DE10220156B4

DE10220156B4 - Vermessungswerkzeug, insbesondere zum Vermessen von Bohrlöchern und Verfahren zum Vermessen von Bohrlöchern

Info

Publication number: DE10220156B4
Application number: DE10220156A
Authority: DE
Inventors: Luis E. Houston San Martin
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2002-05-06
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2022-05-07
Also published as: CA2386988A1; NO20022356D0; NO20022356L; US20030023381A1; NO334107B1; US8296113B2; FR2824869A1; CA2386988C; FR2824869B1; DE10220156A1

Abstract

Vermessungswerkzeug, insbesondere zum Vermessen von Bohrlöchern, versehen mit:
einem Satz von Sendespulen;
einem ersten Satz von Empfängerspulen, der in einem ersten Abstand von dem Satz von Sendespulen angeordnet ist;
einem zweiten Satz von Empfängerspulen, der in einem zweiten, von dem ersten Abstand unterschiedlichen Abstand von dem Satz von Sendespulen angeordnet ist;
einem Abschwächungsdetektor zum Ermitteln der Abschwächung zwischen Signalen, die von dem ersten Satz von Empfängerspulen empfangen wurden, und Signalen, die von dem zweiten Satz von Empfängerspulen empfangen wurden;
einem Phasendifferenzdetektor zum Ermitteln von Phasendifferenzen zwischen den von dem ersten Satz von Empfängerspulen empfangenen Signalen und den von dem zweiten Satz von Empfängerspulen empfangenen Signalen; und
einem Steuergerät, das ausgelegt ist, Sendespulen in dem Satz von Sendespulen selektiv anzuregen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Messung von Eigenschaften von Erdformationen. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum virtuellen Steuern von Induktionswerkzeugmessungen, um Formationseigenschaften wie z.B. den Neigungswinkel und Formationswiderstand zu bestimmen sowie eine Vorrichtung hierzu.
Die grundlegenden Prinzipien und Techniken zum elektromagnetischen Vermessen für Erdformationen sind wohlbekannt. So war beispielsweise das Induktionsvermessen zur Bestimmung des Widerstandes (oder dessen Inversen, der Leitfähigkeit) von Erdformationen in der Nähe eines Bohrlochs für lange Zeit eine maßgebliche und wichtige Technik bei der Suche nach und der Entdeckung von unterirdischen Erdöl-Lagerstätten. Zusammenfassend gesagt erfolgen die Messungen durch Induzieren von elektrischen Wirbelströmen, damit diese in Ansprechen auf ein Wechselstromsendesignal in den Formationen fließen, und durch Messen der geeigneten Charakteristika eines von den Formationswirbelströmen erzeugten Empfängersignals. Die von diesen Signalen bestimmten Formationseigenschaften werden dann an der Oberfläche in einem Bohrbericht als eine Funktion der Tiefe des Werkzeuges in dem Bohrloch aufgezeichnet.
Unterirdische Formationen, die für das Bohren von Ölbohrlöchern von Interesse sind, liegen typischerweise in der Form einer Reihe relativ dünner Schichten mit jeweils unterschiedlichen lithologischen Charakteristika und somit unterschiedlichen Widerständen vor. Das Induktionsvermessen beabsichtigt im allgemeinen, den Widerstand der verschiedenen Schichten zu bestimmen. Allerdings kann es auch zum Messen der "Neigung" von Formationen verwendet werden.
Bohrloch-Bohrungen fallen im allgemeinen nicht senkrecht zu Formationsschichten aus. Der Winkel zwischen der Achse der Bohrloch-Bohrung und der Ausrichtung der Formationsschichten (dargestellt durch den Normalvektor) verfügt über zwei Komponenten. Diese Komponenten sind der Neigungswinkel und der Auftreffwinkel. Der Neigungswinkel ist der Winkel zwischen der Bohrungsachse des Bohrloches und dem Normalvektor für die Formationsschicht. Der Auftreffwinkel ist diejenige Richtung, in der sich die Bohrungsachse des Bohrloches von dem Normalvektor "weg neigt". Auf diese Begriffe wird nachstehend näher eingegangen.

Die Bestimmung des Neigungswinkels entlang der Länge des Bohrloches spielt bei der Bewertung von möglichen Kohlenwasserstoff-Lagerstätten und bei der Bestimmung von geologischen Strukturen in der Nachbarschaft des Bohrloches eine wichtige Rolle. Derartige strukturelle und schichtenkundliche Informationen sind für die Untersuchung, Herstellung, und Erschließung einer Lagerstätte entschei dend. Weiterhin kann die Neigungswinkelbestimmung zum Kompensieren von Randeffken auf die Widerstandsmessungen verwendet werden. Diesbezüglich wird auf die US-Patentschrift US 5 757 191 von Gianzero Bezug genommen.

Ein Induktionsneigungsmesser wurde zuerst von Moran und Gianzero in "Effects of Formation Anisotropy on Resistivity Logging Measurements" Geophysics, Vol. 44, Nr. 7, S. 1266 (1979) vorgeschlagen und dient hier als Referenz. Ein gepulster elektromagnetischer Neigungsmesser mit räumlich voneinander getrennten Spulen wurde von Gianzero und Su in der im September 1989 angemeldeten US-Patentschrift 5 115 198 vorgeschlagen, auf die hier ebenfalls Bezug genommen wird.

Die obigen Neigungsmesser benutzen multiaxiale Sender- und Empfänger-"Triaden". Sender-Empfänger-Kopplungs-Messungen können sowohl entlang jeder Achse wie zwischen Achsen erfolgen. Da das Prinzip der linearen Überlagerung für elektromagnetische Felder gilt, können Rotationstransformationen zur Manipulierung der Kopplungsmessungen verwendet werden. Die Messungen von "virtuellen" Sendern und Empfängern mit willkürlichen Ausrichtungen können auf diese Weise synthetisiert werden.

Allerdings sind die verlässlichsten Induktionswerkzeuge nicht dazu ausgelegt, Sender-Empfänger-Kopplungen zu messen. Stattdessen sind sie zur Erstellung von inhärent kompensierten Messungen von Signalabschwächungs- und -phasendifferenzen zwischen zwei Empfängerspulen entworfen. Unglücklicherweise gilt die lineare Überlagerung nicht für Signalabschwächungs- und -phasendifferenzen, so dass die Messungen dieser Werkzeuge unter Verwendung bestehender Techniken nicht manipuliert werden können.

Dementsprechend werden hier eine Vorrichtung und ein Verfahren offenbart, die steuerbare Messungen der Abschwächung und von Phasendifferenzen bereitstellen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Vermessungswerkzeug mit zwei Triaden von orthogonalen Empfängern und einer Triade von orthogonalen Sendern vorgesehen. Ein Steuergerät in dem Vermessungswerkzeug aktiviert ausgewählte Sender einzeln und paarweise und bestimmt Messungen von Verhältnissen zwischen Signalen, die von den Empfängertriaden empfangen werden. Die Messung von 16 Verhältnissen reicht aus, um die Bestimmung der Abschwächung und Phasendifferenz zu erlauben, die gemäß den hier angegebenen Gleichungen durch virtuell gesteuerte Empfänger gemessen werden würden.

Ein tiefer gehendes Verständnis der vorliegenden Erfindung wird anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungen möglich, in welchen:
1 eine illustrative Umgebung für die Anwendung eines LWD-Werkzeugs zeigt, d.h. eines Werkzeugs für Arbeitsvorgänge zum Vermessen und gleichzeitigem Bohren;
2 eine Rotationstransformations-Definition demonstriert;
3 ein Abschwächung und Phasendifferenzen messendes Induktionswerkzeug darstellt;
4 ein Modell-Induktionswerkzeug mit Sender- und Empfänger-"Triaden" zeigt; und
5 ein Fließdiagramm für das offenbarte Verfahren zur Bestimmung einer steuerbaren Abschwächung und Phasendifferenz darstellt.
Mit Bezugnahme auf die Figuren zeigt 1 ein während Bohrvorgängen bestehendes Bohrloch. Eine Bohrplattform 2 ist mit einem Bohrturm 4 ausgerüstet, der eine Fördermaschine 6 trägt. Das Bohren von Erdöl- und Gas-Bohrlöchern wird durch ein Gestänge von Bohrrohren durchgeführt, die durch Kupplungen 7 miteinander verbunden sind und damit ein Bohrgestänge 8 ausbilden. An der Fördermaschine 6 hängt eine Mitnehmerstange 10, die das Bohrgestänge 8 durch einen Bohrisch 12 absenkt. Mit dem unteren Ende des Bohrgestänges 8 ist eine Bohrkrone 14 verbunden. Die Krone 14 wird rotiert und das Bohren wird durch ein Drehen des Bohrgestänges 8, durch die Verwendung eines Bohrlochmotors in der Nähe der Bohrkrone, oder durch beide Verfahren bewerkstelligt.
Als Spülschlamm bezeichnetes Bohrfluid wird mittels einer Spülschlamm-Umwälzausrüstung 16 durch ein Zufuhrrohr 18, durch eine Mitnehmerstange 10 und nach unten durch das Bohrgestänge 8 bei hohen Drücken und Volumina gepumpt, um durch in der Bohrkrone 14 befindliche Düsen oder Strahlrohre auszutreten. Anschließend fließt der Spülschlamm zurück das Loch hinauf durch den zwischen der Außenseite des Bohrgestänges 8 und einer Bohrlochwand 20 ausgebildeten Ringraum, durch einen (nicht spezifisch dargestellten) Bohrlochschieber und in ein an der Erdoberfläche befindliches Spülschlammbecken 24. Der Bohrspülschlamm wird an der Erdoberfläche gereinigt und anschließend durch die Umwälzausrüstung 16 zurückgeführt. Der Bohrspülschlamm wird dazu verwendet, die Bohrkrone 14 zu kühlen, um Abtragungen von der Basis des Bohrung zu der Oberfläche zu befördern und um den hydrostatischen Druck in den Steinformationen auszugleichen.
Für LWD-Arbeitsvorgänge sind Bohrlochsensoren 26 in dem Bohrgestänge 8 in der Nähe der Bohrkrone 14 angeordnet. Die Sensoren 26 beinhalten vorzugsweise ein Induktionswerkzeug mit multiaxialen Sendern und Empfängern. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Bohrlochsensoren 26 mit einem Telemetriesender 28 gekoppelt, der Telemetriesignale mittels Modulieren des Spülschlammstroms in dem Bohrgestänge 8 überträgt. Ein Telemetrie-Empfänger 30 ist an die Mitnehmerstange 10 gekoppelt, um gesendete Telemetriesignale zu empfangen. Andere Telemetrie-Übertragungstechniken sind wohlbekannt und können ebenfalls benutzt werden. Der Empfänger 30 überträgt die Telemetrie zu einer an der Oberfläche befindlichen (und nicht spezifisch dargestellten) Installation, welche die Messungen verarbeitet und abspeichert. Die an der Oberfläche befindliche Installation beinhaltet typischerweise ein Computersystem, z.B. einen Desktopcomputer.
1 zeigt, wie die Bohrkrone 14 in eine Formation mit einer Reihe von Schichten 32 eindringt, die unter einem Winkel geneigt sind. Ein den Sensoren 26 zugeordnetes erstes (x,y,z)-Koordinatensystem und ein den Schichten 32 zugeordnetes zweites Koordinatensystem (x'',y'',z'') ist illustriert. Das Schichten-Koordinatensystem weist eine z''-Achse auf, die senkrecht zu der Schichtungsebene verläuft, eine y''-Achse in einer horizontalen Ebene, und eine x''-Achse, die "abwärts geneigt" ist. Wie in 2 dargestellt, stehen die beiden Koordinatensysteme durch zwei Drehungen miteinander in Beziehung. 1 Beginnend mit dem Sensor-Koordinatensystem (x,y,z) erfolgt eine erste Drehung des Winkels β um die z-Achse. Das resultierende Koordinatensystem wird als (x',y',z') bezeichnet. Der Winkel β ist der Auftreffwinkel, der die Richtung der Formationsneigung angibt. Dann erfolgt eine zweite Drehung um den Winkel α um die y'-Achse. Dies richtet das Koordinatensystem mit den Schichten 32 aus. Der Winkel α ist der Neigungswinkel, der den Neigungswinkel der Schichten angibt.
Jeder Vektor in einem der Koordinatensysteme kann unter Verwendung von Rotationstransformations-Matrizen in den Termen des anderen Koordinatensystems ausgedrückt werden. Wenn daher v ein in dem (x,y,z)-Koordinatensystem ausgedrückter Vektor ist, kann er mathematisch wie folgt in dem (x'',y'',z'')-Koordinatensystem ausgedrückt werden: v'' = RαRβv = Rv (1)wobei
Folglich können bei vorliegenden Messungen in dem Koordinatensystem des Induktionswerkzeuges die entsprechenden Messungen in dem Koordinatensystem der Schichten bestimmt werden, wenn der Neigungs- und der Auftreffwinkel bekannt sind. Diese Beziehungen werden wie weiter unten angegeben zum virtuellen Steuern benutzt. Allerdings werden zunächst die Arbeitsprinzipien von Induktionswerkzeugen erläutert.
Wie sämtliche Bohrlochkomponenten sind auch Induktionswerkzeuge einer rauen Umgebung ausgesetzt, die einen großen Temperatur- und Druckbereich beinhaltet. Um eine dementsprechend große Variierung der Leistungsfähigkeit der Werkzeuge zu vermeiden, kommen verschiedene Kompensationstechniken zur Anwendung. Eine nützliche Kompensationstechnik für Induktionswerkzeuge besteht darin, das Werkzeug mit einer symmetrischen Bauweise zu versehen. 3 zeigt ein derartiges Werkzeug.
Ein Induktionswerkzeug 102 beinhaltet zwei Sätze von Sendespulen 104, 112 und zwei Sätze von Empfängerspulen 108, 110. Wie nachstehend erläutert kann jeder Satz vorzugsweise eine "Triade" von orthogonal ausgerichteten Spulen aufweisen. Vorzugsweise wird jede Sendespule reihum angeregt (Zeitmultiplex), obgleich optional ein Frequenzmultiplexen verwendet werden kann. Empfängerspulenmessungen können auf Wunsch im wesentlichen gleichzeitig erfolgen.
Im Betrieb übertragen die Sender 104 und 112 alternierend elektromagnetische Abfragesignale, die sich durch die Bohrloch-Bohrung und die umgebende Formation ausbreiten. Die Empfängerspulen 108, 110 erfassen die elektromagnetischen Abfragesignale und stellen eine Messung der Amplitudenabschwächung und der Phasenverschiebung zwischen den Spulen 108 und 110 bereit. Aus der Amplitudenabschwächung und der Phasenverschiebung kann unter Verwendung konventioneller Techniken der Widerstand der Formation abgeschätzt werden.
Ein Oszillator 114 erzeugt ein sinusförmiges Signal. Ein Verstärker 116 verstärkt das sinusförmige Signal und ein Schalter 118 leitet das verstärkte Signal durch einen der Impedanzanpassungsschaltkreise 120, 122 zu der ausgewählten Sendespule. Von den Empfängerspulen 108, 110 stammende Signale durchlaufen entsprechende Impedanzanpassungsschaltkreise 124 und 126 und werden von zugehörigen Verstärkern 128 und 130 verstärkt. Ein Abschwächungsdetektor 134 misst die Amplitude der Signale von den Verstärkern 128, 130 und bestimmt die Abschwächung durch die Ermittlung des Verhältnisses der Signalamplituden. Ein Phasendifferenzdetektor 132 misst die Phasendifferenz zwischen den Signalen von den Verstärkern 128, 130. Ein digitaler Signalprozessor 144 liest die Abschwächungs- und Phasendifferenzmessungen von den Detektoren 132, 134 aus. Der digitale Signalprozessor steuert die Stellung des Schalters 118, um die sich von jeder der ausgewählten Sendespule ausbreitende Abschwächung und/oder Phasenverschiebung von Signalen zu messen. Eine Implementierung des Abschwächungsdetektors 134 und des Phasendifferenz detektors 132 ist in US-A-5 389 881 (Bittar et. al.) beschrieben, das hier als Referenz dient. Der digitale Signalprozessor 144 stellt dem Telemetriesender 28 vorzugsweise die Abschwächungs- und Phasendifferenzmessungen zwecks Übermittlung an die Oberfläche bereit.
Nun erfolgt eine Herleitung, um zu zeigen, wie zwei symmetrische Hälften eines Widerstandswerkzeuges zur Kompensationsbereitstellung verwendet werden können. Die durch ein Signal in eine Sendespule T in eine Empfängerspule R induzierte Spannung kann geschrieben werden als: V =ξTξRAei(φ+ϕTϕR), (3)wobei ξ_T und ξ_R die intrinsischen Effizienzen des Senders T bzw. Empfängers R und ϕT und ϕR intrinsische Phasenverschiebungen sind, die von dem Sender T bzw. dem Empfänger R induziert sind. In den nachfolgenden Gleichungen werden die Indexe 1 und 2 zur Unterscheidung zwischen den oberen und unteren Sender- und Empfängerspulen verwendet. Die Idealamplitude A und Idealphase φ werden mit Indexen "+" und "-" versehen, um anzuzeigen, ob sie dem Zwischenraum zwischen Sender und Empfänger von L2 oder L1 entsprechen (L1 und L2 sind in 3 dargestellt).
Das Verhältnis zwischen von dem oberen Sender in den beiden Empfängerspulen induzierten Spannungen beträgt:
wobei η₁ = A₊/A_– die ideale Abschwächung und δφ_U = φ₊-φ_– die ideale Phasenverschiebung in dem Signal von dem oberen Sender ist. Ähnlich dazu beträgt das Verhältnis zwischen von dem unteren Sender induzierten Spannungen:
Die intrinsische Empfängereffizienz und -phase kann durch Kombinieren der Gleichungen (4) und (5) eliminiert werden, um zu erhalten:
Die Gleichung (6) stellt daher eine Möglichkeit zur Kompensierung von Variationen in der intrinsischen Effizienz und Phase und zum Erhalt von korrekten Abschwächungs- und Phasenverschiebungsmessungen bereit. Dementsprechend können Abschwächungs- und Phasenverschiebungsmessungen gegenüber direkten Amplituden- und Phasenmessungen bevorzugt werden, da die intrinsischen Schaltkreisvorspannungen eliminiert werden können.
Im nächsten Abschnitt der Erläuterung wird ein vereinfachtes Modell des Werkzeuges zur Bestimmung eines Verfahrens zum Steuern gemessener Abschwächungen und Phasendifferenzen verwendet. Das resultierende Verfahren kann auch für Abschwächungen und Phasendifferenzen verwendet werden, die durch ein wie zuvor beschriebenes kompensiertes Werkzeug gemessen werden.
4 zeigt eine Konzeptionsskizze einer Spulenanordnung für ein Bohrloch-Induktionswerkzeug. Es wird eine Triade von Sendespulen Tx, Ty und T_z bereitgestellt, die jeweils entlang einer jeweiligen Achse ausgerichtet sind. Ebenfalls vorgesehen sind zwei Triaden von ähnlich ausgerichteten Empfängerspulen (R_1x, R_1y, R_1z) und (R_2x, R_2y, R_2z), die von der Sendertriade durch den Abstand L1 bzw. L2 getrennt sind. Jede der Spulen in den Triaden ist parallel zu den entsprechenden Spulen der anderen Triaden angeordnet und die Triaden sind in der z-Achsenrichtung in Abstand voneinander vorgesehen. Die Empfängerspulen-Spannungen V_Rj können wie folgt in Form der Sendespulen-Spannungen V_T ausgedrückt werden: VRj = CjVT, (7) wobei C_j die Kopplungsmatrix zwischen der Sendertriade und der Empfängertriade R_j, j=1,2 ist. Hinsichtlich jeder der Spulen in der Triade betragen die Spannungen:
Die Kopplungsmatrixelemente weisen drei Indexe auf. Der erste Index bezieht sich auf die Empfängertriade, d.h. R₁ oder R₂. Der zweite Index bezieht sich auf die spezifische Spule der Empfängertriade, d.h. R_1x, R_1y, oder R_1z. Der dritte Index bezieht sich auf die spezifische Spule der Sendertriade, d.h. T_x, T_y, oder T_z. Somit bezieht sich beispielsweise C_2xy auf die Kopplung zwischen der Sendespule T_y und der Empfängerspule R_2x.
Aus den Elementen der Kopplungsmatrix kann die Antwort einer willkürlich ausgerichteten Empfängerspule an eine willkürlich ausgerichtete Sendespule synthetisiert werden. Die Kopplung zwischen einer Sendespule, die unter einem Seiten- ("Auftreff')-Winkel von φ und einem Elevations-("Neigungs")-Winkel von θ ausgerichtet ist, und einer mit den gleichen Seiten- und Elevationswinkeln ausgerichteten Empfängerspule beträgt: Cj(φ,θ) = sinθcosφ(Cjxxsinθcosφ + Cjxysinθsinφ + Cjxz cosθ) + sinθsinφ(Cjxysinθcosφ + Cjyysinθsinφ + Cjyzcosθ) + cosθ(Cjzxsinθcosφ + Cjzysinθsinφ + Cjzzcosθ) (9)
Die Gleichungen (8) und (9) gelten für direkte Amplituden- und Phasenmessungen. Zur Benutzung dieser Gleichungen für Abschwächungs- und Phasendifferenzmessungen werden die folgenden Definitionen erstellt: VR2x /VR1x = ζ, VR2y/VR1y = ε , und VR2z/VR1z = γ (10)
Wenn die Sender getrennt voneinander und einzeln aktiviert werden, können die folgenden Verhältnisse gemessen werden:
Die Elemente dieser Kopplungsmatrix können durch ein Werkzeug bestimmt werden, das die Abschwächung und die Phasendifferenz von Signalen misst, die durch ein Reihum-Auslösen der Sender induziert sind.
Die Gleichungen (7) und (9) können kombiniert werden, um die Abschwächung und die Phasendifferenz zwischen zwei mit willkürlichen Seiten- und Elevationswinkeln ausgerichteten Empfängern, die durch einen mit den gleichen Seiten- und Elevationswinkeln ausgerichteten Sender verursacht wird, zu bestimmen. Das Verhältnis ist:
Eine Möglichkeit zum Umschreiben dieses Verhältnisses lautet:
Dementsprechend kann, wenn die folgenden Verhältnisse bestimmt werden können, das gesteuerte Verhältnis der Gleichung (13) evaluiert werden. Die Verhältnisse sind:
Der erste Satz an Verhältnissen ist durch die Messungen (11) bekannt. Zu beachten ist, dass in dem zweiten Satz an Verhältnissen die Kopplungsmatrixelemente für den gleichen Empfänger, jedoch für verschiedene Sender gelten, während in dem dritten Satz an Verhältnissen die Kopplungsmatrixelemente für unterschiedliche Empfänger, aber für den gleichen Sender gelten.
Diese Verhältnisse können durch Messungen bestimmt werden, die bei einer gleichzeitigen Aktivierung der beiden Sender erfolgen. In der folgenden Ableitung wird die Notation der Gleichung (10) beibehalten, jedoch wird ein Index hinzugefügt. Die bei einer gleichzeitigen Erregung der Sender Tx und Tz erfolgenden Messungen werden als ζ1, ε1, und γ1 bezeichnet und die bei einer gleichzeitigen Erregung der Sender Ty und Tz erfolgenden Messungen werden als ζ2, ε2, und γ2 bezeichnet. Die folgenden Beziehungen können manipuliert werden, um die gezeigten Resultate zu erreichen:
Zu beachten ist, dass jeder der Terme in eckigen Klammern aus den Messungen (11) bekannt ist. Somit kann jedes der Verhältnisse in dem zweiten Satz an Verhältnissen bestimmt werden.
Bezüglich des dritten Satzes an Verhältnissen stehen die vier Verhältnisse folgendermaßen miteinander in Beziehung:
wobei wie oben die Terme in eckigen Klammern aus den Messungen (11) bekannt sind. Daher ermöglicht die Bestimmung von zwei dieser Verhältnisse die Berechnung der restlichen beiden.
Diese Verhältnisse können direkt aus dem Verhältnis zwischen den in den R_jx und R_jz Spulen, j=1, 2, induzierten Spannungen und dem Verhältnis zwischen den in den R_jy und R_jz Spulen, j=1, 2, induzierten Spannungen in der gleichen Empfängertriade ermittelt werden. Wahlweise können diese Verhältnisse in der Form einer Abschwächung zwischen Triaden umgeschrieben werden:
Wiederum sind die Terme in eckigen Klammern aus den Messungen in (11) bekannt. Das Verhältnis zwischen in den R_jx und R_kz-Spulen, j≠k, induzierten Spannungen und das Verhältnis zwischen in den R_jy- und R_kz-Spulen, j≠k, induzierten Spannungen kann direkt ermittelt werden. Dieses letztere Verfahren bietet die Möglichkeit einer verbesserten Kompensation in dem sich letztlich ergebenden System.
5 stellt ein Fließdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung eines steuerbaren Kopplungsverhältnisses dar. Zur Evaluierung der Gleichung (13) werden die folgenden 17 Verhältnisse gemessen:
wobei wie in den Gleichungen (28), (29) j=1 und k∈{1,2}. Viele dieser Werte können parallel gemessen werden. Zum Beispiel können in einem kompensierten Werkzeug wie z.B. dem in 3 cdargestellten Werkzeug C_2xz/C_1xz, C_2yz/C_1yz, C_2zz/C_1zz, C_jxz/C_kzz, und C_jyz/C_kzz, zusammen gemessen werden, wenn jeder der T_z-Sender aktiviert ist. Ähnlich dazu können C_2xy/C_1xy, C_2yy/C_1zy, und C_2zy/C_1zy gemeinsam gemessen werden, wenn jeder der T_y-Sender aktiviert ist. C_2xx/C_1xx und C_2yx/C_1yx können zusammen gemessen werden, wenn jeder der T_x-Sender aktiviert ist. ζ1, ε₁, und γ₁ können zusammen gemessen werden, wenn die Sender T_x und T_z gleichzeitig erregt werden, und ζ₂, ε₂, und γ₂ können gemeinsam gemessen werden, wenn die Sender T_y und T_z gleichzeitig erregt werden. Somit sind für jedes Messintervall nicht mehr als fünf Iterationen der Schleife in 5 notwendig.
Die Schleife der 5 beinhaltet Blöcke 302 bis 314. Die in jeder Iteration der Schleife zu messenden Verhältnisse werden in dem Block 302 bestimmt. In dem Block 304 werden die geeigneten Sender von der ersten Triade erregt, und in dem Block 306 werden die ausgewählten Verhältnisse gemessen. In dem Block 308 werden die geeigneten Sender von der zweiten Triade erregt, und in dem Block 310 werden die ausgewählten Verhältnisse wiederum gemessen. Die Verhältnismessungen werden in dem Block 312 zur Bestimmung von kompensierten Verhältnissen kombiniert. In dem Block 314 erfolgt ein Test, um zu bestimmen, ob sämtliche erwünschte Verhältnisse gemessen worden sind. Wenn nicht wird die Schleife wiederholt. Andernfalls wird jedes der kompensierten Verhältnisse an die Oberfläche übermittelt. Dieser Prozess wird für jedes Messintervall wiederholt.
An der Oberfläche können die kompensierten Verhältnisse in den Gleichungen (14) bis (27) benutzt werden, um die für die Gleichung (13) notwendigen Werte zu bestimmen. Anschließend kann die Gleichung (13) für jede erwünschte Ausrichtung evaluiert werden, wodurch eine virtuell gesteuerte Abschwächungs- und Phasendifferenzmessung bereitgestellt wird.
Aus Gründen der Klarheit ist angenommen worden, dass die drei Spulen in jeder Triade wirkliche Spulen darstellen, die in wechselweise senkrechten Richtungen ausgerichtet sind, wobei die z-Achse der langen Achse des Werkzeuges entspricht. Jedoch sei darauf hingewiesen, dass diese Spulenanordnung "synthetisiert" werden kann, indem eine geeignete Transformation an unterschiedlich ausgerichteten Triaden durchgeführt wird. Solche Transformationen sind ausführlich in der US-Patentschrift 6 181 138 von T. Hagiwara und H. Song beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.
Das offenbarte Verfahren kann zur Bestimmung von regionalen Neigungs- und Streichinformationen in Bohrlöchern verwendet werden, wo die Bedingungen für den Betrieb von traditionellen Widerstands-Drahtleitungsneigungsmessern oder widerstandsabbildenden Werkzeugen nicht günstig ausfallen. Solche Bedingungen beinhalten, ohne sich jedoch darauf zu beschränken, mit auf Öl basierendem Spülschlamm gebohrte Bohrlöcher und Bohrlöcher mit sehr faltigen Bohrloch-Bohrungen. Es sei darauf hin gewiesen, dass das offenbarte Verfahren sowohl für Drahtleitungs-Arbeitsvorgänge wie für LWD-Arbeitsvorgänge, d.h. Arbeitsvorgänge mit Vermessung bei gleichzeitigem Bohren, verwendet werden kann. Bei LWD-Arbeitsvorgängen kann das Verfahren zusätzlich zur Bestimmung der regionalen Neigung und Streichrichtung darüber hinaus dazu benutzt werden, die Geosteuerung in stark abgelenkten und/oder horizontalen Bohrlöchern zu erleichtern.
Das neue Verfahren vermag die folgenden Vorteile bereitzustellen: (1) Die vorliegende Erfindung kann wie eine Induktionsvorrichtung in Situationen angewendet werden, wo sich die Bedingungen für die mit fokussiertem Strom arbeitenden Neigungsmesser als nicht günstig erweisen, z.B. in mit auf Öl basierendem Spülschlamm gebohrten Bohrlöchern oder wenn die Bohrloch-Bohrung eine hohe Faltigkeit aufweist. (2) Die offenbarte Vorrichtung kann eine größere Untersuchungstiefe als der Mikroinduktions-Neigungsmesser ermöglichen und somit gegenüber widrigen Bohrlochbedingungen weniger anfällig sein. (3) Die offenbarte Vorrichtung kann aufgrund der inhärenten Kompensation genauere Ergebnisse liefern.

Claims

Vermessungswerkzeug, insbesondere zum Vermessen von Bohrlöchern, versehen mit: einem Satz von Sendespulen; einem ersten Satz von Empfängerspulen, der in einem ersten Abstand von dem Satz von Sendespulen angeordnet ist; einem zweiten Satz von Empfängerspulen, der in einem zweiten, von dem ersten Abstand unterschiedlichen Abstand von dem Satz von Sendespulen angeordnet ist; einem Abschwächungsdetektor zum Ermitteln der Abschwächung zwischen Signalen, die von dem ersten Satz von Empfängerspulen empfangen wurden, und Signalen, die von dem zweiten Satz von Empfängerspulen empfangen wurden; einem Phasendifferenzdetektor zum Ermitteln von Phasendifferenzen zwischen den von dem ersten Satz von Empfängerspulen empfangenen Signalen und den von dem zweiten Satz von Empfängerspulen empfangenen Signalen; und einem Steuergerät, das ausgelegt ist, Sendespulen in dem Satz von Sendespulen selektiv anzuregen.
Vermessungswerkzeug nach Anspruch 1, bei welchem das Steuergerät ausgelegt ist, die Messungen an einem jeden einer Mehrzahl von Intervallen vorzunehmen, wobei die Messungen an jedem der Mehrzahl von Intervallen einen Satz von Abschwächungs- und Phasendifferenzmessungen bilden, der für eine Bestimmung virtuell gesteuerter Abschwächungs- und Phasendifferenzmessungen ausreicht, die einer willkürlichen Ausrichtung der Sende- und Empfängerspulen zugeordnet ist.
Vermessungswerkzeug nach Anspruch 1, ferner versehen mit: einem zweiten Satz von Sendespulen, die in dem zweiten Abstand von dem ersten Satz von Empfängerspulen angeordnet sind und die von dem zweiten Satz von Empfängerspulen in dem ersten Abstand angeordnet sind, wobei das Steuergerät ferner ausgelegt ist, Sendespulen in dem zweiten Satz von Sendespulen anzuregen, um Messungen der Abschwächung und von Phasendifferenzen zwischen von dem zweiten Satz von Empfängerspulen empfangenen Signalen und von dem ersten Satz von Empfängerspulen empfangenen Signalen vorzunehmen.
Vermessungswerkzeug nach Anspruch 3, bei welchem das Steuergerät ausgelegt ist, die Messungen in Ansprechen auf ausgewählte Sendespulen von dem ersten und dem zweiten Satz von Sendespulen bei jedem einer Mehrzahl von Intervallen vorzunehmen, das Steuergerät ausgelegt ist, bei jedem der Mehrzahl von Intervallen entsprechende Messungen von den Messungen in Ansprechen auf den ersten und den zweiten Satz von Sendespulen zu kombinieren, um kompensierte Messungen vorzunehmen, und die kompensierten Messungen bei jedem der Mehrzahl von Intervallen einen Satz von Abschwächungs- und Phasendifferenzmessungen bilden, der die Vornahme einer virtuell gesteuerten Abschwächungs- und Phasendifferenzmessung ermöglicht, die einer willkürlichen Ausrichtung der Sende- und Empfängerspule zugeordnet ist.
Vermessungswerkzeug nach Anspruch 1, bei welchem der erste Satz von Empfängerspulen drei orthogonal ausgerichtete Empfängerspulen beinhaltet.
Vermessungswerkzeug nach Anspruch 5, bei welchem der zweite Satz von Empfängerspulen drei orthogonal ausgerichtete Empfängerspulen beinhaltet, die jeweils parallel zu einer entsprechenden der drei orthogonal ausgerichteten Empfängerspulen in dem ersten Satz von Empfängerspulen ausgerichtet sind.
Vermessungswerkzeug nach Anspruch 6, bei welchem der Satz von Sendespulen zwei orthogonal ausgerichtete Sendespulen beinhaltet, die jeweils parallel zu einer entsprechenden der drei orthogonal ausgerichteten Empfängerspulen in dem ersten Satz von Empfängerspulen ausgerichtet sind.
Vermessungswerkzeug nach Anspruch 6, bei welchem die Sendespulen drei orthogonal ausgerichtete Sendespulen beinhalten.
Vermessungswerkzeug nach Anspruch 8, bei welchem die drei orthogonal ausgerichteten Sendespulen jeweils zu einer entsprechenden der drei orthogonal ausgerichteten Empfängerspulen in dem ersten Satz von Empfängerspulen parallel sind.
Vermessungswerkzeug nach Anspruch 9, bei welchem das Vermessungswerkzeug eine lange Achse aufweist, wobei der Satz von Sendespulen, der erste Satz von Empfängerspulen, und der zweite Satz von Empfängerspulen jeweils eine Spule aufweisen, die entlang der langen Achse ausgerichtet ist und die hier mit T_z, R_1z bzw. R_2z bezeichnet sind, wobei der Satz von Sendespulen, der erste Satz von Empfängerspulen und der zweite Satz von Empfängerspulen jeweils zwei senkrecht zu der langen Achse ausgerichtete Spulen aufweisen, die hier als T_xund T_y, R_1x und R_1y bzw. als R_2x und R_2y, bezeichnet sind, und wobei das Steuergerät separat jede der Sendespulen anregt, um Messungen der folgenden Verhältnisse
vorzunehmen, wobei C_juv die elektromagnetische Kopplung zwischen dem Sender T_v(v∈{x,y,z}) und dem Empfänger R_ju(j ∈ {1,2}, und u ∈ {x,y,z}) bestimmt.
Vermessungswerkzeug nach Anspruch 10, bei welchem das Steuergerät ferner Messungen der folgenden Verhältnisse vornimmt:
wobei j, k, m, und n, jeweils mindestens einen vorgewählten Wert aus der Menge {1, 2} haben.
Vermessungswerkzeug nach Anspruch 10, bei welchem das Steuergerät T_x und T_z gemeinsam anregt, um Messungen der folgenden Verhältnisse
vorzunehmen und ferner T_y und T_z gemeinsam anregt, um Messungen der folgenden Verhältnisse
vorzunehmen.
Verfahren zum Vermessen von Bohrlöchern, bei welchem: ein Vermessungswerkzeug entlang dem Bohrloch geführt wird, wobei das Vermessungswerkzeug eine erste Triade von orthogonalen Empfängern und eine zweite unterschiedliche Triade von orthogonalen Empfängern aufweist; Sätze von Messungen an jedem einer Mehrzahl von Punkten entlang dem Bohrloch vorgenommen werden, wobei jeder Satz von Messungen Verhältnisse zwischen Signalen von Empfängern in der ersten Triade und Signalen von Empfängern in der zweiten Triade umfasst; und aus den Verhältnissen ein Abschwächungswert und ein Phasendifferenzwert zwischen Empfängern zwischen Empfängern der ersten und der zweiten Triade bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem jeder Satz von Messungen ausreicht, um einen Abschwächungswert und einen Phasendifferenzwert zwischen zwei virtuellen Empfängern, die eine gemeinsame willkürliche Ausrichtung haben, zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Abschwächungs- und Phasendifferenzwerte solche sind, wie sie von einem virtuellen Sender induziert werden, der die willkürliche Ausrichtung der beiden virtuellen Empfänger teilt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem das Vermessungswerkzeug zwei Triaden von Sendespulen aufweist, die symmetrisch in Abstand zu den Empfängertriaden angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem das Vermessungswerkzeug eine lange Achse aufweist, wobei das Vermessungswerkzeug eine Triade von orthogonalen Sendespulen aufweist; wobei die Sendertriade, die erste Empfängertriade, und die zweite Empfängertriade jeweils ein Element aufweisen, das entlang der langen Achse ausgerichtet ist und die hier mit T_z, R_1z bzw. R_2z bezeichnet werden; wobei die Sendertriade ferner zwei Elemente umfasst, die hier mit T_x und T_y, bezeichnet sind, und die orthogonal zueinander und orthogonal zu T_z, ausgerichtet sind, wobei die erste Empfängertriade zwei Elemente aufweist, die hier mit R_1x und R_1y bezeichnet sind und die parallel zu T_x bzw. T_y ausgerichtet sind, wobei die zweite Empfängertriade zwei Elemente aufweist, die hier mit R_2x und R_2y bezeichnet und ebenfalls parallel zu T_x bzw T_y ausgerichtet sind, wobei im Zuge der Erfassung jedes der Elemente T_x, T_y, und T_z separat angeregt wird, um Messungen der folgenden Verhältnisse
vorzunehmen, wobei C_juv die elektromagnetische Kopplung zwischen dem Element T_v(v ∈ {x,y,z}) und dem Element R_ju (j ∈{1,2}, und u ∈{x,y,z}) bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem im Zuge der Erfassung ferner Messungen der Verhältnisse
vorgenommen werden, wobei j, k, m, und n, jeweils einen vorbestimmter Wert aus der Menge {1, 2} haben.
Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem im Zuge der Erfassung ferner T_x und T_z gemeinsam angeregt werden, um die folgenden Verhältnisse:
zu bestimmen; und T_y und T_z gemeinsam angeregt werden, um die folgenden Verhältnisse zu bestimmen: