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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки создания изобретения

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

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

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

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

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

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

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

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

Краткое изложение сущности изобретения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Краткое описание чертежей

Нижеследующее описание приводится со ссылками на прилагаемые чертежи.

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

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

на фиг.3 представлена упрощенная принципиальная схема индукционной катушки;

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

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

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

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

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

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

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

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

Подробное описание изобретения

На фиг.1 представлена система для измерения удельного сопротивления пласта между двумя скважинами. Указанная система предназначена, в частности, для обеспечения системы и устройства для измерения магнитных полей внутри скважины и для использования совместно со способом измерения магнитных полей в соответствии с изобретением. В одной скважине W1 расположен передатчик Т, состоящий из катушки С_т, имеющей многовитковый горизонтальный контур (вертикальный соленоид) из N1 витков и эффективное поперечное сечение А_т. Многовитковый горизонтальный контур проводит переменный ток I_т частоты f₀ Гц. В свободном пространстве этот многовитковый горизонтальный контур генерирует изменяющееся во времени магнитное поле В₀. Магнитное поле В₀ пропорционально магнитному моменту М_т передатчика Т и геометрическому коэффициенту К₁. Магнитный момент М_т передатчика Т можно определить следующим образом:

М_т=N_тI_тА_т.

В свободном пространстве магнитное поле В₀ можно определить следующим образом:

B₀=К₁M_т.

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

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

Исходя из вышеизложенного, напряжение V_R можно определить следующим образом:

V_R=f₀B_RN_RA_Rμ_R.

Упрощая вышеупомянутое уравнение, можно записать V_R следующим образом:

V_R=k_RB_R,

где k_R=f₀N_RA_Rμ_R.

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

B_R=V_R/k_R.

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

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

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

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

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

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

Магнитный приемник, подобный применяемому при осуществлении способа, предлагаемого в данном изобретении, представляет собой разновидность индукционной катушки. Физический принцип, лежащий в основе работы индукционной катушки, проиллюстрирован на фиг.2. Когда одиночный круговой контур площадью А помещают в изменяющееся во времени магнитное поле B(t), в этом контуре индуцируется эдс (напряжение), которая равна выражаемой со знаком минус скорости изменения магнитного потока Ф, пропуск