DE2547834A1

DE2547834A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der eigenschaften von erdformationen im bereich eines bohrlochs durch hochfrequenz-dielektrizitaets- induktions-bohrlochmessung

Info

Publication number: DE2547834A1
Application number: DE19752547834
Authority: DE
Inventors: Percy Terrel Cox; Richard Allen Meador; Larry Wayne Thompson
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1975-10-25
Filing date: 1975-10-25
Publication date: 1977-04-28
Also published as: DE2547834B2; DE2547834C3

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der
Eigenschaften von Erdformationen im Bereich eines Bohrlochs durch Hochfretuenz-Dielektrizitäts-Induktions-Bohrlochmessung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften der ein Bohrloch umgebenden Erdmaterialien, insbesondere betrifft die Erfindung eine Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Induktions-Bohrlochvermessung, bei der innerhalb der Formation der spezifische Widerstand (oder die Leitfähigkeit) und die Divlektrizitätskonstante eindeutig durch die im Bohrloch ausgeführten Insitu-Messungen bestimmt werden.
Vber viele Jahre war es übliche Praxis, die elektrischen Eigenschaften der Erdformationen im Bereich eines Bohrloches zwecks Bestimmung der Örtlichkeit einer ölführenden Formation zu~messen. Ermöglicht wurde diese Messung durch die Verwendung eines elektrischen Widerstandsmessgerätes in Bohrungen mit einer hochleitfähigen Bohrloch-Flüssigkeit und durch die Verwendung eines Induktions-Messgerätes in Bohrungen, die unter Verwendung einer ölbasischen Bohrschlämme oder eines Bohrfluids, das einen höheren spezifischen Widerstand aufweist, erstellt wurde. Bei herkömmlichen Widerstands-Meßsonden, ist eine ein Strom emittierende Elektrode (oder eine Elektrodenanordnung) zur BokuszierlLg des emittierten Stromes angeordnet, di.e 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 Stromelektrode, die in einer gewissen Entfernung 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 vernzendet.
Eine elektrische Induktions-Bohrlochvermessung wurde in der Vergangenheit 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 etwas entfernt angeordneten Empfängerspule ermittelt, indem der induzierte Strom oder die Spannung in der EmpXaagerspule gemessen wurde.
Die Gebrauchsfähigkeit der beiden vorbeschriebenen Bohrlochmeßsysteme resultierte aus der Tatsache, daß Erdformationen mit einem Porenraum, der mit einem Kohlenwasserstoff gefüllt ist, einen höheren spezifischen Widerstand aufweist als Erdformationen, deren Porenraum entweder mit Salzwasser oder einigen anderen leitenden Fluiden gefüllt ist.
Schwierigkeiten traten in der Interpretation der Messergebnisse auf; wenn die Widerstandsmessungen in Frischwasser-Formationen ermittelt wurden (relativ nicht leitend, wenn weniger als 10.000 ppm Natriumchlorid vorhanden sind).
Solche Frischwasser aufweisenden Sände oder Erdformationen weisen einen hohen spezifischen Widerstand auf, der ähnlich hoch liegt, wie bei gohlenwa sserstof f-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 einigen Bohrloch physikalischen Eigenschaften der aas/umgebenden Erdformation unterschieden werden kann, ob es sich bei der Formation um eine Frischwasser- oder um eine Kohlenwasserstoff gefüllte Erdformation handelt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der gleichzeitig die Grö-Ben der Leitfähigkeit und der Dielektrizitätskonstanten der Erdformation Im Bereich des Bohrloches gemessen werden können, wobei insbesondere bei Frequenzen gearbeitet, bei denen die Dielektrizitätseigenschaften der das Bohrloch umgebenden Medien die Messungen zusammen mit den Leitfähigkeits- oder Widerstandseigenschaften der Medien beeinflußt.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Schaffung eines Bohrloch-Neßsystems gelost, das ein Eochfrequenz-Dielektrizitäts-Induktions-Meßsystem aufweist Die Meßsonde des erfindungsgemäßen Bohrloch-Neßsystems weist eine Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Meßeinrichtung auf.
Diese Meßeinrichtung enthält eine 30 MEz Geberspule oder dergl. zusammen mit zwei unterschiedlich davon weit entfernten Empfängerspulen. Bei der vorgenannten gewählten Hochfrequenz, die die in der Formation durch die Geberspule induzierten hochfrequenten Wechselströme beeinflußt, beinhalten die physikalischen Eigenschaften der das Bohrloch umgebenden Formationen, die dielektrische Konstante (oder Stoffkonstante) der Erdformation zusammen mit der Leitfähigkeit (oder dem spezifischen Widerstand), der im Bohrlochbereich befindlichen Erdformation. Durch Messung eines Signals, das proportional der Amplitude des an einer der Empfängerspulen empfangenen Signals ist, und durch Messung der Hochfrequenz-Phasenverschiebung des Signals zwischen den beiden Empfängerspulen, können sowohl die Dielektriztitäs-Eigenschaften als auch die Leitfähigkeitseigenschaften der das Bohrloch umgebenden Erdformationen bestimmt werden.
Die Vorrichtung weist eine entsprechende Einrichtung zur Durchführung der Amplitudenmessung und der Phasenverschiebungsmessung bei Hochfrequenzen auf und ist weiterhin mit einer Einrichtung zur Interpretation der gemessenen Amplitude und der Phasenverschiebung versehen, so daß die Leitfähigkeit und die Eielektrizitätskonstante der das Bohrloch umgebenden Erdformationen abgeleitet werden können.
Äusführungsbeispiele der Erfindung, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 2 ein schematisiertes Blockdiagramm der untertägig geführten Elektronik der Meßsonde.
Fig. 3 eine theoretische Ableitung der Phasendifferenz zwischen den Empfängerspulen der Vorrichtung gemaß Fig. 1, aufgezeichnet gegen den spezifischen Widerstandswert der Formation und als Funktion der Dielektrizitätskonstanten.
Fig. 4 Eine theoretisch abgeleitete Darstellung der Amplitudenvariationen einer 64 MHz Rochfrequenz-Induktions-Meßsonde für verschiedene Bohrlochdurchmesser in einem Bereich von 0 - 0,35 m.
Fig. 5 eine theoretisch abgeleitete Darstellung der Amplitudenveränderung einer 130 NHz Hochfrequenz-Induk tions-MeBsonde für Bohrlochdurchmesser in einem Bereich von 0,0 - 0,4 m und Fig. 6 eine theoretisch abgeleitete Darstellung der Phasenverschiebung zwischen der Empfängerspule 1 und 2 der Vorrichtung gemäß Fig. 1, dargestellt gegen die Amplitude des Signals der Empfängerspule 2.
Kohlenwasserstoffe weisen eine charakteristische niedrige Dielektrizitätskonstante zur auf, die kleiner ist als 5.
Zum anderen weist Frischwasser eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante £ r von ungefähr 80 auf. Die absolute Dielektrizitätskonstante eines Materiale (#) ist als natürliche elektrische Polarisation dieses Materials definiert.
In der nachfolgenden Beschreibung werden die Ausdrücke dielektrische Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante #r synonym benutzt. Diese GröBen weisen einen Bezug zur absoluten Dielektrizitätskonstanten des freien Raumes £o gemäß der folgenden Gleichung auf In dieser Gleichung ist &o mit 8s854 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 Zylinderkoordinaten r,#und Z) dargestellt werden.
In dieser Gleichung bedeutet# (m) der Hertz'sche Zagnetik-Vector; I(m) die Große des Stromes; ä = #-1. Die in Gleichung 2 dargestellte Größe K ist die Kreiswellenzahl, die durch die Gleichung 3 explizit wie folgt lautet: In Gleichung 2 sind die Ausdrucke#(#) und#(Z) einzelne Impulsfunktionen des Dirac-Typs.#ist = 2#F, wobei F die Schwingungsfrequenz des punktförmigen magnetischen Dipols und # die dielektrische Stoffkonstante des Mediums ist.
Mit µ ist die magnetische Dielektrizitätskonstante des den magnetischen Dipol umgebenden Materials bezeichnet und mit Gcdie elektrische Leitfähigkeit des Mediums.
Aus den Gleichungen 2 und 3 ist ersichtlich, daß drei phyden sikalische Konstante mit dem/punktförmigen magnetischen Dipol umgebenden Material in Betracht zu ziehen sind. Diese drei konstanten sind die relative magnetische Permeabilität die dielektrische Stoffkonstante # und die elektrische Leitfähigkeit G-. Für die mesten Erdformationen kann die relative magnetische Permeabilitåt e bei zu bei den vorliegenden Frequenzen (10-60 MHz) als Konstante genommen werden.
Variationen dieses Viertes fallen bei den Erdmaterialien in einen Bereich von 0,001 - 0,1 %. Somit verbleiben als interessierende Werte nur noch g und G-. 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 Streuströmen innerhalb der Formation im Bereich des Bohrloches.
Unter der Annahme, daß es sich um eine punktförmige magnetische Quelle handelt, die in einem zylindrischen Bohrloch angeordnet ist und unter Bezug auf die Relmholtz-Gleichung, kann das Gesamtfeld als Feld der Qtielle definiert werden, das von der Empfängerspule in jeglichem Medium ermittelt wird. Das Gesamtfeld kann in ein Primärfeld und in ein 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 Eekundärfeld 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 Bein stimmung des Sekundärfeldes. Die dem schwingenden punktförmigen magnetischen Dipol umgebenden Medium fliessenden Ströme werden als Streuströme bezeichnet. Die Streuströme erzeuger Sekundärfelder, die im Falle eines hochleitfähigen Mediums dem Primär- oder Vergleichsfeld entgegenwirken. Erreicht jedoch der Wert von ## (die Kreisfrequenz multipliziert mit der dielektrischen Stoffkonstante) die Größe des Wertes o,(der elektrischen Leifähigkeit) werden die Streuströme 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 # und #Änderungen der Streuströme bei weder gegebenen Frequenz bewirken, kann die Trennung der beiden Einwirkungen nicht durch Messungen einer einzelnen Spannungsamplitude des Feldes erfolgen.
Jedoch kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch eineMessung der Amplitude des Gesamtfeldes an einer Empfängerspule zusammen mit der zwischen den beiden Empfängerspulen erzeugten Phasenverschiebung bei entsprechender Kombinierung eine gleichzeitige Ableitung der beiden Werte C und Grerfolgen. Zu diesem Zweck kann auch eine andere Technik vorgeschlagen werden, wie sie z.B. in der deutschen Patentanmeldung P 24 40 676.6 genannt wurde.
Die Helmholtz-Gleichung (Gleichung 2) gilt 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 Z entlang der Bohrlochachse vom magnetischen Dipol versetzte Gesamtfeld an der Empfängerspule abgeleitet werden.
Durch Untersuchungen der zahlenmäßigen Lösung der Relmholtz-Gleichung (GleIchung 2) in Bohrlöchern unterschiedlicher Durchmesser, können graphische Darstellungen der Feldamplitude an der Empfängerspule als Punktion des Bohrlochdurchmessers für verschiedene Bohrlochgrößen gemacht werden.
Eine solche graphische Darstellung ist in Fig. 4 für eine 64 rz Einzelgeberspule und Empfängersystem dargestellt.
dns Fig. 4 ist ersichtlich, daß bei einer 64 MHz-Frequenz ein annormaler Resonanzeffekt bei einem Bohrlochradius von etwa 254 mm auftritt. Ausserdem ist ersichtlich, daß die 32 IIEz Geberspule-Amplitudenfrequenz nicht diesen Resonanzeffekt bei angemessenen großen Bohrlöchern zeigt.
Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der normalisierten Gesamtfeldamplitude an der Empfänger spule auf der Z-Achse des Bohrloches als Funktion des Bohrlochhalbmessers für eine Arbeitsfrequenz von 130-IIEz. 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 Resonanz-Effekte 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 und der relativen Phasenverschiebung zwischen den Empfängerspulen zwecks Interpretation der resultierenden Amplitudenmessungen in Werten der dielektrischen Konstanten £ und der Leitfähigkeit G der das Bohrloch umgebenden Materialien durchgeführt werden müssen. Eine theoretische Darstellung der Phasendifferenz der Empfängerspulen gegenüber dem spezifischen Widerstand für eine Anzahl verschiedener dielektrischer Konstanten ist in Fig. 3 für die Bohrlochparameter und die entsprechende Empfängerspulenentfernung aufgezeichnet.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die relative Phasenverschiebung zwischen den Empfängerspulen in Werten der Formationsdielektrizitätskonstanten vorausgesetzt, daß der spezifische Widerstand der Formation bekannt ist, interpretiert werden.
Diese Messung zur Ermittlung des spezifischen Widerstandes kann in einer separaten üblichen Widerstandsmessung ermittelt werden. In der vorliegenden Erfindung jedoch wird ein Signal verwendet, das proportional zur Amplitude des an einer der Empfängerspulen empfangenen Signale ist, um einen Bezug zun spezifischen Widerstand der Erdformationen zu erlangen.
In Fig. 6 ist eine Darstellung der Phasenverschiebung zwischen den entfernt voneinander angeordneten Empfängerspulen gegenüber der Gesamtfeldamplitude an einer der Spulen aufgezeichnet.
Die Messung dieser Phasenverschiebung und Amplitude kann dann unter Zuhilfenahme der Fig. 6 in Werten der Dielektrizitätskonstanten der Erdformation und des spezifischen Widerstandes gleichzeitig interpretiert werden.
Wird bei einer gewählten Frequenz der vorliegenden Erfindung (30 MEz) gearbeitet, werden die Resonanzeffekte, wie sie in Fig. 4 und 5 ermittelt werden, vermieden. Theoretische Berechnungen zeigen an, daß Messungen bei der vorgenannten Frequenz genaller sind, als- -solche, die bei höheren Frequenzen erhältlich sind, aufgrund der Bohrlochresonanzeffekte. Somit kann die vorliegende Erfindung durch Pressung der Amplitude und der durch die Erdformationen bewirkte Phasenverschiebung auf die Signale der Geberspule an den beiden voneinander entfernt angeordneten Empfängerspulen zur genaueren Bestimmung des spezifischen Widerstandes (oder der Leitfähigkeit ) der Erdformation und der Dielektrizitätskonstanten benutzt werden.
Fig. 1 zeigt ein Induktions-Dielektrizitätsbohrlochuntersuchungssystem. Eine Bohrloch-Sonde 11, deren Sondenkörper vorzugsweise aus Glasfasermaterial oder einem anderen nicht leitenden Material mit ausreichenden Festigkeitseigenschaften gefertigt ist, hängt an einem Meßkabel 12 in einen 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, das nachfolgend noch detaillierter erklärt wird und eine dazu gehörende Geberspule 17. Die Geberspule 17 ist um einen zentralen Wickeldorn 20 gewickelt, der vorzugsweise aus einem nicht leitenden Material, wie z.B. Fieberglas, gefertigt ist. Die Geberspule ist von einem Batteriesatz 18 beaufschlagt, wobei der Strom über eine Schleifringanordnung 23 der Geberspule 17 zugeführt wird. Die Geberspule 17 arbeitet bei einer Frequenz von 30 MHz; was nach folgend noch detaillierter beschrieben wird. --Eine erste Empfängerspule 21 ist in einer axialen Entfernung entlang der Achse der Meßsonde 11 von der Geberspule 17 entfernt angeordnet. Die Distanz zwischen den beiden vorgenannten Spulen betragt ungefähr 61 cm. Eine zweite Empfängerspule 19 ist ungefähr 91,5 cm von der Geberspule 17 entfernt angeordnet.
19 Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß auch andere Spulenentfernungen zwischen Geber und Empfängerspulen möglich sind und im Schutzumfang der Erfindung liegen.
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. Essoll jedoch darauf hingewiesen werden, daß es nötig ist, die Geber- und Empfänger spulen dicht genug zusammen anzuordnen, 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 Bohrloch-Sonde 11 durch das Bohrloch wahrend der Messarbeiten vorgesehen. Eine Rolle 22, über die das MeBkabel 12 geführt ist, kann elektrisch oder mechanisch mit einer Daten-Aufzeichnungseinrichtung 24 verbunden sein. Die Aufzöichnungs-Einrichtung 24 wird zur Aufnahme der Signale aus der untertätig geführten Meßsonde 11 verwendet und als Funktion der Tiefe des Bohrloches 13, wie es nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird, aufgezeichnet. Die für die MeBarbeiten der in der Bohrlochsonde 11 angeordneten Empfänger-Elektronik 36 benötigten Energie wird über Leitungen im Meßkabel 12 von einer ubertätig angeordneten Energie-Quelle 28 zugeführt. Die elektrischen Meßsignale, die von der Empfänger-Elektronik 36 ermittelt werden, werden von einem Eingangs-Verstärker 29 verstärkt und von diesem einem Paar phasenstarrer Analyse-Detektoren 37 und 38 (loop detector), deren Funktion nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird, zugeleitet. Die Empfänger-Ausgangssignale der Empfänger-Elektronik 36 werden nachfolgend noch näher beschrieben, doch kann allgemein festgestellt werden, daß diese Signale ein Amplituden-Meßsignal und ein Phasen-Meßsignal aufweisen, die über Leitungen des Meßkabels 12 in Form eines Frequenz-modulierten Signalspaares weitergeleitet werden.
In der Fig. 2 ist die untertägige Elektronik des Systems in Borm eines Blockdiagramms dargestellt. Ein Batteriesatz 18, der wieder,eufladbare Nickel-Cadmium-Batterien oder dergl.
enthält, ist mit der Geberelektronik 41 durch eine Schleifring-Anordnung 23 (siehe Fig. 1) verbunden. Diese Anordnungsform der Batterien ermöglicht ein leichtes Auswechseln der benotigten Stromleistung im Feld, so daß während der Aufladungszeit der Batterien ein frischer Batteriesatz leicht eingebaut werden kann. Die Geberelektronik 41 beinhaltet einen 30 MHz kristallgesteuerten 3-Stufen-Schaltkreis. Der Ausgang des Gebers ist mit einer Geberspule 17, die für einen Hochfrequenzstrom mit einer Leistung von ungefähr 2 Watt ausgelegt ist, um die Erdformationen im Bereich des Bohrloches zu beaufschlagen, versehen. Die Geberspule 17 weist eine standardisierte zweiwicklige Spule auf, die aus 3 mm starkem Kupf erdraht gefertigt ist, der um den 51 mm starken Wickeldorn 20 gewunden ist.
Der Wicklungsabstand der Spule beträgt 2 Windungen pro 25,4 mm. Zur genauen Lagefixierung des Kupferdrahtes auf dem Wickeldorn sind maschinell entsprechende Rillen eingearbeitet.
Das erfindungsgemäße Bohrloch-Meßsystem-verwendet zwei identische 30 MHz-Empfanger, um die von den Empfängerspulen 19, 21 empfangenen sehr kleinen Signale zu verstärken. Die Empfängerspulen 19 und 21 sind identisch aufgebaut und in einem Abstand von 30 cm voneinander entfernt und weisen nur eine einzelne Windung auf. Die Spulen sind elektrostatisch abgeschirmt. Die Empfängerspule 21 ist et¢a 61 cm von der Geber-F25le 17 und die Empfängerspule 19 ist etwa 91,5 cm von der Geberspule weit entfernt. Die in den Empfängerspulen induzierten Spannungen werden einem Paar identisch aufgebauter 30 MHz-Empfanger 42 und 43 übermittelt. Diese 30 MHz-Empfänger 42 und 43 sind integrierte Zweistufen-Verstärker mit automatischer Verstärkungskontrolle und abgestimmten Resonanzkreisen.
Torodiale Spulen werden in den abgestimmten Schaltkreisen der Empfänger 42 und 43 verwendet, um das elektrische Feld eng um die Spule zu belassen und damit mitzuhelfen, ein Schwingen der Verstärker zu eleminieren. Das automatische Verstärkungssteuerungssystem innerhalb der integrierten Verstärker begrenzt die Ausgangsspannung der Verstärker auf ungefähr 0,7 Volt für Eingangssignale von ungefähr 20 Microvolts effektiv oder größer. Es ist wünschenswert, so nahe wie möglich eine.
konstante Empfänger-Ausgangs amplitude aufrechtzuerhalten um eine genaue Phasendifferenzmessung von den. beiden Empfängerspulen zu ermöglichen.
Diese automatischen Verstärkungs-Steuerungssignale werden durch automatische Verstärkungssteuer-Verstärker 44 und 45 erzeugt.
Die Ausgangs-Signale der beiden Empfänger 42 und 43 werden von ihrer Sinuswellenform in eine Rechtseckwellenform umgewandelt, wobei logische Gatter 46 und 47 in Emmiterschaltung als Schmitt-Trigger geschaltet sind. Die in Emitterschaltung verbundenen logischen integrierten Schaltkreise sind ideal für diesen Zweck aufgrund ihrer schnell Steigzeiteigenschaften. Die steil ansteigenden 30 MHz Rechtseckwellen vom Schmitt-Trigger 46 und 47 werden dann als duale Eingänge für ein logisches NOR-Gatter 48 benutzt, das in Emitterschaltung verbunden ist. Das NOR-Gatter 48 erzeugt einen Ausgangs-Impuls, dessen Weite proportional zur Phasendifferenz zwschen den beiden Eingangs-Rechteckwellen der Schmitt-Trigger 46 un.d 47 ist.
Befinden sich die beiden Eingangssignale in Phase, wird kein Ausgangsimpuls erzeugt. Bei der maximal messbaren Verschiebung von 1800, erreicht der Ausgangs-Impuls sein Maximum. Somit wird eine lineare Messung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Empfängerspulen durch Integration der Ausgangsimpulse des NOR-Gatters in einem Integrations-Schaltkreis 49, der einen RC-Schaltkreis aufweist, möglich. Dieses Ausgangs-Spannungssignal vom Integrationsschaltkreis 49 wird als Eingangs signal einem spannungsgesteuerten Oszillator 50 zugeleitet. Diese Spannung ist direkt proportional der Phasenverschiebung der Hochfrequenzsignale zwischen den beiden Empfängerspulen 21 und 19.
Es ist wichtig, daß die Empfängersignale von einer ausreichenden Amplitudengröße sind, um den Schmitt-Trigger 46 und 47 ausreichend zu schalten. Fällt die Stärke des Signals zu stark ab, steuert der Schmitt-Trigger nicht zum richtigen daraus Zeitpunkt, so daß/eineFehlerhafte Phasenverschiebungs-Messung resultiert. Das Ausgangssignal vom Verstärker 45 wird alsEingangssignal einem spannungsgesteuerten Oszillator 51 zur Weiterleitung an die Erdoberfläche übermittelt.
Durch oberwachen dieses Signals kann ermittelt werden, wann das empfangene Signal soweit abgefallen ist, um noch zuxrerlässige Phasenverschiebungsmessungen zu erzeugen. Ausserdem ist diese automatische Verstärkungssteuerungsspannung (die direkt proportional der Signalhöhe an der Empfängerspule 19 ist) auf den spezifischen Widerstand und die Dielektrizitätskonstante der das Bohrloch umgebenden Formation bezogen.
Bei Zusammenfügung mit der Phasenverschiebungsmessung gemäß Fig. 6, kann diese Information in Werten der Dielektrizitätskonstanten und des spezifischen Widerstandes der Erdformationen im Bereich des Bohrloches interpretiert werden.
Ein Zwei-Frequenz-Modulationssystem, das ein Paar spannungsgesteuerter Oszillatoren 51 und 50 zusammen mit einem Summierungsverstärker 52 und einem Kabel antrieb sverstärker 53 aufweist, wird zur Übermittlung der Informationen der Zweidatenkanäle zur Erdoberfläche über einen zentralen Leiter des Meßkabels 12 verwendet. Der spannungsgesteuerte Oszillator 50 ist frequenzgesteuert~durch ein Ausgangssignal vom Integrations-Schaltkreis 49, der eine Frequenzmodulation des Oszillators 50 im Bereich von ungefähr 12 kRz - 13 kHz in Abhängigkeit des Spannungssignale vom Integrationsschaltkreis 49 bewirkt. Gleichermaßen wird das automatische Verstärkungs-Steuerungssignal des Verstärkers 45 zur Steuerung der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 51 benutzt, wobei sich diese Frequenz in einem Bereich von 1.200 - 1.300 Hertz abhängig von der Signalhöhe des Ausgangssignals vom Verstärker 45 befindet. Die beiden frequenz-modulierten Signale der spannungsgesteuerten Oszillatoren 50 und51 werden in dem Summierungs-Verstärker 52 summiert und vor Eintritt in den zentralen Leiter des Meßkabels 12 von einem Knebel Antriebs-Verstärker 53 soweit verstärkt, daß eine Ubermittlung zur Erdoberfläche erfolgen kann.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß ein Paar phasenstarrer Demodulations-Schaltkreise 37 und 38 an der Erdoberfläche verwendet werden, um die originale Gleichstrom-Phase und die in der Verstärkung automatisch gesteuerten Spannungen der untertägigen Ausrüstung zu rekonstruieren. Die gemultiplexten Frequenzmodulierten Signale werden durch einen Kopplungskondensator 39 vom Zentralleiter des Meßkabels aufgenommen und einem Trennverstärker 29 zugeführt. Der Ausgang des Trennverstärkers 29 ist mit dem phasenstarren Demodulations-Schaltkreis 27 7erbunden, der ausschließlich auf Signale in einem Bereich von 1.200 - 1.300 Hertz anspricht, und ausserdem mit m phssenstarren Demodulationsschaltkreis 38 verbunden, der nur auf Eingangssignale in einem Bereich von 12 kHz - 13 kHz anspricht.
Die phasenstarren Demodulaticnsschaltkreise sind auf eine Singangsfrequenz eingestellt und lassen diese Frequenz durch, wenn der Eingangswert innerhalb des Einfangsbereiches der phasenstarren Schleife liegt.
Der Ausgang jedes phasenstarren Demodulations-Schaltkreises 37 und 38 ist eine Gleichspannung, die proportional der Gleichspannung ist, die an den spannungsgesteuerten Oszillatoren 50 und 51 (in Fig. 2) der Meßsonde ist. Die Ausgangs-Signale der phasenstarren Demodulations-Schaltkreise 37 und 38 werden Differential-Verstärkern 60 und 61 zur weiteren Terstärkung zugeführt, bevor sie einem Aufzeichnungsgerät 24 zugeführt werden. Aufzeichnungs-Verstärker 62 und 63 verstärken ausserdem das Signal noch und benutzen es zur Steuerung der Bewegung einer Feder eines Aufzeichnungsgerätes oder der Gitter einer Kathodenstrahlröhre, falls ein entsprechender Auf zeichnungstyp verwendet wird.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Erdformationen im Bereich eines Bohrlochs durch Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Induktions-Bohrlochmessung dadurch gekennzeichnet, daß an einer ersten Lokation des Bohrloches ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld in einem Frequenzbereich von 20 - 65 PEz erzeugt wi.rd, das an einer zweiten in Längsrichtung entfernt von der ersten liegenden Lokation im Bohrloch das gesamte erzeugte elektromagnetische Feld ermittelt und ein entsprechendes erstes Signal davon erzeugt wird, daß bei einer dritten Lokation, die in Langsrichtung entfernt von der ersten und der zweiten Lokation liegt, das gesamte tei der entsprechenden Frequenz erzeugte elektromagnetische Feld ermittelt und ein diesem Feld entsprechendes zweites Signal erzeugt wird, und daß das erste und zweite Signal zur Erzeugung einer Anzeige der relativen Phasenverschiebung des gesamten elektromagnetischen Feldes zwischen der zweiten und dritten nokation verknüpft werden.
2) Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daB die Anzeige der Phasenverschiebung mit einer Anzeige des spezifischen Widerstandes der Erdforiiationen zwischen der ersten und zweiten Lokation zur Ableitung einer Anzeige für die Dielektrizitätskonstante der Erdformationen zwischen der ersten und zweiten lokation zusammengesetzt werden.
3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Signal, das funktional zur Amplitude des gesamten elektromagnetischen Feldes entweder an der ersten oder der zweiten Lokation bezogen ist,als Anzeige für den spezifischen Widerstand der Im Bereich der ersten und zweiten Lokation liegenden Erdformationen erzeugt wird.
4) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte in einer Vielzahl von Eeufen,lagen innerhalb des Bohrloches wiederholt werden und die Anzeigen der Phasenverschiebung als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet werden.
5) Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß als Funktion der Bohrlochtiefe simultan die Anzeigen für die Phasenverschiebung und für die spezifischen Widerstandswerte gleichzeitig aufgezeichnet werden.
6) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das bei der gewählten Frequenz erzeugte erste Signal in ein erstes Rechteckwellensignal mit gleicher Frequenz umgewandelt wird, daß das bei der gewählten Frequenz erzeugte zweite Signal in ein zweites P.echteckwellen-Signal mit gleicher Frequenz umgewandelt wird, daß die ersten und zweiten Rechteck¢ellen-Signale als Eingangssignale einem exclusiven NOR-Gatter zur Erzeugung eines die Phasenverschiebung darstellenden Ausgangs-Signals zugeleitet wen,und daß dieses Ausgangs-Signal zur Erzeugung eines der Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen proportionalen Gleichspannungs-Signals einem Integrations-Schaltkreis zugeführt wird.
7) Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r ch g e -k e n n z e i c h n e t , daß vor Umwandlung der Signale in Rechteckwellensignale diese unabhängig voneinander auf einen ungefähren vorgewählten konstanten Amplitudenwert durch automatische Verstärkungsfaktor steuernde Verstärker verstärkt werden.
8) Verfahren nach Anspruch 7, d a du r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß mindestens einer der automatischen Verstärker ein Amplituden-Ausgangs-Signal erzeugt, das funktional zur Eingangs-Amplitude seines entsprechenden Signals bezogen ist.
9) Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Amplituden-Ausgangssignal als Anzeige für den spezifischen Widerstand der das Bohrloch umgebenden Erdformationen als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet wird.
10) Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das funktional zur Amplitude des gesamten elektromagnetischen Feldes bezogene Signal zwecks Kontrolle einer zuverlässigen Anzeige der Phasenverschiebung überwacht wird.
11) Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften von Erdformationen im Bereich eines Bohrlochs durch Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Induktions-Bohrlochmessung,gekenndurch zeichnet / eine Einrichtung innerhalb des Bohrloches bei einer ersten Lokation zur Erzeugung eines hochere quenten elektromagnetischen Feldes in einem Frequenzbereich von 20 - 65 MHz, vorzugsweise 20 - 40 MHz, durch eine zweite Einrichtung innerhalb des Bohrloches an einer zweiten I.okation, die in Längsrichtung von der ersten Lokation entfernt liegt,zur Ermittlung des gesamten elektromagnetischen Feldes und zur Erzeugung eines dieses elektromagnetische Feld darstellenden ersten Signals, durch eine innerhalb des Bohrloches an einer dritten Lokation, die in axialer Richtung entfernt von der ersten und zweiten Lokation liegt, angeordnete Einrichtung zur Ermittlung des gesamten elektromagnetischen Feldes und zur Erzeugung eines dieses Feld darstellenden zweiten Signales, und durch eine Einrichtung zur Verknüpfung des ersten und zweiten Signals zur Erzeugung eines die relative Phasenverschiebung des gesamten elektromagnetischen Feldes bei der erzeugten Frequenz zwischen der zweiten und dritten Lokation.
12) Vorrichtung nach Anspruch 11, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h eine Einrichtung zur Erzeugung eines die Amplitude des gesamten elektromagnetischen Feldes entweder an der zweiten oder der dritten Lokation darstellenden dritten Signals.
13) Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, g e k e n n -z e i c h n e t durch eine Einrichtung zur Aufzeichnung des die Phasenverschiebung anzeigenden Signals und des dritten Signals als Funktion der Bohxlochtiefe.
14) Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h Einrichtungen zur Umwandlung des das gesamte elektromagnetische Feld anzeigenden ersten und zweiten Signals in Rechteckwellenform.
15) Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die UmwandXungseinrich tungen eine Anzahl unabhangiger, die Verstärkung automatisch kontrollierender Verstärker zur parallelen Verstärkung des ersten und zweiten Signals auf einen ungefähren konstanten vorbestimmten Amplitudenwert aufweisen, und daß eine Anzahl Schmitt-Trigger in Erwiderung auf die Ausgangssignale der vorgenannten Verstärker zur Erzeugung der Rechteckwellensignale vorgesehen sind.
16) Vorrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine weitere Schaltkreis-Einrichtung, die in Erwiderung auf die in der Verstärkung automatisch gesteuerte Spannung mindestens einer der unabhängigen Verstärker ein drittes Signal erzeugt, vorgesehen ist.
17) Verfahren nach einem der Anspräche 1 bis 10, d a -du r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das hochfrequente elektromagnetische Feld vorzugsweisein einem Brequenzbereich von 20 - 40 1IIz erzeugt wird.