способ измерения магнитного поля в зоне обсадной трубы, опущенной в скважину, и способ уменьшения его затухания (варианты)

Формула изобретения

1. Способ измерения магнитного поля внутри электропроводной обсадной трубы скважины, при котором электромагнитная энергия распространяется по обсадной трубе на частоте, превышающей примерно 1 Гц, причем способ включает в себя следующие этапы:

обеспечивают магнитный приемник, имеющий индуктивную катушку, состоящую из магнитно-проницаемого сердечника и основной обмотки, намотанной вокруг сердечника,

объединяют устройство обратной связи с магнитным приемником,

располагают магнитный приемник внутри обсадной трубы скважины, формируют электромагнитную энергию снаружи от упомянутой обсадной трубы и направляют указанную энергию с возможностью ее распространения по обсадной трубе на частоте, превышающей примерно 1 Гц, вследствие чего обеспечивается возможность измерения измеряемого суммарного магнитного поля внутри обсадной трубы в состоянии затухания из-за эффекта обсадной трубы, при этом эффект обсадной трубы возникает в результате взаимодействия между обсадной трубой и магнитно-проницаемым сердечником, и

обеспечивают функционирование приемника в режиме обратной связи для уменьшения эффекта обсадной трубы, возникающего в результате взаимодействия между обсадной трубой и сердечником, и для уменьшения затухания суммарного магнитного поля, вызываемого эффектом обсадной трубы, а также для осуществляемого на этой основе измерения измеряемого суммарного магнитного поля с уменьшенным затуханием внутри обсадной трубы.

2. Способ по п.1, в котором этап формирования электромагнитной энергии включает в себя формирование измеряемого суммарного магнитного поля внутри обсадной трубы, включающего в себя основное магнитное поле и дополнительное магнитное поле внутри сердечника, которое в основном противоположно основному полю, и при котором этап функционирования приемника включает в себя уменьшение, по меньшей мере, части суммарного магнитного поля и уменьшение тем самым затухания измеряемого суммарного магнитного поля.

3. Способ по п.2, в котором этап функционирования приемника включает в себя подавление, по меньшей мере, части суммарного магнитного поля путем подавления, по меньшей мере, части дополнительного магнитного поля.

4. Способ по п.2, в котором этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи через катушку приемника для формирования магнитного поля, которое в основном противоположно дополнительному магнитному полю, и уменьшение тем самым дополнительного магнитного поля.

5. Способ по п.4, при котором этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи в направлении обратной связи через основную обмотку.

6. Способ по п.4, при котором устройство обратной связи включает в себя дополнительную обмотку вокруг сердечника, а этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи в направлении обратной связи через катушку, образованную дополнительной обмоткой, намотанной вокруг сердечника.

7. Способ по п.2, в котором этап объединения устройства обратной связи включает в себя установку операционного усилителя, а способ дополнительно включает в себя этап, на котором осуществляют подсоединение основной обмотки со входом усилителя таким образом, что этап функционирования приемника включает в себя возбуждение выходного сигнала тока обратной связи усилителя через катушку приемника для формирования магнитного поля, которое в основном противоположно дополнительному магнитному полю.

8. Способ по п.7, в котором приемник включает в себя дополнительную обмотку вокруг сердечника, а этап возбуждения выходного сигнала тока обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи через дополнительную обмотку, вследствие чего фаза выходного сигнала обратной связи оказывается такой, что дополнительный магнитный поток сердечника, генерируемый дополнительной обмоткой, в основном противоположен основному магнитному потоку сердечника, генерируемому основным магнитным полем, тем самым, по существу, подавляя основной магнитный поток сердечника, существующий в сердечнике.

9. Способ по п.7, в котором приемник включает в себя дополнительную обмотку вокруг сердечника, а этап возбуждения выходного сигнала тока обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи через дополнительную обмотку в направлении, противоположном направлению от основной обмотки ко входу в усилитель.

10. Способ по п.7, в котором этап возбуждения тока обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи через основную обмотку в направлении, противоположном направлению от основной обмотки ко входу в усилитель.

11. Способ по п.7, в котором этап возбуждения тока обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи через основную обмотку в направлении, противоположном входу в усилитель, вследствие чего подавляется шум усилителя, генерируемый в магнитном приемнике.

12. Способ по п.7, в котором этап возбуждения тока обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи, который прямо пропорционален дополнительному магнитному полю, осуществляемое таким образом, что индукционная катушка работает как нуль-индикатор.

13. Способ по п.1, в котором этап объединения устройства обратной связи включает в себя установку операционного усилителя, при этом способ дополнительно включает в себя этап, на котором осуществляют подсоединение индукционной катушки со входом усилителя таким образом, что этап функционирования приемника включает в себя возбуждение выходного сигнала тока обратной связи, поступающего из усилителя обратно в приемник, вследствие чего фаза выходного сигнала обратной связи оказывается такой, что магнитный поток сердечника, генерируемый током обратной связи через катушку приемника, в основном противоположен магнитному потоку сердечника, генерируемому внешним магнитным полем, тем самым, по существу, подавляя магнитный поток в сердечнике.

14. Способ по п.1, в котором этап формирования электромагнитной энергии включает в себя распространение электромагнитной энергии на частоте, находящейся в диапазоне между 1 Гц и 1000 Гц.

15. Способ по п.1, который дополнительно включает в себя этап, на котором располагают передатчик в обсадной трубе второй скважины, находящейся на некотором расстоянии от обсадной трубы первой скважины, при этом этап формирования электромагнитной энергии включает в себя функционирование передатчика.

16. Способ по п.1, который дополнительно включает в себя этап, на котором осуществляют функционирование приемника в режиме без обратной связи, для измерения измеряемого суммарного магнитного поля в состоянии затухания.

17. Способ по п.16, который дополнительно включает в себя этапы, на которых

определяют изменение затухания, присущее обсадной трубе, путем сравнения измеренного значения измеряемого суммарного магнитного поля в состоянии затухания с измеренным значением измеряемого суммарного магнитного поля с уменьшенным затуханием.

18. Способ по п.17, который дополнительно включает в себя этапы, на которых повторяют этап формирования электромагнитной энергии на некотором множестве частот и на каждом из этого множества частот повторяют этапы функционирования приемника в режиме обратной связи, функционирования приемника в режиме без обратной связи и определения изменения затухания.

19. Способ по п.17, который дополнительно включает в себя этапы, на которых моделируют отклик изменения затухания, характерный для применяемого сочетания обсадной трубы и приемника, и формируют кривую фактического отклика путем повторения этапа формирования электромагнитной энергии на некотором множестве частот, и

на каждой из этого множества частот повторяют этапы функционирования приемника в режиме обратной связи, функционирования приемника в режиме без обратной связи и определения изменения затухания.

20. Способ уменьшения затухания измеряемого магнитного поля, которое в противном случае вызывается эффектом обсадной трубы, возникающим вследствие взаимной связи сердечника с обсадной трубой, реализуемый при осуществлении способа расположения магнитного приемника внутри электропроводной обсадной трубы для измерения суммарного магнитного поля, индуцируемого в ней в результате распространения электромагнитной энергии по обсадной трубе от источника, внешнего по отношению к этой обсадной трубе, причем приемник имеет магнитно-проницаемый сердечник и основную обмотку вокруг него, а предлагаемый способ включает в себя этапы, на которых

объединяют устройство обратной связи с магнитным приемником, причем упомянутое устройство обратной связи включает в себя операционный усилитель и основную обмотку, соединенную со входом указанного усилителя, и

осуществляют функционирование приемника с устройством обратной связи для возбуждения тока обратной связи, проходящего из усилителя в приемник и вокруг сердечника в направлении, противоположном направлению от основной обмотки ко входу усилителя, тем самым уменьшая эффект обсадной трубы и уменьшая затухание измеряемого суммарного магнитного поля.

21. Способ по п.20, в котором упомянутое измеряемое суммарное магнитное поле включает в себя основное магнитное поле и дополнительное магнитное поле внутри сердечника, которое в основном противоположно основному магнитному полю, вследствие чего определяется затухание измеряемого суммарного магнитного поля, и при котором этап функционирования приемника включает в себя уменьшение, по меньшей мере, части суммарного магнитного поля, вследствие чего уменьшается затухание измеряемого магнитного поля.

22. Способ по п.21, в котором этап функционирования приемника включает в себя подавление, по меньшей мере, части суммарного магнитного поля путем подавления, по меньшей мере, части дополнительного магнитного поля.

23. Способ по п.21, при котором этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи через основную обмотку для формирования магнитного поля, в основном противоположного дополнительному магнитному полю, и уменьшения тем самым дополнительного магнитного поля.

24. Способ по п.22, в котором устройство обратной связи включает в себя дополнительную обмотку вокруг сердечника, а этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи в направлении обратной связи через дополнительную обмотку, для формирования магнитного поля, в основном противоположного дополнительному магнитному полю, и уменьшения тем самым дополнительного магнитного поля.

25. Способ по п.21, в котором устройство обратной связи включает в себя дополнительную обмотку вокруг сердечника, а этап возбуждения выходного сигнала тока обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи через дополнительную обмотку в направлении, противоположном направлению от этой обмотки ко входу в усилитель, для формирования тем самым магнитного поля, которое в основном противоположно дополнительному магнитному полю.

26. Способ по п.21, в котором этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи через обмотку обратной связи вокруг сердечника таким образом, что ток обратной связи оказывается в основном пропорциональным дополнительному магнитному полю, и таким образом, что индукционная катушка работает как нуль-индикатор.

27. Способ по п.26, в котором обмотка обратной связи является основной обмоткой и вывод основной обмотки соединен со входом в усилитель, а этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи через основную обмотку в направлении от входа усилителя через упомянутый вывод и через основную обмотку.

28. Способ определения характеристики изменения затухания электропроводной трубы скважины, включающий в себя следующие этапы: размещают внутри обсадной трубы скважины магнитный приемник, имеющий индукционную катушку, состоящую из магнитно-проницаемого сердечника и намотанной на него основной обмотки, и устройство обратной связи, оперативно соединенное с индукционной катушкой, формируют электромагнитную энергию снаружи от упомянутой обсадной трубы и направляют указанную электромагнитную энергию с обеспечением ее распространения по обсадной трубе, вследствие чего обеспечивается возможность измерения измеримого суммарного магнитного поля внутри обсадной трубы в состоянии затухания из-за эффекта обсадной трубы, при этом эффект обсадной трубы возникает в результате взаимодействия между обсадной трубой и магнитно-проницаемым сердечником, осуществляют функционирование приемника в режиме обратной связи таким образом, что устройство обратной связи работает, обеспечивая уменьшение эффекта обсадной трубы, возникающего в результате взаимодействия между обсадной трубой и сердечником, а также уменьшение затухания, связанного с эффектом обсадной трубы, и измерение измеримого суммарного магнитного поля с уменьшенным затуханием внутри обсадной трубы, измеряют измеримое суммарное магнитное поле в состоянии затухания внутри обсадной трубы и определяют изменение затухания, присущее обсадной трубе, путем сравнения измеренного значения измеримого суммарного магнитного поля в состоянии затухания с измеренным значением измеримого суммарного магнитного поля с уменьшенным затуханием.

29. Способ по п.28, который дополнительно включает в себя этапы, на которых

повторяют этап формирования электромагнитной энергии на множестве частот и

на каждой из этого множества частот повторяют этапы функционирования приемника в режиме обратной связи и определения изменения затухания.

30. Способ по п.28, который дополнительно включает в себя этапы, на которых

моделируют отклик изменения затухания, характерный для применяемого сочетания обсадной трубы и приемника, и формируют кривую фактического отклика путем повторения этапа формирования электромагнитной энергии на множестве частот, и на каждой из этого множества частот повторяют этапы функционирования приемника в режиме обратной связи и определения изменения затухания.

31. Способ по п.28, в котором этап измерения измеримого суммарного магнитного поля в состоянии затухания внутри обсадной трубы включает в себя функционирование второго магнитного приемника, расположенного внутри обсадной трубы скважины, причем второй приемник имеет немагнитно-проницаемый сердечник.

32. Способ по п.28, в котором этап формирования электромагнитной энергии включает в себя формирование измеримого суммарного магнитного поля внутри обсадной трубы, включающего в себя основное магнитное поле и дополнительное магнитное поле внутри сердечника, которое в основном противоположно основному полю, и при котором этап функционирования приемника в режиме обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи вокруг сердечника в таком направлении, что обеспечивается формирование магнитного поля, которое в основном противоположно дополнительному магнитному полю.

33. Способ по п.28, в котором этап формирования электромагнитной энергии включает в себя направление электромагнитной энергии с обеспечением ее распространения по обсадной трубе на частоте, находящейся в диапазоне от примерно 1 Гц до примерно 1000 Гц.

34. Способ определения характеристики изменения затухания электропроводной трубы скважины, включающий в себя следующие этапы: размещают внутри обсадной трубы скважины магнитный приемник, имеющий индукционную катушку, состоящую из магнитно-проницаемого сердечника и намотанной на него основной обмотки, и устройство обратной связи, оперативно соединенное с индукционной катушкой, формируют электромагнитную энергию снаружи от упомянутой обсадной трубы и направляют указанную электромагнитную энергию с обеспечением ее распространения по обсадной трубе, вследствие чего обеспечивается возможность измерения измеримого суммарного магнитного поля внутри обсадной трубы в состоянии затухания из-за эффекта обсадной трубы, при этом эффект обсадной трубы возникает в результате взаимодействия между обсадной трубой и магнитно-проницаемым сердечником, осуществляют функционирование приемника в режиме без обратной связи таким образом, что устройство обратной связи не функционирует для уменьшения эффекта обсадной трубы, возникающего в результате взаимодействия между обсадной трубой и сердечником, а также уменьшение затухания, связанного с эффектом обсадной трубы, и измерение измеримого суммарного магнитного поля с уменьшенным затуханием внутри обсадной трубы, измеряют измеримое суммарное магнитное поле в состоянии затухания внутри обсадной трубы и определяют изменение затухания, присущее обсадной трубе, путем сравнения измеренного значения измеримого суммарного магнитного поля в состоянии затухания с измеренным значением измеримого суммарного магнитного поля с уменьшенным затуханием.

35. Способ по п.34, в котором этап измерения измеримого суммарного магнитного поля в состоянии затухания внутри обсадной трубы включает в себя функционирование второго магнитного приемника, расположенного внутри обсадной трубы скважины, причем второй приемник имеет немагнитно-проницаемый сердечник.

36. Способ по п.34, который дополнительно включает в себя этапы, на которых

повторяют этап формирования электромагнитной энергии на множестве частот и

на каждой из этого множества частот повторяют этапы функционирования приемника в режиме без обратной связи и определения изменения затухания.

37. Способ по п.34, который дополнительно включает в себя этапы, на которых

моделируют отклик изменения затухания, характерный для применяемого сочетания обсадной трубы и приемника, и формируют кривую фактического отклика путем повторения этапа формирования электромагнитной энергии на множестве частот, и

на каждой из этого множества частот повторяют этапы функционирования приемника в режиме без обратной связи и определения изменения затухания.

38. Способ по п.34, в котором этап формирования электромагнитной энергии включает в себя направление электромагнитной энергии с обеспечением ее распространения по обсадной трубе на частоте, находящейся в диапазоне от примерно 1 Гц до примерно 1000 Гц.

39. Способ уменьшения затухания измеряемого магнитного поля, которое в противном случае вызывается эффектом обсадной трубы, возникающим вследствие взаимной связи сердечника с обсадной трубой, реализуемый при осуществлении способа применения магнитного приемника, расположенного внутри электропроводной обсадной трубы для измерения магнитного поля, индуцируемого в ней, причем приемник имеет магнитно-проницаемый сердечник и основную обмотку вокруг него, а предлагаемый способ заключается в том, что обеспечивают магнитный приемник с устройством обратной связи, включающим в себя дополнительную обмотку, расположенную вокруг сердечника, и операционный усилитель,

соединяют дополнительную обмотку с усилителем и

подают выходной сигнал из усилителя в дополнительную обмотку для возбуждения через нее тока обратной связи, вследствие чего ток обратной связи в основном прямо пропорционален магнитному полю, и поэтому дополнительное магнитное поле, обусловленное взаимной связью сердечника и поля обсадной трубы, по существу, подавляется или уменьшается.

40. Способ по п.39, который дополнительно включает в себя этап, на котором этап подачи выходного сигнала включает в себя подачу выходного сигнала из фильтра.

41. Способ по п.39, в котором этап возбуждения тока обратной связи через дополнительную обмотку включает в себя возбуждение тока обратной связи таким образом, что магнитный поток сердечника, генерируемый дополнительной обмоткой, в основном противоположен магнитному потоку сердечника, генерируемому внешним полем, по существу, подавляя дополнительное поле внутри сердечника.

Приоритет по пунктам:

18.10.2002 - пп.1-41.

Описание изобретения к патенту

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение относится в основном к измерению или обнаружению магнитных полей, а более конкретно к системе, устройству и способу, предусматривающим использование датчика, расположенного внутри обсадной трубы скважины для измерения в ней магнитных полей. В альтернативном варианте настоящее изобретение относится к измерению или обнаружению магнитного поля внутри обсадной трубы скважины для определения некоторой характеристики или параметра обсадной трубы скважины или окружающей скважину среды.

Характеристика подземного строения геологической формации является важным аспектом бурения нефтяных и газовых скважин. Характеристика подземного строения способствует идентификации - помимо прочих параметров - структуры и содержания текучих сред геологических формаций, пронизываемых скважиной. Формация может содержать, например, углеводородные продукты, являющиеся целью буровых работ. Геологические формации, образующие углеводородный продуктивный пласт, содержат сеть взаимосвязанных каналов текучей среды или «полостей пор», в которых, например, углеводороды, вода, и т.д. присутствуют в жидкой или газообразной форме. Для определения содержания углеводородов в полостях пор часто требуется или является, по меньшей мере, полезным знание таких характеристик формаций, как пористость и магнитная проницаемость.

Информация о геологических формациях и о характеристиках продуктивных пластов способствует эффективной разработке углеводородных ресурсов и управлению ими. Характеристики продуктивных пластов включают в себя, среди прочих, удельное сопротивление геологической формации, содержащей углеводороды. Удельное сопротивление в общем случае связано с пористостью, магнитной проницаемостью и с содержанием жидкости в коллекторе. Поскольку углеводороды в общем случае являются электроизолирующими веществами, а большинство пластовой воды электропроводно, измерения удельного сопротивления (или удельной проводимости) пластов являются значимыми инструментами разведки. Более того, измерения удельного сопротивления пластов можно использовать для контроля изменений содержания углеводородов в продуктивном пласте во время добычи углеводородов.

При реализации многих геофизических способов подземной разведки в скважину опускают зонд, имеющий датчики для измерения различных физических параметров на разных глубинах. При одном типе измерений используют датчик магнитного поля для измерения индуцируемых магнитных полей и сбора таким образом информации, касающейся возможного наличия электропроводных рудных тел. С датчиком магнитного поля связана катушка передатчика, которая при возбуждении формирует магнитное поле. Магнитное поле индуцирует электрические токи в электропроводных областях, а эти индуцируемые токи устанавливают магнитное поле, которое затем измеряется. Осуществляя такие измерения на разных глубинах, можно установить профили поля.

В некоторых приложениях катушка передатчика представляет собой большой горизонтальный контур провода, который располагается на поверхности грунта в зоне, прилегающей к скважине. В других приложениях катушка передатчика представляет собой катушку малого диаметра, которую опускают в скважину и которая может быть физически расположена в одном корпусе с датчиком.

Рабочая характеристика датчика магнитного поля. или магнитного приемника, расположенного внутри обсадной трубы скважины, может быть ухудшена воздействием электропроводной обсадной трубы на измеряемое магнитное поле. В частности, измеряемое магнитное поле индуцирует ток, который протекает концентрично вокруг катушки приемника и может ослаблять магнитное поле внутри обсадной трубы. Как будет дополнительно пояснено в разделе «Подробное описание», в результате может происходить сильное затухание измеряемого магнитного поля, и на измерения, осуществляемые приемником, могут повлиять изменения в затухании, вызываемые изменениями в свойствах электропроводной обсадной трубы. Зачастую параметры конструкций для межскважинной разведки с помощью обсаженной скважины вызывают снижение сигнала магнитного поля до уровня, который невозможно обнаружить стандартными приемниками. Более того, изменение удельной проводимости, магнитной проницаемости и толщины вдоль продольной оси участка обсадной трубы затрудняет определение коэффициента затухания в любой выбранной точке. Неспособность определить коэффициент затухания в выбранной точке вдоль обсадной трубы может вызвать ошибки в измерениях поля, которые трудно исправить.

Одно известное из уровня техники решение осуществляет устранение негативного влияния обсадной трубы на измерения с помощью приемника, которое заключается в введении отдельного малогабаритного передатчика-приемника внутрь скважины для измерения свойств обсадной трубы. Измеренные свойства обсадной трубы затем используют для коррекции измеренных межскважинных данных (см., например, Lee et al., Electromagnetic Method For Analyzing The Property of Steel Casing, Lawrence Berkeley National Laboratories, отчет №41525, февраль 1998 г.).

Другая известная попытка скорректировать или учесть затухание магнитного поля предусматривает расположение контрольного приемника рядом с передатчиком в обсаженной скважине. Таким образом, можно прогнозировать затухание, воспринимаемое, например, приемником, находящимся в близлежащей скважине. Этот способ предложен в заявке №09/290156 на патент США, поданной 12 апреля 1999 г. под названием Method and Apparatus for Measuring Characteristics of Geologic Formations, переуступленной обладателю прав на настоящее изобретение (и упоминаемой здесь для справок, а также являющейся частью настоящего описания).

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение относится к магнитному приемнику с магнитно-проницаемым сердечником, который расположен внутри обсадной трубы скважины для измерения или обнаружения иным образом магнитного поля в этой обсадной трубе. В приемнике используется или в его состав включено устройство обратной связи для уменьшения влияния обсадной трубы («эффекта обсадной трубы») на измеряемое магнитное поле, т.е. ослабления взаимной связи между сердечником и обсадной трубой, а значит - и уменьшения затухания электромагнитных сигналов, в противном случае наблюдаемого внутри обсадной трубы. В одном конкретном варианте осуществления средство обратной связи выполнено в форме добавочной обмотки или обмотки обратной связи, которая ослабляет взаимную связь между сердечником и обсадной трубой, тем самым эффективно уменьшая или подавляя индуцируемое поле внутри сердечника и уменьшая затухание, в противном случае вызываемое взаимодействием сердечника и обсадной трубы. В альтернативном конкретном варианте осуществления в магнитном приемнике используется схема усилителя с обратной связью по току для подавления индуцируемого поля внутри сердечника. В частности, эту схему задействуют для генерирования дополнительного магнитного поля, которое, по существу, подавляет индуцируемое поле внутри сердечника.

Термины, употребляемые в данном описании, а именно «измерять» («измерение») и «обнаруживать» («обнаружения») являются синонимами, и каждый из них следует рассматривать как включающий в себя смысл и объем другого. Аналогично, термин «уменьшать» следует рассматривать как включающий в себя смысл термина «подавлять» в связи с уменьшением или подавлением магнитного поля или эффекта обсадной трубы. В одном аспекте изобретения предложен способ измерения магнитного поля внутри электропроводной обсадной трубы скважины, при котором электромагнитная энергия распространяется по обсадной трубе на частоте, превышающей примерно 1 Гц. Указанный способ включает в себя этапы, при которых изготавливают магнитный приемник, имеющий индуктивную катушку, состоящую из магнитно-проницаемого сердечника и основной обмотки, намотанной вокруг сердечника,

объединяют устройство обратной связи с магнитным приемником, располагают магнитный приемник внутри обсадной трубы скважины, формируют электромагнитную энергию снаружи от упомянутой обсадной трубы и направляют указанную энергию с возможностью ее распространения по обсадной трубе на частоте, превышающей примерно 1 Гц, вследствие чего обеспечивается возможность измерения измеряемого суммарного магнитного поля внутри обсадной трубы в состоянии затухания из-за эффекта обсадной трубы, при этом эффект обсадной трубы возникает в результате взаимодействия между обсадной трубой и магнитно-проницаемым сердечником, и обеспечивают функционирование приемника в режиме обратной связи для уменьшения эффекта обсадной трубы, возникающего в результате взаимодействия между обсадной трубой и сердечником, и для уменьшения затухания суммарного магнитного поля, вызываемого эффектом обсадной трубы, а также для осуществляемого на этой основе измерения измеряемого суммарного магнитного поля с уменьшенным затуханием внутри обсадной трубы.

Согласно способу этап формирования электромагнитной энергии включает в себя формирование измеряемого суммарного магнитного поля внутри обсадной трубы, включающего в себя основное магнитное поле и дополнительное магнитное поле внутри сердечника, которое в основном противоположно основному полю, и при котором этап функционирования приемника включает в себя уменьшение, по меньшей мере, части суммарного магнитного поля и уменьшение тем самым затухания измеряемого суммарного магнитного поля.

Согласно первому аспекту изобретения в способе этап функционирования приемника включает в себя подавление, по меньшей мере, части суммарного магнитного поля путем подавления, по меньшей мере, части дополнительного магнитного поля. При этом этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи через катушку приемника для формирования магнитного поля, которое в основном противоположно дополнительному магнитному полю, и уменьшение тем самым дополнительного магнитного поля.

Кроме того, этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи в направлении обратной связи через основную обмотку.

Согласно первому аспекту изобретения устройство обратной связи включает в себя дополнительную обмотку вокруг сердечника, а этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи в направлении обратной связи через катушку, образованную дополнительной обмоткой, намотанной вокруг сердечника.

При этом этап объединения устройства обратной связи включает в себя установку операционного усилителя, а способ дополнительно включает в себя этап, на котором осуществляют подсоединение основной обмотки со входом усилителя таким образом, что этап функционирования приемника включает в себя возбуждение выходного сигнала тока обратной связи усилителя через катушку приемника для формирования магнитного поля, которое в основном противоположно дополнительному магнитному полю.

Согласно первому аспекту изобретения приемник включает в себя дополнительную обмотку вокруг сердечника, а этап возбуждения выходного сигнала тока обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи через дополнительную обмотку, вследствие чего фаза выходного сигнала обратной связи оказывается такой, что дополнительный магнитный поток сердечника, генерируемый дополнительной обмоткой, в основном противоположен основному магнитному потоку сердечника, генерируемому основным магнитным полем, тем самым, по существу, подавляя основной магнитный поток сердечника, существующий в сердечнике.

При этом приемник включает в себя дополнительную обмотку вокруг сердечника, а этап возбуждения выходного сигнала тока обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи через дополнительную обмотку в направлении, противоположном направлению от основной обмотки ко входу в усилитель.

Кроме того, этап возбуждения тока обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи через основную обмотку в направлении, противоположном направлению от основной обмотки ко входу в усилитель, а также этап возбуждения тока обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи через основную обмотку в направлении, противоположном входу в усилитель, вследствие чего подавляется шум усилителя, генерируемый в магнитном приемнике, или этап возбуждения тока обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи, который прямо пропорционален дополнительному магнитному полю, осуществляемое таким образом, что индукционная катушка работает как нуль-индикатор.

Кроме того, этап объединения устройства обратной связи включает в себя установку операционного усилителя, при этом способ дополнительно включает в себя этап, на котором осуществляют подсоединение индукционной катушки со входом усилителя таким образом, что этап функционирования приемника включает в себя возбуждение выходного сигнала тока обратной связи, поступающего из усилителя обратно в приемник, вследствие чего фаза выходного сигнала обратной связи оказывается такой, что магнитный поток сердечника, генерируемый током обратной связи через катушку приемника, в основном противоположен магнитному потоку сердечника, генерируемому внешним магнитным полем, тем самым, по существу, подавляя магнитный поток в сердечнике.

Согласно первому аспекту изобретения в способе этап формирования электромагнитной энергии включает в себя распространение электромагнитной энергии на частоте, находящейся в диапазоне между 1 Гц и 1000 Гц, а также дополнительно включает в себя этап, на котором располагают передатчик в обсадной трубе второй скважины, находящейся на некотором расстоянии от обсадной трубы первой скважины, при этом этап формирования электромагнитной энергии включает в себя функционирование передатчика, и этап, на котором осуществляют функционирование приемника в режиме без обратной связи, для измерения измеряемого суммарного магнитного поля в состоянии затухания.

Согласно изобретению по первому аспекту способ дополнительно включает в себя этапы, на которых определяют изменение затухания, присущее обсадной трубе, путем сравнения измеренного значения измеряемого суммарного магнитного поля в состоянии затухания с измеренным значением измеряемого суммарного магнитного поля с уменьшенным затуханием, а также этапы, на которых повторяют этап формирования электромагнитной энергии на некотором множестве частот и на каждой из этого множества частот повторяют этапы функционирования приемника в режиме обратной связи, функционирования приемника в режиме без обратной связи и определения изменения затухания, и этапы, на которых моделируют отклик изменения затухания, характерный для применяемого сочетания обсадной трубы и приемника, и формируют кривую фактического отклика путем повторения этапа формирования электромагнитной энергии на некотором множестве частот, и на каждой из этого множества частот повторяют этапы функционирования приемника в режиме обратной связи, функционирования приемника в режиме без обратной связи и определения изменения затухания.

Согласно второму аспекту изобретения предусмотрен способ уменьшения затухания измеряемого магнитного поля, которое в противном случае вызывается эффектом обсадной трубы, возникающим вследствие взаимной связи сердечника с обсадной трубой, реализуемый при осуществлении способа расположения магнитного приемника внутри электропроводной обсадной трубы для измерения суммарного магнитного поля, индуцируемого в ней в результате распространения электромагнитной энергии по обсадной трубе от источника, внешнего по отношению к этой обсадной трубе, причем приемник имеет магнитно-проницаемый сердечник и основную обмотку вокруг него, а предлагаемый способ включает в себя этапы, на которых объединяют устройство обратной связи с магнитным приемником, причем упомянутое устройство обратной связи включает в себя операционный усилитель и основную обмотку, соединенную со входом указанного усилителя, и осуществляют функционирование приемника с устройством обратной связи для возбуждения тока обратной связи, проходящего из усилителя в приемник и вокруг сердечника в направлении, противоположном направлению от основной обмотки ко входу усилителя, тем самым уменьшая эффект обсадной трубы и уменьшая затухание измеряемого суммарного магнитного поля.

Согласно указанному способу упомянутое измеряемое суммарное магнитное поле включает в себя основное магнитное поле и дополнительное магнитное поле внутри сердечника, которое в основном противоположно основному магнитному полю, вследствие чего определяется затухание измеряемого суммарного магнитного поля, и при котором этап функционирования приемника включает в себя уменьшение, по меньшей мере, части суммарного магнитного поля, вследствие чего уменьшается затухание измеряемого магнитного поля, при этом этап функционирования приемника включает в себя подавление, по меньшей мере, части суммарного магнитного поля путем подавления, по меньшей мере, части дополнительного магнитного поля, а также этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи через основную обмотку для формирования магнитного поля, в основном противоположного дополнительному магнитному полю, и уменьшения тем самым дополнительного магнитного поля.

Согласно второму аспекту изобретения в способе устройство обратной связи включает в себя дополнительную обмотку вокруг сердечника, а этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи в направлении обратной связи через дополнительную обмотку, для формирования магнитного поля, в основном противоположного дополнительному магнитному полю, и уменьшения тем самым дополнительного магнитного поля, а также устройство обратной связи включает в себя дополнительную обмотку вокруг сердечника, а этап возбуждения выходного сигнала тока обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи через дополнительную обмотку в направлении, противоположном направлению от этой обмотки ко входу в усилитель, для формирования тем самым магнитного поля, которое в основном противоположно дополнительному магнитному полю.

Кроме того, в способе этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи через обмотку обратной связи вокруг сердечника таким образом, что ток обратной связи оказывается в основном пропорциональным дополнительному магнитному полю, и таким образом, что индукционная катушка работает как нуль-индикатор, а обмотка обратной связи является основной обмоткой и вывод основной обмотки соединен со входом в усилитель, а этап функционирования приемника включает в себя возбуждение тока обратной связи через основную обмотку в направлении от входа усилителя через упомянутый вывод и через основную обмотку.

Согласно третьему аспекту изобретения предусмотрен способ определения характеристики изменения затухания электропроводной трубы скважины, включающий в себя следующие этапы:

размещают внутри обсадной трубы скважины магнитный приемник, имеющий индукционную катушку, состоящую из магнитно-проницаемого сердечника и намотанной на него основной обмотки, и устройство обратной связи, оперативно соединенное с индукционной катушкой, формируют электромагнитную энергию снаружи от упомянутой обсадной трубы и направляют указанную электромагнитную энергию с обеспечением ее распространения по обсадной трубе, вследствие чего обеспечивается возможность измерения измеримого суммарного магнитного поля внутри обсадной трубы в состоянии затухания из-за эффекта обсадной трубы, при этом эффект обсадной трубы возникает в результате взаимодействия между обсадной трубой и магнитно-проницаемым сердечником,

осуществляют функционирование приемника в режиме обратной связи таким образом, что устройство обратной связи работает, обеспечивая уменьшение эффекта обсадной трубы, возникающего в результате взаимодействия между обсадной трубой и сердечником, а также уменьшение затухания, связанного с эффектом обсадной трубы, и измерение измеримого суммарного магнитного поля с уменьшенным затуханием внутри обсадной трубы, измеряют измеримое суммарное магнитное поле в состоянии затухания внутри обсадной трубы и определяют изменение затухания, присущее обсадной трубе, путем сравнения измеренного значения измеримого суммарного магнитного поля в состоянии затухания с измеренным значением измеримого суммарного магнитного поля с уменьшенным затуханием. Указанный способ дополнительно включает в себя этапы, на которых повторяют этап формирования электромагнитной энергии на множестве частот и на каждой из этого множества частот повторяют этапы функционирования приемника в режиме обратной связи, и определения изменения затухания, и этапы, на которых моделируют отклик изменения затухания, характерный для применяемого сочетания обсадной трубы и приемника, и формируют кривую фактического отклика путем повторения этапа формирования электромагнитной энергии на множестве частот, и на каждой из этого множества частот повторяют этапы функционирования приемника в режиме обратной связи, и определения изменения затухания.

При этом этап измерения измеримого суммарного магнитного поля в состоянии затухания внутри обсадной трубы включает в себя функционирование второго магнитного приемника, расположенного внутри обсадной трубы скважины, причем второй приемник имеет не магнитно-проницаемый сердечник, а этап формирования электромагнитной энергии включает в себя формирование измеримого суммарного магнитного поля внутри обсадной трубы, включающего в себя основное магнитное поле и дополнительное магнитное поле внутри сердечника, которое в основном противоположно основному полю, и при котором этап функционирования приемника в режиме обратной связи включает в себя возбуждение тока обратной связи вокруг сердечника в таком направлении, что обеспечивается формирование магнитного поля, которое в основном противоположно дополнительному магнитному полю, а также этап формирования электромагнитной энергии включает в себя направление электромагнитной энергии с обеспечением ее распространения по обсадной трубе на частоте, находящейся в диапазоне от примерно 1 Гц до примерно 1000 Гц.

Согласно четвертому аспекту изобретения предусмотрен способ определения характеристики изменения затухания электропроводной трубы скважины, включающий в себя следующие этапы:

размещают внутри обсадной трубы скважины магнитный приемник, имеющий индукционную катушку, состоящую из магнитно-проницаемого сердечника и намотанной на него основной обмотки, и устройство обратной связи, оперативно соединенное с индукционной катушкой, формируют электромагнитную энергию снаружи от упомянутой обсадной трубы и направляют указанную электромагнитную энергию с обеспечением ее распространения по обсадной трубе, вследствие чего обеспечивается возможность измерения измеримого суммарного магнитного поля внутри обсадной трубы в состоянии затухания из-за эффекта обсадной трубы, при этом эффект обсадной трубы возникает в результате взаимодействия между обсадной трубой и магнитно-проницаемым сердечником,

осуществляют функционирование приемника в режиме без обратной связи таким образом, что устройство обратной связи не функционирует для уменьшения эффекта обсадной трубы, возникающего в результате взаимодействия между обсадной трубой и сердечником, а также уменьшение затухания, связанного с эффектом обсадной трубы, и измерение измеримого суммарного магнитного поля с уменьшенным затуханием внутри обсадной трубы, измеряют измеримое суммарное магнитное поле в состоянии затухания внутри обсадной трубы и

определяют изменение затухания, присущее обсадной трубе, путем сравнения измеренного значения измеримого суммарного магнитного поля в состоянии затухания с измеренным значением измеримого суммарного магнитного поля с уменьшенным затуханием.

Кроме того, этап измерения измеримого суммарного магнитного поля в состоянии затухания внутри обсадной трубы включает в себя функционирование второго магнитного приемника, расположенного внутри обсадной трубы скважины, причем второй приемник имеет не магнитно-проницаемый сердечник.

Согласно четвертому аспекту изобретения способ дополнительно включает в себя этапы, на которых повторяют этап формирования электромагнитной энергии на множестве частот и на каждой из этого множества частот повторяют этапы, функционирования приемника в режиме без обратной связи и определения изменения затухания, а также этапы, на которых моделируют отклик изменения затухания, характерный для применяемого сочетания обсадной трубы и приемника, и формируют кривую фактического отклика путем повторения этапа формирования электромагнитной энергии на множестве частот, и на каждой из этого множества частот повторяют этапы функционирования приемника в режиме без обратной связи и определения изменения затухания.

Кроме того, в способе согласно изобретению этап формирования электромагнитной энергии включает в себя направление электромагнитной энергии с обеспечением ее распространения по обсадной трубе на частоте, находящейся в диапазоне от примерно 1 Гц до примерно 1000 Гц.

Согласно пятому аспекту изобретения предусмотрен способ уменьшения затухания измеряемого магнитного поля, которое в противном случае вызывается эффектом обсадной трубы, возникающим вследствие взаимной связи сердечника с обсадной трубой, реализуемый при осуществлении способа применения магнитного приемника, расположенного внутри электропроводной обсадной трубы для измерения магнитного поля, индуцируемого в ней, причем приемник имеет магнитно-проницаемый сердечник и основную обмотку вокруг него, а предлагаемый способ заключается в том, что обеспечивают магнитный приемник с устройством обратной связи, включающим в себя дополнительную обмотку, расположенную вокруг сердечника, и операционный усилитель, соединяют дополнительную обмотку с усилителем и подают выходной сигнал из усилителя в дополнительную обмотку для возбуждения через нее тока обратной связи, вследствие чего ток обратной связи в основном прямо пропорционален магнитному полю, и поэтому дополнительное магнитное поле, обусловленное взаимной связью сердечника и поля обсадной трубы, по существу, подавляется или уменьшается. Указанный способ дополнительно включает в себя этап, на котором этап подачи выходного сигнала включает в себя подачу выходного сигнала из фильтра, а этап возбуждения тока обратной связи через дополнительную обмотку включает в себя возбуждение тока обратной связи таким образом, что магнитный поток сердечника, генерируемый дополнительной обмоткой, в основном противоположен магнитному потоку сердечника, генерируемому внешним полем, по существу, подавляя дополнительное поле внутри сердечника.

Краткое описание чертежей

Нижеследующее описание приводится со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 представлено условное изображение окружающей скважину среды и предусмотренной в ней системы для измерения магнитных полей;

на фиг.2 представлено условное изображение, иллюстрирующее основные физические принципы, лежащие в основе работы индукционной катушки;

на фиг.3 представлена упрощенная принципиальная схема индукционной катушки;

на фиг.4 представлена графическая иллюстрация спектрального отклика для чувствительной индукционной катушки;

на фиг.5 представлено упрощенное условное изображение системы магнитного приемника, предназначенной для использования совместно со способом в соответствии с изобретением;

на фиг.6 представлено упрощенное условное изображение альтернативной системы магнитного приемника, предназначенной для использования совместно со способом в соответствии с изобретением;

на фиг.7 представлена графическая иллюстрация спектрального отклика для системы, показанной на фиг.6;

на фиг.8 представлено упрощенное условное изображение альтернативной системы магнитного приемника, предназначенной для использования совместно со способом в соответствии с изобретением;

на фиг.9 представлен график рабочей характеристики для предлагаемых системы и способа, изображающий отклик изменения затухания для сочетания «приемник - обсадная труба»;

на фиг.10 представлен график рабочей характеристики, изображающий несколько кривых отклика изменения затухания; и

на фиг.11А и 11В представлена еще одна графическая иллюстрация, демонстрирующая отклик различных систем на разных частотах.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 представлена система для измерения удельного сопротивления пласта между двумя скважинами. Указанная система предназначена, в частности, для обеспечения системы и устройства для измерения магнитных полей внутри скважины и для использования совместно со способом измерения магнитных полей в соответствии с изобретением. В одной скважине W1 расположен передатчик Т, состоящий из катушки С_т, имеющей многовитковый горизонтальный контур (вертикальный соленоид) из N1 витков и эффективное поперечное сечение А_т. Многовитковый горизонтальный контур проводит переменный ток I_т частоты f₀ Гц. В свободном пространстве этот многовитковый горизонтальный контур генерирует изменяющееся во времени магнитное поле В₀. Магнитное поле В ₀ пропорционально магнитному моменту М_т передатчика Т и геометрическому коэффициенту К ₁. Магнитный момент М_т передатчика Т можно определить следующим образом:

М _т=N_тI_тА _т.

В свободном пространстве магнитное поле В ₀ можно определить следующим образом:

B ₀=К₁M_т.

Геометрический коэффициент К₁ зависит от пространственного местоположения и ориентации компонента магнитного поля В₀, измеряемого приемником Т.

Приемник R находится на некотором расстоянии от передатчика Т и показан расположенным в другой скважине W2. Приемник R включает в себя контур провода (например, катушку C_R , имеющую N_R витков, намотанных вокруг сердечника из металла с высокой магнитной проницаемостью, такого, как феррит, полоски му-металла или какой-либо иной известный состав. Как будет пояснено ниже, приемник R, соответствующий изобретению, снабжен средством F обратной связи для уменьшения затухания измеряемого магнитного поля B_R . Изменяющееся во времени магнитное поле B_R , измеряемое приемником R и имеющее частоту f ₀, создает в катушке C_R индуцированное напряжение V_R, которое пропорционально полю В_R, частоте f₀ , количеству N_R витков провода, площади A_R эффективного поперечного сечения катушки и эффективной магнитной проницаемости _R катушки C_R .

Исходя из вышеизложенного, напряжение V _R можно определить следующим образом:

V _R=f₀B_RN _RA_{R R}.

Упрощая вышеупомянутое уравнение, можно записать V_R следующим образом:

V_R=k_RB _R,

где k_R=f ₀N_RA_{R R}.

Вычисление произведения А_{R R} может оказаться трудным. Для точного определения произведения A_{R R} катушку C_R калибруют известным магнитным полем и на известной частоте для определения точной величины k_R. В результате, магнитное поле В_R, измеряемое приемником R, оказывается прямо пропорциональным измеренному напряжением V_R в соответствии со следующим уравнением:

B_R=V_R/k _R.

Когда систему размещают в геологической формации, изменяющееся во времени магнитное поле В₀ индуцирует электромагнитную силу (ЭМС) в геологической формации, в свою очередь, формирующую в этой формации ток, условно обозначенный символом L1 на фиг.1. Ток L1 пропорционален удельной проводимости геологической формации, а протекание тока L1 обычно происходит концентрично вокруг продольной оси скважины W2. Магнитное поле вблизи скважины возникает в результате воздействия поля В ₀ в свободной полости, называемого основным магнитным полем, а поле, генерируемое током L1, называется дополнительным магнитным полем.

Ток L1 обычно не совпадает по фазе с током I _Т передатчика. На очень низких частотах, где индуктивное сопротивление окружающей формации мало, индуцированный ток L1 пропорционален производной dB/dt и поэтому сдвинут по фазе на 90° относительно тока I_т. С возрастанием частоты индуктивное сопротивление возрастает, при этом возрастает и разность фаз.

Второе магнитное поле, обнаруживаемое приемником R, создается индуцированным током L1 и тоже имеет фазовый сдвиг ввиду того, что суммарное магнитное поле в приемнике R имеет комплексную природу. Это суммарное магнитное поле имеет составляющую В_r, совпадающую по фазе с током I _т передатчика (называемую действительной составляющей) и составляющую В_r, сдвинутую по фазе на 90° (называемую мнимой или квадратурной составляющей). Значения действительной В_r и квадратурной B _i составляющих магнитного поля на некоторой заданной частоте в некоторой геометрической конфигурации однозначно определяют электрическое удельное сопротивление однородной формации, пронизываемой скважинами. В неоднородной геологической формации комплексное магнитное поле обычно измеряют в некоторой последовательности точек вдоль продольной оси скважины, в которой находится приемник, для каждой последовательности местоположений нахождения передатчика. Такой совокупности мест нахождения T-R достаточно для определения неоднородного удельного сопротивления между скважинами, как описано в известной технической литературе.

Как обсуждалось выше, в такой установке, как показанная на фиг.1, электропроводная обсадная труба может вызывать трудности при измерении. Электромагнитная (ЭМ) энергия может по-прежнему распространяться по обсадной трубе лишь с умеренным затуханием (например, менее 60 дБ) при условии, что рабочие частоты меньше, чем несколько сотен Гц. Однако на более высоких частотах стальная, алюминиевая или выполненная из другого электропроводного материала обсадная труба действует на ЭМ энергию как препятствие посредством двух эффектов. Во-первых, изменение магнитного поля индуцирует сильные токи, протекающие в обсадной трубе с изменяющейся удельной проводимостью. Эти токи создают дополнительное магнитное поле, которое обычно противоположно индуцируемому полю. Таким образом, «чистый эффект» заключается в том, что суммарное магнитное поле (основное плюс дополнительное) уменьшается. Во-вторых, поскольку большинство обсадных труб являются магнитно-проницаемыми, эта проницаемость способствует «затягиванию» силовых линий магнитного поля в обсадную трубу и ослабляет силовые линии магнитного поля снаружи обсадной трубы.

Применительно к предлагаемому в настоящем изобретении способу измерения внешнего магнитного поля или - более конкретно - способу уменьшения затухания измеряемого магнитного поля, упомянутые нежелательные эффекты называются «эффектом обсадной трубы».

В одном аспекте настоящего изобретения используется способ уменьшения эффекта обсадной трубы, основанный, например, на рабочей характеристике такой системы, как изображенная на фиг.1, или - более конкретно - на рабочей характеристике магнитного приемника R. Вместе с тем, для упрощения описания этого и других вариантов предлагаемого способа, сначала будет представлено краткое описание магнитного приемника R.

Магнитный приемник, подобный применяемому при осуществлении способа, предлагаемого в данном изобретении, представляет собой разновидность индукционной катушки. Физический принцип, лежащий в основе работы индукционной катушки, проиллюстрирован на фиг.2. Когда одиночный круговой контур площадью А помещают в изменяющееся во времени магнитное поле B(t), в этом контуре индуцируется эдс (напряжение), которая равна выражаемой со знаком минус скорости изменения магнитного потока Ф, пропускаемого через контур. Этот магнитный поток представляет собой произведение магнитной индукции В на площадь А контура. Таким образом, имеем:

Уравнение 1. Первый закон Фарадея

эдс, V,=- Ф/ Т=-A( В/ Т)

Если в контуре имеется N витков провода, то выходное напряжение умножается на N и имеет вид:

Уравнение 2

эдс, V,=-NA( B/ T).

Эта зависимость известна как закон Фарадея.

Изобретение также относится к использованию рабочих характеристик или отклика соответствующего магнитного датчика, находящегося в окружающей обсадную трубу скважины среде, для определения или оценки свойств обсадной трубы скважины, что будет подробнее пояснено ниже.

Следует описать временную зависимость в виде синусоиды, задаваемой членом е^{i t}, где - угловая частота в радианах ( =2 f, f - частота в герцах), таким образом:

Уравнение 3

эдс, V,=-i NABe^{i t}

Самые первые магнитные индукционные датчики были просто индукционными катушками, соединенными с гальванометрами, которые измеряли ток, протекавший, когда выход катушки был, по существу, замкнут накоротко. Выходной сигнал тока измеряли на низких частотах, менее одного герца, но механический отклик гальванометра препятствовал использованию гальванометра на более высоких частотах. С открытием электронных усилителей измерение напряжения, генерируемого катушкой, стало значительно более удобным с практической точки зрения. Поскольку эдс пропорциональна магнитной индукции, пронизывающей катушку, желательно увеличить магнитный поток посредством введения материала с высокой магнитной проницаемостью внутрь обмотки, что обеспечивает эффект увеличения эффективной площади поперечного сечения катушки и тем самым - уменьшения размера (диаметра) контура для заданного генерируемого напряжения. Вот почему этот эффект предусмотрен в системе согласно настоящему изобретению.

При наличии магнитно-проницаемого сердечника магнитный поток концентрируется внутри обмоток. Ввиду эффектов размагничивания этот магнитный поток увеличивается с коэффициентом, равным эффективной магнитной проницаемости _эфф, которая всегда меньше, чем истинная магнитная проницаемость материала, _ист. Теперь выходной сигнал катушки можно записать в виде:

Уравнение 4

эдс, V,=- _эффNA( В/ Т) или эдс, V,=-i N _эффNAe^{i t}

Эффективная проницаемость достигает истинной проницаемости при увеличении отношения длины сердечника к его диаметру. Чтобы воспользоваться преимуществами магнитно-проницаемого сердечника, длинным тонким конструкциям катушек отдают предпочтение перед короткими толстыми конструкциями. Обмотки многовитковой катушки, которую обычно называют соленоидом ввиду удлиненной формы катушки, реализуемой для получения преимущества, обуславливаемого длиной, позволяющей достичь высокой _эфф, имеют подходящую межпроводную емкость, которая воздействует, в основном, как параллельное реактивное сопротивление на собственную индуктивность катушки и активное сопротивление обмотки. Эквивалентная схема для типичной индукционной катушки показана на фиг.3.

Следовательно, реальная катушка характеризуется собственной индуктивностью L, активным сопротивлением R и емкостью С, которые зависят от эффективной магнитной проницаемости, количества витков, диаметра, удельного сопротивления и общей длины провода, а короче говоря - от геометрии обмотки. Глобальная задача конструирования состоит в том, чтобы увеличить отношение выходного сигнала напряжения к шуму системы, подверженное ограничениям на массу и размер (длину) катушки. Шум системы, в свою очередь, обусловлен собственным электронным шумом катушки (шумом Джонсона) и материала катушки, а также шумом усилителя, к которому подсоединена катушка.

В случае более высоких частот распределенная емкость С обмоток катушки имеет резко выраженное влияние на отклик, в сущности, закорачивая выходной сигнал V. Она также вносит саморезонанс в катушку на резонансной частоте ₀=1/ LC, что дает преимущество дополнительного увеличения выходного сигнала на резонансной частоте, но обуславливает и недостаток, заключающийся во введении быстро изменяющегося фазового отклика в непосредственной близости резонанса. Эта характеристика обуславливает тенденцию к значительным изменениям в поле ввиду малых механических искажений, вносимых изменениями температуры, что в свою очередь ведет к изменению емкости. Современный критерий конструирования требует максимизации отклика в рассматриваемой полосе частот. Таким образом, основная задача при конструировании обмотки состоит в минимизировании емкости и конечно необходимо одновременно предусмотреть количество витков обмотки, достаточное для получения адекватного напряжения на выходе усилителя.

Важным аспектом конструирования индукционной катушки в соответствии с изобретением является согласование катушки с усилителем. Ввиду ограничений, накладываемых на известные электронные блоки, в предпочтительном варианте реализации изобретения сначала конструируют усилитель. Полное описание элементов конструкции многовитковой индукционной обмотки соленоида приведено в справочнике Hill and Bostick (1962) (упоминаемом в данном описании для справок). После оптимизации конструкции приемника по размеру, а также его физического внедрения в возможные входные усилители, решают проблему затухания вследствие эффекта обсадной трубы. Как упоминалось выше, чувствительность на выходе системы катушки и усилителя подвергается непрогнозируемому негативному воздействию вследствие наличия электропроводной обсадной трубы (обычно стальной или алюминиевой). На фиг.5-8 изображены системы и способы, позволяющие решить эту проблему в соответствии с изобретением.

На фиг.5 показано условное изображение базисной системы 509 магнитного приемника, содержащей сердечник 511 с высокой магнитной проницаемостью и основную обмотку 513, расположенную вокруг сердечника 511 с высокой магнитной проницаемостью, для образования индукционной катушки 515. Как показано на чертеже, выводы обмотки 513 соединены либо со входом операционного усилителя 517, либо - что предпочтительнее - с предварительным усилителем катушки. В других конкретных вариантах осуществления предлагаемой системы возможно применение обмотки с центральным выводом для уменьшения электростатической наводки.

В одном аспекте изобретения разработан новый, более предпочтительный способ измерения магнитных полей внутри обсадной трубы скважины, в котором предусматриваются этапы уменьшения эффекта обсадной трубы, влияющего на измерение магнитного поля. В еще одном аспекте изобретения применяется новый, более эффективный способ или методология для решения проблем затухания при этих измерениях. Например, разработанный способ основан, по меньшей мере - частично, на теории, в соответствии с которой, если система приемника (т.е. катушка плюс усилитель) испытывает большие изменения отклика из-за вариаций в обсадной трубе, то можно получить новый, предпочтительный способ уменьшения или подавления эффекта обсадной трубы путем измерения и тестирования различных сочетаний катушки и усилителя. Кроме того, можно применять различные сочетания для количественной оценки изменений отклика и установления корреляции этих изменений со свойствами обсадной трубы. Например, изменения отклика сочетания катушки и усилителя можно количественно оценить и зарегистрировать в части изменения таких свойств обсадной трубы, как коррозионный износ или толщина стенки, создавая таким образом средство для установления корреляции отклика системы (в поле) со значениями девиаций в свойствах обсадной трубы.

На фиг.4 представлен типичный спектральный отклик для чувствительной индукционной катушки. При осуществлении первого возможного способа, напряжение, генерируемое на выводах обмотки 513 катушки, усиливается по линейному закону посредством минимальной фильтрации. Получаемый отклик катушки как функция частоты на выходе предварительного усилителя 519 хорошо согласуется с необработанным выходным сигналом обмотки 521 катушки и отображает рост индуктивности, резонансный пик и уменьшение емкости, которые очевидны в необработанном выходном сигнале. Заявитель установил, что указанный первый возможный способ менее (чем другие способы, описываемые ниже) подходит для низкочастотных индуктивных антенн, потому что фазовая устойчивость отклика в непосредственной близости с резонансом является относительно неудовлетворительной, а более сильные сигналы на некоторых частотах (например, 60 Гц) могут создавать проблемы динамического диапазона.

При осуществлении второго возможного способа проблема значительной изменяемости фазы и устойчивости при переходе через резонансную частоту устраняется путем введения обмотки обратной связи вокруг основного измерительного соленоида и использования выходного напряжения для возбуждения тока в этой обмотке обратной связи, что вызывает, по существу, обнуление изменения в выходном сигнале катушки. Полное описание конструкции и свойств катушек с обратной связью представил Clerk (1971) (эта работа упоминается в данном описании для справок).

На фиг.6 представлено упрощенное условное изображение системы 609 магнитного приемника, предназначенной для использования совместно с предлагаемым способом. Система 609 магнитного приемника включает в себя сердечник 611 с высокой магнитной проницаемостью, вокруг которого расположена основная обмотка 613 (для образования основной катушки 623). В этой системе 609 магнитного приемника основная обмотка или катушка 613 соединена со входным выводом операционного усилителя 615 (например, усилителя модели AD743, который распространяет фирма Analog Devices, Inc.). Кроме того, вокруг сердечника 611 также расположена вторая обмотка или обмотка обратной связи, обозначенная позицией 617 (для образования катушки 621 обратной связи). Усилитель 615 также предпочтительно соединен с фильтром 619, который соединен с катушкой 621 обратной связи (через резистор 641 обратной связи) и обеспечивает выдачу в нее выходного сигнала. Усилитель 615, катушка 621 обратной связи, резистор 641 обратной связи и фильтр 619 можно, по меньшей мере, в этом случае назвать «устройством обратной связи».

В режиме обратной связи системы 609 магнитного приемника осуществляется возбуждение тока обратной связи через обмотку обратной связи в направлении, противоположном протеканию тока в основной обмотке 613 (например, противоположном направлению протекания из обмотки 613 или между этой обмоткой и входом в усилитель 615). Поэтому ток обратной связи пропорционален дополнительному магнитному полю в сердечнике, а не его производной по времени, в результате чего в сердечнике генерируется еще одно магнитное поле, которое противоположно дополнительному полю в сердечнике (и, следовательно, по существу, подавляет его). Кроме того, поскольку ток обратной связи подается обратно в усилитель (в направлении, противоположном тому, которое ведет ко входу усилителя), шум усилителя также уменьшается в той же пропорции, что и дополнительное магнитное поле внутри сердечника. В результате, поддерживается отношение «сигнал-шум», характерное для «отсутствия обратной связи».

В рассматриваемой полосе частот датчик функционирует как магнитометр, потому что его выходной сигнал пропорционален дополнительному магнитному полю, а не его производной по времени. На фиг.7 показан обычный спектральный отклик 725 такой катушки с обратной связью, который характеризуется изгибом «А», изгибом «В» и широкой горизонтальной областью 625а между ними. Изгиб «А» определяется усилением на низких частотах, обеспечиваемым усилителем, и не зависит от активного сопротивления основной обмотки. Изгиб «В» определяется усилением на высокой частоте. Таким образом, форма фильтра в контуре обратной связи определяется требуемой шириной полосы и необходимостью избегать высокочастотных колебаний.

Как показано на фиг.7, в предлагаемом датчике используется магнитная конструкция с обратной связью, обеспечивающая устойчивый отклик в виде прямой горизонтальной линии на нескольких декадах частоты. И амплитудная, и фазовая характеристики (отклики) весьма устойчивы при вариациях между датчиками, не превышающих 0,1 дБ по амплитуде и ±1,0 градус по фазе. Для частот, которые ниже области горизонтального отклика, отклик датчика пропорционален частоте сигнала, так что датчик действует как индикатор параметра B/ t. Способ обратной связи по магнитному полю в соответствии с изобретением обеспечивает длительный срок службы и температурную устойчивость датчиков.

Альтернативный способ обеспечения затухания воздействия электропроводной обсадной трубы можно назвать способом усиления тока. На фиг.8 показано схематичное изображение системы 809 магнитного приемника, предназначенной для использования совместно с указанным предлагаемым способом. На фиг.8 также представлена иллюстрация спектрального отклика 825а для системы 809. Система 809 приемника включает в себя магнитно-проницаемый сердечник 811 и основную обмотку 813, расположенную вокруг сердечника 811, которые совместно образуют основную катушку 823. Система 809 также оснащена средством обратной связи, которое можно охарактеризовать как включающее в себя усилитель 815 и схему обратной связи, содержащую резистор R_oc обратной связи, обозначенный позицией 831, а также совокупность резистора 833 и конденсатора 835.

Операционный усилитель 825, показанный на фиг.8, выполнен в форме усилителя тока. Как показано на чертеже, один вывод обмотки 813 соединен со входом операционного усилителя 825, а между входом и выходом этого операционного усилителя 825 подсоединена схема обратной связи, включающая в себя резистор R_oc 831, резистор 833 и конденсатор 835. Таким образом, катушка 823 на самом деле замкнута накоротко в усилителе 825, а выходной сигнал тока из усилителя 825 можно подавать обратно из этого усилителя 825 в катушку 823 через схему обратной связи (но в противоположном направлении). Коэффициент усиления схемы обратной связи можно задать посредством манипулирования значениями R и/или R_oc.

Электромагнитное поле, генерируемое в катушке 823 внешним магнитным полем, вызывает циркуляцию тока в катушке 823, замкнутой накоротко. Этот ток генерирует магнитный поток в сердечнике 811 приемника, противоположный магнитному потоку, генерируемому внешним полем. Когда этот ток преобразуется в выходной сигнал напряжения в усилителе 815 тока, «чистый» результат заключается в получении выходного спектрального отклика, аналогичного отклику усилителя обратной связи, показанного на фиг.6, с широкой горизонтальной областью 825а. Основное различие заключается в том, что изгиб «А» определяется отношением активного сопротивления (R или R_oc) к индуктивности катушки 823. Следовательно, отклик ниже изгиба зависит от активного сопротивления провода обмотки, которое в значительной степени зависит от температуры. Важно отметить, что схему обратной связи используют для исключения возможности колебаний на более высоких частотах, возникающих из-за того, что частотный отклик катушки 823 вне ее основного резонансного пика является комплексным. Несмотря на подверженность этому или иному прогнозируемому недостатку, данный предлагаемый способ уменьшения затухания измеряемого магнитного поля можно успешно использовать, сконструировав усилитель таким образом, что изгиб «А» будет ниже рассматриваемой полосы частот при всех температурах.

В любом случае, система, показанная на фиг.8, обеспечивает ток обратной связи, который протекает через основную обмотку 813 в противоположном направлении, тем самым подавляя или, в противном случае, уменьшая дополнительное магнитное поле способом, аналогичным описанному в связи с системой, показанной на фиг.6. В результате, магнитное поле, измеренное приемником, оказывается меньшим (т.е. затухание уменьшается). При осуществлении вышеупомянутых предложенных способов (т.е. тех, которые проиллюстрированы на фиг.6 и 8), входной шум усилителя преимущественно подается обратно в приемник, при этом его подача на вход усилителя осуществляется с противоположным знаком, что приводит к уменьшению шума усилителя в той же пропорции, в какой уменьшается дополнительное магнитное поле (в сердечнике). Таким образом, поддерживается отношение «сигнал-шум», характерное для системы «без обратной связи».

На фиг.9-11 представлены рабочие характеристики, иллюстрирующие работу предлагаемой системы (т.е. конкретно системы, показанной на фиг.6) и применение предлагаемого способа. В частности, фиг.9 иллюстрирует уменьшенное затухание (из-за эффекта обсадной трубы) измеряемого магнитного поля, достигнутое посредством использования упомянутой системы в стальной обсадной трубе с толщиной стенки 3/8 дюйма. Пунктирная кривая показывает обычное затухание электромагнитной энергии на различных частотах, когда предлагаемые система и способ не используются. Сплошная кривая показывает уменьшенное затухание для той же обсадной трубы, достигнутое в результате использования предлагаемых системы и способа. Разницу между этими кривыми можно назвать изменением затухания. Значения, представленные на обеих кривых, предпочтительно основаны на теоретическом значении или отклике системы без учета затухания. Такой базисный отклик можно получать, воспользовавшись классическим способом измерения напряжения, выдаваемого из системы, когда эта система заключена в известное, пространственно постоянное магнитное поле в воздухе. Эти измерения можно осуществлять в заданном диапазоне частот, что обеспечивает генерирование полного спектрального отклика системы в воздухе.

В одном аспекте настоящего изобретения предложен способ обнаружения и/или количественной оценки уменьшенного затухания и/или изменения затухания для некоторой конкретной обсадной трубы и скважинного оборудования. В этом аспекте график, представленный на фиг.9, можно назвать представляющим собой отклик изменения затухания для некоторой конкретной окружающей среды вокруг обсадной трубы и скважинного оборудования (а более конкретно, вокруг некоторого сочетания устройства обратной связи и индукционной катушки) в соответствии с изобретением. Такой отклик является индивидуальным свойством обсадной трубы и скважинного оборудования, которое в известных технических решениях не рассмотрено, не учтено и не предположено. Еще важнее то, что, будучи индивидуальным, изменяемым на месте свойством обсадной трубы, это свойство позволяет получить полезную информацию о состоянии и характерных признаках обсадной трубы и скважинного оборудования.

При осуществлении доработки, система и способ в соответствии с изобретением обеспечивают - в качестве еще одного аспекта изобретения - возможность измерения магнитного поля с обычным затуханием и с уменьшенным затуханием. Более конкретно, предлагаемые система и способ обеспечивают или дают возможность осуществить измерение измеримого магнитного поля как в режиме с обратной связью, так и в режиме без обратной связи.

На фиг.10 представлены кривые отклика для различных комбинаций стальной обсадной трубы и системы приемника. Значения изменения затухания показаны на фиг.10 для различных частот. Кривая «диполя» характеризует теоретическое затухание, испытываемое при использовании приемника с немагнитной катушкой. Эти кривые или модели отклика можно получить экспериментально и построить для различных рассматриваемых комбинаций магнитного приемника и обсадной трубы. Значения изменения затухания в поле можно измерять, заставляя систему магнитного приемника работать в обоих режимах - с обратной связью и без обратной связи - и на изменяемых частотах (получаемых за счет работы передатчика). Таким образом получают фактическую кривую изменения затухания для обсадной трубы и окружающей обсадную трубу среды, после чего эту кривую можно сравнить с ожидаемым или базисным откликом, представленным на графиках, построенных с помощью модели (см., например, фиг.10). В альтернативном варианте можно использовать один или более приемников с немагнитными сердечниками совместно с приемниками, оснащенными устройствами обратной связи.

На фиг.11А и 11В представлен отклик для различных комбинаций приемника и обсадной трубы. В частности, на фиг.11А и 11В отображен эффект обсадной трубы, наблюдаемый в диапазоне частот для этих различных сочетаний.

Эта разновидность контроля позволит, помимо всего остального, выявлять отклонения фактического отклика затухания от прогнозируемого или базисного отклика. Потом можно установить корреляцию этих отклонений с некоторыми физическими свойствами обсадной трубы и скважинного оборудования. Например, некоторые отклонения или картины могут указывать на изменения толщины стенки обсадной трубы, концентраций коррозионного износа, концентраций пониженного удельного сопротивления и т.д. В предпочтительном варианте такие аномалии в свойствах можно легко распознать путем моделирования и генерирования соответствующих кривых отклика, рассматриваемых совместно с кривыми отклика, показанными на фиг.10.

В предпочтительном варианте количество витков основной обмотки приемника определяется с учетом шумов и прогнозируемой частоты саморезонанса. Последняя определяет частоту наименьшего шума.

Конструирование обмотки становится итеративным процессом, так как выбор усилителя определяет шум входного тока, который создает шум напряжения посредством индуктивности катушки, которая зависит от количества витков. Поскольку случайные шумы суммируются по Закону Квадратного Корня (Square Root Law) лучший рабочий параметр шумов системы получается в случае, когда вклады всех шумов сделаны примерно одинаковыми. Для упрощения этого процесса технические характеристики входного усилителя пришлось подбирать в соответствии с условием, что индуктивность катушки составляет от 200 до 1000 генри.

В предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения используется устройство под названием AD 745. Коммерческие поставки или продажу этого устройства осуществляет вышеупомянутая фирма Analog Devices, Inc. На частоте 50 Гц шум напряжения этого устройства составляет а шум его тока - Этот шум тока превращается в шум напряжения, составляющий для индуктивности 1000 генри при 100 Гц.

Это также относится к шуму Джонсона, создаваемому активным сопротивлением обмотки. Заявитель сначала рассмотрел вариант, предусматривающий наличие 16000 витков, а потом - вариант, предусматривающий наличие 64000 витков. Исходя из дополнительного рассмотрения имеющегося пространства и требуемой механической прочности, этому приложению лучше всего удовлетворяет провод №26.

При среднем диаметре витков, составляющим 2,3 дюйма, необходимая суммарная длина провода для упомянутых двух обмоток, соответственно составляет 10 и 40 килофутов. Удельное сопротивление обмотки составляет 400 Ом и 4 кОм. Эти параметры соответствуют шуму Джонсона величиной 2,5 и 8 нВ/ Гц. Эти значения шума приемлемы по сравнению с другими вкладами шума, описанными ранее.

Вышеизложенное подробное описание изобретения представлено в иллюстративных целях. Следует отметить, что это описание не ограничивает изобретение к рассмотренным здесь системе, устройству и способу. Различные аспекты вышеописанного изобретения применимы для других типов измерений или устройств, систем и способов обнаружения. Например, вышеописанные способы определения затухания можно использовать в связи с другими системами измерения магнитных полей или другими средами измерения, или могут быть изменены либо объединены для получения результатов, предпочтительных, в частности, в приложении, связанном с подобными измерениями. Кроме того, способы определения затухания (или вышеописанные системы) можно внедрить в способы измерения или обнаружения некоторых свойств обсадной трубы скважины или скважинного оборудования, или использовать при осуществлении этих способов. Такие изменения изобретения будут очевидны для специалистов в соответствующей области измерений, геофизики или техники, ознакомившихся с данным описанием. Следовательно, изменения и модификации, соответствующие вышеуказанным положениям, квалификации и знанию уровня техники, находятся в рамках объема притязаний настоящего изобретения. Конкретные варианты осуществления, описанные выше и проиллюстрированные на чертежах, также предназначены для пояснения наилучших вариантов практической реализации изобретения; например, описанные системы магнитных приемников предназначены, в частности, для использования совместно с предлагаемым способом и для обеспечения возможности осуществления изобретения специалистами в данной области техники в других конкретных вариантах осуществления и посредством различных модификаций, обусловленных конкретными вариантами приложения или использования настоящего изобретения.