DE102011105394A1

DE102011105394A1 - Nichtresonante Bohrlochmesswerkzeuge

Info

Publication number: DE102011105394A1
Application number: DE102011105394A
Authority: DE
Inventors: Timothy A.J. Hopper; Julius Kusuma; Martin E. Poitzsch; David G. Cory; Yiqiao Song; Martin Hurlimann
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-03-01
Also published as: US20120001629A1; US20170205528A1; US10317564B2; US9632203B2

Abstract

Es werden Verfahren und Systeme für Werkzeuge geschaffen, die nichtresonante Schaltungen für das Analysieren einer Formation und/oder einer Probe besitzen. Beispielsweise können Werkzeuge für kernmagnetische Resonanz und spezifischen elektrischen Widerstand eine nichtresonante Erregerspule (421) und/oder eine Erfassungsspule (422) verwenden. Diese Spulen können durch die Verwendung von Schaltern (312) gewünschte Frequenzen erzielen und dadurch die Forderung nach Abstimmung von Schaltungen, was bei herkömmlichen Werkzeugen typisch ist, aufheben.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet des Protokollierens (logging) eines Bohrlochs oder des Messens einer (Stich-)Probe. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das Erlangen von Messwerten der kernmagnetischen Resonanz (NMR) und/oder des spezifischen elektrischen Widerstands bzw. Leitwertes von Formationen oder Proben unter Verwendung wenigstens einer nichtresonanten Schaltung.
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Anmeldungen Nr. 61/357,312, eingereicht am 22. Juni 2010, und Nr. 61/357,833, eingereicht am 23. Juni 2010, die hier durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
Herkömmliche kernmagnetische Resonanz(NMR)-Werkzeuge und herkömmliche Leitwertwerkzeuge können in einer Vielzahl von Anwendungen, von der Protokollierung im Bohrloch bis hin zur Analyse von Proben im Labor, in Raffinerien, für die Nahrungsmittel- und chemische Verarbeitung und dergleichen, verwendet werden. Diese herkömmlichen Werkzeuge benutzen häufig eine Resonanzschaltung, um ein Erregersignal hervorzurufen, das zur Durchführung der geeigneten Messungen erforderlich ist Die Verwendung von Resonanzschaltungen kann bestimmte Schwierigkeiten und Beschränkungen bei herkömmlichen Leitwert- und NMR-Werkzeugen und Ähnlichem verursachen.
Beispielsweise ist ein heutzutage üblicher Lösungsweg für das Erregungs- und Erfassungssystem für Leitwertprotokollierung, sowohl für die Erregung als auch die Erfassung eine abgestimmte Schaltung aus Widerstand, Induktivität und Kapazität (RLC) zu verwenden. Wenn das Datensammeln bei einer Vielzahl von Frequenzen erforderlich ist, wie es meistens der Fall ist, müssen die Schaltungen so abgestimmt sein, dass sich bei mehreren Frequenzen Spitzen ergeben. Der Mehrfachabstimmungsprozess ist arbeitsaufwändig, wobei ferner bekannt ist, dass sich die Abstimmung mit der Temperatur verändert und zu jenem Punkt verschieben kann, der für die Messung nachteilig ist. Wenn die Anzahl von Resonanzfrequenzen groß ist (im Allgemeinen drei oder mehr), kann ein Wahlschalter verwendet werden, um zwischen mehreren Schaltungen mit unterschiedlichen Abstimmungen zu wählen. In manchen Fällen wird dieser Wahlschalter selbst zu einem Schwachpunkt des Entwurfs.
Bei einer solchen Schaltung ist jede Resonanzspitze in der Frequenz durch drei Parameter vollständig gekennzeichnet: die Resonanzfrequenz, die Impedanz bei Resonanz und der Gütefaktor. Für eine Schaltung mit einem vernünftigen Gütefaktor (~100) wirkt die Resonanzfrequenz so, dass sie die in der Spule enthaltene Energie während der Erregung wirksam an die Formation koppelt und während der Erfassung Rauschen bei Frequenzen außerhalb der Resonanzbandbreite abweist. Diese beiden Merkmale sind wesentliche Elemente zum Aufrechterhalten der Systemleistung bei hohen Resonanzfrequenzen. Bei tiefen Resonanzfrequenzen gibt es einen anderen Lösungsweg zum Erreichen derselben Wirksamkeiten, der auf Schalttechniken basiert.
Hinsichtlich der Verwendung von abgestimmten Schaltungen bei der Bohrlochmessung bzw. Bohrlochprotokollierung gibt es verschiedene Herausforderungen. Beispielsweise ergibt sich eine Veränderung des Magnetfeldes mit der Temperatur, der Schlammlast und der Formationslast. Das Q der Schaltung ist ein Maß für das Verhältnis von gespeicherter zu abgegebener Energie in der Schaltung. Wenn sich die Temperatur der Spule ändert (wie etwa mit der Formationstiefe), ändert sich das Widerstandsrauschen in der Schaltung und als Antwort darauf das Q. Wenn sich der Leitwert des Materials im Bereich des Werkzeugs ändert (entweder durch Veränderungen des Schlamms oder des Formationsfluids), ändert sich als Antwort darauf das Q. Diese Änderungen führen zu falschen Einstellungen der Leitwertparameter und Veränderungen der beobachteten Signalstärke und sich daraus ableitenden Abklingzeiten. Wenn Änderungen von Q unkompensiert belassen werden, verschlechtern sie die Instrumentenleistung.
Es bestehen auch Beschränkungen der Anzahl von Frequenzen, für die eine gegebene Schaltung abgestimmt werden kann. In manchen Fällen erfordert dies die Verwendung mehrerer abgestimmter Schaltungen, wovon jede auf einen möglicherweise anderen Satz von Frequenzen abgestimmt ist.
Falls die Resonanzfrequenz tief ist (< 1 MHz), klingeln Werkzeuge mit vernünftigem Q. Die abgestimmte Schaltung wirkt wie eine Glocke, wobei dann, wenn die Schaltung mit einigen hundert bis eintausend Volt betrieben wird, vor dem Gewinnen des Signals gewartet werden muss, bis die natürliche Antwort auf die Größenordnung einiger zehn Mikrovolt abklingt. Außerdem ist es empfehlenswert, das Protokollierwerkzeug in mehreren Tiefen zu betreiben, um das Charakterisieren der Formation zu unterstützen. Beim Resonanzlösungsweg wird die wechselnde Tiefe dadurch bewältigt, dass die Resonanzfrequenz verändert wird, was eine Veränderung der Abstimmung und der Elektronik erfordert.
Schließlich kann die Eigenschaft der Formation erfordern, dass eine unterschiedliche Einstellung verwendet wird (beispielsweise hinsichtlich der Frequenz des Erregersignals). Die Modellbildung und Planung vor Ausführung versucht, die besten Einstellungen für das LWD-Werkzeug zu wählen, jedoch können wechselnde Formationseigenschaften eine große Unsicherheit darstellen. Außerdem kann es bei komplexen Formationen wünschenswert sein, die Einstellung des LWD-Werkzeugs von einem Zeitpunkt zum anderen ändern zu können. Demnach ist eine flexible Hardware äußerst wünschenswert.
Ähnliche Fragen ergeben sich hinsichtlich herkömmlicher Untertage-NMR-Werkzeuge. Herkömmliche NMR-Werkzeuge verwenden gewöhnlich aus Metalldraht gewickelte Spulen, um durch Leiten eines hochfrequenten Stroms und Erzeugen eines hochfrequenten Magnetfeldes Kernspins anzuregen und die Kernspinmagnetisierung durch Empfangen des in der Spule induzierten elektrischen Stroms zu erfassen. Um eine wirksame Kopplung dieser Spule mit der restlichen Elektronik zu erreichen, ist diese Spule oft mit einem parallel geschalteten Kondensator verbunden, um eine Resonanzschaltung zu bilden. Eine solche Parallelschaltung tritt bekannterweise bei einer Frequenz f₀ in Resonanz:
wobei L die Induktivität der Spule ist und C eine Kapazität des Kondensators ist. Diese Frequenz wird Resonanzfrequenz genannt.
Bei herkömmlichen NMR-Schaltungen wird diese Resonanzfrequenz durch Wahl des Kondensators eingestellt, um mit dem Wert der Spinpräzessions-Larmorfrequenz für ein gegebenes Magnetfeld übereinzustimmen. Beispielsweise beträgt bei einem Magnetfeld von 1 Tesla die Larmorfrequenz eines Wasserstoffatoms 42,58 MHz. Häufig wird ein zweiter Kondensator verwendet, um die Impedanz dieser Resonanzschaltung so einzustellen, dass sie mit der Impedanz (z. B. 50 Ohm) des Leistungsverstärkers und Empfängers übereinstimmt. Es ist übliche Praxis, dass alle Teilsysteme (Spulensystem, Empfänger und Leistungsverstärker sowie Kabel) zu 50 Ohm gewählt oder auf 50 Ohm abgestimmt sind, auch wenn andere Werte der Impedanz verwendet worden sind. Obwohl der genaue Wert der Impedanz eine Frage der Wahl sein kann, ist der Impedanzabgleich wichtig für eine wirksame Leistungsübertragung zur Spule, um ein gutes hochfrequentes B1-Feld und außerdem eine optimale Empfängerempfindlichkeit zu erreichen.
In der Praxis werden häufig variable Kondensatoren verwendet, um die Resonanzfrequenz (Abstimmung) und die Impedanz (Abgleichung) einzustellen. Sowohl Abstimmungs- als auch Abgleichungsbedingungen können sich während eines Experiments infolge von Komponentendrift und Änderungen der Temperatur und der Probeneigenschaften verändern. Um einen guten Abgleichungs- und Abstimmungszustand aufrechtzuerhalten, muss ein NMR-Versuchsleiter häufig den einen oder den anderen Kondensator einstellen. Ein schlecht eingestellter Abgleichungs- und Abstimmungszustand kann zu einer Signalverschlechterung, einer schlechten Steuerung der Spindynamik und zu unerwünschten Signalen führen.
Eine hier offenbarte Ausführungsform ist ein neuartiges Verfahren für das Koppeln der Spule mit der NMR-Elektronik, ohne einer Abstimmung des Spulensystems auf eine Resonanzfrequenz bei der Larmorfrequenz zu bedürfen. Die Spule kann direkt oder durch Elektronikschalter mit der HF-Elektronik verbunden sein, wobei die Antwort eines solchen Systems breitbandiger als ein herkömmliches Resonanzspulensystem sein kann. Der Hauptnutzen eines solchen Systems ist, dass sich die Abstimm- und Abgleichkondensatoren und das Einstellen der Schaltung während NMR-Versuchen und für unterschiedliche Proben erübrigen können. Dieses Verfahren ist besonders nützlich für NMR bei Niederfrequenz oder dann, wenn die Spuleninduktivität sehr niedrig ist, so dass die Impedanz der Spule bei der Larmorfrequenz (2π × f₀ × L) klein ist.
Für NMR-Anwendungen bei der Ölfelderkundung wie etwa für die NMR-Protokollierung und die LWD-NMR-Protokollierung kann dieser neue Lösungsweg die Notwendigkeit, die Abstimmkondensatoren und zugeordneten Relais sowie weitere zugeordnete Elektronik einzustellen, beseitigen. und die Robustheit dieser Bohrlochmesssysteme stark verbessern. Das System ist außerdem stabiler unter unterschiedlichen Bedingungen wie etwa bei unterschiedlicher Salzhaltigkeit der Probe oder der Umgebung und bei unterschiedlichen Fluiden.
Die Wissenschaft und Technologie der NMR betrifft zwei Hauptaspekte. Der eine ist das Wissen über das Kernspinsystem und die Verwendung von Magnetfeldern zum Steuern ihres Verhaltens und ihrer Dynamiken. Das Hauptphänomen der NMR ist die Resonanzabsorption und die Abstrahlung von HF-Energie durch die Kernspins in einem statischen Magnetfeld B0. Die Frequenz der Strahlung wird Larmorfrequenz genannt, f = Gamma × B0, wobei Gamma das für jedes Element spezifische gyromagnetische Verhältnis ist. Beispielsweise ist ein für NMR verwendeter Kern ein Proton mit Gamma = 4258 Hz/G. Die angelegten Magnetfelder sind häufig zweierlei Art. Das eine ist das statische Feld, das die Larmorfrequenz bestimmt. Das zweite ist die HF-Strahlung bei dieser Larmorfrequenz. Sie wird dazu verwendet, die Spindrehung auszuführen.
Der zweite Teil der NMR ist die zugeordnete Elektronik, um 1. die HF-Strahlung bei der Larmorfrequenz auf das Spinsystem und die Proben anzuwenden, um das Verhalten und die Dynamik der Spins zu steuern, und 2. um die Spinpräzessionssignale zu empfangen. Ein Entwurfsziel einer solchen Elektronik ist die wirksame Übertragung von HF-Leistung auf das Probengebiet zum Erreichen einer Steuerung des Spinsystems. Die Abstimmschaltung ist für eine solche Leistungsübertragung gut geeignet. Beispielsweise wird unter der Annahme, dass der Leistungsverstärker und die Schaltung auf eine gemeinsame Impedanz von 50 Ohm abgestimmt sind, die maximale Leistung vom Verstärker zur Schaltung geliefert. Da die Kondensatoren häufig einen höheren Gütefaktor als die Spule besitzen, wird die aufgebrachte Leistung im Spulenwiderstand abgegeben, um den maximalen elektrischen Strom und abwechselnd das maximale HF-B1-Magnetfeld zu erzeugen. Wenn sich die Impedanz des Spulensystems von jener des Verstärkers stark unterscheidet, wird jedoch weniger Leistung in der Spule abgesetzt, womit das B1-Feld nicht ganz optimal ist.
Neben der wirksamen Übertragung der HF-Leistung und dem wirksamen Signalempfang, die von der abgeglichenen Impedanz herrühren, verhält sich die Resonanzschaltung als Bandpassfilter, das auf die Resonanzfrequenz zentriert ist. Die Weite der Bandbreite wird durch den Widerstand der Schaltung, der oft von jener der Spule dominiert wird, gesteuert. Das Verhältnis der Resonanzfrequenz zur Weite der Resonanz wird häufig als Q-Faktor bezeichnet. Für gewöhnliche NMR-Schaltungen liegt Q häufig in der Nähe von 100. Nur die Signale innerhalb der Bandbreite der Schaltung sind wirksam mit der Ausgabeelektronik gekoppelt. Signale außerhalb der Bandbreite werden gedämpft. Die abgestimmte Spule wirkt als Schmalbandfilter.
Zusammenfassend gibt es bei einem herkömmlichen NMR-System zwei Resonanzphänomene. Das eine ist die Resonanzabsorption des Spinsystems der HF-Energie und die Resonanzmanipulation des Spinsystems durch die HF-Impulse. Die Frequenz dieser Resonanz wird durch das außen angelegte Magnetfeld und die Wahl der abzufragenden Kerne bestimmt. Die zweite Resonanz ist die Elektronik und die Schaltung der NMR-Einrichtung zur Zuführung der HF-Impulse und Erfassung des NMR-Signals. Die herkömmliche NMR-Schaltung, die die Resonanzschaltung verwendet, kann eine ausgezeichnete Schaltung sein, um eine wirksame Übertragung und einen wirksamen Empfang zu erreichen. Bestimmte hier offenbarte Ausführungsformen umfassen ein alternatives Verfahren für die NMR-Schaltung, das keinen Resonanzzustand erfordert. Dies ermöglicht eine breitbandigere Übertragung von HF-Impulsen und einen breitbandigeren Empfang von NMR-Signalen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, Systeme und Verfahren zu schaffen, die zumindest manche der Nachteile herkömmlicher Werkzeuge wie etwa manche der oben beschriebenen Nachteile beseitigen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 17. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung und der angehängten Ansprüche, die auf die folgenden Abbildungen Bezug nehmen.
1 zeigt ein Bohrstellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
2 ist eine Darstellung einer H-Brückenschaltung, die in einem Leitwertprotokollierwerkzeug mit einem nichtresonanten System verwendet wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
3 ist eine schematische Darstellung eines Systems mit nichtresonanter Erregung und nichtresonanter Erfassung zur Verwendung mit einem Leitwertprotokollierwerkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
4 ist eine schematische Darstellung eines Systems mit nichtresonanter Erregung und resonanzbehafteter Erfassung zur Verwendung mit einem Leitwertprotokollierwerkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
5 ist ein Schema eines HF-Leistungsverstärkers, der direkt mit einer Spule verbunden ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
6 ist ein Schema einer H-Brücke zur Verwendung in einem nichtresonanten NMR-Protokollierwerkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
7 ist eine Abbildung eines Impulsprogramms gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
8 ist ein Schema einer H-Brücke zur Verwendung in einem nichtresonanten NMR-Protokollierwerkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
9 ist ein Schema einer Schaltung zur Verwendung in einem nichtresonanten NMR-Protokollierwerkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
10 ist ein Schema einer Schaltung zur Verwendung in einem nichtresonanten NMR-Protokollierwerkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
11 ist ein Schema eines nichtresonanten NMR-Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
12 ist ein Schema eines nichtresonanten NMR-Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
13 ist ein Satz graphisch dargestellter Ergebnisse eines NMR-Systems, das die analoge und die digitale Filterung kombiniert, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
14 ist ein Schema eines nichtresonanten NMR-Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
15 ist eine schematische Darstellung eines Systems mit nichtresonanter Erregung und nichtresonanter Erfassung zur Verwendung mit einem NMR-System gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
16 ist eine schematische Darstellung eines Systems mit nichtresonanter Erregung und resonanzbehafteter Erfassung zur Verwendung mit einem NMR-System gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
Nun werden mit Bezug auf die Abbildungen einige Ausführungsformen beschrieben. Der Konsistenz wegen sind in den verschiedenen Abbildungen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche Details angeführt, um das Verstehen verschiedener Ausführungsform und/oder Merkmale zu ermöglichen. Jedoch wird ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass manche Ausführungsformen unter Auslassung vieler dieser Details in die Praxis umgesetzt werden können und dass verschiedene Varianten und Modifikationen der beschrieben Ausführungsformen möglich sind. Die Begriffe ”über” und ”unter”, ”nach oben” und ”nach unten”, ”obere” und ”untere”, ”aufwärts” und ”abwärts” und ähnliche Begriffe, wie sie hier verwendet werden und relative Positionen über oder unter einem gegebenen Punkt oder Element angeben, werden in dieser Beschreibung verwendet, um bestimmte Ausführungsformen klarer zu beschreiben. Wenn solche Begriffe auf Einrichtungen und Verfahren zur Verwendung in abgelenkten oder horizontalen Bohrlöchern angewandt werden, können sie jedoch, falls passend, auf ”von links nach rechts”, ”von rechts nach links” oder ein diagonales Verhältnis verweisen.
1 zeigt ein Bohrstellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die Bohrstelle kann sich auf dem Festland oder auf offener See befinden. Bei diesem beispielhaften System wird ein Bohrloch 11 in einer Weise, die wohlbekannt ist, durch Drehbohren in unterirdische Formationen 106 gebildet. Ausführungsformen der Erfindung können auch Richtungsbohren anwenden, wie im Folgenden beschrieben wird.
Im Bohrloch 11 ist ein Bohrstrang 12 aufgehängt, der eine Bohrlochsohlengarnitur 100 besitzt, die an ihrem unteren Ende einen Bohrer 105 aufweist. Das oberirdische System umfasst eine Plattform- und Hebewerkanordnung 10, die über dem Bohrloch 11 positioniert ist, wobei die Anordnung 10 einen Drehtisch 16, eine Mitnehmerstange 17, einen Haken 18 und einen Drehspülkopf 19 umfasst. Der Bohrstrang 12 wird durch den durch nicht gezeigte Mittel angetriebenen Drehtisch 16 gedreht, der die Mitnehmerstange 17 am oberen Ende des Bohrstrangs in Eingriff nimmt. Der Bohrstrang 12 hängt von einem Haken 18, der an einem ebenfalls nicht gezeigten Flaschenzugblock befestigt ist, durch die Mitnehmerstange 17 und den Drehspülkopf 19, der die Drehung des Bohrstrangs in Bezug auf den Haken ermöglicht, herab. Wie wohl bekannt ist, könnte alternativ ein Kraftdrehkopfantriebssystem (top drive system) verwendet werden.
Im Beispiel dieser Ausführungsform umfasst das oberirdische System ferner Bohrfluid oder Bohrschlamm 26, der in einer an der Bohrstelle ausgebildeten Grube 27 gelagert ist. Eine Pumpe 29 liefert das Bohrfluid 26 durch eine Öffnung im Spülkopf 19 in das Innere des Bohrstrangs 12, womit das Bohrfluid dazu gebracht wird, nach unten durch den Bohrstrang 12 zu fließen, wie durch den Richtungspfeil 8 angegeben ist. Das Bohrfluid verlässt den Bohrstrang 12 durch Öffnungen in dem Bohrer 105 und zirkuliert dann durch den Ringraumbereich zwischen der Außenseite des Bohrstrangs und der Wand des Bohrlochs 11 nach oben, wie durch die Richtungspfeile 9 angegeben ist. In dieser wohlbekannten Weise schmiert das Bohrfluid den Bohrer 105 und befördert, wenn es in die Grube 27 zur erneuten Umwälzung zurückgeführt wird, Formationsabfall 106 nach oben zur Oberfläche.
In verschiedenen Ausführungsformen können die hier offenbarten Systeme und Verfahren mit irgendwelchen Beförderungsmitteln, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, verwendet werden. Beispielsweise können die hier offenbarten Systeme und Verfahren mit Werkzeugen oder anderer Elektronik verwendet werden, die durch Drahtleitung (wireline), Schlammleitung (slickline), Gestängerohr, Rohrwendel (coiled tubing) und/oder eine Schnittstelle für Beförderung während des Bohrens befördert werden. Lediglich als Beispiel zeigt 1 eine Schnittstelle für Beförderung während des Bohrens. Jedoch könnten hier offenbarte Systeme und Verfahren gleichfalls auf Drahtleitungs- oder andere geeignete Beförderungsmittel Anwendung finden. Die Bohrlochsohlengarnitur 100 der gezeigten Ausführungsform umfasst ein Modul 120 für Protokollierung während des Bohrens (LWD), ein Modul 130 für Messung während des Bohrens (MWD), ein rotatorisch lenkbares System mit Motor und einen Bohrer 105.
Das MWD-Modul 130 ist in einer Schwerstange untergebracht, wie an sich bekannt ist, und kann eine oder mehrere Vorrichtungen zum Messen von Eigenschaften des Bohrstrangs und des Bohrers enthalten. Das MWD-Werkzeug umfasst ferner eine nicht gezeigte Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Leistung für das Untertagesystem. Diese kann typischerweise einen Schlammturbinengenerator, der durch den Fluss des Bohrfluids gespeist wird, umfassen; wohlgemerkt können andere Netz- und/oder Batteriesysteme eingesetzt sein. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst das MWD-Modul einen oder mehrere der folgenden Typen von Messvorrichtungen: eine Messvorrichtung für das Gewicht auf den Bohrer, eine Drehmomentmessvorrichtung, eine Vibrationsmessvorrichtung, eine Stoßmessvorrichtung, eine Vorrichtung, die das Festhängen/Gleiten misst bzw. erfasst, eine Richtungsmessvorrichtung und eine Neigungsmessvorrichtung.
Das LWD-Modul 120 ist ebenfalls in einer Schwerstange untergebracht, wie an sich bekannt ist, und kann einen oder mehrere bekannte Typen von Bohrlochmesswerkzeugen (z. B. das Bohrlochmesswerkzeug 121) enthalten. Wohlgemerkt können mehr als ein LWD- und/oder MWD-Modul eingesetzt sein, wie beispielsweise bei 120A dargestellt ist. (Verweise auf ein Modul an der Position 120 können durchweg alternativ auch ein Modul an der Stelle 120A bedeuten.) Das LWD-Modul besitzt Fähigkeiten zum Messen, Verarbeiten und Speichern von Informationen sowie zum Kommunizieren mit den Übertageeinrichtungen.
Das Werkzeug 121 von 1 kann in verschiedenen Ausführungsformen verschiedenartige Bohrlochmesswerkzeuge umfassen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Werkzeug 121 ein Leitwertprotokollierwerkzeug (Widerstandsprotokollierungswerkzeug) mit einem nichtresonanten System sein. Ein nichtresonantes System kann eine nicht abgestimmte Spule verwenden. Das heißt, dass kein Abstimmkondensator verwendet werden muss. Stattdessen wird die Frequenz der Erregung durch Verwendung schneller MOSFET-Schalter erreicht. In manchen Ausführungsformen müssen diese Schalter in der Lage sein, bei den Frequenzen der gewünschten Erregung zu schalten. Außerdem müssen in manchen Ausführungsformen die Schalter in der Lage sein, hohe Ströme zu handhaben, und eine schnelle Wiederbereitschaftszeit haben. Die Sendeleistung kann von einer Gleichstromquelle stammen – wobei das Ziel ist, so viel Leistung, wie in einer kurzen Zeitspanne möglich ist, in jede Seite eines Schaltnetzwerkes wie etwa eine H-Brücke einzuspeisen. 2 ist eine Darstellung einer H-Brückenschaltung 201, die in einem Leitwertmesswerkzeug mit einem nichtresonanten System verwendet werden kann, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 2 zeigt einen grundlegenden Entwurf des Schaltnetzwerkes als eine H-Brücke 201, wobei die Spule in der Mitte als Bipolarfluss-Quelle von einer einzigen Spannungsquelle 209 betrieben wird.
In der gezeigten Ausführungsform wird die obere Hälfte der Brücke 201, (Schalter t0–t1) 206, bei geschlossenem bzw. durchschaltendem Schalter zum Zeitpunkt t0 und bei geöffnetem bzw. sperrendem Schalter zum Zeitpunkt t1 gezündet bzw. aktiviert. Die Anstiegszeit dafür ist durch die Zeit Tr = L/R gegeben, wobei L die Induktivität der Induktionsspule 203 ist und R der Widerstandswert des mit den Schaltern 206, 207 hintereinander geschalteten Widerstands 204 ist. Das Ziel ist, so viel Strom wie möglich zu erhalten, bevor der Schalter 206 geöffnet wird. Es gibt eine gewisse zulässige Wiederbereitschafts- bzw. Erholungszeit, bevor die zweite Hälfte der Brücke 201, (Schalter t2–t3) 207, eingeschaltet bzw. aktiviert wird. Die Gesamtzeit dafür (t0 + t3 + Erholung) ist die Periode des Impulses. Die Umkehrung davon ist die Frequenz der Erregung. Es ist ein breitbandiger Impuls, jedoch liegt die meiste Energie bei der Schaltfrequenz vor. Durch Variieren der Impulslängen und folglich der Gesamtperiode können die Frequenzen verändert werden. Demnach ist das System durch Software steuerbar, wobei mit nur einer Zeitsteuerungsänderung mehrere Frequenzen durch dasselbe System erhalten werden können. Es müssen keine Abstimm- oder Abgleichkondensatoren in dem System beteiligt sein. Wie oben erwähnt wurde, ermöglicht diese hohe Flexibilität dem LWD-Werkzeug eine sehr große Anzahl möglicher Einstellungen, die während Betriebsvorgängen verändert werden können. Wie Fachleute wissen, sind zum Bestimmen der mehreren Impulse, die erforderlich sind, um die Spins um irgendeinen erforderlichen Winkel zu kippen, Spindynamikberechnungen angestellt worden.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Erfassung unter Verwendung der gleichen Spule, die auch für das Senden verwendet wird, erfolgen. In einer solchen Ausführungsform – bei der die gleiche Spule verwendet wird – ist die Erfassung nichtresonant, in derselben Weise wie die Erregung nichtresonant ist. In beispielhaften Ausführungsformen kann der Empfänger entweder eingeschaltet oder ausgeschaltet werden. Die Schalter können in diesem Fall verwendet werden, um den Vorverstärker vor den Hochleistungs-Sendeimpulsen zu schützen. Das Empfangssignal ist breitbandig, wobei zum Erzielen desselben Grades an Rauschunterdrückung, den eine abgestimmte Spule gewährt, ein digitales Filter (z. B. ein Tschebyscheff-Filter) verwendet werden kann. Dieses digitale Filter kann dort angewandt werden, wo auf Seiten des Empfängers ein ausreichender Dynamikbereich vorhanden ist. im Wesentlichen verschiebt sich die Rauschunterdrückung von einem Erreichtwerden mittels eines analogen Systems (mit abgestimmter Spule) zu einem vollständig digitalen System. In manchen Ausführungsformen muss die bei dem digitalen System erforderliche Verstärkung jene, die von der Verwendung des analogen Systems verloren geht, wettmachen.
In manchen Ausführungsformen kann die Erfassung durch Verwendung einer getrennten Empfangsspule verwirklicht sein. Wenn eine solche zweite, getrennte Spule verwendet wird, kann sie eine abgestimmte Spule oder eine nicht abgestimmte Spule sein. Es ist möglich, eine Reihe von Abstimm- und Abgleichschaltungen zu verwenden, um die Frequenz davon auf die gewünschte Erregerfrequenz abzugleichen, wie der Fachmann erkennen kann. Demnach kann die nichtresonante Erregung auch für mehrere Frequenzen verwendet werden.
3 ist eine schematische Darstellung eines Systems mit nichtresonanter Erregung und nichtresonanter Erfassung zur Verwendung mit einem Leitwertprotokollierwerkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Wie in 3 gezeigt ist, kann ein beispielhaftes System eine Stromversorgung 310 umfassen, die mit einem Schaltnetzwerk 312, das zu dem oben mit Bezug auf 2 beschriebenen Schaltnetzwerk aus der H-Brücke 201 gleich oder ähnlich ist, in Verbindung steht. Das Schaltnetzwerk 312 kann dann so arbeiten, dass es bei Frequenzen der gewünschten Erregung und Erfassung schaltet, und dadurch der Spule 313 (die sowohl als Sender als auch als Empfänger dient) das Senden und Empfangen bei der gewünschten Frequenz ermöglichen. Die Spule 313 kann auch über einen Symmetrieübertrager 315 mit einem Duplexer (einer Sende-Empfangsweiche) 316 in Verbindung stehen, wobei der Duplexer 316 dann mit einem Vorverstärker 318 und einem DAQ/Empfänger 319 (DAQ, data acquisation, Datenerfassung) in Verbindung steht.
4 ist eine schematische Darstellung eines Systems mit nichtresonanter Erregung und resonanzbehafteter Erfassung zur Verwendung mit einem Leitwertmesswerkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Wie in 4 gezeigt ist, kann ein beispielhaftes System mit nichtresonanter Erregung und resonanzbehafteter Erfassung viele der gleichen Komponenten, wie sie oben mit Bezug auf 3 beschrieben wurden, umfassen – nämlich eine Stromversorgung 310, ein Schaltnetzwerk 312, einen Duplexer 316, einen Vorverstärker 318 und einen DAQ/Empfänger 319. Diese Komponenten können ähnliche Funktionen wie in dem in 3 gezeigten System ausüben. Ein Hauptunterschied zwischen den Systemen von 3 und 4 ist, dass das Letztere getrennte Erreger- und Erfassungsspulen, 421, 422, enthält. Die Erregerspule 421 steht mit dem Schaltnetzwerk 312 in Verbindung, das ihre Frequenz steuert, während die Erfassungsspule 422 mit einem Abstimm- und Abgleichnetzwerk 424 in Verbindung steht, das ihre Frequenz steuert.
Wie bereits besprochen wurde, können sowohl bei NMR-Protokollierwerkzeugen als auch bei Leitwertprotokollierwerkzeugen nichtresonante Schaltungen verwendet werden. In bestimmten hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Offenbarung verschiedene beispielhafte Komponenten des Systems, die eine nichtresonante, gepulste NMR-Schaltung mit einer Spule umfassen.
Als Beispiel werden die Induktivität und das Magnetfeld einer NMR-Spule mit einem 10 cm Durchmesser (d) von und einer Länge (L), die aus 10 Windungen leitenden Drahtes besteht, berechnet. Näherungsweise wird die Gleichung für lange Zylinderspulen verwendet. Das Magnetfeld in der Mitte der Spule beträgt B1 = μ·n·l, wobei μ die Permeabilität von Luft ist (μ = 4π × 10^–7), n die Wicklungsdichte ist (n = 10/cm) und/der Strom durch den Draht ist. Für l = 1 A ist B1 = 0,0013 T = 13 G. Die Induktivität der Spule beträgt L = μ·N²·A²/L, wobei N die Gesamtanzahl von Windungen ist und A die Querschnittsfläche ist. Für die obige Spule ist L = 3 μH. Somit wird bei der Larmorfrequenz von 1 MHz die Impedanz der Spule durch die Induktivität dominiert, Y = ωL ~ 10 Ω. Somit beträgt die Spannung, die zum Treiben eines Stroms von 1 A erforderlich ist, etwa 10 V. Die in diesem Beispiel verwendeten Formeln sind grob, da die Spule nicht angemessen lang sein kann, jedoch veranschaulichen sie die Größenordnung des Problems und zeigen, dass eine solche Spule ohne weiteres durch einen herkömmlichen Leistungsverstärker gespeist werden kann, ohne eines Resonanzschaltungssystems zu bedürfen.
Dieses Beispiel zeigt, dass eine NMR-Elektronik direkt mit der Spule allein, ohne die Hilfe der Resonanzschaltung zur Impedanzabgleichung, gekoppelt sein kann. Dies trifft insbesondere für NMR bei relativ tiefer Frequenz wie etwa bei 1 MHz oder darunter zu. Bei viel höheren Frequenzen, wie etwa bei 800 MHz, kann die Impedanz der Spuleninduktivität größer werden, was es begreiflicherweise schwieriger macht, sie ohne die Impedanzabgleichschaltung wie etwa ein Resonanzschaltungssystem direkt mit der Leistungselektronik zu koppeln.
Neben NMR bei sehr schwachem Feld erfordert NMR bei starkem Feld, die sehr kleine Proben verwendet, gewöhnlich entsprechend kleine Spulen, um eine wirksame Kopplung zwischen der Spule und der Probe zu erzielen, d. h. den Füllfaktor zu verbessern. Die Induktivität solcher kleiner Spulen kann sehr niedrig sein. Tatsächlich wird häufig, um solche kleinen Spulen (oft als Mikrospulen bezeichnet) auf die Larmorfrequenz abzustimmen, eine zweite große Spule verwendet, um die Induktivitat zu erhöhen. Da durch die große Spule kein NMR-Signal erzeugt wird, kann eine solche Schaltungsanordnung an einem verkleinerten Signal-Rausch-Verhältnis leiden, weil die größere Spule eine Quelle von Rauschen sein kann. Demnach kann auch die Mikrospulen-NMR die nichtresonante NMR-Schaltung nutzen.
Eine nichtresonante (NR, non-resonant) Lösung für die NMR-Schaltung ist, eine NMR-Messung mit einer Spule, jedoch ohne Resonanzbedingung für die elektronische Schaltung bei der Larmorfrequenz, vorzunehmen. NR-NMR besitzt das Potential, NMR-Instrumente (einschließlich Drahtleitungs- und LWD-NMR-Werkzeugen) robuster und vielseitiger zu machen. Sie tauscht die Eigenschaften einer analogen abstimmten Schaltung (für Impedanzabgleich und Bandfilterung) gegen die Vielseitigkeit einer digitalen gepulsten Schaltung aus. Dieses neue Konzept ist aufgrund der Verbesserungen der schnellen Schaltelektronik heutzutage möglich. Wie der Fachmann erkennen kann, können bei den Fortschritten, wie etwa der Erhöhung der Geschwindigkeit der Schaltelektronik mit der Zeit durch NR-NMR, ohne weiteres immer höhere Resonanzfrequenzen erreicht werden.
Nachstehend sind einige Systeme und Verfahren zur Verwendung und zum Aufbau von NR-NMR-Schaltungen gemäß bestimmten beispielhaften Ausführungsformen aufgezeigt. Es gibt zwei beispielhafte Möglichkeiten zum Koppeln eines HF-Leistungssystems mit einer nicht abgestimmten Spule, die hier offenbart werden. 5 ist ein Schema eines HF-Leistungsverstärkers, der direkt mit einer Spule verbunden ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die Spule kann sich wie eine Induktionsspule verhalten.
Der Leistungsverstärker 525 kann irgendeiner Klasse (z. B. A, B; AB und D) zugehören. Die HF-Impulse und die HF-Leistung können der Spule 527 direkt zugeführt werden. Es können diskrete Komponenten wie etwa ein Widerstand, eine Induktionsspule oder ein Kondensator, Kreuzdioden oder irgendein anderes Steuerelement hinzugefügt sein, um zu Zwecken der Rauschunterdrückung oder zugunsten eines verbesserten Impedanzabgleichs die Stromzufuhr zu begrenzen. Jedoch erübrigt sich die Verwendung von Kondensatoren und weiteren Induktionsspulen, um eine Resonanzschaltung bei der Larmorfrequenz zu bilden. In einer beispielhaften Ausführungsform speist die Zeitsteuerung der Schalter die Leistung zu genauen Zeiten in die Spule 527 ein, wobei diese diskrete Zeitsteuerung die ”Frequenz” der Erregung aufbaut. Die Leistungsampere müssen eventuell durch die H-Brücke gehen. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, wie etwa im Fall nicht vorhandener Schalter und Abstimmelemente, kann eine Spule bei ihrer Eigenresonanzfrequenz, da sämtliche Spulen eine intrinsische Eigenresonanz besitzen, typischerweise bei viel höheren Frequenzen (z. B. von 10–40 MHz) zur Resonanz gebracht werden.
Das zweite Verfahren betrifft die Verbindung durch schnelle elektronische Schalter. Ein nichtresonantes System verwendet eine nicht abgestimmte Spule. Das heißt, dass kein Abstimmkondensator verwendet wird. Stattdessen wird die HF-Frequenzerregung durch Verwendung schneller elektronischer Schalter wie etwa MOSFET-Schalter erreicht. Diese Schalter steuern die Zeitpunkte und die Richtung des Stromflusses in der Spule. Das Schließen und Öffnen dieser Schalter in einem bestimmten Muster ermöglicht das Erzeugen eines Wechselstroms in der Spule und somit das Produzieren von HF-Strahlung. Das Strommuster umfasst häufig eine Periode positiven Stroms, der eine Periode negativen Stroms folgt, womit eine Sinuswellenform simuliert wird. Das Wiederholen dieses Musters bei einer gegebenen Frequenz ermöglicht die Erzeugung von HF-Leistung bei jener Frequenz. Eine solche Frequenz und die Einzelheiten des Strommusters unterliegen der Steuerung der Schalter.
Im Ergebnis müssen in bestimmten Ausführungsformen diese Schalter nicht fähig sein, bei den Larmorfrequenzen zu schalten, wobei es von Vorteil sein könnte, wenn sie in der Lage wären, vorzugsweise wesentlich schneller zu schalten. Außerdem müssen in bestimmten Ausführungsformen die Schalter nicht in der Lage sein, hohen Strom zu handhaben, und keine schnelle Wiederbereitschaftszeit haben.
6 ist ein Schema einer H-Brücke 628 zur Verwendung in einem nichtresonanten NMR-Protokollierwerkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Wie in 6 gezeigt ist, ist einer der Entwürfe für eine nichtresonante Schaltung eine H-Brücke 628, bei der die Spule 631 in der Mitte liegt. Die Schaltung 628 kann einen Widerstand 634 enthalten, wobei die Stromversorgung für die Schaltung eine Batterie 633 sein kann. Die Batterie 633 kann elektrischen Strom in zwei Richtungen treiben, indem die Schließ- und Öffnungszustände der Schalter gesteuert werden. Dies ist einer der Vorteile dieses Entwurfs, nämlich von einer einzigen Spannungsquelle einen bipolaren Strom zu erreichen. Ein Nachteil ist, dass vier Schalter benötigt werden.
In dem in 6 gezeigten Beispiel gibt es 4 MOSFET-Schalter, 630A–D. Bei dem Halb-(H)-Brückenentwurf werden sie paarweise geschlossen und geöffnet. Die Schalter 630A und 630D bilden ein Paar wie auch die Schalter 630B und 630C, ähnlich wie die oben mit Bezug auf 2 beschriebenen (t0–t1)- und (t2–t3)-Paare.

Als Beispiel können zum Erzeugen eines 260-kHz-Impulses in der Spule die folgenden Zeitpunkte verwendet werden: zum Zeitpunkt = 0 μs werden 630A und 630D für t1 geschlossen. Dann werden am Ende von t1 630A und 630D für Δt geöffnet. Dann werden 630B und 630C für die Dauer von t2 geschlossen. Am Ende von t2 werden 630B und 630C geöffnet, worauf auf Δt gewartet wird. In manchen Ausführungsformen muss für die Ausgleichsvorgänge in den FETS zwischen dem Öffnen von 630A–630D und dem Schließen von 630B–630C eine gewisse Wiederbereitschaftszeit, d. h. Δt, eingeräumt werden. Die Tabelle 1 veranschaulicht dieses Beispiel. TABELLE 1

Schritt	Zeit	Vorgang	bezeichnet	Zeit, kumuliert
1	0 μs	alle geöffnet		0 μs
2	1,1 μs	A–D geschlossen	t1	1,1 μs
3	0,9 μs	A–D geöffnet	t1 + Δt	2,0 μs
4	1,1 μs	B–C geschlossen	t2	3,1 μs
5	0,9 μs	B–C geöffnet	t2 + Δt	4,0 μs

Bei dieser Zeitsteuerung wird eine 250-kHz-Frequenz (1/4 μs) in der Spule erzeugt.
7 ist eine Abbildung eines Impulsprogramms gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 7 zeigt einen beispielhaften Oszilloskoplinienzug des Strom-Wellenmusters eines Erregerimpulses, der auf dem oben beschriebenen Impulsprogramm basiert. Die oberen Impulse 736 sind die Logikeingangsimpulse zum Anstoßen des Beginns des Impulsprogramms. Dies löst den Start der Zeitsteuerung für jeden Zyklus aus. Der Linienzug 737 im unteren Abschnitt zeigt die in der Spule der H-Brücke erzeugten Stromimpulse. Die volle Periode der Welle beträgt 4 μs, womit die Frequenz der Welle 250 kHz beträgt.
Die Anstiegszeit der Stromimpulse wird durch die Induktivität der Spule und den Widerstand in der Schaltung bestimmt und ist durch eine Zeitkonstante Tr = L/R gekennzeichnet, wobei L die Induktivität der Spule ist und R der Wert des mit den Schaltern in Reihe geschalteten Widerstands ist. Der Strom wird auch durch die Stromversorgungsspannung beeinflusst. Durch Einstellen der Versorgungsspannung, der Induktivität und des Widerstands kann der in die Spule eingeleitete Strom optimiert werden.
Ein Ablauf des beispielhaften Impulsprogramms erzeugt einen positiven Strom, dem ein negativer Strom folgt. Die Wiederholung des Impulsprogramms erzeugt einen Zug des Wechselstroms, wobei die Wiederholrate die Frequenz der erzeugten HF bestimmt. Obwohl die Schaltung breitbandig ist, entsteht die meiste Energie des Impulses bei der Wiederholfrequenz, wobei bei dem in 7 gezeigten Wellenmuster die Leistung bei den Harmonischen der Schaltfrequenz gering ist. Demnach kann der Wirkungsgrad der Leistungsabgabe gut sein. Außerdem kann die HF-Frequenz allein durch Software, um die Zeitsteuerung des Impulsprogramms zu bestimmen, gesteuert sein, was bedeutet, dass kein Bedarf an Abstimm- und Abgleichkondensatoren wie bei einer herkömmlichen NMR-Schaltung besteht. Dies kann beispielsweise bei einem NMR-System mit einem statischen Magnetfeldgradienten im Magnetfeld ein großer Vorteil sein, da diese mehreren Frequenzen verschiedenen räumlichen Orten entsprechen können.
Die Anzahl von Wiederholungen bestimmt die Gesamtlänge des HF-Impulses. Diese Länge ist bei NMR ziemlich wichtig, da sie den Drehwinkel von Spins unter HF-Strahlung bestimmt. Die Anzahl von Wiederholungen kann durch die Steuersoftware ohne weiteres verändert werden.
Die relative Phase des HF-Impulses kann in diesem beispielhaften Schema ebenfalls ohne weiteres verändert werden. Als Beispiel sei das Impulsprogramm B betrachtet, das Schritten folgt, die jenen des in 7 gezeigten Impulsprogramms gleichen, jedoch um einen halben Zyklus verschoben sind: 4 → 5 → 1 → 2 → 3 anstatt des Impulsprogramms: 1 → 2 → 3 → 4 → 5. Dieses zweite Impulsprogramm kann ein Strommuster erzeugen, das mit einem negativen Strom beginnt, worauf ein positiver Strom folgt. Demnach ist das zweite Impulsprogramm um 180 Grad gegenüber dem ersten Impulsprogramm verschoben. Ähnlich ist ein um 90 Grad phasenverschobener Impuls ein solcher, der in der Mitte des Schrittes 1 beginnt. Die Phasenverschiebung ist im Allgemeinen von den Details des Impulsprogramms und der Zeitsteuerung abhängig.
8 ist ein Schema einer H-Brücke 839 zur Verwendung in einem nichtresonante NMR-Protokollierwerkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die Komponenten von 8 gleichen den oben mit Bezug auf 6 beschriebenen Komponenten. 8 zeigt ferner eine Batterie mit einer Konstantspannungsquelle als Stromversorgung 840. Alternativ (oder zusätzlich) ist es möglich, eine elektronische Leistungsquelle zu verwenden. Außerdem umfasst in manchen Ausführungsformen die Stromversorgung 840 einen Modulator.
Es gibt weitere Schaltnetzwerke, die verwendet werden können. 9 ist ein Schema einer Schaltung zur Verwendung in einem nichtresonanten NMR-Protokollierwerkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die Schaltung von 9 umfasst zwei Stromversorgungen 943 und zwei Schalter 942A, C. In dieser Ausführungsform ist die Induktionsspule 945 an beiden Enden mit den Stromversorgungen 943 verbunden, wobei eine Mittenanzapfung 946 von der Spule zu Erde vorhanden sein kann. In bestimmten Ausführungsformen muss die Stromversorgung 943 sowohl eine positive als auch eine negative Spannung bereitstellen.
Die Arbeitsweise der Schaltung von 9 mit zwei Schaltern 942A, C kann in einem Beispiel wie folgt sein. Zum Zeitpunkt = 0 μs wird der Schalter 942A für t1 geschlossen. Dann wird am Ende von t1 der Schalter 942A für Δt geöffnet. Dann wird der Schalter 942C für die Dauer von t2 geschlossen. Am Ende von t2 wird der Schalter 942C geschlossen, worauf auf Δt gewartet wird. Es kann die Notwendigkeit bestehen, für die Ausgleichsvorgänge in den FETS zwischen dem Öffnen des Schalters 942A und dem Schließen des Schalters 942C eine gewisse Wiederbereitschaftszeit, d. h. Δt, einzuräumen.
Es ist auch möglich, einen einzigen Schalter zum Verbinden der Stromversorgung zu verwenden. 10 ist ein Schema einer Schaltung zur Verwendung in einem nichtresonanten NMR-Protokollierwerkzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die in 10 gezeigte Spule ist an einem Ende mit Erde und am anderen Ende (über den Schalter 942) mit der Stromversorgung 943 verbunden. In einer beispielhaften Ausführungsform arbeitet sie wie folgt. Zum Zeitpunkt = 0 μs wird der Schalter 942A für t1 geschlossen. Dann wird am Ende von t1 der Schalter 942A für Δt geöffnet. Dann wird der Schalter 942A für die Dauer von t2 + Δt geöffnet befassen.
Die Verwendung eines einzigen Schalters würde nur einen einfachen Ein-Aus-Zustand verschaffen. Demnach kann die Spule nur für den halben Zyklus mit Stromfluss beladen werden. In manchen Ausführungsformen kann dies als ineffiziente Weise zum Erregen der HF-Frequenz betrachtet werden, da bei Gleichstrom eine große Menge an Leistung verschwendet wird.
Ein beispielhafter Schlüssel bei einer erfolgreichen Erfassungsschaltung für NMR ist, einen hohen Grad an Isolation bei der Leistungsschaltung zu erzielen und dabei eine hohe Verstärkung und ein gutes Rauschverhalten beizubehalten. Bestimmte Techniken, die bei einer herkömmlichen NMR-Schaltung angewandt werden, können auch auf die nichtresonante Spule angewandt werden. Beispielsweise kann die Verwendung zweier Spulen sehr effektiv sein. Tatsächlich ermöglicht dies eine große Flexibilität beim Entwurf der Schaltung wie etwa das Verwenden einer zweiten Spule für den Empfänger, die eine abgestimmte Schaltung sein kann.
Es gibt verschiedene alternative und zusätzliche Ausführungsformen, wie der Fachmann erkennen kann. Beispielsweise kann die umgekehrte Anordnung, d. h. eine abgestimmte Schaltung für die HF-Leistungsabstrahlung und die zweite, nicht abgestimmte Spule für den Empfänger, ebenso verwendet werden. Diese Konfiguration kann von Nutzen sein, um eine ultraschnelle Wiederbereitschaft und eine kurze Pausenzeit zu erzielen. Außerdem kann, wie es üblich ist, ein Viertelwellenkabel mit gekreuzten Nebenschlussdioden verwendet werden, um eine gute Isolation zu erzielen. Ferner kann eine aus konzentrierten idealen Komponenten (Kondensatoren, Induktionsspulen, Widerständen und Dioden) bestehende Schaltung gebildet sein, um das Verhalten des Viertelwellenkabels zu simulieren und die Isolation zu erzielen. Außerdem kann ein weiteres allgemeines Verfahren, das zum Erzielen einer guten Isolation verwendet wird, die Verwendung von Q-Schaltern sein.
Neben diesen Kopplungsschemata, die von den herkömmlichen NMR-Schaltungen abgeleitet sind, ermöglicht die nicht abgestimmte Schaltung neue mögliche Kopplungsverfahren durch Verwendung elektronischer Schalter. Die Schalter können dazu verwendet werden, in der Empfängerelektronik zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Abschalten des HF-Leistungsverstärkers zu schalten. 11 ist ein Schema eines nichtresonanten NMR-Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Wie in 11 gezeigt ist, kann das System ein Sende- und Schaltnetzwerk 1148 umfassen, wobei zwischen der HF-Spule 1149 und dem Empfänger 1152 ein Schalter 1151 angeordnet sein kann. In manchen Ausführungsformen können gekreuzte Dioden (nicht gezeigt) durch Schalter ersetzt sein oder umgekehrt.
Es ist möglich, diese Verfahren in den NMR-Schaltungen zu kombinieren, um die Isolationen zu verbessern. Schnelle elektronische Schalter sind für NR-NMR wichtig, wie bereits gesagt worden ist. Der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist eine Vorrichtung bzw. ein Baustein, der zum Verstärken oder Schalten elektronischer Signale verwendet wird. Als ein Beispiel werden MOSFET von Behlke Electronic GmbH auf der Grundlage der HTS-(Hochfrequenzschaltungs)-Familie hergestellt. Sie sind relativ leicht zu handhaben und besitzen hohe Zuverlässigkeit, geringen Jitter und Schaltgenauigkeit. Dies steht in einem Gegensatz zu herkömmlichen Hochspannungsschaltern wie etwa elektrodenlose Rohren, Elektronenröhren, Gasentladungsröhren und mechanischen Schaltern. HTS hat allgemein, unabhängig von Temperatur und Alter, eine sehr stabile Schaltcharakteristik nachgewiesen. Die Schalter können durch eine positive Spannung zwischen 2 und 20 Volt ein- bzw. durchgeschaltet werden, wobei die Einschaltzeit zwischen 100 ns und unendlich liegt. Im Wesentlichen haben sie eine kurze Wiederbereitschaftszeit von 300 ns, was Burst- bzw. Durchbruchsfrequenzen von bis zu 3,3 MHz ermöglicht. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die kurze Einschaltanstiegszeit. Die HTS-Transistorschalter von Behlke können mit bis zu 5000 V und 140 A umgehen. Dies sind bloß Beispiele von Komponenten, die verwendet werden können, wobei es, wie der Fachmann weiß, mehrere andere Firmen gibt, die geeignete Schalter herstellen.
In manchen Ausführungsformen können Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGBT) verwendet werden. IGBT können einen hohen Strom und einen geringen Spannungsabfall an dem Bipolartransistor sowie kurze Wiederbereitschaftszeit, geringen Jitter und lange Lebensdauer bieten, wie es für Halbleitervorrichtungen typisch ist. Die IGBT besitzen im Vergleich zu den MOSFET im Allgemeinen eine viel längere Ausschaltphase (z. B. von 5 μs). Sie bieten niedrigere Durchbruchsfrequenzen (~1 MHz bei Behlke) im Vergleich zu einem MOSFET. Elektronikkomponentenlieferanten wie beispielsweise Honeywell liefern gleichfalls ähnliche Schalter.
Das NMR-Signal weist häufig eine schmale Frequenzverteilung um die Larmorfrequenz auf. Bei einem gleichförmigen Magnetfeld ist eine solche Frequenzspreizung aufgrund der chemischen Verschiebung, der J-Kopplung, der Knightschen Verschiebung und der Quadrupol- und Dipolwechselwirkungen typisch. Bei einem ungleichförmigen Magnetfeld wie etwa jenem für ein Bohrlochmesswerkzeug kann die Feldverteilung so stark sein, dass die HF-Impulse nur einen kleinen Teil des Frequenzspektrums und dementsprechend nur ein kleines räumliches Gebiet erregen können. Ein solcher Erregerfrequenzbereich wird in erster Linie durch die Stärke des HF-Magnetfeldes B1 von typischerweise einigen Gauß bestimmt. Beispielsweise beträgt, wenn B1 = 1 G, der entsprechende Frequenzbereich 4,2 kHz. Folglich müssen die Empfangsschaltung und die Elektronik in ihrer Bandbreite um die Larmorfrequenz begrenzt werden, um das Rauschen von Frequenzen außerhalb der Bandbreite zurückzuweisen und die Empfindlichkeit zu verbessern.
Bei herkömmlichen NMR-Systemen kann die abgestimmte Resonanzschaltung als natürliches Bandpassfilter dienen, das Rauschen von Frequenzen jenseits der abgestimmten Resonanz zurückweist. Jedoch kann diese Funktion durch andere Filter ersetzt werden. 12 ist ein Schema eines nichtresonanten NMR-Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Wie in 12 gezeigt ist, kann das System einen Sender 1254, der mit gekreuzten Dioden 1255 in Verbindung steht, eine HF-Spule 1257, einen Schalter 1258, einen Vorversärker 1260 und einen Empfänger 1261 umfassen, wobei zwischen den Schalter 1258 und den Vorverstärker 1260 ein oder mehrere Filter 1263 geschaltet sind. In verschiedenen Ausführungsformen können das eine oder die mehreren Filter 1263 verschiedene Typen von digitalen oder analogen Filtern umfassen, um ein Bandpassfilter zum Reduzieren des Rauschens von außerhalb des Bandes liegenden Frequenzen zu schaffen. Beispielsweise kann ein Tschebyscheff-Filter verwendet werden. Weitere Filter können Hanning-, Bessel-, Linkwitz-Riley-, Abzweig-, Butterworth-, Equiripple- oder elliptische Filter und/oder andere geeignete Filtertypen, die der Fachmann kennt, umfassen. In manchen Ausführungsformen kann die Verwendung mehrerer Filter von Vorteil sein, da dies dazu beitragen kann, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Da Rauschen digital herausgefiltert wird, ergibt dies im Allgemeinen eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Manche Filter wie beispielsweise die Butterworth- und Equiripple-Filter sind so entworfen, dass sie den Rauschabstand optimieren und Interferenz, Aliasing, Artefakte und dergleichen zurückweisen.
Außerdem kann hier die digitale Filterung angewandt werden. Beispielsweise kann das Signal nach dem Vorverstärker (oder gar nach mehreren Verstärkungsstufen) durch einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) digitalisiert werden. Dann kann auf die Daten die digitale Filterung durch numerische Berechnung wie etwa Mittelwertbildung über mehrere Datenpunkte angewandt werden. Ein einfaches digitales Tschebyscheff-Filter mit einer schmalen Bandbreite kann ebenfalls implementiert sein. Banddurchlass und Bandbeschneidung können während verschiedener Datenverarbeitungsstufen ebenfalls angewandt werden. In bestimmten Ausführungsformen ist ein wichtiges Kriterium für eine erfolgreiche digitale Filterung, dass die ursprüngliche Datenabtastrate in ausreichendem Maße höher als die gewünschte Frequenzbandbreite sein muss. Dies wird häufig Überabtastung genannt. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass der Dynamikbereich des ADC hinreichend groß sein muss, um den Daten zur digitalen Verarbeitung ausreichende ”Tiefe” zu verschaffen.
Außerdem ist es möglich, eine analoge Filterung mit einer digitalen Filterung zu kombinieren. Das analoge Filter kann ein Breitbandfilter bilden, mit beispielsweise einer Bandbreite von 1 MHz, was die größte Bandbreite sein könnte, die für ein bestimmtes beispielhaftes System notwendig wäre. Dann kann die Digitalisierungsrate auf 1 MHz voreingestellt werden und die digitale Filterung angewandt werden, um die Daten auf die gewünschte Bandbreite (beispielsweise 10 kHz) herunter abzutasten. Einer der Vorzüge solcher Ausführungsformen ist, dass keine Notwendigkeit besteht, während des Betriebs das analoge Filter und die ADC-Schaltungsanordnung einzustellen. Vielmehr kann die veränderliche Bandbreite allein durch Software mittels digitaler Filterung erreicht werden.
13 ist ein Satz graphisch dargestellter Ergebnisse eines NMR-Systems, das die analoge und die digitale Filterung kombiniert, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Beispielsweise kann die Filterung, die zum Erzeugen der Abbildungen von 13 angewandt wird, eine analoge Breitband-Empfangsspule und ein scharfes digitales Filter umfassen. Der obere Linienzug 1364 ist ein Spinechosignal der Zeit von t = 0 μs bis t = 300 μs, wobei die 90-Grad- und 180-Grad-Impulse als weiße, satte Abschnitte 1366 zu sehen sind. Der zweite Linienzug 1367 ist eine den ursprünglichen oberen Zeitbereichsdaten entnommene Untermenge. Es sei angemerkt, dass das NMR-Echosignal in diesen Zeitbereichsdaten nicht gesehen werden kann. Der dritte Linienzug 1369 enthält zwei Krümmungen. Eine erste Krümmung 1370 ist die Antwort einer abgestimmten Empfangsspule im Frequenzraum. Wie erkennbar ist, ist das Q, obwohl es sehr niedrig ist, auf die interessierende Frequenz zentriert. Die zweite Krümmung 1371 ist ein digitales Tschebyscheff-7-Pol-Filter im Frequenzraum. Es besitzt eine sehr schmale Bandbreite (10 kHz, zentriert auf 250 kHz). Dieses digitale Filter wird dann auf die Zeitbereichsdaten vom zweiten Linienzug 1367 angewandt. Das Ergebnis ist der Zeitbereichslinienzug 1373 im unteren Abschnitt. Dieser zeigt nun das Spinecho.
Mit einer nicht abgestimmten Spule kann die NMR-Schaltung der Betriebsfrequenzreichweite und der Bandbreite keine Beschränkung auferlegen. Dies kann ein sehr wichtiger Vorteil für Mehrfrequenz-NMR sein, um mit Breitband-Hardware auf unterschiedliche Erregungs- und Erfassungsfrequenzen umzuschalten. Bei herkömmlicher NMR sind dann, wenn mehrere Frequenzen verwendet werden, spezielle NMR-Sonden erforderlich, um den gewünschten Satz von Frequenzen, z. B. die Frequenzen, die Wasserstoff (Proton), Kohlenstoff-13 und Stickstoff-15 entsprechen, voreinzustellen. Diese Sonden verwenden häufig mehrere Spulen für verschiedene Frequenzkanäle und zusätzliche Kondensatoren und Induktionsspulen, um verschiedene Resonanzfrequenzen und gegenseitige Isolation zu erreichen. In NMR-Protokollieranwendungen werden verschiedene Frequenzen verwendet, um räumliche Gebiete in verschiedenem Abstand vorn Werkzeug zu vermessen, wie beispielsweise die Mehrfachschalenmessungen durch MR SCANNER, ein NMR-Werkzeug des Anmelders der vorliegenden Erfindung. Zum Abstimmen der Spule auf die gewünschten Frequenzen können verschiedene Sätze von Kondensatoren verwendet werden, wobei zum Erreichen der spezifischen Abstimmfrequenz ein Satz mechanischer Relais verwendet wird, um den Kondensatorsatz zu wählen.
Mit einer nichtresonanten NMR-Schaltung kann sowohl für die Erregung als auch für die Erfassung die gewünschte NMR-Frequenz (z. B. mittels digitaler Filterung) ohne Hardwareeinstellung einfach von der Steuersoftware ausgewählt werden. Dies vereinfacht die Ausführung von Mehrfrequenz-NMR wesentlich und verstärkt die Robustheit der NMR-Hardware.
Es gibt viele Möglichkeiten, die oben besprochenen Techniken für ein solches Mehrfrequenzsystem zu kombinieren. Eine Implementierung ist die digitale Filterung bei jeder spezifischen Frequenz mit einer nichtresonanten Empfangsspule. Dies erübrigt das erneute Abstimmen des Empfängers für jede Frequenz. Alternativ kann eine Gruppe abgestimmter LC-Schaltungen verwendet werden, die beim Empfangen umgeschaltet werden. Da diese leistungsarm sind, weisen sie nicht dieselben Schwierigkeiten auf, denen bei Untertage-NMR-Werkzeugen begegnet wird – das heißt, dass während des Erregungsstadiums keine großen Energiemengen durch sie hindurchgehen müssen. Demnach kann jede LC-Schaltung für jede Frequenz wie ein analoges Filter wirken. Die Verwendung eines veränderlichen n-Netzwerks aus konzentrierten idealen Elementen ist in diesem Teilabschnitt ebenfalls möglich.
Weitere Filter umfassen kaskadierte Integrator-Differentiator-Filter (CIC-Filter), Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filter) und Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filter). Ein FIR-Filter ist ein Typ eines digitalen Filters. Die Impulsantwort, die Antwort des Filters auf eine Kronecker-Delta-Eingabe, ist endlich, weil sie in einer endlichen Anzahl von Abtastintervallen auf null absinkt. Dies steht im Gegensatz zu IIR-Filtern, die eine innere Rückkopplung besitzen und bis ins Unendliche antworten können. Die Impulsantwort eines FIR-Filters n-ter Ordnung dauert N + 1 Abtastwerte an und fällt dann auf null ab.
Ein FIR-Filter wird in einem weiten Feld von Anwendungen verwendet und kann in Verbindung mit einem Interpolator oder einem Dezimator bei der Multiratenverarbeitung eingesetzt werden. CIC-Filter besitzen eine Tiefpass-Frequenzkennlinie, während FIR-Filter eine Tiefpass-, Hochpass- oder Bandpass-Frequenzkennlinie besitzen können. CIC-Filter wenden nur die Addition und Subtraktion an und werden bei der Multiratenverarbeitung verwendet. FIR-Filter benutzen die Addition und Subtraktion, jedoch benötigen die meisten FIR-Filter auch die Multiplikation. CIC-Filter besitzen eine spezifische Frequenzdämpfung (roll-off), während Tiefpass-FIR-Filter eine beliebig scharfe Frequenzdämpfung besitzen.
CIC-Filter sind im Allgemeinen viel wirtschaftlicher als allgemeine FIR-Filter, jedoch müssen auch Abstriche gemacht werden. In Fällen, in denen nur in geringem Maße eine Interpolation oder Dezimation erforderlich ist, können FIR-Filter im Allgemeinen einen Vorteil haben. Wenn sich die Raten um einen Faktor 10 oder mehr ändern, erfordert jedoch das Erreichen eines nützlichen FIR-Filter-Anti-Aliasing-Sperrbands das exponentielle Erhöhen der Anzahl von FIR-Abgriffen.
14 ist ein Schema eines nichtresonanten NMR-Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Wie in 14 gezeigt ist, kann das System ein Sende- und Schaltnetzwerk 1475 und eine HF-Spule 1476 umfassen, wobei es Filter 1478A–C verwenden kann, die zu Schaltern 1477A–C parallel geschaltet sind, um zwischen den Filtern 1478A–C umzuschalten. In der gezeigten Ausführungsform sind die Filter 1478 als Bandpassfilter entworfen. Ein Bandpassfilter lässt Signale eines spezifischen Bereichs von Frequenzen hindurch. Die mehreren Filter 1478 in diesem Entwurf können auf verschiedene Frequenzbänder eingestellt werden, wobei jedes so entworfen ist, dass es mit einer gewünschten NMR-Frequenz übereinstimmt. Beispielsweise kann das Filter 1 so entworfen sein, dass es ein 1-MHz-Spule erlaubt, das Filter 2 kann so entworfen sein, dass es ein 0,75-MHz-Signal erlaubt, und das Filter 3 kann so entworfen sein, dass es ein 0,5-MHz-Signal erlaubt. Diese Frequenzen entsprechen den NMR-Frequenzen eines beispielhaften NR-Werkzeugs. in manchen Ausführungsformen können auch mehrere Vorverstärker und Empfänger vorhanden sein, wobei mit jedem Filter ein Satz verbunden ist.
Nachstehend werden Schemata für einige der hier offenbarten beispielaften Ausführungsformen erläutert. 15 ist eine schematische Darstellung eines Systems mit nichtresonanter Erregung und nichtresonanter Erfassung zur Verwendung mit einem NMR-System gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Wie in 15 gezeigt ist, kann ein NMR-System eine Steuerschaltung mit Computer 1582 zum Steuern des Systems umfassen. Das System kann ferner eine Stromversorgung 1584 umfassen, die mit einem Schaltnetzwerk 1585 in Verbindung steht, das seinerseits mit einem Duplexer 1587 in Verbindung steht Der Duplexer 1587 ist mit einer Spule 1588 verbunden, die als Erregerspule (Sendespule) sowie als Erfassungsspule (Empfangsspule) arbeiten kann. Die Spule 1588 kann mit Erde verbunden sein. Der Duplexer 1587 kann außerdem eine Verbindung mit einem oder mehreren analogen Filtern 1590 unterhalten, die ihrerseits mit einem Signalverstärker 1591, einem Analog-Digital-Umsetzer 1593 und einem Empfangs- und Digitalfilter 1594 in Verbindung stehen kann.
16 ist eine schematische Darstellung eines Systems mit nichtresonanter Erregung und resonanzbehafteter Erfassung zur Verwendung mit einem NMR-System gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das NMR-System kann mehrere der oben mit Bezug auf das System von 15 beschriebenen Komponenten wie etwa die Steuerschaltung mit Computer 1582, die Stromversorgung 1584, das Schaltnetzwerk 1585, analoge Filter 1590, Schalterverstärker 1591, den Analog-Digital-Umsetzer 1593 und die Empfangs- und Digitalfilter 1594 umfassen. Ein Unterschied zwischen den zwei Systemen Ist, dass das System von 16 zwei getrennte Spulen umfasst – eine Erregerspule 1695, die mit dem Schaltnetzwerk in Verbindung steht, und eine Erfassungsspule 1696, die mit einem Abstimmkondensator 1697 und einem Abgleichkondensator 1698 in Verbindung steht, um die Betriebsfrequenzen zu steuern. Der Abgleichkondensator 1698 kann dann mit einem Duplexer 1699 in Verbindung stehen, der seinerseits mit den analogen Filtern 1590 in Verbindung stehen kann. Wie der Fachmann erkennen kann, können in vielen Ausführungsformen viele der hier beschriebenen Komponenten – beispielsweise die analogen Filter 1590 – gegebenenfalls erforderlich und/oder von Vorteil sein. Bei der Überlegung, ob beispielsweise ein analoges Filter 1590 verwendet werden soll, kann ein entscheidender Punkt das erhaltene Signal-Rausch-Verhältnis sein. In Ausführungsfarmen, in denen ein zu starkes Rauschen vorhanden ist, kann ein analoges Filter 1590 verwendet werden, um das Rauschen zu reduzieren. Eine weitere Überlegung könnte die Verarbeitungsleistung betreffen, da manche digitalen Filter eine wesentliche Menge an Speicherplatz verbrauchen können. Ein analoges Filter 1590 kann ein Teil der Hardware sein und bringt folglich keinerlei ”Rechenkosten” mit sich. Analoge Filter 1590 können für die Rauschunterdrückung und das Anti-Aliasing, falls ein Analog-Digital-Umsetzer 1593 vorhanden ist, notwendig sein.
Was die beispielhaften Verfahren und Schritte, die in den oben präsentierten Ausführungsformen beschrieben wurden, angeht, sind diese rein veranschaulichend, wobei in alternativen Ausführungsformen bestimmte Schritte in einer anderen Reihenfolge oder parallel zueinander ausgeführt werden können, ganz weggelassen und/oder zwischen verschiedenen beispielhaften Verfahren kombiniert sein können, und/oder bestimmte zusätzliche Schritte ausgeführt werden können, ohne vom Umfang und vom Leitgedanken der Erfindung abzuweichen. Demgemäß sollen solche alternativen Ausführungsformen in der hier beschriebenen Erfindung enthalten sein. Beispielsweise müssen, obwohl sich viele der oben beschriebenen Ausführungsformen auf Untertage-Bohrlochmesswerkzeuge beziehen, die Konzepte wie etwa nichtresonante Schaltungen und Sanden nicht auf Untertage-Messanwendungen beschränkt sein. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen können die nichtresonanten Schaltungen und andere Komponenten bei NMR- und/oder Leitwertvorrichtungen dazu verwendet werden, Proben (z. B. Proben in einem Labor, Proben in einer Raffinerie usw.) zu messen.
Außerdem könnten, obwohl sich ein Teil der Offenbarung auf Bohrgestänge-Beförderungswerkzeuge bezieht, bestimmte Aspekte dieser Erfindung auf Werkzeuge und Werkzeugstränge, die bei Drahtleitungs-, LWD- und/oder MWD-Anwendungen oder anderen Beförderungsverfahren eingesetzt werden, zusätzlich Anwendung finden, wie der Fachmann erkennen kann.
Bestimmte Aspekte der Erfindung können ein Computerprogramm, das die hier beschriebenen und in Ablaufplänen gezeigten Funktionen ausübt, umfassen. Jedoch kann es wohlgemerkt viele Möglichkeiten der Umsetzung der Erfindung in einem Computer- oder algorithmischen Programm geben, wobei die Erfindung nicht als auf irgendeinen Satz von Programmanweisungen beschränkt auszulegen ist. Ferner wäre ein erfahrener Programmierer in der Lage, auf Grundlage der Ablaufpläne und der zugehörigen Beschreibung im Anmeldungstext ein solches Programm zur Implementierung einer Ausführungsform der offenbarten Erfindung zu schreiben. Daher wird die Offenbarung eines bestimmten Satzes von Programmcodeanweisungen nicht als notwendig für ein hinreichendes Verständnis dafür, wie die Erfindung auszuführen und zu verwenden ist, betrachtet.
Die Erfindung kann zusammen mit Computerhardware und -software, die die oben beschriebenen Verfahren und Verarbeitungsfunktionen ausführen, verwendet werden. Insbesondere können beim Beschreiben der Funktionen, Verfahren und/oder Schritte, die in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgeführt werden können, einige oder sämtliche dieser Schritte durch Anwendung eines automatisierten oder computerunterstützten Prozesses ausgeführt werden. Wie der Fachmann erkennen kann, können die hier beschriebenen Systeme, Verfahren und Prozeduren in einem programmierbaren Computer, einer computerausführbaren Software oder einer digitalen Schaltungsanordnung konkretisiert sein. Die Software kann auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein. Beispielsweise kann das computerlesbare Medium eine Diskette, einen RAM, einen ROM, eine Festplatte, ein herausnehmbares Medium, einen Flash-Speicher, einen Speicherstab (memory stick), ein optisches Medium, ein magneto-optisches Medium, einen CD-ROM usw. umfassen. Eine digitale Schaltungsanordnung kann integrierte Schaltungen, Gate-Arrays, Logikbausteine, feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA) usw. umfassen.
Obwohl oben spezifische Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, dient die Beschreibung lediglich zur Veranschaulichung. Von Fachleuten auf dem Gebiet können an den offenbarten Aspekten der beispielhaften Ausführungsformen verschiedene Modifikationen, die entsprechende äquivalente Schritte umfassen, neben den oben beschriebenen vorgenommen werden, ohne vom Leitgedanken und vom Umfang der in den folgenden Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen, wobei ihrem Umfang die umfassendste Interpretation gewährt werden soll, um solche Modifikationen und äquivalente Strukturen mit einzuschließen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Charakteristik einer Formation oder einer Probe, das die folgenden Schritte umfasst: Abgeben eines Erregersignals zu der Formation oder der Probe unter Verwendung einer Erregerspule, wobei das Erregersignal wenigstens eine Frequenz besitzt; und Erfassen eines Antwortsignals von der Formation oder der Probe unter Verwendung einer Erfassungsspule, wobei die Erregerspule und/oder die Erfassungsspule nichtresonant sind/ist und wobei die Charakteristik eine Kernmagnetresonanz-Charakteristik und/oder eine Leitwert-Charakteristik (Widerstands-Charakteristik) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristik eine Kernmagnetresonanz-Charakteristik umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule nichtresonant ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule eine nicht abgestimmte Spule umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule mit wenigstens einem Schalter in elektrischer Verbindung steht, um die wenigstens eine Frequenz des Erregersignals zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsspule nichtresonant ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsspule eine nicht abgestimmte Spule umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsspule mit wenigstens einem Schalter in elektrischer Verbindung steht, um sie von einem Empfänger zu isolieren
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule und die Erfassungsspule dieselbe Spule (313) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch den Schritt des Abgebens mehrerer Erregersignale zu der Formation oder der Probe unter Verwendung der Erregerspule, wobei jedes der Erregersignale wenigstens eine zugeordnete Frequenz besitzt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Schalter zum Steuern jeder der zugeordneten Frequenzen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Erregersignal eine zugeordnete Untersuchungstiefe besitzt, die auf der wenigstens einen zugeordneten Frequenz basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristik eine Leitwert-Charakteristik umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Antwortsignal unter Verwendung einer nicht abgestimmten Spule durch Anwendung einer digitalen Version eines Lock-in-Filters erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch den Schritt des Abgebens eines zweiten Erregersignals zu der Formation oder der Probe, wobei das zweite Erregersignal eine zweite Frequenz besitzt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Schalter zum Steuern der zweiten Frequenz verwendet wird.
Vorrichtung zum Bestimmen einer Charakteristik einer Formation oder einer Probe, die umfasst: eine Erregerspule zum Abgeben eines Erregersignals zu der Formation oder der Probe, wobei das Erregersignal eine Frequenz besitzt; und eine Erfassungsspule zum Erfassen eines Antwortsignals von der Formation oder der Probe, wobei das Antwortsignal auf der Charakteristik der Formation oder der Probe basiert, wobei die Erregerspule und/oder die Erfassungsspule nichtresonant sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristik eine Kernmagnetresonanz-Charakteristik umfasst, wobei das zu der Formation oder der Probe gelieferte Erregersignal mehrere Erregersignale zu der Formation oder der Probe umfasst, wobei jedes der Erregersignale eine zugeordnete Frequenz besitzt, wobei die Erregerspule nichtresonant ist, wobei die Erregerspule eine nicht abgestimmte Spule umfasst, die mit wenigstens einem Schalter in elektrischer Verbindung steht, um jede der zugeordneten Frequenzen des Erregersignals zu steuern, wobei jedes Erregersignal eine zugeordnete Untersuchungstiefe besitzt, die auf der zugeordneten Frequenz basiert, wobei die Erfassungsspule nichtresonant ist, wobei die Erfassungsspule eine nicht abgestimmte Spule umfasst, die mit wenigstens einem Schalter in elektrischer Verbindung steht, um sie von einem Empfänger zu isolieren, und wobei eine einzige Spule (313) die Erregerspule und die Erfassungsspule bildet.
Vorrichtung zum Bestimmen einer Charakteristik einer Formation oder einer Probe, die umfasst: eine Erregerspule, die eine nicht abgestimmte Spule umfasst, um ein Erregersignal zu der Formation oder der Probe zu liefern, wobei das Erregersignal eine Frequenz besitzt; und wenigstens einen Schalter, der mit der Erregerspule in Verbindung steht, wobei der wenigstens eine Schalter die Frequenz des Erregersignals steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristik eine Leitwert-Charakteristik umfasst, wobei die nicht abgestimmte Spule ein Signal von der Formation oder der Probe durch Verwendung einer digitalen Version eines Lock-in-Filters erfasst, wobei das Erregersignal zu der Formation oder der Probe ein erstes Erregersignal mit einer ersten Frequenz und ein zweites Erregersignal mit einer zweiten Frequenz umfasst, wobei der wenigstens ein Schalter einen ersten Schalter, der die erste Frequenz steuert, und einen zweiten Schalter, der die zweite Frequenz steuert, umfasst, und wobei das erste Erregersignal und das zweite Erregersignal jeweils eine zugeordnete Untersuchungstiefe besitzen, die auf der jeweiligen Frequenz basiert.