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ANGABE BETREFFEND DIE VOM BUND GESPONSERTE
FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
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HINTERGRUND
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Moderne Ölfeldoperationen
verlangen eine große Menge an Informationen, die sich auf
die Parameter und Zustände beziehen, welche im Bohrloch herrschen.
Diese Informationen erhalten typischerweise Eigenschaften der Erdformationen,
die von dem Bohrloch gequert bzw. durchstochen werden, und Daten,
die sich auf die Größe und den Aufbau des Bohrloches
selbst beziehen. Die Sammlung von Informationen, die sich auf die
Zustände im Bohrloch beziehen und die allgemein als "Bohrlochmessung" bezeichnet
werden, kann durch mehrere Verfahren durchgeführt werden,
die eine drahtlose Messung bzw. Erfassung und eine "Bohrlochmessung
während des Bohrens" (LWD = Logging While Drilling) enthalten.
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Beim
drahtlosen Messen wird ein Messfühler oder eine "Sonde"
in das Bohrloch abgelassen, nachdem ein Teil des Schachts oder der
gesamte Schacht ausgebohrt worden ist. Die Sonde hängt
an dem Ende eines langen Kabels oder einer "Drahtleitung", die eine
mechanische Halterung der Sonde bereitstellt und auch eine elektrische
Verbindung zwischen der Sonde und der elektrischen Vorrichtung bereitstellt,
die sich an der Oberfläche des Schachtes befindet. In Übereinstimmung
mit existierenden Bohrlochmesstechniken werden verschiedene Parameter der
Erdeformationen gemessen und mit der Position der Sonde in dem Bohrloch
korreliert, wenn die Sonde im Bohrloch nach oben gezogen wird.
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Bei
der LWD enthält die Bohrvorrichtung Fühlinstrumente,
die verschiedene Parameter messen, wenn in die Formation eingedrungen
wird. Während LWD-Techniken eine mehr gleichzeitige Formationsmessung
ermöglichen, erzeugt der Bohrbetrieb eine Umgebung, die
im Allgemeinen feindlich gegenüber einer elektronischen
Einrichtung und Messfühleroperationen ist.
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In
diesen und anderen Bohrlochmessumgebungen ist es erwünscht,
ein Bild der Bohrlochwand aufzubauen. Unter anderem decken diese
Bilder die Feinstruktur der eingedrungenen Formationen auf. Die
Feinstruktur enthält Schichtungen, zum Beispiel Tonschiefer/Sand-Sequenzen,
Brüche und Inhomogenitäten, die durch eine unregelmäßige
Zementierung und Variationen der Porengröße verursacht
werden. Die Ausrichtungen der Brüche und Schichten können
auch identifiziert werden, was ein genaueres Vorratsflussmodell
bzw. Quellenflussmodell ermöglicht.
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Die
Bohrlochwandbildgebung bzw. -abbildung kann auf mehrere Arten ausgeführt
werden, aber die Mikrowiderstandswerkzeuge haben gezeigt, dass sie
für diesen Zweck effektiv sind. Die Mikrowiderstandswerkzeuge
messen den Bohrlochoberflächenwiderstand bzw. den spezifischen
Widerstand des Bohrlochs in einer feinen Skala. Die Widerstandsmessungen
können in Pixelintensitätswerte gewandelt werden,
um ein Bohrlochwandbild zu erhalten. Schlämme auf Ölbasis
können jedoch diese Messungen aufgrund der Veränderbarkeit
der Impedanz des Schlamms blockieren, der das Werkzeug. Das
US-Patent Nr. 6,191,588 (Chen)
offenbart ein Bildgebungswerkzeug zur Verwendung in Schlämmen
auf Ölbasis. Das Widerstandswerkzeug von Chen verwendet
mindestens zwei Paare von Spannungselektroden, die an einer nicht-leitenden
Oberfläche zwischen einer Stromquellenelektrode und einer
Stromrückkehrelektrode angeordnet sind. Zumindest in der
Theorie eliminiert die Trennung der Spannungselektrode und der Stromelektrode
den Effekt des ölbasierenden Schlamms bezüglich
den Spannungselektrodenmessungen, was zumindest qualitative Messungen
des Formationswiderstands ermöglicht.
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Beim
Aufbauen eines Bildgebungswerkzeuges zur Verwendung in ölbasierenden
Schlämmen lassen sich bestimmte Ingenieurszwänge
bezüglich der Strukturfestigkeit von Sensorträgern
erkennen. Diese Ingenieurgrenzen können eingehalten werden, indem
die Sensorträgerbasis aus einem Metall hergestellt wird,
zum Beispiel aus Stahl. Obwohl der Stahl isoliert werden kann, um
eine nicht-leitende, äußere Oberfläche
bereitstellen zu können, erzeugt die elektrische Leitfähigkeit
der Basis potenzielle Leckstromwege über den Metallkörper
des Trägers. Diese Leckwege können nicht nur die
Genauigkeit der Widerstandsmessungen des Werkzeuges beeinflussen,
insbesondere, wenn die Quellenstrombetriebsfrequenz ansteigt, sondern
können auch die Widerstandsmessungen des Werkzeuges derart
beeinträchtigen, dass sie empfindlich gegenüber
dem Abstand des Sensorträgers bezüglich der Formation ist.
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Eine
weitere Fehlerquelle für die Formationswiderstandsmessung,
die durch den Abstand des Sensorträgers von der Formation
beeinflusst wird, wird durch die finite Eingangsimpedanz der Differenzspannungsverstärkerschaltung
verursacht, die mit den Differenzspannungserfassungselektroden gekoppelt
ist. Der durch den Abstand erzeugte Messfehler kann weiterhin durch
das Vorhandensein einer Gleichtaktspannung zwischen der Formation unter
den Spannungselektroden und der Referenzspannung der Verstärkerschaltung
verschlimmert werden. Dementsprechend wird ein Abstandsfehlerkompensationsverfahren
benötigt, das die Effekte des Leckstromes und der Gleichtaktspannung
bei der Bohrlochwiderstandsbildgebung reduziert und minimiert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird Bezug auf die
beiliegenden Zeichnungen genommen, in denen:
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1 eine
erläuternde Umgebung der Bohrlochmessung während
der Bohrung (LWD) zeigt;
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2 eine
erläuternde Drahtleitungsbohrlochmessumgebung zeigt;
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3 einen
erläuternden, ersten Bohrlochmesswerkzeugaufbau zeigt;
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4 einen
erläuternden, zweiten Bohrlochmesswerkzeugaufbau zeigt;
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5 eine
Frontalansicht eines erläuternden Sensorträgers
zeigt;
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6 eine
Schnittansicht des erläuternden Sensorträgers
zeigt;
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7 einen
erläuternden Stromsensoraufbau zeigt;
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8A eine
erläuternde Stromflussumgebung für einen gleichförmigen
Abstand zeigt;
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8B eine
erläuternde Stromflussumgebung für einen geneigten
Abstand zeigt;
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9 einen
erläuternden Sensorträgerschaltungsaufbau zeigt;
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10A ein erläuterndes Dualsender-Schaltungsmodell
für den erläuternden Sensorträger zeigt;
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10B ein erläuterndes Controller-Senderschaltungsmodell für
den erläuternden Sensorträger zeigt;
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10C ein erläuterndes, sendergesteuertes
Differenzspannungsverstärkerschaltungsmodell für
den erläuternden Sensorträger zeigt; und
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11 ein
Flussdiagramm eines erläuternden Bildgebungsverfahrens
mit Abstandskompensation zeigt.
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Die
Zeichnungen zeigen erläuternde Erfindungsausführungsformen,
die im Detail nachfolgend beschrieben werden. Die Beschreibung und
die beiliegenden Zeichnungen sind jedoch nicht dafür vorgesehen,
die Erfindung auf die erläuterten Ausführungsformen
zu beschränken, sondern im Gegenteil, die Absicht besteht
darin, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen,
die unter das Prinzip und den Bereich der beiliegenden Ansprüche
fallen, zu offenbaren und zu schützen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Hier
werden verschiedene Abstandsfehlerkompensationsverfahren und Systeme
zur Verwendung in Bohrlochmesssystemen offenbart, die Bilder in
nicht-leitenden Fluiden, wie zum Beispiel dem Schlamm auf Ölbasis
bereitstellen. In einigen Ausführungsformen enthalten offenbarte
Bohrlochmesssysteme ein Bohrlochmesswerkzeug in Kommunikation mit
Computereinrichtungen an der Oberfläche, zum Beispiel einem
Personalcomputer, einem Server oder einer Digitalsignalverarbeitungsleiterplatte
oder irgendeine andere Form von Rechenschaltung. Das Bohrlochmesswerkzeug
ist mit einem Sensorfeld bereitgestellt, das mindestens zwei Spannungselektroden
hat, die zwischen mindestens zwei Stromelektroden angeordnet sind,
die ein elektrisches Feld in einer Bohrlochwand erzeugen, und ist
weiterhin mit einer elektronischen Schaltung versehen, die eine
Differenzspannung zwischen den Spannungselektroden bestimmt und
auch zwei Stromflüsse von separaten Stromelektroden bestimmt.
Leitungsabschirmungen für die Stromelektroden und Leitungen,
die die Stromelektroden versorgen, sind enthalten, um den Effekt
des Stromlecks bei den Strommessungen zu reduzieren. Die Stromflüsse
werden separat gemessen, um weiterhin eine Kompensation der Stromleckeffekte
zu ermöglichen, der eine Funktion des Sensorabstands sind.
Die beiden Stromflüsse entspringen von mindestens zwei
unabhängig gesteuerten Erregungsquelle-Sendern, die ein
Erregungssignal erzeugen, das änderbar ist und in Echtzeit überwacht
werden kann, um die Gleichtaktspannung zu minimieren, die an den
Spannungselektroden erfasst wird. Aus der Differenzspannung und
den vielzähligen Stromflüssen können
die Computereinrichtungen bzw. Berechnungseinrichtungen kompensierte Bohrlochwandwiderstände
bzw. spezifische Widerstände der Bohrlochwand als eine
Funktion der Tiefe und des Winkels bzw. Azimuts aus jeder Stromelektrode
und dem Durchschnittswert der beiden Widerstände bestimmen,
um den Abstandsfehler zu kompensieren, und können den Widerstand
bzw. den spezifischen elektrischen Widerstand als ein Bohrlochwandbild
anzeigen.
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1 zeigt
eine erläuternde Umgebung der Bohrlochmessung während
der Bohrung (LWD). Eine Bohrplattform 2 trägt
einen Bohrturm 4, der einen verfahrbaren Block 6 zum
Anheben und Absenken eines Bohrstrangs 8 hat. Eine Mitnehmerstange 10 trägt den
Bohrstrang 8, wenn er durch einen Drehtisch 12 abgesenkt
wird. Ein Bohreinsatz 14 bzw. Bohrkopf wird durch einen
Bohrlochmotor und/oder die Drehung des Bohrstrangs 8 angetrieben.
Wenn sich der Einsatz 14 dreht, erzeugt er ein Bohrloch 16,
das durch verschiedene Formationen 18 hindurchgeht. Eine
Pumpe 20 wälzt Bohrfluid durch ein Zuführrohr 22 zu
der Mitnehmerstange 10, nach unten durch das Innere des
Bohrstrangs 8, durch Öffnungen in dem Bohreinsatz 14,
zurück zu der Oberfläche über einen Ring
um den Bohrstrang 8 herum und in einen Rückhalteraum 24 hinein
um. Das Bohrfluid transportiert Abtrag von dem Bohrloch in den Raum 24 und
hilft beim Aufrechterhalten der Bohrlochunversehrtheit.
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Ein
LWD-Widerstandsbildgebungswerkzeug 26 ist in der Bodenlochanordnung
neben dem Bohreinsatz 14 integriert. Wenn sich der Einsatz
in dem Bohrloch durch die Formationen arbeitet, sammelt das Bohrlochmesswerkzeug 26 Messungen,
die sich auf verschiedene Formationseigenschaften und auch auf die
Bohreinsatzposition und verschiedene andere Bohrzustände
beziehen. Das Bohrlochmesswerkzeug 26 kann die Form eines
Bohrkranzes annehmen, d. h. ein dickwandiges Rohr, das das Gewicht und
die Festigkeit zum Unterstützen des Bohrvorgangs bereitstellt.
Eine Telemetrieuntereinheit 28 kann enthalten sein, um
Werkzeugmessungen zu einem Oberflächenempfänger 30 zu übertragen
und um Befehle von dem Oberflächenempfänger zu
empfangen.
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Zu
verschiedenen Zeiten während des Bohrvorgangs kann der
Bohrstrang 8 aus dem Bohrloch entfernt werden. Sobald der
Bohrstrang entfernt worden ist, können Bohrlochmessoperationen
unter Verwendung eines Drahtleitungsbohrlochmesswerkzeuges 34 durchgeführt
werden, d. h. einer fühlenden Instrumentensonde, die an
einem Kabel 42 aufgehängt ist, das Leiter zum
Transportieren von elektrischer Energie zu dem Werkzeug und von
Telemetrie von dem Werkzeug zu der Oberfläche hat. Ein
Widerstandsbildgebungsabschnitt des Bohrlochmesswerkzeuges 34 kann
Fühlerträger 36 bzw. Blöcke
oder Ballen haben, die entlang der Bohrlochwand gleiten, wenn das
Werkzeug im Bohrloch nach oben gezogen wird. Eine Bohrlochmessvorrichtung 44 sammelt Messungen
von dem Bohrlochmesswerkzeug 34 und enthält Recheneinrichtungen
zum Verarbeiten und Speichern der Messungen, die durch das Bohrlochmesswerkzeug
gesammelt werden.
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3 zeigt
eine Schnittansicht des LWD-Widerstandsbildgebungswerkzeuges 26 in
einem Bohrloch 16. Ein Vorspannmechanismus 302 versetzt
das Werkzeug 26 aus der Mitte, um den Abstand zwischen
den Sensoren des Werkzeuges und der Bohrlochwand zu minimieren.
Die Sensoren des Werkzeuges können in einem Träger
an dem Vorspannmechanismus 302 angeordnet sein oder in
Alternative können die Sensoren in dem Hauptkörper
des Werkzeuges gegenüberliegend in dem Vorspannmechanismus
angeordnet sein. Wenn sich das Werkzeug 26 dreht und nach
unten im Bohrloch mit der Bohrgeschwindigkeit fortschreitet, verfolgen
die Sensoren einen schraubenförmigen Weg an der Bohrlochwand.
Ausrichtungssensoren innerhalb des Werkzeuges können verwendet
werden, um die Widerstandsmessungen bzw. Messungen des spezifischen
Widerstands mit den Positionen des Sensors an der Bohrlochwand zu
verbinden. Die Rechenvorrichtungen an der Oberfläche können
Widerstandsmessungen, Ausrichtungs(Azimut)-Messungen und Werkzeugpositionsmessungen
und können die gesammelten Messwerte verarbeiten, um ein
Widerstandsbild der Bohrlochwand zu erzeugen.
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4 zeigt
eine Schnittansicht des drahtlosen Widerstandsbildgebungswerkzeuges 34 in
einem Bohrloch 16 (einige LWD-Bildgebungswerkzeugausführungsformen
können mit einem ähnlichen Aufbau aufgebaut werden.)
Fühlerträger 36 werden gegen die Bohrlochwand
eingesetzt, um einen Abstand zu minimieren. Vielzählige
Träger können verwendet werden, um Messungen über
einen größeren Teil des Umfangs des Bohrloches
erhalten zu können. In einigen Ausführungsformen
sind die Träger in axial versetzten Gruppen vorgesehen,
um eine Umfangsabdeckung ohne eine unangemessene Anhäufung
in dem nicht-verwendeten Aufbau zu erhöhen.
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In
den Bohrlochmessszenarien, die vorstehend mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben worden
sind, ist das Bohrfluid, das in dem Bohrloch vorhanden ist, ein
elektrisch nicht-leitendes Fluid, zum Beispiel ein Schlamm auf Ölbasis.
Etwas von dem Fluid kann sich mit dem Bohrabtrag oder Material von
den Bohrlochwänden vermischen, um eine zähflüssige,
fast feste Schicht an den Bohrlochwänden auszubilden. Diese
Schicht wird allgemein mit "Schlammkuchen" bezeichnet und sie verhindert eine
enge Berührung zwischen den Bohrlochmesssensoren und dem
unverschmutzten Formationsmaterial. Zudem kann die Bewegung der
Bohrlochmessinstrumente eine Fluidflussschicht erzeugen, die die Bohrlochmesssensoren
von den unverschmutzten Formationsmaterialien weiter trennt.
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Der
Schlammkuchen und die Fluidflussschichten haben eine sehr niedrige
Leitfähigkeit, was eine gewisse Schwierigkeit für
die Bildgebung des Bohrlochwandwiderstandes bei Schlamm auf Ölbasis
erzeugt. Messungen durch die Schichten mit niedriger Leitfähigkeit
können verbessert werden durch (1) Verwendung eines Wechselstromes,
(2) Erhöhen des Abstands zwischen den Spannungselektroden, um
den Signalwert bzw. Pegel zu erhöhen, und (3) Verwendung
eines Quellenstromes mit einer höheren Betriebsfrequenz,
um die kapazitive Kopplung mit der Formation zu erhöhen.
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5 zeigt
die Vorderseite eines erläuternden Sensorträgers 502,
der sechs Paare von Spannungselektroden 504 hat, die zwischen
Stromelektroden 506 und 508 angeordnet sind. In
der Praxis können die Sensorträger bzw. Sensorblöcke
mit zusätzlichen Spannungs- und Stromelektroden versehen sein
und können tatsächlich auf vielzähligen
Achsen arbeiten. Mit den einachsigen Sensorträgern, zum Beispiel
dem Träger 502, wird die Länge des Sensorträgers
parallel zu der langen Achse des Werkzeuges 34 gehalten.
Der Abstand zwischen den Stromelektroden 506, 508 steuert
die Tiefe der Messung, wobei größere Abstände
größere Tiefen der Untersuchung bereitstellen.
Die Abstände zwischen den Spannungselektroden 504 steuern
die räumliche Auflösung des Werkzeuges, wobei
geringere Abstände höhere Auflösungen
bereitstellen. Hinter jeder der Stromelektroden 506, 508 ist
eine entsprechende leitende Abschirmung 510, 512 vorgesehen,
die in Alternative als "Schutzelektrode" bezeichnet werden kann.
Die Abschirmungen ("Schutzelektroden") können auf dem gleichen
Potenzial wie die entsprechenden Stromelektroden aufrechterhalten
werden, um Leckströme von den Stromelektroden aus zu minimieren.
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Eine
Schnittansicht des erläuterten Sensorträgers 502 ist
in 6 gezeigt. Der Sensorträger 502 umfasst
ein Metallsubstrat 602, um den Träger mit der
notwendigen Steifigkeit und Festigkeit zu versehen. Das Metallsubstrat 602 kann
Hohlräume 604 enthalten, um die Sensorschaltungen
zu halten. Für erläuternde Zwecke werden die Elektrodenzuführungen
derart gezeigt, dass sie durch den Sensorträger 502 hindurchgehen,
aber die Elektrodenzuführungen können in Alternative
die Sensorschaltungen in den Hohlräumen 604 oder
in einem zentralen Hohlraum (nicht gezeigt) verbinden.
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In
einigen Ausführungsformen umfasst das Metallsubstrat 602 Stahl.
Die Vorderseite des Metallsubstrats 602 ist mit einer Isolationsschicht 606 abgedeckt,
die in einigen Ausführungsformen ein Polyetheretherketon(PEEK)-Material
aufweist. Stromelektroden 506 und 508 sind an
der Vorderseite der Isolationsschicht 606 eingebettet.
Abschirmungen 510 und 512 trennen die Stromelektroden 506 und 508 von
dem Körper des Trägers 502 und die Leitungen,
die die Stromelektroden 506, 508 versorgen, sind
bevorzugt auch abgeschirmt, möglicherweise mit den Leitungsabschirmungen
in einem Koaxialkabel oder Triaxialkabelaufbau. In einigen Ausführungsformen
sind auch Abschirmungen für die Spannungselektroden und
Spannungselektrodenzuführungen vorgesehen. Zum Trennen
der Stromelektroden von den Elektrodenabschirmungen sind Isolationseinsätze 608 vorgesehen,
die in einigen Ausführungsformen ein PEEK-Material aufweisen.
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Wenn
das Werkzeug 34 bei einer sehr niedrigen Quellenstromfrequenz
der Erregung (d. h. ungefähr weniger als 2–5 kHz)
arbeitet, ist die kapazitive Kopplung mit dem Metallkörper
des Sensorträgers 502 vernachlässigbar,
was bedeutet, dass das Stromleck zwischen den Stromelektroden 506, 508 und
dem Metallkörper des Sensorträgers 502 sehr klein
ist. Der Betrieb des Werkzeuges 34 bei niedrigen Stromfrequenzen
kann jedoch eine geringe Genauigkeit, wenn der Bohrlochwandwiderstand
gemessen wird, aufgrund des kleinen Wertes des Stromes, der in die
Formation eingespeist wird, und aufgrund der niedrigen Spannungsdifferenz
ergeben, die zwischen den Spannungselektroden 504 erzeugt wird.
Die Verwendung höherer Frequenzen (z. B. über
5 kHz) kann den Stromfluss erhöhen und kann im Ergebnis
genauere Messwerte des benachbarten Stromwandwiderstands bereitstellen.
Unglücklicherweise erzeugt eine Erhöhung der Erregungsstromfrequenz
eine entsprechend unerwünschte Erhöhung des Stromlecks
von den Stromelektroden 506, 508 zu dem Metallkörper
des Sensorträgers 502. Im Ergebnis kann die Messspannungsdifferenz
zwischen den Spannungselektroden 504 nicht beim Erzeugen einer
genauen Anzeige des tatsächlichen Bohrlochwandwiderstandes
benachbart zu dem Werkzeug 34 hilfreich sein. Weiterhin
können die Spannungsmessungen erhöhten Ungenauigkeiten
in Situationen unterzogen sein, wenn der Abstand des Werkzeuges 34 uneben
bzw. unregelmäßig ist.
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Um
den Wert des Leckstromes zu reduzieren, der sich ergibt, wenn die
Arbeitsfrequenz 5 kHz überschreitet, ist in bestimmten
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine leitende
Abschirmung 510, 512 hinter jeder der entsprechenden
Stromelektroden 506, 508 angeordnet. In Alternative kann überlegt
werden, dass in bestimmten Ausführungsformen nur eine leitende
Abschirmung mit einer einzelnen, entsprechenden Stromelektrode verwendet
wird. Zum Beispiel kann das Werkzeug 34 aufgebaut sein,
wo die Stromelektrode 506 durch die Einbeziehung der leitenden
Abschirmung 510 abgeschirmt wird, während die
Stromelektrode 508 ungeschirmt bleibt.
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Die
Abschirmung 510, 512 kann in Alternative als "Schutzelektrode"
bezeichnet werden. Die Abschirmungen 510, 512 können
auf dem gleichen elektrischen Potenzial wie die entsprechenden Stromelektroden 506, 508 gehalten
werden, wodurch ein Stromfluss zwischen den Stromelektroden und
den Schutzelektroden verhindert wird. Zudem werden beliebige Leckströme
von den Stromelektroden zu dem Metallkörper des Sensorträgers 502 minimiert
und ein beliebiges Stromleck in den Metallkörper des Werkzeuges 34 entspringt
hauptsächlich den Abschirmungen 510, 512.
Die Fähigkeit, das Stromleck von den Stromelektroden zu
dem Metallkörper des Sensorträgers 502 in
der vorliegenden Erfindung zu minimieren, wird umso wichtiger, je
höhere Quellenstrombetriebsfrequenzen verwendet werden.
Wenn die Betriebsfrequenz ansteigt, erhöht der Wert der kapazitiven
Kopplung des Metallkörpers des Sensorträgers 502 mit
dem Metallkörper das Stromleck und (bei Abwesenheit von
Schutzelektroden) beeinträchtigt negativ die Genauigkeit
des Werkzeuges 34 beim Bestimmen der Bohrlochwand des Bohrlochwandwiderstandes.
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Zusätzlich
zum Minimieren des Stromlecks von den Stromelektroden 506, 508 zu
dem Metallkörper des Sensorträgers 502 wird
die Art des Messens des Stromes, der in die Stromelektroden 506, 508 hineinfließt,
in Anbetracht der Verwendung der Abschirmungen 510, 512 angepasst.
Gemäß 7 enthalten Stromsensoren 702, 704 in
erläuternden Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung Transformatoren 706, 708, die verwendet
werden, um beim Messen des Stromes, der mit den Stromelektroden 506, 508 verbunden
ist, zu helfen. Weiterhin stellen Leistungsverstärker 710, 712 den
Quellenstrom in der vorliegenden Ausführungsform bereit.
In der erläuternden Ausführungsform ist der Transformator 706 zwischen
dem Leistungsverstärker 710 und der linken Stromelektrode
derart gekoppelt, dass die Strommessung nur den Strom enthält,
der in die Stromelektrode 506 hineinfließt, und
nicht den Strom, der in die Abschirmung 510 fließt. Ähnlich
ist der Transformator 708 zwischen dem Leistungsverstärker 712 und
der rechten Stromelektrode 508 derart gekoppelt, dass die
Strommessung nur den Strom enthält, der in die Stromelektrode 508 hineinfließt,
und nicht den Strom, der in die Abschirmung 512 fließt.
In den Ausführungsformen, in denen nur eine der Stromelektroden 506, 508 abgeschirmt
ist, kann die Verwendung eines Stromsensors auf einen der Stromsensoren 702, 704 beschränkt
sein, was der abgeschirmten Stromelektrode entspricht. Als Ergebnis
der beschriebenen Anordnung der Stromsensoren 702, 704 mit
Bezug auf die Stromelektroden 506, 508 wird nur der
Strom, der mit der Stromelektrode verbunden ist, die abgeschirmt
ist, durch einen Stromsensor gemessen.
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Bei
diesem Aufbau kann der Wert des Leckstromes in den Metallkörper
des Sensorträgers 502 hinein während
des Strommessvorgangs kompensiert werden. Der Gesamtstrom, der in
dem Sensorträger 502 vorhanden ist, umfasst den
Strom, der in die Stromelektroden 506, 508 hineinfließt,
und den Strom, der von den Abschirmungen 510, 512 abgeht. Da
der Gesamtstrom von der Quelle bekannt ist und der Strom, der in
die Stromelektroden 506, 508 hineinfließt,
als Ergebnis der Abschirmung und des Stromsensoraufbaus, der vorstehend
beschrieben wurde, gemessen wird, kann das Stromleck, das von den
Abschirmungen 510, 512 abfließt, kompensiert werden,
da es von dem entsprechenden Stromsensor isoliert ist und nicht
gemessen wird. Im Ergebnis ist der Stromfluss von den Abschirmungen 510, 512 nicht
als Teil des gemessenen Stromflusses von den Stromelektroden 506, 508 enthalten
und er stört die Messung des Stromes nicht, der in die
Formation hineinfließt.
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Wie
vorstehend erläutert wurde, werden Leitungsabschirmungen 714, 716 gezeigt,
um Leitungen zu schützen, die die Stromelektroden 506, 508 versorgen.
Das Vorhandensein der Leitungsabschirmungen 714, 716 reduziert
die Asymmetrie des Stromlecks entlang den Zuführungsleitungen,
die ansonsten aufgrund der unterschiedlichen Leckwege oder unterschiedlichen
Längen der Zuführungsleitungen vorhanden sind.
Die Eliminierung der Leckstromasymmetrie ist erwünscht,
da, wenn ausgeführt, die gesamte Asymmetrie in den Strommessungen,
die während des Betriebs des Werkzeuges 34 ausgeführt
werden, zu einem ungleichmäßigen Abstand entlang
der Oberfläche des Sensorträgers 502 gehören.
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Wie
in 8A gezeigt ist, treiben die Stromelektroden ein
elektrisches Feld an, das Feldlinien IF hat,
die in die Bohrwand 802 eindringen. Die leitenden Elemente
des Sensorträgers 502 lassen jedoch auch die Ausbildung
von Leckstromfeldlinien IL zu, die die Elektroden über
den Sensorträgerkörper koppeln. Die Anzahl dieser
Leckstromfeldlinien variiert als Funktion des Abstands, d. h. der
Trennung zwischen dem Sensorträger und der Bohrlochwand.
Zudem, wie 8B zeigt, kann die Feldverteilung asymmetrisch
aufgrund einer Trägerneigung oder aufgrund von Inhomogenitäten
in der Schlammschicht und der Bohrlochwand sein.
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Die
Elektrodenabschirmungen sind dafür ausgelegt, symmetrische
Leckströme zu minimieren. Die Leckstromfeldlinien, die
die Formation vollständig umgehen, sind primär
mit den Elektrodenabschirmungen gekoppelt, obwohl ein schwaches
Direktkoppeln von den Stromelektroden mit dem Werkzeugkörper
immer vorhanden ist. Die Leckstromfeldlinien, die durch sowohl die
Formation als auch einen Abschnitt des Trägerkörpers
hindurchgehen, koppeln jedoch eine Stromelektrode mit der gegenüberliegenden
Elektrodenabschirmung, was ein Ungleichgewicht zwischen den Stromelektroden
verursacht. Dementsprechend enthalten die verschiedenen Ausführungsformen
des Widerstandsbildgebungswerkzeugs, die hier beschrieben sind,
Schaltungen zum Messen des Stromes von jeder Stromelektrode separat
und zum Kombinieren der separaten Strommessungen mit den Spannungselektrodenmessungen, um
einen abstandskompensierte Widerstand bzw. spezifischen Widerstand
zu bestimmen.
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In
einigen Ausführungsformen wird die Spannung jeder Stromelektrode
(relativ zu dem Werkzeugkörper) gemessen und mit einer
Luftkalibrierungskonstanten multipliziert, um den Basisleitungsstrom
von der Stromelektrode zu bestimmen. Die Luftkalibrierungskonstante
kann experimentell bestimmt werden, zum Beispiel durch Messen des Stromes
von den Stromelektroden, während der Träger in
der Luft aufgehängt ist. Dieser Basisleitungsstrom kann
verwendet werden, um den Fehler aufgrund eines kleinen Leckstromflusses
von den Stromelektroden zu dem Körper des Werkzeuges zu
reduzieren, der verbleibt, nachdem der Abschirmaufbau eingebaut
worden ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Stromelektroden
auf unterschiedlichen Spannungen sein können, was verursacht,
dass ein unterschiedlicher Basisleitungsstrom für jede
Stromelektrode bestimmt wird. Die korrigierten Stromwerte werden
durch Subtrahieren jedes Basisleitungsstromes von dem gemessenen
Strom für die jeweilige Stromelektrode bestimmt, wodurch
der kleine Wert des Stromlecks von den Stromelektroden zu dem Werkzeugkörper
aus der Messung entfernt wird.
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Es
wird nun Bezug auf 9 genommen, in der ein erster,
erläuternder Aufbau eines Abbildungswerkzeuges mit Schlamm
auf Ölbasis (OBMI) gezeigt wird. Die Schaltung 900 gibt
einen vereinfachten Aufbau einer Erregungsstromquelle 902 und
eines Differenzspannungsverstärkers 904 wieder.
Während der Verwendung eines OBMI-Werkzeuges, das diesen Aufbau
hat, nimmt eine signifikante Fehlerquelle in der Messung der Formationswiderstandswerte
aus Ungenauigkeiten in den Spannungsmessungen des Werkzeuges 34 zu,
die durch die finite Eingangsimpedanz des Differenzspannungsverstärkers 904 verursacht
wird, der mit den Spannungselektroden 504 gekoppelt ist.
Die große, aber nicht-infinite Eingangsimpedanz des Differenzspannungsverstärkers 904 ermöglicht,
dass ein kleiner Wert des Stromes 906 in die Verstärkerelektronik
hineinfließt. Dieser Stromfluss verur sacht einen Spannungsabfall
in der Schlammschicht 21 in Front der Spannungselektroden 504.
Da die Schlammschicht 21 in Front jeder Spannungselektrode 504 nicht
gleichförmig ist, ist das Auftreten jedes Spannungsabfalls
unterschiedlich. Im Ergebnis wird ein fehlerhaftes und ungewolltes
Spannungsdifferenzial zwischen den Spannungselektroden 504 erzeugt
und der Spannungsdifferenz überlagert, die proportional
zu dem Widerstand der Formation 18 ist, der durch den Stromfluss 908 erzeugt
wird, der parallel zu der Oberfläche des Trägers 502 fließt.
Diese fehlerhafte und ungewollte Spannungsdifferenz, die der finiten
Eingangsimpedanz des Verstärkers 904 zuzuschreiben
ist, ist gemäß einer Näherung erster
Ordnung proportional zu der Gleichtaktspannung.
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Der
Effekt dieses Messfehlers kann während der Messung der
Formationen mit einem niedrigen Widerstand bzw. spezifischen elektrischen
Widerstand (z. B. kleiner als 5 Ohm-m) unter Verwendung des Strominjektionsverfahrens,
das vorstehend beschrieben wurde, signifikanter sein, worin die
Messung einer niedrigen Spannungsdifferenz zwischen den Spannungselektroden 504 benötigt
werden kann. Um den Messfehler aufgrund des Effekts der Gleichtaktspannung
der Differenzspannung zu reduzieren, wird die Gleichtaktspannung
an den Spannungselektroden 504 in den bevorzugten Ausführungsformen
minimiert.
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10A zeigt ein erläuterndes Schaltungsmodell
für den Träger 502, wenn er derart betrieben wird,
dass Stromleckabschirmungen verwendet werden und dass eine Gleichtaktspannung
minimiert wird, während des Messens des Formationswiderstands.
Der Träger 502 umfasst eine Messschaltung 1002,
die mit den Spannungselektroden, den Stromelektroden und den Elektrodenabschirmungen
gekoppelt ist. Die verschiedenen Elektroden und Abschirmungen wiederum
koppeln mit der Messumgebung, die als eine äquivalente
Schaltung 1004 moduliert ist. Die äquivalente
Schaltung 1004 ist eine vereinfachte Approximation der
elekt rischen Eigenschaften der Bohrlochwand und wird hier als eine
Hilfe bereitgestellt, um den Aufbau der Messschaltung 1002 zu
verstehen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfasst die Messschaltung 1002 Strom- oder Spannungsquellen 1005, 1006,
die einen oszillierenden Strom zwischen den Stromelektroden ("rechte
Elektrode" und "linke Elektrode") treiben. Die Sender 1005, 1006 sind
auch zwischen den Elektrodenabschirmungen ("rechte Abschirmung" und
"linke Abschirmung") gekoppelt, um die Abschirmungen auf ungefähr
dem gleichen Potenzial wie die entsprechenden Elektroden zu halten.
Stromsensoren sind mit den Stromelektroden gekoppelt, um gleichzeitig
Stromflüsse von den beiden Stromelektroden messen zu können.
In der erläuternden Ausführungsform ist der Transformator 1008 zwischen der
Quelle und der linken Stromelektrode gekoppelt, um den Elektrodenstrom
in eine Spannung zu wandeln, die durch einen ersten Messverstärker 1010 gemessen
wird. Ähnlich ist der Transformator 1012 zwischen
der Quelle und der rechten Stromelektrode gekoppelt, um den Elektrodenstrom
in eine Spannung zu wandeln, die durch einen zweiten Messverstärker 1014 gemessen
wird. Es wird darauf hingewiesen, dass der erläuternde
Aufbau der Transformatoren 1008, 1012 die Primärseite
zwischen der entsprechenden Abschirmung und den Stromelektroden koppelt,
sodass ein Stromfluss von der Abschirmung nicht als Teil des gemessenen
Stromflusses von den Stromelektroden enthalten ist.
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Die
beiden, unabhängig gesteuerten Sender 1005, 1006 oder
Erregungsquellen sind mit Erde verbunden, die allen Schaltungen
in dem Träger 502 gemeinsam ist. Die Sender 1005, 1006 haben
jeweils separate Steuerungen für die relative Höhe
und die relative Phase des Erregungssignals. Die Fähigkeit, einen
Sender oder beide Sender 1005, 1006 zu steuern,
stellt die Fähigkeit bereit, einen synchronisierten Erregungsstrom
von der rechten Elektrode und der linken Elektrode bei der gewünschten
Frequenz mit einer relativen Phase und/oder Amplitude einzuspeisen,
die unabhängig zum Erreichen der benötigten Amplitude
und Phase wie erforderlich gesteuert werden, um die Gleichtaktspannung
zu minimieren. In bestimmten Ausführungsformen kann die
Steuerung der Sender 1005, 1006 unter Verwendung
entweder von Firmware oder Hardware auf der Basis numerisch gesteuerter
Oszillatoren (NCOs = Numerically Controlled Oscillators) ausgeführt
werden. In Alternative kann die Steuerung der Sender 1005, 1006 unter Verwendung
von Phasen-Einrast-Schleifen (PLL's = Phase Locked Loops) ausgeführt
werden.
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Anfangs
werden die Detektoren 1016, 1017 verwendet, um
die Gleichtaktspannung an den Spannungselektroden 504 beim
Abtasten der Spannungssignale VA und VB unter Verwendung eines Analog-zu-Digital-Wandlers
zu messen. Die digitalen Signale werden dann gemittelt, um die Gleichtaktspannung
VC zu finden (d. h. VC =
(VA + VB)/2). Zudem kann
die relative Phase durch Ausführen einer Quadraturdetektion
in Firmware bestimmt werden. In der vorliegenden Ausführungsform
wird in Erwägung gezogen, dass die Versorgungsleitungen
für die Detektoren 1016, 1017 auf gesteuerten
bzw. regulierten Versätzen von einer Spannung auf ihren
Referenzanschlüssen sind (die verbunden mit Erde in 10A und 10B gezeigt
sind und mit einer Offset-Spannungsquelle 1009 in 10C verbunden gezeigt sind).
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Sobald
die Gleichtaktspannung an den Spannungselektroden 504 bekannt
ist, kann die Differenzspannung, die durch die Stromelektroden 506, 508 erzeugt
wird, geändert werden, um die Gleichtaktspannung zu reduzieren
und dadurch ihren Effekt auf die Messung des anstoßenden
bzw. benachbarten Formationswiderstands bzw. spezifischen Formationswiderstand
zu minimieren. Ein Controller-Modul kann die Amplitude und Phase
der Sender 1005, 1006 in Antwort auf die Messung
der Signale von jeder Spannungselektrode setzen. Da die Phase und die
Höhe des Gleichtaktspannungssignals bekannt ist und die
Phase und die Höhe der Sender 1005, 1006 steuerbar
sind, stellt der Controller bzw. die Steuereinheit die Spannung
der Stromelektroden derart ein, dass der gewünschte Erregungsstrom
erhalten wird und das Gleichtaktsignal minimiert wird.
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Die
Sender 1005, 1006 sind mit der rechten Elektrode
und der linken Elektrode durch Transformatoren 1008, 1012 gekoppelt.
Die rechte Elektrode 506 und die linke Elektrode 508 injizieren
einen Erregungsstrom in die Formation, wodurch eine Spannungsdifferenz
in der Formation erzeugt wird, die durch die Spannungselektroden 504 gemessen
wird. Während der Injektion des Erregungsstromes wird eine
Spannung zwischen der gemeinsamen Erde der Detektoren 1016, 1017 und
der Bohrlochformation in Front der Spannungselektroden 504 erzeugt,
die eine Gleichtaktspannung (VC) bildet.
Die Gleichtaktspannung VC ist die Summe
der Spannungen, die von den Sendern 1005, 1006 (V1 bzw. V2) in Proportion
zu den komplexen Verstärkungen bzw. Gewinnen von jedem
Sender (KV1 bzw. KV2)
beigesteuert werden. Da es gewünscht wird, VC gleich
Null zu machen, ist dann: V1·KV1 = –V2·KV2, (1)und, wenn
die Gleichung nach V2 aufgelöst
wird, um V1 zu kompensieren, ergibt sie: V2 = –V1·KV1/KV2, (2)und,
wenn die Amplitude A = |V1 + V2|
der gesamte Spannungsabfall ist, um den gewünschten Formationserregungsstrom
zu erzeugen, kann dann die Höhe der Spannung V1 berechnet
werden zu: |V1|
= A/|1 – KV1/KV2|. (3)
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Wenn
das System linear ist, stellen die Gleichungen (2) und (3) eine
genaue Lösung bereit, um die gewünschte Erregungsstromhöhe
zu erzeugen, während die Gleichtaktspannung auf Null ausgeglichen
wird. In einigen Fällen kann eine restliche Gleichtaktspannung
nach den Schritten des Änderns des Betriebsstroms, der
in die Formation eingespeist wird, verblei ben, wobei in diesem Fall
ein adaptiver Abstimmprozess durchgeführt werden kann.
Zudem kann in bestimmten Ausführungsformen das Gleichtaktspannungsminimierungsverfahren
gleichzeitig zu dem Gleichtaktmessprozess ausgeführt werden,
was ein System ergibt, das dynamisch die Gleichtaktspannung auf
oder neben Null aufrechterhält, und zwar unabhängig
von Änderungen der Umgebungszustände.
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Sobald
die Gleichtaktspannung bekannt ist, wird die unabhängige
Steuerung der Sender 1005, 1006 eingerichtet und
die Stromelektrodenspannungen werden geändert, um die Gleichtaktspannung
zu minimieren, wobei das Abbilden bzw. die Bildgebung des benachbarten
Bohrlochwandwiderstands mit einer minimalen Einbuße durch
die Gleichtaktspannung fortschreiten kann. Stromsensoren, die Transformatoren 1008, 1012 und
Verstärker 1010, 1014 aufweisen, sind
mit der rechten Elektrode und der linken Elektrode gekoppelt, um
gleichzeitig Stromflüsse von den beiden Stromelektroden
messen zu können. Die gemessenen Ströme können
korrigiert werden, um einen Basisleitungsstromfluss in der Art und
Weise, wie vorstehend beschrieben worden ist, zu korrigieren (d.
h. der Stromfluss, der gemessen werden würde, wenn das
Werkzeug in Luft isoliert sein würde).
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Zusätzlich
zu den Strommessverstärkern 1010, 1014 für
die Strommessungen enthalten die Messschaltungen 1002 Detektoren 1016, 1017 für
jedes Spannungselektrodenpaar, um die Potenzialdifferenz messen
zu können, die von den Formationsströmen erzeugt
wird. Die Potenzialdifferenz (δV) kann als eine Differenz
zwischen Spannungssignalen VA und VB (d. h. δV = VA – VB) quantifiziert werden. Die Detektoren 1016, 1017 können
die Form eines separaten Messverstärkers für jede
Spannungselektrode annehmen und in alternativen Ausführungsformen können
sie die Form eines Differenzspannungsverstärkers annehmen.
In beiden Fällen kann die Schaltung 1002 Analog-zu-Digital-Wandler
enthalten, um die digitale Verarbeitung der gemessenen Poten zialdifferenzen
zu ermöglichen. Diese Potenzialdifferenzen sind mit einer
Position an der Bohrlochwand verbunden und werden durchgeführt,
den Formationswiderstand bzw. den spezifischen Formationswiderstand
in dieser Position zu ermitteln bzw. zu schätzen.
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Die äquivalente
Schaltung 1004 enthält Komponenten 1021–1038,
die einen theoretischen Stromweg zwischen den Stromelektroden annähern. Der
Kondensator 1021 gibt eine restliche kapazitive Kopplung
zwischen der linken Stromelektrode und dem Trägerkörper
wieder und der Kondensator 1022 gibt eine kapazitive Kopplung
zwischen der linken Stromelektrode und der Bohrlochwand wieder.
Die Widerstände 1024, 1026 und 1028 geben
Widerstandsabschnitte der Bohrlochwand wieder. Der Kondensator 1029 gibt
eine verbleibende kapazitive Kopplung zwischen der rechten Stromelektrode
und dem Trägerkörper wieder und der Kondensator 1030 gibt
eine kapazitive Kopplung zwischen der Bohrlochwand und der rechten
Stromelektrode wieder. Die Kondensatoren 1032 und 1034 geben
kapazitive Kopplungen zwischen den Spannungselektroden und dem gemessenen
Abschnitt der Bohrlochwand wieder.
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Abschirmungselektroden
sind hinter jeder Stromelektrode eingebaut, um eine direkte kapazitive Kopplung
(wiedergegeben durch die Kondensatoren 1021 und 1029)
zwischen den Stromelektroden und dem Trägerkörper
zu minimieren, aber in dem Vorgang werden relativ große,
kapazitive Kopplungen, die durch die Kondensatoren 1018 und 1020 wiedergegeben
sind, zwischen den Abschirmungen und dem Trägerkörper
erzeugt. Auch ist eine indirekte Kopplung zwischen den Stromelektroden
und dem Trägerkörper vorhanden, wie durch die
Kondensatoren 1036 und 1038 wiedergegeben wird.
Der Strom, der mit ICF bezeichnet ist, fließt
durch den Widerstand 1026 und es ist der Strom von Interesse
zum bestimmen des Widerstands bzw. spezifischen Widerstands. Wenn
die gemessenen Elektrodenströme gegeben sind und wenn angenom men
wird, dass die Leckströme zu dem Werkzeug des Körpers
minimiert sind und unter Zugrundelegung der Abschirmungs- und Stromsensorkonfiguration
berücksichtigt sind, und dass die gemessenen Ströme
durch Subtrahieren des Basisleitungsstromes, der aus der Luftkalibrierungskonstante
des Werkzeuges abgelitten wird, korrigiert worden sind, ist es möglich,
den Strom von Interesse ICF zu ermitteln
und deshalb den Widerstand bzw. spezifischen Widerstand der benachbarten
Bohrlochwandformation.
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Ein
Prozessor kann als Teil der Messschaltungen 1002 bereitgestellt
sein, um die Widerstandswerte zu berechnen. In Alternative können
Strom- und Spannungsmessungen zu Berechnungseinrichtungen an der
Oberfläche übertragen werden, um die Widerstandswerte
berechnen zu können. Die Widerstandsermittlung kann ausgedrückt
werden als eine Funktion von: R =
f(δV, ILE, IRE) (4)worin ILE der Strom ist, der in der linken Stromelektrode
vorhanden ist, und IRE der Strom ist, der
in der rechten Stromelektrode vorhanden ist. Die Funktion kann eine
Anzahl von Formen in Abhängigkeit von experimentell gemessenen
Sensorträgereigenschaften annehmen. In einigen Ausführungsformen
ist die Widerstandsermittlung die gemessen Spannungsdifferenz, die
durch eine gewichtete Summe der gemessenen Ströme geteilt
wird, welche unter Berücksichtigung der Abschirmungsleckströme
korrigiert werden: R = kδV/(c0IMAX + c1IMIN), (5)worin k eine
Kalibrierungskonstante ist, die von der Sensorträgergeometrie
abhängt, IMAX der größere von
den korrigierten Elektrodenströmen ist, IMIN der kleinere
von den korrigierten Elektrodenströmen ist, und c0 und c1 Gewichtungsfaktoren
sind, die sich auf Eins summieren. In einigen Ausführungsformen
sind die Gewichtungsfaktoren gleich 1/2, während in anderen
Ausführungsformen c1 = 2/3 ist.
Die Gewichtungsfaktoren können derart bestimmt werden,
dass das mittlere Fehlerquadrat in verschie denen Kalibrierungskurven
minimiert wird. In noch weiteren Ausführungsformen ist
die Widerstandsermittlung die gewichtete Summe der Widerstände,
die für die separat gemessenen Ströme bestimmt
werden: R = c0RMIN + c1RMAX = c0(kδV/IMAX) + c1(kδV/IMIN), (6)worin
wieder k eine Kalibrierungskonstante ist, die auf der Sensorträgergeometrie
beruht, IMAX der größere
von den korrigierten Elektrodenströmen ist, IMIN der
kleinere von den korrigierten Elektrodenströmen ist und
c0 und c1 Gewichtungsfaktoren
sind, die sich auf Eins summieren.
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In 10B wird eine alternative Ausführungsform
der aufgespalteten Erregungsstromsenderkonfiguration zum Ändern
der Stromamplitude und -phase gezeigt. In der vorliegenden Ausführungsform
kann der Sender 1006 eine festgelegte oder setzbare Quelle
sein und kann als eine einzelne Stufe mit einem Referenzanschluss
implementiert sein, der von einem Offsetstromerreger angetrieben wird,
der als Steuersender 1007 gezeigt ist. Der Sender 1006 dient
dazu, den Erregungsstrom anzutreiben, der von den Stromelektroden 506, 508 eingespeist
wird, während der Steuersender 1007 die Fähigkeit
bereitstellt, die Amplitude und den Phasenversatz der Stromelektrodenspannungen
wie erforderlich zu steuern, um die Gleichtaktspannung zu minimieren,
die in den Spannungselektroden vorhanden ist. Der Steuersender 1007 kann
vom Spannungsquellentyp, vom Stromquellentyp oder einer Kombination
davon sein und wird bevorzugt unter Verwendung von Firmware oder
Hardware auf der Basis von NCOs gesteuert.
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In 10C ist eine zusätzliche, alternative Ausführungsform
eines steuerbaren Erregungsstromsenders zum Ändern der
Stromamplitude und -phase gezeigt. Die vorliegende Ausführungsform
erläutert, wie ein zweiter Sender 1009 verwendet
werden kann, um die Referenzanschlüsse der Detektoren 1016, 1017 derart
zu steuern, dass das wahrgenommene Gleichtaktspannungssignal an dem
eingegebenen Signal der Detektoren 1016, 1017 minimiert wird.
Anders ausgedrückt, wird die Gleichtaktspannung dem gesteuerten
Versatz bzw. Offset jeder Versorgungsleitung für die Detektoren 1016, 1017 hinzugefügt,
damit die Gleichtaktspannung an den Detektoren 1016, 1017 gleich
Null auftritt. Der Sender 1009 kann vom Spannungsquellentyp,
vom Stromquellentyp oder einer Kombination davon sein und wird bevorzugt
durch die Verwendung von Firmware oder Hardware auf der Basis von
NCOs gesteuert.
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11 zeigt
ein Flussdiagramm eines Widerstandsbildgebungsverfahrens. Im Block 1102 wird das
Widerstandsbildgebungswerkzeug in einem Bohrloch angeordnet. Bei
LWD ist das Werkzeug ein Teil der Bodenlochanordnung, um eine Bohrlochmessung
durchzuführen, wenn der Bohrbetrieb durchgeführt
wird. Bei einer drahtlosen Bohrlochmessung ist das Werkzeug Teil
einer Sonde, die zu dem Boden des Bereichs von Interesse abgesenkt
wird, um die Bohrlochmessung durchzuführen, wenn das Bohrlochmesswerkzeug
im Bohrloch nach oben mit einer konstanten Geschwindigkeit hochgezogen
wird.
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Im
Block 1104 wird das Werkzeug in den Bohrlochmessmodus versetzt.
Bei der LWD kann dieser Betrieb (oder kann nicht) das Verwenden
eines Dezentralisierers umfassen, der die Sensoren in dem Werkzeugkörper
gegen die Bohrlochwand zwingt. In Alternative kann das LWD-Widerstandsbildgebungswerkzeug
einen oder mehrere Sensorträger haben, die gegen die Bohrlochwand
eingesetzt werden. Bei der drahtlosen Bohrlochmessung werden vielzählige Sensorträger
gegen die Bohrlochwand verwendet.
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Blöcke 1106 bis 1124 geben
Operationen wieder, die während des Bohrlochmessvorgangs
auftreten. Obwohl in einer sequenziellen Art und Weise gezeigt und
beschrieben, können die verschiedenen Operationen gleichzeitig
auftreten und zudem können sie gleichzeitig für
vielzählige Spannungselektrodenpaare und vielzählige
Sensorträger auftreten.
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Im
Block 1106 misst das Werkzeug die Potenzialdifferenz zwischen
der Formation und der Differenzspannungsverstärker-Referenzerde,
die als Gleichtaktspannungssignal bezeichnet wird. Im Block 1108 wird
eine Überprüfung der Gleichtaktspannungsmessung
durchgeführt, um zu bestimmen, ob das Gleichtaktspannungssignal
innerhalb akzeptabler Grenzen für das Sammeln genauer Differenzspannungsmessungen
von der Formation liegt. Wenn das Gleichtaktspannungssignal nicht
innerhalb akzeptabler Grenzen liegt, wird im Block 1110 die
Höhe der Erregungsstromamplitude und/oder Phasenänderung
bestimmt, die benötigt werden, um das Gleichtaktspannungssignal
zu minimieren. Die Erregungsstromsender werden dann so gesetzt,
dass sie eine neue Stromelektrodenspannungsamplitude und/oder -phase
liefern, um das Gleichtaktspannungssignal im Block 1112 zu
minimieren, und die Quelle, die die Stromelektroden antreibt, kann
so vorgegeben werden, dass die mittlere Spannungselektrodenspannung
ungefähr Null Volt angenähert ist. Der Vorspannungsbetrieb
dient zum Minimieren des Stromes (und deshalb des Spannungsabfalls)
an den Schlammschichten in Front der Spannungselektroden, wie sie
durch die Kondensatoren 1032 und 1034 in 10A–10C wiedergegeben
werden. Die Blöcke 1106–1112 können
wiederholt werden, bis die Gleichtaktspannung innerhalb akzeptabler
Grenzen für die Formationswiderstandsbildgebung detektiert
wird.
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Sobald
die Gleichtaktspannung innerhalb einer akzeptablen Grenze bestimmt
wird, misst im Block 1114 das Werkzeug die Ströme
durch die beiden Stromelektroden, die durch Berücksichtigung des
Abschirmungsleckstromes als ein Ergebnis der Abschirmungs- und der
Stromsensoranordnung korrigiert worden sind. Das Werkzeug misst
weiterhin die Spannungsdifferenz zwischen verschiedenen Spannungselektrodenpaaren.
In speziellen Ausführungsformen wird ein Basisleitungsstrom
von dem Strom subtrahiert, der durch die beiden Stromelektroden
im Block 1116 gemessen wird. Der Basisleitungsstrom wird
experimentell aus der Luftkalibrierungskonstante, die mit dem Werkzeug
verbunden ist, bestimmt. Im Block 1118 bestimmt das Werkzeug eine
kompensierte Widerstandsmessung bzw. Messung des spezifischen Widerstands
für jedes Spannungselektrodenpaar in Übereinstimmung
mit einer der Gleichungen (4), (5), oder (6). Im Block 1120 verbindet
das Werkzeug oder wahrscheinlicher die Bohrlochmesseinrichtung an
der Oberfläche, die mit dem Werkzeug gekoppelt ist, die
kompensierten Widerstandswerte mit einer Werkzeugposition und Ausrichtungsmessung,
wodurch eine Bestimmung von Bohrlochwandbildpixelwerten ermöglicht
wird.
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Im
Block 1122 bewegt sich das Werkzeug entlang des Bohrlochs
und im Block 1124 wird eine Überprüfung
durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Bohrlochmessoperationen
fortgesetzt werden sollen (z. B., ob das Bohrlochmesswerkzeug das
Ende des Bereichs von Interesse erreicht hat). Für fortgesetzte Bohrlochmessoperationen
werden Blöcke 1106–1124 wiederholt.
Sobald die Bohrlochmessoperationen vervollständigt worden
sind, ordnet die Bohrlochmesseinrichtung an der Oberfläche
die Widerstandsmessungen Bohrlochwandbildpixel zu und zeigt ein
Widerstandsbild bzw. Bild des spezifischen Widerstands der Bohrlochwand
im Block 1126 an.
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Eine
Vielzahl von Spannungselektrodengeometrien sind möglich
und können verwendet werden. Eine größere
Anzahl von Spannungselektroden kann eine höhere Auflösung
durch Aufbringen von erhöhten Verarbeitungskosten bereitstellen.
In diesen Anordnungen wird in Erwägung gezogen, dass die Gleichtaktspannung,
die minimiert werden soll, der Mittelwert der Spannungssignale von
allen Spannungselektroden ist, bei denen Messungen ausgeführt
werden. Die Betriebsspannungen und Ströme können
weit variieren, während sie geeignet für die Bohrlochmessoperationen,
die hier beschrieben werden, bleiben. Es ist heraus gefunden worden,
dass Stromquellenfrequenzen über ungefähr 5 kHz,
vielleicht so hoch wie 100 kHz oder mehr, erwünscht sind,
da sie die Schlammschichtimpedanzen vermindern und die Spannungsdifferenzen
erhöhen, die zwischen den Spannungselektroden messbar sind. Höhere
Frequenzen liefern allgemein größere Messsignale,
aber sie erhöhen auch Leckströme, die die Kompensationsverfahren,
die hier offenbart sind, noch wünschenswerter machen. In
einigen Werkzeugausführungsformen kann die Quellenstromfrequenz
zwischen einer niedrigen Frequenz (z. B. 10 kHz) und einer hohen
Frequenz (z. B. 80 kHz) für Messungen in Formationen von
unterschiedlichem Widerstand schaltbar sein. Höhere Frequenzen
können für Formationen bevorzugt werden, die einen
im Allgemeinen niedrigeren Widerstand haben und umgekehrt.
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Während
erläuternde Ausführungsformen der Erfindung gezeigt
und beschrieben worden sind, können Modifikationen davon
durch Fachleute gemacht werden, ohne dass vom Prinzip oder der Lehre dieser
Erfindung abgewichen wird. Die Ausführungsformen, die hier
beschrieben werden, sind erläuternd und nicht beschränkend.
Viele Variationen und Modifikationen des Systems und der Vorrichtung
sind möglich und sind innerhalb des Bereichs der Erfindung.
Zum Beispiel, obwohl die Offenbarung und die Ansprüche
den Ausdruck "spezifischen Widerstand" bzw. Widerstand verwenden,
wird es weithin erkannt, dass die Leitfähigkeit (die Umkehrung
des spezifischen Widerstands) eine Eins-zu-Eins-Entsprechung mit
dem spezifischen Widerstand hat und folglich oft als funktionelles Äquivalent
des Widerstands oder spezifischen Widerstands dient. Dementsprechend ist
der Bereich des Schutzes nicht auf die Ausführungsformen,
die hier beschrieben sind beschränkt, sondern nur durch
die Ansprüche beschränkt, die nachfolgen, wobei
ihr Bereich alle Äquivalente der Gegenstände der
Ansprüche enthalten sollen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
offenbarten Bohrlochmesssysteme enthalten ein Bohrlochmesswerkzeug
in Kommunikation mit einer Computervorrichtung an der Oberfläche. Das
Bohrlochmesswerkzeug ist mit einem Sensorfeld versehen, das mindestens
zwei Spannungselektroden hat, die zwischen zwei Stromelektroden
angeordnet sind. Die beiden Stromelektroden sind jeweils mit leitenden
Abschirmungen abgeschirmt, um ein Stromleck in den Bohrlochmesswerkzeugkörper
hinein zu verhindern. Eine Gleichtaktspannung wird gemessen und
die Phase und die Amplitude der Erregungsquelle wird gesteuert,
um die Differenz zwischen der Gleichtaktspannung und einer Referenzspannung
eines Spannungsdetektors zu reduzieren. Das Bohrlochmesswerkzeug
ist weiterhin mit Elektronik versehen, die mit dem Spannungsdetektor
gekoppelt ist und den Stromelektroden, um eine Differenzspannung
zwischen den Spannungselektroden und den Stromflüssen von
den Stromelektroden zu bestimmen. Aus der Differenzspannung und
den vielzähligen Stromflüssen bestimmt eine Rechenvorrichtung
den Widerstand bzw. spezifischen Widerstand als ein Bohrlochwandbild
und kann dieses anzeigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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