DE10316206A1

DE10316206A1 - Galvanische Messvorrichtung und Verfahren zur Messung elektrischer Anisotropien

Info

Publication number: DE10316206A1
Application number: DE10316206A
Authority: DE
Inventors: Stanley C Gianzero; Li Gao
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2003-10-30
Also published as: GB2389421B; GB0308209D0; US20030197510A1; NO20031624L; NO20031624D0; CA2424875A1; AU2003203453A1; GB2389421A; CA2424875C; AU2003203453B2; US6765386B2; FR2838475A1; FR2838475B1; BR0300985A

Abstract

Es wird ein Messgerät offenbart, um die Anisotropie des spezifischen Widerstands einer Formation zu messen, die sich um ein Bohrloch herum befindet. Das Messgerät beinhaltet einen Satz von Elektroden, die in Kontakt mit der Wand des Bohrlochs sind. Der Satz von Elektroden beinhaltet ein erstes Paar von Stromelektroden, die vertikal in Abstand angeordnet sind, und ein zweites Paar von Stromelektroden, welche horizontal in Abstand angeordnet sind. Zwischen dem ersten und zweiten Paar von Stromelektroden befinden sich zwei oder mehr Messelektroden, die die Spannungsdifferenzen entlang einer vertikalen und einer horizontalen Achse messen, welche durch die Ströme verursacht werden, die zwischen den Paaren der Stromelektroden fließen. Eine Anisotropie des spezifischen Widerstandes kann aus den gemessenen Spannungsdifferenzen berechnet werden. Ein drittes Paar von Stromelektroden, welches senkrecht bezüglich dem ersten und zweiten Paar von Stromelektroden orientiert ist, kann mit korrespondierenden Messelektroden versehen sein, wenn die biaxiale Anisotropie des spezifischen Widerstandes der Formation berechnt werden soll.

Description

Die vorliegende Erfindung betritt ein Verfahren und eine Vorrichtung, um die elektrischen Eigenschaften einer Formation zu messen, welche einen Bohrschacht umgibt. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, um horizontale und vertikale spezifische Widerstände in anisotropen Formationen zu bestimmen.
Es ist bekannt, dass unterirdische Formationen, die ein Bohrloch in der Erde umgeben, bezüglich der Leitung von elektrischen Strömen anisotrop sein können. Das Phänomen der elektrischen Anisotropie ist im allgemeinen die Konsequenz von entweder der mikroskopischen oder der makroskopischen Geometrie oder eine Kombination daraus, wie im folgenden beschrieben wird.
Viele unterirdische Formationen beinhalten sedimentäre Schichten, in denen ein elektrischer Strom leichter in einer Richtung fließen kann, die parallel zu den Schichtungsebenen ist, als in einer Richtung senkrecht zu den Schichtungsebenen. Ein Grund hierfür ist, dass eine große Anzahl von mineralischen Kristallen einen flache oder langgestreckte Form haben (z. B. Glimmer oder Kaolin). Zu dem Zeitpunkt, in dem sie sich ablagerten, nahmen sie naturgemäß eine Orientierung parallel zur Ebene der Sedimentation ein. Die Zwischenräume in den Formationen sind deshalb im allgemeinen parallel zu der Schichtungsebene, und der Strom kann sich leicht entlang dieser Zwischenräume ausbreiten, welche oft elektrisch leitendes, mineralisiertes Wasser enthalten. Diese elektrische Anisotropie, manchmal mikroskopische Anisotropie genannt, wird vorwiegend in Schiefer beobachtet.
Viele unterirdische Formationen enthalten auch eine Reihe von relativ dünnen Schichten, die unterschiedliche lithologische Charakteristiken und damit unterschiedliche spezifische Widerstände haben. Bei Systemen zum Bohrlochmessen sind die Abstände zwischen den Elektroden oder Antennen so groß, dass das Volumen, welches in eine Messung einbezogen wird, mehrere solcher dünnen Schichten beinhalten kann. Wenn einzelne Schichten weder abgegrenzt noch durch das Messinstrument aufgelöst werden, reagiert das Instrument auf die Formation, als wenn sie eine makroskopisch anisotrope Formation wäre. Eine dünn geschichtete Sand/Schiefer-Abfolge ist ein besonders wichtiges Beispiel für eine makroskopisch anisotrope Formation.
Wenn eine Probe von einer unterirdischen Formation geschnitten wird, wird der spezifische Widerstand der Probe der mit einem Strom gemessen wird, der parallel zu den Schichtungsebenen fließt, der transversale oder horizontale spezifische Widerstand ρ_h genannt. Der Kehrwert von ρ_h ist die horizontale Leitfähigkeit σ_h. Der spezifische Widerstand der Probe gemessen mit einem Strom, der senkrecht zu der Schichtungsebene fließt, wird longitudinaler oder vertikaler spezifischer Widerstand ρ_v, genannt und sein Kehrwert ist die vertikale Leitfähigkeit σ_v. Der uniaxiale Anisotropie-Koeffizient λ ist definiert als:
In einigen Formationen gibt es eine zusätzliche Komplikation, indem sogar für Ströme, die parallel zu der Schichtungsebene fließen, die Leitfähigkeit mit der Richtung variiert. Diese Situation wird "biaxiale Anisotropie" genannt, und ist durch drei verschiedene Leitfähigkeiten entlang jeder der drei verschiedenen Achsen charakterisiert. Die Leitfähigkeit für Ströme, die entlang der Z-Achse fließen (d. h. senkrecht zur Schichtungsebene) ist σ_Z, während die Leitfähigkeit für Ströme, die entlang der X-Achse fließen (d. h. parallel zur Schichtungsebene und in Richtung des geringsten Widerstandes) Ba ist. Die Leitfähigkeit für Ströme, die entlang der Y-Achse fließen (d. h. senkrecht zur X- und Z-Achse) ist σ_y. Die biaxialen Anisotropie- Koeffizienten λ_xz, λ_yz sind definiert als
In Situationen, wo das Bohrloch die Formation im wesentlichen senkrecht zu den Schichtungsebenen durchstößt, sind die gängigen Messinstrumente zur Messung des spezifischen Widerstandes fast ausschließlich für die horizontale Komponente des spezifischen Formationswiderstandes sensitiv. Für induktive Messgeräte ist dies eine Konsequenz der induzierten Ströme, die in horizontalen Ebenen fließen. Für galvanische Instrumente ist der Mangel an Sensitivität für die Anisotropie sogar noch stringenter durch das "Paradoxon der Anisotropie", welches besagt, dass jedes Feld von Elektroden oder Sensoren, welches entlang der Achse eines Bohrschachts in vertikaler Richtung angeordnet ist, unempfindlich bezüglich der vertikalen Komponente des spezifischen Widerstands ist, obwohl man intuitiv das Gegenteil erwartet.
Eine ganze Anzahl von nicht-galvanischen Messinstrumenten wurde entworfen, um uniaxiale Anisotropie zu detektieren. Siehe z. B. U.S.-Patent Nr. 4,302,722, ausgegeben am 24. November 1981. Solche Instrumente sind nicht fähig, biaxiale Anisotropie zu messen, und außerdem ineffizient in nichtleitender, ölbasierender Bohrspülung. Ein Gerät wäre wünschenswert, welches in solchen Umgebungen funktionieren kann, und welches biaxiale Anisotropie messen kann.
Dementsprechend wird hier ein Messgerät offenbart, welches die Widerstands-Anisotropie von Formationen messen kann, die ein Bohrloch umgeben. In einer Ausführungsform beinhaltet das System ein Messgerät, welches mit einer Oberflächeneinheit verbunden ist. Das Messgerät beinhaltet einen Satz von Elektroden, die in Kontakt mit der Wand des Bohrlochs stehen, wobei der Satz von Elektroden ein erstes Paar von vertikal in Abstand angeordneten Stromelektroden beinhaltet, sowie ein zweites Paar von horizontal in Abstand angeordneten Stromelektroden. Zwischen dem ersten Paar von Stromelektroden sind zwei oder mehr Messelektroden, welche eine Spannungsdifferenz entlang der vertikalen Achse messen, welche von einem Strom, der zwischen dem ersten Paar von Stromelektroden fließt, verursacht wird. In ähnlicher Weise messen zwei oder mehr Messelektroden zwischen dem zweiten Paar von Stromelektroden eine Spannungsdifferenz entlang der horizontalen Achse, welche durch einen Strom verursacht wird, der zwischen dem zweiten Paar von Stromelektroden fließt. Eine Widerstands-Anisotropie kann aus den gemessenen Spannungsdifferenzen berechnet werden. Es kann ein drittes Paar von Stromelektroden vorgesehen sein, welches senkrecht bezüglich dem ersten und dem zweiten Paar von Stromelektroden ausgerichtet ist. Die Messelektroden zwischen dem dritten Paar von Stromelektroden können dazu benutzt werden, eine dritte Spannungsdifferenz zu messen, welche dazu verwendet werden kann, zusammen mit den anderen Spannungsdifferenzen die biaxiale Widerstands-Anisotropie der Formation zu messen. Die Anisotropieberechnungen werden vorzugsweise durch die Oberflächeneinheit durchgeführt, nachdem diese vom Messgerät die Messwerte empfangen hat.
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung erhält man, wenn die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform zusammen mit den folgenden Zeichnungen in Betracht gezogen wird, wobei:
Fig. 1 die Umgebung bei einem Drahtleitungsmessvorgang zeigt;
Fig. 2 eine Aufsicht einer ersten Ausführungsform eines Messgerätes in einem Bohrloch zeigt;
Fig. 3 eine Aufsicht einer zweiten Ausführungsform eines Messgerätes in einem Bohrloch zeigt;
Fig. 4 eine bevorzugte Elektrodenkonfiguration zeigt;
Fig. 5 ein Modell einer Elektrodenkonfiguration zeigt; und
Fig. 6 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zeigt. Während die Erfindung in verschiedenen alternativen Formen und mit einer Vielzahl von Modifikationen ausgeführt werden kann, werden verschiedene Ausführungsformen daraus hier als Beispiele in den Zeichnungen gezeigt und im Detail beschrieben. Die Zeichnungen und detaillierten Beschreibungen zu den hier offenbarten speziellen Ausführungen sind jedoch nicht als Einschränkungen der Erfindung zu verstehen, sondern es ist im Gegenteil die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalenzen und Alternativen abzudecken, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, wie sie in den Ansprüchen definiert ist. Es wird darauf hingewiesen, dass im folgenden die Bezeichnungen horizontal und vertikal als die Richtungen parallel bzw. senkrecht zu der Schichtungsebene definiert sind.
Bei den Figuren zeigt Fig. 1 einen Bohrschacht während eines Drahtleitungsmessvorgangs. Eine Bohrplattform 102 ist mit einem Bohrgerüst 104 ausgestattet, welches ein Hebewerk 106 abstützt. Das Bohren von Öl- oder Gasbohrschächten wird mit einem Bohrstrang durchgeführt, der normalerweise von dem Hebewerk 106 abgestützt ist und durch den Drehtisch 112 gedreht wird. Eine Bohrkrone am Ende des Bohrstrangs bohrt stufenweise den Bohrschacht 114. Während der Bohrschacht 114 gebohrt wird, wird Bohrspülung (oft auch "Bohrschlamm" genannt) durch den Bohrstrang und zurück durch den Ringraum zwischen Bohrstrang und Bohrschacht umgewälzt. Bei Drahtleitungsmessvorgängen wird der Bohrstrang aus dem Bohrschacht 114 entfernt, und eine Instrumentensonde 116 in den schlammgefüllten Bohrschacht 114 abgesenkt.
Die Sonde 116 ist an einem Drahtleitungskabel 108 aufgehängt und wird abgesenkt und wieder zurückgezogen. Das Drahtleitungskabel transportiert Kommando- und Telemetriesignale zwischen der Sonde 116 und der Oberflächeneinrichtung 120. Die Oberflächeneinrichtung 120 beinhaltet vorzugsweise eine Datenakquisitions und -speicherungseinheit (hier nicht im Detail gezeigt), um von der Sonde 116 empfangene Messdaten aufzuzeichnen. Die Datenakquisitions und -speicherungseinheit kann aus einem Computer bestehen, welcher zudem für eine Vorort- Verarbeitung der Messdaten sorgt.
Nachdem die Sonde 116 bis zum Boden des Bohrschachts (oder zumindest unter die Region von Interesse) abgesenkt worden ist, werden Vorspannelemente eingesetzt. Die Vorspannelemente sorgen für einen Kontakt mit der Wand des Bohrschachts, während sich die Sonde aufwärts bewegt. Während sich die Sonde 116 im Bohrloch aufwärts bewegt, führt sie Messprozesse durch, die dafür entworfen wurden, eine oder mehrere Charakteristika der Formationen 119, die den Bohrschacht 114 umgeben, zu messen.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht von unten auf eine Sonde 116, mit einer bevorzugten Ausführungsform eines Vorspannelements. In dieser Konfiguration wird ein Arm ausgefahren, um einen Gleiter 202 gegen die Wand des Bohrschachts 114 zu drücken. Der Gleiter 202 ist vorzugsweise ein Messgleiter wie weiter unten beschrieben wird. Der Kontakt wird gewährleistet, indem der Arm so weit ausgefahren wird, dass die Breite des Messgeräts gleich dem Durchmesser des Bohrschachts 114 ist. Der Arm ist vorzugsweise gegen die Wand federvorgespannt, um den Kontakt unabhängig von Unregelmäßigkeiten des Bohrschachts beizubehalten.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht von unten auf die Sonde 116 mit einer alternativen Konfiguration des Vorspannelements. Bei dieser Konfiguration wird die Sonde 116 ungefähr in der Mitte des Bohrschachts 114 gehalten, indem mehrere Vorspannelemente benutzt werden. Zumindest zwei dieser Elemente sind vorzugsweise Gleiter 202, 302, welche Messungen an orthogonalen Azimutwinkeln durchführen, wie weiter unten beschrieben wird. Die gesamte Anzahl von Vorspannelementen ist vorzugsweise mindestens drei, und diese Anzahl kann auch Gleiter 304 enthalten, die keine Messungen durchführen.
Es sei erwähnt, dass es im Stand der Technik viele geeignete Konfigurationen für Vorspannelemente gibt und dass in Zukunft weitere entwickelt werden können. Geeignete Vorspannelemente können Federarme, Bogenfedern und Ballone enthalten. Die Benutzung von verschiedenen Typen und einer unterschiedlichen Anzahl von Vorspannelementen ist in alternativen Ausführungsformen vorgesehen.
Fig. 4 zeigt eine vorgeschlagene Elektrodenkonfiguration für einen Messgleiter für ein neuartiges Abbildungssystem mit ölbasierendem Schlamm (Oil Based Mud Imaging, OBMI). OBMI-Geräte sind nützlich, um eine hochaufgelöste Messung des spezifischen Formationswiderstandes in Formationen zu erhalten, welche einen Bohrschacht umgeben, wenn der Bohrschacht einen nicht leitenden Bohrschlamm enthält. Eine detaillierte Besprechung der existierenden OBMI-Anlagen findet sich in US-Patent Nr. 6,191,588, herausgegeben am 20. Februar 2001.
In der vorgeschlagenen Elektrodenkonfiguration von Fig. 4 ist eine Stromquellenelektrode 402 horizontal entlang dem oberen Rand der Konfiguration angeordnet, und eine Stromabzugselektrode 404 ist horizontal entlang dem unteren Rand der Konfiguration angeordnet. Ein Stromquellentreiber (hier nicht gezeigt) ist zwischen die Quellen- und die Abzugselektrode gekoppelt, um einen vorgegebenen Stromwert zwischen der Quelle 402 und dem Abzug 404 fließen zu lassen.
Eine zweite Stromquellenelektrode 408 ist vertikal entlang dem rechten Rand der Konfiguration angebracht und eine Stromabzugselektrode 406 ist vertikal entlang dem linken Rand der Elektronenkonfiguration angebracht. Ein zweiter Stromquellentreiber (hier nicht gezeigt) ist zwischen die Quellen- und die Abzugselektrode gekoppelt, um einen vorgegebenen Stromwert zwischen der Quelle 408 und dem Abzug 406 fließen zu lassen.
Die Stromquellentreiber können Wechselströme oder Gleichströme zwischen den Quellen- und Abzugselektroden treiben. Die Stromquellentreiber können parallel oder alternativ in Zeitmultiplexbetrieb operieren (d. h. sie können abwechselnd betrieben werden). Wenn die Stromquellentreiber parallel betrieben werden, so liefern sie vorzugsweise Wechselströme mit unterschiedlichen Frequenzen, aber dies ist keine Notwendigkeit.
Ein Satz von Messelektroden ist in der Region zwischen den Quellen- und Abzugselektroden vorgesehen. Jede dieser Elektroden ist mit einem zugehörigen Verstärker mit hohem Eingangswiderstand und Analog/Digital-Wandler (hier nicht gezeigt) gekoppelt, welcher das Spannungssignal der Messelektrode misst. Die gemessenen Spannungen können im Bohrloch verarbeitet werden, und auf jeden Fall werden sie zur der an der Oberfläche befindlichen Datenakquisitions- und Speicherungseinheit kommuniziert.
In dem Satz von Messelektroden, die in Fig. 4 gezeigt sind, sind vier Messelektroden 410 bis 416 speziell gekennzeichnet. Diese Messelektroden sind symmetrisch bezüglich der horizontalen und vertikalen Mittelachsen der Elektrodenkonfiguration angeordnet und befinden sich nahe der Mitte der Elektrodenkonfiguration. Die Spannungen von diesen Elektroden können benutzt werden, um die gewünschten Messspannungen, wie weiter unten beschrieben, abzuschätzen.
Die Elektrodenkonfiguration von Fig. 4 ist vorzugsweise auf (oder in) einer nichtleitenden Oberfläche angebracht, welche die Wand des Bohrschachts 114 kontaktiert. Dementsprechend kann die Oberfläche (z. B.) eine Keramik-, Plastik- oder Gummi-Oberfläche sein, die eine Krümmung aufweist, die so ausgelegt ist, dass sie zur Krümmung der Wand des Bohrschachts passt.
Fig. 5 zeigt ein idealisiertes Modell 501 der Elektrodenkonfiguration. In dem idealisierten Modell sind die Elektroden Punktkontakte. Die Quellelektrode 402 wird in dem Modell als Punktstromquelle 502 wiedergegeben, die Abzugselektrode 404 als Punktstromabzug 504, die Quellelektrode 408 als Punktstromquelle 508 und die Abzugselektrode 406 als Punktstromabzug 506. In dem Modell 501 werden Spannungsmessungen an den Punkten 510 und 512 durchgeführt, welche nahe beieinander liegende Messpunkte sind, die auf einer Mittellinie zwischen den Punkten 502 und 504 liegen, und welche bezüglich der Mittellinie zwischen den Punkten 506 und 508 symmetrisch liegen. In ähnlicher Weise werden Spannungsmessungen an den Punkten 515 und 511 durchgeführt, bei welchen es sich um nahe beieinander liegende Messpunkte handelt, die auf der Mittellinie zwischen den Punkten 506 und 508 liegen, und die symmetrisch bezüglich der Mittellinie zwischen den Punkten 502 und 504 angeordnet sind.
Die Modellmessungsspannungen können auf verschiedenen Wegen abgeschätzt werden. In einer Ausführungsform wird die Modellmessung am Punkt 510 abgeschätzt durch die tatsächliche Messung an der Elektrode 410, und die Modellmessung am Punkt 512 wird abgeschätzt als tatsächliche Messung an der Elektrode 412. Die Modellmessung am Punkt 511 wird abgeschätzt als die tatsächliche Messung an Elektrode 410, und die Modellmessung an Punkt 515 wird abgeschätzt als die tatsächliche Messung an Elektrode 414.
In alternativen Ausführungsformen können die Modellmessungen durch Mittelung abgeschätzt werden. Beispielsweise kann die Modellmessung am Punkt 511 abgeschätzt werden, indem die tatsächlichen Messungen an den Elektroden 410 und 412 gemittelt werden. In ähnlicher Weise kann die Modellmessung am Punkt 515 abgeschätzt werden, indem zwischen den tatsächlichen Messungen an den Elektroden 410 und 416 gemittelt wird.
In einem idealisierten Modell kann die Krümmung und Größe des Messgleiters 202 vernachlässigt werden. Es hat sich herausgestellt, dass gute Messwerte erhalten werden können, wenn man annimmt, dass die Elektrodenkonfiguration auf einer unendlichen, planaren, nichtleitenden Oberfläche liegt. Die Modellkoordinaten sind bezüglich der Formation so definiert, dass die Z-Achse senkrecht zur Schichtungsebene ist und die X-Achse parallel zur Schichtungsebene sowie parallel zur (planaren) Oberfläche des Messgleiters (z. B. Gleiter 202) ist. Die Y-Achse ist ebenso parallel zur Schichtungsebene und parallel zur Oberfläche des Messgleiters (z. B. Gleiter 302), aber sie ist senkrecht zur X-Achse.
Wenn sich die Formation bezüglich dem Bohrloch neigt, kann eine zusätzliche Datenverarbeitung notwendig sein, um die idealen Messwerte von den tatsächlichen Messwerten abzuleiten. Solch eine Datenverarbeitung ist langwierig und es wird auf jeden Fall erwartet, dass es im Rahmen der Fähigkeiten eines Fachmanns liegt, sie durchzuführen. Dementsprechend basieren die folgenden Ableitungen auf der Annahme, dass die Modellachsen entlang der Formationsachsen ausgerichtet sind.
Wenn ein Strom von der Stromquelle 502 zum Abfluss 504 getrieben wird, so kann das Potential (d. h. die Spannung), welche am Messpunkt 510 generiert wird, ausgedrückt werden als Lösung einer Integralgleichung über die Oberfläche S₀ des Gleiters, auf dem die Elektroden platziert sind. Die folgende Integralgleichung stellt die Lösung dar für ein Potential als Funktion des Quellvektors r₀ ^S (der Vektor vom Zentrum der Konfiguration zum Punkt 502) und dem Messvektor r (der Vektor vom Zentrum zum Punkt 510):

wobei n₀ ein Einheitsvektor ist, welcher senkrecht ist zur Oberfläche des Gleiters, und σ ein Leitfähigkeitstensor ist, der (im uniaxialen Fall) dargestellt wird als

mit der vertikalen Leitfähigkeitskomponente σ_v, welche entlang der positiven Z-Achse (Fig. 5) orientiert ist. Der Term G(r,r₀ ^S) ist die folgende Greensche Funktion:

wobei die Abstände der Quelle und des Bildes gegeben sind durch
Der Anisotropiekoeffizient in den Gleichungen oben ist in der üblichen Art und Weise definiert,

Da der Gradient der Greenschen Funktion so gewählt ist, dass er an der Oberfläche des Gleiters verschwindet, ist die Lösung für das Potential, welches erzeugt wird durch eine Einheitsstromquelle am Punkt (0,0,z₀) (d. h. die Koordinaten des Punktes 502) für einen Messpunkt (0,0, z_n) (d. h. Punkt 510), gegeben durch:
In ähnlicher Art und Weise generiert eine Einheitsstromquelle, welche am Punkt (x₀,0,0) (d. h. am Punkt 508) angeordnet ist, folgendes Potential bei (x_m,0,0) (d. h. bei Punkt 515):
Der scheinbare spezifische Widerstand R_a ^z entlang der Z-Achse (welcher der horizontalen Komponente des spezifischen Widerstands der Formation entspricht) kann bestimmt werden, indem man das gemessene Potential in Gleichung (5a) mit der folgenden Gerätekonstanten multipliziert:
Ähnlich kann der scheinbare spezifische Widerstand R_a ^x entlang der X-Achse bestimmt werden, indem man das gemessene Potential in Gleichung (5b) mit der folgenden Gerätekonstanten multipliziert:
Die Formationsanisotropie kann dann berechnet werden als:
Diese Theorie kann auf das OBMI-Gerät angewendet werden, wenn man berücksichtigt, dass die Messung der Spannungsdifferenz (z. B. die Differenz zwischen den Punkten 510 und 512) die Differenz ist zwischen den theoretischen Messungen, welche jeweils von der Quelle und der Senke verursacht werden. Wenn die Quell- und Senkenelektroden symmetrisch platziert sind, und die Messelektroden ebenso symmetrisch platziert sind, können die gemessenen horizontalen und vertikalen Unterschiede ausgedrückt werden durch
Der scheinbare spezifische Widerstand R_a ^x entlang der X-Achse kann berechnet werden, indem man die gemessene Spannungsdifferenz in Gleichung (8a) mit der folgenden Gerätekonstanten multipliziert:

und der scheinbare spezifische Widerstand R_a ^z der Z-Achse (welcher dem spezifischen Formationswiderstand in horizontaler Richtung ρ_h entspricht), kann berechnet werden, indem die gemessene Spannungsdifferenz in Gleichung (5b) multipliziert wird mit:
Der Anisotropiekoeffizient X wird berechnet wie in Gleichung (7) dargestellt. Die vertikale Komponente des spezifischen Formationswiderstands ρ_v kann dann aus der Definition des Anisotropiekoeffizienten berechnet werden.
Die obigen Gleichungen liefern eine Lösung für den Fall der uniaxialen Anisotropie. Wenn man biaxiale Anisotropie messen will, kann ein zweiter Messgleiter im rechten Winkel zum ersten Messgleiter (siehe z. B. Fig. 3) benutzt werden, so dass Messungen des spezifischen Widerstands entlang der Y-Achse gemacht werden können. Wenn man wieder mit Gleichung (1) beginnt, ist der Leitfähigkeitstensor für den biaxialen Fall gegeben durch

wobei die vertikale Leitfähigkeitskomponente σ_z entlang der Z-Achse ausgerichtet ist. Die entsprechende Greensche Funktion ist gegeben als:

wobei die Abstände von Quelle und Bild gegeben sind durch
Die theoretischen Messwertpotentiale für den ersten Messgleiter sind:
Das theoretische Messwertpotential auf dem zweiten Gleiter ist
Von diesen Gleichungen können die erwarteten Spannungsdifferenzen des OBMI-Geräts ausgedrückt werden als:
Die scheinbaren spezifischen Widerstände R x|a, R y|a, R z|a können bestimmt werden, indem die gemessenen Spannungsdifferenzen in den Gleichungen (14a) bis (14c) mit den entsprechenden folgenden Gerätekoeffizienten multipliziert werden:
Es ist zu beachten, dass die Gerätekoeffizienten die gleiche Form aufweisen wie die der Gleichungen (9a), (9b) (im uniaxialen Fall). Die spezifischen Formationswiderstände ρ_x, ρ_y, ρ_z können berechnet werden von den scheinbaren spezifischen Widerständen ρ_x, ρ_y, ρ_z wie folgt:
Die Formationsanisotropien λ_xz, λ_yz können darin aus den spezifischen Formationswiderständen entsprechend ihrer Definition berechnet werden.
Es ist zu erwarten, dass die Abweichungen zwischen dem Modell und dem tatsächlichen Messinstrument (z. B. die Krümmung und die endliche Ausdehnung des Messgleiters) es wünschenswert machen, dass die Gerätekoeffizienten etwas angepasst werden, um die besten Resultate zu erhalten. Außerdem sollten die Messungen normalisiert werden bezüglich dem Strom, da die obigen Ableitungen auf einem Einheitsstromwert basieren. Eine Methode, um die optimalen Gerätekoeffizienten zu bestimmen, ist die Kalibrierung der Gerätemessungen in bekannten Umgebungen.
In Fig. 6 wird nun die bevorzugte Methode beschrieben. Das Messgerät wird in einen Bohrschacht gebracht und die Messung wird begonnen, indem das Gerät entlang des Bohrschachts bewegt wird. In Block 602 wird ein Strom zwischen den horizontalen Stromelektroden eines gegebenen Messgleiters getrieben (z. B. Elektroden 406, 408 von Gleiter 202) und eine Spannungsdifferenz wird entlang der X-Achse gemessen. Die Spannungsdifferenz kann direkt gemessen werden (z. B. zwischen den Messelektroden 410, 414 von Gleiter 202), oder kann von den Spannungen von mehr als zwei Messelektroden bestimmt werden. Der zweite Ansatz kann bessere Signal-zu-Rausch-Verhältnisse und/oder verbesserte Zuverlässigkeit bieten.
In Block 604 wird ein Strom zwischen den horizontalen Stromelektroden eines zweiten Messgleiters (z. B. Elektroden 406, 408 von Gleiter 302) getrieben, und eine Spannungsdifferenz wird in Y-Achsen-Richtung gemessen. Wie zuvor, kann die Messung direkt vorgenommen werden (z. B. zwischen Messelektroden 410, 414 von Gleiter 302), oder kann durch eine Kombination von mehreren Messungen bestimmt werden. Block 604 ist in gestrichelten Außenlinien dargestellt, da er optional ist, d. h., er kann ausgelassen werden, wenn nur uniaxiale Anisotropiemessungen gewünscht sind.
In Block 606 wird ein Strom zwischen den vertikalen Stromelektroden eines Messgleiters getrieben (z. B. Elektroden 402, 404 von Gleiter 202), und eine Spannungsdifferenz wird in Z- Achsen-Richtung gemessen. Die Messung kann wiederum direkt vorgenommen werden (z. B. zwischen Messelektroden 410, 412 von Gleiter 202), oder indem verschiedene Messungen kombiniert werden. Zu beachten ist, dass die Aktionen von Block 602 bis 604 sequentiell durchgeführt werden können oder alternativ kann eine oder mehrere der Blockaktionen parallel durchgeführt werden. So können z. B. die X-Achsen- und Z-Achsen-Messungen parallel durchgeführt werden.
In Block 608 wird der horizontale (entlang der X-Achse) spezifische Widerstand der Formation berechnet. Dies kann in verschiedener Weise durchgeführt werden. Für den Fall der uniaxialen Anisotropie kann der scheinbare vertikale spezifische Widerstand berechnet werden, indem die Z-Achsen-Messung mit der Z-Achsen-Gerätekonstante multipliziert wird:
Für den Fall der biaxialen Anisotropie können die scheinbaren spezifischen Widerstände entlang aller drei Achsen entsprechend Gleichung (16a) berechnet und kombiniert werden.
In Block 610 wird der horizontale (entlang der Y-Achse) spezifische Widerstand berechnet. Dies wird nur für den biaxialen Fall gemacht und wird vorzugsweise entsprechend Gleichung (16b) bestimmt.
In Block 612 wird der vertikale spezifische Formationswiderstand (entlang der Z-Achse) berechnet. Für den uniaxialen Fall kann dies gemacht werden, indem die Anisotropie entsprechend Gleichung (7) bestimmt wird und dann die Anisotropie mit dem berechneten horizontalen spezifischen Widerstand kombiniert wird:

ρ_v = λ²ρ_h (18).
Im biaxialen Fall wird der spezifische Widerstand entlang der Z-Achse vorzugsweise mit Hilfe von Gleichung (16c) bestimmt. Dieser Prozess wiederholt sich vorzugsweise periodisch, solange das Messinstrument sich entlang des Bohrschachts bewegt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Schritte der Blöcke 608 bis 612 wie gezeigt sequentiell durchgeführt werden können. Alternativ können sie parallel mit einigen Schritten der Blöcke 602 bis 606 durchgeführt werden. Weiterhin können die Schritte der Blöcke 608 bis 612 einige Zeit nachdem alle Messungen mit dem Messgerät durchgeführt und aufgezeichnet worden sind durchgeführt werden.
Zahlreiche Variationen und Modifikationen werden für den Fachmann offensichtlich, wenn die Offenbarung oben umfassend berücksichtigt wird. Beispielsweise kann man erwarten, dass ein typisches OBMI-Gerät viel mehr Messgleiter beinhaltet, als in den Figuren gezeigt ist. Man kann erwarten, dass zahlreiche Vorteile realisiert werden können, indem man Messungen von mehr als einem oder zwei Gleitern kombiniert. Außerdem kann man eine Datenverarbeitung anwenden, um Spannungsdifferenzen zu bestimmen, die entlang der Achsen des spezifischen Widerstandes der Formation ausgerichtet sind, auch wenn die Geräteachsen von diesen Achsen abweichen. Es ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche so interpretiert werden, dass sie alle solchen Variationen und Modifikationen beinhalten.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Anisotropie des spezifischen Widerstands einer Formation, wobei im Zuge des Verfahrens:
ein Messgerät in einen Bohrschacht eingeführt wird, welcher die Formation durchstößt, wobei das Messgerät mindestens einen Satz von Elektroden beinhaltet, die mit der Wand des Bohrschachts in Kontakt stehen;
ein Strom zwischen einem Elektrodenpaar mit vertikalem Abstand getrieben wird;
eine vertikale Spannungsdifferenz zwischen zwei Messpunkten mit vertikalem Abstand bestimmt wird, welche zwischen dem Elektrodenpaar mit vertikalem Abstand angeordnet sind;
ein Strom zwischen einem Elektrodenpaar mit horizontalem Abstand getrieben wird; und
eine horizontale Spannungsdifferenz zwischen zwei Messpunkten mit horizontalem Abstand bestimmt wird, welche zwischen dem Elektrodenpaar mit horizontalem Abstand angeordnet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner
die vertikale Spannungsdifferenz mit einem ersten Gerätekoeffizienten multipliziert wird, um einen scheinbaren vertikalen spezifischen Widerstand zu bestimmen; und
die horizontale Spannungsdifferenz mit einem zweiten Gerätekoeffizienten multipliziert wird, um einen scheinbaren horizontalen spezifischen Widerstand zu bestimmen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem ferner eine Formationsanisotropie aus dem Verhältnis des scheinbaren horizontalen spezifischen Widerstandes zum scheinbaren vertikalen spezifischen Widerstand berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner
ein Strom zwischen einem zweiten Elektrodenpaar mit horizontalem Abstand getrieben wird, wobei das zweite Elektrodenpaar mit horizontalem Abstand im wesentlichen senkrecht zu dem ersten Elektrodenpaar mit horizontalem Abstand angeordnet ist;
eine zweite horizontale Spannungsdifferenz zwischen zwei Messpunkten mit horizontalem Abstand bestimmt wird, welche zwischen dem zweiten Elektrodenpaar mit horizontalem Abstand angeordnet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem ferner
die erste horizontale Spannungsdifferenz mit einem ersten Gerätekoeffizienten multipliziert wird, um den scheinbaren spezifischen Widerstand in X-Achsen-Richtung zu bestimmen;
die zweite horizontale Spannungsdifferenz mit einem zweiten Gerätekoeffizienten multipliziert wird, um einen scheinbaren spezifischen Widerstand in Y-Achsen-Richtung zu bestimmen; und
die vertikale Spannungsdifferenz mit einem dritten Gerätekoeffizienten multipliziert wird, um einen scheinbaren spezifischen Widerstand in der Z-Achsen-Richtung zu bestimmen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem ferner
der spezifische Formationswiderstand entlang der X-Achse aus den scheinbaren spezifischen Widerständen berechnet wird;
der spezifische Formationswiderstand entlang der Y-Achse aus den scheinbaren spezifischen Widerständen berechnet wird; und
der spezifische Formationswiderstand entlang der Z-Achse aus den scheinbaren spezifischen Widerständen berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem ferner die Werte der biaxialen Anisotropie aus den berechneten spezifischen Formationswiderständen bestimmt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Bestimmung der horizontalen Spannungsdifferenz eine Kombination von Messungen von verschiedenen Elektroden beinhaltet, welche symmetrisch bezüglich einem Mittelpunkt zwischen dem horizontal in Abstand angeordneten Elektrodenpaar angeordnet sind.

9. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei welchem das vertikal in Abstand angeordnete Elektrodenpaar zusammen mit dem ersten horizontal in Abstand angeordneten Elektrodenpaar auf einem ersten Messgleiter angebracht ist, und das zweite, horizontal in Abstand angeordnete Elektrodenpaar auf einem zweiten, anderen Messgleiter angebracht ist, welcher in Kontakt mit der Wand des Bohrschachts steht.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem der Strom zwischen dem vertikal in Abstand angeordneten Elektrodenpaar eine andere Frequenz hat als der Strom, der zwischen dem horizontal in Abstand angeordneten Elektrodenpaar getrieben wird.

11. Vorrichtung zum Messen der Anisotropie des spezifischen Widerstands von Erdformationen, die ein Bohrloch umgeben, versehen mit:
einem Messgerät, welches einen Satz von Elektroden aufweist, die in Kontakt mit der Wand des Bohrschachts stehen, wobei der Satz beinhaltet:
ein erstes Paar von Elektroden, die entlang einer ersten Achse in Abstand angeordnet sind;
zwei oder mehr Messelektroden, welche entlang der ersten Achse in Abstand angeordnet sind und sich zwischen dem ersten Paar von Elektroden befinden;
ein zweites Paar von Elektroden, die entlang einer Achse in Abstand angeordnet sind, welche im wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse verläuft; und
zwei oder mehr Messelektroden, welche entlang der zweiten Achse in Abstand angeordnet sind und sich zwischen dem zweiten Paar von Elektroden befinden; und
einer Oberflächeneinheit, welche so konfiguriert ist, dass sie periodische Messungen einer Spannungsdifferenz entlang einer ersten Achse empfangen kann, wie sie von den in Abstand entlang der ersten Achse angeordneten zwei oder mehr Messelektroden angezeigt werden, wenn zwischen dem ersten Paar von Elektroden ein Strom getrieben wird, und dass sie periodische Messungen einer Spannungsdifferenz entlang einer zweiten Achse empfangen kann, wie sie von den in Abstand entlang der zweiten Achse angeordneten zwei oder mehr Messelektroden angezeigt werden, wenn zwischen dem zweiten Paar von Elektroden ein Strom getrieben wird.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächeneinheit ferner so konfiguriert ist, dass ein scheinbarer spezifischer Widerstand entlang der ersten Achse bestimmt werden kann, indem das Produkt gebildet wird aus der Spannungsdifferenz entlang der ersten Achse und einem ersten Gerätekoeffizienten, und ein scheinbarer spezifischer Widerstand entlang der zweiten Achse bestimmt werden kann, indem das Produkt gebildet wird aus der zweiten Spannungsdifferenz und einem zweiten Gerätekoeffizienten.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächeneinheit ferner so konfiguriert ist, dass eine Formationsanisotropie aus dem Verhältnis der scheinbaren spezifischen Widerstände entlang der ersten und zweiten Achse berechnet werden kann.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät einen zweiten Satz von Elektroden beinhaltet, welcher senkrecht zum ersten Satz orientiert ist, wobei der zweite Satz von Elektroden beinhaltet:
ein drittes Paar von Elektroden, welche entlang einer dritten Achse in Abstand angeordnet sind, die im wesentlichen senkrecht zu den ersten beiden Achsen verläuft; und
zwei oder mehr Elektroden, welche entlang der dritten Achse in Abstand angeordnet sind, und sich zwischen dem dritten Paar von Elektroden befindet,
wobei die Oberflächeneinheit so konfiguriert ist, dass sie periodische Messungen von einer Spannung entlang einer dritten Achse aufnehmen kann, wie sie von den zwei oder mehr Messelektroden, die entlang der dritten Achse in Abstand angeordnet sind, angezeigt werden, wenn ein Strom zwischen dem dritten Paar von Elektroden getrieben wird.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei welcher die Oberflächeneinheit so konfiguriert ist, dass sie einen scheinbaren spezifischen Widerstand entlang der ersten Achse aus dem Produkt von der Spannungsdifferenz entlang der ersten Achse und einem ersten Gerätekoeffizienten bestimmen kann, einen scheinbaren spezifischen Widerstand entlang einer zweiten Achse aus dem Produkt von der Spannungsdifferenz entlang der zweiten Achse und einem zweiten Gerätekoeffizienten bestimmen kann und einen scheinbaren spezifischen Widerstand entlang einer dritten Achse aus dem Produkt von der Spannungsdifferenz entlang der dritten Achse und einem dritten Gerätekoeffizienten bestimmen kann.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächeneinheit ferner so konfiguriert ist, dass sie Werte einer biaxialen Anisotropie aus den scheinbaren spezifischen Widerständen entlang der drei Achsen berechnen kann.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Bohrloch enthaltene Bohrspülung ölbasierend ist.

18. Vorrichtung, welche folgende Elemente beinhaltet:
eine erste Elektrodenanordnung, um einen Strom durch eine Wand eines Bohrlochs entlang einer ersten Achse zu treiben;
eine erste Messeinrichtung, um eine erste Spannungsdifferenz zu messen, welche durch den Stromfluss entlang der ersten Achse verursacht wird;
eine zweite Elektrodenanordnung, um einen Strom durch eine Wand des Bohrlochs entlang einer zweiten Achse zu treiben, welche senkrecht zu der ersten Achse verläuft;
eine zweite Messeinrichtung, um eine zweite Spannungsdifferenz zu messen, welche durch den Stromfluss entlang der zweiten Achse verursacht wird; und
ein Berechnungseinrichtung, um die scheinbaren spezifischen Widerstände entlang der ersten und zweiten Achse zu berechnen.

19. Vorrichtung gemäß Anspruch 18 ferner versehen mit:
einer dritten Elektrodenanordnung, um einen Strom durch eine Wand des Bohrlochs entlang einer dritten Achse zu treiben, welche senkrecht zu der ersten und der zweiten Achse verläuft; und
einer zweiten Messeinrichtung, um eine dritte Spannungsdifferenz zu messen, welche durch den Stromfluss entlang der dritten Achse verursacht wird,
wobei die Berechnungseinrichtung auch den scheinbaren spezifischen Widerstand entlang der dritten Achse berechnet.

20. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ströme der ersten und zweiten Elektrodenanordnung verschiedene Frequenzen haben.