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Vorrichtung zur Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit der von einem Bohrloch durchteuften Erdformationen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit von Erdformationen, die von einem Bohrloch durchteuft sind.
Bei Bohrlochul1tersuchungel1 ist es üblich, die elektrische Leitfähigkeit der Erdformationen durch Verwendung von Induktionsuntersuchungssystemen festzustellen, in denen die sehr wirksamen Messtechniken, wie sie in den USA-Patentschriften 2,582, 314 und 2,. 582, 315 beschrieben sind, Anwendung finden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Induktionsgerät, das diese Messtechniken gleichfalls ausnutzt, die die Empfindlichkeit des Geräts gegenüber Änderungen in der Leitfähigkeit des Materials oberhalb und unterhalb vorher festgelegter Niveauhöhen praktisch auf Null reduzieren.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit der von einem Bohrloch durchteuften Erdformationen, mit mehreren Spulensystemen zum Hindurchführen durch das Bohrloch, wobei jedes Spulensystem eine Sendespule sowie eine Empfangsspule aufweist, und alle Spulen koaxial in vertikalen Abständen voneinander symmetrisch, oberhalb und unterhalb eines gewählten Punktes angeordnet sind, wobei an jeder der Sendespulen der Spulensysteme eine Wechselstromquelle und an jede der Empfangsspulen der Spulensysteme ein Empfänger angeschlossen ist, welch letzterer die von den Erdformationen her induzierten Messsignale erfasst und zu Anzeigen der Leitfähigkeit des Materials kombi- niert, das zwischen zwei bestimmten,
in bezug auf den gewählten Punkt symmetrisch angeordneten Horizontalebenen angeordnet ist und besteht im wesentlichen darin, dass die den einzelnen Sendespulen zugeführten Wechselströme sich untereinander in der Frequenz und/oder Kurvenform unterscheiden bzw. zu verschiedenen Zeiten den Spulen zugeführt werden und die Empfänger derart ausgebildet sind, dass sie von jeder Empfangsspule nur jenes induzierte Leitfähigkeitssignal aufnehmen, das von der dieser Empfangsspule zugeordneten Sendespule herrührt, wobei die Flächen der Spulen und die Wechselströme so abgestimmt sind, dass sie im wesentlichen der Gleichung
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Weitere Erfindungsmerkmale bestehen darin, dass an Stelle einer Wechselstromquelle mehrere, je einer Sendespule zugeordnete Wechselstromquellen vorgesehen sind, wobei die den Sendespulen aus den Quellen zugeordneten Wechselströme verschiedene Frequenzen haben, ferner dass der Empfänger mehrere, je einer Empfangsspule zugeordnete Filter aufweist, wobei jedes Filter auf die Frequenz des zugehörigen Wechselstroms abgestimmt ist, ferner dass mehrere Detektoren vorgesehen sind, die auf das Ausgangssignal je eines der Filter ansprechen, sowie ein Rechner bzw.
eine Subtraktionseinrichtung zur Vereinigung der Ausgangssignale der Detektorkreise, zwecks Ableitung der Leitfähigkeitsanzeigen - bzw. besteht darin, dass ein zwischen der Wechselstromquelle und den Sendespulen eingeschalteter Stromverteiler die einzelnen Sendespulen nacheinander mit einem Wechselstrom einer bestimmten Frequenz speist und dass der Empfänger einen Detektorkreis aufweist sowie einen mit dem Stromverteiler synchronisierten Ver-
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teiler bzw.
Schalter, der geeignet ist, die einzelnen Empfangsspuien in Aufeinanderfolge an den Detektorkreis anzuschliessen, und einen auf die mit den Verteilern synchronisierten Ausgänge des Detektorkreises ansprechenden Rechner zur Ableitung der Leitfähigkeitsanzeigen,-und besteht schliesslich darin, dass wenigstens drei Spulensysteme vorhanden sind und die Flächen und Abstände der Spulen sowie die Wechselströme so ausgewählt sind, dass im wesentlichen die Gleichung
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erfüllt wird, in der D der halbe Abstand des nten Spulensystems ist, so dass die Wirkung des den Spulensystemen seitlich benachbarten Materials auf den Nullwert herabgesetzt wird.
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Zweispulensystems in einem Bohrloch gemäss der Erfindung, Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der typischen Empfindlichkeitskurven von Spulensystemen gemäss Fig. 1 in der Senkrechten, Fig. 3 veranschaulicht eine Geräteausbildung gemäss der Erfindung, Fig. 4 eine andere Ausbildung des Geräts gemäss der Erfindung, Fig. 5,6 und 7 sind graphische Darstellungen der Empfindlichkeitscharakteristika verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
In Fig. 1 sind vier Spulen 10, 11, 12 und 13 koaxial längs eines Bohrloches 14 angeordnet. Die Muttern der Spulen 10 und 11, die ein erstes Spulensystem bilden, befinden sich in der Axialrichtung in einem Abstand von 2D. Die Spulen 12 und 13, die ein zweites Spulensystem bilden, sind symmetrisch oberhalb und unterhalb der Spulen 10 und 11 angeordnet und lassen zwischen ihren Mitten einen grösseren Abstand 2D*. Es sei angenommen, dass die Spulen 12 und 13 nicht erregt sind, und die Spule 10 mit einem Wechselstrom von der Stärke 11 und der Frequenz 1 gespeist ist. Unter diesen Bedingungen wird eine Spannung mit der Frequenz f 1 in der Spule 11 induziert.
Jene Komponente der in der Spule 11 induzierten Spannung der Frequenz fl, die in Phase mit dem Strom in der Spule 10 liegt, wird als eine Funktion der Leitfähigkeit des das Bohrloch umgebenden Materials gemessen.
Ein typischer Verlauf der Senkrechten oder Längsempfindlichkeit eines Zweispulensystems mit den Spulen 10 und 11 ist durch die Kurve 15 in Fig. 2 gezeigt. Hieraus ist ersichtlich, dass das System 10 - 11 in der Gegend zwischen den Spulen 10 und 11 äusserst empfindlich ist, jedoch auch darüber und darunter noch eine ansehnliche Empfindlichkeit besitzt. Einzelheiten zur Bestimmung des Beeinflussungssignals, das durch die Formation in einem Zweispulensystem induziert wird, finden sich veröffentlicht in einer Abhandlung betitelt "Introduction to Induction Logging and Application to Logging of Wells Drilled with Oil Base Mud" von H. G. Doll, Transactions, AIME, Band 186 [1949], S. 148, und in den vorerwähnten USA-Patentschriften Nr. 2, 582, 314 und Nr. 2, 582, 315..
Es sei jetzt angenommen, dass die Spulen 10 und 11 nicht erregt sind, und die Spule 12 mit Wechselstromvon der Stärke und der Frequenz f gespeist sind. Unter diesen Bedingungen wird jene Komponente der in der Spule 13 induzierten Spannung von der Frequenz f2, die sich in Phase mit dem Strom in der Spule 12 befindet, als eine Funktion der Leitfähigkeit gemessen. Wenn in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die effektiven Flächen der Spulen 10,11, 12 und 13 die gleichen sind und
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die Kurve 16 in Fig. 2 gegeben. Hieraus ist ersichtlich, dass oberhalb und unterhalb der Spulen 12 und 1'3 die Empfindlichkeitskurven 15 und 16 zusammenfallen, während zwischen den Spulen die Kurve 16 einen geringeren Wert besitzt als die Kurve 15.
Daaurch dass man die Empfindlichkeit des Spulensystems 12-ils von der Empfindlichkeit des Systems 10 - 11 subtrahiert, wird diese kombinierte Beeinflussung gegenüber dem Material oberhalb und unterhalb der Spulen 12 und 13 unempfindlich sein, indem sich die kombinierte Empfindlichkeit durch die Differenz zwischen den beiden Kurven 15 und 16 im Entfernungsbereich 2D'darstellt. Im allgemeinen wird eine theoretisch vollkommene Einstellung, entsprechend Fig. 2ge- zeigt, ertmdungsgemäss mit zwei Zweispulensystemen erreicht, wenn
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ist. worin S 10, S 11'S 12 und S 13 die effektiven Flächen der Spulen 10,11, 12 und 13 sind.
Wenn, wie es üblich ist, die Durchmesser aller Spulen die gleichen sind, kann die Gleichung (2) wie folgt vereinfacht werden :
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worin N 10'N 11'N 12 und N 13 die Zahl der Windungen der Spulen 10, 11. 12, 13 sind.
Einzelheiten der Apparatur zur Ausführung der Erfindung entsprechend den vorstehenden Prinzipien sind in Fig. 3 dargestellt. In dieser ist das Induktionsuntersuchungsgerät 9 in dem Bohrloch 14 angeordnet, das mit Bohrschlamm angefüllt sein kann oder auch nicht. Das Gerät 9 kann einen nicht leitenden, nicht magnetischen Dorn oder eine Sonde 17 aufweisen, die die vier Spulen 10, 11, 12 und 13 trägt. Ein druckfestes Gehäuse 18 ist vorgesehen, um die elektrische Ausrüstung aufzunehmen. Das Gerät 9 ist so ausgebildet, dass es mittels eines üblichen elektrischen Kabels und einer nicht gezeigten Winde durch das Bohrloch hindurchgeführt werden kann. Das Kabel dient dabei dazu, dem Gerät 9 auch die notwendige Betriebsenergie zuzuführen, und die Messergebnisse des Geräts 9 an die Erdoberfläche zu Registrierungszwecken zurückzuleiten.
Die Spulen 10, 11, 12 und 13 sind in Abständen auf dem Dorn 17 angeordnet, wie es in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. Die Sendespule 10 ist mittels isolierter Leiter 19 mit einer
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Detektor 23 durchtreten lässt. Der phasenempfindliche Detektor 23 empfängt ein Vergleichssignal über den Leiter 24 von der Quelle 20. Der Detektor 23 wird so eingestellt, dass er ein Gleichstromausgangssignal abgibt, das proportional einer in der Spule 11 mit der Frequenz f 1 induzierten Spannung ist, die sich in Phase mit der Stromfrequenz f 1 in der Spule 10 befindet. Der Ausgang 25 des Detektors 23 ist an eine Subtraktionsschaltung 26 angelegt.
Die Sendespule 12 ist über Leiter 27 mit einer Wechselstromquelle 28 der Frequenz f ; verbunden. Die Empfangsspule 13 ist mittels Leiter 29 mit einem Filter 30 verbunden, das nur Signale von der Frequenz f2 aus der Empfangsspule 13 hindurchtreten lässt. Der Ausgang des Filters 30 ist mit einem phasenempfindlichen Detektor 31 verbunden, der durch ein Vergleichssignal von der Quelle 28 über den Leiter 32 be-
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Phase mi. dem durch die Spule 12 hindurchgehenden Strom der Frequenz fz steht. Der Ausgang 33 des Detektors 31 ist ebenfalls an die Subtraktionsschaltung 26 angelegt. Auf diese Weise wird zwischen den Leitern 34 und 35 in dem Ausgang der Subtraktionsschaltung 26 ein Signal erzeugt, das die Differenz in der Beeinflussung der Spulensysteme 10 -11 und 12-13 wiedergibt.
Wenn für die Spulen 10, 11, 12 und 13 und die Einstellung der Frequenzen f 1 und fz zusammen mit den Stärken des durch die Spulen 10 und 12 hindurchgehenden Stromes die Gleichung (2) oder die Gleichungen (1) oder (3) befolgt werden, wird diese kombinierte Beeinflussung eine Funktion der Leitfähigkeit des die Sonde 17 umgebenden Materials zwischen waagrechten Ebenen, die durch die Mitten der Spulen 12 und 13 hindurchgehen, sein, u. zw. unter Ausschluss einer Empfindlichkeit gegenüber Material oberhalb der Spule 12 und unterhalb der Spule 13.
Wenn somit das Gerät 9 durch das Bohrloch hindurchgeführt wird, wird eine fortlaufende Aufzeichnung der Leitfähigkeit des die Sonde 17 umgebenden Materials gemacht, wobei die Aufzeichnung gegenüber Änderungen in der Leitfähigkeit des Materials oberhalb oder unterhalb der Spulen 12 und 13 unempfindlich ist.
In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform des Geräts gemäss der Erfindung veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform werden die Sendespulen beider Systeme mit einem Strom der gleichen Frequenz gespeist.
Die Systeme werden jedoch aufeinanderfolgend erregt, so dass zunächst die Beeinflussung des einen Systems mit der Frequenz f 1 und danach die Beeinflussung des andern Systems mit der Frequenz f aufgezeigt wird, wenn die Sonde 17 durch das Bohrloch hindurchbewegt wird. Das druckfeste Gehäuse 18 enthält eine Stromquelle 36, die nacheinander mit den Sendespulen 10 und 12 durch einen Schalter 37 verbunden wird, wie er schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. Der Ausgang der Spule 11 ist an einen phasenempfindlichen Detektor 38 während der Periode angelegt. während der die Spule 10 durch die Stromquelle 36 erregt wird. Der Ausgang der Spule 13 wird an den Detektor 38 während der Periode angelegt, während der die Sendespule 12 durch die Stromquelle 36 erregt wird.
Signale in dem Ausgang der Spule 11 ergeben Gleichstromsignale einer Polarität im Ausgang 39 des Detektors 38, während Signale in dem Ausgang der
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Spule 13 Gleichstromsignale der entgegengesetzten Polarität in dem Ausgang 39 ergeben, da der Schalter 40, der mit dem Schalter 37 synchronisiert ist, die Ausgänge der Spulen 11 und 13 in entgegengesetzter Phasenbeziehung an den Detektor 38 anlegt. Dieser Ausgang 39 wird einem zweiten phasenempfindlichen Detektor 41 zugeleitet, der auf die Frequenz der Schalter 37 und 40 abgestimmt ist. Die Änderungen in der Amplitude in dem Ausgang 42 des Detektors 41 geben die Differenz in den Beeinflussungen der Spulensysteme 12 - 13 und 10-11 wieder.
Mit den Geräten, wie sie in den Fig. 3 und 4 dargestellt sind, lässt sich eine fortlaufende Aufzeichnung an der Erdoberfläche durchführen, währenddem die Sonde 17 durch das Bohrloch hindurchbewegt wird. Diese ergibt fortlaufend Aufschluss über die Leitfähigkeit des Materials in der Zone zwischen den Mitten der Spulen 12 und 13. Da die Leitfähigkeit der Reziprokwert des spezifischen Widerstandes ist, kann, wenn erwünscht, zusammen mit der Leitfähigkeit gleichzeitig der spezifische Widerstand oder dieser an Stelle der Leitfähigkeit aufgezeichnet werden. Während in den Fig. 3 und 4 einfache phasenempfindliche Detektorgeräte gezeigt sind, ist in der Praxis die Verwendung von Systemen in der Art nach der deutschen Patentschrift Nr. 912727 vorzuziehen.
Während bei den zuvor beschriebenen Anordnungen zwei Zweispulensysteme, von denen jedes eine Sende- und eine Empfangsspule besitzt, benutzt werden, ist es im Rahmen der Erfindung möglich, auch noch ein oder mehrere zusätzliche Systeme vorzusehen, von denen jedes eine Sende- und eine Empfangsspule besitzt, die symmetrisch um ein erstes und ein zweites Spulensystem angeordnet sind, vorausgesetzt, dass die nachfolgende Gleichung erfüllt ist :
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Empfangsspule ist. In der Gleichung (4) bedeutet ein Minuszeichen, das an einem oder mehreren der Faktoren erscheint, lediglich, dass die Beeinflussungen der durch solche Faktoren bezeichneten Zweispulensysteme von den Beeinflussungen der übrigen Systeme subtrahiert werden müssen.
Die Gleichung (4) ist die allgemeine Gleichung, aus der die Gleichungen (1), (2) und (3) abgeleitet sind. Wenn die Durch - messer aller Spulen die gleichen sind, können die Flächenfaktoren in der Gleichung (4) durch die Windungszahlen der betreffenden Spule ersetzt werden.
Durch Verwendung von drei oder mehreren Sätzen von Sende- und Empfangsspulen, die symmetrisch in Abständen angeordnet sind, und der Gleichung (4) genügen, ist es weiterhin möglich, die Beeinflussung seitens des Materials das seitlich der Spulensysteme liegt zu verringern, vorausgesetzt, dass die nachfolgende Gleichung erfüllt wird :
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in der die Entfernung D dem halben Abstand zwischen der Sende- und Empfangsspule des nten Zweispulensystems entspricht. Dadurch dass man beide Gleichungen (4) und (5) befolgt und drei oder mehr Zweispulensysteme verwendet, ist es möglich, die Einstellung der Messung in der Senkrechten theoretisch vollkommen zu gestalten und in der Seitenrichtung stark zu verbessern.
Unabhängig von der Zahl der benutzten Zweispulensysteme muss jedes einzelne von den übrigen elektrisch getrennt werden, d. h. entweder in der Frequenz oder in der Zeitfolge, so dass die Beeinflussung eines jeden Systems durch das Vorhanden sein der übrigen Systeme nicht beeinträchtigt wird. Wenn eine Zeittrennung angewendet wird, kann ein gewählter gleichbleibender Strom, zeitlich aufeinanderfolgend die Sendespulen erregen, und so kann der f In-Faktor der Gleichungen (4) und (5) in Fortfall kommen. Beispiele der verbesserten Vertikalund Seitenempfindlichkeitseigenschaften, wie sie erfindungsgemäss durch Befolgung der Gleichungen (4) und (5) erhalten werden, sind in den Fig. 5 und 6 in Form typischer Empfindlichkeitskurven wiederge-
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Die Seitenempfindlichkeitscharakteristik für diese Anordnung von drei Zweispulensystemen ist durch die ausgezogene Kurve 46 der Fig. 6 gegeben. Aus der Fig. 6 geht hervor, dass die Empfindlichkeit ge- genüber Material in der Nachbarschaft des Spulensystems bedeutend verringert ist. Die Bestimmung der
Beiträge aus den verschiedenen Abschnitten der Umgebungsverhältnisse ergibt sich aus der Betrachtung der geometrischen Faktoren, wie sie in der zuvor erwähnten Abhandlung von H. G. Doll erläutert sind.
Fig. 7 ist eine Auseinanderziehung der unteren linken Ecke des Kurvenverlaufs der Fig. 6, woraus er- sichtlich ist, dass diese sehr kleinen Anteile des resultierenden Signals vom Produkt des geometrischen
Faktors und der Leitfähigkeit des umgebenden Mediums gebildet werden, welches sich innerhalb eines
Umkreises von ungefähr 10 cm von der Spulenachse befindet.
Sogar dieser Anteil kann wesentlich durch Einführung eines vierten Zweispulensystems herabgemin- dert werden, das so angeordnet wird, dass eine positive und eine negative Schleife etwa gleicher Flächen für die Seitenempfindlichkeit auftreten, wie sie durch die punktierte Kurve 48'der Fig. 7 gegeben sind.
Die Gleichung (5) würde indessen für diese Verfahrensart gewöhnlich nicht anwendbar sein, wenn nicht mehr als vier Zweispulensysteme vorhanden sind. Der Einfluss leitenden Materials ist jetzt bis zu einem Umkreis mit einem Radius von etwa 15 cm von der Achse des Spulensystems vernachlässigbar, wenn diese
Anordnung auf dem üblichen nicht leitenden Dorn gewählt ist.
Die gestrichelte Kurve 48'entspricht der Kurve 48 der Fig. 6 für die Zeitenempfindlichkeitscharak- teristik. Die entsprechende Längsempfindlichkeitscharakteristik ist durch die Kurve 61 der Fig. 5 gegeben.
Die Daten für diese Art von vier Zweispulensystemen wurden wie folgt festgelegt :
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<tb> R <SEP> = <SEP> tel <SEP> = <SEP> 100 <SEP> Windungen <SEP> D= <SEP> 76, <SEP> 2cm <SEP>
<tb> R <SEP> =T <SEP> = <SEP> 91 <SEP> Windungen <SEP> D <SEP> =228, <SEP> 6 <SEP> cm <SEP>
<tb> R <SEP> =T <SEP> = <SEP> 42, <SEP> 6 <SEP> Windungen <SEP> D= <SEP> 38, <SEP> 1cm <SEP>
<tb> R <SEP> = <SEP> T <SEP> = <SEP> 10 <SEP> Windungen <SEP> D-M <SEP> cm <SEP>
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Aus diesen Ausführungen geht hervor, dass von Seiten der Formationen oberhalb und unterhalb der äussersten Spulen nur eine vernachlässigbare Beeinflussung stattfindet, und auch die Beeinflussung seitens der leitenden Bohrlochflüssigkeit äusserst minimal ist. Für masshaltige Bohrlöcher mit einem Durchmesser von weniger als 30 cm wird sogar das Signal nur vom nächstliegenden Teil der durchdrungenen Zone geliefert. Demgemäss kann eine ausgezeichnete unmittelbare Anzeige der Leitfähigkeit der Schicht in solchen Fällen erwartet werden.
Es versteht sich, dass das Prinzip der Reziprozität Anwendung finden kann, in der Weise, dass die Sente-und Empfangsspulen in jedem Zweispulensystem umgewechselt werden können, ohne dass sich die erhaltenen Resultate ändern. Überhaupt sind die dargestellten Ausführungsformen nur als Ausführungsbeispiele zu betrachten, auf die sich die vorliegende Erfindung nicht beschränkt.
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