комплексный инструмент для электродного измерения удельного сопротивления и эм телеметрии

Формула изобретения

1. Комплексный инструмент для измерения удельного сопротивления и телеметрии для использования в стволе скважины, содержащий

утяжеленную бурильную трубу, включающую в себя верхнюю часть и нижнюю часть, разделенные изолированным зазором,

электронный картридж, несущий телеметрическую схему, расположенный в утяжеленной бурильной трубе,

измерительный электрод, размещенный на утяжеленной бурильной трубе, и

схему для измерения удельного сопротивления, в ходе работы подключенную к измерительному электроду и электронному картриджу.

2. Инструмент по п.1, в котором электронный картридж включает в себя источник напряжения переменного тока для обеспечения разности потенциалов на изолированном зазоре.

3. Инструмент по п.2, в котором источник напряжения переменного тока может работать на множественных частотах для телеметрических операций и операций по измерению удельного сопротивления.

4. Инструмент по п.1, в котором электронный картридж дополнительно содержит чувствительное устройство.

5. Инструмент по п.1, в котором электронный картридж является извлекаемым.

6. Инструмент по п.1, в котором измерительный электрод включает в себя кольцевой электрод, компактный дисковый электрод или любую их комбинацию.

7. Инструмент по п.1, в котором изолированный зазор и измерительный электрод находятся на некотором расстоянии друг от друга, причем расстояние выбрано так, чтобы создать требуемую глубину исследования для измерения удельного сопротивления.

8. Инструмент по п.1, в котором схема для измерения удельного сопротивления поддерживает на измерительном электроде, по существу, такой же потенциал, что и на части утяжеленной бурильной трубы, несущей измерительный электрод.

9. Инструмент по п.1, в котором схема для измерения удельного сопротивления входит в состав электронного картриджа.

10. Инструмент по п.1, в котором схема для измерения удельного сопротивления входит в состав входной электронной сборки, отдельной от электронного картриджа.

11. Инструмент по п.1, в котором схема для измерения удельного сопротивления и телеметрическая схема соединены посредством индуктивного элемента связи.

12. Инструмент по п.1, в котором схема для измерения удельного сопротивления содержит операционный усилитель с низким входным сопротивлением.

13. Инструмент по п.1, в котором схема для измерения удельного сопротивления содержит операционный усилитель с высоким входным сопротивлением.

14. Инструмент по п.1, дополнительно содержащий чувствительный электрод, размещенный на утяжеленной бурильной трубе вблизи измерительного электрода.

15. Инструмент по п.14, в котором измерительный электрод является компактным дисковым электродом и чувствительный электрод представляет собой пару кольцевых электродов, окружающих компактный дисковый электрод.

16. Инструмент по п.14, в котором схема для измерения удельного сопротивления включает в себя усилитель с высоким входным сопротивлением, измеряющий разность потенциалов между двумя кольцевыми электродами и возбуждающий ток на измерительном электроде, в результате чего разность потенциалов равна нулю.

17. Инструмент по п.14, в котором измерительный электрод является кольцевым электродом и чувствительный электрод содержит две пары чувствительных кольцевых электродов, в котором одна пара чувствительных кольцевых электродов располагается над кольцевым электродом, а другая пара чувствительных кольцевых электродов располагается под кольцевым электродом.

18. Инструмент по п.14, в котором измерительный электрод является кольцевым электродом и чувствительный электрод содержит пару чувствительных кольцевых электродов, в котором пара чувствительных кольцевых электродов располагается вблизи кольцевого электрода.

19. Инструмент по п.14, в котором схема для измерения удельного сопротивления включает в себя усилитель с высоким входным сопротивлением, измеряющий разность потенциалов между двумя чувствительными электродами и возбуждающий ток на измерительном электроде, в результате чего разность потенциалов равна нулю.

20. Инструмент по п.1, в котором нижняя часть содержит полностью или частично компоновку низа бурильной колонны, причем компоновка низа бурильной колонны содержит различные скважинные инструменты.

21. Инструмент по п.18, в котором компоновка низа бурильной колонны содержит переходник и переходник несет измерительный электрод и схему для измерения удельного сопротивления.

22. Инструмент по п.18, в котором измерительный электрод и схема для измерения удельного сопротивления составляют часть одного или нескольких скважинных инструментов.

23. Способ получения измерения удельного сопротивления пласта с использованием телеметрического инструмента, расположенного в стволе скважины, причем телеметрический инструмент включает в себя утяжеленную бурильную трубу, имеющую верхнюю часть и нижнюю часть, разделенные изолированным зазором, и электронный картридж, несущий телеметрическую схему, способ содержит этапы, на которых

обеспечивают измерительный электрод на части и схему для измерения удельного сопротивления, в ходе работы подключенную к измерительному электроду и электронному картриджу,

создают напряжение на изолированном зазоре для возбуждения электрического тока в окружающем пласте,

получают телеметрическую информацию и

получают измерение удельного сопротивления пласта.

24. Способ по п.23, в котором измерительный электрод является компактным дисковым электродом и способ дополнительно содержит этапы, на которых вращают утяжеленную бурильную трубу и используют компактный дисковый электрод для создания карты удельного сопротивления стенки ствола скважины.

25. Способ по п.23, дополнительно содержащий этап, на котором извлекают электронный картридж.

26. Способ по п.23, дополнительно содержащий этап, на котором поддерживают на измерительном электроде, по существу, такой же потенциал, что и на части.

27. Способ по п.23, дополнительно содержащий этап, на котором выбирают расстояние разнесения между измерительным электродом и изолированным зазором для обеспечения требуемой глубины исследования.

28. Способ по п.23, дополнительно содержащий этапы, на которых

обеспечивают пару чувствительных электродов вблизи измерительного электрода,

измеряют разность потенциалов между двумя чувствительными электродами и

возбуждают ток на измерительном электроде, в результате чего разность потенциалов оказывается равной нулю.

29. Способ по п.23, дополнительно содержащий этап, на котором обеспечивают напряжения на множественных частотах для телеметрических операций и операций по измерению удельного сопротивления.

30. Инструмент измерения удельного сопротивления для использования в стволе скважины, содержащий

утяжеленную бурильную трубу, включающую в себя верхнюю часть и нижнюю часть, разделенные изолированным зазором,

измерительный электрод, размещенный на утяжеленной бурильной трубе, и

чувствительный электрод вблизи измерительного электрода, размещенный на части утяжеленной бурильной трубы, несущей измерительный электрод.

31. Инструмент по п.30, дополнительно содержащий источник напряжения переменного тока для обеспечения разности потенциалов на изолированном зазоре.

32. Инструмент по п.31, в котором источник напряжения переменного тока может работать на множественных частотах.

33. Инструмент по п.30, дополнительно содержащий электронный картридж, расположенный в утяжеленной бурильной трубе.

34. Инструмент по п.33, в котором электронный картридж является извлекаемым.

35. Инструмент по п.30, в котором измерительный электрод включает в себя кольцевой электрод, компактный дисковый электрод или любую их комбинацию.

36. Инструмент по п.35, в котором измерительный электрод является компактным дисковым электродом и чувствительный электрод представляет собой пару кольцевых электродов, окружающих компактный дисковый электрод.

37. Инструмент по п.36, в котором схема для измерения удельного сопротивления включает в себя усилитель с высоким входным сопротивлением, измеряющий разность потенциалов между двумя кольцевыми электродами и возбуждающий ток на измерительном электроде, в результате чего разность потенциалов равна нулю.

38. Инструмент по п.35, в котором измерительный электрод является кольцевым электродом и чувствительный электрод содержит две пары чувствительных кольцевых электродов, в котором одна пара чувствительных кольцевых электродов располагается над кольцевым электродом, а другая пара чувствительных кольцевых электродов располагается под кольцевым электродом.

39. Инструмент по п.35, в котором измерительный электрод является кольцевым электродом и чувствительный электрод содержит пару чувствительных кольцевых электродов, в котором пара чувствительных кольцевых электродов располагается вблизи кольцевого электрода.

40. Инструмент по п.30, дополнительно содержащий схему для измерения удельного сопротивления, в ходе работы подключенную к измерительному электроду и чувствительному электроду.

41. Инструмент по п.40, в котором схема для измерения удельного сопротивления поддерживает на измерительном электроде, по существу, такой же потенциал, как на чувствительном электроде и части утяжеленной бурильной трубы, несущей измерительный электрод.

42. Инструмент по п.40, в котором схема для измерения удельного сопротивления включает в себя усилитель с высоким входным сопротивлением, измеряющий разность потенциалов между двумя чувствительными электродами и возбуждающий ток на измерительном электроде, в результате чего разность потенциалов равна нулю.

43. Инструмент по п.30, в котором часть содержит полностью или частично компоновку низа бурильной колонны, причем компоновка низа бурильной колонны содержит различные скважинные инструменты.

44. Инструмент по п.43, в котором компоновка низа бурильной колонны содержит переходник и переходник несет измерительный электрод, чувствительный электрод и схему для измерения удельного сопротивления.

45. Инструмент по п.44, в котором изолированный зазор и переходник находятся на некотором расстоянии друг от друга, причем расстояние выбрано так, чтобы создать требуемую глубину исследования для измерения удельного сопротивления.

46. Инструмент по п.43, в котором измерительный электрод, чувствительный электрод и схема для измерения удельного сопротивления составляют часть одного или нескольких скважинных инструментов.

47. Инструмент измерения удельного сопротивления для использования в стволе скважины, содержащий

утяжеленную бурильную трубу, включающую в себя верхнюю часть и нижнюю часть, разделенные изолированным зазором,

управляющую схему для создания разности потенциалов на изолированном зазоре и

измерительный переходник, имеющий измерительный электрод и измерительную схему.

48. Инструмент по п.47, в котором управляющая схема может работать на множественных частотах.

49. Инструмент по п.47, в котором управляющая схема является извлекаемой.

50. Инструмент по п.47, в котором измерительный электрод включает в себя кольцевой электрод, компактный дисковый электрод или любую их комбинацию.

51. Инструмент по п.47, в котором измерительный переходник дополнительно содержит чувствительный электрод.

52. Инструмент по п.51, в котором измерительный электрод является компактным дисковым электродом и чувствительный электрод представляет собой пару кольцевых электродов, окружающих компактный дисковый электрод.

53. Инструмент по п.52, в котором схема для измерения удельного сопротивления включает в себя усилитель с высоким входным сопротивлением, измеряющий разность потенциалов между двумя кольцевыми электродами и возбуждающий ток на измерительном электроде, в результате чего разность потенциалов равна нулю.

54. Инструмент по п.51, в котором измерительный электрод является кольцевым электродом и чувствительный электрод содержит две пары чувствительных кольцевых электродов, в котором одна пара чувствительных кольцевых электродов располагается над кольцевым электродом, а другая пара чувствительных кольцевых электродов располагается под кольцевым электродом.

55. Инструмент по п.51, в котором измерительный электрод является кольцевым электродом и чувствительный электрод содержит пару чувствительных кольцевых электродов, в котором пара чувствительных кольцевых электродов располагается вблизи кольцевого электрода.

56. Инструмент по п.51, в котором измерительная схема поддерживает на измерительном электроде, по существу, такой же потенциал, как на чувствительном электроде и части утяжеленной бурильной трубы, несущей измерительный электрод.

57. Инструмент по п.51, в котором измерительная схема включает в себя усилитель с высоким входным сопротивлением, измеряющий разность потенциалов между двумя чувствительными электродами и возбуждающий ток на измерительном электроде, в результате чего разность потенциалов равна нулю.

58. Инструмент по п.47, в котором изолированный зазор и измерительный переходник находятся на некотором расстоянии друг от друга, причем расстояние выбрано так, чтобы создать требуемую глубину исследования для измерения удельного сопротивления.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к операциям в стволе скважины и, в частности к способам и устройству для интегрирования измерений удельного сопротивления в электромагнитный ("ЭМ") телеметрический инструмент.

Описание уровня техники

В ходе операций бурения ствола скважины информация, касающаяся геологических пластов и положения компоновки низа бурильной колонны ("КНБК"), часто необходима для эффективного и экономичного бурения ствола скважины. Таким образом, во многих скважинах компоновка низа бурильной колонны оборудована электромагнитными телеметрическими инструментами для режима измерения во время бурения ("MWD"). Эти инструменты MWD создают ток в окружающей породе и посредством телеметрической схемы сообщают телеметрическую информацию, касающуюся КНБК. Эта информация важна для управления траекторией ствола скважины и успешного размещения ствола скважины относительно нужных пластов-коллекторов.

Помимо телеметрической информации часто бывает необходимо иметь информацию о пласте для точного размещения ствола скважины. На практике каротажный инструмент, например инструмент измерения удельного сопротивления, опускают в ствол скважины для получения информации, которую можно использовать для идентификации конкретного пласта. В настоящее время информацию об удельном сопротивлении получают, опуская отдельный каротажный инструмент в ствол скважины для получения требуемой информации. Проведение каротажных операций отдельно от буровых работ значительно повышает стоимость буровых работ. В ряде случаев дополнительные затраты оправданы. Однако в других случаях затраты не оправдываются, и оператору приходится управлять траекторией ствола скважины на основании ограниченной информации о пласте.

Сущность изобретения

Ввиду вышеизложенных и других соображений предусмотрены устройство и способы для объединения возможностей измерения удельного сопротивления в ЭМ телеметрический инструмент и получения как данных удельного сопротивления, так и телеметрии.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, комплексный инструмент для электродного измерения удельного сопротивления и ЭМ телеметрии, имеющий утяжеленную бурильную трубу, включающую в себя первую часть и вторую часть, разделенные изолированным зазором, и телеметрический картридж, несущий телеметрическую схему, включающую в себя источник напряжения, генерирующий падение напряжения на изолированном зазоре, и осевой ток на бурильной колонне, который возвращается через геологический пласт, включает в себя изолированный измерительный электрод, подключенный к первой части, и схему для измерения удельного сопротивления, в ходе работы подключенную к измерительному электроду и телеметрической схеме.

Согласно варианту осуществления способа получения удельного сопротивления пласта с помощью электромагнитного телеметрического инструмента измерения во время бурения, имеющего утяжеленную бурильную трубу, включающую в себя первую часть и вторую часть, разделенные изолированным зазором, и телеметрический картридж, несущий телеметрическую схему, включающую в себя источник напряжения, генерирующий падение напряжения на изолированном зазоре, и осевой ток на бурильной колонне, который возвращается через геологический пласт, включает в себя этапы, на которых обеспечивают изолированный измерительный электрод на первой части и схему для измерения удельного сопротивления, в ходе работы подключенную к измерительному электроду и телеметрической схеме; создают напряжение на изолированном зазоре, возбуждающее электрический ток в окружающих геологических пластах; получают телеметрическую информацию и получают измерение удельного сопротивления геологического пласта.

Выше были кратко изложены признаки и технические преимущества настоящего изобретения, которые будут более понятны из нижеследующего подробного описания изобретения. Далее будут описаны дополнительные признаки и преимущества изобретения, составляющие предмет формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Вышеизложенные и другие признаки и аспекты настоящего изобретения можно лучше понять, если обратиться к нижеследующему подробному описанию конкретных вариантов осуществления изобретения, приведенному совместно с прилагаемыми чертежами, где:

фиг.1A-1C - общая схема ЭМ телеметрического инструмента для MVD;

фиг.2A-2B - иллюстрации варианта осуществления комплексного инструмента для электродного измерения удельного сопротивления и ЭМ телеметрии, в котором используются кольцевые измерительные электроды;

фиг.2C - вид варианта осуществления комплексного инструмента для электродного измерения удельного сопротивления и ЭМ телеметрии, в котором используются компактные дисковые измерительные электроды;

фиг.3 - схема системы и электрической схемы измерения удельного сопротивления;

фиг.4 - схема другой системы и электрической схемы измерения удельного сопротивления, в которой используется электронная сборка для измерения удельного сопротивления, в ходе работы подключенная к телеметрической электронике;

фиг.5 - иллюстрация комплексного скважинного инструмента для моделирования отклика комплексного инструмента для измерения удельного сопротивления и телеметрии;

фиг.6 - схема системы и электрической схемы сфокусированной матрицы для измерения удельного сопротивления;

фиг.7 - схема варианта осуществления комплексного инструмента для измерения удельного сопротивления и телеметрии с индуктивным элементом связи;

фиг.8 - вид в разрезе индуктивного элемента связи, показанного на фиг.7;

фиг.9A - схема измерения удельного сопротивления, заключенного в отдельный переходник, расположенный над буровой коронкой;

фиг.9B - схема измерения удельного сопротивления, заключенного в отдельный переходник, содержащий измерительный электрод;

фиг.9C - схема измерения удельного сопротивления, заключенного в отдельный переходник, содержащий измерительный и чувствительный электроды;

фиг.10A - схема измерения для построения изображения ствола скважины в отдельном переходнике, расположенном над буровым долотом;

фиг.10B - схема измерительного переходника для построения изображения ствола скважины, имеющего круглое поперечное сечение;

фиг.10C - схема переходника для построения изображения ствола скважины, на высаженном конце которого установлены компактные дисковые электроды;

фиг.11 - схема компактного дискового электрода с парой чувствительных кольцевых электродов.

Подробное описание

Обратимся к чертежам, где изображенные элементы не обязательно показаны в масштабе и где сходные или аналогичные элементы обозначаются одной и той же числовой позицией на нескольких чертежах.

Используемый здесь термины "верх" и "низ"; "верхний" и "нижний"; и другие аналогичные термины, указывающие положение относительно данной точки или элемента, используются для более ясного описания некоторых элементов вариантов осуществления изобретения. В целом, эти термины относятся к точке отсчета, например, поверхность, от которой начинаются буровые работы, считается верхней точкой, а полная глубина скважины считается самой нижней точкой.

На фиг.1A-1C показан отвечающий уровню техники электромагнитный телеметрический инструмент или инструмент измерения во время бурения ("MWD"), обозначенный как целое позицией 5. Инструмент MWD 5 включает в себя утяжеленную бурильную трубу 6, имеющую первую часть 12 и вторую часть 14, разделенные изолированным зазором 16. В иллюстрациях первая часть 12 является верхним соединением утяжеленной бурильной трубы, и вторая часть 14 является нижней частью утяжеленной бурильной трубы в целях иллюстрации, но не ограничения. Если не указано обратное, первая часть 12 может быть верхней или нижней частью утяжеленной бурильной трубы, и вторая часть 14 является противоположной частью относительно изолированного зазора 16. Изолированный зазор 16 обычно включает в себя штифтовое соединение 18 с керамическим покрытием и внутреннюю и внешнюю 20a, 20b изоляцию во избежание проникновения воды в штифтовое соединение 18 с керамическим покрытием. Тонкие стекловолоконно-эпоксидные цилиндры обеспечивают изоляцию внутри и снаружи утяжеленной бурильной трубы 6.

Электронный картридж 22 располагается в первой части 12 и, предпочтительно, в верхней части для извлечения. Электронный картридж 22 включает в себя источник 24 напряжения и телеметрическую схему и электрически соединен (электрический контакт 15) непосредственно с первой частью 12 утяжеленной бурильной трубы 6. Электронный картридж 22 также может включать в себя другие инструменты, например датчик гамма-излучения и геодезические приборы. Изолированный металлический стыковочный переводник 26 несет провода внутри утяжеленной бурильной трубы 5 от электронного картриджа 22 ко второй части 14. Стыковочный переводник 26 втыкается в электрический контакт (приемную часть) 27 во второй части 14, и электрический ток проходит по проводам во вторую часть 14. Как указано выше, желательно, чтобы электронный картридж 22 располагался в верхней части утяжеленной бурильной трубы, чтобы картридж и стыковочный переводник можно было, при необходимости, удалять из ствола скважины посредством проводной ловильной операции.

В ходе работы, как показано на фиг.1C, инструмент 5 располагается в стволе скважины или стволе скважины, пробуренном в земле. Инструмент 5 создает падение напряжения на изолированном зазоре 16, возбуждая осевой ток в бурильной колонне, который возвращается через геологический пласт. Первая и вторая части 12, 14 образуют два электрода под напряжениями V1 и V2, соответственно. В однородной среде, токи в пласте текут в приблизительно сферических оболочках. Инструмент 5 может создавать сильный электрический ток, который течет вдоль всей нижней части компоновки 28 низа бурильной колонны ("КНБК") к буровому долоту 30.

На фиг.2A-2C показаны иллюстративные варианты осуществления комплексного инструмента для электродного измерения удельного сопротивления и ЭМ телеметрии, отвечающего настоящему изобретению, обозначенного как целое позицией 10. Комплексный скважинный инструмент 10 содержит вышеописанный телеметрический инструмент 5 и дополнительно включает в себя один или несколько измерительных электродов 32 для обеспечения измерения удельного сопротивления в ЭМ телеметрическом инструменте 5. Добавляя измерительный электрод 32 и соответствующую электронику в инструмент 5 и используя изолированный зазор 16 и электронный картридж 22, можно получить измерение удельного сопротивления хорошего качества с высоким разрешением по вертикали, что обеспечивает экономичность.

Измерительный электрод 32 может представлять собой кольцевой электрод (фиг.2A и 2B) или компактный дисковый электрод (фиг.2C). Кольцевые электроды азимутально-симметричны и облегчают обнаружение очень тонких слоев (например, толщиной в три дюйма при двухдюймовом электроде). Компактные дисковые электроды обладают азимутальной чувствительностью, позволяя измерять азимутальные изменения удельного сопротивления. Компактные дисковые электроды облегчают построение изображения ствола скважины, которое можно использовать для определения наклона, для обнаружения трещин и для забойного управления пластами бурения в искривленных скважинах. Следует понимать, что настоящее изобретение предусматривает совместное использование кольцевых и компактных дисковых электродов. На протяжении описания изобретения кольцевые и компактные дисковые электроды будем называть в целом измерительными электродами 32 для удобства и на соответствующих чертежах будем, в общем, обозначать и изображать их как кольцевые электроды. Однако изобретение в равной степени применимо к кольцевым и компактным дисковым электродам.

Согласно фиг.2A-2C, общая концепция настоящего изобретения будет описана применительно к кольцевому электроду. Изолированный измерительный электрод 32 расположен во второй или нижней части 12, хотя он может располагаться с любой стороны изолированного зазора 16. Измерительный электрод 32 изолирован 38 от утяжеленной бурильный трубы 6. Измерительный электрод 32 подключен к электронному картриджу 22 через стыковочный переводник 26. Следует также понимать, что измерительный электрод 32 и связанная с ним схема для измерения удельного сопротивления могут располагаться на переходнике в КНБК, отдельно от телеметрического инструмента для MVD.

Электрод может быть установлен на толстой секции стенки утяжеленной бурильной трубы 6, где расположены изолированный зазор 16 и стекловолоконно-эпоксидные цилиндры. Утяжеленная бурильная труба 6 должна быть длиннее, чем в инструменте 5 (приблизительно от 1 до 2 футов) для обеспечения пространства для измерительного электрода 32 и для обеспечения степени фокусировки, что обеспечивается частью утяжеленной бурильной трубы 6, обозначенной "V2" вблизи электрода 32 (фиг.2A и 2C). Для изготовления инструмента стекловолоконно-эпоксидный слой можно использовать для изоляции электрода 32, в то же время стекловолокно с эпоксидной смолой добавляется к утяжеленной бурильной трубе 6 поверх изолированного зазора 16. В стекловолокне с эпоксидной смолой можно проделать канавку для размещения электрода 32. Провода 40 питания могут быть подключены к электроду 32, расположенному в канавке, и соединены с электрическим контактом 27. Для измерительного электрода 32 требуется герметическая перегородка, поскольку перепад давления между пространством внутри (каналом 34) и снаружи утяжеленной бурильной трубы 6 может быть значительным. Стыковочный переводник 26 может включать в себя "влажное муфтовое" соединение 36, препятствующее возвращению тока через канал 34 в первую часть 12. Влажное муфтовое соединение позволяет создавать электрическое соединение при наличии флюидов, например, бурового раствора.

Электронный картридж 22 поддерживает на измерительном электроде 32 такой же потенциал, как на второй части 14 утяжеленной бурильной трубы 6, где расположен электрод 32. Нижняя часть 14 является эквипотенциальной поверхностью, таким образом, согласно фиг.2A, V2=V3=V4, где V2 - потенциал второй части 14 между изолированным зазором 16 и электродом 32, V3 - потенциал изолированного измерительного электрода 32, V4 - потенциал второй части 14 под изолированным электродом 32. Эта конфигурация напоминает матрицу "LL3". Матрица LL3 - это проводная система измерения удельного сопротивления, где над и под центральным измерительным электродом располагаются два длинных электрода, и где на всех трех электродах поддерживается одинаковый потенциал. Кажущееся удельное сопротивление от измерительного электрода 32 определяется выражением R_A=K_A (V3-V1)/I3, где K_A - постоянная, зависящая от геометрии электродов.

Как указано выше, компактный дисковый электрод (фиг.2C) можно использовать помимо или вместо кольцевого электрода. Компактный дисковый электрод 32 может быть установлен на одном уровне с внешней поверхностью утяжеленной бурильной трубы 6 или может быть установлен на высаженном конце (не показан) для сокращения расстояния от стенки ствола скважины.

На фиг.3, 4 и 6 показаны различные электрические схемы для измерения удельного сопротивления, отвечающие настоящему изобретению. На фиг.3, 4 и 6 измерительный электрод 32 расположен во второй части 14.

На фиг.3 показана первая схема 42 для измерения удельного сопротивления, встроенная в электронный картридж 22, где используется трансформатор, чувствительный к току, и операционный усилитель с низким входным сопротивлением. Измерительный электрод 32 присоединен ко второй части 14 утяжеленной бурильной трубы. Провод 44 подключен между источником напряжения 24 и первой частью 12 и проводит ток (I1). Провод 46 подключен между источником напряжения 24 и второй частью 14 и проводит ток (I2 и I4) ко второй части 14 утяжеленной бурильной трубы. Провод 48 дополнительно соединяет источник напряжения 24 и измерительный электрод 32, проводя ток электрода (I3) к измерительному электроду 32. Ток электрода I3 измеряется с использованием операционного усилителя 50 с низким входным сопротивлением и трансформатора 52. Если провод 48, трансформатор измерения тока и контакты, будучи соединены последовательно, имеют низкое сопротивление, то напряжение V3 на измерительном электроде 32 будет, по существу, таким же, как напряжение на второй части 14 утяжеленной бурильной трубы (т.е. V3=V2=V4). Влажно-муфтовый соединитель на стыковочном переводнике 26 (фиг.2B) гарантирует, что весь ток электрода I3 протекает вне утяжеленной бурильной трубы и не течет внутри утяжеленной бурильной трубы в первую часть 12 (V1).

На фиг.4 показана вторая схема 54 для измерения удельного сопротивления, встроенная во входную электронную сборку 56. Входная электронная сборка 56 или электроника для измерения удельного сопротивления расположена вблизи измерительного электрода 32 и обеспечивает фокусировку, обеспечивает измерительный ток электрода I3, измеряет отходящий ток и цифрует результаты для передачи обратно в электронный картридж 22. Входная электронная сборка 56 может располагаться в охранном кожухе, находящемся либо внутри утяжеленной бурильной трубы, либо в выемке, проделанной в утяжеленной бурильной трубе. Дополнительная проводка (не показана) может обеспечивать силовое и функциональное соединение между входной электронной сборкой 56 и электронной сборкой 22.

Операционный усилитель 58 с высоким входным сопротивлением подключен между второй частью 14 утяжеленной бурильной трубы и измерительным электродом 32. Разность потенциалов V между измерительным электродом 32 и второй частью 14 поступает на вход операционного усилителя 58 с высоким входным сопротивлением. Выходной ток I3 операционного усилителя 58 поступает на измерительный электрод 32 через калиброванный резистор 60. Падение напряжения на калиброванном резисторе 60, пропорциональное току I3, регистрируется. Операционный усилитель 58 обнуляет разность потенциалов для поддержания, по существу, одинакового потенциала на измерительном электроде 32 и второй части 14 утяжеленной бурильной трубы. Вторая схема 54 для измерения удельного сопротивления может устранять ошибки напряжения, которые могут иметь место в первой измерительной схеме 42 (фиг.3).

Рассмотрим пример результата измерения удельного сопротивления с помощью комплексного скважинного инструмента 10, в котором используются первая или вторая схема 42, 54. Очевидно, что результат измерения удельного сопротивления, имеющий место применительно к первой и второй схемам, также применим к сфокусированной электродной матрице и схеме 62, описанным ниже. Геометрия инструмента 10 представлена на фиг.5. Утяжеленные бурильные трубы 6 имеют диаметр в семь дюймов (15,4 см). Зазор 16 имеет двадцать восемь дюймов (61,6 см) стекловолоконно-эпоксидной изоляции 20. Вторая часть 14 включает в себя двенадцать дюймов (26,4 см) неизолированной утяжеленной трубы между зазором 16 и измерительным электродом 32. Измерительный электрод 32 имеет двухдюймовый (4,4 см) кольцевой электрод, имеющий один дюйм (2,2 см) изоляции с каждой стороны. Неизолированная утяжеленная труба имеет длину в двести девяносто восемь дюймов (655,6 см) ниже электрода 32. Центр измерительного электрода 32 имеет координату z=0, торец долота имеет координату z=-300 дюймов (660 см). Верхняя точка бурильной колонны имеет координату z=2000 дюймов (4400 см) в целях моделирования.

В целях моделирования предположим, что напряжение V3 на измерительном электроде 32 такое же, как на соседней утяжеленной бурильной трубе, и что эффекты сопротивления электрода пренебрежимо малы. Существует восемь неизвестных V1, V2, V3, V4, I1, I2, I3 и I4, соответствующих напряжениям на различных проводниках и токам, вытекающим из них. Вторая часть 14 утяжеленной бурильной трубы 6 является эквипотенциальной поверхностью (V2=V4). Условием фокусировки для измерительного электрода 32 является V3=V4. Закон сохранения заряда требует, чтобы I1+I2+I3+I4=0. I3 зададим равным 1 А, чтобы гарантировать нетривиальное решение. Остальные четыре уравнения, которые требуется решить, представлены в виде уравнения 1

(Уравнение 1)

где Zij - трансимпедансы между различными электродами.

Элементы Zij вычисляются на основании геометрии инструмента 10, геометрии пласта и величин удельного сопротивления.

В матричной записи четыре уравнения выражаются следующим образом (обратите внимание, что I - это вектор тока, а не единичный вектор)

(Уравнение 2)

Условия для напряжений можно преобразовать к виду

	(Уравнение 3а)
или	(Уравнение 3b)

Условия для токов можно преобразовать к виду

	(Уравнение 4а)
или	(Уравнение 4b)

Токи и напряжения можно найти следующим образом:

	(Уравнение 5) (Уравнение 6)
и	(Уравнение 7)

Кажущееся удельное сопротивление, определенное от изолированного зазора 16 до бурового долота 30 (фиг.1C), именуемое "удельное сопротивление долота", задается следующим образом:

(Уравнение 8)

Отрицательный знак необходим потому, что по условию I1<0. Коэффициенты K для измерительного электрода 32 и удельных сопротивлений долота можно получить, моделируя очень толстый слой с удельным сопротивлением 1 Ом м, без ствола скважины, и требуя, чтобы R_A=R _B=1 Ом м.

На фиг.6 представлена третья схема 62 для измерения удельного сопротивления. Схема 62 встроена во входную электронную сборку 56 или сборку для измерения удельного сопротивления. Входная электронная сборка 56 может располагаться в охранном кожухе, находящемся либо внутри утяжеленной бурильной трубы, либо в выемке, проделанной в утяжеленной бурильной трубе. Дополнительная проводка (не показана) может обеспечивать силовое и функциональное соединение между входной электронной сборкой 56 и электронной сборкой 22.

Схема 62 аналогична схеме 54, включая усилитель 58 с высоким входным сопротивлением и калиброванный резистор 60. Напряжение измеряется на калиброванном резисторе 60 для определения тока I3. Система схемы 32 включает в себя чувствительные электроды 64, присоединенные к той же части утяжеленной бурильной трубы, что и измерительный электрод 32, второй части 14 в иллюстрируемых вариантах осуществления изобретения. В случае кольцевого электрода (иллюстрируемого) чувствительные электроды 64 являются тонкими кольцами относительно измерительного электрода 32. В случае компактного дискового электрода, чувствительные электроды 64 являются круглыми кольцами, которые окружают компактный дисковый электрод и концентричны ему.

Согласно варианту осуществления изобретения, представленному на фиг.6, напряжения на четырех чувствительных электродах 64 обозначены, соответственно, V3, V4, V6 и V7. Напряжения на верхней части 14 утяжеленной бурильной трубы обозначены как V2 и V8, и напряжение на измерительном электроде 32 обозначено как V5.

Два самых внешних чувствительных электрода 64, относительно измерительного электрода 32, соединены друг с другом, поэтому V3=V7. Два самых внутренних чувствительных электрода 64, относительно измерительного электрода 32, также соединены друг с другом, поэтому V4=V6.

Операционный усилитель 58 с высоким входным сопротивлением обнуляет падение напряжения (т.е. V3-V4=V7-V6 0; или V3+V7-V4-V6 0). Ток I5 на измерительном электроде 32 определяется из напряжения на резисторе 60.

Схема 62 обеспечивает ряд преимуществ для системы. Во-первых, когда падение напряжения на чувствительных электродах 64 равно нулю, не существует полного осевого тока, текущего в стволе скважины вблизи измерительного электрода 32. Таким образом, ток, исходящий из измерительного электрода 32, течет радиально в пласт. Это минимизирует влияние ствола скважины и позволяет измерять очень высокие удельные сопротивления пласта в буровых растворах с очень низким удельным сопротивлением.

Система схемы 62 значительно снижает эффекты сопротивления электрода, которые могут присутствовать в других измерительных схемах. Эффекты сопротивления электрода обусловлены различием в природе проводимости металла и флюида. Электрический ток в электроде переносят электроны в зонах проводимости металла, тогда как ток в буровом растворе переносят ионы раствора. Перенос электрического заряда через границу раздела металл-флюид предусматривает химический процесс, который можно моделировать как импеданс электрода. В системе схемы 62 ток не течет по чувствительным электродам, поскольку операционный усилитель имеет очень высокое входное сопротивление. Таким образом, чувствительные электроды измеряют истинный электрический потенциал в стволе скважины, и условие нулевой разности потенциалов в стволе скважины неукоснительно выполняется.

На фиг.11 изображен компактный дисковый измерительный электрод 32, окруженный парой чувствительных кольцевых электродов. Разность потенциалов, измеряемая между двумя чувствительными электродами (V3-V4), поступает на усилитель с высоким входным сопротивлением, который управляет схемой 62, как показано на фиг.6. Фиг.6 непосредственно применима к компактному дисковому электроду, показанному на фиг.11, где V3 и V7 представляют противоположные стороны внешнего чувствительного кольцевого электрода, и где V4 и V6 представляют противоположные стороны внутреннего чувствительного кольцевого электрода.

На фиг.7 схематически показан вариант осуществления изобретения, предусматривающий использование индуктивного элемента связи. Данный вариант осуществления изобретения предусматривает подачу питания на входную электронную сборку 56 (фиг.4 и 6) и электрическое и функциональное соединение входной электронной схемы 62 и электронного картриджа 22. Данный вариант осуществления избавляет от необходимости во влажно-муфтовых электрических соединениях и избавляет от необходимости точного осевого выравнивания стыковочного переводника 26, тем самым допуская некоторое осевое движение стыковочного переводника.

Система с индуктивным элементом связи 66 показана на фиг.7 применительно к системе сфокусированной схемы 54, показанной на фиг.4. Однако заметим, что она приспособлена к любой системе, имеющей сборку дистанционного измерения удельного сопротивления, например, показанную на фиг.6.

Продолжим описание системы с индуктивным элементом 66 связи со ссылкой на фиг.7 и 8. Индуктивный элемент 66 связи реализован в оборудовании посадки и ориентирования. Переводник 68 с косым срезом располагается над зазором 16 и центрирован внутри утяжеленной бурильной трубы 6. Посадочный башмак 70 располагается на электронном картридже 22 и осуществляет азимутальную ориентацию картриджа 22, и выравнивает его по одной оси с утяжеленной бурильной трубой 6. Половина индуктивного элемента 66 связи установлена на нижнем конце переводника 68 с косым срезом и в ходе работы подключена к входной электронной сборке 56, а другая половина установлена на верхнем конце посадочного башмака 70 и в ходе работы подключена к телеметрическому картриджу 22. Каждая половина элемента 66 связи включает в себя сердечник 72 с высокой магнитной проницаемостью и обмотку 74.

Согласно фиг.3-8, измерение удельного сопротивления можно производить одновременно с ЭМ телеметрическим сигналом или альтернативно. Один вариант состоит просто в использовании ЭМ телеметрического сигнала в качестве управляющего напряжения и тока. Падение напряжения на изолированном зазоре 16 и обусловленный им ток измерительного электрода 32 измеряются. Альтернативно, измерение удельного сопротивления (например, на 100 Гц) можно перемежать с ЭМ телеметрическими передачами (например, 1 Гц). Это позволяет производить измерение удельного сопротивления на одной и той же частоте на всех глубинах. Согласно другому варианту осуществления изобретения, высокие и низкие частоты можно использовать совместно. При наличии источника напряжения с цифровым управлением скважинный процессор может суммировать два волновых сигнала, которые задают напряжение и ток на зазоре 16. Высокочастотный сигнал подвержен ослаблению и не будет регистрироваться на поверхности, а низкочастотный сигнал можно отфильтровывать из измерения удельного сопротивления.

Согласно фиг.9A, отдельный переходник 100, содержащий устройство измерения удельного сопротивления, располагается между системой 103 управления направленным бурением и буровым долотом 101. Изолированный зазор 16 располагается над системой 103 управления направленным бурением. Секция 14 утяжеленной бурильной трубы соединена с утяжеленной бурильной трубой системы 103 управления направленным бурением, которая, в свою очередь, соединена с переходником 100 для измерения удельного сопротивления. Система управления направленным бурением может представлять собой забойный турбинный двигатель и кривой переходник или систему управления направленным роторным бурением. В любом случае, секции 14, 103 и 114 утяжеленной бурильной трубы и буровое долото 101 имеют один и тот же потенциал. Переходник 100 для измерения удельного сопротивления содержит систему измерения удельного сопротивления, состоящую из одного или нескольких электродов, установленных на изоляции. Удельное сопротивление пласта измеряется, как только долото проникает в пласт, что позволяет оперативно принимать решения.

На фиг.9B показана первая реализация переходника 100 для измерения удельного сопротивления с измерительным электродом 32. На измерительном электроде поддерживается такой же потенциал, как на секции 114 утяжеленной бурильной трубы, с использованием электрической схемы, аналогичной показанной на фиг.4. Операционный усилитель 58 с высоким входным сопротивлением используется совместно с калиброванным по току резистором 60 для создания на измерительном электроде такого же потенциала, как на утяжеленной бурильной трубе 114, и для определения тока I3. Переходник 100 для измерения удельного сопротивления может быть подключен к инструменту MWD с помощью электрических проводов и индуктивного элемента связи. Альтернативно, может быть более удобным включать в состав переходника 100 для измерения удельного сопротивления батарею в качестве источника питания и использовать ретрансляционную телеметрическую систему для передачи информации об удельном сопротивлении на инструмент MWD, который будет передавать ее на поверхность. Ретрансляционные телеметрические системы включают в себя средство индуктивной связи (ссылка на патенты AIM и clink). Это позволяет устанавливать переходник 100 для измерения удельного сопротивления перед забойным турбинным двигателем, что может не обеспечивать путь для проводки.

На фиг.9C показана вторая реализация переходника 100 для измерения удельного сопротивления с измерительным электродом 32 и чувствительные электроды 102. Измерительная электроника аналогична показанной на фиг.6. Чувствительные электроды отслеживаются операционным усилителем с высоким входным сопротивлением и поддерживаются под одинаковым напряжением посредством тока I5, исходящего от измерительного электрода 32. Как и раньше, ток I5 отслеживается посредством напряжения на калиброванном резисторе 60.

Хотя на фиг.9A показан отдельный переходник 100 для измерения удельного сопротивления, расположенный над буровым долотом, он может располагаться в любом месте бурильной колонны. Чем дальше располагается переходник 100 для измерения удельного сопротивления от изолированного зазора 16, тем больше радиальная глубина исследования путем измерения удельного сопротивления. Таким образом, переходник 100 для измерения удельного сопротивления может располагаться в нескольких сотнях футов от изолированного зазора 16 и, таким образом, обеспечивать очень большую глубину исследования. Несколько таких переходников 100 для измерения удельного сопротивления могут быть расположены вдоль бурильной колонны, тем самым обеспечивая множественные глубины исследования. Альтернативно, система измерения удельного сопротивления может быть встроена в другой компонент бурильной колонны. Например, электроды и соответствующая электроника могут входить в состав системы управления направленным роторным бурением и совместно использовать источник питания, процессор, электронику и телеметрию с системой управления направленным роторным бурением.

На фиг.10A показан переходник 105 для построения изображения ствола скважины, расположенный под системой 103 управления направленным бурением и над буровым долотом 101. Утяжеленная труба переходника 114 построения изображения ствола скважины имеет такой же потенциал, как секция 14 утяжеленной бурильной трубы и система 103 управления направленным бурением. Переходник построения изображения ствола скважины содержит множественные компактные дисковые электроды 32, причем каждый компактный дисковый электрод подключен к электронной схеме, например, показанной на фиг.4. При добавлении чувствительных электродов каждый компактный дисковый электрод использует схему, как показано на фиг.6. Переходник построения изображения ствола скважины измеряет азимут инструмента с использованием магнетометра или акселерометра, известного из уровня техники. Удельные сопротивления на дисковых электродах измеряются по мере вращения бурильной колонны и регистрируются по отношению к азимуту инструмента для формирования карты удельного сопротивления. Полученные измерения можно передавать на инструмент MWD для вещания на поверхность. Карту удельного сопротивления можно использовать для определения наклона и направления наклона, для обнаружения тонких слоев и для определения положения открытых трещин.

На фиг.10B показаны компактные дисковые электроды 32, установленные на утяжеленной бурильной трубе с круглым поперечным сечением. На фиг.10C показаны компактные дисковые электроды 32, установленные на высаженной части утяжеленной бурильной трубы для размещения их ближе к стенке ствола скважины. Переходник построения изображения ствола скважины показан под системой управления направленным бурением, но может быть установлен в любом месте бурильной колонны. Система построения изображения ствола скважины также может быть встроена в другой компонент бурильной колонны, например в систему управления направленным роторным бурением.

Из вышеприведенного подробного описания конкретных вариантов осуществления изобретения следует, что была раскрыта система для интеграции измерений удельного сопротивления в скважинный телеметрический инструмент, что является признаком новизны. Хотя здесь были подробно раскрыты лишь некоторые конкретные варианты осуществления изобретения, это было сделано исключительно в целях описания различных признаков и аспектов изобретения, но не с целью ограничения объема изобретения. Очевидно, что раскрытые варианты осуществления допускают различные замены, изменения и/или модификации, включающие в себя, но не ограниченные предложенными здесь вариантами реализации, без отхода от сущности и объема изобретения, которые определяются прилагаемой формулой изобретения.