RU2513432C1 - Device for measurement of geophysical and technological parameters in process of drilling with electromagnetic communication channel - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention relates to the field of geophysical survey of wells, namely, to devices for measurement of geophysical and technological parameters in process of drilling. The device according to the invention comprises a bottomhole telemetering system (BTS), including a drilling string, a body, a power supply unit, measurement modules, a transceiving module, an electric separator, made in the form of a separate adapter. The ABM is installed directly above a bit. At the same time the bit comprises a body with a central washing hole, on which the central electrode is placed. In its turn the central electrode is arranged between insulators and is electrically insulated from the body, where electric circuits, measurement sensors, source of power supply and transmitting device are installed. At the same time the ABM is equipped with a probe of measurement of specific electric resistance of a bed, including a current meter connected to the bottom of the drilling string and the central electrode of the specified module, and the meter of potential difference between the bottom of the drilling string and the central electrode of the specified module. Besides, the outlets of the current meter and the specified meter of potential difference are connected to the outlet unit of the transmitting device of the ABM.

EFFECT: increased information value of measurements and accuracy of geonavigation in process of drilling due to arrangement of a probe for measurement of specific electric resistance at the maximum close distance to a bit in an above bit module (ABM).

4 dwg

Description

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин, а именно к приборам для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения, и может быть использовано для измерения электрических характеристик горных пород и геонавигации.The invention relates to the field of geophysical research of wells, and in particular to devices for measuring geophysical and technological parameters during drilling, and can be used to measure electrical characteristics of rocks and geosteering.

Известно устройство для определения удельного электрического сопротивления (УЭС) вблизи долота. В приборе для измерения в процессе бурения в качестве фокусирующего устройства используется буровое долото и прилегающая часть воротника бура, а измерительный электрод находится на торце или боковой поверхности бура (Патент ЕАПВ №014920, публ. 29.04.2011 г. «Способ и устройство для определения электрического сопротивления породы спереди и сбоку долота»).A device for determining the electrical resistivity (resistivity) near the bit. In the device for measuring during the drilling process, the drill bit and the adjacent part of the drill collar are used as the focusing device, and the measuring electrode is located on the end or side surface of the drill (ЕАПВ Patent No. 014920, published April 29, 2011. “Method and device for determining electrical rock resistance in front and side of the bit ").

Недостатком данного устройства является: значительное влияние бурового раствора на показания метода. Для обеспечения питания зонда необходимы разделение компоновки нижней части бурильных труб, либо установка тороидальных катушек, что усложняет устройство и снижает надежность.The disadvantage of this device is: a significant influence of the drilling fluid on the testimony. To provide power to the probe, it is necessary to separate the layout of the lower part of the drill pipe, or to install toroidal coils, which complicates the device and reduces reliability.

Известно устройство для электрического каротажа скважин в процессе бурения, в котором решается задача сокращения размеров устройства и уменьшения аппаратурных затрат, а также повышения информативности геофизических данных каротажа в процессе бурения без увеличения габаритов установки (патент РФ №2368779, публ. 27.09.2009 г.).A device is known for electric well logging during drilling, which solves the problem of reducing the size of the device and reducing hardware costs, as well as increasing the information content of geophysical logging data during drilling without increasing the size of the installation (RF patent No. 2368779, publ. September 27, 2009) .

Устройство содержит электрический разделитель, установленный между колонной труб и нижней частью бурового инструмента. В середине нижней части бурового инструмента нанесено электроизоляционное покрытие, поверх которого установлен электрод. Между колонной труб и нижней частью бурового инструмента размещено передающее устройство. При этом электрод соединен с нижней частью бурового инструмента через измеритель тока, выход которого подключен к первому входу передающего устройства, и измеритель потенциала, выход которого подключен ко второму входу передающего устройства. По обе стороны от электрода могут быть также установлены дополнительные электроды, соединяемые электрически с нижней частью бурового инструмента через ключевое устройство и подключаемые через генератор тока к передающему устройству.The device comprises an electrical splitter installed between the pipe string and the bottom of the drilling tool. An insulating coating is applied in the middle of the lower part of the drilling tool, on top of which an electrode is mounted. A transmitting device is placed between the pipe string and the lower part of the drilling tool. In this case, the electrode is connected to the lower part of the drilling tool through a current meter, the output of which is connected to the first input of the transmitting device, and a potential meter, the output of which is connected to the second input of the transmitting device. Additional electrodes can also be installed on both sides of the electrode, which are electrically connected to the bottom of the drilling tool through a key device and connected through a current generator to a transmitting device.

В устройстве совмещены функции передающего диполя и зонда электрического каротажа. Это позволяет совместить процесс передачи информации и измерение методом бокового каротажа УЭС пород, окружающих скважину.The device combines the functions of a transmitting dipole and an electric logging probe. This allows you to combine the information transfer process and the measurement using the lateral logging method of resistivity of the rocks surrounding the well.

Недостатком данного устройства является расположение измерительных датчиков (центральный электрод) на значительном расстоянии от долота, что приводит к запаздыванию информации об УЭС и снижает эффективность метода для целей геонавигации в процессе бурения.The disadvantage of this device is the location of the measuring sensors (central electrode) at a considerable distance from the bit, which leads to delay in information about the resistivity and reduces the effectiveness of the method for geosteering in the drilling process.

Известно устройство, в котором измерительные датчики расположены в непосредственной близости от долота в корпусе наддолотного модуля (пат. РФ на полезную модель №27839, публ. 20.02.2003 г.).A device is known in which the measuring sensors are located in close proximity to the bit in the casing of the over-bit module (US Pat. Of the Russian Federation for utility model No. 27839, publ. 02.20.2003).

Устройство содержит забойную телеметрическую систему, включающую бурильную колонну, корпус, блок питания, измерительные модули, модуль передающего устройства, электрический разделитель, выполненный в виде отдельного переводника, устанавливаемого непосредственно над забойным двигателем, при этом в устройстве непосредственно над долотом установлен наддолотный модуль, соединенный с валом забойного двигателя и состоящий из корпуса с центральным промывочным отверстием, на котором размещен центральный электрод, расположенный между изоляторами и электрически изолированный от корпуса. В корпусе расположены электрические схемы, измерительные датчики, источник питания и передающее устройств, а в модуль передающего устройства введено приемно-обрабатывающее устройство, осуществляющее прием сигналов от наддолотного модуля (прототип).The device comprises a downhole telemetry system, including a drill string, a housing, a power supply unit, measuring modules, a transmission device module, an electrical splitter made in the form of a separate sub mounted directly above the downhole motor, and a bit-upper module connected to the bit is installed in the device directly above the bit downhole motor shaft and consisting of a housing with a central flushing hole, on which a central electrode located between the isol and is electrically isolated from the housing. The housing contains electrical circuits, measuring sensors, a power source and transmitting devices, and a receiving-processing device that receives signals from the over-bit module (prototype) is introduced into the module of the transmitting device.

Недостаток известного устройства заключается в том, что в наддолотном модуле отсутствует канал непосредственного измерения УЭС пласта, что снижает информативность измерений и точность геонавигации.A disadvantage of the known device is that in the over-bit module there is no channel for direct measurement of the resistivity of the formation, which reduces the information content of the measurements and the accuracy of geosteering.

В предлагаемом изобретении решается задача повышения информативности измерений и точности геонавигации в процессе бурения за счет расположения зонда для измерения УЭС на максимально близком расстоянии к долоту в наддолотном модуле.The present invention solves the problem of increasing the information content of measurements and the accuracy of geosteering during drilling due to the location of the probe for measuring resistivity at the closest possible distance to the bit in the over-bit module.

Указанная задача решается тем, что устройство для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения с электромагнитным каналом связи, содержит забойную телеметрическую систему (ЗТС), включающую бурильную колонну, корпус, блок питания, измерительные модули, приемо-передающий модуль, электрический разделитель, выполненный в виде отдельного переводника, а также установленный непосредственно над долотом наддолотный модуль, соединенный с валом забойного двигателя и состоящий из корпуса с центральным промывочным отверстием, на котором размещен центральный электрод, расположенный между изоляторами и электрически изолированный от корпуса, при этом в корпусе наддолотного модуля расположены электрические схемы, измерительные датчики, источник питания и передающее устройство. В отличие от прототипа, в заявляемом устройстве наддолотный модуль снабжен зондом измерения УЭС, включающим измеритель тока, соединенный с низом бурильной колонны и центральным электродом указанного модуля, и измеритель разности потенциалов между низом бурильной колонны и центральным электродом указанного модуля, при этом выходы измерителя тока и указанного измерителя разности потенциалов соединены с выходным узлом передающего устройства наддолотного модуля.This problem is solved in that the device for measuring geophysical and technological parameters during drilling with an electromagnetic communication channel, contains a downhole telemetry system (ZTS), including a drill string, a housing, a power supply, measuring modules, a transmitter-receiver module, an electrical splitter made in the form of a separate sub, as well as a pre-bit module installed directly above the bit, connected to the shaft of the downhole motor and consisting of a housing with a central flushing hole TIFA, which contained a center electrode disposed between the insulators and electrically insulated from the housing, the module housing in the Near Bit disposed electrical circuits, measuring sensors, a power source and a transmitter. Unlike the prototype, in the inventive device, the over-bit module is equipped with a resistivity measuring probe, including a current meter connected to the bottom of the drill string and the central electrode of the specified module, and a potential difference meter between the bottom of the drill string and the central electrode of the specified module, while the outputs of the current meter and the specified potential difference meter is connected to the output node of the transmitting device of the bitmap module.

На фиг.1 показано устройство для измерения параметров скважин.Figure 1 shows a device for measuring well parameters.

На фиг.2 показан геометрический фактор зонда.Figure 2 shows the geometric factor of the probe.

На фиг.3 приведены расчеты для диаметра d наддолотного модуля 150 мм, УЭС бурового раствора 1 Ом·м, и диаметрах D долота- 168, 198, 264 мм.Figure 3 shows the calculations for the diameter d of the above-bit module 150 mm, the resistivity of the drilling fluid 1 Ohm · m, and the diameters D of the bit - 168, 198, 264 mm.

На фиг.4 приведена диаграмма УЭС, полученная в процессе проводки скважины.Figure 4 shows a diagram of resistivity obtained in the process of posting the well.

На фиг.1 устройство содержит забойную телеметрическую систему (ЗТС) в составе бурильной колонны 1, расположенную в корпусе 2, блок питания, измерительные модули (на фиг. не показаны), приемопередающий модуль 3, электрический разделитель 4, выполненный в виде отдельного переводника, а также установленный непосредственно над долотом 5 с диаметром D наддолотный модуль с диаметром d, состоящий из корпуса 6 с центральным промывочным отверстием, на котором размещен центральный электрод 7, расположенный между изоляторами 8 и электрически изолированный от корпуса 6, при этом в корпусе наддолотного модуля расположены электрические схемы, измерительные датчики, источник питания (на фиг.1 не показаны) и передающее устройство 9 для передачи сигналов на приемо-передающий модуль 3 ЗТС. Наддолотный модуль снабжен зондом измерения УЭС, включающим измеритель тока 10, соединенный с низом бурильной колонны 11 (через вал забойного двигателя, который не показан на фиг.1) и центральным электродом 7 указанного модуля, и измеритель разности потенциалов 12 между низом бурильной колонны 11 и центральным электродом 7 указанного модуля. При этом выходы измерителя тока 10 и указанного измерителя разности потенциалов 12 соединены с выходным узлом передающего устройства 9 наддолотного модуля.In Fig. 1, the device contains a downhole telemetry system (ZTS) as part of a drill string 1 located in the housing 2, a power supply, measuring modules (not shown in Fig.), A transceiver module 3, an electrical splitter 4, made in the form of a separate sub, and also a super-bit module with a diameter d installed directly above the bit 5 with a diameter D, consisting of a housing 6 with a central flushing hole, on which a central electrode 7 is located, located between the insulators 8 and is electrically isolated d from housing 6, while electrical circuits, measuring sensors, a power source (not shown in FIG. 1) and a transmitting device 9 for transmitting signals to the transceiver module 3 of the ZTS are located in the housing of the over-bit module. The super-bit module is equipped with a resistivity measuring probe, including a current meter 10 connected to the bottom of the drill string 11 (through the shaft of the downhole motor, which is not shown in FIG. 1) and a central electrode 7 of the specified module, and a potential difference meter 12 between the bottom of the drill string 11 and the central electrode 7 of the specified module. The outputs of the current meter 10 and the specified meter potential difference 12 are connected to the output node of the transmitting device 9 over-bit module.

Устройство работает следующим образом: низ бурильной колонны 11 и центральный электрод 7 наддолотного модуля образует электрический диполь, на который передающее устройство 9 передает сигнал, кодированный импульсами тока от наддолотного модуля, на приемопередающий модуль 3 ЗТС через диполь, образованный бурильной колонной 1 и низом бурильной колонны 11. Далее ЗТС через этот же диполь передает информацию на поверхность по беспроводному электромагнитному каналу связи.The device operates as follows: the bottom of the drill string 11 and the central electrode 7 of the bit-cutting module forms an electric dipole to which the transmitting device 9 transmits a signal encoded by current pulses from the bit-cutting module to the transceiver module 3 of the ZTS through a dipole formed by the drill string 1 and the bottom of the drill string 11. Further, the ZTS through the same dipole transmits information to the surface via a wireless electromagnetic communication channel.

Этот же диполь используется для измерения УЭС пластов посредством измерения разности потенциалов U (между низом бурильной колонны 11 и электродом 7) и тока I, проходящего от электрода 7 к низу бурильной колонны 11.The same dipole is used to measure resistivity of formations by measuring the potential difference U (between the bottom of the drill string 11 and the electrode 7) and the current I passing from the electrode 7 to the bottom of the drill string 11.

Кажущееся сопротивление пласта вычисляется по формуле:The apparent reservoir resistance is calculated by the formula:

$${\rho }_k^{\left(r\right)}=k\frac{U}{I}(1)$$

$${\rho }_k^{\left(r\right)}=k\frac{U}{I}(\mathrm{one})$$

где k - коэффициент зонда для измерения УЭС, который рассчитывается на основе математического моделирования и зависит от длины изолятора 8, диаметра наддолотного модуля d, длины центрального электрода 7 и диаметра долота D.where k is the coefficient of the probe for measuring the resistivity, which is calculated on the basis of mathematical modeling and depends on the length of the insulator 8, the diameter of the over-bit module d, the length of the central electrode 7 and the diameter of the bit D.

Для наддолотного модуля диаметром: 150 мм, длиной колонны: 5-7 м и изолятора: 0,8 - 0,1 м, длиной центрального электрода: 7-23 мм, k=1,396.For an over-bit module with a diameter of 150 mm, a column length: 5-7 m and an insulator: 0.8 - 0.1 m, a central electrode length: 7-23 mm, k = 1.396.

На фиг.2 показан геометрический фактор G_(r), рассчитываемый по формуле:Figure 2 shows the geometric factor G _(r) , calculated by the formula:

$$G_{\left(r\right)}=\frac{{\rho }_k^{\left(r\right)}-{\rho }_1}{{\rho }_2-{\rho }_1}(2)$$

$$G_{\left(r\right)}=\frac{{\rho }_k^{\left(r\right)}-{\rho }_{\mathrm{one}}}{{\rho }_2-{\rho }_{\mathrm{one}}}(2)$$

где:Where:

ρ₁ - УЭС покрывающего пласта, Ом·мρ ₁ - resistivity of the overburden, Ohm · m

ρ₂ - УЭС пласта, в котором находится инструмент, Ом·мρ ₂ - resistivity of the reservoir in which the tool is located, Ohm · m

$${\rho }_k^{\left(r\right)}$$

- кажущееся сопротивление пласта, Ом·м $${\rho }_k^{\left(r\right)}$$

- apparent reservoir resistance, Ohm · m

r - расстояние до границы покрывающего пласта от электрода наддолотного модуля, м.r is the distance to the boundary of the overburden from the electrode of the over-bit module, m

На фиг.2 видно, что на расстоянии 0,7-0,9 м чувствительность к границе остается, а на расстоянии 0,5 м регистрируется только 20% сигнала от покрывающего пласта.Figure 2 shows that at a distance of 0.7-0.9 m, sensitivity to the boundary remains, and at a distance of 0.5 m, only 20% of the signal from the overburden is recorded.

При прохождении пласта важно оценить влияние бурового раствора и диаметра долота для заданного диаметра бурильной колонны.When passing through the formation, it is important to evaluate the effect of the drilling fluid and the diameter of the bit for a given diameter of the drill string.

На фиг.3 приведены зависимости значений кажущегося сопротивления пласта $${\rho }_k^{\left(r\right)}$$

от удельного электрического сопротивления (УЭС) пласта при различных диаметрах долота.Figure 3 shows the dependence of the values of the apparent resistance of the reservoir $${\rho }_k^{\left(r\right)}$$

from the electrical resistivity (resistivity) of the formation at various bit diameters.

Данные зависимости можно использовать для внесения поправок и более точного определения УЭС пласта.These dependencies can be used to amend and more accurately determine the resistivity of the formation.

На фиг.4 приведен пример проводки скважины, где $${\rho }_k^{\left(r\right)}$$

- значения кажущегося сопротивления пласта.Figure 4 shows an example of a wiring well, where $${\rho }_k^{\left(r\right)}$$

- values of the apparent reservoir resistance.

Claims (1)

Устройство для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения с электромагнитным каналом связи, содержащее забойную телеметрическую систему (ЗТС), включающую бурильную колонну, корпус, блок питания, измерительные модули, приемо-передающий модуль, электрический разделитель, выполненный в виде отдельного переводника, а также установленный непосредственно над долотом наддолотный модуль, состоящий из корпуса с центральным промывочным отверстием, на котором размещен центральный электрод, расположенный между изоляторами и электрически изолированный от корпуса, при этом в корпусе наддолотного модуля расположены электрические схемы, измерительные датчики, источник питания и передающее устройство, отличающееся тем, что наддолотный модуль снабжен зондом измерения удельного электрического сопротивления (УЭС) пласта, включающим измеритель тока, соединенный с низом бурильной колонны и центральным электродом указанного модуля, и измеритель разности потенциалов между низом бурильной колонны и центральным электродом указанного модуля, при этом выходы измерителя тока и указанного измерителя разности потенциалов соединены с выходным узлом передающего устройства наддолотного модуля. A device for measuring geophysical and technological parameters during drilling with an electromagnetic communication channel, containing a downhole telemetry system (ZTS), including a drill string, body, power supply, measuring modules, a transmitter-receiver module, an electrical splitter made in the form of a separate sub, and also installed directly above the chisel, the pre-bit module, consisting of a housing with a central flushing hole, on which a central electrode located between it is electrically isolated from the casing, while electrical circuits, measuring sensors, a power source and a transmitting device are located in the casing of the over-bit module, characterized in that the above-bit module is equipped with a formation resistivity measurement probe, including a current meter connected to the bottom the drill string and the Central electrode of the specified module, and a meter of the potential difference between the bottom of the drill string and the Central electrode of the specified module, while s current meter and said potential difference meter connected to the output node of the transmitting device Near Bit module.

Images