Магнитная головка для построения изображений по удельной проводимости при ее использовании в скважине

МАГНИТНАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПО УДЕЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТИ ПРИ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В СКВАЖИНЕ(71)(73) Заявитель и патентовладелец: БЕЙКЕР ХЬЮЗ ИНКОРПОРЕЙТЕД (US) В изобретении описан датчик для проведения микрокаротажа во время геофизических исследований в стволе скважины, имеющий магнитный сердечник с проводящим вкладышем, при этом обмотки приводятся в действие переменным током. В некоторых вариантах осуществления датчик дополнительно имеет проводящий корпус. Различные особенности датчика, такие как размеры и проводящие свойства материалов для его изготовления, выбирают таким образом, чтобы максимально улучшить характеристики датчика. Способы использования датчика, в том числе,предусматривают установку датчика на каротажном приборе и помещение прибора в ствол скважины. Достигается существенная фокусировка магнитного поля на стенке ствола скважины и обеспечиваются высококачественные данные. 013894 Предпосылки создания изобретения Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится в целом к области измерений с помощью каротажных приборов, осуществляемых с целью определения свойств толщ пород. Более точно, в изобретении предложены методы осуществления точных измерений удельной проводимости в стволе скважины. Описание уровня техники Приборы каротажа методом электромагнитной индукции и распространения волн широко применяются для определения электрических свойств окружающих ствол скважины пластов. С помощью этих каротажных приборов определяют кажущееся удельное сопротивление (или удельную проводимость) пласта, которое, если оно соответствующим образом интерпретировано, является показателем петрофизических свойств пласта и находящихся в нем флюидов. В тонкослоистых толщах пород с чередованием песка и сланца или глинисто-песчаных толщах пород электрическая анизотропия пласта становится важной для определения нефтегазонасыщенности по результатам измерений удельного сопротивления. Из-за сложности строения толщ пород определение электрических свойств может быть затруднено. Например, при использовании стандартных каротажных приборов могут быть получены достаточно неточные результаты измерений, в которых пропущены слабые признаки запасов. В некоторых случаях на основании слабых признаков могут быть обнаружены значимые или существенные запасы. Соответственно целесообразно исследовать слабые признаки. Исследование слабых признаков предусматривает построение изображения стенки ствола скважины по данным микрокаротажа проводимости (вблизи стенки). Несмотря на ранее проводившиеся исследования в этой области, сохраняется потребность в усовершенствованиях. Например, в известных из уровня техники устройствах, в которых реализована данная технология, обычно используется контактное возбуждение и считывание сигнала, отображающего локальную удельную проводимость толщ пород. Один из примеров приведен в патенте US 6815954 под названием "Method and Apparatus for Full OffsetResistivity Imaging for Use in Boreholes", выданном 9 ноября 2004 г. на имя Iwanicki и др. В нем описано применение методов микрокаротажа сопротивлений для построения изображений ствола скважины. Другое решение предложено в патентной заявке US 2005/0242819 под названием "Compact MagneticSensor for Multi-Component Induction and Micro-Resistivity Measurements" (дата публикации - 3 ноября 2005 г., заявитель - Gold и др.). В ней описан компактный магнитный датчик, применимый в каротажных микрозондах и системах с фокусировкой поля. Одним из множества недостатков известных из уровня техники решений является то, что контактные методы часто неэффективны, когда применяются в условиях пласта с высокой удельной проводимостью и бурового раствора с низкой удельной проводимостью (бурового раствора на углеводородной основе). Основное падение напряжения происходит в низкопроводящем зазоре (всегда присутствующем) между дисковым электродом и пластом. Паразитное электрическое поле и сопутствующая ему неустойчивость обычно приводят к неприемлемым погрешностям результатов измерений. Другие методы оценки удельной проводимости пласта включают разведку с помощью индукционной измерительной катушки, которая генерирует магнитное поле переменного тока и соответствующие токи Фуко в стенке ствола скважины. Обычными недостатками в этих случаях являются сложность локализации сигналов индукционными датчиками и их низкая чувствительность к изменениям удельной проводимости стенки из-за плохой фокусировки энергии на интересующем участке. Существует потребность в усовершенствованных способах получения значимых результатов по данным микрокаротажа проводимости стенок ствола скважины. Предпочтительно, чтобы способы последовательно обеспечивали точные и надежные данные и были эффективными с точки зрения вычислений. Краткое изложение сущности изобретения В изобретении предложено устройство для проведения микрокаротажа проводимости в стволе скважины, содержащее прибор для опробования пласта и расположенный внутри прибора датчик, имеющий магнитный сердечник, вокруг участков которого намотаны обмотки и внутри зазора которого находится по меньшей мере один проводящий вкладыш, при этом обмотки способны принимать ток и обеспечивать данные измерений. Также предложен магнитный датчик для проведения микрокаротажа проводимости в стволе скважины, имеющий магнитный сердечник с внутренним проводником, расположенным внутри зазора сердечника, при этом магнитный сердечник расположен внутри внешнего проводника, а комбинация внутреннего проводника и внешнего проводника эффективно образует одновитковую обмотку, способную генерировать магнитное поле магнитного датчика. Также предложен прибор для проведения микрокаротажа проводимости в стволе скважины, имеющий магнитный датчик с магнитным сердечником, вокруг участков которого намотаны обмотки и внутри зазора которого находится по меньшей мере один проводящий вкладыш, при этом обмотки способны принимать ток и обеспечивать данные измерений.-1 013894 Кроме того, предложен способ проведения микрокаротажа проводимости в стволе скважины, при осуществлении которого выбирают прибор, имеющий магнитный датчик с магнитным сердечником, вокруг участков которого намотаны обмотки и внутри зазора которого находится по меньшей мере один проводящий вкладыш, при этом обмотки способны принимать ток и обеспечивать данные измерений, и с помощью прибора осуществляют микрокаротаж проводимости в стволе скважины. Также предложен способ изготовления магнитного датчика для проведения микрокаротажа проводимости в стволе скважины, при осуществлении которого выбирают компоненты для датчика, имеющего по меньшей мере один магнитный сердечник, по меньшей мере один проводящий вкладыш, по меньшей мере один комплект обмоток и необязательно по меньшей мере один проводящий корпус, определяют особенности компонентов с целью максимального улучшения характеристик магнитного датчика для проведения микрокаротажа проводимости, собирают компоненты таким образом, чтобы вокруг участков магнитного сердечника была намотаны обмотки, а внутри зазора магнитного сердечника находился, по меньшей мере, проводящий вкладыш. Рассмотренные выше и другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут оценены и поняты специалистами в данной области техники из следующего далее подробного описания и чертежей. Краткое описание чертежей Рассмотрим чертежи, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями: на фиг. 1 показаны особенности скважинного прибора для каротажа и отбора образцов из скважины; на фиг. 2 - особенности датчика микрокаротажа проводимости; на фиг. 3 А и 3 Б, собирательно именуемых фиг. 3, - особенности характеристик описанного датчика; на фиг. 4 - особенности датчика, имеющего дифференциальную магнитную головку; на фиг. 5 - особенности датчика, применимого с источником постоянного тока; на фиг. 6 - особенности датчика с встроенным дисковым электродом и на фиг. 7 - особенности датчика, имеющего проводящий вкладыш и проводящий корпус, объединенный с обмотками датчика. Подробное описание изобретения Рассмотрим фиг 1, на которой показано поперечное сечение земной толщи 10 на протяжении глубины проникновения, так называемого ствола 11 скважины. Обычно ствол 11 скважины, по меньшей мере частично, заполнен смесью жидкостей, включающих воду, буровой флюид и пластовые флюиды,присущие толще пород, в которой пробурен ствол 11 скважины. В стволе 11 скважины за нижний конец каротажного кабеля 12 подвешен прибор 20 для отбора проб пластовых флюидов. Каротажный кабель 12 часто пропускают через шкив 13, установленный на буровой вышке 14. Спуск и извлечение каротажного кабеля 12 обычно осуществляют с помощью лебедки с приводом от двигателя, которая смонтирована на грузовом автомобиле 15 с оборудованием для технического обслуживания. Обычно система координат для описания местоположения пробоотборника 20 включает ось Z, осьY и ось X. В описанных вариантах осуществления ось Z описывает вертикальную составляющую системы координат. Система координат показана на фиг. 1-3. Известны многочисленные варианты осуществления пробоотборников. Одним из не ограничивающих примеров прибора 20 является прибор индукционного каротажа 3DExplorer компании "Бейкер Хьюз" (Хьюстон, штат Техас, США). Дополнительная информация о приборе 3DExplorer может быть почерпнута из работы Kriegshauser и др. "A New Multicomponent Induction Logging Tool to ResolveAnisotropic Formations", 41-й ежегодный Симпозиум по каротажу SPWLA (Общество специалистов по анализу данных промысловой геофизики), 4-7 июня 2000 г., содержание которой в порядке ссылки целиком включено в настоящее описание. В приборе 3DExplorer, а также во множестве других приборов, применимых для измерений в земных толщах, используются различные вспомогательные структуры, механизмы и методы выполнения поставленных задач. Например, в приборе 3DExplorer используются электронное оборудование и средства обработки для обнаружения и интерпретации сигнала от прибора 3DExplorer. Поскольку эти вспомогательные структуры, механизмы и способы в целом не являются непосредственно идей изобретения, но считаются имеющими к ним отношение, эти особенности далее подробно не рассмотрены. Достаточно сказать, что идеи изобретения могут использоваться в сочетании с приборами, такими как 3Dexplorer и множеством других приборов, применимых для измерений в земных толщах. Кроме того,в идеях изобретения могут быть использованы особенности других вспомогательных структур, механизмов и способов, которые могут быть включены в другие такие приборы. Специалист в данной области техники может предположить множество способов и преимуществ объединения идей изобретения с другими такими приборами. Для преодоления существующих недостатков микрокаротажа проводимости (т.е. сопротивления) предложен усовершенствованный магнитный датчик и методы его применения. На фиг. 2 проиллюстрирован не ограничивающий вариант реализации магнитного датчика 100, помещающегося внутри пробоотборника 20. Датчик 100 расположен таким образом, что его интерфейс взаимодействует со стволом 11 скважины, пробуренной в пластах земной толщи 10. Датчик 100 имеет-2 013894 проводящий корпус 105, в котором помещается С-образный магнитный сердечник 101 с обмотками 102 вокруг параллельных участков (верхнего и нижнего участков) С-образного профиля. Зазор 104 С-образного магнитного сердечника 101 заполнен проводящим вкладышем 103. Обычно проводящий вкладыш 103 в основном соприкасается с верхним и нижним параллельными участками С-образного магнитного сердечника 101. В данном варианте осуществления проводящий вкладыш 103 изготовлен из меди. Проводящий корпус 105 также изготовлен из меди. В других вариантах осуществления используют проводящие материалы, такие как медные сплавы. Соответственно, описанное применение меди является лишь иллюстративным, а не ограничивающим. Магнитный сердечник 101 обычно изготовлен из мягкого ферромагнитного материала, обеспечивающего высокочастотные колебания. Обмотки 102 электрически связаны с не показанным источником переменного тока (АС, от англ. alternating current, не показан) и приводятся в действие АС. После подачи питания на датчик 100 генерируется магнитное поле 110. На выходе обмоток 102 формируется измерительный сигнал, отображающий данные (результаты) точных измерений, поступающие изнутри стенки ствола 11 скважины (т.е. от поверхности и приповерхностной области земной толщи 10, присутствующей в стволе 11 скважины). Обычно в качестве длины (L) зазора 104 выбирают величину, от около одного до около двух раз превышающую отклонение (S) 120 контактного участка 111 (приблизительно показанного на фиг. 2) датчика 100 от стенки ствола 11 скважины. Отклонение 120 обычно составляет около 1/4 дюйма. Хотя контактный участок 111 показан на фиг. 2 как область внутри овала, область влияния магнитного поля лучше показана на фиг. 3. На фиг. 3 А и 3 Б, собирательно именуемых фиг. 3, на двухмерной модели показано распределение магнитного поля при работе датчика 100. На фиг. 3 показано влияние использования проводящего вкладыша 103 и проводящего корпуса 105. Показанные на фиг. 3 А проводящий вкладыш 103 и проводящий корпус 105 изготовлены из меди. Показанный на фиг. 3 Б известный из уровня техники датчик не имеет проводящего вкладыша 103 и проводящего корпуса 105. Эффект фокусировки магнитного поля в показанном на фиг. 3 Б датчике достигается в том числе за счет формы магнитного сердечника, который фокусирует существенную часть магнитного поля 110. Как показано на фиг. 3 А и 3 Б, магнитное поле 110 в целом обозначено жирной пунктирной линией. Из параллельно представленных изображений ясно следует, что датчик 100, разработанный согласно идеям изобретения, генерирует более сфокусированное магнитное поле 110 и обеспечивает существенное усовершенствование уровня техники. Более точно, достигается существенная фокусировка магнитного поля 110 на участке стенки ствола 11 скважины. Фокусировка магнитного поля 110 может быть описана с помощью следующих двух параметров: разрешающей способности Rv по вертикали и добротности Q датчика. Разрешающая способность Rv по вертикали является параметром, задающим действительную область чувствительности по оси Z. Обычно разрешающая способность Rv по вертикали выражена таким образом, что меньшие значения соответствуют лучшим результатам построения изображений. Датчик 100 (представленный как индуктор) имеет добротность (качественный показатель) Q, которая зависит в том числе от электромагнитных потерь в обмотках 102, потерь в магнитном сердечнике 101 и потерь из-за связи с проводящей стенкой ствола 11 скважины. При улучшении фокусировки магнитного поля 110 на интересующем участке увеличиваются потери, вызываемые проводящей стенкой и, следовательно, повышенной чувствительностью датчика 100. Таким образом, при заданной величине потерь в обмотках 102 и магнитном сердечнике 101, чем меньше добротность Q датчика, тем выше его чувствительность к локальному удельному сопротивлению стенки ствола 11 скважины. Добротность Q датчика была рассчитана при частоте 20 МГц и удельном сопротивлении стенки ствола 11 скважины в 1 Омм. Известный из уровня техники датчик, показанный на фиг. 3 Б, имел разрешающую способность Rv по вертикали, равную 22 мм, и добротность Q, равную 107. Показанный на фиг. 3 А датчик 100, сконструированный согласно идеям изобретения, имел разрешающую способностьRv по вертикали, равную 15 мм, и добротность Q, равную 85. В случае токового контура с разрешающей способностью Rv по вертикали около 15 мм добротностьQ датчика составила бы около 300. Существенно более высокая добротность Q в случае токового контура (по сравнению с добротностью магнитной головки согласно настоящему изобретению) означает, что без обеспечиваемого эффекта фокусировки потери энергии, вносимые проводящим участком на стенке ствола 11 скважины, существенно меньше и, следовательно, токовый контур менее чувствителен к удельной проводимости стенки ствола 11 скважины. Путем определения кажущейся добротности Q датчика 100 можно оценить локальную удельную проводимость стенки ствола 11 скважины. Определение добротности Q датчика обычно осуществляют путем анализа сигнала, генерируемого обмотками датчика. Добротность Q датчика может незначительно колебаться (например, вследствие связи датчика 100 со стенкой ствола 11 скважины) по сравнению с фоновым сигналом, генерируемым обмотками 102 без связи. В некоторых случаях неустойчивость фонового сигнала может привести к погрешности измерения добротности Q датчика. Соответственно обычно целесообразно исключить фоновые сигналы.-3 013894 Для сведения к минимуму фонового сигнала в отсутствии проводящей среды вблизи области зазора магнитной головки может использоваться дифференциальная магнитная головка. Один из вариантов осуществления дифференциальной магнитной головки (также называемой мостом для измерения магнитной проницаемости) показан на фиг. 4. Как показано на фиг. 4, дифференциальная магнитная головка 140 имеет диагональную катушку 141, расположенную вокруг диагонали 142. Следует отметить, что на фиг. 4 не показан проводящий корпус 105. Тем не менее можно представить, что в данном варианте осуществления проводящий корпус 105 может включать множество корпусов (например, сегментированный проводящий корпус 105). В качестве примера и для простоты можно считать, что дифференциальная магнитная головка 140 имеет первый датчик 100-1 и второй датчик 100-2. В стандартных вариантах осуществления с использованием дифференциальной магнитной головки 140 сигнал первого датчика 100-1 сравнивают с другим сигналом второго датчика 100-2 путем измерения напряжения на диагональной катушке 141. Этим способом можно осуществить анализ шума и других особенностей данных измерений и учесть их в результатах. На фиг. 5 проиллюстрирован другой вариант осуществления датчика 100 (на фиг. 5 также не показан проводящий корпус). В данном варианте осуществления с обмотками датчика соединен источник постоянного тока (DC, от англ. - direct current), а генерацию и обнаружение сигнала осуществляют путем поперечного перемещения (т.е. вибрации). Вибрирующий узел преимущественно не генерирует сигнал,если только вблизи области зазора магнитной головки не присутствует проводящая среда (т.е. на стенке ствола 11 скважины). В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения предложен комбинированный датчик, проиллюстрированный на фиг. 6. В данном варианте осуществления проводящий вкладыш 103 также служит дисковым электродом 114, применимым в качестве, по меньшей мере, генератора и/или приемника контактного каротажа. С проводящим корпусом 105 может быть связан второй электрод. Электроды 114 и 115 генерируют сигналы прибора контактного каротажа, которые могут эффективно использоваться для отображения всего спектра возможных на практике ситуаций, начиная с бурового раствора с высокой удельной проводимостью и пласта с низкой удельной проводимостью (применимая ситуация для датчика контактного каротажа) и заканчивая буровым раствором с низкой удельной проводимостью и пластом с высокой удельной проводимостью (предпочтительное условие для датчика индукционного каротажа). В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения предложена магнитная головка, в которой проводящий вкладыш 103 и проводящий корпус 105 объединены с обмотками 102. Пример осуществления показан на фиг. 7. В данном примере внутренний проводник 140 и внешний проводник 150 образуют одновитковые обмотки 130. Внутренний проводник 140 и внешний проводник 150 служат проводящим вкладышем 103 и проводящим корпусом 105 и тем самым направляют магнитное поле 110 датчика 100 далее в сторону стенки ствола 11 скважины. Различные признаки датчика 100 могут быть по желанию усовершенствованы в других вариантах осуществления. Например, в других вариантах осуществления по меньшей мере один вкладыш 103 и магнитный сердечник 101 могут иметь не раскрытые в описании формы, размеры и взаимное расположение. Соответственно специалист в данной области техники согласится с тем, что в объем описания и приложенной формулы изобретения входят датчики 100 различных конструкций, которые имеют вкладыш 103 и магнитный сердечник 101 и могут иметь проводящий корпус 105. Обычно размеры компонентов датчика 100 выбирают таким образом, чтобы максимально повысить(в качестве индуктора) собственную добротность Q датчика (без связи с проводящей стенкой). Обычно материал магнитного сердечника 101 также выбирают с учетом низких электромагнитных потерей в диапазоне рабочих частот. Таким образом, добротность Q датчика, магнитный сердечник 101 и другие особенности датчика 100 выбирают таким образом, чтобы максимально улучшить эксплуатационные характеристики (такие как магнитное поле 110) датчика 100. Несмотря на то что изобретение описано со ссылкой на примеры вариантов осуществления, специалисту в данной области техники будет ясно, что в него могут быть внесены различные изменения, не выходящие за пределы объема изобретения. Кроме того, с целью адаптации конкретной ситуации или материала к идеям изобретения может быть предложено множество усовершенствований, не выходящих за пределы его существа и объема. Таким образом, предполагается, что изобретение не ограничено частными вариантами, раскрытыми в качестве предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, и охватывает все варианты осуществления, входящие в объем приложенной формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для проведения микрокаротажа проводимости в стволе скважины в земной толще,содержащее прибор для опробования пласта и расположенный внутри прибора датчик, содержащий магнитный сердечник, имеющий участки с намотанной обмоткой и зазор, внутри которого находится проводящий вкладыш, выполненный с возможностью фокусировки магнитного поля на участке земной толщи в направлении изнутри ствола скважины, при этом обмотки обеспечивают возможность наведения переменного магнитного поля и формирования данных измерений. 2. Устройство по п.1, в котором датчик размещен внутри по меньшей мере одного проводящего корпуса. 3. Устройство по п.2, в котором, по меньшей мере, проводящий вкладыш или проводящий корпус изготовлены из меди или медного сплава. 4. Устройство по п.1, в котором магнитный сердечник содержит мягкий ферромагнитный материал. 5. Устройство по п.1, в котором форма магнитного сердечника рассчитана на фокусировку магнитного поля датчика. 6. Устройство по п.1, в котором магнитный сердечник имеет С-образную форму. 7. Устройство по п.6, в котором обмотки намотаны вокруг параллельных участков С-образной формы. 8. Устройство по п.1, в котором обмотки рассчитаны на соединение с источником переменного тока. 9. Устройство по п.1, в котором обмотки рассчитаны на соединение с источником постоянного тока,а датчик приспособлен для работы, по меньшей мере, в режиме поперечного перемещения или вибрации. 10. Устройство по п.1, в котором длина (L) зазора сердечника от около одного до около двух раз превышает отклонение (S) контактного участка датчика от стенки ствола скважины, в которую помещен каротажный прибор. 11. Устройство по п.1, в котором имеется первый проводящий вкладыш, расположенный напротив второго проводящего вкладыша и обеспечивающий мост для измерения магнитной проницаемости. 12. Устройство по п.1, содержащее дисковый электрод, связанный с проводящим вкладышем с возможностью использования в качестве, по меньшей мере, генератора или приемника контактного каротажа. 13. Устройство по п.12, дополнительно содержащее электрод, связанный с проводящим корпусом для генерирования сигналов контактного каротажа. 14. Способ проведения микрокаротажа проводимости в стволе скважины в земной толще посредством прибора для опробования пласта, содержащего по меньшей мере один магнитный датчик, расположенный внутри прибора и содержащий магнитный сердечник, имеющий участки с намотанной обмоткой и зазор, внутри которого находится проводящий вкладыш, выполненный с возможностью фокусировки магнитного поля на участке земной толщи в направлении изнутри ствола скважины, при этом обмотки обеспечивают возможность наведения переменного магнитного поля и формирования данных измерений. 15. Способ по п.14, при осуществлении которого используют дифференциальную магнитную головку прибора для получения первого сигнала и последующих сигналов. 16. Способ по п.14, при осуществлении которого сравнивают первый сигнал и последующие сигналы. 17. Способ по п.14, в котором на обмотки подают сигнал переменного тока. 18. Способ по п.14, в котором на обмотки подают сигнал постоянного тока и осуществляют, по меньшей мере, поперечное перемещение или вибрацию датчика. 19. Способ по п.18, в котором в результате перемещения или вибрации, по меньшей мере, генерируют или обнаруживают сигнал.