Формирование изображения формации в процессе бурения в непроводящих жидкостях

Формирование изображения формации в процессе бурения в непроводящих жидкостях

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОПИСАНИЕ

Ссылки на связанные заявки

Данная заявка представляет собой частичное продолжение заявки на патент США, имеющей №10/240639, «Logging Sonde For Electrically Exploring Geological Formations Through Which A Borehole Passes» («Каротажный зонд для электрического исследования геологических формаций, через которые проходит ствол скважины»), поданной 4 марта 2003 г. авторами Чеун (Cheung) и др., которая испрашивает приоритет по заявке РСТ/ЕР01/03718, поданной 29 марта 2001 г., и испрашивает приоритет по заявке на патент Франции, имеющей № FR 20000004527, поданной 7 апреля 2000 г.

Предшествующий уровень техники

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится, в общем, к каротажу скважин с использованием устройства каротажа сопротивления; а более конкретно, оно относится к каротажу сопротивления, осуществляемому в процессе бурения в скважине, пробуренной с использованием непроводящего бурового раствора.

Описание предшествующего уровня техники

Если говорить в общих чертах, то для разведки углеводородов крайне желательным представляется получение точных данных о характеристиках геологической формации на различных глубинах ствола скважины. Многие из этих характеристик имеют очень мелкую структуру, например, слоистость, неоднородные элементы, характеристики пор, трещины и т.д. В качестве примера отметим, что ориентация, плотность и длина трещин играют главную роль в определении динамических характеристик коллекторской породы.

В течение многих лет определение таких точных характеристик было возможно только посредством анализа бурильных кернов, взятых при бурении скважины. Однако взятие таких кернов является крайне дорогой технологией, и ее использование остается делом относительно исключительным.

Патент ЕР-0110750, или соответствующий ему Патент США №4567759, выданный Экстрому (Ekstrom) и др., описывает способ формирования изображения стенки буровой скважины, заключающийся в генерировании через регулярные промежутки времени сигналов характеристики, представляющих измерение с высоким пространственным разрешением некоторой характеристики этой стенки; измерении глубины скважины, к которой (глубине) относятся эти сигналы характеристики, с точностью того же самого порядка, что и пространственное разрешение сигналов характеристики; и преобразовании указанных сигналов, представляющих эту характеристику в виде линейной функции глубины ствола скважины, при помощи цветовой шкалы, связанной со значениями преобразованных сигналов, таким образом, чтобы сформировать визуальное изображение.

Этот способ формирования изображения в более детальном виде реализован в устройстве для исследования удельной электропроводности формации (описанном, например, в патенте ЕР-0071540 или в соответствующем ему патенте США №4468623, выданном Джайэнзироу (Gianzero) и др.), который способен регистрировать характеристики с миллиметровым разрешением. Этот тип устройства имеет ряд управляющих электродов, также известных как «кнопки», размещенных на проводящем опорном элементе, прижимаемом к стенке ствола скважины. Источник постоянного тока прикладывает напряжение к каждой кнопке и проводящей поверхности опорного элемента таким образом, что измерительные токи инжектируются (подаются) в формацию перпендикулярно стенке. Возврат тока обеспечивается посредством электрода, расположенного близко к поверхности, или, возможно, на другой части устройства. Опорный элемент перемещается вдоль ствола скважины, и дискретные токи, связанные с каждой кнопкой, пропорциональны удельной электропроводности материала, обращенного к кнопкам.

При применении изобретения, изложенного в патенте под номером патента США 4567759, выданного Экстрому (Ekstrom) и др., сигналы модифицируются посредством удаления таких влияний, как колебания скорости устройства и возмущения, вызванные изменениями в окружающей устройство среде, а также усиливаются и отображаются способом, близким к формированию визуального изображения внутренней поверхности скважины.

Способы формирования изображения за последние несколько лет достигли больших успехов при использовании в стволах скважин, пробуренных с применением проводящего бурового раствора, такого как буровой раствор на водной основе или буровой раствор типа эмульсии «нефть в воде». Однако при использовании буровых растворов, имеющих дисперсионную непроводящую среду, таких как буровые растворы на углеводородной основе или буровые растворы типа эмульсии «вода в нефти», полученные изображения имеют очень низкое качество. Эти низкие результаты обычно приписывают помехам, вызванным присутствием слоя непроводящего бурового раствора или слоя бурового раствора и фильтрационной корки бурового раствора, расположенных между кнопками и исследуемой формацией. Поскольку толщина слоя бурового раствора изменяется, в частности, как функция неровности стенки, изменение в результирующих токах может полностью скрыть любые изменения тока, относящиеся к измеряемой формации.

Задачи измерения в непроводящем буровом растворе решают и другие способы, среди которых патент США под №6191588, описывающее устройство для исследования удельной электропроводности формации, в котором используются непроводящий опорный элемент и кнопки, которые образуют электроды напряжения вместо электродов тока, описанных в патенте США №4468623. Электроды инжекции (подачи) тока размещены вне опорного элемента или в предпочтительном варианте непосредственно на его концах. В любом случае два инжектора (электрода, подающих ток) размещены таким образом, что ток проходит через формацию в основном параллельно опорному элементу и, таким образом, в предпочтительном варианте, протекает в существенной мере ортогонально к границам слоев. В таких условиях разность потенциалов между двумя кнопками пропорциональна удельному сопротивлению материала, обращенного к кнопкам.

Вышеупомянутый патент США №6191588 рекомендует использование постоянного тока или переменного тока очень низкой частоты, так что удельное сопротивление опорного элемента гораздо больше, чем удельное сопротивление бурового раствора. Однако на практике работа с постоянным током порождает проблемы шума, вызываемого, в частности, образованием спонтанных потенциалов в формации. Кроме того, сопротивление бурового раствора ограничивает величину инжектируемого тока, поэтому разность потенциалов, измеренная между двумя парами кнопок, очень мала и, следовательно, трудноизмерима.

Следовательно, желательно было бы иметь возможность работать с переменным током, имеющим относительно высокую частоту, например, порядка нескольких тысяч герц. К сожалению, на таких частотах опорный элемент ведет себя как диэлектрик, чья эффективная удельная электропроводность подобна эффективной удельной электропроводности бурового раствора. Это приводит к тому, что полное электрическое сопротивление при прохождении тока через опорный элемент имеет тот же порядок, что полное электрическое сопротивление при прохождении тока через буровой раствор. В таких условиях разности потенциалов между парами кнопок скорее представляют разность потенциалов, приложенную между токовыми электродами, чем удельное сопротивление обращенной к ним формации, и, следовательно, устройство становится бесполезным.

Международная публикация с № WO 01/77710, описывает усовершенствование устройства, описанного в патенте США №6191588, имеющее своей целью сделать возможной работу с переменным током с частотами выше, чем 1000 герц. С этой целью эта заявка на патент предлагает устройство для исследования стенки ствола скважины в геологической формации, содержащий непроводящий опорный элемент, около конца которого установлены электрод источника переменного тока и электрод возврата тока, а в центре которого расположена матрица, состоящая из пар электродов (dV) измерения разности потенциалов. Удельное сопротивление формации напротив каждой пары электродов dV рассчитывается по формуле:

ρ=k·dV/I;

где ρ является удельным сопротивлением, k является геометрическим коэффициентом, dV является разностью потенциалов между парой электродов, и I является электрическим током в формации.

Для экранирования электродов dV от электрического поля, генерируемого в изолирующем опорном элементе и в непроводящей жидкости, сзади изолирующего опорного элемента вставлена проводящая задняя пластина, параллельная фронтальной поверхности опорного элемента и покрывающая бульшую часть области между токовыми электродами. В особо предпочтительном варианте изобретения электропроводная часть опорного элемента соединена с землей, или, если выразиться более точно, она помещена на тот же уровень электрического потенциала, что и геологическая формация. В таких условиях измерительные электроды действительно измеряют потенциал обращенной к ним формации даже в случае, когда опорный элемент имеет наклон, то есть, когда расстояние «зазора» между формацией и электродами источника отлично от расстояния зазора между формацией и электродом возврата.

Основное ограничение этого измерения заключается в том, что опорный элемент должен быть расположен близко к стенке ствола скважины, особенно в формациях с низким удельным сопротивлением. В противном случае измерение dV чувствительно скорее к электрическому полю, сформированному в жидкости ствола скважины и опорном элементе, чем к электрическому полю, сформированному в формации. Например, в формации с удельным сопротивлением 0,1 Ом·м максимальный зазор составляет около 5 мм, в то время как в формации с удельным сопротивлением 100 Ом·м максимальный зазор составляет 15 мм. В результате этого в случае, когда поверхность ствола скважины неровная, изображения портятся неправильными показаниями прибора и становятся неинтерпретируемыми.

Для решения этой проблемы один подход предлагает усовершенствованные способы экранирования электродов измерения напряжения от электрического поля, сформированного в опорном элементе инжекторами тока (электродами подачи тока). Экранирующая поверхность располагается вровень или почти вровень с наружной поверхностью опорного элемента.

Благодаря этим особым признакам устройство, соответствующее вышеназванному подходу, позволяет производить точные измерения удельного сопротивления в скважинах с непроводящим буровым раствором, даже в случае, когда опорный элемент не плотно прижат к стенке формации из-за толстой фильтрационной корки бурового раствора или складчатости упомянутой стенки. Благодаря средству экранирования электрическое поле в опорном элементе устраняется или почти устраняется. В буровом растворе между опорным элементом и стенкой ствола скважины электрическое поле также значительно ослабляется вблизи от измерительных электродов, так что электрические эквипотенциальные кривые в буровом растворе остаются практически перпендикулярными к стенке формации. Следовательно, потенциал на этих измерительных электродах остается близким к потенциалу в формации.

В одном варианте осуществления сам опорный элемент представляет собой экранирующее средство, при этом упомянутый опорный элемент изготовлен из электропроводящего материала. В данном случае в опорном элементе вокруг каждого из электродов источника, возврата и измерительных электродов устраиваются изолирующие вставки.

Во втором варианте осуществления опорный элемент изготовлен из электрически непроводящего материала, а экранирующее средство содержит электропроводящие листы, которые размещены внутри упомянутого опорного элемента таким образом, что упомянутые проводящие листы располагаются почти вровень с наружной поверхностью упомянутого опорного элемента.

Хотя вышеописанные устройства способны обеспечивать изображения стволов скважин, пробуренных с использованием непроводящих буровых растворов, они представляют собой устройства, спускаемые в скважину на тросе, и не пригодны для применения в условиях каротажа в процессе бурения. Следовательно, существует потребность в устройствах или способах для формирования изображения ствола скважины в процессе бурения скважины с использованием непроводящего бурового раствора.

Сущность изобретения

Один аспект изобретения относится к устройству каротажа сопротивления, предназначенному для исследования стенки ствола скважины, пробуренной с использованием непроводящего бурового раствора. Устройство согласно одному варианту осуществления изобретения включает в себя: корпус устройства, приспособленный для включения в состав узла устройства для каротажа в процессе бурения; датчик удельного сопротивления, расположенный на корпусе устройства (при этом датчик удельного сопротивления содержит опорный элемент датчика, который поддерживает электрод-инжектор тока, электрод возврата тока и матрицу измерительных электродов); и схемы для управления инжекцией тока с электрода-инжектора тока и для измерения разности потенциалов между электродами в матрице измерительных электродов, при этом матрица измерительных электродов расположена между электродом-инжектором тока и электродом возврата тока, при этом опорный элемент датчика сконструирован из изолирующего материала и включает в себя проводящее звено.

Один аспект изобретения относится к устройству каротажа сопротивления, предназначенному для исследования стенки ствола скважины, пробуренной с использованием непроводящего бурового раствора. Устройство согласно одному варианту осуществления изобретения включает в себя корпус устройства, приспособленный для включения в состав узла устройства для каротажа в процессе бурения; датчик удельного сопротивления, расположенный на корпусе устройства (при этом датчик удельного сопротивления содержит опорный элемент датчика, который поддерживает электрод-инжектор тока, электрод возврата тока и матрицу измерительных электродов); и схемы для управления инжекцией тока с электрода-инжектора тока и для измерения разности потенциалов между электродами в матрице измерительных электродов, при этом матрица измерительных электродов расположена между электродом-инжектором тока и электродом возврата тока, при этом опорный элемент датчика сконструирован из проводящего материала, а электроды изолированы от проводящего материала.

Другие аспекты и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего описания и прилагаемой формулы изобретения.

Перечень чертежей

Фиг.1 представляет схему, демонстрирующую принцип, на котором основывается микроэлектрическое измерение формации.

Фиг.2 представляет геометрическую модель, использованную для моделирования электрических полей в геологической формации.

Фиг.3 содержит два графика (Фиг.3А и 3В), на которых значения, вычисленные как функция модели, показанной на Фиг.2, для разности потенциалов между измерительными электродами, представлены в графическом виде для опорного элемента, который параллелен стенке (Фиг.3А), или для опорного элемента, который слегка наклонен по отношению к стенке (Фиг.3В).

Фиг.4 представляет вариант изобретения с проводящей пластиной, подразделяющей опорный элемент на отделения.

Фиг.5 представляет буровую систему из предшествующего уровня техники.

Фиг.6 представляет датчик удельного сопротивления, имеющий проводящее звено в изолирующем опорном элементе, расположенном на корпусе устройства, согласно одному варианту осуществления изобретения.

Фиг.7 представляет датчик удельного сопротивления, имеющий проводящий опорный элемент, расположенный на корпусе устройства, согласно другому варианту осуществления изобретения.

Фиг.8 представляет датчик удельного сопротивления, имеющий проводящий опорный элемент, расположенный на корпусе устройства, согласно другому варианту осуществления изобретения.

Фиг.9 представляет иллюстрацию, показывающую два пути прохождения тока для тока, поданного в формацию датчиком удельного сопротивления, согласно изобретению.

Фиг.10А и 10В представляют иллюстрации способов для предотвращения короткого замыкания пути измерительного тока, использующих устройство согласно одному варианту осуществления изобретения.

Фиг.11а-11е представляют конфигурации измерительных электродов согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.

Фиг.12А и 12В изображают устройство PowerDrive™, имеющее разворачиваемые опорные элементы, которые могут быть использованы с датчиками согласно настоящему изобретению.

Фиг.13 представляет пример невращающейся втулки для использования с датчиком согласно одному варианту осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

Варианты осуществления изобретения относятся к устройству и способам для формирования изображения формации с использованием каротажа по методу сопротивлений, осуществляемого в процессе бурения в стволах скважин, пробуренных с применением непроводящих жидкостей. Устройство согласно вариантам осуществления изобретения может включать в себя датчики, расположенные в компоновке низа бурильной колонны, которые вращаются вместе с бурильной колонной. В качестве альтернативы, устройство согласно вариантам осуществления изобретения может включать в себя датчики, расположенные на невращающихся втулках или опорных элементах, которые поддерживают контакт со стенкой ствола скважины во время бурения. В данном описании для ссылки на непроводящие буровые растворы, которые включают в себя буровые растворы на углеводородной основе и буровые растворы типа эмульсии «вода в нефти», в общем случае будут использоваться буровые растворы на углеводородной основе (РУО).

Устройство для каротажа сопротивлений может быть основано на электрических диполях (обычно с использованием металлических электродов) или магнитных диполях (обычно с использованием индукционных катушек или объемных резонаторов с очень высокой частотой). Варианты осуществления изобретения относятся к датчикам или устройствам, использующим металлические электроды. Совместно рассматриваемая заявка на патент США, имеющая №60/511467, озаглавленная «Apparatus And Methods For Imaging Wells Drilled With Oil-Based Muds» («Устройство и способы для формирования изображения скважин, пробуренных с использованием буровых растворов на углеводородной основе»), авторы Тэбэноу (Tabanou) и др., и имеющая своим правообладателем правообладателя по настоящему изобретению, описывает устройства и методы, основанные на электрических диполях и предназначенные для формирования изображения ствола скважины в скважинах, пробуренных с использованием РУО. Другая совместно рассматриваемая заявка на патент США, имеющая №10/812369, озаглавленная «Oil Base Mud Resistivity Imager, Dipmeter, And Fault Imager» («Формирователь изображения на базе удельного сопротивления при буровом растворе на углеводородной основе, пластовый наклономер и формирователь дефектных изображений»), авторы Хомэна (Homan) и др., и имеющая своим правообладателем правообладателя по настоящему изобретению, описывает устройства и методы, основанные на электромагнитной индукции и предназначенные для формирования изображения ствола скважины в скважинах, пробуренных с использованием РУО.

На Фиг.5 приведена иллюстрация системы для каротажа в процессе бурения, которая может быть использована с вариантами осуществления настоящего изобретения. Как показано на чертеже, типичная система для каротажа в процессе бурения включает в себя буровую вышку 10, расположенную над стволом 11 скважины. Узел бурильного устройства, который включает в себя бурильную колонну 12 и буровую головку 15, расположен в стволе 11 скважины. Бурильная колонна 12 и буровая головка 15 поворачиваются за счет вращения ведущей трубы 17, соединенной с верхним концом бурильной колонны 12. Ведущая труба 17 вращается за счет зацепления с роторным столом 16 или аналогичным механизмом, образующим часть буровой установки 10. Ведущая труба 17 и бурильная колонна 12 подвешены на крюке 18, соединенном с ведущей трубой 17 посредством вращающегося вертлюга 19.

Буровой раствор хранится в резервуаре 7 и нагнетается через центр бурильной колонны буровым насосом 9 для подачи вниз. После циркуляции через буровую головку 15 буровой раствор поступает вверх через кольцевое пространство между стволом 11 скважины и внешней поверхностью бурильной колонны 12. Поток бурового раствора смазывает и охлаждает головку 15 и поднимает буровой шлам, созданный головкой 15 на поверхность для сбора и удаления.

Как показано на чертеже, устройство 14 для каротажа соединено с бурильной колонной 12. Сигналы, измеренные устройством 14 для каротажа, могут быть переданы в расположенную на поверхности компьютерную систему 13 или сохранены в запоминающих устройствах (на чертеже не показаны), расположенных в устройстве 14. Устройство 14 для каротажа может включать в себя один или более датчиков удельного сопротивления согласно настоящему изобретению, предназначенных для формирования изображения ствола скважины.

В качестве альтернативы, датчик по данному изобретению может быть установлен на одном или более опорных элементах, ребрах, или стабилизаторах (или центраторах) 28, которые аналогичны тем, что используются для уменьшения биения бурильной колонны во время работы. Опорный элемент или стабилизатор могут вращаться, и могут не вращаться вместе с бурильной колонной. Если опорный элемент или центратор вращается вместе с бурильной колонной, то для обеспечения полного изображения скважины будет достаточно одного набора датчиков. Если опорный элемент или центратор не вращается вместе с бурильной колонной, то для обеспечения более полного охвата ствола скважины потребуется иметь на центраторе (или на расположенных на нем ребрах) множество наборов датчиков.

Датчик согласно данному изобретению, независимо от того, включен ли он в состав вращающегося сборочного узла компоновки низа бурильной колонны или установлен на невращающейся втулке, основан на принципе, аналогичном принципу работы датчика, описанного в РСТ/US99/14420 или в патенте США №6191588 В1, выданном Чену (Chen). Один такой вариант осуществления изобретения показан на Фиг.1.

На Фиг.1 представлена схема, показывающая принцип, на котором основывается электрическое измерение в способе формирования изображения, описанном в Международной заявке на патент РСТ/US99/14420. Это устройство специально приспособлено для исследования стенки 2 ствола скважины, пробуренной с использованием непроводящего бурового раствора, например бурового раствора, жидкую фазу которого, по существу, составляет нефть (дизельное масло, синтетическое масло) или эмульсия «вода в нефти». Термин «буровой раствор на углеводородной основе» используется ниже для обозначения буровых растворов любого из этих типов. Буровой раствор образует на стенке 2 фильтрационную корку 1 бурового раствора.

Устройство для исследования стенки ствола скважины имеет опорный элемент 3, изготовленный из электроизолирующего материала, такого как керамика или полимеры, имеющие высокую прочность и высокие тепловую и химическую стойкости, в частности, типа полиариленэфиркетона (полиэфирэфиркетона или ПЭЭК).

Опорный элемент служит в качестве поддерживающего элемента для двух инжекторов тока: электрода 4 источника и электрода 5 возврата. Эти два электрода расположены на противоположных концах опорного элемента и занимают всю его ширину, что можно более отчетливо увидеть на виде спереди, или, по меньшей мере, они занимают большую часть его ширины таким образом, чтобы максимизировать площадь поверхности этих электродов инжекции тока. Центральная часть опорного элемента имеет два ряда измерительных электродов 6, и в случае, показанном на чертеже, она имеет пять пар измерительных электродов. Форма опорного элемента такова, что измерительные электроды 6 слегка отодвинуты назад, так что, когда опорный элемент прижимается к стенке 2, измерительные электроды напрямую не контактируют с геологической формацией. Следует отметить, что эта предпочтительная форма не является обязательной в случае, когда порода пористая, поскольку при таких условиях бурение с использованием бурового раствора на углеводородной основе, вызывает образование фильтрационной корки бурового раствора, удельное сопротивление которой больше чем удельное сопротивление геологической формации, причем, эта фильтрационная корка всегда располагается между измерительными электродами и геологической формацией, препятствуя таким образом, тому, чтобы какая-либо из измерительных кнопок подверглась короткому замыканию, войдя в контакт с горной породой.

Как показано на Фиг.1, зоны в формации, измеренные измерительными электродами, определяются расстоянием между двумя рядами измерительных электродов. Следовательно, разрешение изображения ствола скважины, полученного при помощи такого устройства, определяется расстояниями между электродами. Варианты осуществления изобретения могут иметь расстояния между измерительными электродами порядка около 1 дюйма (25,4 мм), колеблясь в пределах от 0,2 дюйма (5,08 мм) до 2 дюймов (50,8 мм).

При постоянном токе или переменном токе с частотой менее чем около 100 килогерц удельное сопротивление геологической формации обычно лежит в диапазоне от 0,1 Ом·м до 10000 Ом·м, в то время как буровой раствор на углеводородной основе имеет эффективное удельное сопротивление от около 0,1 мОм·м до около 10 мОм·м. При таких условиях, если инжекторами 4 и 5 в формацию подается ток i, притом, что измерительные электроды изолированы непроводящим опорным элементом, то, применив закон Ома, получаем, что удельное сопротивление формации, расположенной под парой измерительных электродов, равно отношению разности потенциалов δV между двумя электродами к плотности J тока. Иначе говоря, удельное сопротивление формации получается из уравнения: ρ=δV/J=k δV/I, где k является геометрическим коэффициентом.

Если подаваемый ток представляет собой переменный ток достаточно высокой частоты (более чем около 1 килогерца), то опорный элемент не может более рассматриваться как совершенный электрический изолятор, но должен, наоборот, рассматриваться как диэлектрик, погруженный в диэлектрическую среду, а именно в буровой раствор на углеводородной основе. При частоте тока около 10 килогерц, например, достаточно относительной диэлектрической проницаемости опорного элемента быть выше чем 2, для того чтобы полное электрическое сопротивление току по опорному элементу имело тот же порядок величины, что и полное электрическое сопротивление току через буровой раствор. Относительная диэлектрическая проницаемость полимеров типа полиариленэфиркетон имеет значения порядка 3, что по сравнению с другими распространенными материалами является малой величиной. Таким образом, смена материала не является решением проблемы.

Для лучшего понимания эффекта этого поведения диэлектрика, было проведено моделирование опорного элемента в контакте с формацией. Используемая модель показана на Фиг.2. Модель включает в себя слой бурового раствора толщиной 5 мм, расположенный на горной породе, толщиной 1 м и длиной 2 м. Опорный элемент, помещенный в центральной части модели, сам смоделирован в виде прямоугольного тела длиной 300 мм и толщиной 12,5 мм с инжекторами тока, имеющими длину 40 мм и толщину 5 мм, и парой измерительных электродов, каждый из которых имеет длину 5 мм и толщину 2,5 мм. Опорный элемент соединен с остальной частью устройства металлическим кронштейном. Эта модель игнорирует, в частности, пучок электрических проводов, соединяющих опорный элемент с электронным блоком для обработки сигналов.

Опорный элемент также может быть снабжен задней пластиной, выполненной из металла и имеющей потенциал, который является «плавающим» или идентичным потенциалу горной породы (заземленным).

Для тока с частотой 10 килогерц удельные электропроводности рассматриваемых материалов имеют следующие значения:

	Удельная электропроводность (σ + jwε Cм-1)
Действительнаячасть	Мнимая часть	εI
Буровой раствор	1×10-6	2,81×10-6	5
Опорный элемент (полиэфирэфиркетон)	0	1,8×10-6	3,2
Горная порода (порядоквеличины)	10-0,0001	~2×10-6	~3-15
Металлические части	1×106	0	-

Рассматриваемый буровой раствор на углеводородной основе представляет собой эмульсию «вода в нефти» в соотношении 10:90, где нефть представляет собой синтетическое масло n-олефинного типа.

Значения, рассчитанные на этой модели для разности потенциалов между двумя измерительными электродами в виде функции удельного сопротивления R_t горной породы, представлены в графическом виде на Фиг.3, при этом принимается, что опорный элемент точно параллелен горной породе и находится от нее на одинаковом расстоянии «зазора» величиной 5 мм (Фиг.3А), или принимается, что опорный элемент слегка наклонен, причем расстояние зазора между опорным элементом и горной породой меняется в диапазоне с 2 мм до 5 мм (Фиг.3В).

В отсутствие задней пластины (значения, представленные треугольниками) сигнал является практически постоянным до тех пор, пока удельное сопротивление формации менее чем примерно 100 Ом·м, так что устройство является неподходящим в случае, если частота переменного тока на инжекторах составляет 10 килогерц.

При наличии задней пластины, имеющей потенциал, который оставлен плавающим (значения, представленные квадратами), разность потенциалов между измерительными электродами в случае, когда опорный элемент параллелен горной породе, выглядит прямо пропорциональной сопротивлению горной породы. Однако если опорный элемент наклонен по отношению к горной породе, то как и в случае опорного элемента без задней пластины сигнал для формаций, имеющих удельное сопротивление менее чем 100 Ом·м, является практически постоянным. В случае задней пластины, соединенной с землей (то есть задней пластины, потенциал которой идентичен потенциалу горной породы), который соответствует точкам, представленным окружностями, сигнал действительно характеризует удельное сопротивление формации, даже если опорный элемент слегка наклонен, что часто случается в стволе скважины.

В соответствии с этим для заземления задней пластины могут использоваться различные средства. В качестве примера отметим, что простейший способ заключается в соединении пластины с устройством для каротажа, которое само соединено с землей через протяженный канат, на котором он подвешен, указанный канат, возможно, проходит через несколько тысяч метров формации.

Другое решение заключается в том, чтобы оценить потенциал формации посредством усреднения, используя для этого электронную схему, которая усредняет значения потенциалов, измеренных всеми парами измерительных электродов.

Возможно также измерить этот потенциал непосредственно, например, посредством дополнительных электродов, которые имеют, в предпочтительном варианте, большие размеры и окружают набор пар измерительных электродов, и затем поддерживать потенциал задней пластины на упомянутом уровне потенциала посредством подходящей электронной схемы.

В особо предпочтительном варианте изобретения, схематически показанном на Фиг.4, проводящая задняя пластина имеет дополнения, которые изолируют зону измерительных электродов от концевых зон, содержащих инжекторы. В такой конструкции минимальное расстояние между двумя инжекторами может быть сокращено примерно на 20% при сохранении сигнала, пропорционального удельному сопротивлению геологической формации.

Для улучшения экранирования измерительных электродов от токовых электродов один подход приводит к тому, что средства экранирования размещают ближе к наружной поверхности опорного элемента в областях между инжекторами и измерительными электродами. Таким образом, средство экранирования будет размещено вровень или почти вровень с наружной поверхностью опорного элемента. В случае, когда это сделано, электрическое поле, формируемое в опорном элементе, устраняется (см. вариант осуществления с проводящим опорным элементом) или почти устраняется (см. вариант осуществления с непроводящим опорным элементом). Кроме того, это электрическое поле почти устраняется между наружной поверхностью опорного элемента и стенкой формации вблизи от измерительных электродов. Следовательно, вблизи от измерительных электродов электрические эквипотенциальные кривые в буровом растворе практически перпендикулярны стенке ствола скважины (и наружной поверхности опорного элемента), чем обеспечивается то, что потенциал на упомянутых электродах остается близким к потенциалу в формации.

Первый вариант осуществления изобретения состоит в проводящей металлической конструкции опорного элемента, которая содержит изолирующие вставки вокруг электродов источника и возврата и измерительных электродов. Следовательно, в этом варианте реализации устройства согласно изобретению измерительные электроды экранируются самим проводящим опорным элементом.

В проводящем опорном элементе 90 поддерживается потенциал, близкий к потенциалу формации перед измерительными электродами. Например, в одном предпочтительном варианте реализации изобретения потенциал опорного элемента обеспечивают равным измеренному потенциалу формации перед измерительными электродами 6. Как упоминалось в заявке на патент РСТ/ЕР01/03718 А1, электронная схема, не показанная на чертежах, усредняет все значения потенциалов, измеренные всеми измерительными электродами.

Второй вариант осуществления изобретения состоит из опорного элемента, изготовленного из изолирующего материала, и экранирующего средства, которое составляют проводящие (например, металлические) листы. Для того чтобы не ослаблять конструкцию, наружные части экранирующих листов могут быть заформованы внутрь опорного элемента. В качестве альтернативы, проводящие листы могут быть размещены как на внутренней поверхности, так и на наружной поверхности опорного элемента.

На Фиг.6 показан один вариант реализации датчика, имеющего изолирующую лицевую поверхность и проводящую заднюю пластину и расположенного на устройстве для каротажа в процессе бурения. Как показано на чертеже, датчик 300 согласно одному варианту осуществления изобретения расположен на вращающемся бурильном узле 310. Датчик 300 содержит электрод 301 инжекции тока, электрод 302 возврата тока и матрицу измерительных электродов 303, все из которых расположены на изолирующем опорном элементе 304. Кроме того, проводящий экран (или проводящая задняя пластина) 305 расположена за электродами, но изолирована от проводящего бурильного узла 310 слоем изоляции или полостью 307. Датчик 300 может факультативно включать в себя экраны 306 между электродом-инжектором 301 тока и измерительными электродами 303 и/или между электродом 302 возврата тока и измерительными электродами 303. Эти проводящие экраны 305, 306 могут уменьшить потенциал, наводимый в изолирующем опорном элементе 304, что делает измерения, производимые измерительными электродами, более связанными с удельным сопротивлением формации согласно тому, что показано на Фиг.3А и Фиг.3В.

Кроме того, проводящий экран (или проводящая задняя пластина) могут быть «заземлены» на потенциал формации посредством проводящего соединения 308. Как отмечалось выше со ссылкой на Фиг.3В поддержание потенциала проводящего экрана (задней пластины) на уровне, в существенной мере идентичном потенциалу формации, уменьшает вредные последствия, вызванные неравными значениями зазора на двух концах датчика. Специалист в данной области техники, должен понимать, что для поддержания потенциала проводящей задней пластины на уровне, близком или идентичном потенциалу формации, могут быть использованы различные способы. Как упоминалось выше, задняя пластина может быть заземлена на бурильную колонну. При другом подходе можно оценить или определить возможное значение потенциала формации и активно поддерживать потенциал на проводящей задней пластине таким образом, чтобы он был в существенной мере одинаковым с потенциалом формации. В качестве альтернативы мо