прибор для каротажных измерений микросопротивления анизотропной среды с применением монополярного инжектирующего токового электрода

Формула изобретения

1. Каротажный прибор (100) для выполнения измерений микросопротивления, содержащий:

корпус (110) каротажного прибора;

монополярный инжектирующий токовый электрод (160), конфигурация которого позволяет инжектировать в пласт переменный электрический ток;

первую пару измерительных электродов (212, 214), расположенную на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода (160) в первом направлении;

вторую пару измерительных электродов (226, 228), расположенную на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода (160) во втором направлении; и

блок управления, конфигурация которого позволяет (i) осуществлять прохождение переменного тока между монополярным инжектирующим токовым электродом (160) и обратным электродом (170) и (ii) измерять первую и вторую разности потенциалов между соответствующими первой и второй парами измерительных электродов (212, 214; 226, 228).

2. Прибор (100) для проведения каротажа по п.1, отличающийся тем, что блок управления имеет конфигурацию, позволяющую выполнять практически одновременные измерения первой разности потенциалов и второй разности потенциалов.

3. Каротажный прибор (100) по п.1, отличающийся тем, что содержит:

первый комплект (210) измерительных электродов, расположенный на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода (160) в первом направлении, при этом первый комплект включает по меньшей мере первую пару измерительных электродов (212, 214) и третью пару измерительных электродов (216, 218), и при этом измерительные электроды первой пары (212, 214) расположены на некотором расстоянии друг от друга в первом направлении, а измерительные электроды третьей пары (216, 218) расположены на некотором расстоянии друг от друга во втором направлении; и

второй комплект (220) измерительных электродов, расположенный на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода (160) во втором направлении, при этом второй комплект включает по меньшей мере вторую пару измерительных электродов (226, 228) и четвертую пару измерительных электродов (222, 224), и при этом измерительные электроды второй пары (226, 228) расположены на некотором расстоянии друг от друга в первом направлении, а измерительные электроды четвертой пары (222, 224) расположены на некотором расстоянии друг от друга во втором направлении.

4. Каротажный прибор (100) по п.3, отличающийся тем, что блок управления имеет конфигурацию, позволяющую выполнять практически одновременные измерения первого, второго, третьего и четвертого напряжений переменного тока с помощью соответствующих первой, второй, третьей и четвертой пар измерительных электродов (212, 214; 226, 228; 216, 218; 222, 224).

5. Каротажный прибор (100) по п.4, отличающийся тем, что блок управления имеет конфигурацию, позволяющую вычислять тензор удельного сопротивления пласта, исходя из измерений напряжений переменного тока.

6. Каротажный прибор (100) по п. 1, отличающийся тем, что он также включает обратный электрод (170), указанный обратный электрод (170) обеспечивает путь возврата для электрического тока, инжектированного инжектирующим токовым электродом (160), указанный обратный электрод (170) располагается в корпусе (110) прибора и расположен на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода (160).

7. Каротажный прибор (100) по п.6, отличающийся тем, что отношение расстояния (l), разделяющего инжектирующий токовый электрод (160) и обратный электрод (170) в осевом направлении, к диаметру (d) корпуса прибора (110) для проведения каротажа в процессе бурения составляет по меньшей мере десять.

8. Каротажный прибор (100) по п.6, отличающийся тем, что отношение расстояния (l), разделяющего инжектирующий токовый электрод (160) и обратный электрод (170) в осевом направлении, к расстоянию (k) между инжектирующим токовым электродом (160) и измерительными электродами (212, 214, 216, 218, 222, 224, 226, 228) составляет по меньшей мере десять.

9. Каротажный прибор (100) по п. 1, отличающийся тем, что монополярный инжектирующий токовый электрод (160) имеет дипольную примесь, не превышающую приблизительно 5%.

10. Каротажный прибор (100) по п. 1, отличающийся тем, что первое направление и второе направление ортогональны по отношению друг к другу.

11. Каротажный прибор (100) по п. 10, отличающийся тем, что первое направление параллельно продольной оси (105) корпуса (110) прибора.

12. Каротажный прибор (100) по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит первый и второй обратные электроды (170A, 170B), позволяющие образовать первый и второй пути возврата электрического тока, инжектированного инжектирующим токовым электродом (160), при этом инжектирующий токовый электрод (160) располагается по оси между первым и вторым обратными электродами (170A, 170B).

13. Каротажный прибор (100) по п. 1, отличающийся тем, что блок управления имеет дополнительную конфигурацию, позволяющую вычислять соответствующие первое и второе значения удельного сопротивления пласта, исходя из результатов измерений первой и второй разностей потенциалов.

14. Способ (300) для выполнения каротажных измерений микросопротивления анизотропной среды, согласно которому:

(а) прибор для каротажа микросопротивления помещают в стволе скважины (40), при этом указанный прибор для каротажа включает в себя (i) монополярный инжектирующий токовый электрод (160) и (ii) по меньшей мере первую и вторую пары измерительных электродов (212, 214), при этом первая пара измерительных электродов (212, 214) находится на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода (160) в первом направлении, а вторая пара измерительных электродов (226, 228) находится на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода (160) во втором направлении;

(б) монополярный инжектирующий токовый электрод (160) инжектирует переменный электрический ток в окружающий подземный пласт;

(в) выполняют практически одновременное измерение первой разности потенциалов переменного тока между измерительными электродами (212, 214) первой пары и второй разности потенциалов переменного тока между измерительными электродами (226, 228) второй пары; и

(г) вычисляют первое и второе значения удельного сопротивления, исходя из соответствующих значений первой и второй разностей потенциалов переменного тока, измеренных на этапе (в).

15. Способ (300) по п.14, отличающийся тем, что значения удельного сопротивления вычисляются на этапе (г), пользуясь следующими математическими уравнениями:

и



при этом R₁ и R₂ представляют собой первое и второе значения удельного сопротивления, V₁ и V₂ представляют собой значения первой и второй разностей потенциалов переменного тока, измеренные на этапе (в), I представляет собой силу переменного тока, инжектируемого на этапе (б), а k₁ и k₂ представляют собой геометрические коэффициенты, соответствующие первому и второму направлениям.

16. Способ (350) по п.14, в котором каротажный прибор (100) дополнительно включает по меньшей мере третью и четвертую пары измерительных электродов (216, 218, 222, 224), при этом первая и третья пары измерительных электродов (212, 214; 216, 218) находятся на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода (160) в первом направлении, а вторая и четвертая пары измерительных электродов (226, 228; 222, 224) находятся на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода (16) во втором направлении; отличающийся тем, что включает:

выполнение практически одновременного измерения первой, второй, третьей и четвертой разностей потенциалов переменного тока между соответствующими измерительными электродами первой, второй, третьей и четвертой пар (212, 214; 226, 228; 216, 218; 222, 224);

и при этом вычисление значений удельного сопротивления включает в себя:

обработку результатов измерений первой, второй, третьей и четвертой разностей потенциалов переменного тока для получения тензора напряжения; и

вычисление тензора удельного сопротивления, исходя из полученного тензора напряжения.

17. Способ (350) по п.16, отличающийся тем, что тензор напряжения V получают на этапе (г) согласно следующему математическому уравнению:



где V_zz представляет собой первую разность потенциалов переменного тока, V_zx представляет собой вторую разность потенциалов переменного тока, V_xz представляет собой третью разность потенциалов переменного тока, а V_xx представляет собой четвертую разность потенциалов переменного тока, измеренные на этапе (в); и нижние индексы z и x представляют осевое направление и направление, перпендикулярное осевому.

18. Способ (350) по п.16, отличающийся тем, что тензор удельного сопротивления R вычисляют на этапе (д), пользуясь следующим математическим уравнением:



где k_xx, k_xz, k _zx и k_zz представляют собой геометрические коэффициенты каротажного прибора для каждой из соответствующих разностей потенциалов, измеренных на этапе (в), а I представляет собой силу переменного тока, инжектируемого на этапе (б).

19. Способ (300, 350) по п. 16, отличающийся тем, что первое направление практически параллельно продольной оси (105) каротажного прибора (100), а первое и второе направления ортогональны друг другу.

20. Способ (300, 350) по п. 16, где прибор (100) для каротажа микросопротивления дополнительно содержит азимутальный датчик (140), а этап (в) дополнительно включает измерение азимутального угла с помощью азимутального датчика (140), отличающийся тем, что дополнительно включает:

(е) корреляцию вычисленного тензора удельного сопротивления с азимутальным углом, измеренным на этапе (в).

Описание изобретения к патенту

Настоящая заявка истребует приоритет по заявке № 12/649930 на патент США, зарегистрированной 30 декабря 2009 г.

Настоящее изобретение касается в целом каротажных измерений микросопротивления. Более конкретно варианты воплощения настоящего изобретения касаются прибора для каротажных исследований, конфигурация которого позволяет выполнять измерения микросопротивления анизотропной среды.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время в скважинных исследованиях широко применяются измерения электрических параметров, например каротаж в процессе бурения (КПБ) и кабельный каротаж. Такие технологии могут применяться для определения удельного сопротивления подземного пласта, результаты которого в совокупности с результатами измерения пористости пласта могут служить показателем наличия углеводородов в исследуемом пласте. Например, в данной области хорошо известно, что пористые пласты, обладающие высоким удельным электрическим сопротивлением, часто содержат углеводороды, например сырую нефть, в то время как пористые пласты с низким электрическим сопротивлением часто насыщены водой. Следует понимать, что термины «удельное сопротивление» и «проводимость» в данной области часто являются взаимозаменяемыми. Специалисты обычного уровня квалификации в данной области легко поймут, что эти величины являются взаимно обратными и что путем простых математических вычислений их можно преобразовывать одну в другую. Упоминание одной или другой из этих величин сделано здесь, исходя из удобства описания, и не предназначено для установления ограничений.

В настоящее время широко известны технологии выполнения измерений микросопротивления подземных пластов при проведении как операций кабельного каротажа, так и операций КПБ. Например, датчики микросопротивления, обладающие конфигурацией, предназначенной для применения с непроводящей скважинной текучей средой, обычно включают по меньшей мере одну пару измерительных электродов, помещенных между инжектирующим токовым электродом и соответствующим обратным токовым электродом. В процессе работы такой системы между инжектирующим и обратным токовыми электродами пропускают переменный ток и измеряют разность потенциалов (падение напряжения) между измерительными электродами. После этого, исходя из результатов измерений разности потенциалов, можно вычислить удельное сопротивление пласта в области размещения измерительных электродов. Специалисты обычного уровня квалификации поймут, что удельное сопротивление пласта приблизительно пропорционально полученной разности потенциалов.

Технологии выполнения измерений микросопротивления анизотропной среды также хорошо известны в данной области. Например, в патенте США № 6765386, принадлежащем Джианзеро и др. (Gianzero et al), раскрывается прибор, содержащий первые и вторые инжектирующие токовые электроды. Первый инжектирующий токовый электрод располагается на некотором расстоянии по вертикали от соответствующего обратного электрода, и его конфигурация позволяет индуцировать вертикальный ток. Второй инжектирующий токовый электрод располагается на некотором расстоянии по горизонтали от соответствующего обратного электрода, и его конфигурация позволяет индуцировать горизонтальный ток. Кроме того, прибор включает множество пар измерительных электродов, помещаемых между инжектирующими токовыми электродами и обратными токовыми электродами. В процессе работы прибора для получения результатов измерений микросопротивления сначала пропускают ток между первой парой токовых электродов, а затем - между второй парой токовых электродов.

Такие технологии измерения могут быть приемлемыми для выполнения измерений микросопротивления анизотропной среды, однако имеется большое поле для их усовершенствования, в частности для выполнения измерений микросопротивления анизотропной среды с разложением по азимуту в ходе получения изображений по КПБ.

Поэтому существует потребность получить усовершенствованные способ и инструмент для выполнения измерений микросопротивления, способствующие решению описанных выше проблем и/или в целом предлагающие альтернативные или улучшенные варианты существующих систем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аспекты настоящего изобретения направлены на удовлетворение описанных выше потребностей относительно получения усовершенствованного устройства и способа выполнений измерений микросопротивления в анизотропной среде. В одном варианте воплощения настоящего изобретения, представленном в качестве примера, прибор для каротажного измерения микросопротивления включает в себя датчик, имеющий монополярный инжектирующий токовый электрод и по меньшей мере первую и вторую пары измерительных электродов. Этот прибор также может включать в себя блок управления, конфигурация которого позволяет выполнять измерения микросопротивления анизотропной среды, применяя одиночный разряд тока от монополярного инжектирующего токового электрода. Этот блок управления может также иметь конфигурацию, позволяющую вычислять двумерный тензор удельного сопротивления, прилегающего к скважине пласта. Способы создания такого двумерного тензора измеренных значений также описаны здесь.

Варианты воплощения настоящего изобретения, представленные здесь в качестве примера, могут дать несколько технических преимуществ. Представленные в качестве примера варианты воплощения настоящего изобретения позволяют получить данные измерений микросопротивления анизотропной среды. Например, один из представленных вариантов воплощения настоящего изобретения позволяет вычислить двумерный тензор удельного сопротивления, исходя из измерений разностей потенциала, являющихся результатом одиночного разряда, создаваемого монополярным инжектирующим токовым электродом. Это способствует повышению точности измерений, а также сохраняет ограниченной величину мощности в скважине. Применение одиночного разряда от инжектирующего токового электрода позволяет еще сильнее сократить длительность измерения, что, в свою очередь, способствует повышению азимутальной чувствительности.

В вариантах воплощения прибора в соответствии с настоящим изобретением также может быть задействован удаленный обратный электрод (например, расположенный с электрической точки зрения практически на бесконечном расстоянии от инжектирующего токового электрода). Применение удаленного обратного токового электрода способствует устранению отклонений при измерении потенциала, вызванных неоднородностями среды вблизи обратного токового электрода. Тем самым результирующие измерения можно сделать чувствительными только к объему пласта, располагающемуся непосредственно вокруг инжектирующего электрода, что способствует повышению точности и надежности описанных выше тензорных измерений.

В одном аспекте настоящее изобретение включает в себя прибор для выполнения каротажных измерений микросопротивления в скважине. Этот прибор включает в себя монополярный инжектирующий токовый электрод, расположенный на корпусе каротажного прибора и имеющий конфигурацию, позволяющую инжектировать переменный электрический ток внутрь пласта. Этот прибор также включает в себя первую пару измерительных электродов, располагающихся на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода в первом направлении, и вторую пару измерительных электродов, располагающихся на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода во втором направлении. Конфигурация блока управления позволяет (i) пропускать переменный ток между монополярным инжектирующим и обратным токовыми электродами и (ii) измерять первую и вторую разности потенциалов между соответствующими первой и второй парами измерительных электродов.

В другом аспекте настоящее изобретение включает в себя прибор для каротажных измерений микросопротивления в скважине. Этот прибор включает в себя монополярный инжектирующий токовый электрод, располагающийся на корпусе прибора для каротажных измерений и имеющий конфигурацию, позволяющую инжектировать переменный электрический ток внутрь пласта. Этот прибор также включает в себя первый и второй комплекты измерительных электродов. Первый комплект находится на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода в первом направлении и включает по меньшей мере первую и вторую пары измерительных электродов, при этом измерительные электроды первой пары находятся на некотором расстоянии друг от друга в первом направлении, а измерительные электроды второй пары находятся на некотором расстоянии друг от друга во втором направлении. Второй комплект измерительных электродов находится на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода во втором направлении и включает по меньшей мере третью и четвертую пары измерительных электродов, при этом измерительные электроды третьей пары находятся на некотором расстоянии друг от друга в первом направлении, а измерительные электроды четвертой пары находятся на некотором расстоянии друг от друга во втором направлении. Конфигурация блока управления позволяет (i) пропускать переменный ток между инжектирующим и обратным токовыми электродами и (ii) практически одновременно выполнять первое, второе, третье и четвертое измерения напряжений переменного тока с помощью соответствующих первой, второй, третьей и четвертой пар измерительных электродов.

Еще в одном аспекте настоящее изобретение включает в себя способ выполнения каротажных измерений микросопротивления анизотропной среды. Прибор для выполнения каротажных измерений микросопротивления опускают в скважину. Этот каротажный прибор содержит монополярный инжектирующий токовый электрод и по меньшей мере первую и вторую пары измерительных электродов, при этом первая пара измерительных электродов находится на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода в первом направлении, а вторая пара измерительных электродов находится на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода во втором направлении. Переменный электрический ток от монополярного инжектирующего токового электрода инжектируется в подземный пласт, и первую и вторую разности потенциалов переменного тока измеряют между соответствующими измерительными электродами первой и второй пар. Исходя из полученных значений первой и второй разности потенциалов переменного тока, вычисляются первое и второе значения удельного сопротивления.

Еще в одном аспекте настоящее изобретение включает в себя способ выполнения каротажных измерений микросопротивления анизотропной среды. Прибор для выполнения каротажных измерений микросопротивления спускают в скважину. Этот каротажный прибор содержит монополярный инжектирующий токовый электрод и по меньшей мере первую, вторую, третью и четвертую пары измерительных электродов, при этом первая и вторая пары измерительных электродов находятся на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода в первом направлении, а третья и четвертая пары измерительных электродов находятся на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода во втором направлении. Переменный электрический ток от монополярного инжектирующего токового электрода инжектируют в подземный пласт, и первую, вторую, третью и четвертую разности потенциалов переменного тока измеряют между соответствующими первой, второй, третьей и четвертой парами измерительных электродов. Исходя из полученных значений первой и второй разности потенциалов переменного тока, получают тензор напряжения, который, в свою очередь, применяют для вычисления тензора удельного сопротивления.

В предшествующих параграфах этого раздела в общих чертах обозначены особенности и технические преимущества настоящего изобретения для того, чтобы лучше понять представленное ниже подробное описание настоящего изобретения. Ниже будут описаны и дополнительные особенности и преимущества настоящего изобретения, составляющие предмет изобретения, определенный формулой изобретения. Квалифицированные специалисты в данной области поймут, что описанные здесь концепцию и конкретные варианты воплощения изобретения вполне можно использовать в качестве основания для осуществления модификаций или разработки других конструкций, предназначенных для выполнения тех же задач, что и настоящее изобретение. Квалифицированным специалистам в данной области также будет понятно, что такие эквивалентные конструкции не будут выходить за рамки объема изобретения, определенные содержащейся в приложении формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для более полного понимания настоящего изобретения и преимуществ, которые дает его применение, данное описание составлено со ссылками на представленные чертежи.

На Фигуре 1 показана традиционная буровая установка, на которой могут применяться варианты воплощения настоящего изобретения, представленные здесь в качестве примера.

На Фигуре 2 в качестве примера показан один вариант воплощения прибора для каротажных измерений микросопротивления в соответствии с настоящим изобретением.

На Фигуре 3A в качестве примера показан вариант воплощения датчика микросопротивления, показанного на Фигуре 2.

На Фигуре 3B показан альтернативный вариант воплощения датчика в соответствии с настоящим изобретением.

На Фигуре 4 показан продольный разрез датчика микросопротивления, показанного на Фигуре 3A.

На Фигуре 5 схематично показано сравнение монополярного и дипольного электродов.

На Фигуре 6 показан альтернативный вариант воплощения прибора каротажного измерения микросопротивления в соответствии с настоящим изобретением.

На Фигуре 7 показана в качестве примера блок-схема одного способа выполнения измерения по настоящему изобретению.

На Фигуре 8 показана в качестве примера блок-схема другого способа выполнения измерения по настоящему изобретению.

На Фигурах с 1 по 8 показаны в качестве примеров варианты воплощения настоящего изобретения. Рассмотрение Фигур с 1 по 8 дает возможность понять, что представленные особенности или аспекты указанных вариантов воплощения могут быть показаны на различных видах. Если такие особенности и аспекты являются общими для конкретных видов, то они имеют одни и те же числовые обозначения. Следовательно, описание какого-либо аспекта или особенности, имеющих конкретное числовое обозначение на одном виде на Фигурах с 1 по 8, может быть отнесено к этому же числовому обозначению, показанному на других видах.

На Фигуре 1 в качестве примера показан один вариант воплощения прибора 100 для каротажных измерений микросопротивления в процессе бурения, применяемый на морской буровой установке, обозначенной общим номером 10. На Фигуре 1 полупогружная буровая платформа 12 расположена над газовым или нефтяным пластом (не показан), расположенным под дном 16 моря. Подводный трубопровод 18 проходит от палубы 20 платформы 12 до оборудования 22 в устье скважины. Эта платформа может включать в себя буровую вышку и подъемный механизм для поднимания и опускания колонны 30 бурильных труб, которая, как показано, проходит в ствол скважины 40 и включает буровое долото 32 и прибор 100 для каротажа в процессе бурения. Представленные в качестве примеров варианты воплощения прибора 100 КПБ включают по меньшей мере один датчик 150 микросопротивления и удаленный обратный электрод 170. Колонна 30 буровых труб может также содержать, например, погружной буровой двигатель, систему гидроимпульсной скважинной телеметрии, отклоняющий инструмент и/или один либо несколько из множества датчиков ИВБ (измерений во время бурения) и КПБ, предназначенных для измерения глубинных характеристик скважины и окружающего ее пласта.

Специалистам общего уровня квалификации в данной области будет понятно, что размещение элементов установки, показанное на Фигуре 1, представлено в качестве примера для описания настоящего изобретения, поданного здесь. Следует также понимать, что каротажные приборы по настоящему изобретению могут применяться не только для полупогружной платформы 12, как показано на Фигуре 1. Измерительный прибор 100 равным образом подходит для применения в операции подземного бурения любого вида как на море, так и на суше. На Фигуре 1 измерительный прибор 100 показан в соединении с буровой колонной 30, однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается вариантами воплощения для КПБ, но может также применяться в приборах для кабельного каротажа микросопротивления.

На Фигуре 2 показана часть одного представленного в варианте воплощения каротажного прибора 100. Как описано выше по отношению к Фигуре 1, каротажный прибор 100 включает в себя датчик 150 микросопротивления и удаленный обратный электрод 170, расположенные на корпусе 110 прибора КПБ. Здесь показано, что обратный электрод 170 расположен на корпусе 110 прибора, однако следует понимать, что его можно поместить в любом месте колонны буровых труб, например в другом приборе, установленном в оборудовании внизу бурильной колонны. Более того, хотя это и не показано на Фигуре 2, однако следует понимать, что либо датчик 150, либо обратный электрод 170, либо они оба могут располагаться, например, в лопасти стабилизатора или в рукаве увеличенного диаметра, чтобы уменьшить величину расстояния между датчиком 150 и стенкой скважины. Такие варианты обычно являются предпочтительными в тех применениях, которые касаются работы с буровым раствором на основе нефти (непроводящим).

В варианте воплощения продольная ось датчика микросопротивления практически параллельна продольной оси 105 прибора 100. Более того, в представленном в качестве примера варианте воплощения, показанном на Фигуре 2, датчик 150 и обратный электрод 170 располагаются на той же стороне прибора (т.е. в том же положении окружности корпуса прибора). Следует понимать, что эти соображения не ограничивают настоящее изобретение.

Прибор 100 для КПБ может по выбору также включать азимутальный датчик 140, конфигурация которого позволяет измерять азимутальный угол (угол относительно лицевого направления прибора) датчика 150 микросопротивления практически в реальном времени в процессе бурения. Приемлемые азимутальные датчики в типичном случае включают один или несколько акселерометров, магнитометров и/или гироскопов и хорошо известны в данной области. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается какой-либо конфигурацией азимутального датчика или даже применением азимутального датчика.

Как видно на Фигуре 2 в совокупности с Фигурой 3A, датчик 150 включает в себя монополярный инжектирующий токовый электрод 160. Датчик 150 также включает в себя отстоящие друг от друга друг от друга первый и второй измерительные электроды 212 и 214, а также третий и четвертый измерительные электроды 226 и 228, расположенные на некотором расстоянии друг от друга. Конфигурация инжектирующего токового электрода 160 позволяет ему инжектировать высокочастотный переменный электрический ток в подземный пласт (и, следовательно, он может быть электрически подключен к источнику высокочастотного переменного тока, как описано подробнее ниже при рассмотрении Фигуры 4). В представленном в качестве примера варианте воплощения первый и второй измерительные электроды 212 и 214 отделены некоторым расстоянием (по вертикали) друг от друга и от монополярного инжектирующего электрода 160. Третий и четвертый измерительные электроды 226 и 228 расположены на некотором расстоянии друг от друга по окружности (горизонтально) друг от друга и от монополярного инжектирующего электрода 160. В представленном в качестве примера варианте воплощения измерительные электроды 212, 214, 226 и 228 отделены и электрически изолированы от инжектирующего токового электрода посредством обычного изолирующего материала 155. Этот электрод также может включать экранирование, например, описанное более подробно при рассмотрении Фигур 7A и 7B в принадлежащей этому же правообладателю совместно рассматриваемой заявке на патент США 12/649885 (патентный реестр № 09-PAT39), включенной сюда в полном объеме путем ссылки.

На Фигуре 3B показан альтернативный вариант воплощения датчика 150' в соответствии с настоящим изобретением. Датчик 150' включает в себя монополярный инжектирующий токовый электрод 160, а также первый и второй комплекты 210 и 220 измерительных электродов. В представленном в качестве примера варианте воплощения комплект 210 расположен на некотором расстоянии по оси (вертикально смещен) от монополярного инжектирующего токового электрода 160 и включает в себя по меньшей мере первую пару отстоящих друг от друга по оси измерительных электродов 212 и 214, а также по меньшей мере вторую пару отстоящих друг от друга по окружности прибора (горизонтально смещенных) измерительных электродов 216 и 218. Второй комплект 220 расположен на некотором расстоянии по окружности прибора (горизонтально смещен) от инжектирующего токового электрода 160, а также включает по меньшей мере первую пару отстоящих друг от друга по оси измерительных электродов 222 и 224, а также по меньшей мере вторую пару отстоящих друг от друга по окружности измерительных электродов 226 и 228. В представленном в качестве примера варианте воплощения инжектирующий токовый электрод 160 располагается на оси между обратным электродом 170 и первым комплектом 210, хотя настоящее изобретение не ограничивается в этом отношении.

На Фигуре 4 показан продольный разрез варианта воплощения датчика 150, показанного на Фигуре 3. Хотя это и не показано на Фигуре 4, однако каротажный прибор 100 также содержит блок управления, содержащий источник 220 высокочастотного переменного тока, противоположные полюса которого электрически соединены с инжектирующим токовым электродом 160 и обратным электродом 170. Типичная конфигурация источника тока 220 позволяет пропускать высокочастотный переменный ток с заданными параметрами между электродами 160 и 170 (например, частотой в диапазоне от приблизительно 0,1 до приблизительно 10 МГц). Конфигурация блока управления может также давать возможность измерять разность потенциалов переменного тока (напряжение переменного тока) между различными парами измерительных электродов, показанных на Фигуре 3 (например, с помощью вольтметра с высоким импедансом) и вычислять значение удельного сопротивления, исходя из измеренной разности потенциалов. Технологии измерения падения напряжения хорошо известны в данной области и поэтому обсуждаться здесь не будут.

В вариантах воплощения датчика, представленных в качестве примера на Фигурах 3A и 3B, измерительные электроды расположены друг от друга на некотором расстоянии в осевом направлении или по окружности (в направлении, перпендикулярном оси). Такие конфигурации в целом являются предпочтительными, поскольку они дают возможность непосредственно измерять падение напряжения в осевом направлении и в направлении, перпендикулярном оси, однако настоящее изобретение совершенно не ограничивается в этом отношении. Пары измерительных электродов можно аналогичным образом располагать под углом к оси или к направлению, перпендикулярному оси. Специалисты обычного уровня квалификации в данной области хорошо знакомы с математическими процедурами для преобразования результатов измерений из одной системы отсчета (системы координат) в другую.

Как видно на Фигуре 2, обратный электрод 170 в оптимальном варианте находится на некотором расстоянии от инжектирующего токового электрода 160, в результате чего инжектирующий токовый электрод 160 функционирует практически как чисто монополярный электрод. Под термином «монополярный» подразумевается то, что инжектирующий токовый электрод 160 эмитирует практически однородный ток (т.е. такой, что плотность тока практически одинакова во всех направлениях). В отличие от монополярного источника на дипольный источник оказывает влияние наличие (место установки или положение) обратного электрода, в результате чего эмитируемый ток является неоднородным (т.е. в одном направлении имеет большую величину, чем в другом). Если считать электрод 160 практически чисто монополярным, то под этим подразумевается, что инжектирующий токовый электрод 160 имеет дипольную примесь, не превышающую приблизительно 5%, а в предпочтительном варианте - приблизительно 2%.

Это различие между монополярным и дипольным электродами можно подробнее описать, рассматривая инжектирующие токовые электроды, схематично показанные на Фигуре 5. Как указывалось выше (и как показано схематично на Фигуре 5), монополярный инжектирующий токовый электрод 252 эмитирует практически однородный ток 254 в наружном направлении. В отличие от этого дипольный инжектирующий токовый электрод 256 эмитирует неоднородный ток 258 в наружном направлении. В схематичной иллюстрации, показанной на Фигуре 5, дипольный инжектирующий токовый электрод соединен с обратным электродом (не показанным на Фигуре 5), расположенным над инжектором. Близость обратного электрода в показанном примере вынуждает ток идти предпочтительно вверх.

Один из способов получения практически чисто монополярного инжектирующего токового электрода состоит в том, чтобы расположить обратный электрод 170 на бесконечном расстоянии в электрическом смысле по отношению к инжектирующему токовому электроду 160. В непроводящем буровом растворе (на основе нефти) этого можно практически достичь, например, если отношение расстояния l в осевом направлении между инжектирующим токовым электродом 160 и обратным электродом 170 к диаметру d утяжеленной бурильной трубы (отношение l/d) превышает приблизительно 5. Предпочтительно, чтобы это отношение (l/d) превышало приблизительно 10. В некоторых вариантах воплощения изобретения отношение l/d может превышать приблизительно 20 или даже приблизительно 50.

Установку обратного электрода 170 в электрической бесконечности можно также считать практически выполненной, если отношение расстояния l в осевом направлении к расстоянию k между инжектирующим токовым электродом 160 и измерительными электродами 212 и 214 (отношение l/k) будет превышать приблизительно 5. Предпочтительно, чтобы это отношение (l/k) превышало приблизительно 10. В некоторых вариантах воплощения изобретения отношение l/k может превышать приблизительно 20 или даже приблизительно 50.

Подразумевается, что варианты воплощения прибора для проведения каротажа в соответствии с настоящим изобретением не ограничиваются вариантами, включающими только один обратный электрод. Например, на Фигуре 6 показан альтернативный вариант воплощения прибора 100', включающий первый и второй обратные электроды 170A и 170B, расположенные по оси выше и ниже датчика 150. Оба обратных электрода 170A и 170B подключены к источнику 220 переменного тока, хотя на Фигуре 6 это и не показано. Преимущество применения первого и второго обратных электродов 170A и 170B может состоять в том, что оно повышает однородность инжектируемого тока и поэтому может быть предпочтительным для определенных каротажных работ. В представленном варианте воплощения изобретения, показанном в качестве примера, датчик 150 расположен симметрично между обратными электродами 170A и 170B, хотя настоящее изобретение не ограничивается таким вариантом в этом отношении.

На Фигуре 7 в качестве примера показан один из способов 300 воплощения настоящего изобретения, предназначенный для выполнения измерений микросопротивления анизотропной среды. Согласно Фигуре 7, прибор для измерения микросопротивления сначала опускают (этап 302) в подземный ствол скважины, предпочтительно содержащий непроводящий буровой раствор. Прибор включает монополярный инжектирующий токовый электрод и по меньшей мере первую и вторую пары измерительных электродов, например, таких, как показаны на Фигуре 3A для варианта воплощения датчика 150. На этапе 304 переменный ток пропускается между монополярным инжектирующим токовым электродом и обратным электродом, в результате чего ток инжектируется в подземный пласт. На этапе 306 измеряется первое значение напряжения (падение потенциала) переменного тока между первой парой электродов в соответствующем первом направлении (например, между измерительными электродами 212 и 214 на Фигуре 3A). На этапе 308 измеряется второе значение напряжения (падение потенциала) переменного тока между второй парой электродов в соответствующем втором направлении (например, между измерительными электродами 226 и 228 на Фигуре 3A). В одном варианте воплощения настоящего изобретения этапы 306 и 308 выполняются практически одновременно. Затем на этапе 310 могут быть вычислены первое и второе значения удельного сопротивления (в соответствующих первом и втором направлениях).

Одно из преимуществ представленных в качестве примера вариантов воплощения настоящего изобретения состоит в том, что они позволяют выполнять измерения микросопротивления анизотропной среды с помощью одиночного разряда от монополярного инжектирующего токового электрода. Выполнение одновременных или практически одновременных измерений разностей потенциалов переменного тока между различными парами электродов позволяет достичь повышенной азимутальной чувствительности. Следует понимать, что эти измерения разностей потенциалов необязательно должны выполняться точно в один и тот же момент времени. Под термином «практически одновременно» (или «практически в один и тот же момент времени») подразумевается, что данные измерения выполняются за столь короткий интервал, что поворот прибора за интервал времени между следующими друг за другом измерениями будет минимальным. Например, если прибор вращается со скоростью 120 об/мин, то интервал между измерениями, составляющий несколько миллисекунд, можно считать достаточно коротким для того, чтобы считать измерения практически одновременными.

Первое и второе значения сопротивления могут вычисляться на этапе 310 с помощью следующего математического уравнения:

Уравнение 1

где R₁ и R₂ представляют собой первое и второе значения сопротивления, V₁ и V₂ представляют собой значения напряжений переменного тока, измеренные на этапах 306 и 308, I представляет собой силу переменного тока, пропускаемого на этапе 304, а k₁ и k₂ представляют собой геометрические коэффициенты в первом и втором направлениях. В одном предпочтительном варианте воплощения изобретения этими первым и вторым направлениями могут быть осевое направление и направление, перпендикулярное осевому (вертикальное и горизонтальное направления), тогда значения сопротивления можно вычислить на этапе 310 следующим образом:

Уравнение 2

здесь индексы и представляют осевое направление и направление, перпендикулярное оси.

На Фигуре 8 в качестве примера показан еще один вариант воплощения способа 350 выполнения измерений микросопротивления анизотропной среды по настоящему изобретению. Согласно Фигуре 8, прибор для измерения микросопротивления сначала опускают в подземный ствол скважины, предпочтительно содержащий непроводящий буровой раствор. Указанный прибор включает монополярный инжектирующий токовый электрод, а также по меньшей мере первый и второй комплекты измерительных электродов, например, таких, как показаны на Фигуре 3B, представляющей вариант воплощения датчика 150'. На этапе 354 между монополярным инжектирующим токовым электродом и обратным электродом пропускают переменный ток, тем самым инжектируя ток в подземный пласт. На этапе 356 измеряют первое значение напряжения (падение потенциала) переменного тока между первой парой электродов в соответствующем первом направлении (например, между измерительными электродами 212 и 214 на Фигуре 3B). На этапе 358 измеряют второе значение напряжения переменного тока между второй парой электродов в соответствующем втором направлении (например, между измерительными электродами 216 и 218). На этапе 360 измеряют третье значение напряжения переменного тока между третьей парой электродов в первом направлении (например, между измерительными электродами 222 и 224 на Фигуре 3B). На этапе 362 измеряют четвертое значение напряжения переменного тока между четвертой парой электродов во втором направлении (например, между измерительными электродами 226 и 228). В одном из вариантов воплощения настоящего изобретения этапы 356, 358, 360 и 362 выполняют практически в одно и то же время. Из результатов измерений напряжений переменного тока, полученных на этапах 356, 358, 360 и 362, можно составить двумерный тензор напряжения и применить его на этапе 364 для вычисления соответствующего двумерного тензора удельного сопротивления.

Из результатов измерений напряжений переменного тока, полученных на этапах 356, 358, 360 и 362, можно составить двумерный тензор напряжения, например, такого вида:

Уравнение 3

где V_zz представляет собой разность потенциалов, измеренную между электродами 212 и 214, V_zx представляет собой разность потенциалов, измеренную между электродами 216 и 218, V_xz представляет собой разность потенциалов, измеренную между электродами 222 и 224, а V_xx представляет собой разность потенциалов, измеренную между электродами 226 и 228. Следует понимать, что в этой системе индексации измеряемых значений напряжения первый индекс показывает местное направление распространения электрического тока (например, направление, на котором отстоят друг от друга комплект 210 или 220 и инжектирующий токовый электрод 160), а второй индекс показывает направление измеряемой разности потенциалов (между соответствующей парой электродов).

Затем тензор напряжений V можно применить для вычисления тензора R кажущегося удельного сопротивления путем умножения каждого измеренного элемента тензора напряжений на соответствующий нормализованный геометрический коэффициент, например, так:

Уравнение 4

где k_xx, k_xz , k_zx и k_zz представляют собой соответствующие геометрические коэффициенты для каждого из измерений напряжений, а I представляет собой значение силы инжектируемого тока у инжектирующего токового электрода 160. Тензор удельных сопротивлений можно использовать для дальнейших преобразований, например для определения анизотропии пласта или для учета наклона ствола скважины по отношению к плоскости напластования. Такое применение описано, например, в патенте США 7545145.

Согласно Фигурам 2 и 4, измерительный прибор 100 обычно включает дополнительный блок управления или блок управления с дополнительными функциями. Приемлемый блок управления в типичном случае включает программируемый процессор (не показан), например микропроцессор или микроконтроллер, а также может включать логические элементы, содержащие читаемый процессором или читаемый компьютером программный код, включая инструкции для управления работой прибора. Такой блок управления может применяться, например, для выполнения измерений микросопротивления анизотропной среды в ходе бурения, например, для выполнения контролируемых этапов в способах 300 и 350.

Представленные в качестве примеров варианты воплощения настоящего изобретения особенно хорошо подходят для применений, связанных с получением изображения ствола скважины. Поэтому можно создать такую конфигурацию подходящего блока управления, которая бы позволяла создавать карту микросопротивления подземного пласта на основе каротажа в процессе бурения. В таких применениях результаты измерений микросопротивления можно получать и коррелировать с соответствующими азимутальными измерениями (полученными, например, от датчиков направления 140, установленных в приборе 100) во время вращения прибора в стволе скважины. А для выполнения таких задач блок управления может содержать инструкции для корреляции по времени измерений от датчика КПБ с измерениями от азимутального датчика (по лицевой стороне прибора). Измерения датчика КПБ можно также коррелировать с измерениями глубины. Изображения ствола скважины можно создавать с помощью практически любых известных методов, например, включая алгоритмы сортировки по общей глубинной площадке, организации окон или распределения вероятности. В патенте США 5473158 раскрывается применение традиционного алгоритма сортировки по общей глубинной площадке для создания изображения ствола скважины. Коллективный патент США 7027926, принадлежащий Хогланду (Haugland), раскрывает технологию создания изображения ствола скважины, применяющую свертку данных от датчика с одномерной вырезающей функцией. Коллективный патент США 7558675, принадлежащий Сугиуре (Sugiura), раскрывает технологию создания изображения, в которой данные от датчиков распределяются в вероятностном режиме по одному или двум измерениям.

Подходящий блок управления может также по выбору включать другие контролируемые компоненты, например другие датчики, устройства хранения данных, источники питания, таймеры и тому подобное. Как было описано выше, блок управления можно устанавливать так, чтобы он мог осуществлять электронный обмен данными с различными датчиками, установленными в буровой системе. Блок управления может также по выбору устанавливаться с возможностью обмена данными с другими приборами в колонне бурильных труб, например с телеметрическими системами, которые, в свою очередь, обмениваются данными с поверхностью или с отклоняющим инструментом. Такой обмен данными может значительно повысить управление азимутом искривления ствола скважины. Блок управления может также по выбору включать энергозависимые или энергонезависимые запоминающие устройства или устройства, позволяющие осуществлять глубинное хранение данных измерения силы тока, микросопротивления и/или изображений КПБ. Настоящее изобретение не ограничивается указанными вариантами в этом отношении.

Здесь подробно описано настоящее изобретение и его преимущества, однако следует понимать, что предусмотрена возможность выполнения различных изменений, замен и вариаций, не выходя за рамки объема изобретения, определенные представленной в приложении формулой изобретения.