Результат интеллектуальной деятельности: БУРОВОЕ ДОЛОТО ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В ПОДЗЕМНОМ ПЛАСТЕ

Область техники

Настоящее изобретение в целом относится к каротажным приборам, используемым в подземных пластах. В частности, настоящее изобретение относится к способам и устройствам электромагнитного измерения удельного сопротивления посредством бурового долота.

Уровень техники

Для упрощения процесса бурения в продуктивном пласте и увеличения добычи желаемых пластовых флюидов в нефтепромысловой промышленности были разработаны процессы и приборы, позволяющие определить свойства пласта во время бурения или непосредственно после бурения. Комплекс средств, относящихся к данной технологии, называют каротажем в процессе бурения КВБ (logging while drilling, LWD). Применение технологии КВБ (LWD) не только обеспечивает возможность сокращения времени на ввод скважины в эксплуатацию, но также позволяет бурильщику получить информацию о свойствах пласта. Приборы и методы КВБ (LWD) позволяют оценить множество параметров, например удельное сопротивление пласта, для определения типов минералов и/или флюидов, содержащихся в пласте. Как правило, каротажные приборы и процессы предусматривают излучение энергии, например, электромагнитных волн, в пласт для возбуждения в нем энергии. К наиболее важным параметрам процесса бурения, рассматриваемым в настоящем изобретении, относятся вид, местонахождение и относительные соотношения минералов и флюидов.

Приборы КВБ (LWD) представляют собой измерительные устройства, которые устанавливают в компоновке низа бурильной колонны, для того, чтобы в максимально короткие сроки получать результаты измерения после бурения стенки скважины. До настоящего времени приборы КВБ (LWD) прикрепляли к бурильной колонне, например в специально приспособленных для этого утяжеленных бурильных трубах, располагаемых непосредственно над буровым долотом. Таким образом, датчики, встроенные в указанные приборы КВБ (LWD), как правило, регистрировали данные о свойствах пласта на заданной глубине только после того, как буровое долото проходило указанную глубину.

Соответственно в данной области техники существует необходимость в создании усовершенствованных приборов КВБ (LWD), которые позволят регистрировать данные о свойствах пласта до того, как буровое долото, а также приборы КВБ (LWD) пройдут заданную глубину.

Краткое описание чертежей

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения станут понятны при прочтении нижеследующего описания, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.

На фиг. 1 показана скважина с установленной в ней типовой каротажной системой.

На фиг. 2 в аксонометрии показано буровое долото в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 3 показано сечение в горизонтальной плоскости бурового долота, изображенного на фиг. 2.

На фиг. 4 в аксонометрии показано буровое долото в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 5 в аксонометрии показано буровое долото в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 6 в аксонометрии показано буровое долото в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 7 показано сечение в горизонтальной плоскости бурового долота, выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 8 в аксонометрии показано буровое долото в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Варианты осуществления настоящего изобретения проиллюстрированы и раскрыты со ссылками на приведенные примеры реализации данного изобретения, однако эти ссылки не накладывают ограничений на настоящее изобретение и не являются основанием для выводов о такого рода ограничениях. Специалисту в соответствующей области техники, извлекающему пользу из настоящего изобретения, будет понятно, что в раскрытый объект изобретения могут быть внесены значительные изменения и модификации, причем в отношении указанного объекта можно использовать различные эквиваленты по форме и функциональному назначению. Проиллюстрированные и описанные варианты осуществления настоящего изобретения приведены исключительно в качестве примеров и никоим образом не ограничивают объем настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к каротажным приборам, используемым в подземных пластах, в частности, к способам и устройствам электромагнитного измерения удельного сопротивления посредством бурового долота.

Ниже приведено подробное описание иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения. Для большей ясности в данном описании могут быть раскрыты не все признаки фактической реализации настоящего изобретения. Очевидно, что при разработке любого такого фактического варианта осуществления настоящего изобретения для достижения конкретных задач по его реализации может быть принято множество разнообразных технических решений, обусловленных конкретным способом реализации того или иного варианта осуществления настоящего изобретения. Кроме того, понятно, что такая проектно-конструкторская работа может быть сложной и требующей много времени. Однако для специалистов в данной области техники, извлекающих пользу из настоящего изобретения, такая работа, тем не менее, не выходит за рамки обычной практики.

Для лучшего понимания сути настоящего изобретения ниже приведены примеры конкретных вариантов его осуществления. Данные примеры никоим образом не ограничивают объем настоящего изобретения. Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть применены в скважинах, расположенных в любых подземных пластах и имеющих горизонтальные, вертикальные, наклонно-направленные стволы, а также стволы любой другой нелинейной конфигурации. Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть применены в нагнетательных скважинах, а также в добывающих скважинах, в том числе в скважинах по добыче углеводородов.

На фиг. 1 показан пласт 100, содержащий залежи целевых флюидов, таких как нефть или природный газ. Для извлечения указанных флюидов в пласте 100, как правило, пробуривают скважину 101 посредством буровой системы 110. В типовой буровой системе 110, показанной на фиг. 1, буровая вышка 111 соединена с бурильной колонной 112, которая в свою очередь соединена с буровым долотом 113. В данном документе принято, что бурильная колонна содержит трубчатую буровую штангу 114, одну или несколько утяжеленных бурильных труб 115 и буровое долото 113. Используемые в данном документе слова «соединены» или «соединено» обозначают опосредованное или непосредственное соединение. Таким образом, если первое устройство «соединено» со вторым устройством, такое соединение может представлять собой непосредственное соединение или опосредованное соединение через другие устройства или соединительные элементы. Указанная бурильная колонна 112 может содержать роторную управляемую систему (не показана), приводящую в действие буровое долото 113 с поверхности земли. Движение бурового долота 113 вызывает постепенное истирание участка пласта, что приводит к формированию и последующему удлинению скважины 101. С увеличением глубины скважины 101 бурильщик добавляет в бурильную колонну 112 дополнительные сегменты трубчатых буровых штанг и/или утяжеленных бурильных труб, что обеспечивает возможность дальнейшего продвижения бурового долота 113 в пласт 100. Указанное буровое долото 113 может быть ориентировано в любом направлении для обеспечения контакта скважины 101 с залежью флюидов.

В соответствии с настоящим изобретением буровое долото 113 может являться не только частью буровой системы 110, но и частью системы КВБ (LWD). Буровое долото 113 может быть выполнено с возможностью осуществления каротажа скважины 101, в том числе электромагнитного измерения удельного сопротивления пласта, выявления трещин, определения и анализа геологических объектов, таких как поверхности напластования и соответствующие углы падения пласта и азимуты. Как будет раскрыто ниже, буровое долото 113 может регистрировать геофизические данные о скважине 101 посредством приемников 133а, расположенных на выступающем торце бурового долота 113. Кроме того, как будет раскрыто ниже, буровое долото 113 также можно использовать для создания трехмерных профилей распределения удельного сопротивления вокруг скважины, которые могут быть представлены в графической форме и использованы для ввода в сложные геологические модели и модели пласта-коллектора или в качестве данных в программах комплексного трехмерного анализа.

Система КВБ (LWD), включающая в себя указанное буровое долото 113, может содержать процессор 160, предназначенный для управления функционированием системы КВБ (LWD) или для анализа измеренных свойств пласта 100. На фиг. 1 показано, что процессор 160 находится на поверхности земли, однако он может быть расположен внутри скважины 101 или, в случае подводного бурения, у морского дна или рядом с морским дном. Например, процессор 160 может быть расположен внутри бурового долота 113 или в бурильной колонне 112. В других вариантах осуществления настоящего изобретения система КВБ (LWD) может содержать множество процессоров, один из которых установлен в буровом долоте 113 вместе с оборудованием хранения данных. Если же процессор 160 установлен за пределами скважины, то внутри бурового долота 113 могут быть расположены блок 161 хранения данных и батарея 162, предназначенные для подвода электропитания к нижеописанным измерительным инструментам, а также для сохранения данных об измеренных свойствах пласта внутри скважины. В системе КВБ (LWD) внутрискважинная батарея 162 также может быть использована в качестве источника электропитания.

Система КВБ (LWD) также может содержать телеметрическую систему 170, предназначенную для передачи данных между наземным оборудованием, процессором 160 и бурильной колонной 112, как показано на фиг. 1. Буровое долото 113 выполнено с возможностью обмена данными с телеметрической системой 170, входящей в состав системы КВБ (LWD), причем указанная телеметрическая система способна передавать данные от бурового долота 113 или от блока 161 хранения данных в процессор 160. Телеметрическая система 170 может содержать, например беспроводную телеметрическую систему или акустическую телеметрическую систему. Например, телеметрическая система 170 может содержать телеметрическую систему ближнего действия, например, в виде антенны 171 и приемника 172, расположенных в скважине. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения антенна может быть соединена с буровым долотом 113 или блоком 161 хранения данных. В данном случае телеметрическая система 170 может содержать телеметрическую линию 173, предназначенную для передачи сигналов от приемника 172 на поверхность земли. В качестве альтернативы, телеметрическая система 170 может содержать приемную телеметрическую систему 174, расположенную в скважине. Указанная приемная телеметрическая система 174 может получать данные от антенны 171 и передавать их за пределы скважины 101 беспроводным способом. В другом варианте осуществления настоящего изобретения телеметрические линии могут быть соединены непосредственно с буровым долотом. При наличии проводного соединения с буровым долотом 113 элемент хранения данных и батарея могут быть удалены из бурового долота 113, так как электропитание можно подавать с поверхности земли через указанное проводное соединение.

Буровое долото 113 может передавать энергию в пласт 100 посредством по меньшей мере одного передатчика, соединенного с буровым долотом 113, и может принимать по меньшей мере энергию отраженных или преломленных волн посредством по меньшей мере одного приемника, соединенного с буровым долотом 113. В данном документе понятие «пласт» включает в себя слои и залежи минеральных полезных ископаемых и содержащиеся в них флюиды. Кроме того, в данном документе понятие «энергия» охватывает все виды электромагнитных волн, в том числе короткоимпульсные и длинные волны. Указанные волны могут отличаться по частоте, скорости распространения и длине. Кроме того, относительные местонахождения конкретных параметров волны, таких как максимумы и минимумы, могут характеризоваться фазой волны. Буровое долото 113 излучает энергию в пласт, возбуждая тем самым в нем энергию, несущую информацию о свойствах пласта.

На фиг. 2 показан пример бурового долота 200 со встроенными передатчиком и приемником. Приведенное для примера буровое долото 200, показанное на фиг. 2, может представлять собой буровое долото с поликристаллическими алмазными вставками, хорошо известное из уровня техники. Для ясности, на фиг.2 буровое долото 200 показано в состоянии, когда оно отсоединено от бурильной колонны. Буровое долото 200 содержит хвостовик 210 и режущую часть 220. Хвостовик 210 находится в верхней части бурового долота 200 и имеет резьбу 212, предназначенную для соединения бурового долота 200 с утяжеленной бурильной трубой в бурильной колонне. Режущая часть 220 содержит лезвия 222, каждое из которых имеет выступающий торец 224.

Буровое долото 200 содержит передатчик 230, соединенный с хвостовиком 210. В рассматриваемом варианте осуществления настоящего изобретения указанный передатчик 230 содержит рамочную антенну, расположенную вокруг наружной поверхности хвостовика 210, при этом ось данной антенны по существу совпадает с вертикальной осью 240 бурового долота 200. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения рамочная антенна может быть расположена в канавке, выполненной на буровом долоте 200 путем механической обработки. Указанная рамочная антенна может состоять из ферритового кольца с намотанным на него проводом, которое передает энергию в подземный пласт при возбуждении электрическим током. Ввиду того что буровые долота, такие как буровое долото 200, обычно изготовлены из проводящего материала, указанная рамочная антенна может быть электрически изолирована от корпуса бурового долота посредством изолирующего слоя, выполненного из любого известного изоляционного материала.

На фиг. 2 линиями 250 показано энергетическое поле, распространяемое буровым долотом 200 наружу от рамочной антенны. Как показано на чертеже, энергетическое поле обычно распространяется равномерно во всех направлениях от рамочной антенны. Для пояснения характера распространения энергетического поля, на фиг. 3 показано сечение в горизонтальной плоскости бурового долота 200 через рамочную антенну, при этом проиллюстрирована по существу согласованная горизонтальная схема 250 распространения волн, испускаемых рамочной антенной 230. Как показано на фиг. 2 и 3, использование рамочной антенны для излучения энергии в пласт является целесообразным, поскольку рамочная антенна, как правило, не подвержена негативному воздействию усиливающей/ослабляющей интерференции, что свойственно решеткам точечных излучателей. Кроме того, энергетическое поле, распространяемое рамочной антенной, не чувствительно к вращению антенны, то есть данная антенна может поворачиваться вокруг своей центральной оси, не вызывая при этом значительных изменений в энергетическом поле. Как раскрыто ниже, по существу постоянное и нечувствительное к вращению антенны энергетическое поле, создаваемое рамочной антенной, обеспечивает улучшенный контроль над направленными составляющими, измеряемыми путем ориентирования приемников в энергетическом поле.

На фиг. 2 показано, что буровое долото 113 содержит приемники 260 и 270, соединенные с выступающими торцами 224 лезвий 222. Приемники 260 и 270, показанные на фиг. 2, содержат стержневые антенны. Как и рамочная антенна, стержневая антенна может состоять из ферритового сердечника с намотанным на него проводом. Каждый из приемников может быть ориентирован различным образом относительно передатчика 230 и других приемников. Приемники 270, например, расположены встык так, что они лежат в одной плоскости, по существу перпендикулярно плоскости передатчика 230. При этом приемники 260 смещены на угол, не превышающий 90°, относительно передатчика 230 и разделены так, что лежат в разных параллельных плоскостях. Возможны также другие варианты ориентирования указанных элементов. Например, на фиг. 4 показано, что приемники 410 на буровом долоте 410 содержат две стержневые антенны, накладывающиеся друг на друга с формированием при этом креста, причем одна из стержневых антенн лежит в плоскости, по существу перпендикулярной плоскости передатчика 430, а вторая стержневая антенна лежит в плоскости, по существу параллельной плоскости передатчика 430. При этом приемники 420 содержат три стержневые антенны, накладывающиеся друг на друга и смещенные относительно друг друга на различные углы.

На фиг. 5 показан еще один пример бурового долота 500, в котором воплощены аспекты настоящего изобретения. В отличие от приемников, показанных на фиг. 2 и 4, приемники 510 и 520 содержат рамочные антенны. На чертежах показано, что приемники 510, содержащие рамочные антенны, соединены заподлицо с наружной поверхностью выступающего торца 512. При этом приемники 520, содержащие рамочные антенны, вставлены в канавки, выполненные в выступающем торце 522 путем механообработки, причем рамочные антенны, расположенные в выступающем торце 522, лежат в плоскости, по существу параллельной плоскости передатчика 530. В других вариантах осуществления настоящего изобретения на каждом из выступающих торцов бурового долота 500 может быть предусмотрено любое количество антенн, отличное от двух. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из выступающих торцов бурового долота может содержать приемники, ориентированные одинаково или сходным образом, а не по-разному, как показано на фиг. 2, 4 и 5.

Характеристики измерений, выполняемых посредством бурового долота, по меньшей мере частично зависят от того, как ориентированы приемники на буровом долоте, в том числе от расстояния до передатчика, от угла расположения приемников относительно передатчика и от расстояния между приемниками. Глубина исследования датчиком зависит от расстояния между передатчиком и приемниками, а также от частоты энергетического поля, возбужденного передатчиком. В общем случае, чем больше удалены друг от друга передатчик и приемники, тем большую глубину исследования пласта имеет измерительная система. На направленную составляющую энергетического поля, измеренную буровым долотом, оказывает влияние угол расположения приемников относительно передатчика и, в частности, энергетическое поле, создаваемое передатчиком. Стержневая антенна, такая как антенны, используемые в приемниках 260 и 270, имеет схему распространения волн, при которой мощность излучения максимальна в направлении, в котором обращены концы указанной антенны. Таким образом, регулируя угол расположения стержневой антенны относительно антенны передатчика, для выполнения измерений можно выбрать конкретную направленную составляющую энергетического поля. Кроме того, расстояние между приемниками влияет на разрешающую способность измерения; так, например, чем меньше расстояние между приемниками, тем меньшее изменение энергетического поля способны обнаружить указанные приемники.

На фиг. 6 показан вариант осуществления настоящего изобретения, согласно которому расстояние между передатчиком и приемниками уменьшено для выполнения особого типа измерений удельного сопротивления, измерения диэлектрической проницаемости, когда требуется сигнал очень высокой частоты, порядка гигагерца. В качестве альтернативы, возможно использование высокочастотных сигналов порядка одного мегагерца. Кроме того, возможно использование сигналов с частотой от одного мегагерца до одного гигагерца, например пятьдесят мегагерц, сто мегагерц и пятьсот мегагерц. Буровое долото 600, показанное на фиг. 6, представляет собой шарошечное коническое долото, имеющее хвостовик 610 и режущую часть 620. Как и буровые долота, показанные на фиг.2, 4 и 5, буровое долото 600 имеет выступающие торцы 622, выдающиеся наружу от бурового долота. Кроме того, как и буровые долота, показанные на фиг. 2, 4 и 5, хвостовик 610 шарошечного конического долота 600 имеет резьбу 612. Отличие данного долота состоит в том, что передатчик не соединен с хвостовиком 610, а вместо этого на выступающем торце 622 бурового долота 600 предусмотрена полость 624, в которой находятся передатчик 640 и приемники 650. В показанном варианте осуществления настоящего изобретения передатчик и приемники могут представлять собой рамочные антенны, скрепленные друг с другом или по меньшей мере частично накладывающиеся друг на друга внутри полости 624. Например, передатчик и приемники могут содержать отдельные витки провода, намотанные на один и тот же ферритовый сердечник. В других вариантах осуществления настоящего изобретения передатчик и приемники могут представлять собой сочетание рамочных и стержневых антенн. Полость 624 в выступающем торце 622 бурового долота 600 может быть частично открыта или может быть полностью скрыта внутри бурового долота 600. Рассматриваемая конфигурация показана на примере шарошечного конического долота, однако данный вариант осуществления может быть в равной степени реализован в долоте с поликристаллическими алмазными вставками, проиллюстрированном на фиг. 2, 4 и 5. Аналогично, передатчик и приемники согласно варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг. 2, 4 и 5, могут быть в равной степени реализованы в шарошечном коническом долоте, пример которого проиллюстрирован на фиг. 6.

На фиг. 8 показан еще один вариант осуществления настоящего изобретения, позволяющий выполнять измерение диэлектрической проницаемости. Буровое долото 800 может представлять собой долото с поликристаллическими алмазными вставками, на выступающих торцах 812 и 822 которого установлен комплект передатчик/приемник. В других вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из выступающих торцов бурового долота 800 может содержать комплекты передатчик/приемник для измерения диэлектрической проницаемости. Рамочная антенна 802, например, может содержать отдельные провода, намотанные на один ферритовый сердечник. Один из проводов может содержать передатчик, излучающий энергию в пласт с частотой по меньшей мере один мегагерц или, в другом варианте осуществления настоящего изобретения, с частотой один гигагерц. Другой провод может содержать приемник, принимающий отраженные от пласта волны энергетического поля. В другом варианте осуществления настоящего изобретения передатчик 804 и приемник 806 могут содержать отдельные стержневые антенны, установленные на выступающем торце 822. Передатчик 804 и приемник 806 могут быть расположены в параллельных плоскостях на заданном боковом расстоянии друг от друга, зависящем, помимо всего прочего, от частоты энергетического поля, генерируемого передатчиком 804.

Как указано выше, буровое долото, соответствующее аспектам настоящего изобретения, может быть интегрировано в систему КВБ (LWD). Кроме того, как упомянуто выше, система КВБ (LWD) может передавать данные, полученные от бурового долота, в процессор и наземное оборудование хранения данных. В других вариантах осуществления настоящего изобретения в буровое долото могут быть встроены электронные средства, обеспечивающие автономную работу бурового долота. Например, в буровое долото могут быть встроены процессор, батарея, элемент хранения данных. В данном случае такое буровое долото может осуществлять сбор данных и хранить указанные данные в своих внутренних компонентах для последующей передачи указанных данных после извлечения бурового долота из скважины. В других вариантах осуществления настоящего изобретения буровое долото посредством проводов может быть соединено с системой КВБ (LWD), что обеспечивает подачу электропитания к передатчику и приемникам в буровом долоте, а также обеспечивает необходимую производительность обработки и емкость запоминающего устройства для проведения каротажа подземного пласта.

Процессор и система хранения данных, встроенные в буровое долото или удаленно установленные в системе КВБ (LWD), могут быть использованы для отслеживания положения антенны в скважине. Например, процессор может определять угловое положение каждой приемной антенны в скважине. На фиг. 7 показано сечение бурового долота 700, содержащего множество приемников 702 и находящегося в скважине 710 в пласте 750. Каждый из приемников способен получать энергию из пласта в направлении, обозначенном конусообразными элементами 704. Отслеживая положение приемных антенн в скважине, в том числе глубину и угол, указанный процессор может составлять трехмерную схему распределения удельного сопротивления на основе измеряемых данных о направлении, полученных приемной антенной. Трехмерные схемы распределения удельного сопротивления затем могут быть представлены в графической форме, а также могут быть использованы для ввода в сложные геологические модели и модели пласта-коллектора или в качестве данных в программах комплексного трехмерного анализа. Созданные модели пласта-коллектора могут быть использованы в приложениях забойной системы контроля и управления параметрами бурения и определения сопротивляемости породы для смены наконечника. Например, на основе результатов измерения удельного сопротивления пласта и создаваемой модели пласта-коллектора, полученных посредством бурового долота 113, показанного на фиг. 1, бурильщики могут определить, каким образом следует направлять долото для достижения требуемого пласта, а также задавать момент, когда необходимо остановить долото по достижении заданной точки. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения указанная модель может быть создана в реальном времени, что дает возможность принимать решения о продвижении долота в скважине «на лету» без необходимости извлечения бурильной колонны или перебега заданной точки для считывания данных посредством существующей системы КВБ (LWD), установленной на бурильной колонне.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет достичь поставленных целей и обеспечить преимущества, упомянутые выше, а также присущие настоящему изобретению. Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, описанные выше, приведены исключительно в пояснительных целях. Соответственно, настоящее изобретение может быть подвергнуто изменениям и реализовано различными, но эквивалентными, путями, очевидными специалистам, извлекающим пользу из настоящего изобретения. Кроме того, на особенности конструкции или структуры, показанные в данном документе, не накладываются никакие иные ограничения, кроме тех, что изложены в формуле настоящего изобретения. Таким образом, очевидно, что конкретные приведенные для примера варианты осуществления настоящего изобретения, описанные выше, могут быть изменены или модифицированы, причем такие изменения подпадают под объем и сущность настоящего изобретения. Кроме того, использованные в формуле изобретения термины употреблены в их прямом, обычном значении, если заявителем четко и в явной форме не определено иное. Подразумевается, что существительные, выражающие не упоминавшийся выше по тексту элемент и употребленные в формуле изобретения в единственном числе, обозначают один или несколько таких элементов.