DE2547801B2 - Verfahren und Meßanordnung zum Bestimmen der geophysikalischen Eigenschaften von Erdformationen im Bereich eines Bohrlochs - Google Patents
Verfahren und Meßanordnung zum Bestimmen der geophysikalischen Eigenschaften von Erdformationen im Bereich eines BohrlochsInfo
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Description
a) daß das Feld im Frequenzbereich von 10 bis 60 MHz erzeugt wird,
b) daß die Feldamplitudensigrale von einer Dual-
und einer Einzelspulenanordnung empfangen werden, die dicht an der Geberspule angeordnet
sind,
c) die Feldamplitudenmessungen in einer vorbestimmten Beziehung maschinell verknüpft werden
zum Anzeigen der Erdformationsleitfähigkeit und Dielektrizitätskonstanten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochfrequentes elektromagnetisches
Feld der Frequenz von 30 MHz erzeugt wird.
3. Geophysikalische Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, die
eine Meßsonde (11) mit einem Wickeldorn (20) aufweist, auf dem eine Geberspule (17) zur
Erzeugung des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes und in unterschiedlichen Abständen
von der Geberspule (17) übereinander Empfänger angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Dual-Empfängerspulenanordnung (18, 19) und eine Einzel-Empfängerspulenanordnung (21) zur Erzeugung
des ersten bzw. des zweiten Gesamtfeldamplitudensignals dicht an der Geberspule angeordnet sind, und daß ein übertage
angeordneter Rechner (25) vorhanden ist zum Erzeugen von die Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante
der Formation darstellenden Signalen aus den beiden Gesamtfeldamplitudensignalen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßanordnung zur Bestimmung der Eigenschaften der
ein Bohrloch umgebenden Erdformationen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Meßverfahren mittels
Hochfrequenz bei dem innerhalb der Formation der spezifische Widerstand, die Dielektrizitätskonstante, die
Wassersättigung und die Restölsättigung durch die im Bohrloch ausgeführten Messungen bestimmt werden
können.
Seit vielen Jahren ist es übliche Praxis, die elektrischen Eigenschaften der Erdformationen im
Bereich eines Bohrlochs zwecks Bestimmung der örtlichkeit einer ölführenden Formation zu messen.
Ermöglicht wird diese Messung durch die Verwendung eines elektrischen Widerstandsmeßgerätes in Bohrungen
mit einer hochleitfähigen Bohr-Flüssigkeit und durch die Verwendung eines Induktions-Meßgerätes in
Bohrungen, die unter Verwendung von Bohrschlämmen oder Bohrflüssigkeiten auf der Basis von öl mit einem
höherem spezifischen Widerstand niedergebracht worden warea Bei herkömmlichen Widerstands-Meßsonden
ist eine einen Strom emittierende Elektrode (oder eine Elektrodenanordnung) zur Fokussierung des
emittierenden Stromes angeordnet, die zur Emittierung
entweder eines Gleichstromes oder eines niedrigfrequenten (wie z. B. 60 Hertz) Wechselstromes in die das
Bohrloch umgebenden Erdformationen über Kontaktelektroden benutzt werden. Diese Ströme durchdringen
einen Teil der Erdformationen und werden von einer Elektrode, die in einem Abstand von der emittierenden
Elektrode angeordnet ist, ermittelt Die Größe der ermittelten Ströme kann dann zur Ermittlung des
spezifischen Widerstandes der das Bohrloch umgebenden Erdformation benutzt werden. In einigen Fällen
wurden Stromelektroden zusammen mit Potential-Meßelektroden zwecks Bestimmung des spezifischen
Widerstandes in der Formation verwendet
Eine elektrische Induktions-Bohrlochvermessung wurde bislang mittels einer Sonde durchgeführt, die eine
Geberspule oder eine Anordnung solcher Spulen und in einiger Entfernung davon eine Empfängerspule oder
eine Anordnung von Empfängerspulen aufwies. Normalerweise wurde dabei ein hochfrequenter Wechselstrom
durch die Geberspule geleitet (etwa 20 kHz). Das daraus resultierende elektrische Feld innerhalb der
Erdformationen wurde von der im Abstand davon angeordneten Empfängerspule ermittelt, indem der
induzierte Strom oder die Spannung in der Empfängerspule gemessen wurde.
Die Gebrauchsfähigkeit der beiden vorbeschriebenen Bohrloch-Meßsysteme resultiert aus der Tatsache, daß
Erdformationen mit einem Porenraum, der mit einem Kohlenwasserstoff gefüllt ist, einen höheren spezifischen
Widerstand aufweisen als Erdformattonen, deren Porenraum entweder mit Salzwasser oder anderen
leitenden Flüssigkeit gefüllt ist.
Schwierigkeiten traten bislang in der Interpretation der Meßergebnisse auf, wenn die Widerstandsmessungen
in Frischwasser-Formationen ermittelt wurden (relativ nichtleitend, weniger als 10 000 ppm Natriumchlorid).
Solche Frischwasser aufweisenden Sande oder Erdformationen weisen einen hohen spezifischen
Widerstand auf, der ähnlich hoch liegt wie bei Kohlenwasserstoff führenden Formationen. In diesen
Fällen ist es schwierig, wenn nicht gar unmöglich, auf der Basis der elektrischen oder Induktions-Meßdaten
allein zu bestimmen, ob es sich bei der Formation um eine Süßwasser führende Formation oder um eine
Kohlenwasserstoff führende Formation handelt. Aus diesem Grunde besteht ein großes Bedürfnis nach einem
Meßsystem, bei dem anhand von physikalischen Eigenschaften der das Bohrloch umgebenden Erdformationen
unterschieden werden kann, ob es sich bei der Formation um eine Frischwasser oder um eine
Kohlenwasserstoff enthaltende Erdformation handelt. Gemäß DE-OS 16 23 118 wird von »Elektrodenlog«-
sowie von »Induktionslog«-Methoden ausgegangen, und es wird gegenüber diesen bekannten Methoden die
Meßfrequenz so gesteigert, daß die sog. Skintiefe <5 so klein wird, daß sie in dieselbe Größenordnung wie der
Abstand zwischen zwei Empfängerspulen der Meßsonde gelangt. Diese Skintiefe bestimmt nach den
Ausführungen der Offenlegungsschrift sowohl die Amplitudenschwächung der elektromagnetischen Welle
als auch die Phasenverschiebung derselben während
ihrer Ausbreitung, und demzufolge wird bei der bekannten Methode die Skintiefe entweder aus der
Phasendifferenz zwischen zwei beabstandeten Empfängerspulen oder aus dem Amplitudenverhältnis
zwischen den Empfängerspulen bestimmt Aus der Skintiefe wird dann die Leitfähigkeit σ bestimmt
Während DE-OS 16 23 118 über die Arbeitsfrequenz keine Angaben macht, ist der das gleiche Verfahren
betreffenden FR-PS 15 27 757 eine Arbeitsfrequenz von 20 MHz zu entnehmen.
Im Ergebnis dient also das bekannte Verfahren lediglich der Ermittlung der spezifischen Leitfähigkeit
der untersuchten Erdformation, wobei diese Größe entweder aus der Phasendifferenz oder aus dem
Amplitudenverhältnis der an den beiden Empfängerspulen gemessenen Signale ermittelt wird
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Meßverfahren und eine geophysikalische
Meßanordnung bereitzustellen, die sowohl eine Information über die Leitfähigkeit der Formation als auch
eine Information über die Dielektrizitätskonstante liefern, und somit insbesondere Frischwasser enthaltende
Formationen von Kohlenwasserstoffen enthaltenen Formationen zu unterscheiden gestatten. Ein solches
Meßverfahren ist zwar bereits aus der deutschen Patentanmeldung P 24 40 676.6 bekannt Bei diesem
Verfahren wird aber mit zwei Frequenzen gearbeitet Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens wurde ein
einfaches Meßverfahren und eine Meßanordnung angestrebt, die nur mit einer Frequenz arbeiten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 und die geophysikalische
Meßanordnung nach Patentanspruch 3 gelöst.
Gemäß Patentansprouch 3 wird vorzugsweise ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld der Frequenz
von 30 MHz erzeugt
Die geophysikalische Meßanordnung der vorliegenden Erfindung weist in der untertägig geführten
Meßsonde zwei unterschiedlich aufgebaute Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Meßeinrichtungen
auf. Die eine Hochfrequenz-Meßeinrichtung beinhaltet eine Geberspule zusammen mit einer davon entfernt liegenden
Einzel-Empfängerspulenanordnung. Die zweite Hochfrequenz-Meßeinrichtung
beinhaltet eine fokussierte Dualspulenempfängereinrichtung und verwendet die gleiche Geberspule. Durch Messung der Amplitude des
empfangenen Signals von jeder der beiden unterschiedlichen Empfängerspulenanordnungen, kann sowohl die
dielektrische Stoffkonstante und der spezifische Widerstand der im Bohrlochbereich befindlichen Erdformationen
bestimmt werden. Zur Durchführung dieser Amplitudenmessungen bei hohen Frequenzen ist eine
neuartige Apparatur zusammen mit Einrichtungen zur Interpretation der Amplitudenmes<;ungen für die zwei
unterschiedlichen LJntersuchungstiefen zwecks Ableitung
der dielektrischen Stoffkonstante und des spezifisehen Widerstandes der Erdformationen geschaffen
worden. Werden diese Werte mit den Porositätsinformationen kombiniert, kann die Restölsättigung und
Wassersättigung bestimmt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den
ι ο Zeichnungen dargestellt Es zeigen:
F i g. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig.2 eine theoretische Ableitung in Koordinatendarstellung
der Amplituden der zwei Empfängerausbildüngen gemäß Fig. 1 für die spezifischen Widerstandsund
dielektrischen Stoffkonstantenwerte.
Fig. 3a und 3b graphische Darstellungen, die Porosität und Wassersättigung und Porosität und
Restölsättigung darstellende Zeichnungen, die funktional bezogen sind auf die dielektrische Leitfähigkeit der
Matrix des Erdformationsmaterials.
Fig. 4 eine theoretisch abgeleitete Darstellung der
Amplitudenvariationen einer 64 MHz Hochfrequenz-Induktions-Meßsonde für verschiedene Bohrlochdurchmesser
in einem Bereich von 0—0,35 m und
F i g. 5 eine theoretisch abgeleitete Darstellung der
Amplitudenveräiiderung einer 130 MHz-Hochfrequenz-Induktions-Meßsonde
für Bohrlochdurchmesser in einem Bereich von 0,0—0,4 m.
Kohlenwasserstoffe weisen eine charakteristische iiiedrige Dielektrizitätskonstante erauf, die kleiner ist als
5. Zum anderen weist Frischwasser eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante εΓ von ungefähr 80 auf. Die
absolute Dielektrizätskonstante eines Materials ε ist als natürliche elektrische Polarisation dieses Materials
definiert In der nachfolgenden Beschreibung werden die Ausdrücke dielektrische Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante
εΓ synonym benutzt. Diese Größen weisen einen Bezug zur absoluten Dielektrizitätskonstanten
des freien Raumes ε0 gemäß der folgenden Gleichung auf:
In dieser Gleichung ist ε0 mit 8,854 Picofarad pro
Meter angegeben.
Ausgehend von der elektromagnetischen Feldtheorie und speziell der Theorie eines punktförmigen schwingenden
magnetischen Dipols, kann das Verhalten des Hochfrequenzfeldes im Bereich eines zylindrischen
Bohrloches gemäß der nachfolgenden Gleichung 2 (Helmholtz-Gleichung mit den Zylinder-Koordinaten ρ,
Φ und ζ) dargestellt werden.
jO dp X dp ) p2
ΒΦ2
dz2
In dieser Gleichung bedeutet n^m>
der Hertz'sche Magnetikvector; /m>
die Größe des Stromes; j = /--T-
Die in Gleichung 2 dargestellte Größe K ist die Kreiswellenzahl, die durch die Gleichung 3 explizit
lautet:
K2 = ω2με + j ωμό
In Gleichung 2 sind die Ausdrücke ό(ρ) und ö(zj
einzelne Impulsfunktionen des Dirac-Typs. ω ist gleich In f, wobei fdie Schwingungsfi'equenz des punktförmigen
magnetischen Dipols und ε die dielektrische Stoffkonstante des Mediums ist. Mit μ ist die
_ -j
fm)
δ(ρ) δ (ζ)
P
P
magnetische Dielektrizitätskonstante des den magnetischen Dipol umgebenden Materials bezeichnet und mit
σ die elektrische Leitfähigkeit des Mediums.
Es ist aus den Gleichungen 2 und 3 ersichtlich, daß drei physikalische Konstante mit dem den punktförmigen
magnetischen Dipol umgebenden Material in Betracht zu ziehen sind. Diese drei Konstante sind die
relative magnetische Permeabilität μ, die dielektrische Stoffkonstante ε und die elektrische Leitfähigkeit σ. Für
die Tieisten Erdformationen kann die relative magnetische
Permeabilität μ, bei den vorliegenden Frequenzen (10—60 MHz) als Konstante angenommen werden.
Variationen dieses Wertes fallen bei den Erdmaterialien in einem Bereich von 0,001 —0,1%. Somit verbleiben als
interessierende Werte nur noch ε und σ.
Diese beiden physikalischen Eigenschaften weisen einen direkten Einfluß auf jeglichen hochfrequenten
Wechselstrom innerhalb der Medien auf. Beide dieser physikalischen Eigenschaften des Mediums haben eine
Einwirkung auf die Größe und die Phase bezüglich der von der Geberspule induzierten oder den Wirbelströmen innerhalb der Formation im Bereich des Bohrlo- ι ο
ches.
Unter der Annahme, daß es sich um eine punktförmige magnetische Quelle handelt, die in einem zylindrischen Bohrloch angeordnet ist und unter Bezug auf die
Helmholtz-Gleichung kann das Gesamtfeld als Feld der Quelle definiert werden, das von der Empfängerspule in
jeglichem Medium ermittelt wird. Das Gesamtfeld kann in ein Primärfeld und in eine Sekundärfeld unterteilt
werden. Das Primärfeld ist definiert als Feld einer Quelle, das von einer Empfängerspule in einem
Vergleichsmedium (wie z. B. Vakuum oder Luft) ermittelt wurde. Das Sekundärfeld ist definiert als Feld,
das bei vectorieller Addierung zum Primärfeld das Gesamtfeld ergibt Das Primärfeld hat eine Amplitude
und eine Phase, die gleich der Amplitude und Phase des Gesamtfeldes in einem Vergleichsmedium ist. Wird die
Quelle in einem Medium plaziert, das sich vom Vergleichsmedium unterscheidet, addiert sich das
Sekundärfeld zum Primärfeld und erzeugt somit das Gesamtfeld innerhalb des neuen Mediums. Das
Primärfeld dient als Amplituden- und Phasenvergleich für die Bestimmung des Sekundärfeldes. Die in dem
schwingenden punktförmigen magnetischen Dipol umgebenden Medium fließenden Ströme werden als
Wirbelströme bezeichnet Die Wirbelströme erzeugen Sekundärfelder, die im Falle eines hochleitfähigen
Mediums dem Primär- oder Vergleichsfeld entgegenwirken. Erreicht jedoch der Wert von ω χ ε (die
Kreisfrequenz multipliziert mit der dielektrischen Stoffkonstante) die Größe des Wertes (der elektrischen to
Leitfähigkeit), werden die Wirbelströme phasenverschoben und können tatsächlich im Sekundärfeld
auftreten, wodurch eine Vergrößerung des Gesamtfeldes erfolgt. Das ist gewöhnlich der Fall, wenn bei
Frequenzen gearbeitet wird, die z. B. Frequenzen im Bereich von 10—60 MHz aufweisen.
Da Veränderungen der Werte ε und σ Änderungen der Wirbelströme bei jeder gegebenen Frequenz
bewirken, kann die Trennung der beiden Einwirkungen nicht durch Messungen einer einzelnen Spannungsam- so
plitude des Feldes erfolgen. Jedoch kann in Obereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die Messung
der Amplitude des Gesamtfeldes bei zwei verschiedenen effektiven radialen Untersuchungstiefen durch
unterschiedliche Empfängerspulenausbildungen im Hinblick auf eine simultane Bestimmung des spezifischen
Widerstandes und der Dielektrizitätskonstante der Formation zusammengefaßt werden. Wenn zusätzlich
die Porosität der Formation bekannt ist, kann die
Restölsättigung und die Wassersättigung ebenfalls ermittelt werden. Andere Techniken, die ebenfalls
Verwendung finden könnten, sollen im Rahmen dieser Anmeldung nicht detaillierter diskutiert werden.
Die Helmholtz-Gleichung (Gleichung 2) gut in jeder
zylindrischen Lage eines geschichteten Mediums, das den punktförmigen magnetischen Dipol im Bohrloch
umgibt. Bei Verwendung eines Computer-Programmes zur Durchführung numerischer Integration der Lösungen von Gleichung 2 in verschiedenen zylindrischen
Lagen um den Dipol und bei Anlegen von Randbedingungen an der Grenzfläche dieser Regionen und an der
Quelle, kann das um eine Distanz ζ entlang der Bohrlochachse vom magnetischen Dipol versetzte
Gesamtfeld an der Empfängerspule oder dergl. abgeleitet werden.
Durch Untersuchungen der zahlenmäßigen Lösung der Helmholtz-Gleichung (Gleichung 2) in Bohrlöchern
unterschiedlicher Durchmesser, können graphische Darstellungen der Feldamplitude an der Empfängerspule als Funktion des Bohrlochdurchmessers für verschiedene Bohrlochgrößen gemacht werden.
Eine solche graphische Darstellung ist in Fig.4 für
eine 64 MHz-Einzelgeberspule und Empfängersystem dargestellt und für ein 32 MHz-Duai-Geberspuien- und
Einzelspulen-Empfängersystem. Es ist jedoch feststellbar, daß aufgrund der Reziprozität innerhalb dieser
Systeme das Resultat das gleiche ist, wie für eine Dual-Empfängerspulen- und Einzelgeberspulenanordnung. Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß bei einer 64
M Hz-Frequenz ein normaler Resonanzeffekt bei einem Bohrlochradius von etwa 254 mm auftritt. Außerdem ist
ersichtlich, daß die 32 MHz-Geberspule-Amplitudenfrequenz nicht diesen Resonanzeffekt bei angemessenen
großen Bohrlöchern zeigt Aus dieser Tatsache heraus resultiert die vorteilhafte Auswahl einer Arbeitsfrequenz von 30 MHz für die vorliegende Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der normalisierten Gesamtfeldamplitude an der Empfängerspule auf der z-Achse des Bohrloches als
Funktion des Bohrlochhalbmessers für eine Arbeitsfrequenz von 130 MHz. In diesem Fall zeigt sich der
Resonanz-Effekt bei einem Bohrlochhalbmesser von etwa 100 mm und nochmals bei einem Bohrlochhalbmesser von etwa 250 mm. Sollte also versucht werden,
die Dielektrizitäts- und Leitfähigkeitseigenschaften der das Bohrloch umgebenden Materialien bei Frequenzen
in einer Höhe von 64 MHz zu messen, ist es aus der graphischen Darstellung der Fig.4 und 5 ersichtlich,
daß einige Korrekturen für die Resonanzeffekte nötig sind. Zum anderen soll darin erinnert werden, daß zum
Zweck der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und der Stoffkonstanten (oder der dielektrischen
Konstanten) der das Bohrloch umgebenden Materialien Messungen der Amplitude des empfangenen Signals bei
mindestens zwei verschiedenen effektiven Untersuchungstiefen durchgeführt werden müssen, um eine
Interpretation der resultierenden Amplitudenmessungen in Werten der dielektrischen Konstanten ε und der
Leitfähigkeit ο der das Bohrloch umgebenden Materialien durchführen zu können. Um Resonanzeffekte zu
vermeiden, wie sie in den F i g. 4 und 5 dargestellt sind,
werden in der vorliegenden Erfindung Amplitudenmessungen des Gesamtfeldsignals an einer Einzelempfängerspule, die im Bohrloch in einer ersten Entfernung
von der Geberspule und an einer dualen Empfängerspule, die in einer zweiten unterschiedlich von der ersten
Entfernung zur Geberspule angeordnet ist, bei einer Arbeitsfrequenz von 30 MHz dcgführt
Die unterschiedlichen Enfernungen der zwei Empfängerspulen und der Fokuszierungseffekt des dualen
Empfängerspulenpaares erzeugt zwei unterschiedfiese radiale Untersuchungstiefen für die Messungen.
Fig. 1 zeigt ein Induktions-Dielektrizitäts-Bohrlochuntersuchungssystem nut einer dualen Empfängerspulenanordnung. Eine Bohrlochsonde 11, deren Sondenkörper vorzugsweise aus Glasphasermaterial oder
einem anderen nicht leitenden Material mit ausreichenden Festigkeitseigenschaften gefertigt ist, hängt an
einem Meßkabel 12 in einem unverrohrten Bohrloch 13. Das Bohrloch 13 ist mit einer Bohrlochflüssigkeit 14
gefüllt und von Erdformationen 15 umgeben, deren dielektrische und leitende Eigenschaften gemessen
werden sollen.
Der untere Teil der Bohrlochsonde 11 weist ein elektronisches Geberteil 16 auf, und eine dazugehörende
Geberspule 17. Die Geberspule 17 ist um einen zentralen Wickeldorn 20 gewickelt, der vorzugsweise
aus einem nicht leitenden Materials, wie z. B. Fiberglas, gefertigt ist. Die Geberspule wird von einem Batteriesatz
18 beaufschlagt, dessen Leistung über eine Schleif ring-Anordnung 23 der Geberanordnung zügeführt
wird. Die Geberspule 17 arbeitet bei einer Frequenz von 30 MHz, was nachfolgend noch
detaillierter beschrieben wird. Ein duales Empfängerspulenpaar 18 und 19 sind schraubenförmig in
entgegengesetzter Richtung zueinander um den Wickeldorn 20 gewickelt, um ein umgekehrtes Polaritätspaar
zu erzeugen, wobei die Empfängerspulen dergestalt fokuszierend arbeiten, daß sie sensitiv für eine Frequenz
von 30 MHz sind. Eine Einzel-Empfängerspule 21 ist in axialer Richtung entlang der Achse der Bohrlochmeßsonde
11 entfernt von der Geberspule 17 in einer ungefähren Entfernung von 1 066,8 mm vom Zentrum
der 30 MHz-Geberspule 17 angeordnet. Die Empfängerspule 21 ist ungefähr 914,4 mm vom Mittelpunkt
des 30 MHz-Empfängerspulenpaares 18 und 19, deren Zentren voneinander ungefähr 202,2 mm entfernt
liegen, angeordnet.
Die radiale Untersuchungstiefe des Bohrloch-Meßsystems ist vom Abstand zwischen Geber- und Empfängerspulen
beeinflußt. Allgemein kann man sagen, je größer der Abstand zwischen der Geber- und der
Empfängerspule ist, umso größer ist die radiale Untersuchungstiefe in der Erdformation. Es soll jedoch
darauf hingewiesen werden, daß es nötig ist, die Geberund Empfängerspulen dicht genug zusammen anzuord- *o
nen, um den Empfang brauchbarer Signalhöhen von Erdformationen unterschiedlicher dielektrischer und
leitender Eigenschaften sicherzustellen. Da ein hochleitfähiges Material im Bohrlochbereich die hochfrequenten
Signale dämpft, ist es notwendig, eine höhere Energie im Geberteil zu verwenden, wenn die
Entfernung zwischen Geber- und Empfängerspulen vergrößert ist
Eine herkömmliche Windenanordnung (nicht dargestellt) ist an der Erdoberfläche für die Bewegung der so
Bohrloch-Sonde 11 durch das Bohrloch während der Meßarbeiten vorgesehen.
Eine Rolle 22, über die das Meßkabel 12 geführt ist, ist
elektrisch oder mechanisch mit einer Daten-Aufzeichnungs-Einrichtung
24 verbunden. Die Aufzeichnungs-Einrichtung 24 wird zur Aufnahme der Signale aus der
untertägig geführten Meßsonde 11 verwendet, wobei als
Funktion der Tiefe des Bohrloches 13 aufgezeichnet werden. Die für die Meßarbeiten der in der Bohrlochsonde
11 angenordneten Empfänger-Elektronik 36 benötigten Energie wird über Leitungen im Meßkabel
12 von einer übertägig angeordneten Energie-Quelle 28 zugeführt Die von der Empfänger-Elektronik 36
ermittelten elektrischen Meßsignale der Meßsonde 11
werden von einem Eingangsverstärker 29 verstärkt und einer Signal-Verarbehungs-Einrichtung, die nachfolgend
näher beschrieben wird, zugleitet
Die Empfänger-Ausgangssignale der untertägigen
Elektronik 36 können normalerweise als zwei Amplitudenmessungen aufweisende Signale betrachtet werden,
die über Leiter des Meßkabels 12 übermittelt und an der Erdoberfläche durch Frequenzdiskrimination getrennt
werden. Dieses Ausgangssignal beinhaltet die Amplitudeninformation
von dem einen 30 MHz-Empfänger, das über das Meßkabel 12 mit einer ersten Zwischenfrequenz
/| und die Amplitudeninformation des zweiten unterschiedlich weit entfernten Empfängers, die ebenfalls
über aas Meßkabel 12 mit einer zweiten Zwischenfrequenz /2 nach Übertage gesandt wird.
Dieses duale Zwischenfrequenz-Eingangssignal vom Meßkabel 12 wird von einem Eingangsverstärker 29
verstärkt und danach einem Signal-Trennschaltkreis 30 übermittelt. Der Signal-Trennschaltkreis 30 kann
Filtereinrichtungen für relativ hohe Frequenzen aufweisen, z. B. Einrichtung, die das Signal in zwei Zwischenfrequenzkomponenten
f\ und /2 teilen. Das Signal mit der Frequenz f\ wird einem Einzelspulen-Amplitudendetektorschaltkreis
31 zugeführt. Ein Dualspulen-Amplitudendetektor-Schaltkreis 32 ermittelt die Amplitudeninformation
bei der Zwischenfrequenz /"2. Diese beiden Amplitudensignale werden als Eingangssignale einem
Rechner 25 zugeführt, der aus diesen Informationen die Wassersättigung und die Restölsättigung errechnet, und
dessen Funktion nachfolgend noch näher beschrieben wird. Die untertägig geführte Elektronik 36 der
Meßsonde 11 und das Datenübermittlungssystem inklusive des Signal-Trennschaltkreises 30 und der
Amplituden-Detektoren 31 und 32 entsprechen einem früheren Vorschlag.
Das für die Erfindung verwendete armierte Kabel beinhaltet ein Triaxialkabel, das (von außen nach innen
betrachtet) eine äußere armierende Abschirmung, eine Isolationslage, eine Koaxialabschirmungslage, eine
zweite Isolationslage und einen zentralen Leiter aufweist. Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß für
den vorhandenen Zweck auch andere bekannte Meßkabei, wie z. B. Vielleiter-Meßkabel verwendet
werden können.
F i g. 2 zeigt eine theoretisch abgeleitete Darstellung eines Meßergebnisses eines erfindungsgemäßen Bohrlochmeßsystems,
das in einem homogenen Medium untergebracht ist, in graphischer Form. Die normalisierten
Feldamplituden der empfangenen Signale am Doppelspulenempfänger des 30 MHz-Empfängers sind
auf der Abszisse aufgetragen, während die Ordinaten-Eintragungen die normalisierte Feldamplitude des 30
MHz-Einzelspulenempfängersignal beinhalten. Unter
Normalisierung ist gemeint daß die empfangenen Signale gegenüber ihrem entsprechenden Meßwert in
Luft normalisiert sind Mit anderen Worten ausgedrückt heißt das, daß die Amplitude des empfangenen Signals
bei einer Frequenz von 30 MHz am Dualspulenempfänger in Luft geteilt ist durch das empfangene Gesamtbild
am Doppelspulenempfänger in der Formation gemäß dem empfangenen 30 MHz-SignaL Auf gleiche Art und
Weise ist das empfangene 30 MHz-Signal an dem Einzelspulenempfänger geteilt durch die Amplitude des
30 MHz-Einzelspulensignals, das in Luft empfangen wurde.
Aus Fig.2 geht weiterhin hervor, daß die Kurven
eine Funktion sowohl der Leitfähigkeit als auch der Dielektrizitäts-Eigenschaften eines homogenen Mediums,
in welchem die Meßsonde zum Zwecke der Ermittlung einer graphischen Darstellung eingebettet
wurde, darstellen.
Es soll darauf hingewiesen werden, daß durch
Erstellung normalisierter Gesamtfeldamplitudenmessungen mit zwei unterschiedlichen Empfängern, wie sie
aus Fig. 1 zu ersehen sind, und unter Bezug einer Koordinatendarstellung theoretisch abgeleiteter Werte
für diese Amplituden gemäß Fig.2, ein eindeutiger Wert für die Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante
des das Bohrloch umgebenden Materials abgeleitet werden kann.
Diese Zusammenfügung bzw. Kombination der zwei Amplituden-Messungen wird in dem Rechner 25
(Fig. 1) durchgeführt. Der Rechner 25 kann von herkömmlicher Ausbildung, wie er für diese Zwecke
benutzt wird, sein.
Die graphischen Darstellungen gemäß F i g. 2,3A und 3B können in Tabellenform im Speicher eines solchen
Rechners 25 untergebracht werden. Diese Darstellungen können dann zur Ableitung des spezifischen
Widerstandes und der Dielektrizitätskonstante der das Bohrloch umgebenden Erdformationen unmittelbar aus
den beiden Amplitudenmessungen des empfangenen normalisierten Gesamtfeldes der zwei Empfänger
abgeleitet werden. Die Ableitung dieser Werte erfolgt zweckmäßigerweise in dem fertig programmierten
Rechner 25, der die Rechnungen durchführt, wenn er mit den Informationen, wie z. B. dem Bohrlochdurchmesser
den Dielektrizitätseigenschaften des Bohrfluids, die vorher bekannt sind, gespeichert wurde. Herkömmliche
Interpolation und Kurvenverarbeitungstechniken, wie z. B. die Technik der kleinsten Quadrate, kann für diesen
Zweck Verwendung finden. Die Programmierung solcher Techniken wird gewöhnlicherweise in einer
Computersprache, wie z. B. Fortran, durchgeführt. Alternativ dazu, kann das Bohrlochmeßsystem der
Fig. 1—3 in Versuchsbohrlöchern mit Formationen bekannter Eigenschaften, geeicht werden. Die daraus
resultierenden Eichkurven (ähnlich denen in Fig.2, 3A
und 3B) können dann in ähnlicher Weise im Rechner 25 benutzt werden.
Es ist äußerst erwünschenswert, in der Lage zu sein, quantitative Aussagen bezüglich der Wassersättigung
Sw und der Restölsättigung ROS der das Bohrloch umgebenden Erdformationen zu erhalten. Die graphische
Darstellung in Fig. 3A zeigt die Dielektrizitätskonstante
der Formation aufgezeichnet als Funktion der Porosität verschiedener Wassersättigungen in
Sandsteinen und Kalksteinen. Ist die Porosität einer Erdformation bekannt, z. B. aus einer vorher durchgeführten
Neutraonen-Gammastrahlen- oder einer Schall-Messung, kann diese Information im Speicher 26 in
F i g. 1 untergebracht werden. Der Speicher 26 kann z. B. ein Magnetband aufweisen, das mit dem Rechner 25
in Verbindung steht. Wurden die beiden Amplitudenmessungen wie vorgeschrieben, beschrieben, zusammengefügt,
um die Dielektrizitätskonstante der Formation zu erhalten, kann die Beziehung gemäß Fig.3A
zusammen mit einer Porositätsinformation aus dem Speicher 26 benutzt werden, um die Wassersättigung Sw
der Formation als Funktion der Tiefe zu erhalten.
Gleichermaßen ist in F i g. 3B die Dielektrizitätskonstante
von Sandsteinformationen für eine Reihe unterschiedlicher Restölsättigungen dargestellt. Mit der
über die Amplitudenmessungen im Rechner 25 erhaltene relative Dielektrizitätskonstante ist die Beziehung
gemäß F i g. 3B zusammen mit der Porositätsinformation aus dem Speicher 26 zum Zwecke des Erhaltens
einer quantitative Aussage der Restölsättigung zu verwenden. Eine ähnliche graphische Beziehung gemäß
F i g. 3B ist für Kalksteinformationen erhältlich.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Verfahren zum Bestimmen der geophysikalischen Eigenschaften von Erdformationen, z. B.
Leitfähigkeit, im Bereich eines Bohrlochs, bei dem im Bohrloch ein hochfrequentes elektromagnetisches
Feld im MHz-Bereich von einem mit Spule ausgerüsteten Geber erzeugt und die gesamte
Amplitude dieses Feldes, die von den Materialien der Erdformationen beeinflußt wird, in einem vorgegebenen
Abstand vom Geber von übereinander angeordneten, mit Spulen ausgestatteten Empfängern
ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet,
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