Устройство, системы и способы магнитного обнаружения

Устройство, системы и способы магнитного обнаружения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Понимание структуры и свойств геологических пластов помогает уменьшить стоимость бурения скважин для разведки нефти и газа. Измерения в стволе скважин (т.е. внутрискважинные измерения) обычно выполняют для приобретения такого понимания, для идентификации состава и распределения материала, который окружает измерительное устройство в скважине. Для получения таких измерений в некоторых случаях применяют магнитометры, функционально предназначенные для телеметрии, измерения дальности и локации долота.

[0002] Магнитометры повышенной чувствительностью в последнее время стали доступны для применения. Например, по некоторым сведениям квантовые магнитометры на атомарных парах рубидия имеют чувствительность порядка 10 фТл/Hz⁵. Данные блоки могут обеспечивать расширенный диапазон частот телеметрии и более точную локацию, чем магнитометры, в настоящее время применяемые в скважинах. Вместе с тем, работы данных блоков в магнитном поле Земли в вариантах применения, где требуется диапазон частот 30 Гц или больше, может требоваться разрешение порядка 27 бит. Если электронные устройства с напряжением в диапазоне ±12 вольт постоянного тока используются для обработки данных сигналов, то требуемое разрешение является эквивалентом приблизительно 90 нановольт. По данной причине чрезвычайно сложно производить электронное оборудование обработки данных с уровнем собственных шумов, обеспечивающее успешную работу данных сенсоров в скважинных условиях.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0003] На Фиг. 1 показана блок-схема устройства и систем согласно различным вариантам осуществления изобретения.

[0004] На Фиг. 2 показана блок-схема последовательности операций нескольких способов согласно различным вариантам осуществления изобретения.

[0005] На Фиг. 3 показан вид сбоку с вырезом конфигурации установки магнитометра согласно различным вариантам осуществления изобретения.

[0006] На Фиг. 4 показана система, работающая на каротажном кабеле варианта осуществления изобретения.

[0007] На Фиг. 5 показана система буровой установки варианта осуществления изобретения.

[0008] На Фиг. 6 показана блок-схема последовательности операций нескольких дополнительных способов согласно различным вариантам осуществления изобретения.

[0009] На Фиг. 7 показана блок-схема изделия согласно различным вариантам осуществления изобретения.

[0010] На Фиг. 8 показаны вид спереди и сверху другой конфигурации установки магнитометра согласно различным вариантам осуществления изобретения.

[0011] На Фиг. 9 показан вид спереди и сверху еще одной конфигурации установки магнитометра согласно различным вариантам осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] В данном документе описаны устройство, системы и способы с применением магнитометров относительно высокой чувствительности в вариантах для скважинной телеметрии и локации, решающие некоторые описанные выше, а также другие проблемы.

[0013] Вначале можно рассмотреть использование данных устройств в вариантах применения наземных приемников электромагнитной телеметрии, электромагнитных измерений, магнитных или электромагнитных измерений дальности и локации долота. Для использования достигаемой чувствительности работа данных магнитометров в диапазоне частот 30 Гц в магнитном поле Земли (с номинальной величиной 50000 нТл) дает требования по диапазону разрешения, показанные в Таблице I.

Таблица I
Требуется бит для чувствительности10 фТл/Гц5	Требуется диапазон для чувствительности2,6 пТл/Гц5	Требуется диапазон для чувствительности40 пТл/Гц5
27 бит	22 бит	18 бит

[0014] В большинстве случаев данные требования являются невозможными для исполнения. Например, если принять использование электронных устройств, работающих в диапазоне ±12 вольт постоянного тока, обрабатывающих данные сигналы, то требуемое разрешение должно быть таким, как показано в Таблице II.

Таблица II
Разрешение для чувствительности10 фТл/Гц5	Разрешение для чувствительности2,6 пТл/Гц5	Разрешение для чувствительности40 пТл/Гц5
90 нановольт	3 микровольт	46 микровольт

[0015] Разрешение порядка, показанное в Таблице II, в особенности в скважине, является невозможным, поскольку изготовление электронных схем с подходящим уровнем собственных шумов без подавления поля окружающей среды является чрезвычайно сложным. Вместе с тем, если поле окружающей среды можно подавлять способом, удовлетворяющим критерию стоимость-эффективность, работы в скважине становятся возможными.

[0016] Для подавления поля окружающей среды можно применять катушки Гельмгольца различных конструкций совместно с экранирующими материалами (например, мю-металлом). В некоторых случаях экранирующие материалы являются менее полезными, чем в других, например, когда нужно измерять поле геологического пласта или другого ствола скважины.

[0017] Надлежащим образом выполненные высокочувствительные магнитометры можно использовать в скважине для электромагнитной телеметрии, измерения дальности до металлических (в частности, магнитных) объектов и определения местоположения бурового долота. В отличие от криогенных магнитометров (сверхпроводящих квантовых интеферометров), эксплуатирующихся в криогенной среде, магнитометры на атомарных парах могут работать при гораздо более высоких температурах и поэтому хорошо подходят для геофизических вариантов применения (например, при температурах выше 95°C-160°C).

[0018] Основной вариант применения магнитометров с приемом сигналов электромагнитной телеметрии на поверхности Земли, или для определения местоположения бурового долота, хорошо известны специалистам в данной области техники. Данные варианты применения новых устройств, систем и способов изобретения описаны ниже первыми.

[0019] В общем, поле окружающей среды можно аннулировать с помощью измерения магнитного поля Земли относительно малочувствительным вторым магнитометром (например, магнитометром по меньшей мере в 1000 раз менее чувствительным, чем высокочувствительный первый магнитометр). Например, относительно малочувствительный магнитометр может представлять собой феррозондовый магнитометр, используемый для обеспечения общего аннулирования напряженности локального поля, окружающего чувствительный магнитометр, с использованием катушки Гельмгольца. Чтобы отличать относительно малочувствительный магнитометр от относительно чувствительного магнитометра, относительно малочувствительный магнитометр называется в данном документе опорным магнитометром R, или вторым магнитометром. Относительно чувствительный магнитометр называться рубидиевым (на рубидиевых парах) магнитометром M, или первым магнитометром. Данные обозначения не ограничивают тип магнитометра, выбранного в качестве относительно чувствительного или относительно малочувствительного магнитометров. Например, алмазный магнитометр можно также использовать в качестве первого магнитометра. Таким образом, для обозначения только принимают, что относительно чувствительный магнитометр является по меньшей мере в одну тысячу раз более чувствительным, чем относительно малочувствительный магнитометр.

[0020] В некоторых вариантах осуществления используют опорный магнитометр R с тремя измерительными осями и работающую по трем осям катушку Гельмгольца. Перед прочей обработкой данных сигналы с опорного магнитометра с тремя измерительными осями можно фильтровать для исключения любого компонента от сигнала, генерируемого буровым долотом, который должен обнаруживаться с использованием рубидиевого магнитометра. На расчетных глубинах в скважине, если амплитуда сигнала (либо аппаратуры электромагнитной телеметрии или локации долота) меньше чувствительности опорного магнитометра R, фильтрация не требуется.

[0021] Рубидиевый магнитометр M устанавливают в работающей по трем осям катушке Гельмгольца. Выходной сигнал рубидиевого магнитометра M может проходить фильтрацию для исключения частотного диапазона сигнала, подлежащего обнаружению. Данный отфильтрованный выходной сигнал подается в блок обработки сигнала, приводящий в действие катушку Гельмгольца для минимизации выходного сигнала рубидиевого магнитометра M, таким образом подавляется поле окружающей среды.

[0022] Отмечаем, что подавление части магнитного поля окружающей среды, ортогонального оси чувствительности рубидиевого магнитометра M, можно экранировать с использованием такого материала, как мю-металл, но рубидиевый магнитометр нельзя полностью окружить экранированием, поскольку требуемый сигнал тогда гасится перед входом в рубидиевый магнитометр M (данное не относится к скважинному применению для электромагнитной телеметрии). Различные примеры вариантов осуществления, в которых можно реализовать некоторые или все данные преимущества, подробно описаны ниже.

[0023] На Фиг. 1 показана блок-схема устройства 100 и системы 102 согласно различным вариантам осуществления изобретения. В многих вариантах осуществления устройство 100 содержит рубидиевый магнитометр M (например, рубидиевый магнитометр для измерений по одной оси или аналогичный), имеющий относительно высокую чувствительность. Рубидиевый магнитометр M размещается в катушке 108 Гельмгольца, и может являться блоком с одной рабочей осью (например, если ось катушки Гельмгольца совмещается с измерительной осью рубидиевого магнитометра M) или блоком с тремя рабочими осями. Экран 112 применяется для уменьшения или исключения влияния внешнего поля на рубидиевый магнитометр M. Несколько методик, которые можно использовать для применения рубидиевого магнитометра M, в различных ситуациях, описаны ниже.

[0024] В одном варианте осуществления поле внешней среды, окружающей рубидиевый магнитометр M, подавляется с использованием однонаправленной катушки 108 Гельмгольца без использования опорного магнитометра R. В данном случае рубидиевый магнитометр M размещается внутри экрана 112, который открыт вдоль измерительной оси рубидиевого магнитометра M и закрыт от поля вдоль других осей.

[0025] Магнитометр M и экран 112 устанавливаются по центру однонаправленной катушки 108 Гельмгольца, при этом измерительная ось магнитометра M совмещается с осью симметрии катушки 108 Гельмгольца. Сборка в целом устанавливается с ориентацией, предпочтительной для обнаружения сигнала со скважинного передатчика электромагнитной телеметрии или источника магнитного поля (например, обсадной колонны другой скважины для измерения дальности) на буровом долоте или вблизи него. Выходной сигнал рубидиевого магнитометра M оцифровывается и подается на процессор SP обработки сигналов. Процессор SP регулирует ток, приводящий в действие катушку 108 Гельмгольца. Перед обработкой выходной сигнал рубидиевого магнитометра M может фильтроваться с использованием фильтра 116, как указано выше.

[0026] В некоторых вариантах осуществления система 102 содержит одно или несколько устройств 100, а также кожух 104. Кожух 104 может являться корпусом инструмента для работы на каротажном кабеле или скважинного инструмента. Процессор (процессоры) 130 может располагаться на поверхности 166 как часть наземной рабочей станции 156, в системе 124 сбора и обработки данных над поверхностью или ниже поверхности Земли 166, или размещаться вместе с устройством 100, прикрепленным к кожуху 104. Система 102 может содержать передатчик 144 данных (например, передатчик телеметрии), передающий собранные данные на наземную рабочую станцию 156. Логическую схему 140 можно использовать для сбора и обработки сигналов, принятых с устройства 100. Принятые данные можно сохранять в запоминающем устройстве 150, возможно, как часть базы 134 данных. Таким образом, можно реализовать многочисленные варианты осуществления.

[0027] На Фиг. 2 показана блок-схема последовательности операций нескольких способов 211, 259 согласно различным вариантам осуществления изобретения. Данные способы 211, 259, которые можно использовать по существу для обнуления внешнего поля окружающего рубидиевый магнитометр, можно применять для нескольких конфигураций устройства 100 на Фиг. 1.

[0028] В способе 211 счетчик итераций инициализируют в блоке 221. Абсолютную величину и знак IU (самого высокого тока возбуждения на катушке Гельмгольца для создания полезного выхода рубидиевого магнитометра) и IL (самого низкого тока возбуждения на катушке Гельмгольца для создания полезного выхода рубидиевого магнитометра) устанавливают, выставляя границы поиска по току в блоке 225, 229, посредством операций в блоках 233, 237, 241, 245, 249 и 253.

[0029] Ток, используемый для возбуждения катушки Гельмгольца, корректируется на основе сравнения MU и MM (алгебраический знак на выходе рубидиевого магнитометра, соответствующий IU, и алгебраический знак рубидиевого магнитометра на выходе при возбуждении током IM соответственно). ML (алгебраический знак на выходе рубидиевого магнитометра, соответствующий IL) не используется в показанном примере. Вместе с тем, поскольку MU и ML имеют противоположные знаки, специалист в данной области техники, после рассмотрения данного описания и фигур должен понимать, что ML можно использовать взамен MU, если действия, показанные в способе 211, реверсировать.

[0030] Прогнозируют, что выход рубидиевого магнитометра должен вначале находиться за шкалой, т.е. поле окружающей среды должно являться настолько большим, что полезный выход не может быть получен. Ток, проходящий через катушку Гельмгольца, затем ступенчато меняется, последовательно получая заданные величины в блоках 233, 237, 241, 245, 249 и 253 до обнаружения изменения на выходе рубидиевого магнитометра. В данной точке полезно, но не обязательно, продолжение ступенчатого изменения величин тока до выхода рубидиевого магнитометра вновь за шкалу, но в противоположном направлении (т.е. с изменением знака) от исходного выхода за шкалу. Два предельных значения тока, при которых рубидиевый магнитометр способен срабатывать (IU, IL, записанные в блоках 225, 229), определяют диапазон токов, которые следует искать для обнуления поля окружающей среды.

[0031] Когда эффективный диапазон токов (IU, IL) обнуления определен, ток в катушке Гельмгольца устанавливают средним от верхнего и нижнего токов, определяющих диапазон значений тока, и делают отсчет на выходе рубидиевого магнитометра. Новый диапазон значений тока определяют, выбирая в середине диапазона величину IM тока и значение тока на конце первичного диапазона значений тока, которое дает выход с рубидиевого магнитометра, противоположный по знаку, полученному в средней точке первичного диапазона значений тока. Данное повторяется для фиксированного числа итераций. Максимальное число итераций в нормальных условиях не превышает числа бит, требуемых для получения показания по полной шкале (см. Таблицу I), поскольку диапазон чувствительности для рубидиевого магнитометра делится пополам во время каждой итерации.

[0032] При обнулении поля окружающей среды с использованием данной методики может являться полезной низкочастотная фильтрация выхода рубидиевого магнитометра для исключения входа сигнала, подлежащего обнаружению, в операцию обнуления.

[0033] Когда поле окружающей среды по существу обнулено, можно осуществлять мониторинг прошедшего низкочастотную фильтрацию выходного сигнала с рубидиевого магнитометра непрерывно для обнаружения медленного отклонения параметров магнитного поля Земли. Для начала способа 259 мониторинга и корректировки по медленного отклонения параметров можно инициализировать в блоке 261 коэффициенты масштабирования (например, SF = коэффициент масштабирования тока возбуждения катушки Гельмгольца), пороговые значения (например, DM = допустимое медленное отклонение параметров на выходе рубидиевого магнитометра) и начальные значения (например, I = начальный выходной сигнал рубидиевого магнитометра, и T = временной интервал между взятием отсчетов I).

[0034] Как часть способа 259 выходной сигнал с рубидиевого магнитометра можно получить во время мониторинга в блоке 263. Фильтрация может продолжаться после обнуления поля окружающей среды в блоке 265. Как часть мониторинга выходной сигнал рубидиевого магнитометра можно дискретизировать, согласно действиям в блоках 267, 269. Когда выходной сигнал изменяется со временем на величину, больше заданной (например, половину показания по полной шкале), как определено в блоке 275, ток в катушке Гельмгольца корректируется по существу для обнуления отклонения. Данное можно выполнять как часть одного действия в блоке 279, поскольку выходной сигнал рубидиевого магнитометра является линейной функцией поля и поскольку во время первичного обнуления (см. способ 211) возможен мониторинг изменения выходного сигнала рубидиевого магнитометра как функции изменения тока в катушке Гельмгольца. Надлежащие изменения можно выполнять при обработке принятого сигнала для компенсации изменений тока в катушке Гельмгольца.

[0035] Специалист в данной области техники должен уяснить после изучения данного описания и прилагаемых фигур, что способы 211, 259 можно выполнять с использованием аналоговых электронных схем. Вместе с тем частота отклика системы должна выходить за пределы частотного диапазона сигнала передачи данных. Подавление поля окружающей среды с использованием опорного магнитометра с тремя измерительными осями и работающей по трем осям катушки Гельмгольца рассмотрено ниже.

[0036] В данном варианте осуществления опорный магнитометр R может включаться в состав устройства 100, как показано на Фиг. 1. Ток в работающей по трем осям катушке 108 Гельмгольца можно инициализировать, создавая начальное обнуление поперечного поля в рубидиевом магнитометре с использованием расчетной ориентации рубидиевого магнитометра M и по существу обнуление аксиального поля с использованием способа 211, поскольку каждая катушка Гельмгольца имеет характеристичный коэффициент масштабирования, определяющий отношение величины поля по центру катушки к току, проходящему через катушку. Использование экрана 112 из мю-металла для экранирования большей части поперечного поля окружающей среды, как показано на Фиг. 1 совместно со способом 211 Фиг. 2, должно содействовать работе от начальной поперечной компенсации до определения тока, требуемого для понижения аксиального компонента поля окружающей среды.

[0037] Когда устройство 100 инициализировано (т.е. начальные величины поля определены для успешной работы рубидиевого магнитометра M), коррекцию для приспособления к изменениям в поле окружающей среды можно выполнять напрямую по отсчетам магнитометра. Данное проще выполнить с помощью выставления измерительной оси рубидиевого магнитометра M в одном направлении с одной из трех измерительных осей опорного магнитометра R. В данном случае когда поле окружающей среды вдоль данной измерительной оси изменяется на некоторую величину, можно выполнять надлежащее изменение тока в катушке Гельмгольца, которая подавляет поле окружающей среды вдоль измерительной оси рубидиевого магнитометра.

[0038] Отмечаем, что когда работающая по трем осям катушка Гельмгольца используется для подавления поля окружающей среды, оценку курса (относительно магнитного поля Земли) рубидиевого магнитометра M можно выполнять по токам в индивидуальных катушках Гельмгольца и коэффициентам масштабирования SF (из отношения тока катушки к величине поля). Вычисленный по трем осям вектор направлен противоположно вектору магнитного поля Земли и, таким образом, определяет ориентацию рубидиевого магнитометра относительно магнитного поля Земли. Ориентация опорного магнитометра R с тремя измерительными осями относительно магнитного поля Земли определяется тремя измеряемыми величинами поля. Используя обе ориентации, возможно, зная новое опорное измерение магнитного поля, отличное от измерения, использованного в инициализации системы, прогнозировать величину тока в каждой из катушек Гельмгольца для продолжения противодействия магнитному полю окружающей среды. Данная процедура описана в следующих абзацах.

[0039] Используя три тока в катушках Гельмгольца и коэффициенты масштабирования для данных катушек, можно вычислить компоненты вектора магнитного поля в системе координат катушек Гельмгольца как вектор .

Затем можно вычислить абсолютную величину вектора поля, создаваемого катушками Гельмгольца, как:

[0040] Если поле, наблюдаемое опорным магнитометром R, определяется с помощью .

абсолютную величину вектора поля, наблюдаемого опорным магнитометром R, можно вычислить, как:

[0041] Векторное произведение вектора поля, наблюдаемого опорным магнитометром R, и вектора поля, созданного катушками Гельмгольца, должно давать вектор, ортогональный обоим данным векторам. Указанное верно, если вектор поля, наблюдаемый опорным магнитометром R, и вектор поля, создаваемый катушками Гельмгольца, не имеют одинакового направления, в результате получается нулевой вектор (преобразования между двумя системами координат в данном случае не нужны).

[0042] Абсолютная величина векторного произведения должна являться произведением абсолютных значений двух векторов и синуса угла между ними. Векторное произведение определяет ось вращения, которую можно использовать для поворота измерений из системы координат опорного магнитометра к системе координат катушки Гельмгольца.

[0043] Угол поворота между векторным полем, полученным с катушки Гельмгольца, и векторным полем, полученным с опорного магнитометра, можно определить с использованием как абсолютной величины векторного произведения, так и скалярного произведения, следующим образом (где Abs[ ] означает "абсолютная величина"):

[0044] Используя ось поворота, полученную из векторного произведения и угла поворота, можно образовать матрицу поворота для определения преобразования между отсчетами опорного магнитометра и полем, создаваемым катушкой Гельмгольца. Образование матрицы поворота хорошо известно специалистам в данной области техники. Например, матрица поворота может представлять собой следующее:

[0045]

В выражении для R (u_x, u_y, u_z) является единичным вектором вдоль оси поворота в системе координат катушки Гельмгольца.

[0046] Для вычисления токов, требуемых для подавления поля окружающей среды при его изменении, поле окружающей среды измеряют с использованием опорного магнитометра, и поле подавления вычисляют в системе координат катушки Гельмгольца с использованием матрицы поворота. Коэффициенты масштабирования катушки затем используют для вычисления абсолютной величины токов, которые должны создавать поле подавления, и данные токи затем используют для возбуждения индивидуальных катушек.

[0047] В идеале, абсолютная величина поля подавления, создаваемого катушкой Гельмгольца, равна абсолютной величине вектора поля, измеренного опорной катушкой, когда поле окружающей среды обнулено, т.е. в идеале Abs[B′]=Abs[B]. Вместе с тем на практике небольшая их разность возможна, поскольку ограниченное число бит, создаваемое любой заданной системой, не обеспечивает совершенного разрешения, так что поле только по существу является обнуленным. С учетом указанного рекомендуется использование дополнительного коэффициента масштабирования для перенормирования абсолютной величины поля подавления по абсолютной величине вектора поля, наблюдаемого опорным магнитометром при каждом его измерении.

[0048] Когда поле окружающей среды обнуливают с использованием одной из методик, описанной в данном документе, полученный в результате сигнал с рубидиевого магнитометра M можно применять для зондирования магнитного поля по сигналам электромагнитной телеметрии или местоположения осциллирующего источника магнитного поля в скважине. Данное может создавать некоторые преимущества.

[0049] Например, для уяснения преимуществ, которые можно получить, рассмотрим систему электромагнитной телеметрии с диапазоном частот 30 Гц. Сигналы со скважинного передатчика электромагнитной телеметрии можно обнаруживать c помощью датчика электрического поля (обычно соединение между оборудованием устья скважины и удаленной точкой в грунте) или с использованием магнитометра. Обычные магнитометры (относительно малочувствительные, такие как феррозондовые магнитометры) имеют вследствие ограничения по шуму чувствительность 1 нТл, в лучшем случае. Указанное означает, что рубидиевый магнитометр с чувствительностью 40 пTл/Гц⁵ можно использовать для расширения диапазона сигналов приблизительно в пять раз. Растянутый диапазон можно использовать либо для улучшения скорости передачи данных измерительной системы, или ее рабочей глубины, или того и другого.

[0050] Рассмотрим обычную систему электромагнитной телеметрии, в которой еще не используется эффективно диапазон частот. Предполагается, что использование рубидиевого магнитометра с чувствительностью 40 пTл/Гц⁵ на фиксированной глубине должно обеспечить увеличение скорости передачи данных на 0,15 бит/сек на дБ отношения сигнала к шуму для каждого канала. В пятиканальной системе можно достигнуть общего улучшения скорости передачи данных 3,4 бит/сек. Увеличение чувствительности магнитометра до 70 фТл/Гц⁵ (более высокие значения чувствительности являются возможными, но не достигнуты в варианте осуществления микроэлектромеханических систем) в аналогичных условиях и, принимая остающиеся одинаковыми уровни шума, означает, что скорость передачи данных можно по меньшей мере удвоить вновь.

[0051] Улучшенные показатели работы также можно видеть в аспекте улучшений в достижении глубины. Например, использование сигнала с частотой 1 Гц с улучшением в 10 дБ в отношении сигнала к шуму на фиксированной глубине для однородных пластов с сопротивлением 5 Ом дает улучшение досягаемости, превышающее 1000 метров.

[0052] Варианты внутрискважинного применения устройства 100, показанного на Фиг. 1, включают в себя прием сигналов электромагнитной телеметрии нисходящей линии связи, прием сигналов ретрансляторов электромагнитной телеметрии, прием сигналов, используемых для измерения дальности до магнитных объектов или до объектов, несущих низкочастотные электрические токи, сигналов минералогического состава и анализа магнитной восприимчивости бурового раствора.

[0053] Предусматривается, что магнитные условия на глубине в стволе скважин значительно тише, чем условия на поверхности Земли. Таким образом, уровень собственных шумов для магнитных измерений должен быть несколько ниже, чем для измерений на поверхности, что делает сверхчувствительные магнитометры подходящими для работы в скважине.

[0054] В варианте применения для измерения дальности может возбуждаться осциллирующее магнитное поле в цели, подлежащей обнаружению. Данное может достигаться с помощью вращающегося магнита на буровом долоте, например, или использования источника электромагнитного поля, такого как передатчик. Переменный ток можно также подвести к обсадной колонне скважины-цели, или источник меняющегося по времени магнитного поля можно разместить в скважине-цели.

[0055] Существует первый тип низкочастотного измерения дальности, где измеряют магнитное поле токов, возбужденных в бурильной колонне, и имеется второй тип низкочастотного измерения дальности, где измеряют магнитное поле, возбужденное в объекте, являющемся предметом измерения дальности. Различные методики экранирования используются для данных двух типов измерения дальности.

[0056] В большинстве случаев тип экранирования, применяемый в скважинном приеме электромагнитной телеметрии, является одинаковым с используемым для первого типа измерения дальности. В данных вариантах применения магнитное поле, подлежащее измерению создается током, проходящим вдоль бурильной колонны.

[0057] Проблемы конструирования, подлежащие решению, могут стать понятны при рассмотрении магнитометра, установленного в полости в центре бурильной колонны или КНБК (компоновка низа бурильной колонны), которая несет электрический ток, распределенный приблизительно с азимутальной симметрией вокруг бурильной колонны. В данном случае можно показать с использованием закона Ампера, что результирующее магнитное поле в полости, возникающее от тока, является нулевым.

[0058] Ситуацию можно некоторым образом разрешить вводом асимметрии в ток распределения. Другим подходом к решению проблемы является обнаружение магнитного поля в камере за пределами пути тока.

[0059] На Фиг. 3 показан вид сбоку с вырезом установочной конфигурации 300 магнитометра согласно различным вариантам осуществления изобретения. Здесь канал 310 вырезан в сечении утяжеленной бурильной трубы 314 для размещения магнитометра M. Измерительная ось магнитометра M имеет направление ортогональное продольной оси 322 утяжеленной бурильной трубы, а также параллельное оси 324, параллельной основанию полости. Другими словами, измерительная ось является ортогональной линии, прочерченной радиально от центральной осевой линии утяжеленной бурильной трубы, которая является ортогональной основанию полости.

[0060] На Фиг. 3, магнитометр M реагирует на ток, проходящий под ним. То есть между основанием магнитометра M и внутренним каналом 330 утяжеленной бурильной трубы 314. Если возможно, магнитометр M должен устанавливаться в центре установочной камеры, созданной каналом и крышкой 334, установленной сверху канала 310. Крышка 334 должна иметь электрическую изоляцию от корпуса утяжеленной бурильной трубы 314.

[0061] Конфигурации 300 может являться эффективной в одних ситуациях и неэффективной в других, поскольку магнитометр M не защищен от магнитного поля Земли. Если утяжеленная бурильная труба 314 выполнена из магнитного материала, она должна экранировать часть магнитного поля Земли. Экранирование можно создавать, выполняя коробку из экранирующего материала, такого как мю-металл, где стенки и потолок коробки служат стенками и крышкой канала 310. Днище у коробки отсутствует для исключения экранирования поля, создаваемого электрическим током, проходящим под магнитометром M. Для концентрации прохода тока под магнитометром M медная полоса 338 может паяться серебряным припоем к дну и/или стенкам канала 310.

[0062] В установочной конфигурации 300 отклик магнитометра значительно улучшается в сравнении с простой установкой магнитометра на наружной поверхности утяжеленной бурильной трубы 314. Без показанных улучшений значительная часть магнитного поля от тока в утяжеленной бурильной трубе не принимается магнитометром, поскольку только малая часть тока проходит под магнитометром. Улучшенный отклик получается при использовании конфигурации 300, где значительный объем металла удален из утяжеленной бурильной трубы 314, увеличивая результирующее электрическое сопротивление утяжеленной бурильной трубы (т.е. канала 310) под магнитометром M.

[0063] В дополнение, в конфигурации 300 показана медная полоса 338, расположенная в полости 310, содержащей магнитометр M, между магнитометром M и дном канала 310, вырезанного в утяжеленной бурильной трубе 314. Поскольку медь имеет значительно более высокую электропроводность, чем стали, обычно используемые в конструкции утяжеленной бурильной трубы, медная полоса 338 создает предпочтительный путь тока. Полоса 338 может паяться серебряным припоем в полости 310, при этом удлиненные концы входят в беззазорный контакт со стенками полости 310 с помощью серебряного припоя. Конфигурация 300 в общем заставляет ток проходить к центру утяжеленной бурильной трубы 314, под магнитометром M.

[0064] Наконец, в конфигурации 300 полость 310 и параллельные вырезы утяжеленной бурильной трубы 314 показаны настолько длинными, насколько практически возможно. Данное служит двум целям: (a) обеспечивает подачу тока на медную полосу 338, и (б) обеспечивает мониторинг разности потенциалов на одной из полостей 310 (что можно также использовать для обнаружения сигналов).

[0065] С геометрией конфигурации 300 долю F тока, которая проходит через медную полосу 338 и таким образом под магнитометром M, дает следующее:

где σСu удельная электропроводность меди в См/метр, и T толщина медной полосы в метрах.

[0066] Для параметрического анализа T=αH1, где H1 = глубина установочной полости 310 в метрах, 0<α<1 безразмерный параметр, W1 = ширина полости 310 в метрах, и σsteel удельная электропроводность материала корпуса утяжеленной бурильной трубы 314 в См/метр. R1 внутренний радиус утяжеленной бурильной трубы 314 в метрах, и R3 наружный радиус утяжеленной бурильной трубы 314 в метрах. Для упрощения, принимается, что крышки 334 полостей (не показано) включены в вычисление проводимости, но в некоторых вариантах осуществления крышки 334 имеют электрическую изоляцию.

[0067] Полосу 338 можно выполнять из любого материала с проводимостью выше, чем у материала конструкции утяжеленной бурильной трубы. Медь является только одним возможным вариантом. Серебро является другим вариантом, но использование серебра может являться неоправданным по соображениям стоимости и ожидаемой величины улучшения показателей работы по сравнению с медью.

[0068] В некоторых вариантах осуществления F как функция α имитируется для σCu=6,3 10⁷ См/метр, σsteel=1,37 10⁷ См/метр (может составлять до ~6(10)⁶ См/метр), W1=0,01376 метров, H1=0,0268 метров, R1=0,034925 метров, R3=0,085725 метров. Как показано на Фиг. 3, имеется шесть полостей 310, одна из которых содержит медную полосу 338 с магнитометром и экран 112 из мю-металла. В данном случае экран 112 из мю-металла принимается электрически изолированным от полости 310. Если магнитометр должен устанавливаться в полости без экранирования или медной полосы с пайкой серебряным припоем, по расчету только 0,6% тока должно проходить под магнитометром при вычислении для варианта реализации, показанного на Фиг. 3.

[0069] Таким образом, на Фиг. 1-3 показано, что можно реализовать много вариантов осуществления. Например, в некоторых вариантах осуществления устройство 100 содержит два магнитометра, катушку Гельмгольца и процессор обработки сигналов. То есть устройство 100 может содержать первый магнитометр M, по меньшей мере частично расположенный в катушке 108 Гельмгольца, и второй магнитометр R, имеющий чувствительность по меньшей мере в одну тысячу раз ниже первого магнитометра M. Устройство 100 может также содержать процессор SP обработки сигналов, выполненный с возможностью приводить в действие катушку 108 Гельмгольца согласно сигналу, переданному вторым магнитометром R, для по существу обнуления магнитного поля Земли, окружающего первый магнитометр M, и приема скважинного сигнала обнаружения или сигнала скважинной телеметрии с первого магнитометра M.

[0070] Первый или чувствительный магнитометр может являться рубидиевым или алмазным магнитометром. Таким образом, первый магнитометр M может представлять собой по меньшей мере один рубидиевый магнитометр или алмазный магнитометр.

[0071] Второй или малочувствительный магнитометр может являться феррозондовым магнитометром. Таким образом, второй магнитометр R может представлять собой феррозондовый магнитометр.

[0072] Для обнуления магнитного поля Земли оси малочувствительного магнитометра можно выставлять по осям катушки Гельмгольца. Таким образом, каждые, катушка 108 Гельмгольца и второй магнитометр R могут представлять собой блоки, работающие по трем осям, по существу, соосные по трем осям.

[0073] Если измерительные оси катушки Гельмгольца и чувствительного магнитометра выставлены по одной прямой, можно использовать блоки с одной измерительной осью. Таким образом, катушка 108 Гельмгольца и первый магнитометр M могут, каждый, представлять собой блоки с одной измерительной осью, по существу, в