Способ и устройство для определения удельного электрического сопротивления породы спереди и сбоку долота

Номер патента: 14920

Опубликовано: 29.04.2011

Авторы: Горек Маттиас, Фульда Кристиан

Есть еще 4 страницы.

Смотреть все страницы или скачать PDF файл.

Формула / Реферат

1. Устройство для определения значения параметра, связанного с удельным сопротивлением породы, во время пробуривания в ней скважины, содержащее

буровое долото, выполненное с возможностью перемещения на компоновке нижней части бурильной колонны (КНБК), сконфигурированной для пробуривания скважины,

электрод на буровом долоте, выполненный с возможностью подачи измерительного тока в породу и электрически изолированный от бурового долота,

источник питания, выполненный с возможностью генерирования измерительного тока и поддержания потенциала бурового долота, величина которого, по существу, равна величине потенциала электрода, за счет чего буровое долото фокусирует измерительный ток, и

процессор, выполненный с возможностью определения значения указанного параметра с использованием упомянутой величины потенциала и величины сфокусированного тока.

2. Устройство по п.1, в котором указанный параметр представляет собой по меньшей мере один параметр из группы, включающей удельное электрическое сопротивление породы и удельную электропроводность породы.

3. Устройство по п.1, в котором процессор выполнен с возможностью определения расстояния до границы раздела в пласте или обеспечения изображения пласта, построенного по данным метода сопротивлений.

4. Устройство по п.1, содержащее датчик ориентации на КНБК, причем электрод располагается сбоку бурового долота, а процессор способен обеспечивать сжатие и передачу телеметрическим путем изображения пласта, построенного по данным метода сопротивлений, на поверхность.

5. Устройство по п.1, в котором процессор способен обеспечивать определение значения указанного параметра посредством использования калибровочного коэффициента, определяемого на основе измерений в среде с известным удельным электрическим сопротивлением.

6. Устройство по п.4, в котором датчик ориентации выбран из группы, состоящей из акселерометра, магнетометра и гироскопа.

7. Устройство по п.1, в котором источник питания содержит тороидальную катушку.

8. Устройство по п.1, содержащее блок для измерения тока, выполненный с возможностью предоставления информации о величине измерительного тока.

9. Устройство по п.1, в котором процессор способен обеспечивать контроль направления бурения КНБК, основываясь, по меньшей мере, на определенном расстоянии до границы раздела в пласте или изображении, построенном по данным метода сопротивлений.

10. Устройство по п.1, выполненное с возможностью направления сфокусированного тока спереди долота и определения посредством процессора указанного параметра спереди долота.

11. Способ определения значения параметра, связанного с удельным сопротивлением породы, во время пробуривания в ней скважины, выполняемый при помощи устройства по любому из пп.1-10 и включающий

перемещение бурового долота на компоновке нижней части бурильной колонны (КНБК) в буровую скважину,

подачу измерительного тока в породу посредством электрода, размещенного на буровом долоте и электрически изолированного от него,

фокусирование измерительного тока с использованием бурового долота,

определение значения указанного параметра с использованием величины потенциала электрода и величины тока.

12. Способ по п.11, в котором фокусирование измерительного тока включает поддержание потенциала бурового долота, величина которого, по существу, равна величине потенциала электрода.

13. Способ по п.11, в котором указанный параметр представляет собой по меньшей мере один параметр из группы, включающей удельное электрическое сопротивление породы и удельную электропроводность породы.

14. Способ по п.11, в котором обеспечивают, по меньшей мере, определение расстояния до границы раздела в пласте или изображение пласта, построенное по данным метода сопротивлений.

15. Способ по п.11, включающий измерение ориентации КНБК, подачу измерительного тока из боковой части бурового долота и сжатие и передачу телеметрическим путем изображения, построенного по данным метода сопротивлений, на поверхность.

16. Способ по п.11, в котором при определении значения указанного параметра также используют калибровочный коэффициент, определенный по результатам измерений в среде с известным удельным электрическим сопротивлением.

17. Способ по п.15, в котором измерение ориентации КНБК включает использование датчика ориентации, выбираемого из группы, состоящей из акселерометра, магнетометра и гироскопа.

18. Способ по п.11, включающий генерирование измерительного тока посредством использования тороидальной катушки.

19. Способ по п.11, включающий использование устройства для измерения тока для предоставления информации о величине измерительного тока.

20. Способ по п.11, включающий размещение обсадной трубы в буровой скважине на основе данных об определенном расстоянии до границы раздела в пласте.

21. Способ по п.11, в котором измерительный ток фокусируют спереди долота и измеряют указанный параметр спереди долота.

Текст

Смотреть все

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОРОДЫ СПЕРЕДИ И СБОКУ ДОЛОТА(71)(73) Заявитель и патентовладелец: БЕЙКЕР ХЬЮЗ ИНКОРПОРЕЙТЕД (US) В изобретении описаны способ и устройство для получения данных измерений удельного электрического сопротивления породы, окружающей ствол скважины, в приборе для измерений в процессе бурения, который использует буровое долото и прилегающую часть воротника бура в качестве фокусирующего электрода для фокусирования измерительного тока от измерительного электрода на торце или боковой стороне бурового долота. Это позволяет "видеть" спереди и сбоку долота. 014920 Область техники Данное изобретение в общем относится к разведочным работам на нефть и газ, включающим способы электрической разведки ствола скважины, проникающего внутрь толщи подземных пород. Говоря более точно, изобретение относится к долоту, оснащенному измерительной аппаратурой, расположенной на каротажном зонде, который перемещается вдоль ствола скважины внутри толщи пород с целью генерирования и измерения индивидуальных измерительных токов, которые вводятся в стенку ствола скважины. При этом могут использоваться дополнительные датчики для измерений. Уровень техники Электрический каротаж подземной скважины хорошо известен, и описаны различные устройства и технические приемы, которые применяют для этой цели. Вообще говоря, существуют две категории устройств, применяемых в приборах электрического каротажа. В первой категории устройств, называемых"гальваническими", электроды испускают ток в подземные пласты с целью определения их удельного электрического сопротивления. Одной из наиболее простых форм "гальванических" устройств является так называемый "потенциал-зонд", в котором токовый электрод (питающий электрод) пропускает ток через подземный пласт к удаленной точке, а электрод, находящийся под напряжением (приемный электрод), измеряет потенциал, возникающий благодаря этому току, относительно удаленной точки отсчета. Во второй категории устройств, представляющей собой приборы индукционного каротажа, антенна внутри измерительного прибора индуцирует электрический ток внутри породы (пласта). Удельное электрическое сопротивление породы может быть определено посредством измерения либо величины или ослабления, вызываемых распространением этого тока, при помощи той же самой антенны или антенн отдельного принимающего устройства. Различные представленные в качестве примера варианты осуществления настоящего изобретения принадлежат к первой категории, категории гальванических устройств, как это будет более подробно показано ниже. Устройства типа "потенциал-зонд" широко применялись в промышленности, выпускающей каротажное оборудование, для определения удельного электрического сопротивления породы в условиях,когда скважинный флюид обладал либо более высоким, либо несколько меньшим уровнем удельного электрического сопротивления, чем подземной пласт. Одним из ранее применяемых устройств было устройство Doll, в котором так называемый "потенциал-микрозонд" применялся для измерения удельного электрического сопротивления рядом со стенкой ствола скважины. Некоторые гальванические устройства спроектированы так, чтобы фокусировано направлять измерительный ток в пласт, удельное электрическое сопротивление которого требуется определить. Например, патент US 3365658 (Birdwell) описывает применение фокусирующего электрода для определения удельного электрического сопротивления подземных пластов. Измерительный ток эмитируется от центрального измерительного электрода в примыкающие подземные пласты. Этот измерительный ток фокусируется в относительно узкий токовый пучок, направленный наружу из ствола скважины, что осуществляется при помощи использования сфокусированного тока, эмитированного расположенными поблизости фокусирующими электродами, которые располагаются рядом с измерительным электродом с одной его стороны. Другие гальванические устройства фокусируют ток рядом со стенкой ствола скважины. Это является полезным, когда величина удельного электрического сопротивления бурового раствора является значительно меньшей, чем величина удельного электрического сопротивления породы. Патент US 6850068 (Chemali и др.), имеющий того же самого правопреемника, что и настоящее изобретение, содержание которого включено в настоящее описание в качестве ссылки, описывает устройство для осуществления измерений удельного электрического сопротивления породы во время процесса бурения. Для целей пробуривания скважины буровое долото перемещается, находясь на компоновке нижней части бурильной колонны. По меньшей мере один измерительный электрод располагается на внешней поверхности бурового долота и используется для пропускания измерительного тока в пласт. Устройство, установленное в полости бурового долота, реагирует по меньшей мере либо на ток, либо на напряжение по меньшей мере одного измерительного электрода. Отклик этого устройства указывает на величину удельного электрического сопротивления породы, находящегося рядом со стволом скважины. Источник напряжения, соединенный по меньшей мере с одним электродом, обеспечивает подачу заданного напряжения по меньшей мере к одному электроду. Устройство, описанное в патенте US 6050068,является устройством, не фокусирующим ток. Соответственно в данном случае могут существовать вариации в уровне измеряемого удельного электрического сопротивления, что происходит по причине изменений в величине отклонения электрода во время вращения каротажного прибора. При этом может оказаться желательным уменьшить эффект воздействия такого отклонения. Специалистам в данной области техники будет понятно, что отклонение каротажного устройства может вызываться вертикальными колебаниями долота во время бурения. Сущность изобретения В настоящем изобретении предлагается устройство для проведения измерений породы во время пробуривания ствола скважины. Устройство включает буровое долото, которое помещается на компоновке нижней части бурильной колонны (КНБК). Электрод, установленный на буровом долоте, сконфигурирован для пропуска измерительного тока в породу, при этом электрод электрически изолирован от-1 014920 бурового долота. Источник питания сконфигурирован, чтобы генерировать измерительный ток и поддерживать электрический потенциал бурового долота, величина которого, по существу, равна величине потенциала электрода. Устройство также содержит процессор, сконфигурированный с возможностью использования величины потенциала и величины тока для определения значения интересующего параметра и регистрации полученного значения на подходящем носителе. Интересующий параметр может представлять собой удельное электрическое сопротивление породы, удельную электропроводность породы, расстояние до границы раздела в пласте и/или изображение пласта, построенное по данным метода сопротивлений. Устройство также может содержать датчик ориентации на КНБК, электрод, расположенный сбоку бурового долота, при этом процессор также сконфигурирован для сжатия и телеметрии (передачи телеметрическим путм) изображения, построенного по данным метода сопротивлений, на поверхность. Процессор может также быть сконфигурирован для определения значения интересующего параметра путем использования калибровочного коэффициента, установленного благодаря измерению в среде с известной величиной удельного электрического сопротивления. Датчик ориентации может представлять собой акселерометр, магнитометр и/или гироскоп. Источник питания может также содержать тороидальную катушку. Устройство может также содержать устройство для измерения тока, выполненное с возможностью предоставления информации о величине измерительного тока. Процессор может также быть сконфигурирован для контроля направления бурения КНБК, что основывается на значении установленного расстояния до границы раздела в пласте и/или на изображении, построенном по данным метода сопротивлений. В изобретении также предлагается способ измерения интересующего параметра породы во время пробуривания ствола скважины. Способ включает перемещение бурового долота на КНБК в стволе скважины. В породу посредством использования электрода, установленного на буровом долоте и изолированного от него электрическим образом, пропускают измерительный ток. Измерительный ток фокусируется и производится определение значения интересующего параметра посредством использования величины потенциала электрода и величины тока. Это полученное (расчетное) значение интересующего параметра регистрируется на подходящем носителе. Фокусирование измерительного тока может быть осуществлено посредством поддержания потенциала бурового долота, величина которого, по существу,равна величине потенциала электрода. Интересующий параметр может представлять собой удельное электрическое сопротивление исследуемой породы, удельную электропроводность породы, расстояние до границы раздела подземного пласта и/или изображения пласта, построенное по данным метода сопротивлений. Способ может также включать измерение ориентации КНБК, пропускание измерительного тока со стороны бурового долота, а также сжатие и телеметрирование изображения, построенного по данным метода сопротивлений на поверхность. Приблизительный расчет значения интересующего параметра может также основываться на использовании калибровочного коэффициента, установленного благодаря измерению в среде с известной величиной удельного электрического сопротивления. Измерение ориентации КНБК может основываться на использовании датчика ориентации, который может представлять собой акселерометр, магнитометр и/или гироскоп. Измерительный ток может генерироваться путем использования тороидальной катушки. Величина измерительного тока может быть определена путем использования устройства для измерения тока. Способ может также включать контроль направления бурения КНБК, который основывается на значении установленного расстояния до границы раздела в пласте и/или на изображении, построенном по данным метода сопротивлений. Другим объектом изобретения является машиночитаемый носитель (среда), пригодный для использования с устройством для осуществления измерений интересующего параметра породы. Устройство включает буровое долото, перемещаемое на КНБК. Электрод на буровом долоте сконфигурирован для пропуска измерительного тока в породу, при этом электрод электрически изолирован от бурового долота. Источник питания сконфигурирован для генерирования измерительного тока и поддержания электрического потенциала бурового долота, величина которого, по существу, равна величине потенциала электрода. Носитель содержит машинные команды, которые позволяют процессору использовать величину потенциала и величину тока для определения интересующего параметра и для регистрации расчетного значения интересующего параметра на подходящем носителе. Носитель может представлять собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (СППЗУ), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство(ЭСППЗУ), флэш-память и/или оптический диск. Краткое описание чертежей Настоящее изобретение будет лучше понято со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых цифровые обозначения относятся к аналогичным элементам и на которых: фиг. 1 представляет собой схематическое изображение буровой системы, которая включает каротажный прибор для определения удельного электрического сопротивления согласно различным пояснительным предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения; фиг. 2 представляет собой изображение одного предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором измерительный ток спереди долота фокусируется посредством использования бурового долота;-2 014920 фиг. 3 представляет собой изображение осуществления устройства по настоящему изобретению,которое является чувствительным в азимутальном (боковом) направлении и в котором измерительный ток фокусируется посредством использования бурового долота; фиг. 4 является изображением модели бурового долота и измерительного электрода спереди долота,которая используется для моделирования отклика каротажного прибора для определения удельного электрического сопротивления по настоящему изобретению; и фиг. 5 представляет собой сравнение тока в каротажном приборе для определения удельного электрического сопротивления по настоящему изобретению до границы пласта перед буровым долотом с откликом каротажного прибора согласно известному уровню техники. Подробное описание изобретения Фиг. 1 представляет собой схематический чертеж буровой системы 10, содержащей нижнюю часть бурильной колонны с сенсорной системой, а также поверхностные устройства согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения. Как изображено на чертеже, система 10 включает традиционную буровую вышку 11, возведенную на полу 12 буровой установки, служащей опорой для бурового ротора 14, который проворачивается главным двигателем (не показан) с желаемой скоростью вращения. Бурильная колонна 20, которая включает секцию 22 бурильной трубы, проходит вниз от бурового ротора 14 в ствол 26 скважины. Буровое долото 50, присоединенное к скважинному концу бурильной колонны 20, раздробляет подземные горные породы при вращении. Бурильная колонна 20 соединена с буровой лебедкой 30 посредством ведущей бурильной трубы 21, вертлюга 28 и талевого каната 29, проходящего через систему блоков 29 а. Во время операций бурения буровая лебедка 30 используется для осуществления контроля осевой нагрузки на долото, а также скорости проходки бурильной колонны 20 в стволе 26 скважины. Функционирование буровой лебедки 30 хорошо известно и, следовательно, не будет детально рассматриваться ниже. Во время операций бурения подходящая буровая жидкость (обычно в данной области техники называемая "буровым раствором") 31 из мкости 32 для хранения бурового раствора прокачивается по замкнутой системе под давлением, проходя через бурильную колонну 20, что осуществляется посредством бурового насоса 34. Буровой раствор 31 проходит от бурового насоса 34 в бурильную колонну 20 через поглотитель гидравлического удара 36, трубопровод 38 и ведущую бурильную трубу 21. Буровой раствор выпускается наружу в забое 51 буровой скважины через выходное отверстие в буровом долоте 50. Буровой раствор 31 прокачивается по замкнутой системе обратно вверх через затрубное пространство 27 между бурильной колонной 20 и стволом 26 скважины и попадает в мкость 32 для хранения бурового раствора через обратный трубопровод 35. Предпочтительно, чтобы множество датчиков (не показано) было бы надлежащим образом размещено на поверхности согласно известным методам в данной области техники, чтобы предоставлять информацию о различных связанных с бурением параметрах, таких как: скорость потока бурового раствора, величина осевой нагрузки на долото, величина нагрузки на крюк и т.п. Узел (блок) управления 40 на поверхности получает сигналы от скважинных датчиков и устройств через датчик 43, размещенный в трубопроводе 38, и обрабатывает такие сигналы согласно передаваемым запрограммированным командам, подаваемым к узлу управления 40 на поверхности. Узел управления 40 на поверхности отображает желаемые параметры бурения и иную информацию на дисплее/мониторе 42,и эта информация используется оператором для контроля операций бурения. Узел управления 40 на поверхности содержит компьютер, память для сохранения данных, устройство(а) записи данных и/или другую периферию. Узел управления 40 на поверхности также содержит модели и обрабатывает данные согласно программно-реализованным командам, а также отвечает на команды пользователя, которые вводятся посредством соответствующих устройств ввода, таких как клавиатура. Узел управления 40 на поверхности предпочтительно приспособлен для активации устройства 44 аварийной сигнализации, когда возникают определенные опасные или нежелательные условия в ходе операции бурения. Специалисты в данной области техники знают, что в случае применения гидравлического забойного двигателя происходит относительное проворачивание бурового долота и бурильной колонны и при этом необходимо предусмотреть возможность передачи сигналов между буровым долотом и бурильной колонной. Эта передача может осуществляться при помощи способа электромагнитной телеметрии. Буровой двигатель или гидравлический забойный двигатель 55, присоединенный к буровому долоту 50 через расположенный в опоре 57 ведущий вал (не показан), вращает буровое долото 50, когда буровой раствор 31 под давлением проходит через гидравлический забойный двигатель 55. Опора 57 выдерживает воздействие радиальных и осевых сил, исходящих от бурового долота 50, направленное вниз усилие бурового двигателя 55, а также воздействие направленной вверх силы противодействия приложенной осевой нагрузки на долото. Стабилизатор 58, соединенный с опорой 57, используется в качестве центрирующего устройства для самой нижней части узла гидравлического забойного двигателя 55. В случае одного предпочтительного варианта системы сборочный узел 59 низа бурильной колонны(также называемый компоновкой нижней части бурильной колонны или "КНБК"), который содержит различные датчики и устройства для осуществления скважинных исследований в процессе бурения,предназначенных для предоставления информации о пласте, параметрах бурения внутри ствола скважины и о параметрах гидравлического забойного двигателя 55, располагается между буровым долотом 50 и-3 014920 бурильной трубой 22. Нижняя часть бурильной колонны 59 предпочтительно является модульной конструкцией, различные устройства которой представляют собой взаимосвязанные секции, так что при необходимости отдельные секции могут быть заменены на другие. Может оказаться необходимым осуществить монтаж кабеля для электрода долота (это будет обсуждаться ниже), который будет проходить через все другие устройства между долотом и приемным электродом (это также будет обсуждаться ниже). Вновь обращаясь к фиг. 1, можно видеть, что КНБК 59 может также содержать датчики и устройства в дополнение к вышеописанным датчикам. Такие устройства включают: устройство 64 для измерения удельного электрического сопротивления породы рядом и/или спереди бурового долота 50, устройство 76 гамма-излучения (зонд гамма-каротажа), служащее для измерения интенсивности гамма-излучения пластов, а также такие устройства, как инклинометр 74, служащий для определения угла наклона и/или азимута бурильной колонны 20. Устройство 64 для измерения удельного электрического сопротивления породы предпочтительно располагается над нижним узлом 62 бурильной колонны, с которого начинается изменение направления ствола скважины при направленном бурении, при этом данный узел подает сигналы, в ходе анализа которых определяется удельное электрическое сопротивление породы рядом или спереди бурового долота 50. При этом используется электрокаротажный прибор, осуществляющий каротаж в двух направлениях (двунаправленный электрокаротажный зонд DPR), имеющий одну или более чем одну пару передающих антенн 66 а и 66b, которые располагаются на определенном расстоянии от одной или более чем одной пары принимающих антенн 68 а и 68b. Используются магнитные диполи, которые действуют в среднем частотном спектре, а также в более низком высокочастотном спектре. При работе передаваемые электромагнитные волны подвергаются возмущению, по мере того как они распространяются через пласт, окружающий устройство 64 для измерения удельного электрического сопротивления. Принимающие антенны 68 а и 68b обнаруживают возмущенные волны. Параметры удельного электрического сопротивления выводятся из показателей фазы и амплитуды обнаруженных сигналов. Обнаруженные сигналы обрабатываются электронной схемой скважинного оборудования и/или процессором, который предпочтительно располагается в корпусе 70 сверху гидравлического забойного двигателя 55, после чего они передаются к узлу управления 40 на поверхности при помощи соответствующей телеметрической системы 72. Инклинометр 74 и устройство 76 гамма-излучения надлежащим образом располагаются вдоль устройства 64 для измерения удельного электрического сопротивления для соответствующего определения угла наклона части бурильной колонны 20 рядом с буровым долотом 50, а также для определения интенсивности гамма-излучения пласта. Однако в различных частных вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть использованы любой подходящий инклинометр и устройство для гаммаизлучения. Дополнительно к этому для определения азимута бурильной колонны 20 может быть использовано устройство для ориентации (не показано), такое как магнетометр, акселерометр или устройство типа гироскопа. Такие устройства известны в данной области техники и поэтому не будут объясняться здесь детально. В случае вышеописанной конфигурации гидравлический забойный двигатель 55 передает энергию к буровому долоту 50 через один или более чем один полый вал, который проходит через устройство 64 для измерения удельного электрического сопротивления. Пустой вал позволяет буровому раствору проходить от гидравлического забойного двигателя 55 к буровому долоту 50. В случае альтернативного предпочтительного варианта бурильной колонны 20 гидравлический забойный двигатель 55 может быть подсоединен к ней ниже устройства 64 для измерения удельного электрического сопротивления или в любом ином подходящем месте. Бурильная колонна 20 содержит модульный узел датчиков, такой как устройство 64 для измерения удельного электрического сопротивления породы, узел двигателя, такой как гидравлический забойный двигатель 55, и один или более переводник, с которого начинается изменение направления ствола скважины при направленном бурении, такой как, к примеру, узел 62. В случае одного предпочтительного варианта узел датчиков включает устройство для измерения удельного электрического сопротивления,как это будет более подробно объяснено ниже в данном документе, устройство 76 гамма-излучения и инклинометр 74. Нижняя часть бурильной колонны (КНБК) 59 по настоящему изобретению включает каротажную секцию 78 для скважинных исследований в процессе бурения, которая может включать устройство ядерно-магнитного каротажа для определения пористости пласта, его плотности, а также систему акустического датчика, располагающуюся над гидравлическим забойным двигателем 55 в корпусе для каротажной секции 78, служащей для предоставления информации, которая важна для оценки и тестирования подземных пластов, располагающихся вдоль ствола 26 скважины. Настоящее изобретение может использовать любое из известных устройств для определения плотности пласта. Может применяться любое устройство для определения плотности пласта, согласно уровню техники, которое использует источник гамма-излучения. При использовании гамма-лучи, выпускаемые из источника, входят в пласт, где они взаимодействуют с ним и затухают. Затухание гамма-излучения измеряется соответствующим детектором, благодаря чему определяется плотность пласта. Вышеотмеченные устройства передают данные к скважинной телеметрической системе 72, которая в свою очередь передает полученные данные вверх по стволу скважины к узлу управления 40 на поверх-4 014920 ности. Скважинная телеметрическая система 72 также получает сигналы и данные от узла управления 40 на поверхности и передает такие полученные сигналы и данные к соответствующим скважинным устройствам. Настоящее изобретение может использовать технические приемы телеметрии генератора импульсов давления в столбе бурового раствора для передачи данных от скважинных датчиков и устройств во время операций бурения. Датчик 43, размещенный в подающем буровой раствор трубопроводе 38,распознает импульсы давления бурового раствора, реагирующие на данные, передаваемые скважинной телеметрической системой 72. Датчик 43 генерирует электрические сигналы в ответ на изменения давления бурового раствора и передает такие сигналы через проводник 45 к узлу управления 40 на поверхности. Другие технические средства телеметрии, такие как электромагнитные и акустические технические средства и/или любые другие подходящие технические средства, могут быть использованы для целей этого изобретения. Бурильная колонна со скважинным буровым оборудованием и инструментом также содержит датчик азимутального направления. Не ограничивая объем изобретения, датчик азимутального направления может представлять собой магнетометр инерционного типа. Принцип настоящего изобретения иллюстрируется на фиг. 2. В подходящем месте на бурильной колонне 20 располагается источник 107 напряжения. В случае приведенного примера источник 107 напряжения изображен находящимся на и/или внутри воротника 101 бура и является частью КНБК 59. Однако подобная конструкция не должна толковаться как ограничение настоящего изобретения. Напряжение может генерироваться, к примеру, путем использования тороидальной катушки, расположенной гделибо на и/или вокруг бурильной колонны 20. Этот источник 107 напряжения генерирует электрический ток в осевом направлении внутри бурильной колонны 20, который проходит в направлении бурового долота 106 и возвращается на противоположную сторону источника 107 напряжения в удаленном месте. Если буровой раствор является токопроводящей средой, то воротник бура может использоваться в качестве контура замыкания электрической цепи. Электрическое соединение устанавливается между источником 107 напряжения и долотом 106 посредством воротника 101 бура. Для целей настоящего изобретения источник 107 напряжения также является источником питания, поскольку он генерирует ток в бурильной колонне 20. Внутри бурового долота 106 у его торца устанавливается электрод 108. Электрод 108 изолируется от остальной части КНБК 59 и соединяется посредством кабеля 109 с прибором 103 для измерения тока, таким как тороидальная катушка, плотно закрепленная вокруг кабеля 109 или вокруг измерительного резистора (не показан), располагающегося последовательно за кабелем 109. Маршрут пролегания кабеля 109 от прибора 103 для измерения тока к электроду 108 может быть произвольным, но кабель 109 должен быть изолирован, к примеру, посредством подходящей электрической изоляции, от воротника 101 бура. На другом конце кабеля 109 относительно электрода 108 прибор 103 для измерения тока соединяется с электронной схемой, располагающейся в воротнике 101 бура КНБК 59. Благодаря такой конструкции величина абсолютного потенциала бурового долота 106 (и прилегающей части воротника 101 бура) приблизительно равна величине абсолютного потенциала электрода 108. Это поддерживает состояние фокусировки тока, передаваемого электродом 108, как будет обсуждаться далее. При показанной конфигурации буровое долото 106 и близлежащая часть воротника 101 бура действуют в качестве фокусирующего электрода, который передает сфокусированный ток 105 в направлении,в целом, обозначенном так, как это изображено на фиг. 2. Необходимо отметить, что термин "передат" необходимо применять в самом широком смысле и подразумевается, что он включает ток, который поступает как внутрь, так и из пласта. В результате фокусирования сфокусированного тока 105 измерительный ток 111 от электрода 108 в целом направляется в зону, находящуюся перед буровым долотом 106. Именно это прямое направление измерительного тока 111 обеспечивает способность устройства по настоящему изобретению "видеть" перед буровым долотом. Величина кажущегося удельного электрического сопротивленияпороды определятся формулой(1) каж=U/I где U представляет собой электрическое напряжение источника 107 напряжения, а I представляет собой измерительный ток 111, измеряемый, к примеру, прибором 103 для измерения тока. Фактическое удельное электрическое сопротивление породы определяется формулой:(2) где k является калибровочным коэффициентом. Калибровочный коэффициент может определяться,к примеру, посредством лабораторных измерений, осуществляемых при помощи каротажного прибора в среде с известной величиной удельного электрического сопротивления или же посредством использования моделирования. Другой предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения изображен на фиг. 3. Здесь, как и в случае варианта фиг. 2, имеется осевой источник 207 напряжения. В случае приведенного примера источник 207 напряжения изображен находящимся на и/или внутри воротника 201 бура и является частью КНБК 59. Подобная конструкция не должна толковаться как ограничение настоящего изобретения. Напряжение может генерироваться, к примеру, посредством использования тороидальной катушки, расположенной вокруг бурильной колонны 20. Этот источник 207 напряжения генерирует электрический ток в осевом направлении бурильной колонны 20, который протекает в направлении бурового-5 014920 долота 206 и возвращается на противоположную сторону источника 207 напряжения в удаленном месте(см. выше). Электрическое соединение устанавливается между источником 207 напряжения и долотом 206 посредством воротника 203 бура. Внутри бурового долота 206 на его стороне (сбоку) устанавливается электрод 208. Это является отличием от варианта фиг. 2, где электрод 108 находится в торце долота. Электрод 208 изолируется от остальной части КНБК 59 и соединяется посредством кабеля 209 с прибором 203 для измерения тока, таким как тороидальная катушка, плотно закрепленная вокруг кабеля 209 или вокруг измерительного резистора (не показан), располагающегося последовательно за кабелем 209. Маршрут пролегания кабеля 209 от прибора 203 для измерения тока к электроду 208 может быть произвольным, но кабель 209 должен быть изолирован, к примеру, посредством подходящей электрической изоляции от воротника 201 бура. На другом конце кабеля 209 относительно электрода 208 прибор 203 для измерения тока соединен с электронной схемой, располагающейся в воротнике 201 бура КНБК 59. Фокусирующий ток бурового долота 206 и примыкающей части воротника 201 бура обозначен стрелками 205. По причине того, что электрод 208 находится сбоку бурового долота 206, измерительный ток 211 протекает в направлении, которое практически совпадает с радиальным направлением. Направление измерительного тока 211 обеспечивает азимутальную (боковую) чувствительность каротажного прибора. Как известно специалистам, измерения удельного электрического сопротивления, осуществляемые устройством для скважинных исследований в процессе бурения, предоставляют более точные данные об удельном электрическом сопротивлении пласта (или, что является эквивалентом, о его удельной электропроводности), чем измерения, осуществляемые при использовании съмного кернопримника. Это связанно с тем, что на измерения, проводимые с использованием съемного кернопримника, которые осуществляются с интервалом после пробуривания скважины, влияет проникновение бурового раствора в пласт. В связи с этим измерения удельного электрического сопротивления, которые производятся буровым долотом, являются значительно более точными. Для того чтобы продемонстрировать возможность изобретения "видеть перед долотом", было выполнено численное моделирование. Моделирование включает сравнение со стандартным каротажным прибором, который представлен лишь расположением его передатчика и примника. Фиг. 4 изображает модель использованного каротажного прибора 300. Моделирование было произведено для отверстия 26 диаметром 12,25 дюйма (31,12 см). Передатчик 303 генерирует постоянный ток, за которым следует ток,проходящий сквозь бурильную колонну 301. Ток от принимающей секции 302 возвращается к передатчику 303. Предполагается, что вся бурильная колонна 301 обладает идеальной удельной электропроводностью и передает ток без потерь. Таким образом, потенциал в области под передатчиком 303 в направлении долота 309 равен потенциалу каротажного прибора 300. Параметры тока могут быть определены на поверхностях каротажного прибора. В модели вся КНБК 59 (за исключением бурового долота 309) окружена буровым раствором 31 определенного удельного электрического сопротивления, которое в целом отличается от удельного электрического сопротивления породы. Имитационное моделирование начинается в пласте 304 с величиной удельного электрического сопротивления 1 Омм. Другой пласт 306 с иным удельным электрическим сопротивлением сдвигается в вертикальном направлении для того, чтобы смоделировать проникновение долота и каротажного прибора через границу 307 между двумя пластами. Во время проникновения регистрируются параметры тока, проходящего через принимающее устройство 305, а также через измерительный электрод 311. Фиг. 5 изображает изменение тока в электроде долота в сравнении с традиционной технологией, где параметры тока долота регистрируются приемником прибора согласно модели. По оси абсцисс откладываются показатели отклика тока, выраженные в процентах от максимально возможного отклика. По оси ординат откладывается глубина в метрах (м). Кривые 401 (наличествуют пять кривых) соответствуют показателям различных пояснительных предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения при соответствующих расстояниях между буровым долотом и приемником, равных 0, 0,28, 0,87,2,11 и 4,75 м. КНБК 59 перемещается из пласта с величиной удельного электрического сопротивления 1 Омм в пласт с величиной удельного электрического сопротивления 100 Омм. Отрицательные значения показателей глубины означают, что КНБК 59 полностью находится внутри пласта с величиной удельного электрического сопротивления 1 Омм, нулевое значение показателя глубины означает, что долото достигло границы пласта с величиной удельного электрического сопротивления 100 Омм, а положительные значения показателей глубины обозначают положения торца долота в пласте с удельным электрическим сопротивлением величиной 100 Омм. Ток нормализуется согласно току в пласте с удельным электрическим сопротивлением 1 Омм при глубине -2 м (100%). Кривые 403, 405, 407, 409 и 411 представляют собой соответствующие отклики тока в приемнике для смоделированного устройства согласно традиционному уровню техники. Как можно видеть на фиг. 5, отклики 401 тока для различных пояснительных предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения практически не зависят от расстояния между буровым долотом 309 и приемником 305. Небольшой фокусирующий эффект может наблюдаться в случае, когда расстояние между долотом и передатчиком увеличивается. Однако электрод долота способен обнаружи-6 014920 вать изменения отклика тока величиной 20% на расстоянии 50 см прежде чем долото дотронется до нового пласта, в то время как традиционные технологии, использующие кольцевой приемник, в лучшем случае (см. кривую 403) обнаруживают лишь изменение величиной 10%. В случае настоящего изобретения изменение величиной 50% достигается при расстоянии 25 см до нового пласта, в то время как традиционные технологии показывают такое изменение лишь после того, как долото проникнет в новый пласт. Когда торец долота дотрагивается до нового пласта, электрод долота показывает конечное значение изменения тока, в то время как традиционные технологии измеряют конечное значение изменения лишь после прохождения расстояния в 50 см от границы нового пласта. При этом все эти результаты ухудшаются в случае с измерениями при помощи кольцевых приемников, если расстояние между долотом и кольцевым приемником увеличивается, что видно, к примеру, в случае ухудшения показателей от кривой 403 к кривой 411. На практике модель удельного электрического сопротивления породы является заданной. Это может быть осуществлено посредством использования измерений удельного электрического сопротивления, полученных благодаря пробуриванию предыдущей скважины поблизости или благодаря иным данным. Базируясь на этой модели удельного электрического сопротивления, уровень удельного измерения,определяемый каротажным прибором 300 настоящего изобретения, может быть использован для предположительного расчета расстояния до границы раздела в подземном пласте. Граница раздела может представлять собой границу между пластами, имеющими разные уровни удельного электрического сопротивления, или она может представлять собой жидкостную границу раздела в пласте, по обе стороны которой присутствуют скважинные флюиды с различными удельными электрическими сопротивлениями. Таким образом, каротажный прибор 300 различных пояснительных предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения используется для определения интересующего параметра породы, такого как удельное электрическое сопротивление и/или расстояние до границы раздела пласта в области, находящейся спереди бурового долота. Способность каротажного прибора 300 настоящего изобретения "видеть" перед буровым долотом может быть использована в навигации продуктивного пласта. Когда измерения осуществляются сборным узлом датчиков, включающим каротажный прибор 300 на КНБК 59, во время операций бурения, установленное расстояние до границы пласта может быть использовано скважинным процессором для изменения направления пробуривания ствола 26 скважины. Альтернативным и/или дополнительным образом данные о расстоянии до границы пласта могут быть телеметрированы на поверхность, где процессор узла управления 40 на поверхности и/или оператор бурения могут осуществлять контроль направления бурения. Способ может быть также задействован и с использованием операций, осуществляемых при помощи спускаемого на канате в ствол скважины каротажного прибора. В таких случаях прибор для скважинных исследований должен находиться на дне скважины для определения расстояний до границ пласта от окончания ствола 26 скважины. Это может оказаться полезным при заканчивании скважины, к примеру, при разработке операций по гидравлическому разрыву пласта, чтобы предотвратить развитие трещин за пределы определенной зоны в пласте. Если перед долотом обнаруживается пластовый резервуар, то перед проникновением в него в скважине может быть установлена обсадная колонна. Когда для определения ориентации бурового долота 50 применяются датчики ориентации, эта информация об ориентации может комбинироваться с информацией об удельном электрическом сопротивлении пласта, получаемой благодаря измерениям тока и напряжения, что позволяет определить азимутальные вариации удельного электрического сопротивления породы. Общей причиной вариаций азимутального удельного электрического сопротивления служит присутствие в пласте тонких слоев с разными удельными электрическими сопротивлениями. Когда такие слои располагаются под углом к стволу 26 скважины, будет наблюдаться азимутальная вариация удельного электрического сопротивления (обычно синусоидальная вариация), измеряемая устройством, таким как каротажный прибор 300 настоящего изобретения. Синусоидальная вариация может быть обнаружена из анализа "шумного сигнала" посредством применения известных методов обработки. Соответствующие датчики ориентации могут располагаться на бурильной колонне 20 рядом с буровым долотом 50 или на ведущем валу забойного двигателя 55, если такой используется. Такие датчики ориентации должны размещаться достаточно близко к буровому долоту 50, так чтобы измерения ориентации указывали бы на ориентацию бурового долота 50 и на них не влияло бы перекручивание бурильной колонны 20 или ведущего вала забойного двигателя 55. Изображение пласта, построенного по данным метода сопротивлений, может также применяться для геонавигации посредством сравнения изображения, полученного благодаря измерениям, со смоделированным изображением, полученным благодаря модели подземного пласта. Измерения, осуществленные внутри ствола скважины, могут быть записаны на подходящий носитель информации. Данные также могут быть сжаты и переданы на поверхность. В случае предпочтительного варианта изобретения, изображенного на фиг. 3, может применяться способ сжатия данных, который раскрывается в заявке на патент US 10/892011 (Hassan и др.), имеющей того же правопреемника, что и правопреемник по настоящему изобретению, при этом содержание этой заявки включено в настоящее описание в качестве ссылки. Способ, описанный в заявке US 10/892011, приводится лишь в качестве примера, при этом могут применяться и иные способы. Заявка US 10/892011 описывает способ и устрой-7 014920 ство для осуществления каротажа породы и получения данных о подземном пласте, согласно которому каротажный прибор помещается в ствол скважины для получения интересующих параметров. Полученные интересующие параметры могут представлять собой известные в данной области параметры, относящиеся к плотности, акустические, магнитные и электрические параметры. Интересующие параметры могут передаваться на поверхность, имея множество разрешений, что осуществляется путем использования способа сжатия изображений методом переменной разрешающей способности. Интересующие параметры формируются во множество целевых функций, на основе которых определяются интересуемые области, используемые для принятия решений об интересующих характеристиках этих областей. Параметры характеристик могут определяться для получения информации о времени предполагаемого контакта, либо о глубине залегания границ пласта, а также об угле падения пласта относительно подземных структур, равно как и об ориентации ствола скважины и подземной структуры. Параметры характеристик включают время, глубину, а также геометрические характеристики подземной структуры, такие как: структурное падение, толщина и литологические данные. На поверхности может быть сконструировано изображение пласта. При помощи использования одного из двух примеров рассмотренных здесь предпочтительных вариантов осуществления изобретения может быть составлена каротажная диаграмма удельного электрического сопротивления. Дополнительно к этому существует несколько хорошо известных методов применения измерений удельного электрического сопротивления, включая определение нефтегазонасыщенности пласта. Знание параметров нефтегазонасыщенности чрезвычайно полезно при разработке месторождения. Обработка данных может осуществляться скважинным процессором, чтобы предоставлять скорректированные данные измерений главным образом в реальном времени. Альтернативным образом данные измерений могут регистрироваться внутри скважины, извлекаться во время спускоподъемной операции бурильной колонны 20 и обрабатываться посредством использования процессора 40 на поверхности. Подразумевается, что в ходе осуществления контроля и обработки данных используется компьютерная программа на соответствующем машиночитаемом носителе, что позволяет процессору осуществлять контроль и обработку данных измерений. Носитель может включать: ПЗУ, СППЗУ, ЭСППЗУ, флэшпамять и оптические диски. В то время как предшествующее описание направлено на описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, специалистам будут очевидны его различные модификации. Предполагается, что предшествующим описанием охватываются все такие вариации в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для определения значения параметра, связанного с удельным сопротивлением породы, во время пробуривания в ней скважины, содержащее буровое долото, выполненное с возможностью перемещения на компоновке нижней части бурильной колонны (КНБК), сконфигурированной для пробуривания скважины,электрод на буровом долоте, выполненный с возможностью подачи измерительного тока в породу и электрически изолированный от бурового долота,источник питания, выполненный с возможностью генерирования измерительного тока и поддержания потенциала бурового долота, величина которого, по существу, равна величине потенциала электрода,за счет чего буровое долото фокусирует измерительный ток, и процессор, выполненный с возможностью определения значения указанного параметра с использованием упомянутой величины потенциала и величины сфокусированного тока. 2. Устройство по п.1, в котором указанный параметр представляет собой по меньшей мере один параметр из группы, включающей удельное электрическое сопротивление породы и удельную электропроводность породы. 3. Устройство по п.1, в котором процессор выполнен с возможностью определения расстояния до границы раздела в пласте или обеспечения изображения пласта, построенного по данным метода сопротивлений. 4. Устройство по п.1, содержащее датчик ориентации на КНБК, причем электрод располагается сбоку бурового долота, а процессор способен обеспечивать сжатие и передачу телеметрическим путм изображения пласта, построенного по данным метода сопротивлений, на поверхность. 5. Устройство по п.1, в котором процессор способен обеспечивать определение значения указанного параметра посредством использования калибровочного коэффициента, определяемого на основе измерений в среде с известным удельным электрическим сопротивлением. 6. Устройство по п.4, в котором датчик ориентации выбран из группы, состоящей из акселерометра,магнетометра и гироскопа. 7. Устройство по п.1, в котором источник питания содержит тороидальную катушку. 8. Устройство по п.1, содержащее блок для измерения тока, выполненный с возможностью предоставления информации о величине измерительного тока.-8 014920 9. Устройство по п.1, в котором процессор способен обеспечивать контроль направления бурения КНБК, основываясь, по меньшей мере, на определенном расстоянии до границы раздела в пласте или изображении, построенном по данным метода сопротивлений. 10. Устройство по п.1, выполненное с возможностью направления сфокусированного тока спереди долота и определения посредством процессора указанного параметра спереди долота. 11. Способ определения значения параметра, связанного с удельным сопротивлением породы, во время пробуривания в ней скважины, выполняемый при помощи устройства по любому из пп.1-10 и включающий перемещение бурового долота на компоновке нижней части бурильной колонны (КНБК) в буровую скважину,подачу измерительного тока в породу посредством электрода, размещенного на буровом долоте и электрически изолированного от него,фокусирование измерительного тока с использованием бурового долота,определение значения указанного параметра с использованием величины потенциала электрода и величины тока. 12. Способ по п.11, в котором фокусирование измерительного тока включает поддержание потенциала бурового долота, величина которого, по существу, равна величине потенциала электрода. 13. Способ по п.11, в котором указанный параметр представляет собой по меньшей мере один параметр из группы, включающей удельное электрическое сопротивление породы и удельную электропроводность породы. 14. Способ по п.11, в котором обеспечивают, по меньшей мере, определение расстояния до границы раздела в пласте или изображение пласта, построенное по данным метода сопротивлений. 15. Способ по п.11, включающий измерение ориентации КНБК, подачу измерительного тока из боковой части бурового долота и сжатие и передачу телеметрическим путм изображения, построенного по данным метода сопротивлений, на поверхность. 16. Способ по п.11, в котором при определении значения указанного параметра также используют калибровочный коэффициент, определенный по результатам измерений в среде с известным удельным электрическим сопротивлением. 17. Способ по п.15, в котором измерение ориентации КНБК включает использование датчика ориентации, выбираемого из группы, состоящей из акселерометра, магнетометра и гироскопа. 18. Способ по п.11, включающий генерирование измерительного тока посредством использования тороидальной катушки. 19. Способ по п.11, включающий использование устройства для измерения тока для предоставления информации о величине измерительного тока. 20. Способ по п.11, включающий размещение обсадной трубы в буровой скважине на основе данных об определенном расстоянии до границы раздела в пласте. 21. Способ по п.11, в котором измерительный ток фокусируют спереди долота и измеряют указанный параметр спереди долота.

МПК / Метки

МПК: G01V 3/00

Метки: электрического, способ, устройство, удельного, спереди, сопротивления, породы, долота, определения, сбоку

Код ссылки

<a href="http://easpatents.com/12-14920-sposob-i-ustrojjstvo-dlya-opredeleniya-udelnogo-elektricheskogo-soprotivleniya-porody-speredi-i-sboku-dolota.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Способ и устройство для определения удельного электрического сопротивления породы спереди и сбоку долота</a>

Похожие патенты