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HINTERGRUND
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QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANWENDUNGEN
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Diese Anwendung beansprucht den Nutzen von und Priorität von
US-Provisional Application Nr. 61/913,339 , eingereicht am 8. Dezember 2013, auf welches hiermit in seiner Gesamtheit verwiesen wird.
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Technischer Bereich
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Ausführungen der vorliegenden Offenlegung beziehen sich im Allgemeinen auf die Analyse der Bohrlochflüssigkeit durch Kernspinresonanz.
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Hintergrundinformation
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Dieser Abschnitt soll den Leser in die unterschiedlichen Fachbereiche einführen, die mit verschiedenen Aspekten der Thematik unten beschrieben und/oder beansprucht werden. Diese Erörterung soll dabei helfen, dem Leser Hintergrundinformationen zu bieten, um ein besseres Verständnis der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Veröffentlichung zu ermöglichen. Es sollte beachtet werden, dass diese Aussagen auf diese Weise betrachtet werden müssen, nicht als Zulassungen des Standes der Technik.
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Seit langem werden Messwerkzeuge in Bohrlöchern verwendet, um zum Beispiel Formationsbewertungsmessungen durchzuführen, um die Eigenschaften der das Bohrloch umgebenden Formationen und die Flüssigkeiten in den Formationen abzuleiten. Übliche Messwerkzeuge umfassen elektromagnetische Werkzeuge, Nukleargeräte, akustische Werkzeuge und Kernspinresonanz(NMR)-Werkzeuge, obwohl auch andere Arten von Werkzeugen zur Auswertung von Formationseigenschaften erhältlich sind.
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Frühe Messwerkzeuge wurden an einem Drahtleitungskabel in das Bohloch eingeführt, nachdem das Bohrloch gebohrt worden war. Moderne Versionen solcher Drahtleitungskabelwerkzeuge werden auch heute noch weitläufig verwendet. Als sich jedoch der Bedarf an Informationen während des Bohrens eines Bohrloches weiterhin erhöhte, wurden Measurement-while-Drilling(MWD)-Werkzeuge und Logging-while-Drilling(LWD)-Werkzeuge entwickelt. MWD-Werkzeuge bieten normalerweise Informationen zu Bohrparametern wie Bohrdruck, Drehmoment, Temperatur, Druck, Richtung und Neigung. LWD-Werkzeuge bieten normalerweise Formationsbewertungsmessungen wie spezifischer Widerstand, Porosität, Kernspinverteilung etc. MWD- und LWD-Werkzeuge haben oft gemeinsame Eigenschaften mit Drahtseilwerkzeugen (z. B. Sende- und Empfangsantennen, Sensoren etc.), doch MWD- und LWD-Werkzeuge wurden entwickelt und gebaut, um in der rauen Bohrumgebung zu arbeiten.
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NMR-Werkzeuge, die zum Vermessen in einem Bohrloch oder Bohrloch-Fluid-Charakterisierung verwendet werden, messen die Resonanz der Kernspins in Formationsfluiden auf angelegte Magnetfelder. NMR-Bohrwerkzeuge umfassen normalerweise einen Permanentmagneten, der an einem gewünschten Testort (z. B. wo sich das Fluid befindet) ein statisches Magnetfeld erzeugt. Das statische Magnetfeld erzeugt eine Magnetisierung im Fluid, das entlang der Richtung des statischen Feldes ausgerichtet ist. Die Stärke der induzierten Magnetisierung ist zur Stärke des statischen Feldes proportional. Eine Sendeantenne erzeugt ein zeitabhängiges Hochfrequenz-Magnetfeld, welches eine Komponente senkrecht zur Richtung des statischen Feldes besitzt. Die NMR-Resonanzbedingung ist erfüllt, wenn die Hochfrequenz gleich der Larmorfrequenz ist, welche proportional zur Stärke des Magnetfeldes ist. Das Hochfrequenz-Magnetfeld erzeugt ein Drehmoment auf dem Magnetisierungsvektor, das ihn um die Achse des aufgebauten Hochfrequenzfeldes rotieren lässt, und die Rotation führt dazu, dass der Magnetisierungsvektor eine Komponente senkrecht zur Richtung des statischen Magnetfeldes entwickelt. Dies führt dazu, dass der Magnetisierungsvektor um das statische Feld an der Larmorfrequenz rotiert. An der Resonanz zwischen der Larmor- und Senderfrequenz wird die Magnetisierung zur Querebene geneigt (d. h. eine Ebene normal zum Vektor des statischen Magnetfeldes). Eine Serie von Hochfrequenzimpulsen wird zugeführt, um Spinechos zu erzeugen, welche mit der Antenne gemessen werden.
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NMR-Messungen werden seit den frühen 1950er-Jahren verwendet, um Behälterfluid-Charakterisierung zu unterstützen. Eine genaue Kenntnis der Fluidzusammensetzung ist nützlich für ein erfolgreiches Management von Ölfeldreservoirs. Zum Beispiel bestimmt die Ölzusammensetzung großteils das Druck-Volumen-Temperatur(PVT)-Verhalten des Behälterfluids, und das PVT-Verhältnis kann Entscheidungen bezüglich des Reservoirmanagements beeinflussen. NMR-Messungen können verwendet werden, um unter anderem Viskosität, T1-Relaxationszeiten, T2-Relaxationszeiten, Diffusion, melekulare Kettenlänge, chemische Struktur, Emulsion, Paraffinierung und Phasenübergang zu schätzen. Viskosität kann zum Beispiel als „Fingerabdruck” verwendet werden, um andere Reservoireigenschaften wie Kompartimentierung abzuleiten. „Kompartimentierung” bezieht sich auf die geologische Segmentierung zuvor durchgehender Reservoirs in isolierte Kammern. Reservoirs, die aufgeteilt wurden, können andere Ansätze zur Auslegung und Produktion erfordern als durchgehende Reservoirs. Als weiteres Beispiel können während der Produktion „schwere Verbindungen” wie Asphaltene auftreten, die aus der Lösung ausbrechen, oder Paraffinierungsprobeme, welche zu einem Produktionsverlust führen können. Die Messung von Fluideigenschaften unter Bohrlochbedingungen kann nützlich sein, da viele Eigenschaften von Temperatur und Druck abhängig sind. Des Weiteren wurde festgestellt, dass sich einige Proben unumkehrbar verändern, wenn sie von der Formation extrahiert und in ein Labor an der Oberfläche übertragen werden.
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In einigen NMR-Systemen können einige oder mehrere sehr kleine Spulen mit mehreren Detektoren eingesetzt werden. Jeder der NMR-Detektionsorte kann mit einem Fluidrouter verbunden sein, um Fluidproben zu lenken. Diese Spulen können einen Durchmesser von zwischen ca. 100 Mikrometern bis zu einigen Millimeter haben und werden oft als „Mikrospulen” bezeichnet. Die Mikrospulen können ausgerichtet werden, um eine Reihendurchfluss- oder eine parallele Strömungskonfiguration unterzubringen und können angebracht werden um unterschiedliche statische (B0) Magnetfeldstärken und/oder Gradientfeldstärken zu erkennen. Mikrospulen zur Verwendung in NMR-Spektroskopie können auf relativ hohen Frequenzen betrieben werden. Zum Beispiel wurde Mikrofluidische NMR beschrieben, in der die verwendete Hardware eine Steigerung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) und eine Spektralbreite von 1,3 Hz bei 60 MHz erreicht. Auf derart hohen Frequenzen betriebene Mikrospulen können mit einem Abstimmkreis abgestimmt werden. Bei niedrigeren Frequenzen kann der Kreis entsprechend modifiziert werden. Ein feststehender Induktor kann zum Beispiel in den Resonanzkreis (LC) eingebunden werden, um die Kapazitanz zu reduzieren. Obwohl es zahlreiche Mikrospulen-Anwendungen für Hochfeld-NMR-Systeme gibt, die in statischen Laborsituationen betrieben werden, ist die Verwendung von Mikrospulen für Ölfeldanwendungen, wie beispielsweise die Erfassung, Bohrlochuntersuchung, Bohren und Messung weitgehend unerforscht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Zusammenfassung bestimmter hier dargelegter Ausführungen ist im Folgenden dargelegt. Es sollte beachtet werden, dass diese Aspekte lediglich dazu dienen, dem Leser eine kurze Zusammenfassung bestimmter Ausführungen zu bieten, und dass diese Aspekte nicht dazu dienen, den Umfang dieser Offenlegung zu begrenzen. Tatsächlich kann diese Offenlegung eine Vielfalt an Aspekten umfassen, welche möglicherweise in diesem Abschnitt nicht ausgeführt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel enthält eine Vorrichtung ein Bohrlochmessgerät mit einer Längsachse. Das Bohrlochmessgerät umfasst eine Kernspinresonanz(NMR)-Messsystem mit einer oder mehreren NMR-Mikrospulen an der Oberfläche, die die sich an oder in der Nähe einer Außenfläche des Bohrlochmessgerätes befinden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Methode ein Bohrlochmessgerät mit einer Längsachse und einem Kernspinresonanz(NMR)-Messsystem mit einer oder mehreren NMR-Mikrospulen an der Oberfläche, das sich auf oder in der Nähe einer Außenfläche des Bohrlochmessgerätes befindet. Die Methode umfasst außerdem das Bohrlochmessgerät in einem Bohrloch mit Fluiden, das NMR-Messungen an Fluiden nahe der einen oder mehreren NMR-Mikrospulen vornimmt und basierend auf den NMR-Messungen auf die Eigenschaften der Fluiden in der Nähe schließt.
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Es ist davon auszugehen, dass die oben dargelegte Zusammenfassung dazu dient, den Leser mit bestimmten Aspekten von Ausführungen der vorliegenden Offenlegung ohne Beschränkung auf den beanspruchten Motivbereich vertraut zu machen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Offenlegung kann von der folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie mit den begleitenden Abbildungen gelesen wird. Es wird betont, dass verschiedene Merkmale, entsprechend der üblichen Praxis in der Branche, nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen verschiedener Merkmale zur Klarstellung der Erörterung beliebig erhöht oder gesenkt werden.
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1 ist ein Diagramm eines Bohrstellensystems, das zur Umsetzung eines Ausführungsbeispiels verwendet werden kann.
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2 ist ein Beispiel für eine Kernspinresonanz(NMR)-Messgerät, das in Bohrlochanwendungen verwendet werden kann.
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3 ist eine schematische Zeichnung, die die Ausführung eines LWD NMR-Werkzeuges zeigt, das NMR-Mikrospulen entsprechend den Aspekten der vorliegenden Offenlegung enthält;
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4 ist eine schematische Zeichnung, die eine weitere Ausführung eines LWD NMR-Werkzeuges zeigt, das NMR-Mikrospulen entsprechend den Aspekten der vorliegenden Offenlegung enthält;
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5 ist eine schematische Zeichnung, die eine weitere Ausführung eines LWD NMR-Werkzeuges zeigt, das NMR-Mikrospulen entsprechend den Aspekten der vorliegenden Offenlegung enthält;
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6 ist eine schematische Zeichnung, die eine weitere Ausführung eines LWD NMR-Werkzeuges zeigt, das NMR-Mikrospulen entsprechend den Aspekten der vorliegenden Offenlegung enthält;
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7 ist eine schematische Zeichnung, die eine weitere Ausführung eines LWD NMR-Werkzeuges zeigt, das NMR-Mikrospulen entsprechend den Aspekten der vorliegenden Offenlegung enthält;
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8 ist ein Ausführungsbeispiel einer Magnetanordnung zur Verwendung mit einem LWD NMR-Werkzeug entsprechend den Aspekten der vorliegenden Offenlegung;
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9 ist ein Flussdiagramm, das eine Beispielmethode zum Erlangen von Bohrloch-NMR-Messungen an Bohrlochfluiden mit NMR-Mikrospulen entsprechend den Aspekten der vorliegenden Offenlegung zeigt;
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10 ist ein Flussdiagramm, das eine weitere Beispielmethode zum Erlangen von Bohrloch-NMR-Messungen an Bohrlochfluiden mit NMR-Mikrospulen entsprechend den Aspekten der vorliegenden Offenlegung zeigt;
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11 ist ein Flussdiagramm, das eine weitere Beispielmethode zum Erlangen von Bohrloch-NMR-Messungen an Bohrlochfluiden mit NMR-Mikrospulen entsprechend den Aspekten der vorliegenden Offenlegung zeigt; und
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12 ist ein Flussdiagramm, das eine weitere Beispielmethode zum Erlangen von Bohrloch-NMR-Messungen an Bohrlochfluiden mit NMR-Mikrospulen entsprechend den Aspekten der vorliegenden Offenlegung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Eine oder mehrere konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung werden im Folgenden beschrieben. Diese Ausführungsformen sind lediglich Beispiele der derzeit offengelegten Verfahren. Zusätzlich werden, um eine kurze Beschreibung dieser Ausführungsformen zu bieten, in dieser Spezifikation möglicherweise nicht alle Merkmale einer Umsetzung beschrieben. Es ist zu bedenken, dass bei der Entwicklung jeder derartigen Umsetzung, wie in jedem Engineering- oder Designprojekt, zahlreiche implementierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden, um die konkreten Ziele der Entwickler, wie Einhaltung der systembezogenen und unternehmensbezogenen Beschränkungen, welche von einer Implementierung zur anderen variieren können, zu erfüllen. Außerdem ist zu bedenken, dass solche Entwicklungsbemühungen komplex und zeitaufwändig sein können, und doch ein Routineunternehmen in Design, Herstellung und Fabrikation für jene Experten sind, die über den Vorteil dieser Offenlegung verfügen.
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Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung eingeführt werden, sollen die Artikel „ein”, „eine” und „der”, „die”, „das” bedeuten, dass es eines oder mehrere der Elemente gibt. Die im Folgenden erörterten Ausführungen sollen Beispiele mit illustrativem Charakter sein, und sie sollen nicht dahingehend ausgelegt werden, dass die hier beschriebenen konkreten Ausführungen vorrangiger Natur sind. Außerdem ist zu beachten, dass Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform” in der vorliegenden Offenlegung nicht als die Existenz weiterer Ausführungsformen, die ebenfalls die genannten Merkmale umfassen, ausschließend zu interpretieren sind.
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1 zeigt die vereinfachte Ansicht eines Bohrortsystems, in welchem unterschiedliche Ausführungsformen angewandt werden können. Das in 1 gezeigte Bohrortsystem kann sowohl in Onshore- als auch in Offshore-Anlagen verwendet werden. In dieser Art von System wird ein Bohrloch 11 in unterirdischen Formationen durch drehendes Bohren auf eine Weise erzeugt, die Fachleuten gut bekannt ist. Einige Ausführungsformen können auch Richtungsbohren anwenden.
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Der Bohrstrang 12 wird innerhalb des Bohrlochs 11 aufgehängt und hat eine Bodenloch-Anordnung (BHA) 100, die an ihrem unteren Ende eine Bohrkrone 105 enthält. Das Oberflächensystem umfasst eine Plattform und Bohrturm-Anordnung 10, angebracht über dem Bohrloch 11, mit der Baugruppe 10 einschließlich Drehtisch 16, Gestänge 17, Haken 18 und Bohrwirbel 19. Im Bohrbetrieb wird der Bohrstrang 12 durch den Drehtisch 16 gedreht (betätigt durch nicht gezeigte Mittel), der das Gestänge 17 am oberen Ende des Bohrstranges greift. Der Bohrstrang 12 wird an einem Haken 18 aufgehängt, an einem Bewegungsblock (ebenfalls nicht gezeigt) befestigt, durch das Gestänge 17 und einen Bohrwirbel 19, was die Rotation des Bohrstranges 12 relativ zum Haken 18 ermöglicht. Ein oberes Antriebssystem könnte in anderen Ausführungsformen verwendet werden.
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Bohrfluid oder Schlamm 26 können in einer am Bohrort erzeugten Grube 27 gelagert werden. Eine Pumpe 29 befördert das Bohrfluid 26 durch eine Öffnung im Wirbel 19 in das Innere des Bohrstrangs 12, wodurch das Bohrfluid 26 nach unten durch den Bohrstrang 12 fließt, wie durch den Richtungspfeil 8 in angezeigt. Das Bohrfluid verlässt den Bohrstrang 12 durch Öffnungen in der Bohrkrone 105 und zirkuliert dann nach oben durch den Ringraumbereich zwischen der Außenseite des Bohrstrangs 12 und der Wand des Bohrlochs, wie durch den Richtungspfeil 9 angezeigt. Auf diese bekannte Weise schmiert das Bohrfluid die Bohrkrone 105 und befördert Bohrklein an die Oberfläche, wenn es ein die Grube 27 zur Rezirkulation zurückgeführt wird.
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Der Bohrstrang 12 umfasst eine BHA 100. In der illustrierten Ausführungsform wird die BHA 100 mit einem MWD-Modul 130 und mehreren LWD-Modulen 120 gezeigt (mit Referenznummer 120A, die ein zweites LWD-Modul 120 anzeigt). Wie er hier verwendet wird, wird der Begriff „Modul”, verwendet in MWD- und LWD-Geräten als entweder ein einzelnes Werkzeug oder eine Reihe mehrerer Werkzeuge in einem einzelnen Modulargerät verstanden. Außerdem umfasst die BHA 100 ein lenkbares Rotationssystem (RSS) und Motor 150 und eine Bohrkrone 105.
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Die LWD-Module 120 können in einem Bohrkranz untergebracht sein und eine oder mehrere Arten von Messgeräten umfassen. Die LWD-Module 120 können Möglichkeiten zu Messung, Verarbeitung und Speicherung von Informationen sowie Kommunikation mit der Oberflächenausrüstung umfassen. Beispielsweise kann das LWD-Modul 120 eine Kernspinresonanz(NMR)-Messgerät enthalten, und es kann Möglichkeiten zu Messung, Verarbeitung und Speicherung von Informationen sowie Kommunikation mit der Oberflächenausrüstung umfassen.
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Das MWD-Modul 130 ist ebenfalls in einem Bohrkranz untergebracht, und es kann ein oder mehrere Geräte zur Messung von Eigenschaften des Bohrstrangs und der Bohrkrone enthalten. In der vorliegenden Ausführungsform kann das MWD-Modul 130 eine oder mehrere der folgenden Arten von Messgeräten umfassen: Ein Bohrdruck-Messgerät, ein Drehmoment-Messgerät, ein Vibrationsmessgerät, ein Stoßmessgerät, ein Stick/Slip-Messgerät, ein Richtungsmessgerät sowie ein Neigungsmessgerät (die letzten beiden werden manchmal zusammen als D&I-Paket bezeichnet). Das MWD-Werkzeug 130 umfasst des Weiteren ein Gerät (nicht gezeigt) zur Erzeugung elektrischen Stroms für das Bohrlochsystem. Zum Beispiel kann durch das MWD-Werkzeug 130 erzeugter Strom zur Versorgung des MWD-Werkzeugs 130 und des/der LWD-Werkzeug(e) 120 verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann dieses Gerät einen Fluidturbinengenerator enthalten, der durch den Fluss des Bohrfluids 26 angetrieben wird. Es ist davon auszugehen, dass andere Strom- und/oder Batteriesysteme verwendet werden können.
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Der Betrieb der Baugruppe 10 aus 1 kann durch ein computerbasiertes Steuerungssystem 152 an der Oberfläche gesteuert werden. Das Steuerungssystem 152 kann ein oder mehrere prozessorbasierte Rechnersysteme enthalten. In diesem Kontext kann der Prozessor einen Mikroprozessor, programmierbare Logikbausteine (PLDs), Benutzerprogrammierbare Gatterfelder (FPGAs), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), System-on-a-Chip Prozessoren (SoCs) oder jeden anderen passenden integrierten Schaltkreis zur Ausführung codierter, gespeicherter Befehle, zum Beispiel auf greifbaren, computerlesbaren Medien (z. B. Festwertspeicher, Direktzugriffspeicher, eine Festplatte, optische Platte, Flash-Speicher etc.) enthalten. Derartige Anweisungen können zum Beispiel Arbeitsabläufen und ähnlichem zur Ausführung einer Bohrarbeit, Algorythmen und Routinen zur Verarbeitung von an der Oberfläche von der BHA 100 empfangenen Daten (z. B. Als Teil einer Inversion um einen oder mehrere gewünschte Formationsparameter zu erhalten) entsprechen.
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Fachleute werden zu schätzen wissen, dass NMR-Messgeräte normalerweise verwendet werden, um die Eigenschaften von Kernspins in der Formation zu messen, wie die longitudinale (oder Spin-Gitter-)Relaxationszeit (oft als T1 bezeichnet, transversale (oder Spin-Spin-)Relaxationszeit (oft als T2 bezeichnet) sowie Diffusionskoeffizient (D). Die Kenntnis dieser NMR-Eigenschaften kann bei der Bestimmung grundlegender Formationseigenschaften wie Permeabilität und Porosität sowie der Fluid-Eigenschaften wie Fluidtyp und Viskosität helfen.
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Als Hintergrund, NMR-Messgeräte, d. h. LWD-Werkzeug 120 aus 1, können Permanentmagneten verwenden, um ein starkes statisches polarisierendes Magnetfeld in der Formation zu erzeugen. Die Wasserstoffkerne des Wassers und Kohlenwasserstoffe sind elektrisch geladene sich drehende Protonen, die ein schwaches Magnetfeld erzeugen, ähnlich wie winzige Magnetstäbe. Wenn ein starkes externes Magnetfeld vom Messgerät eine Fluide enthaltende Formation durchdringt, richten sich diese sich drehenden Protonen wie Kompassnadeln entlang des Magnetfeldes aus. Dieser Vorgang, Polarisation genannt, erhöht sich exponentiell mit T1 (longitudinale Relaxationszeit), während das externe Magnetfeld (normalerweise als B0 bezeichnet) angelegt wird.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines Gerätetyps, der im allgemein zugeordneten
US-Patent Nr. 5.629.623 zur Formationsauswertung beim Bohren mit gepulster Kernspinresonanz (NMR), hierin in Form eines Verweises aufgenommen, wobei andere Typen von NMR-/LWD-Werkzeugen ebenfalls als das LWD-Werkzeug
120 oder Teil einer LWD-Werkzeugreihe
120A verwendet werden können. Wie im '623 Patent beschrieben, umfasst eine Ausführungsform einer Konfiguration des Gerätes einen Modifizierten Bohrkranz mit einer Axialnut oder einem Axialschlitz, der mit einem Keramikisolator gefüllt ist und eine HF-Antenne
1126 enthält, welche durch eine nichtmagnetische Abdeckung
1146 geschützt ist und gepulste elektromagnetische HF-Energie erzeugt und empfängt. In der gezeigten Ausführungsform sind die Leiter der HF-Antenne an einem Ende am Bohrkranz geerdet. Am anderen Ende des Bohrkranzes sind die Leiter durch Druckdurchleitungen
1152 und
1153 an einen HF-Übertrager
1156 gekoppelt. Ein zylindrischer Magnet
1122 erzeugt ein statisches Magnetfeld in den Formationen. In anderen Ausführungsformen kann die HF-Antenne
1126 auch so ausgerichtet werden, dass der Bohrkranz selbst das schwingende HF-Magnetfeld erzeugt. Im illustrierten Beispiel ist das schwingende HF-Magnetfeld, das Kerne von Substanzen in den Formationen anregt, axialsymmetrisch, um Messungen während der Rotation des Bohrstrangs zu erleichtern.
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Sobald die gewünschten NMR-Daten erfasst sind, können verschiedene mathematische Inversionsverfahren angewandt werden, um die Verteilung gemessener Eigenschaften zu erstellen, die die Anisotropie von Formation oder Formationsfluiden widerspiegelt. Zum Beispiel spiegelt die T2-Verteilung die Verteilung von Porengrößen innerhalb der Formation wider, und der Bereich unter der T2-Kurve spiegelt die mit Formationsfluiden gefüllte Porosität wider. Die Interpretation der Porengrößenverteilung und Logarithmus bedeutet, dass T2 zur Berechnung verschiedener gesteinsmechanischer Parameter, wie Permeabilität und die Menge freien/gebundenen Fluids verwendet werden kann.
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Tatsächlich hat sich die Messung der Diffusion gegenüber Relaxations-Verteilungs-Zeiten (D-T2) als wertvolles Werkzeug zur Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Fluide in einer Formation erwiesen. Zum Beispiel können D-T2-Karten von in-situ-Formationsmessungen durch Drahtseil- oder Bohrmessgeräten erfasst werden. Diese Werkzeuge messen das Öl in der Formation, können aber durch die Unterschiede in der Benetzbarkeit des Gesteins und der magnetischen Suszeptibilität beeinflusst werden. Eine ex-situ-NMR-Messung bei Bohrlochdruck und Temperatur bietet verbesserte Genauigkeit der Fluid-Charakterisierung.
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Eine oft zur Bestimmung der Kohlenwasserstoff-Zusammensetzung verwendete Analyseart heißt Saturates-Aromatics-Resins-Asphaltenes(SARA)-Analyse. SARA-Analyse wird normalerweise unter Laborbedingungen durchgeführt, doch kann beträchtliche Zeit dauern und ist oft nicht präzise wiederholbar. Methoden der SARA-Analyse variieren zwischen Labors und sind und stellen für präzise Fluid-Charakterisierung und Vergleiche ein Problem dar. NMR bietet die Möglichkeit, ähnliche Informationen wie SARA-Analyse bei Bohrdruck und Temperatur und auf eine wiederholbare Weise bereitzustellen. Daten können vor jedem Abfall von Asphalten und/oder Paraffinierung erfasst werden, was auftreten kann wenn eine Probe an die Oberfläche gebracht wird.
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NMR kann verwendet werden um Einphasen- und Mehrphasenströmung zu messen und zu charakterisieren. Zum Beispiel bietet NMR eine Methode um komplexe chemische Strukturen molekularer Zusammensetzungen sowie Massenrelaxation und Diffusionsmessungen zu erhalten. NMR ist intrinsisch ein relativ unempfindliches Verfahren, und erfolgreiche Umsetzung umfasst sorgfältige Betrachtung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) der Messung. Traditionell wird das SNR durch Verwendung der höchsten verfügbaren Magnetfelder und der größtmöglichen Probe erhöht. Doch Schwierigkeiten bei diesem Ansatz umfassen: (1) Erzeugen ausreichend großer Magnetfelder mit der erforderlichen Homogenität über die gesamte Probe; (2) Bereitstellen der Hochfrequenzverstärker zur Erzeugung der erforderlichen Erregerimpulse über die gesamte Probe; und (3) in vielen Fällen, Erhalten einer ausreichend großen Probe. Wenn die Probe nicht den gesamten Probenraum ausfüllt, sinkt der Füllfaktor, und das SNR der Messung kann zu niedrig ausfallen.
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Durch die Verwendung von Mikrospulen und Bohrloch-Messanwendungen können die Stromanforderungen für ein Bohrlochsystem reduziert werden. Ausführungsformen von Systemen und Methoden zur Beobachtungen von Bohrlochfluiden mit LWD NMR-Mikrospulen werden im Folgenden detaillierter offengelegt. Bohrloch-Spektroskopie kann durch Verwendung dieser auf der NMR-Mikrospule basierenden verfahren erfasst werden. Es ist davon auszugehen, dass der Begriff „Mikrospule”, wie er hier verwendet wird, im Allgemeinen Spulen mit Durchmessern von ca. 100 Mikrometern bis zu einigen Millimeter, oder in manchen Fällen einigen Zentimetern, umfasst.
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In Bezug auf die in 3 gezeigte illustrative Ausführungsform können NMR-Mikrospulen 402 auf oder in der Nähe von Außenflächen eines Bohrkranzes 404 montiert werden, um Eigenschaften des Fluids (Bohrfluids) zu messen, das im Ringraum des Bohrlochs (z. B. Der Raum zwischen dem Bohrkranz 402 und der Wand des Bohrlochs) ach oben (lochaufwärts) fließt. Wie hier verwendet, können Mikrospulen, die auf oder in der Nähe einer Außenfläche eines Bohrlochwerkzeuges (z. B. Des Bohrstrangs eines LWD-Werkzeuges, der Sondenverrohrung eines Drahtseilgeräts etc.) montiert sind, als „Oberflächen-Mikrospulen”, „Oberflächen-NMR-Mikrospulen”, „Oberflächenspulen” oder ähnliches bezeichnet werden.
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Die in 3 gezeigte Anordnung von Oberflächen-NMR-Mikrospulen 402 kann auch verwendet werden, um das Fluid im Bereich nahe des Bohrkranzes 404 zu messen. Der Durchmesser der Oberflächen-NMR-Mikrospule 402 beeinflusst ihre Untersuchungstiefe vom Kranz 404 in die Fluidsäule. Ein statisches Magnetfeld kann durch Magnete (nicht gezeigt) bereitgestellt werden, die im Kranz unter den NMR-Mikrospulen 402 eingebettet sind, oder durch Magnete (nicht gezeigt), die im Kranz 404 angebracht sind. Wegen der kleinen räumlichen Dimensionen der NMR-Mikrospulen 402 kann ein starkes, homogenes statisches Feld erzeugt werden, um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zur Berechnung bereitzustellen, zum Beispiel die Kohlenwasserstoff-Kettenlängenverteilung.
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Jede der Oberflächen-NMR-Mikrospulen 402 hat eine Zentralachse und kann in Umfangsrichtung um die Außenfläche des LWD-Werkzeugs mit Zentralachse der Oberflächen-NMR-Mikrospule angeordnet werden, für jede konkrete Oberflächen-NMR-Mikrospule 402, die im Wesentlichen senkrecht zur longitudinalen Achse des LWD-Werkzeugs, im Wesentlichen parallel zur longitudinalen Achse des LWD-Werkzeugs, oder in einem Winkel zwischen im Wesentlichen senkrecht und im Wesentlichen parallel zur longitudinalen Achse des LWD-Werkzeugs steht. Diese Freiheit der Ausrichtung der Oberflächen-NMR-Mikrospulen in Relation zu einem relevanten Durchlass bezieht sich auch auf andere im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen.
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In Bezug auf 4 ist eine weitere Ausführungsform des Bohrloch-NMR-Messgerätes mit Mikrospulen illustriert und umfasst eine Kombination von Oberflächen-NMR-Mikrospulen 402, und Strömungsleitung NMR-Mikrospulen 502 in Umfangsrichtung um eine Strömungsleitung 504 kann Teil eines internen LWD NMR-Systems 506 sein, um das nach unten (lochabwärts) fließende Fluid zur Bohrkrone zu Messen (z. B. Krone 105 von 1). Dies kann in Verbindung mit Oberflächen-NMR-Mikrospulen 402 auf oder in der Nähe der Oberfläche von Kranz 404 verwendet werden und Messungen an nach oben (lochaufwärts) zur Oberfläche fließendes Fluid vornehmen. Im lochabwärts fließenden Fluid vorgenommene Messungen können Informationen bezüglich Kohlenwasserstoffen oder anderen Gasen bieten, die während des Bohrens in das Fluid injiziert wurden. Die Messungen können eine Kohlenwasserstoffketten-Längenverteilung basierend auf Analysen verschiedener NMR-Parameter bereitstellen, die Diffusion und T2-Relaxationszeiten einschließen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. 4 zeigt eine repräsentative Magnetkonfiguration 508, die angeordnet wurde um das statische Magnetfeld in Relation zu den Oberflächen-NMR-Mikrospulen 402 zu erzeugen.
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Eine weitere Ausführungsform eines Bohrloch-Mikrospulen NMR-Messgerätes wird in 5 gezeigt. In dieser Ausführungsform kann das Fluid im äußeren Ringraum gemessen werden, indem eine Probe von der äußeren (Ringraum) Fluidsäule in das Werkzeug genommen wird, wo ein NMR-Sensor 602 angebracht ist. Zum Beispiel kann das zu prüfende Fluid in die Strömungsleitung 604 gezogen und durch den Bohrloch-NMR-Sensor 602 geführt werden. NMR-Sensor 602 kann die gezeigte Ausführungsform, zum Beispiel in 3 oder 4, sein, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Wieder wird eine repräsentative Magnetenkonfiguration 606 gezeigt. Der NMR-Sensor 602 kann eine NMR-Mikrospule sein, die so wenig Raum wie möglich im Bohrkranz innerhalb des LWD-Werkzeuges belegen soll. Ähnlich wie Ultraschallwandler können diese kleinen NMR-Mikrospulengeräte beinahe überall innerhalb des Werkzeuges oder an dessen Außenseite angebracht werden. Neueste Fortschritte in der Miniaturisierung von NMR-Spektrometern haben gezeigt, dass ultrakompakte NMR-Systeme erreichbar sind.
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Erneut in Bezug auf 4 können an „sauberem” Fluid an der Innenseite des Bohrrohrs (z. B. Von der Oberfläche nach unten fließendes Fluid) durchgeführte Messungen erfasst und mit der NMR-Messung des „verunreinigten” Fluidmessung (z. B. Fluid mit Bohrklein, das den Ringraum in Richtung Oberfläche fließt) verglichen werden. Auf diese Weise kann man durch die Verwendung von NMR-Fluidbestimmung zwischen „reinem” Fluid und Reservoir-verunreinigtem Fluid unterscheiden.
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In einer anderen Ausführung in 6 kann eine Bypass-Strömungsleitung 702 von der Schlamm-Strömungsleitung des Hauptgeräts 504 durch einen NMR-Sensor 602 geführt werden. Verglichen mit der Ausführung in 4 reduziert dies den Durchfluss und erlaubt die Verwendung einer kleineren HF-Feder, was das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung weiter verbessern kann. 7 zeigt eine Ausführung, die eine geteilte Bypass-Strömungsleitung verwendet. In dieser Ausführung kommen separate Eingangs- und Ausgangsanschlüsse von internen 702 und extermen 604 Bypass-Strömungsleitungen zu einem gemeinsamen Abschnitt der Bypass-Strömungsleitung zusammen. Ventile 802 können eingefügt werden, um den Fluss der Flüssigkeit selektiv zu kontrollieren. Wenn Messungen von Neuschlamm gemacht werden sollen, können die Ventile 802 es dem Schlamm erlauben, entlang der Schlamm-Strömungsleitung 504 hinunter zu fließen, um in die Bypass-Strömungsleitung hineinzulaufen, während sie verhindern, dass kontaminierter Schlamm, der nach oben durch den Ringraum läuft, dasselbe macht. Wenn Messungen bei kontaminiertem Schlamm gemacht werden sollen, können die Ventile 802 es dem Schlamm ebenso erlauben, durch den Ringraum nach oben zur Oberfläche zu fließen, um in die Bypass-Strömungslinie hineinzufließen, während sie verhindern, dass Schlamm, der durch die Schlamm-Strömungsleitung 504 hinunterfließt, dasselbe macht. Die Ventile 802 können auf jede gewünschte Weise, einschließlich elektronisch, durch ein oder mehrere Signale (z. B. Signal vom Kontrollsystem 152) oder hydraulisch, kontrolliert werden.
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8 ist eine schematische Zeichnung des Beispiels eines Magnetsystems 902, welches zusammen mit einem NMR-Mikrospulen-System, wie in 3–8 gezeigt, verwendet werden kann. Bei der illustrierten Ausführung enthält das Magnetsystem 902 die Magnete 904, die Stangenstücke 906 und den Magnetrückfluss 908.
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Mehrere NMR-Mikrospulen-Sensoren können gleichzeitig zusammen mit verschiedenen Magnetfeldstärken und Gradienten verwendet werden. Diese können zum Beispiel verwendet werden, um Flüssigkeits-Identifikationsstudien zu beschleunigen. Die Verwendung von mehreren Spulen an verschiedenen Stellen (z. B. in Serie oder parallel zum Fluss) mit verschiedenen Magnetfeldstärken kann es einem erlauben, den ”Fluss” einer Flüssigkeit räumlich darzustellen und zu sehen, wie sich deren Eigenschaften entlang einer Flussrichtung verändern, wenn es sich um eine Mischung mit verschiedenen Phasen handelt. Die Verwendung verschiedener Gradienten kann Diffusionsmessungen separater Flüssigkeitstypen ermöglichen. Die Relaxationszeit (T1, T2) und die Diffusionsmessungen von Öl- und Öl/Wasser-Emulsionen mit NMR-Mikrospulen ermöglichen außerdem die Gewinnung multidimensionaler Daten (2D, 3D, 4D) diesbezüglich.
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Die Aufmerksamkeit richtet sich jetzt auf Auswertungsprozeduren, Verfahren, Techniken und Arbeitsabläufe, die im Einklang mit einigen Ausführungen stehen. Gewisse Abläufe bei den Auswertungsprozeduren, Verfahren, Techniken und Arbeitsabläufen, die hier gezeigt werden, können kombiniert und/oder die Anordnung gewisser Abläufe kann verändert werden. Es ist anerkannt, dass geologische Interpretationen, Annahmen und/oder Domain-Modelle wie Geschwindigkeits-Modelle schrittweise verfeinert werden können. Dieses Konzept kann bei den hier diskutierten Auswertungsprozessen, Verfahren, Techniken und Arbeitsabläufen angewandt werden. Solche schrittweisen Verfeinerungen können zum Beispiel die Verwendung von Rückkoppelungsschleifen auf algorithmischer Basis miteinschließen, wie zum Beispiel bei einem Computer (z. B. Teil des Kontrollsystems 152 in 1), und/oder durch manuelle Kontrolle durch einen Benutzer gemacht werden, der bestimmen kann, ob ein bestimmter Schritt, Handlung, Vorlage oder Modell genau genug für die Evaluation der geprüften unterirdischen, geologischen Formationen geworden ist.
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9 zeigt ein Flussdiagramm mit einer Verfahrensausführung 1000 im Einklang mit den Aspekten der vorliegenden Informationen. Das Verfahren 1000 umfasst die Verwendung eines Bohrloch-Messgeräts mit einer Längsachse und einem NMR-System, welches eine oder mehrere NMR-Mikrospulen hat, die auf oder in der Nähe einer äußeren Oberfläche des Bohrmessgeräts angebracht werden. Jede der Oberflächen-NMR-Mikrospulen hat eine Mittelachse und ist rings um die äußere Oberfläche des Bohrmessgeräts herum verteilt, wobei die Zentralachse der NMR-Mikrospulen im Wesentlichen im Lot mit der Längsachse des Bohrmessgeräts, im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Bohrmessgeräts, oder in einem bestimmten Winkel zwischen im Wesentlichen lotrecht und im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Bohrmessgeräts ist (1002). Das Verfahren 1000 umfasst die Platzierung das Bohrmessgerät in einem Bohrloch, das Flüssigkeiten enthält (1004). NMR-Messungen werden für Flüssigkeiten erhalten, die sich in unmittelbarer Nähe der Oberflächen-NMR-Mikrospulen (1006) befinden, und die NMR-Messungen lassen auf eine oder mehrere Charakteristiken der Flüssigkeiten schließen (1008).
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10 ist ein Flussdiagramm, das eine andere Verfahrensausführung 1100 im Einklang mit den Aspekten der vorliegenden Informationen darstellt. Das Verfahren 1100 beinhaltet ein NMR-System mit einer zentralen Strömungsleitung, die eine Längsachse hat und in Fluidkontakt mit der Drillflüssigkeit im inneren Bereich eines Bohrrohrs ist sowie eine oder mehrere zusätzliche Oberflächen-NMR-Mikrospulen hat, wo jede der einen oder mehreren zusätzlichen Oberflächen-NMR-Mikrospulen eine Mittelachse besitzt und rund um die zentrale Strömungsleitung verteilt ist, wobei die Mittelachse der Oberflächen-NMR-Mikrospule im Wesentlichen im Lot mit der Längsachse der zentralen Strömungsleitung ist (1102). Das Verfahren 1100 beinhaltet die Gewinnung von NMR-Messungen einer Flüssigkeit im inneren Bereich der zentralen Strömungsleitung, indem eine oder mehrere zusätzliche Oberflächen-NMR-Mikrospulen verwendet werden (1104). Die NMR-Messungen lassen auf eine oder mehrere Charakteristiken der Bohrflüssigkeit schließen (1106).
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Wie beim Verfahren 1100 gezeigt, kann 1108–1102 anstatt oder zusätzlich zu 1102–1106 ausgeführt werden, wobei das NMR-System (von 1102) eine Strömungslinien-NMR-Mikrospule mit einer zentralen Achse miteinschließt, wobei sie die zentrale Strömungsleitung umschließt und eine Mittelachse hat, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse der zentralen Strömungsleitung ist (1108). NMR-Messungen werden für die Flüssigkeit innerhalb des Bereichs der zentralen Strömungsleitung gewonnen, indem die NMR-Mikrospule (1110) verwendet wird, und NMR-Messungen (1112) lassen auf eine oder mehrere Charakteristiken der Bohrflüssigkeit schließen.
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11 zeigt wieder eine andere Verfahrensausführung 1200 im Einklang mit den Aspekten der hier vorliegenden Informationen. Gemäß dem Verfahren 1200 wird ein NMR-System verwendet, welches eine Bypass-Strömungsleitung beinhaltet, die eine Längsachse hat und in Fluidkontakt mit Flüssigkeit im Bohrloch-Ringraum ist sowie eine Bypass-Strömungsleitung-NMR-Mikrospule mit einer zentralen Achse, wobei sie die Bypass-Strömungsleitung-NMR-Mikrospule umschließt und die Mittelachse der Strömungsleitung-NMR-Mikrospule im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Bypass-Strömungsleitung (1202) ist. NMR-Messungen werden von der Flüssigkeit innerhalb des Bereichs der Bypass-Strömungsleitung gewonnen, indem man die Bypass-Strömungsleitung-NMR-Mikrospule (1204) verwendet, und die NMR-Messungen (1206) lassen auf eine oder mehrere Charakteristiken der Flüssigkeit im Bohrloch-Ringraum schließen.
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Wie bei Verfahren 1200 gezeigt, kann 1208–1212 anstatt oder zusätzlich zu 1202–1206 angewandt werden, wo das NMR-System (von 1202) eine oder mehrere zusätzliche Oberflächen-NMR-Mikrospulen miteinschließen kann, wobei jede der einen oder mehreren zusätzlichen Oberflächen-NMR-Mikrospulen eine zentrale Achse hat und rund um die Bypass-Strömungsleitung angelegt ist, wobei die Mittelachse der Oberflächen-NMR-Mikrospule im Wesentlichen lotrecht zur Längsachse der Bypass-Strömungsleitung (1208) ist. NMR-Messungen werden für die Flüssigkeit im inneren Bereich der Bypass-Strömungsleitung gewonnen, indem eine oder mehrere zusätzliche NMR-Mikrospulen (1210) verwendet werden, und die NMR-Messungen (1212) lassen auf die Flüssigkeit im Bohrloch-Ringraum schließen.
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12 zeigt eine weitere Verfahrensausführung 1300 im Einklang mit den Aspekten der vorliegenden Informationen. Gemäß Verfahren 1300 wird ein NMR-System verwendet, welches eine Bypass-Strömungsleitung mit einer Längsachse hat, wobei die Bypass-Strömungsleitung in Fluidkontakt mit der Bohrflüssigkeit im inneren Bereich eines Bohrrohrs ist sowie eine Bypass-Strömungsleitungs-NMR-Mikrospule mit einer zentralen Achse besitzt, wobei die Bypass-Strömungsleitungs-NMR-Mikrospule die Bypass-Strömungsleitung umschließt und ihre Mittelachse im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Bypass-Strömungsleitung (1302) ist. NMR-Messungen werden von der Flüssigkeit im inneren Bereich der Bypass-Strömungsleitung gewonnen, indem die Bypass-Strömungsleitung-NMR-Mikrospule (1304) verwendet wird und die NMR-Messungen (1306) auf eine oder mehrere Charakteristiken der Bohrflüssigkeit schließen lassen.
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Wie bei der Verfahren 1300 auf 12 gezeigt, kann 1308–1312 anstatt oder zusätzlich zu 1302–1306 angewandt werden, wo das NMR-System eine oder mehrere zusätzliche NMR-Mikrospulen enthalten kann, wobei jede eine Mittelachse hat und rund um die Bypass-Strömungsleitung angelegt wird, wobei die Mittelachse der Oberflächen-NMR-Mikrospule im Wesentlichen im Lot mit der Längsachse der Bypass-Strömungsleitung, im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Bypass-Strömungsleitung oder in einem gewissen Winkel zwischen im Wesentlichen lotrecht und im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Bypass-Strömungsleitung (1308) ist. NMR-Messungen werden von der Bohrflüssigkeit im inneren Bereich der Bypass-Strömungsleitung erhalten, indem eine oder mehrere zusätzliche NMR-Mikrospulen (1310) verwendet werden, und die NMR-Messungen lassen auf eine oder mehrere Charakteristiken der Bohrflüssigkeit (1312) schließen.
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Verständlicherweise werden die verschiedenen, oben beschriebenen Techniken im Zusammenhang mit der Verwendung von NMR-Mikrospulen bei Bohrloch-NMR-Messungen als Beispiel-Ausführungen gezeigt. Dementsprechend sollte verstanden werden, dass die vorliegenden Informationen nicht nur auf die oben beschriebenen Beispiele limitiert sind. Weiterhin sollte bedacht werden, dass die hier beschriebenen NMR-Messtechniken auf jede geeignete Weise angewandt werden können, einschließlich Hardware (entsprechend konfigurierte Verschaltung), Software (z. B. durch ein Computerprogramm einschließlich ausführbarem Kode, der auf einem oder mehreren konkreten Computer-fähigen Medien gespeichert wird) oder durch die Verwendung einer Kombination von Hardware- und Software-Elementen. Des Weiteren versteht sich, dass die NMR-Messungen, die durch die hier beschriebenen Techniken gewonnen werden, mit einem Bohrlochprozessor (z. B. ein Prozessor, der Teil eines NMR-Bohrlochmessgeräts ist) verwendet werden können, wobei die Resultate durch irgendein geeignetes Telemetrie-Verfahren an die Oberfläche geschickt wird. Zusätzlich können bei anderen Ausführungen NMR-Messungen durch Telemetrie nach oben geschickt werden, und die Inversion solcher Messungen kann an der Oberfläche durch einen Oberflächen-Computer (z. B. Teil des Kontrollsystems 152 in 1) gemacht werden.
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Während die oben beschriebenen, spezifischen Ausführungen in Beispielen aufgezeigt wurden, können Sachverständige unter Verwendung der vorangehenden Beschreibungen und den dazu gehörenden Zeichnungen viele Modifikationen und andere Ausführungen ersinnen, Es versteht sich daher, dass vorgesehen ist, dass verschiedene Modifikationen und Ausführungen im Bereich der angehängten Anforderungen miteinbezogen werden.
