DE2057632A1

DE2057632A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des spontanen Potentials von Erdformationen

Info

Publication number: DE2057632A1
Application number: DE19702057632
Authority: DE
Inventors: Schuster Nick A
Original assignee: Societe de Prospection Electrique Schlumberger SA
Current assignee: Services Petroliers Schlumberger SA
Priority date: 1969-12-03
Filing date: 1970-11-24
Publication date: 1971-06-24
Also published as: ES386094A1; NO132884C; OA03533A; NL7017655A; JPS5029402B1; ZA707803B; DE2057632B2; TR16826A; CA937285A; SE368283B; NO132884B; IE34763L; FR2072642A5; GB1335357A; HU164110B; SU679165A4; AT316890B; PL70847B1; US3638105A; IE34763B1

Description

der Firma Societe de Prospection Electrique Schlumberger, 42, rue Saint Dominique, Paris VII^e/Frankreich

BETREFFEND:

"Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des spontanen Potentials von Erdformationen"

Die Erfindung bezieht sich auf Bohrlochuntersuchüngsverfahren und Vorrichtungen, nämlich auf Verfahren und Vorrichtungen für die Bestimmung des spontanen Potentials, das in Erdformationen vorliegt, die von einem Bohrloch durchteuft sind.

Das spontane Potential oder Eigenpoterttial, nachfolgend kurz SP genannt, ist das Potential, das natürlich entsteht durch elektrochemische Phänomene in den Formationen* Diese elektrochemischen Phänöifteile bewirken, daß elektromotorische Kräfte an den Kontaktstellen zwischen dem Bohrschlamm öder seinem Filtrat und dem föfmatiönawaääei: in deft Poreti permeabler Lagerstätten entstehen und qu#r zu den benachbarten Schichten. Bei dem typischen SP^BestißtftUngäverfahren wird da« Potential gemessen zwischen einer öberflächen-Bezugseiektrodö und einer Elektrode in der leitenden Bohrschlammaäule, während diese Iatitere lieittl-ödö lärigs den unter-

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2Π57Π3?

schiedlichen Formationen geschleppt wird. Der Charakter des durch diese Messungen erzeugten SP-Logs hängt zum großen Teil ab von dem Bohrlochschlamm und den Formationen, die im Spiel sind, und wird verwendet, um permeable Lagerstätten aufzufinden und die Werte des Formationswasser-Widerstandes zu ermitteln.

Zwar haben sich Systeme für die Bestimmung des SP im allgemeinen bisher als befriedigend erwiesen, doch liegen eine Anzahl von Faktoren vor, welche Fehler in die gewöhnliche SP-Messung einführen können, wenn die üblichen Meßsysteme Verwendung finden. Beispielsweise wird häufig magnetisches Rauschen in den SP-Draht induziert, der mit der Bezugselektrode an der Oberfläche der Erde verbunden ist durch das Magnetfeld eines magnetisierten beweglichen Teils des Haspelmechanismus, mit dem das Kabel an der Erdoberfläche ausgelegt oder eingeholt wird.

Darüberhinaus können Streuströme von einer Vielzahl verschiedener Quellen das Potential an der Oberflächen-SP-Bezugselektrode beeinflussen. Da die Potentialdifferenz zwischen dieser Oberflächenbezugselektrode und der SP-Elektrode im Bohrloch gemessen wird, erscheint dieses Rauschpotential an der Oberflächen-SP-Elektrode in den SP-Logs als Rauschen. Einer dieser Gründe für das Oberflächen-Elektrodenrauschen rührt her von den sich ändernden Potentialen in der Erde infolge Strömen, die von einer Volta-Zelle erzeugt werden, die ihrerseits durch das Zusammenwirken von Kabelarmierung, Bohrschlamm und der Auskleidung des Bohrlochs gebildet wird. Der Strom von dieser Volta-Zelle ist ein Fehlerstro» wegen des intermittierenden Kontakts zwischen der Kabelarmierung und der Bohrlochauskleidung. Ein anderer Grund für solches Oberflächen-Elektroden-

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Rauschen rührt von dem Magnetfeld her, das durch Generatoren und Motoren am Bohrlochort erzeugt wird. Eine weitere Quelle für Rauschen; welches das Potential an der Oberflächen-SP-Elektrode beeinflußt, sind die sogenannten tellurischen Ströme. Tellurische Ströme sind natürlich vorkommende elektrische Wechselströme, die im wesentlichen in horizontalen Schichten nahe der Erdoberfläche fließen. Diese tellurischen Ströme werden in die Erde induziert dusrch Ströme, die in der oberen Atmosphäre vorliegen, die unter der ionisierenden Wirkung der Sonnenstrahlung hochleitend geworden sind.

Diese Probleme, welche die Stabilität der Oberflächen-SP-Elektrode beeinflussen, werden noch akuter, wenn die Messungen in Bohrlöchern vor der Küste durchgeführt werden. Der Hauptgrund dafür liegt darin, daß es schwierig ist, die Oberflächen-Bezugs-SP-Elektrode zu isolieren wegen des leitenden Seewassers. Auch führt die Nachbarschaft verschiedener Metalle in einem guten Elektrolyten (Seewasser) zu alleix möglichen Formen von Volta-Zellen, die sich mit der Wellenbewegung ändern.

Zusätzlich zu den Rauschquellen, welche auf die Oberflächen-SP-Elektroden einwirken, liegen eine Anzahl von Rauschquellen vor, welche die im Bohrloch befindliche^ SP-Elektrode g beeinflussen. Dabei kann es einmal um bimetallisches Rauschen handeln, hervorgerufen durch Ströme in der Formation und der Bohrschlammsäule, welche von einer Volta-Zelle erzeugt werden zwischen unterschiedlichen Metallen der im Bohrloch befindlichen Untersuchungsapparatur. Zusätzliches Rauschen wird erzeugt durch die Polarisierung der im Bohrloch befindlichen SP-Elektrode, womit das Potential dieser Elektrode zu unerwünschten Änderungen veranlaßt wird. Die Höhe dieses Polarisationsrauschens ist gewöhnlich jedoch so niedrig, daß es vernachläftigbar ist. Das

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Polarisationsrauschen ist zunächst einmal ein Gleichkomponentenoder Grundlinaendriftrauschen, während die anderen oben erwähnten Rauschquellen vorzugsweise Wechsel- oder Hochfrequenzrauschen hervorrufen.

Um ein üauschfreies SP-Log herzustellen, ist bereits vorgeschlagen worden, das Differential-SP zu messen bzw. den SP-Gradienten, d.h. die Differenz des Potentials zwischen zwei in relativ dichtem Abstand voneinander befindlichen, im Bohrloch angeordneten Elektroden, und diese Differenz des Potentials zu integrieren, um einen korrekten SP-Wert zu erhalten. Jedes Gleichrauschen durch Polarisation oder irgendein Nullfehler eines Verstärkers wird jedoch in einen sehr großen Fehler in relativ kurzer Zet durch den Integrator verwandelt, der in einem solchen System vorliegen muß.

Es ist auch vorgeschlagen worden, die SP-Elektrode in Bezug zu setzen mit der Armierung des Kabels, an dem das Bohrlochuntersuchungsgerät im Bohrloch hängt, und zwar an einem Punkt nahe dem ünterende dieser Armierung. Da die elektrischen Leiter, welche die Oberflächenelektronik mit der SP-Elektrode und der Kabelarmierung verbinden, gemeinsam durch das Kabd. laufen und die Kabelarmierung ziemlich weit entfernt von der Oberfläche der Erde ist, wo ein hoher Anteil von Wechselrauschen erzeugt wird, kann eine SP-Messung, die auf diese Weise erzeugt wird, relativ frei von Wechselrauschen sein.

Eine solche Meßanordnung zwischen SP-Elektrode und Armierung ist jedoch nicht vollständig fehlerfrei. Wenn sich nämlich irgendein Teil der Armierung, die ja einen endlichen Widerstand aufweist, nahe einer Formationslagerstätte mit merkbarem SP befindet, wird das Potential auf der Armierung auf eine Größe

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gelangen, die in bestimmter Weise von diesem SP abhängt und damit einen Fehler in die resultierende SP-Messung einführen. Aus diesem Grunde ist ein solches Meßschema bisher nicht zu praktischer Bedeutung gelangt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen für die Bestimmung von Spontanpotentialen in Erdformationen, die von einem Bohrloch durchteuft sind, zu schaffen, derart, daß Anzeigen des tatsächlichen Spontaibpotentials erhalten werden, die nahezu von rauschbedingten |

Fehlern frei sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Bestimmung des spontanen Potentials von Erdformationen, durch die ein Bohrloch abgeteuft ist, bei welchem mindestens eine Potentialmeßelektrode längs des Bohrlochs bewegt wird zur Erfassung von ersten Meßwerten, die eine Funktion des sich mit der Tiefe der Elektrode im Bohrloch ändernden spontanen Potentials repräsentieren, dadurch gelöst, daß mit der Elektrode ein weiteres Meßelement für elektrische Parameter durch das Bohrloch bewegt wird zur Erfassung «weite? Heßwerte, die ein Funktion des sich mit der Tiefe des Meßelementes im Bohrloch ändernden spontanen Potentials repräsentieren, und daß ein Meßvertaus- I £»nf emvqt wird, der in Funktionsfceaiehung steht iu Konjponent#n der eisten und iweiten Meßwerte aus unterschiedlichen Frequ*nabänd«rn derselben, und der als repräsentative Angab· fü* da· spontane Potential eine* lr4fQ*»ation auegewert?*wira. De*- g«ml0 «in4 »indesten« zwei Elektroden vorgesehen, die durch da· Bohrloch bewegt werden, und eine dritte elektrode, die nahe aie auf der Erdoberfläche angeordnet ist, Is werden die natürlich

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auftretenderiPotentiale auf jeder Elektroden bestimmt und diese gemessenen Potentialwerte werden benutzt, um das Ausgangssignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für das Spontanpotential einer Erdformation.

In einer Ausfuhrungsform können die beiden beweglichen Elektroden eine Elektrode an einer Bohrlochuntersuchungsapparatur in einem Bohrloch und die Armierung des Kabels umfassen, an dem die Apparatur aufgehängt ist. In einer anderen Ausführungsform können diese beiden Elektroden zwei in dichtem Abstand voneinander angeordnete Elektroden auf der Bohrlochapparatur umfassen, um eine Messung des Gradienten zu erhalten, die dann integriert werden kann. Die Hochfrequenzkompdenten entweder der zwischen der Apparaturelektrode und der Armierung gemessenen Potentialdifferenz oder der integrierten Gradientenmessung können Verwendung finden in Verbindung mit den niedrigfreguenten Komponenten der Potentialdifferenz zwischen einer an der Bohrlochapparatur befindlichen Elektrode und der Oberflächenelektrode, um so das Spontanpotential zu bestimmen.

Die Erfindung solin nachstehend unter Bezuganahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer

; Jas führungshorn» des Erfindungsgegenstandes, mit der Anseigen des spontanen Potentials der von einem Bohrloch durchteuften Erdforaroationen erhalten werden;

Fig. 2 ist ein DiagraaTder Leistung über der

Frequenz für verschiedene Komponenten

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der Signale, welche von den Elektroden der Fig. 1 erzeugt werden;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer

anderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ;

Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Amplitude über

der Frequenz für bestimmte Schaltkreise der Fig. 3?

Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagrasm der Vorrichtung gemäß Fig. 3 in größeren Einzelheiten?

Fig. 6A und 6B zeigen Wellenformdiagamme, anhand deren

die Wirkungsweise eines Teils der Anordnung gemäß Fig. 5 erläutert wird?

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des

Erfindungsgegenstandes ?

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des

Erfindungsgegenstandes? und %

Fig. 9 stellt das Frequenzverhalten bestimmter

Schaltkreise in Fig. 8 dar.

In Fig. 1 erkennt man ein Bohrloch lo, das mit einem üblichen leitenden Bohrschlamm 11 gefüllt ist, und Erdformationen 12 durchteuft. Ein Elektrodensystem 13 mit Elektroden 14 und

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15, die einen vertikalen Abstand von "a" voneinander aufweisen, ist an dem Bohrloch an dem Ende eines Mehrleiterkabels (nicht dargestellt) aufgefangen für die Ermittlung des Spontanpotentials der Formationen 12. Ein Paar von Leitern 16 und 17 verbindet die im Bohrloch befindlichen Elektroden 14 und mit der Erdoberfläche, wo die Potentiale, welche von den Elektroden 14 und 15 angenommen werden, verarbeitet werden zur Erzeugung von Anzeigen des Spontanpotentials der benachbarten Erdformationen 12.

An der Erdoberfläche sind die Leiter 16 und 17 an den Eingang eines Differentialverstärkers 18 geführt, der das Potential der unteren Elektrode 15 vom Potential der oberen Elektrode 14 subtrahiert, um ein Ausgangssignal Δ»SP zu erzeugen, das proportional ist der Potentialdifferenz oder dem Gradienten zwischen den Etektroden 14 und 15. Der Leiter 17 und ein Leiter 19, der an eine Elektrode 19a angeschlossen ist, welche in die Erde an der Oberfläche eingebettet ist_r sind verbunden mit den Eingängen eines Differentialverstärkers 2o, um so ein Ausgangssignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für die Potentialdifferenz zwischen den Potentialen an diesen beiden Elektroden. Dieses Ausgangssignal vom Verstärker 2o entspricht der gewöhnlichen Spontanpotentialmessung und wird mit SP bezeichnet. Die Ausgangssignale von den Verstärkern und 2o werden dann einem Signalverarbeitungsschaltkreis 21 zugeführt, der die ihm aufgegebenen Eingangssignale gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet, um so eine verbeserte SP-Messung zu bewirken. Diese verbesserte SP-Messung wird einem galvanometrischen Aufzeichnungsgerät 22 zugeführt.

Bevor erläutert wird, wie der Signalverarbeitungsschaltkreis 21 arbeitet, um das verbesserte SP-Ausgangssignal

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— Q —

zu erzeugen, soll zunächst auf einige theoretische Erwägungen eingegangen werden. Die gewöhnliche SP-Messung_r repräsentiert durch das Ausgangssignal vom Verstärker 2o, unterliegt verschiedenen Rauscheinflüssen, die oben erwähnt wurden. Diese Rauscheinflüsse können unterteilt werden in zwei Kategorien, nämlich Hochfrequenzrauschen und Niederfrequenzrauschen. Das Hochfrequenzrauschen, wie oben erwähnt, wird hervorgerufen durch Phänomene wie tellurische Ströme, Bimetallismus, Gestän^erauschen usw. und hat im allgemeinen eine Periodendauer in der Größenordnung weniger Sekunden oder darunter. Das Niederfrequenz- oder Gleichrauschen rührt im allgemeinen von der ^ Elektrodenpolarisation her und ist gewöhnlich unschädlich, so- ™ weit die gewöhnlichen SP-Messungen betroffen sind wegen der niedrigen Größe dieses Polärisationsrauschen relativ zu dem gemessenen SP. Wie oben tereits erwähnt wurde, ist jedoch das Hochfrequenzrauschen im allgemeinen störend» soweit die gewöhnliche SP-Mesiüng {Ausgang des Verstärkers 2oJ betroffen ist. bemgeialß kann das Aüsgan^ssignäl SP des Verstärkers Io als V -f N geschrieben werden _t wobei V das wahre SP-Signal ist (d.h. #leicH 4M Potential ist, das gemessen ird zwischen den Elektröiift ί3 mä i§a i&i Abwesenheit von Räuschen) und N die

1st;

Das 4 s#-Sign*l #Ött Viritätkir 18 ist meistenteils frei von dieien Wechili- oder Hochfreqüena-Riuschkcatpohenten. Öle Urilchi dafür iit, dti Hich#telr4uichqiiiil*n bliiiglich ihre« Oirt*« iüt iiliüüiüih fÜitif tntfifnt Von dtn Elektroden 14 oder is lii<jih und ä^lMii üch nur in geringem MiIi Ui Potentiil Il din ilektrod.n 14 und 15 b*Ürifluii*n. Dft der Differ*ntiilrer*tarker It da« Potential auf einer dir trode* τβ* 4«i itf der inderen Elektrode »tihtrihiert, wird Üi lUu.ckert wiifcgehind *u*ko»penMiirt.

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O«K3INAL INSPECTED

- Io -

Dies trifft jedoch nicht zu für Fehler, die hervorgerufenwerden durch die Polarisation der Elektroden 14 und 15, da diese Polarisation ein lokaler Effekt ist, d.h. ef beeinflußt jede Elektrode individuell. Wie oben diskutiert, ist das Polarisationsrauschen relativ klein bezüglich der Total-SP-Messung, derart, daß es für alle praktischen Aufgaben ignoriert werden kann. Da jedoch das A SP- bzw. der Gradient- die Differenz des Potentials zwischen zwei in dichtem Absatand voneinander liegenden Punkten des Bohrlochs ist, wird das A SP-oder Gradientensignal eine relativ geringe Höhe aufweisen, wodurch die Polarisationsrauschkomponente bedeutungsvoll wird, insbesondere nach der Integration. Demgemäß enthält das Ausgangssignal vom Verstärker 18 sowohl ein wahres rauschfreies Gradientensignal, das mit "G" bezeichnet werden soll, und eine Polarisationsrauschkomponente, die mit "P" bezeichnet wird. Das Ausgangssignal A SP ist demgemäß gemäß G + P.

Man erkennt demgemäß, daß das Signal A SP vom Verstärker 18 brauchbare Hochfrequenzinformationen enthält, jedoch wenig brauchbare Niederfrequenzinformationen wegen des Polarisätionsfehlers. Die konventionelle SP-Messung dagegen enthält brauchbare Niederfrequenzinformationen, jedoch wenig brauchbare Hochfrequenz informationen wegen de» Hochfrequenzrauschens N. Dies ist in Fig. 2 noch einmal dargestellt, wo die Leistung über dir Frequenz für die oben diskutierten Signalkowponenten aufgezeichnet iit. Man erkennt, da· das «ihre riuschfreie SP,reprÄ«entiert als gestrichelte Linie V, einen «roieti l*i«tunf**nteil b«i niedrigen Frequenien aufweist und schnell auf «ehr geringe Leistungen bei höheren Frequeneen abfällt. Das wahre rauschfreie GiixUetttftsifnal 6 In strichpunktierter Linie hit eine

-U-

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ORIGINAL INSPECTED

- li -

sehr geringe Niederfrequenzleistung und einen erheblichen Anteil von mittel- oder hochfrequenzter Leistung. Das Polarisationsrauschen P andererseits weist einen erheblichen Anteil niederfrequenter Leistung auf, der schnell auf Null abfällt, wenn die Frequenz zunimmt. Die Hochfrequenz-Rasuschkomponente N besitzt keine Leistung bei niedrigen Frequenzen, jedoch eine merkbare Leistung bei Hochfrequenzen.

Man erkennt aus Fig. 2, daß - da das SP-Meßsignal V + N ist, und das gemessene Gradientensignal Δ SP gleich G+P ist,-die konventionelle SP-Messung vom Verstärker 2o verwendet wer- | den kann, hinsichtlich ihrer Niederfrequenzinformation und die SP-Differenzmessung, d.h. A SP vom Verstärker 18 Verwendung finden kann bezüglich ihrer Hochfrequenzinformation. Mit anderen Worten, die Leistungsverteilung über der Frequenz für dieses Signal ist so, daß die Rauschkomponenten N und P ohne weiteres von den Informationskomponenten V und G für jedes der erzielten Signale SP und Δ ßP abgetrennt werden können. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden die SP-und die Δ SP-Messung miteinander kombiniert in dem Signal-Verarbeitungsschaltkreis 21, der so arbeitet, daß die Niederfrequenzkowponente der SP-Messung und die Hochfreguenzkoraponente der A SP-üessung erfaßt werden und diese beiden erfaßten Komponenten kombiniert werden, um eine kompensierte SP-Messung ™ zu erzielen. Das A SP-Gradientensignal ve» am Ausgang des Verstärkers 18 ist durch die folgende Gleichung gegeben:

Δ SP »G + P « V(z + a) - V(Z) # P*a || + P, (1)

worin V(z) das wahre SP bei der Tiefe ζ des Bohrlochs ist, und V(z + a) das wahre SP bei der Tiefe ζ + a im Bohrloch ist. Da Analogschaltkreise im Zeltbereich arbeiten, wäre es zunächst

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wünschenswert, die Gleichung (1) zu untersuchen, wenn sie als Zeitfunktion aufgezeichnet ist. In diesem Falle wird auefe* Gleichung (1):

^{Δ SP} - * ar · § ^{+ p} ■ S

Hierin ist u die Geschwindigkeit (dz/dt) der Elektrodenanordnung. Nach der Laplace-Transformation kann die Gleichung (2) in der Form:

* L(A SP) = sTv (z) + P (3)

aufgezeichnet werden, worin

rf* a

Der Ausgang für den Signalausgang vom Verstärker 2o ist:

SP « V(t) - V₀ ♦ N, (5)

worin V die Spannung an der SP-Oberflächenelektrode 19a ist. Da V gewöhnlich Null Volt beträgt, abgesehen von dem Effekt der Rauschkomponente N, kann die Gleichung (5) vereinfacht werden zu:

SP - V(z) + N. (6)

Die Laplace-Traneformation der Gleichung (6) ergibt:

L (SP) = V(z) + N. (7)

V(z) soll nachfolgend vereinfacht ale V gezeichnet werden.

Aus Fig. 2 entnimmt man, daß - da der erwünschte V-Term maximale Leistung bei niedrigen Frequenzen hat und der uner-

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ORIGINAL INSPECTED

wünschte Rauech-Term N maximale Leistung bei hohen Frequenzen hat - diese beiden Terme V und N nur bezüglich ihrer niedrigen Frequenzen verarbeitet werden sollten.Da andererseits der erwünschte Gradienten-Term G maximale Leistung bei mittleren oder höheren Frequenzen aufweist, und der unerwünschte Rausch-Term P seine maximale Leistung bei niedrigen Frequenzen besitzt, ist es klar, daß diese beiden Terme G und P nur bezüglich ihrer Hochfrequenzanteile verarbeitet werden müssen. Demgemäß sollte der Ausdruck für das Ausgangssignal e vom Signalverarbeitungsschaltkreis 21 erwünschterweise lauten:

e" = L(V + N) + H(STv^-+ Pf (8) I

ο

e^ = (L + STh) "v + LtT+ HP^ (9)

worin L und H die Niederfrequenten bzw. hochfrequenten Transformationsfunktionen sind.

Gemäß Fig. 1 wird das Spannungssignal vom Verstärker 2o einem Tiefpaßfilter zugeführt, welches die Transformationscharakteristik L der Gbichung (9) aufweist. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 25 wird über einen Summierwiderstand 28 einem Summierverstärkers 26 zugeführt, welcher einen Rückkopplungswiderstand 27 aufweist. _ä

Das A. SP-Gradienten-Signal vom Verstärker 18 wird auf einen Schaltkreis 22 geschaltet, welcher die Transformationsfunktion "H" der Gleichung (9) repräsentiert und dazu dient, das ihm zugeführte Δ. SP-Ei-ngangssignal zu integrieren undJBu filtern. Innerhalb des Schaltkreises 22 ist ein Tiefpaßfilter 29 VDrgesehen mit einer Transformationscharakteristik L^, das dazu dient, nur die iJiederfrequenzanteile des & SP-Signals dem Subtrahiereingang eines Operationsverstärkers 3o zuzuführen.

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Das Δ SP-Signal vom Verstärker 18 wird direkt dem positiven Eingang des Verstärkers 3o zugeführt. Ein Kondensator 31 ist über den Verstärker 3o gelegt derart, daß die Kombination des Verstärkers 3o mit dem Kondensator 31 als Integrierschaltkreis wirkt. Der Ausgang dieses Integratorvwird einem Hochpaßfilter 32 zugeführt mit einer Transformationscharakterstik H , und das Ausgangssignal desselben wird dem Summierverstärker 26 über einen Summierwiderstand 33 aufgegeben. Das Ausgangssignal vom Summierverstärker 26,

das mit e bezeichnet werden soll, wird dann mittels eines ο

üblichen galvanometrischen Aufzeichnungsgerätes 34 registriert.

Ein Vergleöi der Gleichungen (8) und (9)mit dem Signalverarbeitungsschaltkreis <21 ergibt, daß der Schaltkreis 21 durch die Gleichungen (8)und (9) beschrieben werden kann. Die Erwägungen für die Festlegunge der Transformationscharakteristiken L und H sollen nachfolgend wiedergegeben v/erden.

Aus Gleichung (9) folgt die Bedingung für die Korrekte Wiedergabe des wahren SP-Terms V:

L + S T*H = 1 (lo)

Die Gleichung (lo) umgeformt in Terme der Hochpaßfilterfunktion H lautet:

H = 1jiJi (H)

In Fig. 1 ist die Transformationsfunktion II für den Schaltkreisanteil 22 des Signalverarbeitungsschaltkreises 21

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(1 - L.) H.

s T*

Man entnirwtt aus Gleichung (12), daß wenn I*. gleich L ist und H₁ gleich 1, die Gleichung (12) identisch wird mit der Gleichung (11) und der Verarbeitungsschaltkreie 22 der Funktion H die Gleichungen (lo) und (11) erfüllt. Da H₁ gleich 1 ist, wäre das HG^i^&tiiter 32 nicht erforderlich. In der Praxis würde jedoch ein Schaltkreis wie der Hochpaßschaltkreis 22 eine Drift aufweisen infolge Unvollkosamenheit der Integration und geringer Ungenauigkeiten im Eingangeschaltkreis, d.h. im Verstärker 18 und im Tiefpaßfilter 29. Da der Niederfrequenzkanal eine zuverlässige Gleichanteilinformation liefert, ergäbe sich kein Informationsverlust, wenn das Hochpaßfilter 32 in den Hochfrequeni-Verarbeitungsschaltkreis 22 einbegriffen würde, und dann würde much jegliche GleichinstabilitJit des Hochfrequenzschaltkreise* 22 kompensiert werden. Insbesondere wäre es möglich, da& der aus dent Verstärker 3o und dem Kondensator 31 bestehende Integrator Unvollkoneenheiten aufweist, da die Integratorelemente 30, 31 nicht notwendigerweise die Gleichsignalkoraponeate zuverlässig reproduzieren müssen wegen der Wirkung des Hoohpafifiltere 32. Demgemäß könnte ein variabler Widerstand 36 dem Kondensator 31 parallelgeschaltet werden durch Schließen eines'Schalters 37, um so die erforderliche Zeitkonstante für den Integrator vorzusehen. Es ist festenhalten, daß zwar die Gleichung (lo) speaifisiert, daß L +TH gleich ^-1" sein muß Hr »uverlissige Reproduktion des wahres SP-Terms V, es jedoch wünschenswert ist, daß L + S T" H ungleich I sein darf, und dies ist gemäß der vorliegenden Er-

In der obigen Brläuterung der frig. I arbeitete der Signalverarbeitungs se haltkreis 21 in der ieitdosiäne. Dies ist BÄflich, wenn die Bohrlochuntersuohungsapparatur alt konstanter

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ORK31NAL

Geschwindigkeit bewegt wird. Wenn die Geschwindigkeit nicht konstant ist, wird ein Hochfrequenzfehler in den Meßausgang eingeführt. Um in dem Signalverarbeitungsschaltkreis 21 eine Kompensationsmöglichkeit vorzusehen, könnte der Integrator 3o, 31 so ausgebildet werden, daß er in Funktion der Tiefe und nicht in Funktion der Zeit integriert. Darüberhinaus könnten auch die Filter 25, 29 und 32 in Übereinstimmung mit der Bewegungsgeschwindigkeit der im Bohrloch befindlichen Bohrlochuntersuchungsapparatur 13 modifiziert werden.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform des Signalverarbeitungsschaltkreises 21 der Fig. 1 darbestellt. Dieser Schaltkreis 3 erfüllt im allgemeinen die gleichen Funktionen wie der Schaltkreis gemäß Fig. 1, sieht jedoch darüberhinaus eine Korrektur für Geschwindigkeitsänderungen der im Bohrloch befindlichen Untersuchungsapparatur vor. Gemäß Fig. 3 wird das Δ. SP-SigraL dem Eingang eines Verstärkers 4o mit variabler Verstärkung K zugeführt, und K ist variabel in Funktionier Geschwindigkeit des Kabels an der Erdoberfläche. Um diese Steuerung zu bewirken, tastet ein umlaufendes Rad 41 das Kabel 42 so ab, daß es in Funktion von der Bewegung des Kabels 42 umläuft. Eine umalaufende Welle 43 wird von dem Rad 41 angetrieben und verbunden mit dem Verstärker 4o mit variabler Verstärkung, derart, daß diese Verstärkung variert wird in Abhängigkeit von der Kabelgeschwindigkeit.

In dem Verstärker 4o mit variabler Verstärkung wird das Δ SP-Eingangssignal über einen Eingangswiderstand 42a einem Eingang eines Operationsverstärkers 41a zugeführt, dessen anderer Eingang verbunden ist mit der Oberflächen-SP-Elektrode 19a. Der Rückkopplungswiderstand für den Operationsverstärker 41a ist ein Potentiometer 43a, dessen Schleifer

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durch eine Welle 44 angetrieben ist von einem Drehzahlmesser 39, der auf die Drehzahl der Welle 43 anspricht und die Wale 44 verdreht in Funktion von der Drehzahl der Welle 43. Da die Verstärkung des Verstärkers 4o das Verhältnis des Rückkopplungs-Widerstandes zum Eingangswiderstand ist, und der Wert des Rückkopplungswiderstandes 43a verändert wird in Funktion von der Kabelgeschwindigkeit, erkennt man,daß die Verstärkung des Verstärkers 4o sich ändert, ihrerseits in Funktion von der Kabelgeschwindigkeit .

Das Ausgangssignal des Verstärkers 4o mit variabler i Verstärkung wird einer Summierklemme 45 zugeführt, an die auch das reguläre SP-Signal vom Verstärker 2o der Fig. 1 geführt ist. Das Ausgangssignal von der Summierklemme 45 wird einem ersten Tiefpaßfilter 46 mit einer Laplace-Transformations-

funktion zugeführt, worin T₁ die Zeitkonstante des

t + elf ■*·

i Schaltkreises 46 ist. Daö invertierte

AusgangsSignal des Filters 46 Und das SP-Eingangssignal werden summiert, mittels einer Summierklemme 47 und dfiach einem zweiten Tiefpaöfilter 48 zugeführt mit einer Laplace-Transformationsftih&tiött —-^-—- rait T₅ als der ^eitkönätante des Schaltkreise* 2 4S, Die Äüäfangesignäle der beiden Tiefpaßfilter 46 und 48 werden an einer Süiamiörklemme 49 stiaüaiert» und dann einem Aufzeichnungsgerät 5ö zugeführt, "

dessen AufseiGhehmediutii angetrieben wird von der Welle 43 in funktion von der Kabeibewegung. Demnach wird das köiapen*· sierte SP*-AuBgangssignal des SignalverabeitüngsschaltkreiSes 38 aufge»6ichß«t durch das Aufzeichnungsgerät 5o in Funktion von der Böhrioöhtiefe.

Da die übertragungsfünktionen L und II auf die SP-bssw. Δ SJP-Sifftale in dem Schaltkreis gemäß Fig. 3 angewandt

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ORIGINAL WSPECTEO

- 18 werden, sind die Ausdrücke für L und H der Fig. 3:

1 + ST 1 + ST₉ 1 + ST

X Ä Zm

L= * ⁺ ^S(T1 ^+T2> (14)

(1 + ST₁)(1 + ST₂)

1 + ST. 1 + ST, 1 + ST

H = —* - Ji 1 (15)

H = ^KST2

(1 + ST₁)(1 +

Die Gleichung (14) ist der Laplace-Ausdruck für ein Tiefpaßfilter und die Gleichung (16) für ein Bandpaßfilter.

Gemäß Gleichungen (14) und (16) kann der Ausdruck L + S H aus Gleichung (9) geschrieben werden zu:

ι + S(T + T) + S²K T-T ₍₁₇.

L + S ΤΉ = i ί ! £■ ^U/}

(1 + ST₁)(1 + ST₂)

In Fig. 4 ist ein Diagramm der Amplitude über dier Frequenz dargestellt für die Transformationsfunktionen L, H und L + S^-T^-H aus Gleichungen (14), (16) bzw. (17). Man erkennt aus Fig. 4, daß die Tieffrequenz-Transformationsfunktion L ein Tiefpaßfilter beschreibt, die Transformationsfunktion H ein Bandpaßfilter und die Funktion L + sfH ein Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz, die höher liegt als die für beide Tieffrequenz- und Hochfrequenz-Tränsförmationsfunktionen L und H.

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Ein Vergleich der 'Gleichung (9) mit der Darstellung nach Figuren 2 and 4 zeigt, daß bei richtiger Auswahl der Schaltkreiskonstanten für den Schaltkreis nach Fig. 3 dieser tatsächlich im wesentlichen alle Hochfrequenzrauschkomponenten N unterdrückt, da die Transformationsfunktion L der Fig. 4 so gewählt werden kann, daß die Rauschkomponente,ehe sie merkbar in Erscheinung tritt, im wesentlichen auf Null reduziert wird. Man erkennt ferner, daß die Polarisationskomponente P im wesentlichen eleminiert wird, da diese Komponente P bei einer Frequenz nahezu auf Null gebracht wird, welche unter dem Frequenzbereich liegt, innerhalb dem die Trans formationsfunktion H bedeutungsvoll wird. Man erkennt demgemäß, daß die wahre SP-Komponente V durch das Frequenzband gelangt, irjdem V wichtig ist, da die Trans formations funktion L + S7*H so gewählt werden kann, daß sie bei 1 liegt, bis zu einer Frequenz, die etwas jenseits des Punktes liegt, bei dem die wahre SP-Komponente V nicht mehr länger von Bedeutung ist. Ee soll hier betont werden, daß zwar die Gleichung (lo) spezifiziert, daß L + sTh = 1 sein muß, um den wahren SP-Term V zuverlässig zu reproduzieren, daß jedoch nur erforderlich ist, daß diese Bedingung erfüllt ist über einen Frequenzbereich, wo V von Bedeutung ist. Demgemäß erfüllt der Schaltkreis nach Figur 3 im wesentlichen den die Gleichung (lo) über den Frequenzbereich von Interesse.

Man erkennt, daß die Gleichung (17) einen Term T^-* · ι enthält, der oben definiert wurde als gleich dem Wert ^, worin a der Abstand zwischen den Elektroden 14 und 15 und u die Geschwindigkeit der Apparatur 13 ist, welche durch das Bohrloch bewegt wird. Wenn die Bohrlochapparatur 13 durch das Bohrloch immer mit konstanter Geschwindigkeit baegt wird, würde

- 2o -

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- 2ο -

der Schaltkreis gemäß Fig. 3 immer genaue Resultate ergeben. Dies ist jedoch nicht immer voraussetzbar, und demgemäß ist der Schaltkreis gemäß Fig. 3 so ausgebildet, daß er die unterschiedlichen Apparaturgeschwindigkeiten kompensiert. Diese Kompensation wird in Fig. 3 verwirklicht durch die Änderung des Rückkopplungswiderstandes 43 in Funktion von cer Apparaturgeschwindigkeit derart, daß der K T* -Term der Gleichung (17) immer konstant ist. Es hat sich gezeigt, daß wünschenswerte Ergebnisse erzielt werden, wenn dieser Term KT* gleichgesetzt wird der Zeitkonstante T₁. Demgemäß folgt aus der Gleichsetzung K T* ist gleich T in Gleichung (17):

1 + S(T₁ + T) + S²T T

L + s Th = - ±-=~ (18)

(1 + ST₁)(1 + ST₂)

Man erkennt, daß der Zähleranteil der Gleichung (18) gleich ist dem Nenner, so daß L + S T" H gleich 1 wird (über den interessierenden Frequenzbereich) in Übereinstimmung mit Gleichung (lo). Demgemäß ist die wahre SP-Komponente V das Signal, das von dem Signalverarbeitungsschaltkreis 38 gemäß Fig. 3 dem Aufzeichnungsgerät 5o zugeführt wird.

Bei der Auswahl des Elektrodenabsäjtnds "a" und der Schaltkreis-Zeitkonstanten T und T₉ (und demgemäß der tibergangsfrequenz) sind eine Anzahl von Faktoren in Rechnung zu stellen. Beispielsweise sollte der Elektrodenabstand la" gleichzeitig klein sein für eine gute Messung des Gradienten und groß sein, um einen hohen Signalbetrag zu erhalten. Ein brauchbarer Kompromiß hat sich ergeben für einen Abstand a in der Größenordnung von 3o - 6o cm. Für die Ai&ahl von T₁, T₀ (T₁ = T₉) sollte berücksichtigt werden, daß diese Zeitkonstante hoch genug ist, damit die Transformationsfunktion L auf im wesentlichen Null abfällt, bevor N auf einen zu berücksichtigenden Wert ansteigt. Gleichzeitig sollte sie jedoch niedrig genug sein, daß die

-21 -

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Transformationsfunktion H im wesentlichen bei Null liegt bei Frequenzen, bei denen der Pularisationsterm P an Bedeutung gewinnt. Natürlich ist auch die Geschwindigkeit,mit der die Elektroden durch das Bohrloch bewegt werden, ein Faktor, der in die Festlegung der Zeitkonstante T-, T₂ eingeht. Für typische Aufzeichnungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von etwa 12o m/St, haben sich Zeitkonstanten in der Größenordnung von 5 - 4o micro Sekunden als sehr brauchbar für das Erzielen guter Resultate ergeben.

In Fig. 5 ist der Signalverarbeitungsschaltkreis 38

der Fig. 3 in Einzelheiten dargestellt zusammen mit einer wei- ™ teren Ausführungsform einer Anordnung für die Änderung der Verstärkung K in Funktion von der Apparaturgeschwindigkeit. In Fig. 5 sind die Leiter 16 und 17 von den Elektroden 14 bzw. 15 der Fig.iüber Eingangswiderstände 55 bzw. 56 an den positiven bzw. negativen Eingang eines Operationsverstärkers 57 derart geführt, daß das Ausgangssignal desselben proportional Δ Sp ist. Die positive Eingangsklemtne des Verstärkers 57 ist über einen Widerstand 58 mit der Oberflächenbezugselektrode 19a der Fig. 1 verbunden, und ein Rückkopplungswiderstand 59 wird von dem Ausgang des Verstärkers 57 an dessen negativen Eingang geführt. Das Ausgangssignal vom Verstärker 57 wird über ein Paar Widerstände 6o und 61 mit dem Gesamtwiderstand R an den | positiven Eingang eines Operationsverstärkers 62 geführt.

Das Potential der unteren SP-Elektrode 15 auf dem Leiter 17 wird über einen Eingangswiderstand 63 an den negativen Eingang des Operationsverstärkers 62 gelegt. Ein Rückkopplungsschaltkreis 64 mit einem Widerstand 65 und einem Kondensator führt vom Ausgang des Verstärkers 62 an den negativen Eingang desselben. Der Kondensator 66 und der Widerstand 65 bewirken eine Zeitkonstante T,. Das Ausgangssignal vom Verstärker 62 und das SP-Potential auf dem Leiter 17 werden am negativen

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Eingang des Operationsverstärkers 69 mittels eines Paares von Eingangswiderständen 67 bzw. 68 summiert. Die positiven Eingangsklemmen der Verstärker 62 und 69 sind mit der Oberflächenbezugselektrode 19a derart verbunden, daß das SP-Potential auf dem Leiter 17 tatsächlich in Bezug gesetzt wird zum Referenzpotential auf der Oberflächenelektrode 19a. Der Verstärker 69 weist einen Rückkopplungsschaltkresis mit einem Widerstand 71 und einem Kondensator 72 auf, die eine Zieitkonstante T„ ausbilden.

Die Ausgangssignale von den Verstärkern 62 und 69 werden summiert mittels eines Paares von Widerständen 7 3 und 74 an den negativen Eingang eines Operationsverstärkers 75 geführt. Das Ausgangssignal von di«em Operationsverstärker 75 umfaßt das kompensierte SP-Ausgangssignal, welche-s einem Aufzeichnungsgerät zugeführt wird, und zwar in diesem Fall einem Magentband-Aufzeichnungsgerät 76 zur Aufzeichnung in Funktion von der Bohrlochtiefe.

Damit die RC-Filter in der Fig. 5 in Zieitabhängigkeit die Eingangssignale, welche tiefenabhängig sind, verarbeiten, verbindet ein Schalttransistor 8o den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 6o und 61 mit Masse in periodischen Zeitintervallen, die vorgegeben werden durch die Kabelgeschwindigkeit. Um diese Kabelgeschwindigkeit abzutasten, erzeugt ein Tiefenimpulsgenerator 81 mit einem umlaufenden Rad 82, das in Eingriff mit dem Kabel steht, einen Puls für jede vorgegebene inkrementale Bewegung des Kabels. Diese Impulse werden ausgenutzt, um einen monostabilen Multivibrator 83 mit fester Schaltperiode zu erregen, der seinerseits den Transistor 8o ein- und ausschaltet mit einer - Wiederholungsfrequenz, die proportional ist der Kabel- bzw. Apparaturgeschwindigkeit.

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In Fig. 6A und 6B sind die Wellenformdiagramme inkrementaler Tiefenimpulse vom Generator 81 und die Zeitpulse dargestellt, die vom monostabilen Multivibrator 83 erzeugt werden. Man erkennt in Fig 6A_f daß die inkrementalen Tiefenimpulse sich in ihrer Frequenz ändern, abhängig von der Kabelgeschwindigkeit. Die Zeitimptjlse des monostabilen Multivibrators 83, welche im Ansprechen auf je einen inkrementalen Tiefenimpuls ausgelöst werden, besitzen jedoch eine festeingestellte Zeitdauer T . Diese Zeitpulse schalten den Transistor 8o aus und damit das Massepotential vom Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 6o und 61 ab. Demgemäß ändert sich der | Mittelwert des Stromes, der vom Verstärker 57 an den Verstärker 62 geliefert wird,proportional zur Geschwindigkeit des Kabels.

Kenn der Tiefenpulsgenerator 81 einen Puls für jeweils "b" cm Kabelbewegung liefert, wird das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden inkremetanlen Tiefenpulsen — mit u als der Kabelgeschwindigkeit. Da der Gesamtwiderstandswert der Widerstände 6o und 61 r ist, wird der Ausdruck für den mittleren Strom, der dem Verstärker 62 zugeführt wird zu:

^Iavg
oder

Δ sp	^Ts
	• b~
Δ3Ρ UT₃	U

Wenn der Widerstandswert des Widerstands 65 R beträgt, ist die Gleichverstärkung des Verstärkers 62, welche definitionsgemäß gleich K ist, zu:

_R _S

Gleichverstärkung des Verstärkers 62 = K = (21)

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Da in Gleichung (21) R, T , b und r Konstanten sind, erkennt man, daß die Verslörkung K sich nur in Abhängigkeit von u ändert.

Ein weiteres Problem muß hier berücksichtigt werden. Gemäß Gleichung (9) wird der Polarisationsterm P multipliziert mit der Transformationsfunktion H, die für den Schaltkreis gemäß Fig. 5 durch die Gleichung (16) gegeben ist. Substitution von T₁Va fir K (da KT = T. und T"= a/u) ergibt für den gefilterten Polarisationsterm;

S ^ST1 ^T2

(1 + ST₁)(1 +

(22)

Aus dem Ausdruck (22) folgt ein Term Pu. Wenn sich demgemäß u ändert (d.h. wenn eine Beschleunigung vorliegt) und P irgendeinen Gleichpegel abweichend von Null aufweist, zeigt sich eine sogenannte "Beschleunigungsstufe", und eine Übergangsfunktion erscheint in e wegen der Wirkung der Hochpaßtransformationsfunktlon ST T /(I + ST ) (1 + ST ). Selbstverständlich

JL £* JL L*

ist eine solche Übergangsfunktion in e unerwünscht.

Um dieses Problem zu lösen, ist ein Hochpaßfilter in SfV + P Eingangskanal des Signalverarbeitungsschaltkreises gemäß Fig. 5 (oder Fig. 3 eingebaut, damit der Gleichpegel des Polarisationsterms P auf Null gebracht wird. Dieses Filter ist in Fig. 5 mit dem in gestrichelten Linien angedeuteten Hochpaßfilter 85 vorgesehen. Dieses Filter 85 würde natürlich nicht erforderlich sein, wenn die Geschwindigkeit der Apparatur 13 immer konstant gehalten werden könnte.

Wenn die Transformationsfunktion für das Hochpaßfilter 85 ST₃/1 + ST-ist, wird aus K ein neuer mit K¹ bezeichneter

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ORIGINAL INSPECTED

- 25 Faktor wie folgt:

Ki — ■■■ J ,, /m

1 + ST₃ a I

Mit dem Einschalten des Hochpaßfilters 85 in den Schaltkreis nach Fig. 5 würde es erforderlich erscheinen, die ursprüngliche Auswahl für die Tranformationsfunktionen L und H erneut zu überdenken. Wenn jedoch T- >^ T₁, T₂* können die ursprünglichen Werte für L und H aufrechterhalten werden, da nur eine vernachlässigbare Abweichung von der Einheitsverstärkung für L, + ST*H vorliegt, gegeben durch die Gleichung (lo). I

Es ist an diesem Punkt ferner festzuhalten, daß eine SP-Stromiaessung ausgenützt werden könnte, um das Gradientensignal abzuleiten, anstatt zwei in dichtem Abstand voneinander befindliche Elektroden zu verwenden. Zn diesem Falle würde die SP-Stromnessnng ergeben:

*SP - g V (24,

worin #V _m die Leitfähigkeit des Bohrlochfluids ist und A die Fläche dee Bohrlochf luids, weiche durch das Stroimneestoroid umschlossen ist. Da · A als Konstante aig**eh«n werden kann, f iet die ma»«ng proportional «u SS , eb«nf»ll« wie im rail«j de» Verwendung finer

in Fig. 7 5*rg«itellt, würde die reguläre SP-iisj übliQfeer Weis« mit den glektrqd^n 15a vm4 19a •wie eißep V#ratär)ter 2oa erfolgen. Ali »ei<»iels iet hier je4oeh aii ßr«4i«Ht«wae*fung «ι·»!» fif, f■■

- 26 109826/0978

WSPECfTCD

H - 26 -

_f ^!V\

mittels einer fSlßgatteranordnung 8o, welche einen Verstärker 18a speist. Die Anordnung 8o könnte der Gattung entsprechen, die in der US-Patentschrift 2,992,389 beschrieben ist.Die Ausgangssignale der Verstärker 18a und 2oa werden dann in der oben beschriebenen Weise verabeitet, um eine kompesnsierte SP-Messung zu ermöglichen.

Anstatt, das Gradientensignal für die Lieferung der Hochfrequenz-SP-Information zu benutzen, wäre es auch möglich, das Potential zwischen der regulärenSP-Elektrode 15 und der Armierung des Kabels zu verwenden, um diese Hochfrequenz-Information zu liefern, während die übliche SP-Messung (Potentialf zwischen Elektroden 15 und 19A) für Niederfrequenzinformation ausgewertet werden.

Die in Fig. 8 dargestellte Anordnung 86 dient diesem Zweck und weist eine SP-Elettrode 89 auf, die in einem Bohrloch 87 mittels eines armierten Kabels 88 aufgehangen ist. Der untere Abschnitt dieses Kabels ist in wünschenswerter Weise mit einer Isolierung 89 versehen. Ein Paar von Leitern 91 und 92 verbindet die SP-Elektrode 89 bzw. die Armierung mit der Apparatur an der Erdoberfläche. (Diese beiden Leiter bilden tatsächlich einen Teil des Kabels 88, sind jedoch daneben gezeichnet, um da* Verständnis des Schaltkreises zu erleichtern.)

An der Erdoberfläche wird die Votentialdifferenz zwischen den Potentialen an der SP-Elektrod© 89 und an der Armierung des Kab«ls 3d bestimmt mittels «Ines Verstärkers 93. Die Differenz «wischen dem Potential auf der SP-Elektrode 89 and de» Potential auf der Oberflächenelektrode 19A wird mit*is eilt«« VeretSikets 94 erfaßt. Di* BswhfrefjueBskcanponente des SP-Potentials be je ο gen auf die Kabel armierung wird ausgesondert mittels eines Hochpaflfliters 95, und die Niederfrequenzkoiaponent*

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ORIGINAL INSPECTED

des SP-Potentials bezogen auf die Oberflächen-Elektrode 19A wird ausgesondert mittels eines Tiefpaßfilters 9§. Diese Tief- und Hoehfrequenzkomponenten werden kombiniert mittels eines Kombinationsschaltkreises 97 und einem Aufzeichnungsgerät 98 zur Aufzeichnung in Funktion von der Bohrlochtiefe zugeführt.

Wie oben erwähnt, enthält die SP-Messung, welche vom Verstärker 94 abgegeben wird (die übliche SP-Messung) eine gute Information bezüglich der ti leder frequent en Anteile, wird jedoch beeinträchtigt durch zu hohe Wechselrauscheinflüsse, Die SP-Messung am Ausgang des Verstärkers 93 enthält brauchbare Hochfrequenzinformationen, jedoch wenig brauchbare Niederfrequenzinformationen. Durch Auswerten der Niederfrequenzkomponente der ersten Messung und der Hochfrequenzkomponente der zweiten Messung läßt sich «ine zutreffende SP-Messung erzielen. Dies ist es, was mit fler Anordnung gemäß Fig. 8 erreicht wird. Die Frequenzkurve für die Filter 95 und 96 ist in Fig. 9 dargestellt. Die Summation dieser beiden Kurven s±l eins betragen

für uen interessierenden Frequenzbereich, um so die richtige SP-Messung zuverlässig zu reproduzieren.

In der voranstellenden Beschreibung sind die Verarbeitungsschaltkreise als an der Erdoberfläche befindlich darge- { stellt beschrieben worden, doch versteht es sich, daß sie sich auch in der im Bohrloch befindlichen Apparatur befinden können oder teilweise im Bohrloch, teilweise an der Erdoberfläche.

daß Aus der vorangehenden Er later ung ergibt sich, gemäß der

Erfindung einn neues Verfahren und Vorrichtungen zu seiner Durchführung vorgeschlagen werden zur Erzeugung einer kompensierten SP-Messung, die genauer das wahre SP unterirdischer Erdformationen repräsentierte» als bisher möglich war. Dies

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wird erreicht durch die Kombination der konventionellen SP-Messung mit einer anderen Form der SP-Messung und Auswertung dieser Meßwerte in Übereinstimmung mit den&ehren der vorliegenden Erfindung, um eine Messung zu erreichen, die im wesentlichen rauschfrei ist.

Anstatt diese beiden Meßwerte wie oben erläutert zu kombinieren, wäre es auch möglich, die Meßwerte aufzuzeichnen und visuell zu überprüfen, um eine Information bezüglich des tatsächlichen SP zu erhalten. Alternativ könnten diese beiden Meßwerte auch mittels eines entsprechend programmierten Universaldigitalrechners verarbeitet werden, um eine kompensierte SP-Messung zu erreichen. Durch Verwendung der üblichen Digitalfiltertechniken könnte eine überlegene Filterung der oben diskutierten Meßwerte verwirklicht werden.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung des spontanen Potentials von Erdformationen, durch die ein Bohrloch abgeteuft ist, bei welchem mindestens eine Potentialelektrode längs des Bohrlochs bewegt wird zur Brfassung von ersten Meßwerten, die eine Funktion des sich mit der Tiefe der Elektrode im Bohrloch ändernden spontanen Potentials repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Elektrode ein weiteres Meßelement für elektrische Parameter durch das Bohrloch f

bewegt wird zur Erfassung zweiter Meßwerte, die eine Funktion des sich mit der Tiefe des Meßelementes im Bohrloch ändernden spontanen Potentials repräsentieren, und daß ein Meßwertausgang erzeugt wird, der in Funktionsbeziehung steht zu Komponenten der ersten und zweiten Meßwerte aus unterschiedlichen Frequenzbändern derselben und der als repräsentative Angabe für das spontane Potential einer Erdformation ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertausgang funktionell bezogen ist auf die Kompo- j nenten der ersten und zweiten Meßwerte aus Nieder- bzw. Hochfrequenzbändern, die eine gemeinsame Grenzfrequenz aufweisen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche l oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Meßwert von einer Potentialdifferenz oder Gradientenmessung abgeleitet wird bezogen auf oder an dem Meßelement für den elektrischen Parameter.

- 3o -

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-3ό -

4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Meßwertausganges die Integration des zweiten Meßwertes umfaßt, der von einer Potentialgradientenmessung abgeleitet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Meßwertausganges die Filterung des zweiten Meßwertes für die Ausscheidung niederfrequenter Komponenten derselben umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kombination der Meßwerte ein Parameter der zweiten Messung in Funktion von der Bewegungsgeschwindigkeit des Meßelementes im Bohrloch variiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Meßwertausgangsverarbeitung die ersten Meßwerte gefiltert werden zur Ausscheidung hochfrequenter Komponenten derselben.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Meßelement eine zweite Elektrode in einem Abstand A von der ersten Elektorde in Län^richtung des Bohrlochs ist und die ersten Meßwerte mindestens eine Spontanpotential-Niederfrequenzekomponente V und eine Hochfrequenz-Rauchkomponente N umfassen,und die zweiten Meßwerte eine Spontanpotential-Gradientenmessung G und eine Elektroden-Porlarisationsrauschkomponente P umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertausgang, welcher eine

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kompensierte Messung des Spontanpotentials einer Erdformation repräsentiert, erzeugt wird durch Kombination der ersten und zweiten Meßwerte gemäß der Gleichung:

SP„ = L(V + N) + H(G + P),

worin SP das kompensierte Spontanpotential ist, L gegeben ist

durch:

1 + S(T + T₀)

L = i £—

(1 + ST₁) (1 + ST₂)

KST₀

Η - ^Δ , wobai

(1 + ST₁)(1 + ST₂)

sind/

S der Laplace-Operator_f T₁ und T₂ bestimmte Zeitkonstantenfund K proportional ist — mit u als der Geschwindigkeit der ersten

el

und zweiten Elektrode längs des Bohrlochs.

9. Vorrichtung zur Erfassung des spontanen Potentials von Erdformationen, die von einem Bohrloch durchteuft sind, zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, ä welche Vorrichtung mindestens eine erste Potentialmeßelektrode umfaßt, die für die Bewegung durch ein Bohrloch aufgehangen ist, einen Schaltkreis, der an die erste Elektrode angekoppelt ist zur Ableitung eines Signals, das eine Funktion von Spontanpotentialänderungen mit der Tiefe der ersten Elektrode im Bohrloch repräsentiert, sowie Signalverarbeitungseinrichtungen, die über den Schaltkreis an die erste Elektrode angekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung

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an ein weiteres Meßelement für elektrische Parameter angekoppelt ist, das für die Bewegung mit der ersten Elektrode durch das Bohrloch aufgehangen ist zur Ableitung eines zweiten Signals, das eine Funktion von Spantanpotentialänderungen in Abhängigkeit von der Tiefe des Elementes im Bohrloch repräsentiert und so ausgebildet ist, daß ein Meßwertausgang erzeugt wird, der funktionell auf Komponenten der ersten und zweiten Signale aus unterschiedlichen Frequenzbändern bezogen ist, welcher Meßwertausgang eine Angabe über das Spontanpükential einer Erdformation repräsentiert.

Io. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine zweite Elektrode ist, die in relativ geringem Abstand von der ersten Elektrode in Richtung der Bewegung der Elektrode angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Strommesser ist zur Ableitung eines zweiten Signals, das abhängt von einem Potentialgradienten-Meßwert an diesem Element.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Potentialmeßelement ist zur Ableitung eines zweiten Signals,das abhängt von einer Potentialdifferenz bezüglich des Elementes.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichiet, daß das Potentialmeßelement ein Abschnitt eines Kabels ist, der

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an einem Fluid in einem Bohrloch ausgesetzt ist, welchem

Kabel die erste Elektrode in dem Bohrloch aufgehangen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, in der das zweite Signal abhängt von einem Potentialgradienten-Meßwert an dem zweiten Element, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung einen auf das zweite Signal ansprechenden Integrator umfaßt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung ein Niederfrequenzfilter umfaßt zur Ausscheidung von Hochfrequenzkomponenten des ersten Signals.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung ein Hochfreqaenzfilter umfaßt zur Ausscheidung niedrigfrequenter Komponenten des zweiten Signals für die Erzeugung eines gefilterten zweiten Signals.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung Mittel umfaßt, die auf die Bewegungsgeschwindigkeit der ersten Elektrode ansprechen zur Erzeugung eines zweiten Signals, das in Funktion von der Tiefe gefiltert wird.

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18. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der das zweite Element eine zweite Elektrode in einem Abstand a in Richtung der Bohrlocherstreckung von der ersten Elektrode ist, und das erste Signal mindestens eine Spontanpotential-Niederfrequenzkomponente V und eine Hochfrequenz-Rauschkomponente N umfaßt, sowie das zweite Signal einen Spontanpotential-Gradientenmeßwert G und eine Elektroden-PolarisationsraBchkomponente P umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie einen Meßwertausgang erzeugt, der eine kompensierte Messung des Spontanpotentials einer Erdformation repräsentiert, indem die ersten und zweiten Signale kombiniert werden gemäß folgender Beziehung:

SP = L(V + N) + H(G + P) ,

worin SP das wahre SpontaApotential ist,

1 + S(T₁ + T„)
L = ± £—

(1 + ST₁)(1 + ST₂)
und

KST,
H = £-

(1 + S

ist,sowie S der Laplace-Operator, T₁ und T₂ bestimmte Zeitkons tantenuiSnd K proportional j ist mit u als der Geschwindigkeit der ersten und zweiten Elektroden.

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