Устройство и способ (варианты) геологического сопровождения бурения скважин

Устройство и способ (варианты) геологического сопровождения бурения скважин

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретения относится в целом к устройству и способам выполнения измерений, относящихся к разведке на нефть и газ.

Уровень техники

При бурении скважин для разведки на нефть и газ, исследование структуры и свойств сопряженной геологической формации обеспечивает информацию, помогающую в этой разведке. Кроме того, обеспечение оптимального расположения ствола скважины может быть критичным для повышения максимальной нефтедобычи. Для активного регулирования положения скважины применялся электромагнитный (ЭМ-) зонд каротажа сопротивлений в азимутальном направлении, благодаря чему обеспечивалась возможность получения оптимизированного плана бурения. Сопутствующей сферой применения такого зонда является геологическое сопровождение бурения, которое представляет собой целенаправленное управление для регулирования направления бурения. Геофизический сигнал представляет собой сигнал или параметр, который может быть использован для геологического сопровождения бурения. Ответные азимутальные геофизические сигналы могут быть использованы для управления ориентацией профиля скважины в реальном времени, а также же для выдерживания направления скважины на целевую зону формации. Широко известно, что существующие азимутальные ЭМ-зонды, используемые при геологическом сопровождении бурения, сталкиваются с проблемой «мертвой зоны» в условиях бурения, при которых каротажный зонд находится в слоистой геологической формации с симметричными профилями удельных сопротивлений. В таких условиях ответные геофизические сигналы существующих (обычных) направленных ЭМ-зондов становятся весьма нечувствительными к влиянию такой слоистой формации, в результате чего петрофизики могут неправильно интерпретировать геологическую структуру данной формации, основываясь на обычных геофизических сигналах. Примером предельно сложного случая является нахождение зонда в среднем слое 3-слойной формации с симметричным профилем удельной проводимости, когда этот средний слой имеет удельную проводимость выше, чем верхний и нижний слои. При этих условиях бурения геофизический сигнал является очень слабым, и у петрофизиков может создаться ошибочное впечатление, что бурение ведется в гомогенной формации.

WO 2011/129828 A1 раскрывает различные варианты, включающие в себя устройство и способы обработки и геологического сопровождения, при использовании скважинного каротажа. Способы и соответствующие устройства могут использовать сбор сигналов, генерируемых в результате работы зонда, вращающегося в стволе скважины, причем этот зонд содержит приемную антенну, наклоненную к продольной оси зонда, и две передающих антенны. Собранные сигналы могут быть обработаны с учетом направления вращения зонда для определения свойств, связанных с формацией, и/или для определения геофизического сигнала для геологического сопровождения операции бурения. WO 2011/129828 A1 содержит раскрытие преобразования собранных сигналов в связные компоненты.

Патентная публикация США 2008/0078580 относится к системам и способам для определения границ пластов и азимутального каротажа сопротивления с помощью одного зонда. Некоторые варианты способа включают в себя каротаж скважины с помощью азимутально-чувствительного зонда каротажа сопротивлений; получение диаграммы каротажа сопротивлений и сигнала определения границы на основе результатов измерений, осуществленных с помощью указанного зонда; и отображение сигнала определения границы и/или диаграммы каротажа сопротивлений. Результаты измерений при каротаже сопротивлений могут представлять собой компенсированные каротажные диаграммы, т.е. диаграммы, полученные в результате измерений посредством одной или более симметричных компоновок передатчик-приемник. Хотя симметричные компоновки также могут служить в качестве основы для получения сигнала определения границы, более значительная глубина исследования может быть достигнута с использованием асимметричной компоновки. Таким образом, сигнал определения границы может быть некомпенсированным.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает блок-схему варианта иллюстративного устройства, имеющего зондовую конструкцию, выполненную с возможностью работы в скважине для определения свойств формации, согласно различным вариантам.

Фиг. 2 показывает иллюстративный пример антенной конфигурации многокомпонентного электромагнитного каротажного зонда, согласно различным вариантам.

Фиг. 3 показывает зонд, выполненный с возможностью работы в качестве азимутального глубинного датчика удельной проводимости, согласно различным вариантам.

Фиг. 4А-4В показывают трехслойную формацию с симметричными по удельному сопротивлению структурами и фазовые характеристики ответного геофизического сигнала в конфигурации зонда на фиг. 2 при работе вдоль профиля, пролегающего внутри трехслойной формации, согласно различным вариантам.

Фиг. 5А-5В показывают трехслойную формацию без симметричных по удельному сопротивлению структур и фазовые характеристики ответного геофизического сигнала в конфигурации зонда на фиг. 2 при работе вдоль профиля, пролегающего внутри трехслойной формации, согласно различным вариантам.

Фиг. 6А-6С показывают характеристики магнитного поля ответного сигнала, связанные с передатчиком Т6 и приемником R1 в конфигурации зонда на фиг. 3 в модели формации на фиг. 3А, согласно различным вариантам.

Фиг. 7А-7С показывают характеристики магнитного поля ответного сигнала, связанного с компонентами XX и YY в модели формации на фиг. 4А, согласно различным вариантам.

Фиг. 8 показывает конфигурацию антенной системы, оснащенной наклонным приемником и наклонным передатчиком, согласно различным вариантам.

Фиг. 9 показывает конфигурацию позиций бинов зонда и соответствующие азимутальные углы, согласно различным вариантам.

Фиг. 10 показывает конфигурацию электромагнитного зонда, оснащенного как наклонными передатчиками, так и наклонными приемниками, согласно различным вариантам.

Фиг. 11А-11В показывают ответные геофизические сигналы первого типа в конфигурации зонда на фиг. 10 для модели формации на фиг. 6А, согласно различным вариантам.

Фиг. 12А-12В показывают ответные геофизические сигналы второго типа в конфигурации зонда на фиг. 10 для модели формации на фиг. 6А, согласно различным вариантам.

Фиг. 13А-13В показывают диаграммы геофизического сигнала первого типа в конфигурации зонда на фиг. 10 для модели формации на фиг. 6А, согласно различным вариантам.

Фиг. 14А-14В показывают диаграммы геофизического сигнала второго типа в конфигурации зонда на фиг. 10 для модели формации на фиг. 6А, согласно различным вариантам.

Фиг. 15A-15D показывают конфигурации антенны, выполненные с возможностью сбора компенсированных ответных геофизических сигналов, согласно различным вариантам.

Фиг. 16 показывает отличительные особенности иллюстративного способа осуществления связанных с бурением операций с использованием геофизического сигнала, согласно различным вариантам.

Фиг. 17 показывает блок-схему отличительных особенностей иллюстративной системы, выполненной с возможностью осуществления измерений в скважине и обработки измеренных сигналов с целью осуществления связанных с бурением операций с использованием геофизического сигнала, согласно различным вариантам.

Фиг. 18 показывает вариант системы на месте бурения; эта система содержит измерительный зонд и процессорный модуль, выполненные с возможностью осуществления связанных с бурением операций с использованием геофизического сигнала, согласно различным вариантам.

Подробное раскрытие

Нижеследующее подробное раскрытие ссылается на сопроводительные чертежи, показывающие, в иллюстративных неограничительных целях, различные варианты, в которых может быть реализовано настоящее изобретение. Эти варианты раскрыты в существенных деталях с тем, чтобы обеспечить возможность для специалистов в данной области техники реализовать на практике эти и другие варианты. Могут быть реализованы другие варианты, а в раскрытые варианты могут быть внесены структурные, логические и электрические изменения. Различные варианты не обязательно являются взаимоисключающими, поскольку некоторые варианты могут комбинироваться с одним или более другими вариантами с целью создания новых вариантов. Нижеследующее подробное раскрытие, таким образом, не должно рассматриваться в ограничительном смысле.

Управление геологическим сопровождением может быть основано на результатах скважинного каротажа для увеличения степени вскрытия буровой скважиной нефтегазоносной формации («продуктивного пласта»). Такое геологическое сопровождение может быть использовано для поддержания ствола скважины в пределах области, которая обеспечивает материал, являющийся источником промышленной ценности. Свойства геофизических сигналов полезны при геологическом сопровождении для оптимизации расположения скважины с целью максимальной нефтедобычи. Геофизические сигналы, показывающие направление буровых инструментов в скважине, пригодны для определения границ. В дополнение, геофизический сигнал может использоваться для вычисления расстояния до границ пласта. Раскрытые здесь устройство и схемы обработки обеспечивают возможность генерирования геофизических сигналов.

Фиг. 1 показывает блок-схему варианта устройства 100, имеющего зондовую конструкцию 105, выполненную с возможностью работы в скважине с целью определения свойств формации. Зондовая конструкция 105 содержит массив датчиков 110-1, 110-2…110-(N-1), 110-N, расположенных вдоль продольной оси 107 зонда 105. Каждый датчик 110-1, 110-2…110-(N-1), 110-N может быть наклонен к продольной оси 107. Наклонным является такой датчик, который расположен на зондовой конструкции 105 под выбранным углом, превышающим допустимые углы, связанные с датчиком, закрепленным параллельно или перпендикулярно продольной оси 107. Термин «наклонный» означает, что плоскость данного датчика не перпендикулярна продольной оси 107. Угол наклона может быть измерен между продольной осью 107 и нормалью к плоскости датчика и может быть указан как положительный или отрицательный угол, меньший 90°. Обычно угол наклона представляет собой абсолютную величину от 5° до 85°. Массив датчиков может содержать одну или более комбинаций передающих датчиков и приемных датчиков, имеющих определенные углы наклона. Конфигурация передающих датчиков и приемных датчиков может сформировать симметричный датчик-зонд.

Зондовая конструкция 105 может содержать одну или более групп передающих датчиков и приемных датчиков, расположенных симметрично, и одну или более групп передающих датчиков и приемных датчиков, не расположенных симметрично. Симметричное или асимметричное расположение может быть осуществлено путем выборочного управления выбранными группами датчиков 110-1, 110-2…110-(N-1), 110-N для передачи и выбранными группами датчиков 110-1, 110-2…110-(N-1), 110-N для приема. Работа симметричного датчика-зонда обеспечивает возможность структурной компенсации для генерирования компенсированных сигналов, которые могут обрабатываться с целью определения параметров формации. Обработка выбранных принятых сигналов, коррелированных с выбранными генерируемыми сигналами, обеспечивает возможность получения геофизических сигналов, которые могут использоваться для получения точных данных при анизотропных измерениях и для точной оценки формаций как при проводном применении, так и при применении для измерений в процессе бурения (MWD), в частности для каротажа в процессе бурения (LWD).

В различных вариантах упомянутые здесь компоновки датчиков могут включать в себя различные типы датчиков. Например, как передающие датчики, так и приемные датчики могут представлять собой антенны. Датчики могут быть выполнены в виде катушки, соленоида, магнитометра или в виде других аналогичных датчиков. В случае датчиков в виде катушки угол наклона может быть обеспечен путем намотки катушки под этим углом. В случае соленоида угол возвышения сердечника может быть отрегулирован до нужного угла наклона. В случае магнитометра устройство может быть закреплено на или в зондовой конструкции 105 под нужным углом наклона.

Устройство 100 может содержать модуль 120 управления, который управляет генерированием передаваемых сигналов и сбором принимаемых сигналов, соответствующих передаваемым сигналам. Модуль 120 управления может быть выполнен с возможностью выбора конкретных датчиков 110-1, 110-2…110-(N-1), 110-N в качестве приемных датчиков с целью формирования симметричного датчика-зонда. Модуль 120 управления может управлять активацией выбранных передающих датчиков и сбором сигналов от выбранных приемных датчиков, так что измеренные сигналы могут использоваться для генерирования компенсированных сигналов, относящихся к связным компонентам, как было указано выше. Активация датчика означает генерирование передаваемого сигнала от этого датчика. Это генерирование передаваемых сигналов может быть осуществлено с целью получения сигналов различных частот. Каждая из этих различных частот может быть связана с отдельным передающим датчиком. Собранные принятые сигналы могут быть использованы в процессорном модуле 130 в подходящем формате для осуществления численной инверсии данных, генерированных на основе сигналов, собираемых в приемных датчиках из массива датчиков 110-1, 110-2…110-(N-1), 110-N.

Процессорный модуль 130 может быть выполнен с возможностью обработки измеренных сигналов для генерирования геофизических сигналов. Схема генерирования геофизических сигналов может быть выполнена согласно различным вариантам, раскрытым здесь. Процессорный модуль 130 может применять процесс инверсии для генерирования параметров формации. Осуществление операции инверсии или операций инверсии может включать в себя использование упреждающей модели и/или библиотеки. Упреждающая модель обеспечивает группу математических зависимостей для ответных сигналов датчиков, которые могут быть применены для определения того, какой выбранный датчик будет осуществлять измерение в конкретной среде, которая может включать в себя конкретную формацию. Библиотека может содержать информацию, относящуюся к различным свойствам формации, которые могут быть коррелированы с измеренными ответными сигналами на выбранные зондовые сигналы. Осуществление операции инверсии или операций инверсии может включать в себя осуществление итерационного процесса или осуществление процесса сопоставления образов.

Процессорный модуль 130 может быть выполнен с возможностью обработки измеренных сигналов с целью генерирования геофизических сигналов. Эти геофизические сигналы могут быть основаны на чувствительности связных компонент XX или YY. Также могут генерироваться геофизические сигналы, основанные на связных компонентах XZ и ZX. Буровые операции, включая геологическое сопровождение, но не ограничиваясь им, могут осуществляться с использованием геофизических сигналов, основанных на чувствительности связных компонент XX и/или YY. Использование геофизических сигналов, основанных на чувствительности связных компонент XX и YY, может включать в себя оценку в комбинации с геофизическими сигналами, основанными на связных компонентах XZ и/или ZX. Процессорный модуль 130 может быть выполнен в виде модуля, отдельного от модуля 120 управления, или объединен с модулем 120 управления. Процессорный модуль 130 и/или модуль 120 управления могут или может быть выполнены или выполнен в виде распределенных компонент.

В различных вариантах измерительный зонд 105 с процессорным модулем 130 или комбинацией модуля 120 управления и процессорного модуля 130 может быть выполнен с возможностью определения и генерирования связных компонент XX и YY, включая чувствительность связных компонент XX и YY к разности между нулевыми сигналами обычных зондов в «мертвой зоне» и в гомогенной среде. Чувствительность связных компонент XX и YY может быть определена путем обработки с целью отделения связных компонент матрицы связи, которая ставит в соответствие сигналы, принятые приемными датчиками зонда 105, сигналам, переданным передающими датчиками зонда 105, посредством массива передающих датчиков и приемных датчиков, которые непосредственно получают отделенные связные компоненты XX и YY, или посредством массива передающих датчиков, которые получают отделенные связные компоненты XX и YY с помощью ограниченной обработки. Различные сигналы могут генерироваться согласно различным комбинациям связных компонент, которые используют чувствительность XX и YY для решения проблем «мертвой зоны». Такие комбинации могут включать в себя, не ограничиваясь ими, генерирование среднеарифметического значения, которое может включать детерминацию различия между связными компонентами XX и YY, или среднегеометрического значения, которое может включать детерминацию различия между связными компонентами XX и YY, или другие комбинации, упоминаемые здесь. Определение факта различия или величины различия может использоваться для идентификации границ между различными слоями формации.

В различных вариантах, технологии обработки в сочетании с ЭМ-зондом, оснащенным как наклонным передатчиком (передатчиками), так и наклонным приемником (приемниками), могут применяться для получения геофизических сигналов. Ответные геофизические сигналы могут использоваться для различения моделей формаций в тех случаях, когда это невозможно осуществить с помощью обычных азимутальных ЭМ-зондов. Новые технологии способны устранить проблему «мертвой зоны» и помогают петрофизикам еще лучше понять геологическую структуру формации на основе различных ответных геофизических сигналов, чувствительных к конкретным азимутальным ориентациям. Эти технологии могут удовлетворять конкретным нуждам при использовании в современных видах геологического сопровождения.

Фиг. 2 показывает антенную конфигурацию 200 для многокомпонентного электромагнитного каротажного зонда. Раскрытие такой конфигурации многокомпонентного электромагнитного каротажного зонда можно найти в международной публикации WO 2011/129828. Магнитное поле h в приемных катушках может быть выражено через магнитные моменты m в передатчиках и матрицу связи C следующим образом:

Уравнение (1) может быть представлено в виде:

где М_Х, M_Y, и M_Z представляют собой магнитные моменты передаваемого сигнала, излучаемого передатчиками T_X, T_Y и T_Z, соответственно. H_X, H_Y, и H_Z представляют собой магнитные поля, которые пропорциональны принимаемым сигналам в приемных антеннах R_X, R_Y и R_Z соответственно. Для антенной конфигурации на фиг. 2 могут быть получены девять абсолютных или дифференциальных измеренных значений, когда антенна активирована и сигнал измерен в каждом из трех приемников соответственно. Эти девять измерительных значений обеспечивают возможность определения полной матрицы связи С. Матрица связи С имеет компоненты, , где I - индекс приемника R_X, R_Y и R_Z, J - индекс приемника T_X, T_Y и T_Z, a_IJ - постоянный коэффициент, определяемый конструкцией зонда, - связная компонента, представляющая амплитуду сигнала и сдвиг по фазе, измеренные приемником / в ответ на активацию передатчика J.

Фиг. 3 показывает зонд 305, выполненный с возможностью работы в качестве ЭМ-зонда каротажа сопротивлений в азимутальном направлении. Конфигурация зонда 305 может быть выполнена с возможностью обеспечения глубокого азимутального зондирования. В сочетании с наклонными приемниками (R1, R2 и R3) эта конфигурация зонда обеспечивает возможность азимутально-чувствительных измерений. Измерения, осуществляемые посредством зонда 305, ассоциированы со связными компонентами и на фиг. 2, обеспечивая ответные сигналы удельного сопротивления и геофизические сигналы для определения границы пласта, когда зонд вращается во время операции бурения. Конфигурация и работа зонда 305 раскрыты в патентной публикации США 2008/0078580. Зонд 305 может осуществлять сбор измеренных значений по нескольким дискретным направлениям, именуемым бинами или направлениями бинов, обеспечивая возможность при нескольких различных глубинах исследования определять расстояния до множества границ пласта и направления на них. Например, зонд 305 может быть выполнен с передатчиками и приемникам для использования тридцати двух дискретных направлений и четырнадцати различных глубин исследования. Тем не менее, другие конфигурации зондов, аналогичных зонду 305, могут использовать больше или меньше, чем тридцать два дискретных направления, и/или больше или меньше, чем четырнадцать различных глубин исследования.

Зонд 305 содержит передатчики Т1-Т6 и наклонные приемники R1-R3 для измерения удельного сопротивления, которые могут быть выполнены с возможностью формирования матрицы азимутального удельного сопротивления путем активации различных передатчиков в комбинации с выбором подходящих наклонных приемников с целью сбора ответных сигналов в результате активации различных передатчиков. Эти передатчики, удаленные на различные расстояния от наклонных приемников, обеспечивают возможность исследования формации на различных расстояниях от зонда 305, включая относительно глубокое зондирование. Более глубинные измерительные данные, обеспечиваемые зондом 305, могут сократить время реакции, что обеспечит возможность повышения скорости бурения. Массив наклонных датчиков также предназначен для азимутальных измерений. Азимутальные измерительные данные могут использоваться для получения значений анизотропного удельного сопротивления R_h (по горизонтали) и R_v (по вертикали), и глубины. Азимутальные измерения могут быть осуществлены для нескольких бинов. Например, в качестве количества бинов может быть установлено 32. Может также быть установлено другое количество бинов.

Передатчики и приемники зонда 305 могут быть разнесены для обеспечения нескольких разделяющих расстояний. Например, верхние передатчики могут быть удалены от центральных наклонных приемников на такие же разделяющие расстояния, на которые нижние передатчики удалены от центральных наклонных приемников. Такая конфигурация обеспечивает симметричное расположение датчиков, которые могут быть сгруппированы для формирования множества подматриц. Примеры разделяющих расстояний могут включать в себя 16 дюймов (50,6 см), 32 дюйма (81, 3 см) и 48 дюймов (121, 9 см). Кроме того, могут использоваться разделяющие расстояния, не используемые в симметричной конфигурации; например там, где используются верхние и нижние передатчики с дистанционным наклонным приемником R3, могут быть обеспечены разделяющие расстояния большей величины. В дополнение, зонд 305 выполнен с возможностью работы на нескольких различных частотах. Например, зонд 305 может работать на частотах, включающих, но не ограничивающихся 2 МГц, 500 кГц и 125 кГц.

Тем не менее, имеют место проблемы с использованием ответных геофизических сигналов в нескольких моделях формаций, в частности в слоистых моделях с симметричными структурами по удельному сопротивлению. Рассмотрим трехслойную модель формации. Фиг. 4А показывает зонд на фиг. 3, забуриваемый в трехслойную модель формации вдоль профиля 407; в этой модели верхний и нижний слои имеют низкое удельное сопротивление порядка 1 Ом⋅м, а средний слой имеет высокое удельное сопротивление порядка 20 Ом⋅м. Фиг. 4В показывает соответствующую фазовую характеристику 441 ответного геофизического сигнала при детектировании с верхней стороны относительно зонда и соответствующую фазовую характеристику 442 ответного геофизического сигнала при детектировании с нижней стороны относительно зонда. Направление в верхнюю сторону (указано на фиг. 9) показывает, что лицевая поверхность зонда обращена к поверхности с азимутальным углом 0°, в то время как направление в нижнюю сторону противоположно на 180° направлению в верхнюю сторону. Как показано на фиг. 4А-4В, когда зонд расположен на глубине порядка 15 футов (4, 57 м) от земли по истинно вертикальной оси (истинно вертикальная глубина, TVD), фаза геофизического сигнала становится равной нулю, независимо от угла наклона бурения. При этих условиях петрофизики могут ошибочно принять геологическую структуру данной формации за гомогенную из-за слабых ответных геофизических сигналов.

Похожие ситуации возникают, если удельное сопротивление самого нижнего слоя изменилось до 5 Ом⋅м, как показано на фиг. 5А, при зонде на фиг. 3, забуренном в модель трехмерной формации вдоль профиля бурения 507. Фиг. 5В показывает соответствующую фазовую характеристику 541 ответного геофизического сигнала по направлению в верхнюю сторону относительно зонда и соответствующую фазовую характеристику 542 по направлению в нижнюю сторону. При глубине порядка 12 футов (3, 66 м) в истинном вертикальном направлении на фиг. 5А-5В, фаза соответствующего геофизического сигнала остается равной нулю, аналогично ответным сигналам в случае гомогенной формации. Как можно видеть на этих фигурах, в зонде на фиг. 3 независимо от значений удельного сопротивления имеет место «мертвая зона» там, где геофизический сигнал (или его эквивалент ) становится равным нулю в трехслойной модели, в которой средний слой имеет более высокое удельное сопротивление по сравнению с другими слоями. Другие примеры формаций, такие как формации, в которых средний слой имеет более высокую удельную проводимость по сравнению с верхним слоем и нижним слоем в трехслойной модели, или в многослойной модели с профилями удельного сопротивления в последовательности высокое-низкое-высокое или низкое-высокое-низкое, могут создавать такую «мертвую зону» в ответных геофизических сигналах в случае обычных ЭМ-зондов каротажа сопротивлений в азимутальном направлении в процессе бурения (LWD).

Как было сказано выше, ответные геофизические сигналы в ЭМ-зондах каротажа сопротивлений в азимутальном направлении, применяемых в промышленных целях в настоящее время, ассоциированы со связными компонентами и , причем азимутальная чувствительность относится только к связным компонентам (см. международную публикацию WO 2011/129828). Фиг. 6А показывает модель формации, для которой фиг. 6В показывает действительную составляющую магнитного поля, а фиг. 6С показывает мнимую составляющую магнитного поля при использовании передатчика Т6 и приемника R1 на фиг. 3. Фиг. 6В-6С показывают моделирующие ответные сигналы магнитного поля, относящиеся к связным компонентам ZX и ZZ. Кривые 641 и 643 относятся к H_ZX, а кривые 642 и 644 - к H_ZZ, Модель формации задана такой же, что и на фиг. 4А, однако она имеет постоянный угол наклона, равный 89°. Как показано на фиг. 6В-6С, связные компоненты становятся очень малыми, когда зонд расположен в средине модели формации (15 футов (4, 57 м) по TVD). Следовательно, ЭМ-зонд каротажа сопротивлений в азимутальном направлении теряет азимутальную чувствительность при использовании в таких моделях формации. Действительно, в других видах моделей слоистых симметричных формаций геофизические сигналы могут становиться бесполезными в определенном положении по глубине, так что возникают проблемы из-за неопределенности в обычных видах геологического сопровождения.

Для того чтобы решить вышеуказанные проблемы неопределенности при геологическом сопровождении, в настоящем изобретении введены новые ответные геофизические сигналы. Как показано на фиг. 6В-6С, связная компонента ZX теряет чувствительность в середине модели формации (на практике связная компонента XZ будет аналогична ZX), и связная компонента ZZ не может быть использована для обеспечения азимутальной чувствительности. Поэтому для ответных геофизических сигналов введены две или более связных компоненты; ими являются связные компоненты XX и YY.

Фиг. 7А показывает ту же самую модель формации, что и на фиг. 6А, а на фиг. 7В-7С использованы те же самые значения частоты и расстояния между антеннами (передатчиком Т6 и приемником R1 на фиг. 3). Фиг. 7В-7С показывают ответные сигналы Н магнитного поля, ассоциированные со связными компонентами XX и YY. Кривые 741 и 743 приведены для H_XX, а кривые 742 и 744 - для H_YY. Теоретически, связные компоненты XX и YY в гомогенной модели формации являются идентичными. Как показано на фиг. 7В-7С, всегда имеют место промежутки между компонентами XX и YY магнитного поля, и, следовательно, эти промежутки могут быть использованы для решения вышеуказанной проблемы неопределенности. Увеличение этих промежутков по ходу следования может быть использовано для идентификации границ между слоями формации с различными удельными сопротивлениями.

Конфигурация 800 с наклонным передатчиком и наклонным приемником на фиг. 8 была раскрыта в международной публикации WO 2011/129828, где эта конфигурация 800 была выполнена с возможностью формирования компонент XX и YY в зондах для каротажа в процессе бурения (LWD). На фиг. 8 сигнал, принятый в приемнике (R) при активации передатчика (T), может быть выражен формулой (3):

где

В дополнение, в патентной публикации США 2008/0078580 были введены два вида определений (V_Geo1 и V_Geo2) геофизического сигнала; первый вид геофизического сигнала выражен формулой

и второй вид выражен формулой

где i - индексный номер бина роторного зонда, β_i - соответствующий азимутальный угол с верхней стороны бина с индексным номером i, как показано на фиг. 9, β_j - азимутальный угол бина j, противоположного азимутальному направлению бина i, и N - суммарное количество бинов на фиг. 9.

Рассмотрим конструкцию антенны 1000 на фиг. 10. С помощью симметричных антенных структур могут быть компенсированы ответные геофизические сигналы, выраженные уравнениями (4) и (5). С использованием тех же самых условий бурения, что и на фиг. 6А, на фиг. 11А и 11В соответственно показаны фазовая характеристика и характеристика затухания компенсированного геофизического сигнала первого вила, V_Geo1, для четырех различных азимутальных углов зонда (0°, 90°, 180° и 270°). Кривая 1141 соответствует азимутальному углу 0°. Кривая 1142 соответствует азимутальному углу 90°. Кривая 1143 соответствует азимутальному углу 180°. Кривая 1144 соответствует азимутальному углу 270°. Кривая 1146 соответствует азимутальному углу 0°. Кривая 1147 соответствует азимутальному углу 90°. Кривая 1148 соответствует азимутальному углу 180°. Кривая 1149 соответствует азимутальному углу 270°. С использованием тех же условий бурения, что и на фиг. 6А, на фиг. 12А и 12В соответственно показан второй вид геофизического сигнала, V_Geo2, т.е. фазовая характеристика и характеристика затухания компенсированного ответного геофизического сигнала при четырех различных азимутальных углах зонда (0°, 90°, 180° и 270°). Кривая 1241 соответствует азимутальному углу 0°. Кривая 1242 соответствует азимутальному углу 90°. Кривая 1243 соответствует азимутальному углу 180°. Кривая 1244 соответствует азимутальному углу 270°. Кривая 1246 соответствует азимутальному углу 0°. Кривая 1247 соответствует азимутальному углу 90°. Кривая 1248 соответствует азимутальному углу 180°. Кривая 1249 соответствует азимутальному углу 270° Как показано на фиг. 11А-11В, первый вид геофизического сигнала никогда не достигает нуля, даже если зонд расположен в середине модели формации. С другой стороны, второй вид ответного геофизического сигнала аналогичен тем, которые имеют место в ЭМ-зонде каротажа сопротивлений в азимутальном направлении, где в подобных симметричных моделях формаций обнаруживаются неопределенности.

Следовательно, комбинация обоих видов ответных геофизических сигналов может быть использована для взаимного различения гомогенной модели формации и негомогенной слоистой модели формации с симметричными профилями удельного сопротивления. Фактически, фиг. 13А-13В показывают фазовую диаграмму геофизического сигнала и диаграмму затухания геофизического сигнала первого вида при различных азимутальных углах зонда, соответствующих сигналам на фиг. 11А и фиг. 11В соответственно, в модели формации на фиг. 6А. Фиг. 14А-14В показывают фазовую диаграмму геофизического сигнала и диаграмму затухания геофизического сигнала второго вида при различных азимутальных углах зонда, соответствующих сигналам на фиг. 12А и 12В соответственно в модели формации на фиг. 6А. С использованием таких диаграмм геофизических сигналов петрофизики могут интерпретировать геологическую структуру формации без проблем, связанных с неопределенностью.

Когда ЭМ-зонд находится в середине симметричной слоистой формации (или других формаций), разность между компонентами XX и YY может устранить мертвую зону. Следовательно, использование такой разности между компонентами XX и YY обеспечивает механизм отличения всех вышеописанных слоистых моделей формаций от гомогенной модели формации. В конфигурации зонда на фиг. 10 передатчики перпендикулярны приемникам, и все антенны наклонены на 45°. Для такой конфигурации сигнал напряжения, измеренный в приемнике в качестве ответа на активацию передатчика, может быть представлен, на основе уравнения (3), в виде:

Таким образом, уравнение 4, использующее уравнение (6), может быть представлено в виде:

и уравнение (5) может быть представлено в виде:

Как показано в уравнениях (7) и (8), для различных азимутальных углов β_i при различных бинах i, V_Geo1 включает в себя как разность между XX и YY, так и разность между XZ и YZ, благодаря чему обеспечивается возможность обнаружения неопределенности, связанной с мертвой зоной при использовании обычных технологий. Тем не менее, только геофизический сигнал V_Geo2 показывает разность между XZ и YZ, что аналогично обычным промышленным ЭМ-зондам для азимутального направления, которые используют компоненты ZX.

С другой стороны, для конфигурации зонда на фиг. 10 процессорный модуль может осуществлять разделение и посредством применения эмпирической функции и/или преобразования Фурье к уравнению (3). Затем может быть вычислен и сгенерирован ответный геофизический сигнал третьего вида по формуле

и ответный геофизический сигнал четвертого вида по формуле

Геофизический сигнал V_Gео3 может использоваться для решения проблемы неопределенности, а сгенерированный геофизический сигнал V_Geo4 аналогичен ответным геофизическим сигналам в обычных промышленных зондах. Новые геофизические сигналы могут генерироваться для идентификации разности компонент XX и YY и устранения неопределенностей из-за мертвой зоны.

В дополнение к использованию значения разности между связными компонентами XX и YY, могут также быть определены другие ответные геофизические сигналы с помощью, но не ограничиваясь ею, величины соотношения между связными компонентами XX и YY или величины корня квадратного из связных компонент XX и YY. Могут также использоваться другие алгебраические функции XX и YY. Такие значения могут быть вычислены на основе сигналов магнитного поля и/или комплексных сигналов напряже