(12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP 2148223 B1 (19) NO NORGE (1) Int Cl. G01V 3/ (06.01) G01V 3/24 (06.01) Patentstyret (21) Oversettelse publisert 13.03.04 (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet 12.01.2 (86) Europeisk søknadsnr 08160911.7 (86) Europeisk innleveringsdag 08.07.22 (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato.01.27 (84) Utpekte stater AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR (73) Innehaver Schlumberger Technology B.V., Parkstraat 83-89, 241 JG The Hague, NL- Nederland (72) Oppfinner Bloemenkamp, Richard, 144 avenue de la resistance, 923 Le Plessis-Robinson, FR-Frankrike (74) Fullmektig Bryn Aarflot AS, Postboks 449 Sentrum, 04 OSLO, Norge (4) Benevnelse Apparat for impedanstilpasning av et resistansmåleverktøy (6) Anførte publikasjoner GB-A- 2 1 18 US-A- 3 973 181 US-A- 4 94 2 WO-A-08/077477
Beskrivelse Teknisk område [0001] Denne oppfinnelsen vedrører et apparat for å gjøre resistivitetsmålinger i en undergrunnsformasjon, spesielt for å balansere impedans ved kartlegging av resistivitet i borehull. 1 2 Bakgrunn [0002] Ved leting etter og produksjon av hydrokarboner er det viktig å kunne bestemme egenskapene til formasjonen, så som resistivitet, rundt et brønnhull. Mikroresistivitetsverktøy måler overflateresistivitet i borehull, og disse resistivitetsmålingene kan så bli anvendt for å frembringe et bilde av borehullsveggen. [0003] Ved mikroresistivitetsmåling i ikke strømledende slam i lavresistivitetsformasjoner i borehull danner verktøystammen, det ikke-strømledende borehullsfluidet og lavresistivitetsformasjonen sammen en koaksialbølgeleder, spesielt for frekvenser over 0 khz. Impedansen som kan måles mellom stammen og formasjonen i posisjonen der hvor målesystemet befinner seg er da ustabil. Dette er fordi en eventuell kontakt eller delvis kontakt mellom stammen og formasjonen, som kan finne sted opptil et titalls meter vekk fra målesystemet, kan ha en påvirkning på denne impedansen. Disse impedansvariasjonene vil normalt virke inn på elektromagnetiske målinger, spesielt de over 0kHz, dersom det ikke tas forholdsregler. [0004] WO 08077477 forsøker å tilveiebringe én løsning på dette ved å hindre at bølgelederen blir eksitert og samtidig hindre at refleksjoner virker inn ved å separere bølgelederen fra målesystemet ved elektrisk å frakoble målesystemet fra verktøystammen. [000] Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et apparat for å korrigere for innvirkningen som borehullsledede bølger kan ha på målesystemet. 3 Sammenfatning av oppfinnelsen [0006] Et første aspekt ved oppfinnelsen omfatter et apparat for å gjøre resistivitetsmålinger i en undergrunnsformasjon rundt et borehull, omfattende - et strømledende verktøylegeme, - en isolerende pute anordnet på verktøylegemet, - minst én strøminjektorelektrode og minst én strømreturelektrode anordnet på en overflate av puten slik at de er posisjonerbare i bruk, tilstøtende borehullsveggen, der injektorog returelektrodene er elektrisk isolert fra hverandre, der verktøylegemet, puten og strøminjektorelektroden er anordnet slik at i bruk: a) forholdet mellom den elektriske impedansen mellom strøminjektorelektroden og verktøylegemet og den elektriske impedansen mellom strømreturelektroden og verktøylegemet på den ene side, og (b) forholdet mellom den elektriske impedansen mellom strøminjektorelektroden og formasjonen og den elektriske impedansen mellom strømreturelektroden og formasjonen på den annen side,
2 1 er tilnærmet like slik at hovedsakelig ingen potensialforskjell dannes mellom verktøylegemet og formasjonen under målingen. [0007] Apparatet kan være anordnet slik at den elektriske impedansen mellom injektorelektroden og puten har en forbestemt verdi, og/eller apparatet kan være anordnet slik at den elektriske impedansen mellom returelektroden og puten har en forbestemt verdi. [0008] Puten kan være festet på verktøylegemet av en innfestingsanordning som tilveiebringer en strømledningsvei mellom puten og verktøylegemet. Innfestingsanordningen kan omfatte en arm. Puten kan omfatte en strømledende bakside elektrisk koblet til verktøylegemet. [0009] I én utførelsesform kan puten omfatte to strømreturelektroder, med injektorelektroden anordnet mellom disse. [00] Returelektroden kan være innrettet for å legges rundt en del av injektorelektroden for å øke kapasitansen mellom verktøylegemet og returelektroden, og redusere kapasitansen mellom verktøylegemet og injektorelektroden. [0011] Apparatet kan videre omfatte elektriske komponenter koblet til verktøylegemet, puten og strøminjektor- og returelektroder som endrer den elektriske oppførselen for å skape de nødvendige impedansforholdene. [0012] Komponentene kan være avstembare slik at den elektriske responsen til delene av apparatet kan bli justert i tråd med operasjonelle krav. Fortrinnsvis kan de avstembare komponentene bli justert dynamisk av et aktivt system. [0013] Injektorelektroden og/eller returelektroden kan omfatte en romlig fordelt oppstilling av måleelektroder. Disse måleelektrodene kan bli anvendt for innhente målinger som blir behandlet for å danne et borehullsbilde. 2 Kort beskrivelse av tegningene [0014] Figur 1 viser et skjematisk diagram av én utførelsesform av målesystemet, Figur 2 viser et diagram av den elektriske ekvivalenten til figur 1, Figur 3 viser et alternativt diagram av den elektriske ekvivalenten til figur 1, og Figur 4 viser et skjematisk diagram av en utførelsesform av målesystemet. 3 Utførelsesform(er) av oppfinnelsen [001] Ved resistivitetsmåling i en formasjon rundt et borehull vil en bølgeleder (koaksialoverføringslinje) dannes av verktøystammen, det ikke-strømledende borehullsfluidet og lavresistivitetsformasjonen. Når målesystemer drives ved over omtrent 0kHz vil de sende inn en bølge i borehullsringrommet som vil gi opphav til en reflektert bølge. Denne reflekterte bølgen kan perturbere målingene som gjøres av målesystemet. For frekvenser som ikke er for høye vil bølgelederen kun tillate forplantning av TEM-elektromagnetiske bølger og ikke tillate andre bølgeforplantningsmåter. [0016] Impedansen mellom stammen og formasjonen ved posisjonen til målesystemet i fravær av målesystemet avhenger sterkt av den karakteristiske impedansen til overføringslinjen, dens lengde og termineringslasten til overføringslinjen.
3 1 2 3 [0017] Alle de tre størrelsene (karakteristisk impedans, linjelengde og termineringslast) kan endre seg over et stort område, og impedansen kan derfor variere mye mens verktøyet beveger seg. I tillegg er disse størrelsene vanskelige å bestemme, spesielt impedansen mellom verktøystammen og formasjonen i berøringspunktet. Målesystemet ifølge oppfinnelsen hindrer derfor eksitasjon av borehullsbølger ved å balansere målesystemet slik at ingen potensialforskjell skapes mellom verktøystammen og formasjonen der systemet befinner seg. [0018] Som vist i figur 1 omfatter målesystemet en injektorelektrode 1, en returelektrode 2 og et sett av måleelektroder (ikke vist) anordnet på en pute 3, festet til et strømledende verktøylegeme 4 som er sentrert i borehullet over flere meter, f.eks. en verktøystamme, et borerør. Injektorelektrodene, returelektrodene og verktøylegemet er innbyrdes elektrisk isolert fra hverandre. En arm kobler puten i målesystemet til verktøystammen 4 for å posisjonere målesystemet mot formasjonen 6 der målingene skal tas. Armen tilveiebringer en strømledningsvei mellom puten og verktøylegemet. [0019] Målesystemet kan være en del av et verktøy som måler i et eksisterende borehull, f.eks. kabelført eller permanent installert, eller måler i et borehull som blir boret, dvs. et LWD/MWD-verktøy. [00] Målesystemet kan være plassert helt eller delvis på en pute, en stamme, en stabilisatorvinge, en roterende hylse, en sentreringsanordning, et borerør eller andre mekaniske systemer som vil posisjonere målesystemet i et borehull. Eksempler på verktøy som målesystemet kan være en del av inkluderer (voktede) 2, 3 og 4 terminalmåleverktøy. [0021] Når målesystemet presses mot borehullsveggen sender injektorelektroden 1 inn en målestrøm 7 i formasjonen 6. Strømmen returnerer så til returelektroden 2 på puten 3. I tillegg til målestrømmen 7 går det også en lekkasjestrøm 8 fra injektorelektroden 1 til returelektroden 2 via det metalliske legemet til puten 3. Det metalliske legemet er den delen av puten, som vanligvis er av metall, som har god elektrisk kontakt med armen og verktøystammen ved de frekvensene målesystemet jobber ved. [0022] Ettersom isolasjonen mellom hvert av elementene i målesystemet ikke er perfekt kan impedansen mellom injektorelektroden 1 og det strømledende verktøylegemet 4 og impedansen mellom returelektroden 2 og verktøylegemet 4 bli avstemt slik at ingen potensialforskjell dannes mellom verktøylegemet og formasjonen. Ved fravær av potensialforskjell mellom verktøylegemet og formasjonen blir det ikke generert borehullsbølger. Avstemmingen kan være fast eller bli endret dynamisk av et reguleringssystem. Et reguleringssystem vil gjøre det mulig å endre den elektriske oppførselen til de forskjellige impedansene mellom verktøylegeme, pute og injektor- og returelektroder etter hvert som forholdene i borehullet endrer seg, for å holde potensialforskjellen mellom verktøylegemet og formasjonen lik null. [0023] Målesystemet er utformet slik at det ikke skaper noen potensialforskjell mellom stammen og formasjonen der hvor målesystemet befinner seg, og eksiterer således ikke EMbølger i borehullet. Målesystemet vil ikke påvirkes av variasjoner i den karakteristiske impedansen, lengden og termineringslasten til overføringslinjen dersom målesystemet er utformet slik at ingen potensialforskjell dannes mellom verktøystammen og formasjonen der systemet befinner seg. Dette oppnås ved å anordne verktøylegemet, puten, strøminjektorelektroden og strømreturelektroden i apparatet på en slik måte at i bruk, (a)
4 1 forholdet mellom den elektriske impedansen mellom strøminjektorelektroden og verktøylegemet og den elektriske impedansen mellom strømreturelektroden og verktøylegemet er hovedsakelig lik (b) forholdet mellom den elektriske impedansen mellom strøminjektorelektroden og formasjonen og den elektriske impedansen mellom strømreturelektroden og formasjonen. Dette resulterer i et målesystem som ikke genererer noen potensialforskjell mellom verktøylegemet og formasjonen og følgelig ikke vil sende inn elektromagnetiske bølger i bølgelederen, uavhengig av bølgelederens egenskaper. [0024] Oppfinnelsen er anvendelig med systemer: der de elektriske/elektromagnetiske målesystemene har frekvenser over 0 khz eller tidssignaler med spektralkomponenter over 0kHz, i et borehull fylt med slam som ved målefrekvensen er betydelig mer resistivt enn formasjonen, og der målesystemet eksiterer uønskede EM-bølger i borehullet og påvirkes av de reflekterte borehullsbølgene. [002] Figur 2 viser et ekvivalent kretsskjema for målesystemet vist i figur 1. For å balansere målesystemet blir en impedans valgt slik at impedansene ZLI og ZLR er slik at det er ingen eller kun en veldig lav spenning over ZIM, som er den elektriske komplekse impedansen målt mellom verktøystammen, TM, og formasjonen, FM, ved målepunktet, dvs. ingen potensialforskjell mellom putens bakside, PB, og formasjonen FM. Foreliggende oppfinnelse balanserer impedansene ved å gjøre ZLI og ZLR så store som mulig samtidig som de fortsatt oppfyller likningen: 2 ZLI/ZLR = ZMI/ZMR der ZLI er den komplekse impedansen mellom injektoren, IN, og PB, ZLR er den komplekse impedansen mellom returelektroden, RT, og PB, ZMI er den komplekse impedansen mellom injektorelektroden IN og FM, og ZMR er den komplekse impedansen mellom returelektroden RT og FM. 3 [0026] Dersom denne likningen er oppfylt, er spenningen over ZIM null. Maksimering av ZLI og ZLR reduserer koblingen til koaksialoverføringslinjen i tilfellet der likningen ikke er eksakt oppfylt. [0027] ZMI er hovedsakelig slamlekkasjekapsasitansen mellom IN og FM. Denne impedansen varierer derfor med standoffavstanden mellom IN og FM. [0028] ZMR er hovedsakelig slamlekkasjekapsasitansen mellom RT og FM, og denne impedansen varierer derfor med standoffavstanden mellom RT og FM. [0029] Impedansene ZLI og ZLR vil bli bestemt ved utformingen av verktøyet, men som følge av romlige begrensninger vil minst én av dem ha en stor kapasitiv komponent i størrelsesorden flere titalls eller hundretalls picofarad. Ved å endre verktøyets utforming er det mulig å balansere de to kapasitansene eller legge til elektriske komponenter. [00] Dersom standoffavstanden IN til FM og RT til FM varierer på samme måte, vil ikke forholdet ZMI/ZMR endre seg og en kan anvende et fast forhold ZLI/ZLR. Dersom de med standoff ikke varierer på samme måte, kan en imidlertid basere seg på at ZLI eller ZLR er høy
1 nok til å hindre bølgeledereffekten, eller en kan anvende en aktivt regulert balanseringsmetode for å oppnå det riktige forholdet. [0031] Figur 3 viser en alternativ betraktning av det ekvivalente kretsskjemaet til figur 1. Figur 3 viser at det ved å velge forholdet ZLI/ZLR er mulig å gjøre potensialforskjellen mellom TM og FM lik null. Figur 3 er ekvivalent med figur 2, der ZIM er erstattet av de to koaksialoverføringslinjene i borehullet, der UC er den oppovergående koaksiallinjen dannet av TM, borehullsringrommet og FM, DC er den nedovergående koaksiallinjen dannet av TM, borehullsringrommet og FM, UT er termineringen av den oppovergående koaksiallinjen, f.eks. som følge av at TM berører FM eller fordi den har en åpen ende, og DT er termineringen av den nedovergående koaksiallinjen, f.eks. som følge av at TM berører FM eller fordi den har en åpen ende. I noen tilfeller kan den nedovergående koaksiallinjen være ubetydelig, f.eks. i noen utførelser der verktøyet er det siste verktøyet i verktøystrengen. [0032] Figur 4 illustrerer én utførelsesform av oppfinnelsen. Målesystemet omfatter en pute 3 med én injektorelektrode 1 og to returelektroder 2 festet til verktøystammen 4 via en arm. Returelektrodene kan ha en utvidelse brettet rundt injeksjonspartiet. Dette øker kapsasitansen mellom puten og returelektroden samtidig som det reduserer kapsasitansen mellom puten og injektorelektroden. Dette gir også mer plass til elektronikk i injektorpartiet. [0033] Andre systemer for å bevirke til impedansbalansering kan inkludere bruk av aktive, avstembare diskrete elektriske komponenter, så som avstembare kondensatorer, induktorer og/eller motstander eller komplette aktive systemer. Disse elektriske komponentene kan bli koblet til verktøylegemet, puten og/eller elektroden(e) for endre deres elektriske oppførsel for å skape de nødvendige impedansforholdene. Krav 2 3 1. Apparat for å gjøre resistivitetsmålinger i en undergrunnsformasjon (6) rundt et borehull, omfattende: - et strømledende verktøylegeme (4), - en isolerende pute (3) anordnet på verktøylegemet, - minst én strøminjektorelektrode (1) og minst én strømreturelektrode (2) anordnet på en overflate på puten slik at de er posisjonerbare i bruk, tilstøtende borehullsveggen, der strøminjektor- og returelektrodene er elektrisk isolert fra hverandre, k a r a k t e r i s e r t v e d at apparatet videre omfatter en avstembar elektrisk komponent anordnet for å endre forholdet mellom den elektriske impedansen (ZLI) mellom den minst ene strøminjektorelektroden og verktøylegemet og den elektriske impedansen (ZLR) mellom den minst ene strømreturelektroden og verktøylegemet til et fast impedansforhold, slik at nevnte forhold er hovedsakelig lik forholdet mellom den elektriske impedansen (ZMI) mellom den minst ene strøminjektorelektroden og formasjonen og den elektriske impedansen (ZMR) mellom den minst ene strømreturelektroden og formasjonen, hovedsakelig uten å generere noen som helst potensialforskjell mellom verktøylegemet og formasjonen.
6 2. Apparat ifølge krav 1, der den elektriske impedansen (ZLI) mellom den minst ene strøminjektorelektroden (1) og verktøylegemet (4) har en forbestemt verdi. 3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, der den elektriske impedansen (ZLR) mellom den minst ene strømreturelektroden (2) og verktøylegemet (4) har en forbestemt verdi. 4. Apparat ifølge ethvert av de foregående krav, der puten (3) er festet på verktøylegemet (4) av en innfestingsanordning som tilveiebringer en strømledningsvei mellom puten og verktøylegemet.. Apparat ifølge krav 4, der innfestingsanordningen omfatter minst én arm (). 6. Apparat ifølge krav 4 eller, der puten omfatter en strømledende bakside elektrisk koblet til verktøylegemet. 1 7. Apparat ifølge ethvert av de foregående krav, der puten (3) omfatter én strøminjektorelektrode (1) anordnet mellom to strømreturelektroder (2). 8. Apparat ifølge ethvert av de foregående krav, der den minst ene strømreturelektroden (2) er innrettet for å legges rundt en del av den minst ene strøminjektorelektroden (1) for å øke kapasitansen mellom verktøylegemet og den minst ene strømreturelektroden, og redusere kapasitansen mellom verktøylegemet og den minst ene strøminjektorelektroden. 2 9. Apparat ifølge ethvert av de foregående krav, der de avstembare elektriske komponentene er koblet til verktøylegemet, puten og den minst ene strøminjektorelektroden og den minst ene returelektroden.. Apparat ifølge ethvert av de foregående krav, der den minst ene injektorelektroden (1) og/eller den minst ene returelektroden (2) omfatter en romlig fordelt oppstilling av måleelektroder. 3 11. Fremgangsmåte for å gjøre resistivitetsmålinger i en undergrunnsformasjon rundt et borehull, der fremgangsmåten omfatter de trinn å: - posisjonere et apparat ifølge ethvert av de foregående krav i et borehull, - endre forholdet mellom den elektriske impedansen (ZLI) mellom den minst ene strøminjektorelektroden og verktøylegemet og den elektriske impedansen (ZLR) mellom den minst ene strømreturelektroden og verktøylegemet til et fast impedansforhold, slik at nevnte forhold er hovedsakelig lik forholdet mellom den elektriske impedansen (ZMI) mellom den minst ene strøminjektorelektroden og formasjonen og den elektriske impedansen (ZMR) mellom den minst ene strømreturelektroden og formasjonen, hovedsakelig uten å skape noen som helst potensialforskjell mellom verktøylegemet og formasjonen, og - måle resistiviteten i undergrunnsformasjonen.