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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Solche Frischwasser aufweisenden Sände oder Erdformationen weisen
einen hohen spezifischen Widerstand auf, der ähnlich hoch liegt, wie bei gohlenwa
sserstof f-führenden Formationen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Äusführungsbeispiele der Erfindung, aus denen sich weitere erfinderische
Merkmale ergeben, sind in den Zeichnungen dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Fig. 2 ein schematisiertes Blockdiagramm der untertägig geführten
Elektronik der Meßsonde.
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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.
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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.
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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.
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Kohlenwasserstoffe weisen eine charakteristische niedrige Dielektrizitätskonstante
zur auf, die kleiner ist als 5.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Mit µ ist die magnetische Dielektrizitätskonstante des
den
magnetischen Dipol umgebenden Materials bezeichnet und mit Gcdie elektrische Leitfähigkeit
des Mediums.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das ist gewöhnlich der Fall, wenn bei Frequenzen gearbeitet wird,
die z.B. Frequenzen im Bereich von 10-60 MHz aufweisen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine solche graphische Darstellung ist in Fig. 4 für eine 64 rz Einzelgeberspule
und Empfängersystem dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In Fig. 6 ist eine Darstellung der Phasenverschiebung zwischen den
entfernt voneinander angeordneten Empfängerspulen gegenüber der Gesamtfeldamplitude
an einer der Spulen aufgezeichnet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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19 Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß auch andere Spulenentfernungen
zwischen Geber und Empfängerspulen möglich sind und im Schutzumfang der Erfindung
liegen.
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Die radiale Untersuchungstiefe des Bohrloch-Meßsystems ist vom Abstand
zwischen Geber- und Empfängerspulen beeinflußt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Wicklungsabstand der Spule beträgt 2 Windungen pro 25,4 mm. Zur
genauen Lagefixierung des Kupferdrahtes auf dem Wickeldorn sind maschinell entsprechende
Rillen eingearbeitet.
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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.
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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.
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konstante Empfänger-Ausgangs amplitude aufrechtzuerhalten um eine
genaue Phasendifferenzmessung von den. beiden Empfängerspulen zu ermöglichen.
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Diese automatischen Verstärkungs-Steuerungssignale werden durch automatische
Verstärkungssteuer-Verstärker 44 und 45 erzeugt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die phasenstarren Demodulaticnsschaltkreise sind auf eine Singangsfrequenz
eingestellt und lassen diese Frequenz durch, wenn der Eingangswert innerhalb des
Einfangsbereiches der phasenstarren Schleife liegt.
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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.