DE1533586A1

DE1533586A1 - Verfahren zum Ausrichten einer auf OElangesetzten Tiefbohrung

Info

Publication number: DE1533586A1
Application number: DE19671533586
Authority: DE
Inventors: Jones Stanley Bennett; Unterberger Robert Ruppe; Holser William Thomas
Original assignee: Chevron Research and Technology Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1966-11-14
Filing date: 1967-05-12
Publication date: 1972-05-10
Also published as: US3412815A; GB1169407A; DE1533586C3; DE1533586B2; NL6706549A; ES340299A2

Description

Hamburg, aen 5° Mai 1967

PATENTANVALTFRAHZCHOLiXNDa Akte 319 67

HAMBURG 36 - JlKsCFERNSTlEC 38

Priorität TJSAo 14= November 1966, Hrc 594 077

Anmelder;

Chevron He search. Company

San -Francisco» CaI₀, UiSAo

Verfahren zum Ausrichten einer auf OeI angesetzten Tiefbohrung (Zusatz zum Patent (Anm. C 40 078)

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Abteufen von Erdoel-Tiefbohrungeno Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, die es gestattet, ein Bohrloch neu auszurichten, das irrtümlich, durch Zufall oder ähnliche Umstände eine masaive Gesteinsformation aus chemischen Sedimenten angefahren hat, wie ZoB₀ Evaporat oder chemische Ablagerungen von Steinsalz (Halit), Anhydrit, Kalkstein oder ähnlichem, und auf Oellagerstätten stoßen soll, die seitlich benachbart oder unter der Sohle des Bohrloches liegen₀

ülrfindungagemaß wird das Ausmaß der Ablenkung einer Tiefbohrung zum Zwecke des Anfahrens von Oellagerstätten, die in Verbindung mit derartigen Formationen auftreten, durch Daten bestimmt, die aus einer Durchstrahlung der Formation mit elektromagnetischer Strahlung gewonnen worden sindo Auf diese Weise wird der Abstand vom Bohrloch zu der iOrmationsgrenzflache gemessen, die unter oder im seitlichen Abstand vom

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Bohrloch liegen kann, und danach die Bohrung ausgerichtet, um die Oellagerstätten anzufahren»

Die Suche nach OeI und Gas hat gezeigt, daß wirtschaftlich ausbeutbare Lagerstätten für OeI und Gas zusammen mit massiven Gesteinsformationen aus chemischen Sedimenten, wie z_on_a steinsalz, Anhydrit, Kalkstein und ähnlichem auftreten* ZoB, im mittleren Südabschnitt der vereinigten Staaten sind wirtschaftlich ausbeutbare Oellager gewöhnlich, falls überhaupt, in Sedimentformationen vorhanden, die unmittelbar einem Salzdom benachbart sind» Es wird allgemein angenommen, daß diese Ansammlungen deshalb auftreten, weil die Sedimentschichten duroh das Aufbrechen des Salzdomes in die Schichten angeschleppt oder aufgekippt worden sindo Die Anschleppung oder Kippung der Schichten an der Grenzfläche führt zur Bildung einer lasche oder Falle, in der sich OeI oder Gas ansammeln kann, das sich aufgrund von Dichteunterschieden von anderen in aen Formationen vorhandenen Strömungsmitteln abtrennt»

Gleichfalls hat sich bei der Suche nach Gas oder OeI in Erdschichten, die früher unter dem Meeresspiegel lagen, herausgestellt, daß OeI in porösen Kalksteineinriffen auftreten kann, die an den Kanten mariner Becken liegen«, Derartige Riffe stiegen früher steil aus dem Ozeanboden auf und wurden später von Ablagerungamaterial überdeckte Kürzliche geologische Erfahrung hat gezeigt, daß das auf den Riffen liegende Sedimentationsmaterial nicht notwendigerweise zu der Gruppe der undurchlässigen Formationen gehört, die gewöhnlich in Verbindung mit sedimentären Oelfallen auftreten, wie ζ·Β_β Sohiefertonen» Vielmehr kann es aua chemisch abgelagerten

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BAD ORIGINAL

Materialien bestehen, wie ζ,Β«, Steinsalz, Anhydrit oder dichtem Kalksteine Diese chemisch abgelagerten Materialien haben äußerste geringen Porenraum, so daß OeI oder Gas in dem Riff aufgefangen wird und sich unter Schwereeinwirkung von den Formationswässern abtrennt und ansammelte

Die allgemeine Lage und Form eines Salzdomes oder eines Riffs, das von derartigen chemischen Sedimenten umgeben ist, kann von der Oberfläche aus durch Sohweremessungen oder seismische Aufschlußverfahren gefunden werden₀ Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der genaue Ort der in Verbindung mit diesen Strukturen auftretenden Oellagerstätten vielfach nur durch Abteufen einer Aufschlußbonrung festgestellt werden kanne Das liegt daran, daß die Umrisse des üalzdomes oder Riffs, die in den interessierenden Teufen vielfach unregelmäßig sind, aus den an der Oberfläche gewonnenen seismischen Daten nicht klar zu bestimmen sind, delbst wenn tatsächlich gebohrt wird, ergeben sich oft erhebliche Zweifel über die richtige Richtung, in welcher die Bohrung geführt werden muß, um die Oellagerstätte anzufahren, sobald die Bohrung zufällig den dalzdom oder die Gesteinsformationen anfährt, welche das Riff umgebene tfalls ZoB. der Salzdom angebohrt worden ist, muß bestimmt werden, ob die Bohrung etwa in derselben Richtung fortgesetzt werden soll, wobei angenommen wird, daß sich die Boarung in einem Salzüberhang befindete Sonst müsste die Bohrung peitschenstockähnlich von der Mitte des Domes nach der Grenzfläche zwischen den Sedimentaoionsschichten und dem Salzuom hin augelenkt werden, wobei angenommen wird, daß der Salzdom etwa pyramidenartig geformt ist. Dementsprechend ist

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es der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung, von einem Bohrloch aus genau die Lage einer Grenzfläche des massiven Gesteins zu bestimmen, das aus chemischen Sedimenten besteht und einer oelführenden Struktur oder Lagerstätte benachbart ist, falls die Bohrung durch Fehler, Zufall oder andere Umstände das chemische Sedimentationsgestein angefahren hat* Die Bohrung soll aufgrund dieser Bestimmung dann mit ausreichender Genauigkeit ausgerichtet werden können, um die Lagerstätte anzufahren.,

Im Patent ooooooooaoooo (Patentanmeldung 0 40 078), betreffend ein Verfauren zum Kartieren von Salzdomen, ist vorgeschlagen worden, elektromagnetische Strahlung zu verwenden, um aus einem absichtlich in einen Salzdom abgeteuften Bohrloch heraus die Grenzflächen des Salzdomes zu kartieren, so daß nachfolgende Tiefbohrungen genau geführt werden können, um die an die Seiten« wände des Domes anschließenden Sedimentschichten anzufahren« Im vorliegenden Verfahren wird die elektromagnetische Bestimmungstechnik erweitert auf die Verwendung in massivem Gestein aus chemischen Sedimenten, einschließlich Salzdomen und chemisch abgelagerten Gesteinsformationen in der Umgebung von Riffen, um die Ausrichtung von Tiefbohrungen zu bestimmen, damit sie Oellagerstätten anfahren, welche an Strukturen dieser Art auftreten, nachdem die Bohrung zufällig oder durch einen Fehler in die genannten Gesteinsformationen eingedrungen ist·

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeioh·* nungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt sind» JSs zeigern

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Pigο 1 einen Schnitt durch ein Bohrloch, das bis in einen Salzdom hinein abgeteuft und in welchem eine Sonde zur Aussendung und zum Empfang elektromagnetischer Energie angeordnet ist, die mit entsprechenden Einrichtungsteilen an der Erdoberfläche in Verbindung steht, um die Entfernung zur Grenzfläche zwischen Salzdom und den oelführenden Sedimentschichten sowohl seitlich als auch unter dem Bphrloch festzustellen und aufzuzeichnen,

Figo IA eine vergrößerte Teildarstellung einer Sende- und Empfangsantenne für die in Figo 1 dargestellte Anlage,

Jigο 2 einen Schnitt durch ein Bohrloch, das bis in eine Formation aus chemischen Sedimentgestein reicht, die ein oelführendes Riff überdeckt, wobei ferner die Lage einer Sende- und Empfangssonde für elektromagnetische Energie innerhalb des Bohrloches und der zugehörigen Einrichtung an der Erdoberfläche dargestellt ist, die zusammen mit der öonde zur Messung und Aufnahme der Entfernung zwischen Bohrloch und Riff sowohl in seitlicher Richtung als auch in Verlängerung des Bohrloches dient,

J?ig· 3 ein ./eilenformdiagramni zur Erläuterung einer mit frequenzmodulation arbeitenden Strahlungseinrichtung zur Bestimmung einer Grenzfläche, wenn die vom Bohrloch aus zu bestimmende Grenzfläche dicht beim Bohrloch liegt,

Figo 4 ein Blockschaltbild eines Senders und Empfängers und der zugehörigen Einrichtung zur Bestimmung seit-

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licher Abstände in der mit Frequenzmodulation arbeitenden messeinrichtung,

Pigο 5 eine abgewandelte Antenneneinrichtung, die für die Kartierung einer Grenzfläche verwendbar ist, welche unter der Bohrlochsohle liegt, und

Figo 6 eine vergrößerte Darstellung der Sonde einer Log— einrichtung einschließlich einer Antenneneinrichtung für elektromagnetische Impulse, die zur Bestimmung des seitlichen Abstandes einer G-renzfläche von einem Bohrloch entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar ist₀

In Figo 1 ist schematisch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, um in der Tiefe den Ort der .'/and des Salzdomes 10 zu kartieren, nachdem die Tiefbohrung 11 wegen eines Fehlers oder zufällig in den Salzdom eingedrungen isto Diese Kartierung hat den Zweck, mitzuhelfen bei der Bestimmung der Richtung, in welcher die Tiefbohrung weitergeführt werden soll, um die an den Salzdom angrenzenden Sedimentschichten 12, 13 und 14 anzufahren,. Diese Schichten sind, »vie dargestellt ist, gewöhnlich durch das Aufbrechen des Salzdomes 10 aufgekippt, obowhl die Schichten ursprünglich söhlig abgelagert worden sind» In derartigen Fällen kann der Salzdom einen Überhang 15 aufweisen. Wenn die Bohrung in den Überhang eingedrungen ist, ist es schwierig, die Richtung zu bestimmen, in welcher die Bohrung fortgesetzt werden soll, um die oelführenden Sedimentschichten 12 und 14 zu treffen» Me ursprüngliche Plazierung und Ausrichtung der Bohrung 11, die auf die Schichten 12, 13 und 14 angesetzt ist, beruht auf Daten,

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die durch Oberflächenseismik erzielt worden sind und oft genug für die interessierenden Teufen nicht ausreichen« Falls die genaue horizontale und vertikale Erstreckung der Wandung des Jalzdomes bekannt ist, d.h. zur Seite und unmittelbar unter der Bohrung, kann die weitere Bohrung in der wirtschaftlichsten Weise ausgerichtet werden, um die Lagerstätten 16 und 17 anzufahren«, In einigen Fällen kann es am wirtschaftlichsten sein, die Bohrung aufzugeben und von einem neuen Ort an der Oberfläche aus eine neue Bohrung abzuteufen,, In solchen Fällen sind die bereits für das Abteufen der Bohrung ausgegebenen Kosten im Vergleich zu den Kosten zu betrachten, die für das Niederbringen einer neuen Bohrung an einer anderen Stelle aufeuwenden sind«. Unter den Faktoren, welche die Entscheidung beeinflussen, sind die Teufe der vorhandenen Bohrung, die Entfernung zur Grenzfläche, das Ausmaß und die Lage der gesetzten Verrohrung, der Aufwand für die Ablenkung der Bohrung usw.

Fig« 2 erläutert schematisoh die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine andere Einsatzmöglichkeit, Wie dargestellt, führt ein Bohrloch 20 bis in eine Erdschicht 21, die aus chemischen Sedimenten gebildet ist, z.B« oteinsalz (Halit), Anhydrit oder dichtem Kalkstein, die über einem Riff 22 abgelagert sind, das z«B. aus Kalkstein bestehen kann, welcher in nicht dargestellter Weise Oellagerstätten enthältο Der Zweck der Bohrung 20 besteht darin, das Riff 22 anzufahren, um diese Lagerstätten auszubeuten. Das Riff 22 bildet zusammen mit der umschließenden Schicht 21, die aus undurchlässigem Material besteht, eine Falle für die Ansammlung von OeI₁, das sich aufgrund des Diohteunterschiedes von anderen Formations-

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flüssigkeiten trennt, die in der zum Riff 22 gehörigen Formation vorhanden sindo i/enn die Bohrung zufällig oder durch einen Fehler die benachbarte Formation 21 angefahren hat, kann es äußerst schwierig sein, die richtige Richtung zu bestimmen^ in der die Bohrung fortzusetzen ist, um das Riff 22 anzufahren; die Gründe sind die gleichen wie oben erwähnte Hier kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu dienen, um unter Tage die horizontale und vertikale Erstreckung der Grenzfläche des Riffs 22 sowohl seitlich von dem Bohrloch als auch darunter zu kartieren, um die Bestimmung der Richtung für die Fortsetzung der Bohrung 20 zu ermöglichen, die dann das Riff anfahren kann, so daß das darin befindliche OeI gefördert werden kann_e Falls die genaue horizontale oder vertiakle Lage der Grenzfläche des Riffs 22 bekannt ist, kann die Bohrung in der wirtschaftlichsten Weise neu ausgerichtet werden, um das Riff anzufahren*

Zur Ausführung der Erfindung wird die Logsonde 24 an einem Kabel 25 in das Bohrloch eingefahren, das in der interessierenden Formation steht, z.B. die Bohrung 11 im Salzdom 10, siehe Fig. 1» Mit dieser Anordnung wird die horizontale und vertikale Lage der Grenzfläche des iJalzdomes kartiert, oder bei dem Beispiel naoh Fig. 2 von dem Bohrloch 20 aus, das in einer Formation 21 steht, die Grenzfläche des Riffs 22_o DerABstand vom Bohrloch zur Grenzfläche des iSalzdomes oder des Riffs wird dadurch bestimmt» daß impulsförmige oder frequenzmodulierte elektromagnetische Energie durch die benachbarten Formationen hindurchgesohickt werden, welche das Bohrloch umschließen, und der Teil der Energie wieder aufgenommen wird,*der von der Grenzfläche reflektiert wird. Durch Messen der Zeit zwischen

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Sendung und Empfang der elektromagnetischen Energie anhand

und
einer Analyse der abgehenden/eintreffenden Impulse oder ihrer

Frequenzdifferenzen, kann die Grrenzfläohe des üalzdomes 10 oder des Riffs 22 festgestellt und an der Erdoberfläche angezeigt werden, soweit die Geschwindigkeit der Energie in der Jehicht bekannt ist.

Für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat die elektromagnetische Energie eine Frequenz im bereich von wenigstens 10 Hz, jedoch nioht mehr als 10 iiz, ao daß sie sich innerhalb der das bohrloch umgebenden Formation ohne übermäßige Dispersion oder Dämpfung ausbreitet, um den Ort der üalzdoingrenzflache oder des Riffs gegenüber dem Bohrloch zu definieren. Bei Verlust-Tangens-Messungen (Messungen des ffärmeverlustes eines hochfrequenten elektrischen oder elektromagnetischen Feldes in einem Dielektrikum oder Halbleiter) in oteinsalzproben» die aus Üalzdomen entnommen worden 3ind, ist festgestellt worden, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit größter Wirksamkeit in dem oben erwähnten Frequenzbereioh arbeitet* Es ist auch bekannt, daß bei der Kristallisation von öalz zur Bildung eines Salzdomes oder bei der Ablagerung von Sedimenten aus Hallt, Anhydrit oder dichtem Kalkstein auf einem Riff häufig kleine Taschen mit der ursprünglichen Lauge zurückbleiben_e Diese Taschen mit gesättigtem Salzwasser haben eine Ausdehnung von wenigen Millimetern} große Tasohen oder große Mengen werden nur selten angetroffen, da diese Formationen nur kleine Porengrößen haben· Dementsprechend durchlaufen elektromagnetische Wellen diese verhältnismäßig homogenen Formationen und Mehren duroh Reflexion an der entfernt vom

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BAD OBiGlNAL

Bohrloch liegenden Grenzfläche ohne übermäßige Dämpfung oder Dispersion der Wellen zurück*

An der Oberfläche befindliche Einrichtungen für die Aufzeichnung der Entfernung zur Grenzfläche dea Salzdomea oder des Riffs sind in den Fig. 1 und 2 bei 18 dargestellt und enthalten drei Anzeigegeräte, nämlich für die Teufe 26, für die Entfernung 27 und für das Azimuth 28. Der Teufenanzeiger 26 zeigt die Kartierungateufe der oonde 24 innerhalb des Bohrloohes 11 bzw, 20 an. Die Kartierungsteufe wird durch die doheibe 29 gemessen? die Soheibe 29 wird auf dem Anzeigegerät 26 dargestellt» Der Abstand zwischen Bohrloch und der zu kartierenden Grenzfläche in der Kartierungsteufe ergibt sich aus der Zeit, die zwischen Sendung und Empfang der elektromagnetischen Energie an der donde 24 liegt, und der bekannten Geschwindigkeit der Energie in der Formation» Die Zeit kann auf zwei* .Vegen abgeleitet werden. Es kann die Zeit analysiert werden, die zwischen der Abgabe und dem Empfang der Energieimpulse liegt, oder die Frequenzunterschiede zwischen der gesendeten und der empfangenen Energie können bestimmt werden, wenn die Abgabefrequenz verändert wird. Die azimuthale Richtung der ausgestrahlten Energie kann, falls Richtstrahlung verwendet wird, durch einen lageanzeiger 28 angezeigt werden, der hier als ein Oscilloskop dargestellt ist· Durch Vereinigung dea Teufenanzeiger 26, Entfernungsanzeiger 27 und Azimutanzeiger 28 können die Informationen von allen drei Einheiten zusammengefasst werden, um den Abstand und die Richtung der kartierten Grenziläohe gegenüber dem Bohrloch entweder seitwärts oder unter der nuess-Sonde, anzuzeigen«

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Mit Hilfe dieser Information kann die Bohrung in der wirtschaftlichsten Weise neu ausgerichtet werden, um die OeI-lagerstätten anzufahren, die in Verbindung mit üalzdomen oder Riffen auftreten»

Zum Rartieren einer Grenzfläche wird nach der Erfindung die oonde 24 vorzugsweise an einem Ort stationär gehalten, wo sie der Bohrlochsohle 23 ent benaohbart ist oder in Berünrung mit dieser steht« Die bevorzugte Kartierungsteufe erlaubt auf diese Weise, den größten Nutzen aus der bereits gebohrten dtrecke des Bohrloches zu ziehen« Innerhalb der oonde in der bevorzugten Kartierungsteufe vorgesehene Antennen können auch ein azimuthal allseits gerichtetes otrahlungsmuster aufweisen, das etwa durch eine Dipolantenne geliefert werden kamu Bei derartigen Anwendungen stellt das zuerst am i&itfernungsanzeiger 27 empfangene Signal die nächste Grenzfläche des zu kartierenden üalzdomes oder Hiffs dar· Die azimuthale Richtung der Grenz« fläche kann angenähert unter Bezug auf seismische Daten von der Erdoberfläche bestimmt werden_e

Falls die von der Erdoberfläche ermittelten seismischen Daten jedoch nioht eindeutig sind, kann es erwünscht sein, Antennen mit einer azimuthal stärker ausgeprägten Charakteristik zu verwenden, wie in Pig· la· Die Jende- und ώαρfangβantennen 30 und 31 werden innerhalb des Gehäuses 32 von Lagern 33 gehalten; die Antennenenden sind in der dargestellten Welse aufgeweitet. Solche Antennen werden Hornantennen genannt und können dielektrisch geladen sein, um ihre Dimensionen in den interessierenden Frequenzen zu verringern· Diese Antennen sind am nützlichsten, wenn ihre HauptstrahlungSachsen

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im wesentlichen normal zur Grenzflache des zu kartierenden oalzdomes oder Hiffes gerichtet sind_o Da gegenüber dem Bohrloch der Ort solcher Grenzflächen im Azimuth unterschiedlich ist, kann ein An'jennenrotor 35 durch Getriebezahnräder 36 und 37 mit den Antennen verbunden sein, um sie nach einer Steuerung um die Achse der Tiefbohrung zu drehen,, Der Rotor 35 enthält eine Aufnahmevorrichtung, die in geeigneter Weise durch Leitungen, die einen Teil des Kabels 25 bilden, mit dem Anzeigegerät 28 an der ürdc-berflache verbunden ist, um die Azimuthricntmg der ausgesandten und aufgenommenen Energie anzuzeigeno Die drehung des Motors 35 wird durch entsprechende ochaltmittel innerhalb der Sonde und an der Erdoberfläche ausgelöst, die al sich aus der Steuerungstechnik bekannt sindo

Figo 5 zeigt innerhalb der oonde 24 eine wahlweise mögliche Richtantennena.no ?dnung, die verwendbar ist, um elektromagnetische Energie durch die Bohrlochsohle 23 hindurch in das Liegende zu richten* Hach der Darstellung wird elektromagnetische energie in dem erwähnten Frequenzbereich von der sendenden Hornantenne 40 aisgestrahlt und kann entweder frequenzmoduliert oder iapulsfömij sein» Me Antenne 40 ist zwar so dargestellt, daii sie revenue er der ,jonde 30 im Azimuth stationär ist, so daß sie Energie in aas Liegende nur in einer einzigen Abwärtsrichtung überträgt, die kann .jedoch mit geeigneten Einrichtungen versehen werden, wie z»B₀ mit Zahnrädern, die durch einen Antennenrotor üb sr geeignete Schaltmittel angetrieben werden, um die Antenne ua eine Achse zu drehen, die normal zu derjenigen aes Bohrloches liegt» Dies kann erwünscht sein, wenn ein ausführlicheres .bill über die Ausdehnung des oalzdomes oder des Riffs im Liegend an des Bohrloches gewonnen werden soll* Nachdem

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BAD OPiGlNAL

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die Energie von der Grenzfläche des Salzdomes oder niffs reflektiert worden ist, wird die zurücklaufende elektromagnetische Energie in der Sonde von der Empfanger-Hornantenne 41 aufgenommen, welche die gleiche Richtung wie die Sendeantenne 40 hat»

Wenn aus einem Bohrloch heraus, das in einem Salzdom steht, ein Ausschnitt des Salzdomes, oder wenn ein Riff von einem außerhalb des Riffs stehenden Bohrloch kartiert werden soll_p kann das Bohrloch einen verhältnismäßig geringen Abstand von der zu kartierenden Grenzfläche haben, etwa von einigen Zentimetern bis zur Größenordnung von hundert Metern (mehrere hindert Fuß)_e Es wird für solche Fälle deshalb vorgeschlagen, daß ein frequenzmoduliertes (FM) Meßsystem, das innerhalb des erwähnten Frequenzbereiches arbeitet, zur Messung dieser kleinen Entfernungen verwendet wird_e

Figo 3 erläutert die Arbeitsweise eines FM-Meßsystemso Der Sender des FiVi-Systems hat eine mittlere Frequenz von f , die wenigstens gleich 10 Hz, jedoch kleiner als 10 Hz ist₀ Die Frequenz des Senders wird von f auf f+ und f-, wie dargestellt, in linearer Weise abgewandelt, jedoch derart, daß f+ innerhalb des oben erwähnten Frequenzbereiches liegt«. Diese Abwandlung kann jedoch auch sinusförmig sein, da gezeigt werden kann, daß die mittlere Frequenzdifferenz innerhalb einer Periode sinusförmiger Modulation gleich derjenigen ist, die bei linearer Abwandlung innerhalb derselben Modulationsperiode erzielt wird₀ Eine Periode dieser Abwandlung wird mit f Hz ausgeführt, so daß die Zeit, die zur Abwandlung der Energie über den vollen Frequenzbereich, eine volle Periode, erforderlich ist, gleich l/f Sekunden beträgt© In der Zeitspanne, die benötigt wird, um die Energie zur Grenzfläche auszustrahlen und von dort

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ÜhU umuiivAL

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reflektiert zur Sonde zurücrtzulaufen_e, hat sich die dann von der sendenden Antenne ausgestrahlte frequenz um einen bestimmten endlichen Betrag verändert, der durch die Geschwindigkeit bestimmt ist, mit der die Sendefrequenz verändert wird.

In Jj¹Ig₄ 3 ist die Laufzeit der V/elle als Zeitverzögerung dargestellt und duroh die Größe 2d/v wiedergegeben, wobei d der Abstand zur Grenzfläche und ν die Übertragungsgeschwindigkeit der Ünergie durch die übertragende Formation ist_e Hierfür gilt ν « c/n β c/ yE'/£ ο c ist die Lichtgeschwindigkeit; η ist der Brechungsindex und ü/J3_o ist der reelle Teil der Dielektrizitätskonstanten der Formation, im Verhältnis zu der des leeren fiaumeso Die Frequenzdifferenz zwischen der gesendeten und der reflektierten Energie stellt den Abstand zur Grenzfläche und zurück dar₀ Falls diese zwei Signale in einer geeigneten Mischstufe gegeneinander gesetzt werden, kann die sich ergebende Differenzfrequenz benutzt werden, um den Abstand zur Salzdoaagrenzfläehe oder zum ßiff zu bestimmen» Diese Bestimmung beruht auf einer Kenntnis aes Brechungsindexes der dazwischen liegenden Formation, die aus einer Analyse von Kernen gewonnen v/erden kann, die während des Abteufens der Tiefbohrung aus der Formation gezogen werden«

Die Beziehung zwischen der Frequenzdifferenz und dem Abstand ergibt sich aus der folgenden Gleichung«

Zeit zwischen

Frequenz- _m Änderungageschwindigkeit _χ Aussendung und Differenz * der sich ändernden Frequenz Ankunft der

Reflexion

R_f χ Τ
Dies kann wie folgt geschrieben werden»

Ui

2d

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Hierin ist f = Modulationsmaß

B « Bandbreite der Frequenzmodulation d = seitlicher Abstand zur Grenzfläche und

ν *s Geschwindigkeit der ausgesendeten Energie in der Formation; für Heßzwecke gilt /*⁷

ν « ο/γ ^ώ _ο » wobei

c as aie Geschwindigkeit von Licht in Luft,

ti' = der reelle Teil der komplexen Dielektrizitätskonstanten aer von der Energie bei mittlerer Frequenz durchlaufenden Formation und

E = der relle I'eil der komplexen Dielektrizitäts-⁰ konstanten des leeren Raumes isto

Um die Auflösung der Anordnung im Nahbereich zu verbessern, kann das Ausmaß der Frequenzänderung (IL>) dadurch erhöht werden, daß die Bandbreite (B) der Frequenzmodulation vergrößert wird« In dieser Hinsicht ist festgestellt worden, daß aas Ausmaß der Frequenzänderung (R_f) gleich etwa 10 bis 10 Hz für Grenzflächen sein kann, die in einem Abstand von wenigen Zentimetern bis zu weit größeren Entfernungen vom aufnehmenden System liegen·

Figo 4 zeigt schematisch eine Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens_β Danach wird ein Oszillator 50 durch eine Kraftquelle 51 erregt, um die Basisfrequenz zu erzeugen, die in die das Bohrloch umgebende ^rdsonicht übertragen wird« Dex Oszillator kann ein magnetron oder Klystron sein, das in den gewünschten Frequenzen und mit der gewünschten Leistung arbeitete jtäin Kippgenerator 52 ist mit dem Oszillator synchronisiert und erzeugt ein sich änderndes rotential mit der Frequenz f„, um die Abwandlung der übertragenen Frequenz

um ihre mittlere frequenz f zu verursachen_o 3ie ^usgangsleist.-i.f des Oszillafcorc .vir^ aber einen !lichtleiter 5\3 -ii.er Jber-

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BAD OHiGlNAL

tragungsleitung 54 zugeführt, welche die Energie bis zur Sendeantenne 55 leitete Zwischen dem Richtleiter 53 und der Sendeantenne liegt ein Richtkoppler 58, um Proben der Frequenz des Oszillators 50 zu entnehmen.. Das Probensignal wird durch ein Dämpfungsglied 59 einem Gegentaktmischstufendemodulator 61 (balanced mixer detector) zugeführt,.

Nach Figo 4 ist die Empfangsantenne 62 neben der Sendeantenne 55 angeordnet und durch eine Übertragungsleitung 63 mit einem Dämpfungsglied 64 verbundene Die Ausgangsleistung des Dämpfungsgliedes 64 wird einem zweiten Eingang des Gegentaktmischstufen-Demodulators 61 zugeführt, in welchem die gesendeten und empfangenen Signale gemischt werden, um eine Differenzfrequenz zu entwickeln,, Diese Differenzfrequenz wird in einen Verstärker 65 eingespeist» Ein Frequenzmesser 66 misst die Frequenz des Signales aus dem Mischstufendemodulator und leitet diese Information der Entfernungsanzeigevorrichtung 27 an der Erdoberfläche zu« Eine nicht dargestellte Kamera kann benutzt werden, um die Entfernungsinformation auf dem Entfernungsanzeiger 27 zu fotografieren; aus dieser Information kann der Abstand zwischen Bohrlooh und einer Salzdomgrenzfläche oder einem Riff bestimmt werden«. Der auf dem Anzeiger 27 angegebene Abstand erscheint zusammen mit der Teufe auf dem Anzeiger 26 und der Azimuthinformation auf dem Anzeiger 28_O

Eine abgewandelte Ausführungsform des Sender-Empfängerkreises für die FM-Aufnaiimeanordnung nach der Erfindung ist in gestrichelter Linie in Fig« 4 dargestellt und arbeitet mit einer einzigen Antenne für die Sendung und den Empfang der elektromagnetischen Energie· Dadurch wird sowohl die Größe der in das Bohrlooh einzufahrenden Ausrüstungsteile als auch

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die Nahbereichsauflösung der Anordnung verringert» Nach dieser Ausführungaform kann eine einzige Antenne, z_oJ3_e die Antenne in Fig« 4j dadurch verwendet werden, daß ein Eichtkoppler 70, in gestrichelter Linie dargestellt, in Reihe zwischen der Antenne und dem Dämpfungsglied 64· geschaltet wird, um das zweite Eingangssignal für den Mischstufendemodulator 61 zuzuführen« In der üetektoreinrichtung 61 werden das gesendete und das empfangene Signal vereinigt, um eine Differenzfrequenz zu erzeugen und dem Verstärker 65 zuzuführen und dadurch eine Entfernungsanzeige für die Grenzfläche, wie oben erwähnt zu gewinnen_e

Eine weitere, hier nicht dargestellte Ausführungsform ist die Verwendung einer Hornantenne, die so ausgeführt ist, daß zirkularpolarisierte elektromagnetische Energie abgegeben wird, ZeB. durch Anordnung von Viertel-\Yellenlängen~Platten innerhalb des Körpers der sendenden Hornantenne_β Unter gewissen Bedingungen kann dort, wo die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann, nur zirkularpolarisierte Energie er« folgreioh durch Formationen übertragen werden, die einen ziemlich hohen 7/assergehalt aufweisen,,

Fig, 6 zeigt ein abgewandeltes Antennensystem, das mit pulsierender elektromagnetischer Energie arbeitet· In dieser Ausführungsform enthält die Sonde ein Instrumentgehäuse 80, welches vorzugsweise einen Hochfrequenzsender 81 und entsprechende Kopplungs - und Zeitkreise 82 enthält ₉ um elektromagnetische Impulse der Schlitzantenne 83 zuzuführen· Die Schlitzantenne 83 enthält ein zylindrisches Gehäuse, das von

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Lagern 84 gehalten wird. Die elektromagnetischen Energieimplse werden von der Antenne in einem fast allseits gerichteten Azimuthaimuster ausgesendet, aas normal zur Längsachse der Antenne liegt, jedoch wegen des Schlitzes 92 ein Minimum oder eine Null in einer Azimuthrichtung aufweist, Me Zeitschaltung 82 steuert die periodische Umschaltung der Antenne vom Sender 81 auf Empfänger 85 mittels einesTR- oder Sende-Bmpfang-Schalters 86· Die Ausgangsleistung des Empfängers 85 wird an die Erdoberfläche übertragen, um die Laufzeit der Welle bis zu der zu kartierenden Grenzfläche des Salzdomes oder Riffs und zurück anzuzeigen. Innerhalb des Gehäuses 80 ist eine Energiequelle 87 dargestellt, die jedoch auch an der Erdoberfläche angeordnet sein kann, falls die elektrischen Eigenschaften des Kabels 88 es zulassen. An der Erdoberfläche sind Aufzeichnungsgeräte zur Anzeige der Teufe, des Azimuths und des Abstandes vorgesehen· Der Abstand vom Bohrloch zu der nächst reflektierenden Seite des oalzdomes oder Riffs wird durch die doppelte Laufzeit eines Energieimpulses und die Energiege— sehwindigkeit in der Formation angezeigt· Das Azimuth der Grenzfläche wird durch Drehung der Antenne mittels des Antennen*-·

und rotors 90 und Zahnräder 91 während der Aussendung/des Empfangs von elektromagnetischen Energieimpulsen ermittelt» Das zuerst zurückkehrende Echosignal, das von der Einrichtung empfangen wird, stellt die zunächst gelegene Grenzfläche des dalzdomes oder Riffs dar· Die Schlitzantenne 83 wird gedreht, bis das zuerst zurückkehrende Echo entweder von einem innerhalb der Sonde vorgesehenen Anzeigegerät oder an der Erdoberfläche verschwindet« Durch die Ordnung der im zurückkehrenden Signal auftretenden Null zu der Azimuthrichtung des üohlitzes 92

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der Antenne, z_oB< > mittels einer innerhalb des Rotors 90 vorgesehenen Abtastvorrichtung, kann das Azimuth der nächsten Grenzfläche bestirnt und dargestellt werden_e

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Claims

Patentansprüche

Ι» Verfahren zum Ausrichten des ßohrfortschrittes in einer tiefbohrung, die auf eine Erdoellagerstätte nn^ese^zt iüt, der Gesteinsschichten benachbart sind, die aus >jalz₉ Kalkstein, Anhydrit oder ähnlichem Material gebildet sind, nachdem die bohrung diese Schichten durch Zufall, Fehler oder andere Gründe angefahren hat, dadurch gekennzeichnet ₉ daß in dem Bohrloch innerhalb der angefahrenen Schicht eine i<ießsonde in einer bekannten Log-Teufe angeordnet wird, die einen elektromagnetischen Generator und einen elektromagnetischen Jtapfanger enthält, wobei der Generator eine Ausgangsleistung in einem Frequenzbereich von 10 bis 10 Hz aufweist, und daß die Schicht von dem Bohrloch aus mit elektromagnetischer Energie durchstrahlt, ein Teil der elektromagnetischen Energie, der von einer Grenzfläche der Formation zum Empfänger der Meßsonde zurückreflektiert wird, aufgenommen und die Laufzeit der ausgesendeten und empfangenen Energie verglichen wird, um Daten abzuleiten, welche den Abstand der Grenzfläche in der bekannten Logteufe anzeigen„ worauf der Bohrfortschritt im Bohrloch nach diesen Daten zum Anfahren der Lagerstätte gerichtet wird_e

2a Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Energie fortlaufend ausgesendet wird, wobei ihre Frequenz zwischen einer oberhalb und unterhalb der Ausgangsfrequenz liegenden Frequenz variiert und die Entfernung zur Grenzfläche durch Vergleich der momentanen

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BAD ORIGINAL

Frequenz der ausgesendeten Energie mit der der empfangenen Energie bestimmt wird«,

5ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Energie ein strahlungsimpuls ist und die Entfernung zur Grenzfläche dadurch bestimmt wird, daß die Laufzeit des Impulses für die beiden Wege zur Grenzfläche und zurück zur Sonde gemessen wirdo

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Energie sich allseitig in in einer durch die oonde gehenden Ebene ausbreitet und die Entfernung zur Grenzfläche die gegenüber dem Bohrloch nächste Entfernung in der Ausbreitungsebene ist₀

bo Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie auf einem bestimmten v/eg ausgesendet wird und die Entfernung mit Hilfe der Ausrichtung des Weges gegenüber dem Bohrloch bestimmt wird»

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der «veg im wesentlichen parallel zur Achse des Bohrloches verläuft und die Energie durch die Bohrlochsohle hindurchgeht»

ο Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet ₉ daß der */eg im Verhältnis zum .bohrloch im wesentlichen horizontal liegt und diesem gegenüber ein bekanntes Azimuth hat„

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie azimuthal in einem abgewandelten allseitigen Muster ausgerichtet wird, das eine bekannte Nullrichtung aufweist, und das die Entfernung zur Grenzfläche der engate Abstand gegenüber dem Bohrloch in der erwähnten Aaimuthalrichtung der Energieausbreitung ist,

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9β Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Azimuth der nächsten Grenzfläche dadurch bestimmt wird, da/3 die Formation in einer Folge durchstrahlt wird, während daa Azimuth der liullrichtung verändert wird, wobei die azimuthale .Richtung dadurch angezeigt wird, daß das Azimuth der liullrichtung mit der nächsten Grenzflache zusammenfällt₀

1Oe Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnnet, daß der zuletzt erwähnte dchritt der Ausrichtung des Bohrfortachrittes im Bohrloch zum Anfahren der Lagerstätte eine Ablenkung des Bohrloches in einer neuen Richtung gegenüber der anfänglichen Ausrichtung einschließt«

He Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zuletzt erwähnte Schritt der Ausrichtung des Bonrfortschrittes im Bohrloch zum Anfahren der Lagerstätte eine Fortsetzung der Bohrarbeiten entlang der vorhandenen .Richtung des Bohrloches einschließt·

12o Verfahren zum Ausrichten des Bohrfortschrittes in einer

Tiefbohrung, die auf eine Järdoellagerstätte angesetzt ist, welche mit einem Salzdom zusammenhängt, nachdem das Bohrloch durch Zufall, Irrtum oder andere Umstände in das Salz eingetreten ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bohrloch innerhalb des Salzdomes eine MeG-Sonde in einer bekannten Logteufe angeordnet wird, wobei die Sonde einen elektromagnetischen line rgie genera tor enthält, der eine Ausgangsleistung in einem Frequenzbereich von 10 bis 10 Hz hat, und daß von dem Bohrloch aus der Salzdom mit elektromagnetischer Energie durchstrahlt und ein Teil der elektromagnetischen änergie, der von einer Grenzfläche des Domes zurück zur Meß-Sonde reflektiert worden ist, aufgenommen 209820/0067

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und die Laufzeit uer ausgesendeten und empfangenen Energie verglichen wird, um Daten abzuleiten, welche die Entfernung zur Grenzfläche in der bekannten j_.ogteufe anzeigen₉ worauf die Meß-3onde aus dein Bohrloch entfernt und der Bohrfort-GChrjtt in dem Bohrloch aufgrund der gewonnenen Daten zum Anfatiren der Oellagerstätte ausgerichtet wirdo

13o Verfahren zum Ausrichten des Fortschrittes einer Tiefbohrung, die auf Üellagerstätten angesetzt ist, die zu einem Riff gehören, das in einer aus Kalkstein, Anhydrit oder ähnlichem Material gebildeten Gesteinsöcnicnt liegt, die durch Zufall, Fehler oder andere Umstände mit der Bohrung angefahren worden iat, dadurch gekennzeichnet, aali in dem Bohrloch innerhalb der angefahrenen Schicht in einer bekannten wleß-· teufe eine Meß-oonde angeordnet wird, die einen elektromagnet iscnen ,inergiegenerator enthält, der eine Ausgangsleistung in einem Frequenzbereich von 10 - 10 Hz aufweist, daß die Schicht vom Bohrloch aus mit elektromagnetischer Energie durchstrahlt und ein Teil der elektro-· magnetiücnen Energie, der vox* einer ürenzflache zwischen dem Riff und der Schicht zur i.Ieis-oonde zurückgeworfen wird, aufgenommen und die Laufzeit der gesendeten und der empfangenen energie verglichen ..iia, um Daten abzuleiten, v.eiche ien Abstand der crrensf lache in der bekannten Ueßteufe anzeigen, worauf die ^eß-donde aus dem Eohrloch entfernt und der Bohrfortschritt des Bohrloches aufgrund dieser Daten ausgerichtet wird, um das Riff mit den darin enthaltenen Oellagerstätten anzufahren,

14· Verfahren zum Niederbringen einer Tiefbohrung, die auf eine Oellageretätte angesetzt ist, die mit Gesteinsschichten

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verbunden ist, welche aus Salz, Kalkstein, Anhydrit oder ähnlichem Material gebildet sind, nachdem eine Aufschlußbohrung diese Gesteinsformation durch Zufall, Irrtum oder andere Umstände angefahren hat, dadurch gekennzeichnet, daß in einer bekannten Teufe innerhalb des Bohrloches in der angefahrenen Schicht ein elektromagnetischer Generator mit einer Ausgangsleistung in einem Frequenzbereich von 10 - 10 Hz angeordnet und die Schicht vom Bohrloch aus mit der Ausgangsleistung in einer bekannten Teufe durchstrahlt wird? worauf in dem Bohrloch die elektromagnetische Energie aufgenommen wird, die von einer Grenzfläche der Schicht reflektiert wird, und dann die Laufzeit der ausgesendeten und der empfangenen Energie verglichen wird, um Daten abzuleiten, welche den Abstand der Grenzfläche der bekannten Teufe anzeigen, worauf die Kosten, die für die Ausrichtung des Bohrfortschrittes der Aufschlußbohrung zum Anfahren der Lagerstätte aufgrund der Daten mit denjenigen für das Abteufen einer neuen Bohrung an einer anderen Stelle verglichen werden und die wirtschaftlic lere Möglichkeit ausgewählt wird, um die Lagerstätte anzubohren«

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