В изобретении описана коррекция измерений импеданса, осуществляемых контактным прибором каротажа сопротивлений в стволе скважины, пробуренной в толще пород, с использованием коэффициента, который зависит от удельной проводимости бурового раствора и диэлектрической постоянной бурового раствора. При этом не требуется осуществлять измерения отклонения.

[0001] Устройство для определения параметра удельного сопротивления толщи пород, в которой пробурена скважина, включающее но меньшей мере один измерительный электрод, имеющий определенный потенциал и способный подавать измерительный ток в толщу пород, и процессор, способный определять параметр удельного сопротивления, по меньшей мере частично, на основании импеданса, определенного исходя, по меньшей мере, из измерительного тока или потенциала и из поправочного коэффициента, связанного с удельной проводимостью, по существу, непроводящего флюида в стволе скважины и диэлектрической постоянной флюида в стволе скважины, причем параметр удельного сопротивления определяется посредством использования зависимости

[0002] Устройство по п.1, включающее множество измерительных электродов.

[0003] Устройство по п.2, включающее дополнительный прижимной башмак с множеством измерительных электродов, выдвигаемый от корпуса каротажного прибора.

[0004] Устройство по п.2, в котором множество измерительных электродов размещено на прижимном башмаке, выдвигаемом от корпуса каротажного прибора, доставляемого в ствол скважины.

[0005] Устройство по п.1, содержащее по меньшей мере один прибор, измеряющий по меньшей мере один из параметров, включающих диэлектрическую постоянную флюида и удельную проводимость флюида.

[0006] Устройство по п.1, в котором параметр удельного сопротивления включает изображение стенки ствола скважины по данным метода сопротивлений.

[0007] Устройство по п.1, в котором поправочный коэффициент основан на соотношении между удельной проводимостью флюида и диэлектрической постоянной флюида.

[0008] Устройство по п.1, дополнительно включающее приспособление для доставки по меньшей мере одного измерительного электрода в ствол скважины.

[0009] Способ определения параметра удельного сопротивления толщи пород, в которой пробурена скважина, в ходе осуществления которого

[0010] Способ по п.9, в котором используют по меньшей мере один дополнительный измерительный электрод.

[0011] Способ по п.10, в котором размещают по меньшей мере один измерительный электрод и по меньшей мере один дополнительный измерительный электрод на прижимном башмаке, выдвигаемом от корпуса каротажного прибора.

[0012] Способ по п.9, в котором дополнительно измеряют по меньшей мере один из параметров, включающих диэлектрическую постоянную флюида в стволе скважины и удельную проводимость флюида в стволе скважины.

[0013] Способ по п.9, в котором параметр удельного сопротивления включает изображение стенки ствола скважины по данным метода сопротивлений.

[0014] Машиночитаемый носитель для использования в устройстве для определения параметра удельного сопротивления толщи пород, в которой пробурена скважина, включающем по меньшей мере один измерительный электрод для подачи измерительного тока через толщу пород,

[0015] Машиночитаемый носитель по п.14, являющийся по меньшей мере одним из носителей, включающих постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (СППЗУ), электрически-стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ), флэш-память и оптический диск.

[0016] Устройство для определения параметра удельного сопротивления толщи пород, в которой пробурена скважина, включающее по меньшей мере один измерительный электрод, имеющий определенный потенциал и способный подавать измерительный ток в толщу пород, и процессор, способный определять параметр удельного сопротивления, по меньшей мере частично, на основании импеданса, определенного исходя, по меньшей мере, из измерительного тока или потенциала и поправочного коэффициента, основанного на отношении удельной проводимости, по существу, непроводящего флюида в стволе скважины к диэлектрической постоянной флюида в стволе скважины, причем параметр удельного сопротивления определяется посредством использования зависимости

Предпосылки создания изобретенияОбласть техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в целом, относится к разведочным работам на нефть и газ, включающим электроразведочные работы в стволе скважины, пробуренной в толще пород. Более точно, настоящее изобретение относится к скважинным исследованиям с высокой степенью локализации, включающим внесение и измерение токов отдельных зондов, которые подают в стенку ствола скважины посредством емкостной связи электродов на зонде, перемещающемся по стволу скважины, пробуренной в толще пород.

Уровень техники

Электрический каротаж скважины хорошо известен, и описаны различные устройства и методы, которые применяют в этих целях. Вообще говоря, существуют две категории устройств, которые применяют в зондах электрического каротажа. К первой категории относится измерительный электрод (источник или сток тока), который применяют в сочетании с диффузионным обратным питающим электродом (таким как корпус зонда). Измерительный ток по цепи, соединяющей источник тока с измерительным электродом, поступает через толщу пород в обратный питающий электрод и обратно в источник тока в зонде. В приборах индукционного каротажа внутри измерительного прибора находится антенна, которая индуцирует прохождение тока через толщу пород. Величину индуцированного тока определяют с использованием той же антенны или отдельной приемной антенны. Настоящее изобретение относится к первой категории.

Существует несколько режимов работы: в одном из них поддерживают неизменный ток измерительного электрода и измеряют напряжение, а во втором режиме напряжение электрода является неизменным, и измеряют ток, протекающий через электрод. В идеале желательно, чтобы в случае меняющегося тока и неизменного напряжения, измеряемого на контрольном электроде, ток был обратно пропорционален удельному сопротивлению исследуемой толщи пород. Напротив, если поддерживают неизменный ток, желательно, чтобы напряжение, измеряемое на контрольном электроде, было пропорционально удельному сопротивлению. Согласно закону Ома, если меняется как ток, так и напряжение, удельное сопротивление толщи пород пропорционально отношению напряжения к току.

В патенте US 3365658 (Birdwell) для определения удельного сопротивления толщ пород предложено применение фокусирующего электрода. Центральный каротажный электрод испускает измерительный ток (ток зонда) в прилегающие толщи пород. Этот ток зонда фокусируют в относительно узкий токовый пучок, направленный наружу от ствола скважины, путем использования фокусирующего тока, испускаемого соседними фокусирующими электродами, которые расположены вблизи каротажного электрода и по обе стороны от него. В патенте US 4122387 (Ajam и др.) описано устройство, позволяющее осуществлять одновременный боковой каротаж толщи пород на различных расстояниях от ствола скважины с использованием систем фокусирующих электродов, расположенных на зонде, который опускают в ствол скважины на каротажном кабеле. Один излучатель регулирует частоты двух токов, проходящих через толщу пород на различных заданных расстояниях от ствола скважины. Оплетка каротажного кабеля действует в качестве обратного питающего электрода одной из систем фокусирующих электродов, а электрод электродного комплекта кабеля непосредственно над каротажным зондом действует в качестве обратного питающего электрода второй системы фокусирующих электродов. Также описаны два варианта осуществления, в которых измеряют опорные напряжения на электродах электродного комплекта кабеля и систем фокусирующих электродов.

Ранее предлагались методы исследования толщи пород с использованием группы измерительных электродов (см., например, патент US 2930969 (Baker), патент СА 685727 (Mann и др.), патент US 4468623 (Gianzero) и патент US 5502686 (Dory и др.)). В патенте US 2930969 предложено использование множества электродов, каждый из которых состоит из дисков, электрически соединенных гибкими проводами с дисками и проводами, заделанными в поверхность гибкой трубы. В патенте СА 685727 предложено использование группы небольших электродных дисков, которые установлены на приборе или прижимном башмаке и каждый из которых вносит отдельно измеряемый измерительный ток для исследования толщи пород электрическими методами. Электродные диски помещают в горизонтальной плоскости с зазорами по окружности между электродами и устройством для последовательного возбуждения и измерения измерительного тока электродов.

В патенте US 4468623 описаны приборы с прижимными башмаками, на каждом из которых расположено множество небольших измерительных электродов, отдельно измеряемые измерительные токи которых вводят в стенку ствола скважины. Измерительные электроды образуют группу, в которой они расположены, по меньшей мере, по окружности (вокруг оси ствола скважины) через определенные промежутки таким образом, чтобы измерительные токи, которые вводят в участки стенки ствола скважины, до заданной степени перекрывали друг друга по мере движения прибора вдоль ствола скважины. Измерительные электроды имеют небольшие размеры, позволяющие подробно исследовать электрическими методами прилегающий участок окружности ствола скважины и получать информацию о стратиграфии толщи пород вблизи ствола скважины, а также о трещинах и их ориентации. В одном из вариантов осуществления для определения пространственной структуры электрической энергии, вводимой центральным электродом, используют группу измерительных электродов, образующих пространственно замкнутый контур вокруг центрального электрода. В другом варианте осуществления для ввода тока в толщу пород через преимущественно прилегающий участок окружности ствола скважины используют линейную группу измерительных электродов. Дискретные составляющие тока могут быть измерены по отдельности, в результате чего может быть получено множество геодезических сигналов, которые отображают плотность тока, поступающего от группы, и на основании которых может быть составлено подробное электрическое изображение прилегающего участка окружности ствола скважины по мере движения прибора вдоль ствола скважины. Группа измерительных электродов также может иметь замкнутый контур, такой как круг, что позволяет непосредственно определять ориентацию удельного сопротивления аномалий. В патенте US 6714014 (Evans и др.), правопреемником которого является правопреемник настоящего изобретения и содержание которого полностью включено в настоящее описание в порядке ссылки, предложено применение емкостной связи с использованием бурового раствора как на углеводородной основе, так на водной основе.

В патенте US 5502686 описано применение акустического датчика в сочетании с установленными на прижимном башмаке электродами, при этом акустические датчики позволяют заполнять пробелы в изображении, получаемом с использованием электродов, за счет того, что в стволах скважин большого диаметра электроды неизбежно не обеспечивают полный охват ствола скважины.

Известные устройства, которые представляют собой прижимные зонды, чувствительны к влиянию шероховатости стенок ствола скважины: токи, протекающие через электроды, зависят от наличия хорошего контакта между электродом и стенкой ствола скважины. Если стенка ствола скважины имеет неровную форму, нарушается контакт и ток от электродов, в результате чего получают неточное изображение ствола скважины. Вторым недостатком является относительная малая глубина исследования из-за того, что используемые измерительные электроды имеют тот же потенциал, что и прижимной башмак, в результате чего происходит отклонение токов зонда.

Другой недостаток состоит в том, что в толщах пород с низким удельным сопротивлением (таких как в Мексиканском заливе) измеренный сигнал находится под влиянием скважинного флюида. Таким образом, требуются устройство и способ определения удельного сопротивления толщи пород, которые относительно нечувствительны к шероховатости стенок ствола скважины и могут применяться при использовании бурового раствора на водной или углеводородной основе. Данная задача решена в настоящем изобретении.

Краткое изложение сущности изобретения

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен способ определения параметра удельного сопротивления толщи пород. В ходе осуществления способа через толщу пород подают ток по меньшей мере одного токового электрода. Исходя из тока и(или) потенциала электрода, определяют кажущийся импеданс. Исходя из кажущегося импеданса, определяют удельное сопротивление с использованием поправочного коэффициента, основанного на удельной проводимости и диэлектрической постоянной бурового раствора. Буровой раствор может быть непроводящим, а между током и толщей пород может быть установлена емкостная связь.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения предложено устройство для определения параметра удельного сопротивления толщи пород. Устройство включает токовый электрод, который подает измерительный ток через толщу пород. Устройство также включает процессор, который определяет кажущийся импеданс, исходя из тока и(или) потенциала электрода. Исходя из кажущегося импеданса, процессор определяет удельное сопротивление толщи пород с использованием поправочного коэффициента, связанного с диэлектрической постоянной и удельной проводимостью бурового раствора. Устройство может включать приборы для измерения удельной проводимости и(или) диэлектрической постоянной бурового раствора. Может использоваться множество токовых электродов на прижимном башмаке, выдвигаемом от корпуса каротажного прибора. Каротажный прибор может иметь множество прижимных башмаков. Процессор может получать изображение стенки ствола скважины.

В другом варианте осуществления изобретения предложен машиночитаемый носитель для использования с устройством для определения параметра удельного сопротивления толщи пород. Устройство включает токовый электрод, подающий измерительный ток через толщу пород. Носитель содержит команды, позволяющие процессору определять кажущийся импеданс на основании тока и(или) потенциала электрода. Носитель дополнительно содержит команды, позволяющие процессору определять удельное сопротивление толщи пород, исходя из кажущегося импеданса с использованием поправочного коэффициента, основанного на диэлектрической постоянной и удельной проводимости бурового раствора.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения оно проиллюстрировано на приложенных чертежах, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых

на фиг. 1 (уровень техники) показан стандартный каротажный прибор, подвешенный в стволе скважины,

на фиг. 2А (уровень техники) - механическая схема стандартного формирователя изображений,

на фиг. 2Б (уровень техники) - подробный вид электродного башмака стандартного каротажного прибора,

на фиг. 3 - эквивалентная схема прибора каротажа сопротивлений в стволе скважины,

на фиг. 4 - сравнение чувствительности стандартных измерений импеданса с целью определения удельного сопротивления толщи пород и чувствительности измерений, осуществляемых предложенным в настоящем изобретении способом, и

на фиг. 5 - пример, иллюстрирующий применение предложенного способа измерения импеданса применительно к модели слоистой среды.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показан стандартный прибор 10 для формирования изображения (формирователь изображения), подвешенный в стволе 12 скважины, пробуренной в толщах пород, таких как 13, на соответствующем кабеле 14, который проходит через шкив 16, установленный на буровой вышке 18. Согласно отраслевому стандарту кабель 14 включает несущий элемент и семь проводников для передачи команд прибору и приема данных, поступающих от прибора, а также для питания прибора. Прибор 10 поднимают и спускают на буровой лебедке 20. Находящийся на поверхности 23 электронный модуль (ЭМ) 22 передает необходимые команды и в ответ принимает данные, которые могут быть сохранены в архивном запоминающем устройстве любого желаемого типа для одновременной или последующей обработки. Данные могут передаваться в аналоговой или цифровой форме. Для анализа данных в полевых условиях в режиме реального времени могут использоваться процессоры данных, такие как соответствующий компьютер (СК) 24, или зарегистрированные данные могут передаваться в центр обработки для их последующей обработки.

На фиг. 2А схематически показан вид снаружи формирователя изображения боковой стенки скважины. Прибор 10, представляющий собой формирователь изображения, включает установки 26 метода сопротивлений и, необязательно, датчик 30 массы бурового раствора и периферийную акустическую телевизионную камеру 32. Электронные модули 28 и 38 могут быть расположены в соответствующих, необязательно указанных положениях. Компоненты могут быть установлены на переходнике 34 зонда хорошо известным обычным способом. Узел имеет наружный диаметр около 5 дюймов и длину около 15 дюймов. Над узлами 26 и 32 формирования изображения может быть установлен модуль 36 ориентации, включающий магнитометр и акселерометр, или инерциальная система наведения. На верхнем участке 38 прибора 10 находится модуль телеметрии для выборки, оцифровывания и передачи выборок данных, поступающих от различных компонентов, наземному электронному оборудованию 22 обычным способом. В случае сбора акустических данных их предпочтительно оцифровывают, хотя в альтернативной конструкции данные могут быть сохранены в аналоговой форме для передачи на поверхность, где их затем оцифровывает наземное электронное оборудование 22.

На фиг. 2А показаны три установки 26 метода сопротивлений (четвертая скрыта на этом виде) на башмаке 40, опирающемся на дуговую пружину 42. Как показано на фиг. 2А и 2Б, каждая установка включает измерительные электроды 41а, 41b, …, 41n для ввода электрического тока в толщу пород, фокусирующие электроды 43а, 43b для горизонтального фокусирования тока измерительных электродов и фокусирующие электроды 45а, 45b для вертикального фокусирования электрического тока измерительных электродов. Условно считается, что "вертикальный" означает направление вдоль оси ствола скважины, а "горизонтальный" означает плоскость, перпендикулярную вертикальной плоскости.

На фиг. 3 представлена приблизительная принципиальная схема. На ней показано, что ток в схеме зависит от внутреннего импеданса Z _i прибора, импеданса Z _r вследствие отклонения обратного питающего электрода от толщи пород, импеданса Z _g вследствие зазора между приемником и толщей пород и импеданса Z _f толщи пород. С практической целью внутренним импедансом Z _i прибора можно пренебречь. Импеданс Z _r вследствие отклонения обратного питающего электрода от толщи пород также невелик, и в одном из вариантов осуществления изобретения им можно аналогичным образом пренебречь. Следует отметить, что способ может с незначительными изменениями использоваться, даже если не пренебрегать импедансом Z _r . В качестве еще одного упрощающего допущения импеданс толщи пород принимают за активный и обозначают как R _f . Если принять U за приложенное напряжение, то ток в схеме равен

Когда в проводящей толще пород ( ρ <10 Ом ∙м) используют буровой раствор на углеводородной основе, влияние толщи пород на действительный импеданс является небольшим R _f < < < Z _G и можно предположить, что чувствительность измеренного импеданса к удельному сопротивлению толщи пород снижается. Импеданс Z _g вследствие зазора между приемником и толщей пород, который зависит от свойств бурового раствора и отклонения приемника, становится основным фактором, влияющим на действительный импеданс. На частоте f (соответствующей угловой частоте ω = 2 πf) получаем следующее уравнение:

в котором А и В соответствуют действительной и мнимой частям импеданса Z _e .

Из уравнения (2) также получаем

Путем ввода параметра

который зависит только от удельной проводимости σ _m и диэлектрической постоянной ε _m бурового раствора, можно дополнительно вывести из уравнения (3) следующее уравнение:

Из уравнения (4) для удельного сопротивления R _f толщи пород получаем

Уравнение (5) позволяет отфильтровать влияние бурового раствора на действительную часть измеренного импеданса и повысить чувствительность измерений к интересующему параметру R _f . Авторы называют эту процедуру альфа-коррекцией.

Чтобы проиллюстрировать эффективность альфа-коррекции, рассмотрим математическое моделирование применительно к моделям различных толщ пород. Первый пример соответствует случаю, когда прибор находится в стволе скважины диаметром 8,5 дюймов (21,59 см), который заполнен проводящим буровым раствором с удельным сопротивлением 10 ⁴ Ом ∙м и диэлектрической постоянной ε _m =3. Для моделирования толщи пород используют цилиндрический слой с удельным сопротивлением, меняющимся в пределах от 1 до 100 Ом ∙м. Поступающие от прибора данные отображает проводящий цилиндр длиной 10 м. Ток вводят в толщу пород через 1,6-см цилиндрический электрод с отклонением в 1 мм от толщи пород. Передатчик подает выходное напряжение в 1 В на частоте 1 МГц. На фиг. 4 представлена действительная часть импеданса применительно к двум случаям. Рабочей частотой является 1 МГц. Кривая 201 отображает действительную часть импеданса, а кривая 203 - импеданс с учетом альфа-коррекции. Как показано на фиг. 4, импеданс с учетом альфа-коррекции обладает более высокой чувствительностью к удельному сопротивлению толщи пород по сравнению с одночастотными измерениями импеданса. Преимущество скорректированного импеданса также проявляется в случае слоистой модели среды.

На фиг. 5 представлены результаты математического моделирования толщи пород, включающей последовательность высокоомных (10 Ом ∙м) и проводящих (1 Ом ∙м) слоев. Толщина слоев меняется слева направо от 0,5 дюймов (1,27 см) до 4 дюймов (10,16 см). Кривая 221 отображает нескорректированную характеристику, а кривая 223 - характеристику с применением альфа-коррекции. Кривая 221 менее чувствительна, чем скорректированная кривая 223, а также не имеет ее разрешающей способности.

В предложенном в настоящем изобретении способе не требуется измерять отклонение. Необходимым параметром является соотношение удельного сопротивления бурового раствора и диэлектрической постоянной. Это соотношение можно определить заранее, исходя из состава бурового раствора. Соотношение также может быть рассчитано с использованием скважинных измерений. Определение удельного сопротивления бурового раствора может осуществляться в стволе скважины с помощью способа и устройства, которые описаны в патенте US 6803039 (Fabris и др.), правопреемником которого является правопреемник настоящего изобретения и содержание которого полностью включено в настоящее описание в порядке ссылки. Для определения диэлектрической постоянной могут использоваться способ и устройство, описанные в патенте US 5677631 (Reittinger и др.), правопреемником которого является правопреемник настоящего изобретения и содержание которого полностью включено в настоящее описание в порядке ссылки.

Обработку результатов измерений может осуществлять скважинный процессор, наземный процессор или дистанционный процессор. Подразумевается, что термин "процессор", используемый в настоящем описании, включает такие устройства, как программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA, от английского - field programmable gate array).

Измерения удельного сопротивления, осуществляемые отдельными датчиками на одном или нескольких прижимных башмаках, могут быть объединены, чтобы получить изображение стенки ствола скважины по данным метода сопротивлений. Эта процедура рассмотрена в патенте Evans.

Изобретение описано применительно к каротажным приборам, которые доставляют на кабеле. Вместе с тем, предложенный в настоящем изобретении способ также применим в зондах для измерений во время бурения (MWD, от английского - measurement-while-drilling) или зондах для каротажа во время бурения (LWD, от английского - logging while drilling), доставляемых на бурильной колонне или гибких трубах малого диаметра. Пример формирователя изображения по данным метода сопротивлений для применения в зонде MWD описан в патенте US 6600321, выданном на имя Evans, правопреемником которого является правопреемник настоящего изобретения и содержание которого полностью включено в настоящее описание в порядке ссылки.

Подразумевается, что при обработке данных используют компьютерную программу, реализованную на соответствующем машиночитаемом носителе, позволяющем процессору осуществлять управление и обработку. Подразумевается, что термин "процессор", используемый в настоящем описании, включает такие устройства, как программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA). Машиночитаемый носитель может включать постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (СППЗУ), электрически-стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ), флэш-память и оптический диск. Как отмечено выше, обработка может осуществляться в скважине или на поверхности.

Несмотря на то что в описании раскрыты предпочтительные варианты осуществления изобретения, для специалиста в данной области техники будут очевидны различные усовершенствования. Предполагается, что охватываются все изменения, входящие в сущность и объем приложенной формулы изобретения.