущества изобретения станут понятны из следующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает наклонный или поперечный магнитный диполь, смещенный от центра параллельно и перпендикулярно внутри скважины,

фиг.2 изображает схематический вид прибора с групповым выполнением электродов согласно изобретению,

фиг.3 изображает схематический вид прибора с кольцевым выполнением электрода согласно изобретению,

фиг.4 изображает схематический вид прибора с проводящим сегментом, расположенным на непроводящей опоре, согласно изобретению,

фиг.5 изображает схематически пути тока, имеющие место при проводящем цельнометаллическом приборе с перпендикулярно смещенным от центра, наклонным или поперечным магнитным диполем согласно изобретению,

фиг.6 изображает схематический вид прибора с множеством пар электродов, расставленных вокруг антенны согласно изобретению,

фиг.7 изображает алгоритм осуществления одного варианта способа согласно изобретению,

фиг.8 изображает схематический вид потока индуцированного осевого тока, имеющего места в скважине при использовании непроводящего прибора с перпендикулярно смещенным от центра, наклонным или поперечным магнитным диполем,

фиг.9 иллюстрирует ток, введенный в скважину из прибора, содержащего пару электродов над источником согласно изобретению,

фиг.10 изображает схематически поток осевого тока относительно прибора, содержащего пары электродов над датчиком согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Прежде чем приступить к раскрытию изобретения, будут представлены его некоторые теоретические аспекты.

НМД можно сместить от центра скважины в двух возможных ориентациях, которые будут в дальнейшем называться параллельным и перпендикулярным смещением от центра, как показано на фиг.1. Параллельное смещение от центра вынуждает токи протекать симметрично вверх и вниз скважины и поэтому полный ток не образуется. При этом влияние скважины не хуже, чем в типичном скважинном приборе с ненаклонными (осевыми) антеннами. Перпендикулярное смещение от центра в случае изолированного корпуса прибора приводит к образованию большого осевого скважинного тока, который устойчиво поступает в поперечный приемник, удаленный на осевое расстояние (не показан). Эти два смещения являются крайними возможными смещениями. В общем случае смещение от центра будет иметь некоторое направление, т.е. будет находиться под некоторым углом к дипольному моменту датчиков. В таком случае влияние скважины лежит между двумя крайними случаями.

Важно понять основное различие между влиянием скважины обычного ПМД и влиянием скважины НМД. Если какой-либо тип источника поместить в однородную среду, токи будут протекать по путям, окружающим передатчик. При добавлении скважины эти пути тока искажаются. Эти токи индуцируют напряжение в приемной катушке, смещенной от передатчика. Данное напряжение является показателем сопротивления пласта. Если вместо однородной среды взять среду, содержащую скважину, то пути тока изменятся и, следовательно, принимаемое напряжение будет отличаться от того, которое было бы измерено в отсутствии скважины. Эту разность называют "влиянием скважины". Различие влияния скважины при ПМД и НМД обусловлено различием между искажением токов в присутствии скважины. При ПМД, центрированном или смещенном от центра в скважине, эти токи протекают по скважине в области, находящейся вблизи передатчика. Известно, что поле локализованного распределения тока можно представить в виде многополюсного разложения. Ведущий член (дипольный член) уменьшается как 1/r³, где r - радиальное расстояние в любом направлении от передатчика. Другие члены уменьшаются еще быстрее.

Аналогичная ситуация имеет место при НМД, смещенном от центра скважины в направлении вдоль направления дипольного момента (параллельно). Токи идут вверх по одной стороне скважины и вниз по другой стороне симметричным образом. Полный ток, который бы протекал в скважине мимо передатчика, отсутствует. Локализованный ток создает дипольное поле, как и в случае с ПМД. Если НМД сместить от центра в направлении, перпендикулярном направлению дипольного момента, то эти токи больше не будут симметричными, и по скважине мимо передатчика потечет полный ток.

Этот ток течет вверх по скважине и возвращается через пласт. Когда этот ток проходит через катушку приемника, в катушке индуцируется напряжение. Данный ток уменьшается, но не геометрически, по меньшей мере не так быстро как 1/r³, а экспоненциально как е^-(z/z0), где z₀ пропорционально . Если скважина имеет гораздо более высокую проводимость, чем пласт, спад этого тока будет очень медленным.

В случае ПМД или НМД, параллельно смещенного от центра, напряжение в приемнике обусловлено полями, возникающими в результате локализованного искажения распределения тока вблизи передатчика. В случае НМД, перпендикулярно смещенного от центра, напряжение обусловлено полем, возникшим под действием тока, протекающего в скважине непосредственно мимо приемника. Второй эффект гораздо сильнее, чем первый.

На фиг.2 показан один из вариантов осуществления изобретения. Каротажный прибор с непроводящим корпусом показан расположенным внутри скважины. Прибор снабжен поперечной (наклон оси 90°) передающей антенной Тх и поперечной приемной антенной Rx. Прибор также содержит пару электродов E₁ , Е₂, расположенных на противоположных концах передающей антенны Тх. Электроды E₁ , Е₂ могут быть выполнены в виде решетки из разнесенных по окружности азимутальных металлических электродов. На фиг.2 показана электродная система, представляющая собой группу из шестнадцати отдельных азимутальных металлических сегментов 10, установленных на изоляционном тороиде 12. Альтернативно, электроды E₁, Е₂ можно также выполнить в виде цельных металлических кольцевых электродов, показанных на фиг.3. Если используется кольцевая форма электродов, то предпочтительно оставить осевой зазор или отверстие по окружности электрода. Специалистам будет понятно, что можно использовать разные известные типы электродов для осуществления изобретения, например кнопочные электроды.

Электроды E ₁, E₂ замкнуты вместе накоротко с проводником (например, проводом, кабелем или металлической планкой) 14, который предпочтительно проходит через центр передающей антенны Тх. Если электроды E₁, Е ₂ выполнены в виде группы разнесенных по окружности азимутальных электродов, то все сегменты электрода E₁ замкнуты вместе накоротко и все сегменты электрода E ₂ замкнуты вместе накоротко, и E₁ замкнут с Е₂. Закорачивание электродов E₁ и закорачивание электродов Е ₂ предпочтительно реализуется с помощью проводов, проходящих радиально, чтобы исключить образование азимутальной токовой петли. При закорачивании электродов E₁, E ₂ над и под передатчиком Тх данная конфигурация обеспечивает отсутствие полного электрического поля вдоль скважины, а значит и потока полного тока. Проводник (проводники), соединяющий верхний и нижний электроды E₁, Е ₂, проходит через передатчик Тх и позволяет перекрыть токи, проходящие через скважину. Это приводит к локализованному распределению тока без осевых токов на большом расстоянии, которые бы в противном случае присутствовали в скважине. Такое локализованное распределение токов имеет, самое большее, дипольный момент, который спадает по меньшей мере со скоростью 1/L³, где L - расстояние между антеннами. Фактически, такая конфигурация закорачивает азимутально изменяющийся индуцированный осевой ток через передатчик Тх и образует локальный магнитный диполь, противодействующий НМД. Электроды E₁, Е₂ можно установить на приборе с помощью любых известных пригодных средств.

На фиг.4 показан другой вариант осуществления изобретения. При установке НМД над проводящим сегментом 16, расположенным вдоль непроводящего опорного элемента прибора, образуется локальное распределение индуцированного тока. Полученная при этом токовая петля состоит из скважины и проводящего сегмента 16. Проводящий сегмент 16 можно выполнить в виде металлической трубки или муфты, установленной на непроводящей опоре. Этот прибор может быть при необходимости оснащен множеством проводящих сегментов и антенн. Моделирование и эксперименты показывают что ток, проходящий по скважине и металлической части прибора, ограничен в осевом протяжении несколькими диаметрами скважин. Следовательно, проводящая секция имеет переменную длину, но предпочтительно превосходящую несколько диаметров наибольшей скважины, в которой может работать данный прибор.

Если проводящий сегмент 16 расположен соосно с антенной и в контакте со скважинной жидкостью, то осевой ток, индуцированный в скважине, возвратится через корпус прибора вблизи антенны вместо того, чтобы проходить на большое расстояние по скважине. Если проводящий сегмент 16 находится над приемной антенной, то осевой ток, который бы в противном случае протекал по скважине, вместо этого пройдет по проводящему сегменту 16. Следовательно, поток индуцированного осевого тока вдоль скважины минимизируется благодаря обеспечению альтернативного пути для тока вдоль корпуса прибора. В альтернативном варианте длина проводящего сегмента 16 достигает длины прибора (не показано), при этом проводящий сегмент по существу состоит из цельнометаллической муфты, размещенной вдоль опоры.

Обычные индукционные каротажные приборы, в частности, опускаемые в скважину на кабеле, содержат антенны в корпусах, выполненных из непроводящих материалов, таких как эпоксидная смола/ армированная стекловолокном. На фиг.5 показан другой вариант осуществления изобретения. Антенна НМД расположена на каротажном приборе 18, состоящем из цельнометаллического корпуса 20. Слой электроизоляционного материала (например, такого как рандаллит (Randallite), эпоксидная смола со стекловолокном или резина) помещен между антенной и корпусом 20. Прибор 18 также оснащен генератором сигналов, установленным внутри корпуса (не показан), для пропускания переменного тока через антенну. Рабочая частота генератора сигналов обычно составляет от 1 кГц до 5 МГц. Альтернативно, этот ток можно подавать в антенну по кабелю, как известно специалистам.

Как видно на фиг.5, когда прибор 18 смещен от центра в скважине, металлический корпус 20 открыт для скважинной жидкости, так что вдоль корпуса 20 создается локальное распределение индуцированного тока. На корпусе 20 также установлен экран 22 для защиты антенны НМД и пропускания определенных требуемых составляющих электромагнитной энергии. В патентах США №№4949045 и 4536714 (переуступленных правопреемнику настоящей заявки) описаны возможные варианты выполнения проводящего металлического экрана. Специалистам будет понятно, что с прибором 18 можно использовать и другие пригодные экраны. Например, экран может быть выполнен в форме полоски (не показан), также называемой гибкой схемой, для обеспечения гибкости и удобства монтажа.

Для эффективной работы антенны с НМД результирующий поток тока не должен индуцировать напряжение в антенне. Следовательно, если проводящий экран 22 размещен над антенной, так что ток течет через него, а не по скважинной жидкости, то в антенне будет индуцироваться нулевой ток, если ток в экране 22 азимутально симметричный. В противном случае, напряжение в приемной антенне может быть больше, чем оно было бы в случае протекания тока через буровой раствор. Требуемое осесимметричное распределение тока можно обеспечить, расположив проводящий материал между экраном 22 и корпусом 20 таким образом, чтобы образовалась азимутально равномерное соединение. Например, можно расположить проводящее металлическое кольцевое уплотнение на обоих концах экрана 22, чтобы не было разрывов между экраном 22 и корпусом 20 (не показано). В варианте, проиллюстрированном на фиг.4, проводящий сегмент 16 на непроводящей опоре перенаправляет индуцированный ток через проводник, центрированный через НМД, так что в НМД будет индуцировать нулевое напряжение в пределах механической точности расположения проводника.

Нулевой ток, индуцированный в антенне с НМД, можно также получить, изолировав проводящий экран 22 от металлического корпуса 20. Этого можно достичь посредством установления экрана 22 на корпусе 20 таким образом, чтобы один его конец был полностью изолирован (не показано). Для обеспечения требуемой изоляции можно расположить между экраном 22 и корпусом 20 рандаллит, эпоксидную смолу со стекловолокном, резину или любой пригодный непроводящий материал или соединение. Альтернативно, НМД можно уплотнить или герметизировать на корпусе 20 резиновой напрессовкой или любым подходящим непроводящим соединением, которое пропускает ЭМ энергию. Еще один вариант осуществления изобретения содержит экран 22, выполненный из изоляционного материала, чтобы позволить проходить ЭМ излучению. К пригодным материалам относится класс полиэфиркетонов, описанных в патентах США №№4320224 и 6084052 (переуступленных правопреемнику настоящей заявки), или другие пригодные смолы. Один вид такого материала под наименованием PEEK производит компания Victrex USA, Inc. of West Chester, PA. Компании Cytec Fiberite, Greene Tweed и BASF выпускают другие пригодные термопластические смолы. Еще одним пригодным изоляционным материалом является керамический материал на основе тетрагональной фазы диоксида циркония ("TZP"), выпускаемый компанией Coors Ceramics of Golden, Colorado.

На фиг.6 показан другой вариант осуществления изобретения. Каротажный прибор с непроводящим корпусом расположен в скважине. Этот прибор содержит поперечную передающую антенну Тх и поперечную приемную антенну Rx. Приемная антенна Rx расположена между парой измерительных электродов М, М', которые, в свою очередь, расположены между парой токовых электродов А, А'. Электроды М, М', А, А' могут быть выполнены в виде группы разнесенных по окружности металлических электродов или в виде кольцевого электрода, как было описано выше.

Один вариант осуществления изобретения включает способ, использующий принцип суперпозиции и цифрового фокусирования. Этот вариант проиллюстрирован в виде алгоритма на фиг.7. Данный способ может быть реализован с использованием прибора, изображенного на фиг.6. В данном способе на этапе 100 активизируется передающая антенна Тх, и на этапах 105, 110 получают сигнал напряжения (V _R1) на приемной антенне Rx, а также разность напряжений ( V_M1) на измерительных электродах М, М'. Затем на этапе 115 передающая антенна выключается, и на этапе 120 ток течет между токовыми электродами А, А'. На этапах 125, 130 снова измеряют напряжение на измерительных электродах ( V_м2) и сигнал напряжения (V _r2) на приемной антенне.

Затем на этапе 135 вычисляют возбуждение, необходимое для получения группы напряжений ( V_M1) на измерительных электродах М, М', а на этапе 140 вычисляют напряжение в приемной антенне Rx, вызванное этим возбуждением. Это напряжение затем вычитают на этапе 145 из действительно измеренного напряжения, чтобы получить сигнал, скорректированной с учетом скважины.

Математически данное уравнение имеет вид

Это напряжение должно быть равно напряжению, которое бы возникло на приемной антенне Rx, если бы в сильно контрастной ситуации отсутствовал продольный ток в скважине. Так как передающая антенна Тх работает с некоторой конечной частотой и все напряжения комплексные (они включают в себя амплитуду и фазовый сдвиг относительно тока передатчика или токов электродов), токи, выходящие из электродов А, А', имеют одинаковую частоту.

Предложенные устройства могут быть оснащены обычными электронными схемами включения источников и датчиков для получения требуемых измерений, как известно специалистам. Полученные данные можно сохранить в памяти и/или обрабатывать в скважине или передавать на поверхность в реальном времени по обычным известным телеметрическим системам.

На фиг.8 показан поток индуцированного осевого тока, имеющий место в скважине при использовании типичного непроводящего прибора с НМД, когда НМД перпендикулярно смещен от центра в проводящей скважине. На фиг.9 показан другой вариант воплощения изобретения. В данном варианте использован процесс обратной связи. Вариант на фиг.9 аналогичен варианту на фиг.6. Измерительные электроды М, М' выполнены с возможностью выборки и измерения азимутально изменяющейся величины индуцированного электрического поля. Затем в скважину вводится ток токовыми электродами А, А' для противодействия или подавления скважинного тока, измеренного измерительными электродами М, М'. Это значит, что ток разряжается из токовых электродов А, А' таким образом, чтобы обеспечить условие, при котором разность напряжения между М и М' равна нулю. То есть V=V_м-V_м' =0.

На фиг.10 проиллюстрирован еще один вариант воплощения изобретения. Вариант на фиг.10 подобен варианту на фиг.9, за исключением того, что электроды расположены над приемником с НМД на обычном непроводящем устройстве. При таком выполнении индуцированный ток течет вверх по скважине, входит в токовый электрод А', проходит по прибору вверх ко второму электроду А и продолжает путь вверх по скважине. В непосредственной близости от НМД в скважине нет потока тока. Измерительные электроды М и М' обеспечивают аналоговую обратную связь с токовыми электродами А, А' только для подавления влияния скважины. Следовательно, поток осевого тока вдоль скважины противодействует вводу другого тока, излучаемого внутри скважины.

Известно, что на сигналы, измеряемые с помощью индукционных частот, влияет прямая связь между передатчиком и приемником. Поэтому предложенные каротажные приборы могут также содержать так называемые "компенсационные" антенны для подавления или уменьшения таких эффектов связи. Специалистам также будет понятно, что благодаря принципу взаимности конфигурации электрода и/или проводящего сегмента согласно изобретению будут работать независимо от того, реализованы ли они над передатчиками или над приемниками на приборе. Можно также изменять расстояние между электродами и/или антеннами в направлении скважины для эффективной реализации изобретения. Кроме того, предложенные каротажные приборы могут быть построены по принципу "распространения", при котором можно измерять между парами приемников такие величины, как фазовый сдвиг или затухание.