DE1533586C3

DE1533586C3 - Verfahren zum Ausrichtender Vortriebsrichtung einer Tiefbohrung

Info

Publication number: DE1533586C3
Application number: DE1533586A
Authority: DE
Inventors: William Thomas La Habra Holser; Stanley Bennett Whittier Jones; Robert Ruppe Fullerton Unterberger
Original assignee: Chevron Research Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1966-11-14
Filing date: 1967-05-12
Publication date: 1974-09-12
Also published as: ES340299A2; DE1533586B2; DE1533586A1; US3412815A; GB1169407A; NL6706549A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausrichten der Vortriebsrichtung einer Tiefbohrung, die auf eine vermutete Erdöllagerstätte angesetzt ist. der Gesteinsschichten benachbart sind, die aus Salz. Kalkstein. Anhydrit oder ähnlichem Material bestehen, nachdem die Bohrung diese Schichten durch Zufall, Fehler oder ähnliche Gründe angefahren hat.

Es sind bereits sogenannte Richtbohrverfahren bekannt, bei denen von einem Bohrloch aus ein seitlich davon liegender Ort unter der Oberfläche dadurch angefahren wird, daß Neigung und Azimuth des Bohrlochs mittels eines Bohrlochmeßgerätes festgestellt und danach die mit Bezug auf den anzufahrenden Ort neue Vortriebsrichtung unter Zuhilfenahme eines Ablenkkeils oder ähnlichen Geräts auf Grund der von über Tage aus ermittelten geophysikalischen Daten festgelegt werden, s. »Directional Drilling — Side Tracking — Oil Well Surveys«, Eastman Catalog 57-58, S. 1563.

Aus der Patentschrift 39 105 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anfahren von sogenannten Filtern, vorzugsweise im Braunkohlenbergbau, bekannt. In der vorbereitenden Stufe des Verfahrens werden in jeweils verschiedenen Bohrlöchern Sender und Empfänger zur elektromagnetischen Ortung angeordnet. Weiter ist es bekannt, mit Hilfe elektromagnetischer Wellen, auch in dem weiter unten erwähnten Frequenzspektrum, von über Tage aus unter der Oberfläche liegende Schichten zu kartieren.

Die Suche nach Öl und Gas hat gezeigt, daß wirtschaftlich ausbeutbare Lagerstätten für öl und Gas zusammen mit massiven Gesteinsformationen aus ausgefüllten Sedimenten, wie z. B. Steinsalz, Anhydrit, Kalkstein u. ä. auftreten. Zum Beispiel im mittleren Südabschnitt der Vereinigten Staaten von Amerika sind wirtschaftlich ausbeutbare ÖUager gewöhnlich, falls überhaupt, in Sedimentformationen vorhanden, die unmittelbar einem Salzdom benach-

bart sind. Es wird allgemein angenommen, daß diese Ansammlungen deshalb auftreten, weil die Sedimentschichten durch das Aufbrechen des Salzdomes in die Schichten angeschleppt oder aufgekippt worden sind. Die Anschleppung oder Kippung der Schichten an der Grenzfläche führt zur Bildung einer Tasche oder Falle, in der sich Öl oder Gas ansammeln kann, das sich auf Grund von Dichteunterschieden von anderen in den Formationen vorhandenen Strömungsmitteln abtrennt.

Gleichfalls hat sich bei der Suche nach Gas oder Öl in Erdschichten, die früher unter dem Meeresspiegel lagen, herausgestellt, daß Öl in porösen Kalksteinriffen auftreten kann, die an den Kanten mariner Becken liegen. Derartige Riffe stiegen früher steil aus dem Ozeanboden auf und wurden später von Ablagerungsmaterial überdeckt. 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 Ölfallen auftreten, wie z.B. Schiefertonen. Vielmehr kann es aus durch Ausfällung abgelagerten Materialien bestehen, wie z. B. Steinsalz, Anhydrit oder dichtem Kalkstein. Diese ausgefällten Sedimente haben äußerst geringen Porenraum, so daß Öl oder Gas in dem Riff aufgefangen wird und sich unter Schwereeinwirkung von den Formationswässern abtrennt und ansammelt.

Die allgemeine Lage und Form eines Salzdomes oder eines Riffs, das von derartigen chemischen Sedimenten umgeben ist, kann von der Oberfläche aus durch Schweremessungen oder seismische Aufschlußverfahren gefunden werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der genaue Ort der in der Verbindung mit diesen Strukturen auftretenden Öllagerstätten vielfach nur durch Abteufen einer Aufschlußbohrung festgestellt werden kann. Das liegt daran, daß die Umrisse des Salzdomes oder Riffs, die in den interessierenden Teufen vielfach unregelmäßig sind, aus den an der Oberfläche gewonnenen seismischen Daten nicht klar zu bestimmen sind. Selbst wenn tatsächlich gebohrt wird, ergeben sich oft erhebliche Zweifel über die richtige Richtung, in welcher die Bohrung geführt werden muß, um die Öllagerstätte anzufahren, sobald die Bohrung zufällig den Salzdom oder die Gesteinsformationen anfährt, welche das Riff umgeben.

Dementsprechend lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, innerhalb eines Verfahrens der eingangs erwähnten Art eine sichere und im wesentlichen rein technisch zu ermittelnde Fortsetzung der Tiefbohrung auf die vermutete Lagerstätte zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bohrloch innerhalb der angefahrenen Schicht eine Meßsonde in einer bekannten Teufe angeordnet wird, die einen elektromagnetischen Generator und einen elektromagnetischen Empfänger enthält, wobei der Generator eine Ausgangsleistung in einem Frequenzbereich von 10⁶ bis 10¹¹Hz 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 reflektiert wird, aufgenommen und die Laufzeit der ausgesendeten und empfangenen Energie verglichen werden, wobei Daten abgeleitet werden, welche den Abstand der Grenzfläche vom Bohrloch in der bekannten Teufe anzeigen, und die Vortriebsrichtung des Bohrloches nach diesen Daten auf die Grenzfläche der durch Zufall od. ä. angefahrenen und der vermuteten erdölhaltigen Schicht ausgerichtet wird.

Die Erfindung ermöglicht mit im Vergleich zu Tief-' bohrungen sehr wirtschaftlichen Mitteln eine weitestgehend auf technischem Wege auszuführende Bestimmung der Richtung für die Fortsetzung der Tiefbohrung. Nach einer von der Erdoberfläche aus mit Schweremessungen oder seismischem Aufschlußverfahren ausgeführten Kartierung gestattet die Erfindung, die Fündigkeitschancen einer daraufhin angesetzten Tiefbohrung wesentlich zu verbessern. Auf jeden Fall wird ermöglicht, unabhängig von den Ungenauigkeiten, mit denen Schweremessungen oder seismische Verfahren behaftet sind, mit einer Tiefbohrung unter den eingangs erwähnten geologischen Verhältnissen die Formation zu erreichen, auf die die Bohrung ursprünglich angesetzt worden ist.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt sind. Es zeigt

F i g. 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 ölführenden Sedimentschichten sowohl seitlich als auch unter dem Bohrloch festzustellen und aufzuzeichnen,

Fig. IA eine vergrößerte Teildarstellung einer Sende- und Empfangsantenne für die in F i g. 1 dargestellte Anlage,

F i g. 2 einen Schnitt durch ein Bohrloch, das bis in eine Formation aus chemischen Sedimentgestein reicht, die ein ölführendes 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 Sonde zur Messung und Aufnahme der Entfernung zwischen Bohrloch und Riff sowohl in seitlicher Richtung als auch in Verlängerung des Bohrloches dient,

F i g. 3 ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung einer mit Frequenzmodulation arbeitenden Strahlungseinrichtung zur Bestimmung einer Grenzfläche, wenn die vom Bohrloch aus zu bestimmende Grenz- -fläche dicht beim Bohrloch liegt,
' F i g. 4 ein Blockschaltbild eines Senders und Empfängers und der zugehörigen Einrichtung zur Bestimmung seitlicher Abstände in der mit Frequenzmodulation arbeitenden Meßeinrichtung,

F i g. 5 eine abgewandelte Antenneneinrichtung, die für die Kartierung einer Grenzfläche verwendbar ist, welche unter der Bohrlochsohle liegt, und

F i g. 6 eine vergrößerte Darstellung der Sonde einer Logeinrichtung einschließlich einer Antenneneinrichtung für elektromagnetische Impulse, die zur Bestimmung des seitlichen Abstandes einer Grenzfläche von einem Bohrloch entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar ist.

In F i g. 1 ist schematisch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, um in der

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Tiefe den Ort der Wand des Salzdomes 10 zu kartie- fläche des Riffs 22 bekannt ist, kann die Bohrung in

ren, nachdem die Tiefbohrung 11 wegen eines Feh- der wirtschaftlichsten Weise neu ausgerichtet werden,

lers oder zufällig in den Salzdom eingedrungen ist. um das Riff anzufahren.

Diese Kartierung hat den Zweck, mitzuhelfen bei der Zur Ausführung der Erfindung wird die Logsonde

Bestimmung der Richtung, in welcher die Tiefboh- 5 24 an einem Kabel 25 in das Bohrloch eingefahren,

rung weitergeführt werden soll, um die an den Salz- das in der interessierenden Formation steht, z. B. die

dom angrenzenden Sedimentschichten 12, 13 und 14 Bohrung 11 im Salzdom 10 (s. Fig. 1). Mit dieser

anzufahren. Diese Schichten sind, wie dargestellt ist, Anordnung wird die horizontale und vertikale Lage

gewöhnlich durch das Aufbrechen des Salzdomes 10 der Grenzfläche des Salzdomes kartiert, oder bei dem

aufgekippt, obwohl die Schichten ursprünglich söhlig io Beispiel nach F i g. 2 von dem Bohrloch 20 aus, das

abgelagert worden sind. In derartigen Fällen kann in einer Formation 21 steht, die Grenzfläche des

der Salzdom einen Überhang 15 aufweisen. Wenn die Riffs 22. Der Abstand vom Bohrloch zur Grenzfläche

Bohrung in den Überhang eingedrungen ist, ist es des Salzdomes oder des Riffs wird dadurch bestimmt,

schwierig, die Richtung zu bestimmen, in welcher die daß impulsförmige oder frequenzmodulierte elektro-

Bohrung fortgesetzt werden soll, um die ölführenden 15 magnetische Energie durch die benachbarten Forma-

Sedimentschichten 12 und 14 zu treffen. Die ur- tionen hindurchgeschickt werden, welche das Bohr-

sprüngliche Plazierung und Ausrichtung der Bohrung loch umschließen, und der Teil der Energie wieder

11, die auf die Schichten 12, 13 und 14 angesetzt ist, aufgenommen wird, der von der Grenzfläche reflek-

beruht auf Daten, die durch Oberflächenseismik er- tiert wird. Durch Messen der Zeit zwischen Sendung

zielt worden sind und oft genug für die interessieren- 20 und Empfang der elektromagnetischen Energie an

den Teufen nicht ausreichen. Falls die genaue hori- Hand einer Analyse der abgehenden und eintreffen-

zontale und vertikale Erstreckung der Wandung des den Impulse oder ihrer Frequenzdifferenzen, kann

Salzdomes bekannt ist, d. h. zur Seite und unmittel- die Grenzfläche des Salzdomes 10 oder des Riffs 22

bar unter der Bohrung, kann die weitere Bohrung in festgestellt und an der Erdoberfläche angezeigt wer-

der wirtschaftlichsten Weise ausgerichtet werden, um 25 den, soweit die Geschwindigkeit der Energie in der

die Lagerstätten 16 und 17 anzufahren. In einigen Schicht bekannt ist.

Fällen kann es am wirtschaftlichsten sein, die Boh- Für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verrung aufzugeben und von einem neuen Ort an der fahrens hat die elektromagnetische Energie eine Fre-Oberfläche aus eine neue Bohrung abzuteufen. In quenz im Bereich von wenigstens 16⁶ Hz, jedoch solchen Fällen sind die bereits für das Abteufen der 30 nicht mehr als 10¹¹ Hz, so daß sie sich innerhalb der Bohrung ausgegebenen Kosten im Vergleich zu den das Bohrloch umgebenden Formation ohne über-Kosten zu betrachten, die für das Niederbringen einer mäßige Dispersion oder Dämpfung ausbreitet, um . neuen Bohrung an einer anderen Stelle aufzuwenden den Ort der Salzdomgrenzfläche oder des Riffs gegensind. Unter den Faktoren, welche die Entscheidung über dem Bohrloch zu definieren. Bei Verlustbeeinflussen, sind die Teufe der vorhandenen Boh- 35 Tangens-Messungen (Messungen des Wärmeverlustes rung, die Entfernung zur Grenzfläche, das Ausmaß eines hochfrequenten elektrischen oder elektromagne- und die Lage der gesetzten Verrohrung, der Aufwand tischen Feldes in einem Dielektrikum oder Halbfür die Ablenkung der Bohrung usw. leiter) in Steinsalzproben, die aus Salzdomen ent-F i g. 2 erläutert schematisch die Verwendung des nommen worden sind, ist festgestellt worden, daß das erfindungsgemäßen Verfahrens für eine andere Ein- 4° erfindungsgemäße Verfahren mit größter Wirksamsatzmöglichkeit. Wie dargestellt, führt ein Bohrloch keit in dem obenerwähnten Frequenzbereich arbeitet. 20 bis in eine Erdschicht 21, die aus ausgefällten Es ist auch bekannt, daß bei der Kristallisation von Sedimenten gebildet ist, z. B. Steinsalz (Halit), An- Salz zur Bildung eines Salzdomes oder bei der Abhydrit oder dichtem Kalkstein, die über einem Riff lagerung von Sedimenten aus Halit, Anhydrit oder 22 abgelagert sind, das z. B. aus Kalkstein bestehen 45 dichtem Kalkstein auf einem Riff häufig kleine kann,. welcher in nicht dargestellter Weise Öllager- . Taschen mit der ursprünglichen Lauge zurückbleiben. Stätten enthält. Der Zweck der Bohrung 20 besteht Diese Taschen mit gesättigtem Salzwasser haben eine darin, das Riff 22 anzufahren, um diese Lagerstätten Ausdehnung von wenigen Millimetern; große Taauszubeuten. Das Riff 22 bildet zusammen mit der sehen oder große Mengen werden nur selten angeumschließenden Schicht 21, die aus undurchlässigem 50 troffen, da diese Formationen nur kleine Porengrößen Material besteht, eine Falle für die Ansammlung von haben. Dementsprechend durchlaufen elektromagneöl, das sich auf Grund des Dichteunterschiedes von tische Wellen diese verhältnismäßig homogenen Foranderen Formationsflüssigkeiten trennt, die in der mationen und kehren durch Reflexion an der entfernt zum Riff 22 gehörigen Formation vorhanden sind. νρίη Bohrloch liegenden Grenzfläche ohne überWenn die Bohrung zufällig oder durch einen Fehler 55 mäßige Dämpfung oder Dispersion der Wellen die benachbarte Formation 21 angefahren hat, kann zurück.

es äußerst schwierig sein, die richtige Richtung zu An der Oberfläche befindliche Einrichtungen für bestimmen, in der die Bohrung fortzusetzen ist, um die Aufzeichnung der Entfernung zur Grenzfläche das Riff 22 anzufahren; die Gründe sind die gleichen des Salzdomes oder des Riffs sind in den Fig. 1 wie oben erwähnt. Hier kann das erfindungsgemäße 60 und 2 bei 18 dargestellt und enthalten drei Anzeige-Verfahren dazu dienen, um unter Tage die horizon- geräte, nämlich für die Teufe 26, für die Entfernung tale und vertikale Erstreckung der Grenzfläche des 27 und für das Azimuth 28. Der Teufenanzeiger 26 Riffs 22 sowohl seitlich von dem Bohrloch als auch zeigt die Kartierungsteufe der Sonde 24 innerhalb darunter zu kartieren, um die Bestimmung der Rieh- des Bohrloches 11 bzw. 20 an. Die Kartierungsteufe tung für die Fortsetzung der Bohrung 20 zu ermög- 65 wird durch die Scheibe 29 gemessen; die Scheibe 29 liehen, die dann das Riff anfahren kann, so daß das wird auf dem Anzeigegerät 26 dargestellt. Der Abdarin befindliche öl gefördert werden kann. Falls die stand zwischen Bohrloch und der zu kartierenden genaue horizontale oder vertikale Lage der Grenz- Grenzfläche in der Kartierungsteufe ergibt sich aus

der Zeit, die zwischen Sendung und Empfang der elektromagnetischen Energie an der Sonde 24 liegt, und der bekannten Geschwindigkeit der Energie in der Formation. Die Zeit kann auf zwei Wegen 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 Oszilloskop dargestellt ist. Durch Vereinigung des Teufenanzeiger 26, Entfernüngsanzeiger 27 und Azimutanzeiger 28 können die Informationen von allen drei Einheiten zusammengefaßt werden, um den Abstand und die Richtung der kartierten Grenzfläche gegenüber dem Bohrloch entweder seitwärts oder unter der Meßsonde anzuzeigen. Mit Hilfe dieser Information kann die Bohrung in der wirtschaftlichsten Weise neu ausgerichtet werden, um die Öllagerstätten anzufahren, die in Verbindung mit Salzdomen oder Riffen auftreten.

Zum Kartieren einer Grenzfläche wird nach der Erfindung die Sonde 24 vorzugsweise' an einem Ort stationär gehalten, wo sie der Bohrlochsohle 23 eng benachbart ist oder in Berührung mit dieser steht. Die bevorzugte Kartierungsteufe erlaubt auf diese Weisenden größten Nutzen aus der bereits gebohrten Strecke des Bohrloches zu ziehen. Innerhalb der Sonde in der bevorzugten Kartierungsteufe vorgesehene Antennen können auch ein azimuthal allseits gerichtetes Strahlungsmuster aufweisen, das etv/a durch eine Dipolantenne geliefert werden kann. Bei derartigen Anwendungen stellt das zuerst am Entfernungsanzeiger 27 empfangene Signal die nächste Grenzfläche des zu kartierenden Salzdomes oder Riffs dar. Die azimuthale Richtung der Grenzfläche kann angenähert unter Bezug auf seismische Daten von der Erdoberfläche bestimmt werden. '

Falls die von der Erdoberfläche ermittelten seismischen Daten jedoch nicht eindeutig sind, kann es erwünscht sein, Antennen mit einer azimuthal stärker ausgeprägten Charakteristik zu verwenden, wie in F i g. 1A. Die Sende- und Empfangsantennen 30 und 31 werden innerhalb des Gehäuses 32 von Lagern 33 gehalten; die Antenneneniden sind in der dargestellten Weise 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 im wesentlichen normal zur Grenzfläche des zu kartierenden Salzdomes oder Riffes gerichtet sind. Da gegenüber dem Bohrloch der Ort solcher Grenzflächen im Azimuth unterschiedlich ist, kann ein An-'tennenrotor 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 Erdoberfläche verbunden ist, um die Azimuthrichturtg der ausgesandten und aufgenommenen Energie anzuzeigen. Die Drehung des Motors 35 wird durch entsprechende Schaltmittel innerhalb der Sonde und an der Erdoberfläche ausgelöst, die an sich aus der Steuerungstechnik bekannt sind.

Fig. 5 zeigt innerhalb■*der Sonde24 eine wah weise mögliche Richtantennenanordnung, die ve: wendbar ist, um elektromagnetische Energie durc die Bohrlochsohle 23 hindurch in das Liegende ζ richten. Nach der Darstellung wird elektromagnt tische Energie in dem erwähnten Frequenzbereic von der sendenden Hornantenne 40 ausgestrahtl un kann entweder frequenzmoduliert oder impulsform' sein. Die Antenne 40 ist zwar so dargestellt, daß si

ίο gegenüber der Sonde 30 im Azimuth stationär ist, s daß sie Energie in das Liegende nur in einer einzige Abwärtsrichtung überträgt. Sie kann jedoch mit gc eigneten Einrichtungen versehen werden, wie ζ. Γ mit Zahnrädern, die durch einen Antennenrotor übv geeignete Schaltmittel angetrieben werden, um d Antenne um eine Achse. zu drehen, die normal ζ derjenigen des Bohrloches liegt. Dies kann erwünsci sein, wenn ein ausführlicheres Bild über die Au: dehnung des Salzdomes oder des Riffs im Liegende des Bohrloches gewonnen werden soll. Nachdem d; Energie von der Grenzfläche des Salzdomes odt Riffs reflektiert worden ist, wird die zurücklaufenc elektromagnetische Energie in der Sonde von d< Empfänger-Hornantenne 41 aufgenommen, welcl· die gleiche Richtung wie die Sendeantenne 40 hat.

-* Wenn aus einem Bohrloch heraus, das in eine:

Salzdom steht, ein Ausschnitt des Salzdomes, οά<, wenn ein Riff von einem'außerhalb des Riffs stehe:

den Bohrloch kartiert werden soll, kann das Boh:

loch einen verhältnismäßig geringen Abstand ve der zu kartierenden Grenzfläche haben, etwa ve einigen Zentimetern bis zur Größenordnung ve hundert Metern (mehrere hundert Fuß). Es wird fi solche Fälle deshalb vorgeschlagen,.daß ein frequen:

moduliertes (FM) Meßsystem, das innerhalb des e; wähnten Frequenzbereiches arbeitet, zur Messun dieser kleinen Entfernungen verwendet wird.

F i g. 3 erläutert die Arbeitsweise eines FM-Mei systems. Der Sender des FM-Systems hat eine mit; lere Frequenz von /₀, die wenigstens gleich 10^e H; jedoch kleiner als .10¹^uHz ist. -."-Die Frequenz de Senders wird von /₀ auf /+ und /—, wie dargestell

■ in linearer Weise abgewandelt, jedoch derart, daß /-· innerhalb des obenerwähnten Frequenzbereiche liegt. Diese Abwandlung kann jedoch auch sinus förmig sein, da gezeigt werden kann, daß die mittler Frequenzdifferenz innerhalb einer Periode sinus förmiger Modulation gleich derjenigen ist, die bilinearer Abwandlung innerhalb derselben Modul r.

tionsperiode erzielt wird. Eine-Periode' dieser Al· wandlung wird mit f_m Hz ausgeführt;" so daß die Zei die zur Abwandlung der Energie' über den volle Frequenzbereich, eine volle Periode, erforderlich iri gleich Vf_m Sekunden beträgt. In der Zeitspänne, di benötigt wird, um die Energie zur Grenzfläche auszu strahlen und von dort reflektiert zur Sonde zurück zulaufen, hat sich die dann von der sendenden An tenne ausgestrahlte Frequenz um einen bestimmte: endlichen Betrag verändert, der durch die Geschwindigkeit bestimmt ist, mit der die Sendefrequenz ver ändert wird. ■' . / , ,

In F i g. 3 ist die Laufzeit der Welle als Zeitver zögerung dargestellt und· durch die Größe 2 dl ν wie dergegeben, wobei d der Abstand zur Grenzfläch und ν die Übertragungsgeschwindigkeit der Energi durch die übertragende Formation ist. Hierfür gii

ν = ein = cj]jE¹JE₀.

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c ist die Lichtgeschwindigkeit; η ist der Brechungs- zur Salzdomgrenzfläche oder zum Riff zu bestimmen, index und E'/E_o ist der reelle Teil der Dielektrizitäts- Diese Bestimmung beruht auf einer Kenntnis des konstanten der Formation, im Verhältnis zu der des Brechungsindexes der dazwischenliegenden Formaleeren Raumes. Die Frequenzdifferenz zwischen der tion, die aus einer Analyse von Kernen gewonnen gesendeten und der reflektierten Energie stellt den 5 werden kann, die während des Abteufens der Tief-Abstand zur Grenzfläche und zurück dar. Falls diese bohrung aus der Formation gezogen werden,
zwei Signale in einer geeigneten Mischstufe gegen- Die Beziehung zwischen der Frequenzdifferenz einander gesetzt werden, kann die sich ergebende und dem Abstand ergibt sich aus der folgenden Differenzfrequenz benutzt werden, um den Abstand Gleichung:

Frequenz-Differenz = Änderungsgeschwindigkeit der sich ändernden Frequenz · Zeit zwischen Aussendung

und Ankunft der Reflexion

Af — R_f-T . i5 des Oszillators 50 zu entnehmen. Das Probensignal

, . , wird durch ein Dämpfungsglied 59 einem Gegentakt-

Dies kann wie folgt geschrieben werden: mischstufendemodulator 61 (balanced mixer detector)

β zugeführt.

— Nach F i g. 4 ist die Empfangsantenne 62 neben

Af = · ²⁰ der Sendeantenne 55 angeordnet und durch eine

2fm ν Übertragungsleitung 63 mit einem Dämpfungsglied

64 verbunden. Die Ausgangsleistung des Dämpfungs-

Hierin ist gliedes 64 wird einem zweiten Eingang des Gegen-

f = Modulationsmaß taktmischstufen-Demodulators 61 zugeführt, in wel-

"1 _ „ . , ' , , . 25 chem die gesendeten und empfangenen Signale ge-

B = Bandbreite der Frequenzmodulation, ^^ _{werdeilj um eine} Differenzfrequenz zu ent-

d = seitlicher Abstand zur Grenzfläche und wickeln. Diese Differenzfrequenz wird in einen Ver-

v = Geschwindigkeit der ausgesendeten Energie stärker 65 eingespeist. Ein Frequenzmesser 66 mißt

in der Formation; für Meßzwecke gilt die Frequenz des Signals aus dem Mischstufendemo-

V—— 30 dulator und leitet diese Information der Entfernungsanzeigevorrichtung 27 an der Erdoberfläche zu. Eine

E₀ ' nicht dargestellte Kamera kann benutzt werden, um

wobei die Entfernungsinformation auf dem Entfernungs-

c = die Geschwindigkeit von Licht in Luft, anzeiger 27 zu fotografieren; aus dieser Information

35 kann der Abstand zwischen Bohrloch und einer SaIz-

E' = der reelle TeU der komplexen Dielektrizi- domgrenzfläche oder einem Riff bestimmt werden, tätskonstanten der von der Energie bei mitt- £)_{er au}{ ^_sm Anzeiger 27 angegebene Abstand erlerer ..Frequenz durchlaufenden Formation scheint zusammen mit der Teufe auf dem Anzeiger ^un<3 26 und der Azimuthinformation auf dem Anzeiger 28. E₀= der reelle Teil der komplexen Dielektrizi- 4o Eine abgewandelte Ausführungsform des Sendertätskonstanten des leeren Raumes ist. Empfängerkreises für die.FM-Aufnahmeanordnung

nach der Erfindung ist in gestrichelter Linie in F i g. 4

Um die Auflösung der Anordnung im Nahbereich .. dargestellt und arbeitet mit einer einzigen Antenne zu verbessern, kann das Ausmaß der Frequenzände- ... für dieSendung und den Empfang der elektromagnerung (R₁) dadurch erhöht werden, daß die Band- 45 tischen Energie.. Dadurch wird sowohl die Größe der breite (B) der Frequenzmodulation vergrößert wird. .. in. das Bohrloch einzufahrenden Ausrüstungsteile als In dieser Hinsicht ist festgestellt worden, daß das . . auch die Nahbereichsäuflösung der Anordnung verAusmaß der Frequenzänderung^,) gleich etwa 10⁶ ringert.Nach dieser Ausführungsform kann eine einbis 10^u Hz für Grenzflächen sein kann, die in einem zige Antenne, z. B. die Antenne 55 in Fi g. 4, da-Abstand von wenigen Zentimetern bis zu .weit größe-. 50,durch verwendet, werden, daß em.Richtkoppler 70,.in. ren Entfernungen vom aufnehmenden System, liegen. . gestrichelter Linie dargestellt, in. Reihe zwischen der F i g. 4 zeigt schematisch eine Anordnung zur Aus- Antenne und dem Dämpfungsglied 64 geschaltet führung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Danach wird, um das zweite Eingangssignal für den Mischwird ein Oszillator 50 durch eine Kraftquelle 51 er- etufendemodulator 61 zuzuführen. In der Detektorregt, um die Basisfrequenz zu erzeugen, die in die 55 einrichtung 61 werden das gesendete.und.das. empdas Bohrloch umgebende Erdschicht übertragen wird. fangene Signal vereinigt, um. eine. Differenzfrequenz Der Oszillator kann ein Magnetron oder Klystron zu erzeugen und dem Verstärker 65 zuzuführen und sein, das in den gewünschten Frequenzen und mit der dadurch eine Entfernungsanzeige für die Grenzfläche, gewünschten Leistung arbeitet. Ein Kippgenerator 52 wie oben erwähnt, zu gewinnen,
ist mit dem Oszillator synchronisiert und erzeugt ein 60 Eine weitere, hier nicht dargestellte Ausführungssich änderndes Potential mit der Frequenz f_m, um form ist die Verwendung einer Horaantenne, die so die Abwandlung der übertragenden Frequenz um ausgeführt ist, daß zirkularpolarisierte elektromagneihre mittlere Frequenz /₀ zu verursachen. Die Aus- tische Energie abgegeben wird, z. B. durch Anordgangsleistung des Oszillators wird über einen Rieht- nung von Viertel-Wellenlängen-Platten innerhalb des leiter 53 einer Übertragungsleitung 54 zugeführt, 65 Körpers der sendenden Hornantenne. Unter gewissen welche die Energie bis zur Sendeantenne 55 leitet. Bedingungen kann dort, wo die vorliegende Erfin-Zwischen dem Richtleiter 53 und der Sendeantenne dung eingesetzt werden kann, nur zirkularpolarisiterte liegt ein Richtkoppler 58, um Proben der Frequenz Energie erfolgreich durch Formationen übertragen

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werden, die einen ziemlich hohen Wassergehalt auf- oberfläche angeordnet sein kann, falls die elektrischen weisen. Eigenschaften des Kabels 88 es zulassen. An der F i g. 6 zeigt ein abgewandeltes Antennensystem, Erdoberfläche sind Aufzeichnungsgeräte zur Anzeige das mit pulsierender elektromagnetischer Energie der Teufe, des Azimuths und des Abstandes vorgearbeitet. In dieser Ausführungsform enthält die Sonde 5 sehen. Der Abstand vom Bohrloch zu der nächstein Instrumentgehäuse 80, welches vorzugsweise einen reflektierenden Seite des Salzdomes oder Riffs wird Hochfrequenzsender 81 und entsprechende Kopp- durch die doppelte Laufzeit eines Energieimpulses lungs- und Zeitkreise 82 enthält, um elektromagne- und die Energiegeschwindigkeit in der Formation tische Impulse der Schlitzantenne 83 zuzuführen. Die angezeigt. Das Azimuth der Grenzfläche wird durch Schlitzantenne 83 enthält ein zylindrisches Gehäuse, io Drehung der Antenne mittels des Antennenrotors 90 das von Lagern 84 gehalten wird. Die elektromagne- und Zahnräder 91 während der Aussendung und des tischen Energieimpulse werden von der Antenne in Empfangs von elektromagnetischen Energieimpulsen einem fast allseits gerichteten Azimuthaimuster aus- ermittelt. Das zuerst zurückkehrende Echosignal, das gesendet, das normal zur Längsachse der Antenne von der Einrichtung empfangen wird, stellt die zuliegt, jedoch wegen des Schlitzes 92 ein Minimum 15 nächst gelegene Grenzfläche des Salzdomes oder Riffs oder eine Null in einer Azimuthrichtung aufweist. dar. Die Schlitzantenne 83 wird gedreht, bis das zu-Die Zeitschaltung 82 steuert die periodische Um- erst zurückkehrende Echo entweder von einem innerschaltung der Antenne 83 vom Sender 81 auf Emp- halb der Sonde vorgesehenen Anzeigegerät oder an fänger 85 mittels eines TR- oder Sende-Empfang- der Erdoberfläche verschwindet. Durch die Ordnung Schalters 86. Die Ausgangsleistung des Empfängers 20 der im zurückkehrenden Signal auftretenden Null zu 85 wird an die Erdoberfläche übertragen, um die der Azimuthrichtung des Schlitzes 92 der Antenne, Laufzeit der Welle bis zu der zu kartierenden Grenz- z. B. mittels einer innerhalb des Rotors 90 vorgefläche des Salzdomes oder Riffs und zurück anzu- sehenen Abtastvorrichtung, kann das Azimuth der zeigen. Innerhalb des Gehäuses 80 ist eine Energie- nächsten Grenzfläche bestimmt und dargestellt quelle 87 dargestellt, die jedoch auch an der Erd- 25 werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ausrichten der Vortriebsrichtung einer Tiefbohrung, die auf eine vermutete Erdöllagerstätte angesetzt ist, der Gesteinsschichten benachbart sind, die aus Salz, Kalkstein, Anhydrit oder ähnlichem Material bestehen, nachdem die Bohrung diese Schichten durch Zufall, Fehler oder ähnliche Gründe angefahren hat. dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bohrloch innerhalb der angefahrenen Schicht eine Meßsonde in einer bekannten Teufe angeordnet wird, die einen elektromagnetischen Generator und einen elektromagnetischen Empfänger enthält, wobei der Generator eine Ausgangsleistung in einem Frequenzbereich von 10" bis 10¹¹ 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 reflektiert wird, aufgenommen und die Laufzeit der ausgesendeten und empfangenen Energie verglichen werden, wobei Daten abgeleitet werden* welche den Abstand der Grenzfläche vom Bohrloch in der bekannten Teufe anzeigen, und die Vortr.iebsrichtung des Bohrloches nach diesen Daten auf die Grenzfläche der durch Zufall od. ä. angefahrenen und der vermuteten erdölhaltigen Schicht ausgerichtet wird.

2. 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 Frequenz der ausgesendeten Energie mit der der empfangenen Energie bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Energie ein Strahlungsimpuls ist und die Entfernung des Bohrloches zur Grenzfläche durch die Laufzeit des Impulses für die beiden Wege zur Grenzfläche und zurück zur Sonde gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Energie sich allseitig in einer durch die Sonde gehende Ebene ausbreitet, wobei die Entfernung zur Grenzfläche die gegenüber dem Bohrloch nächste Entfernung in der Ausbreitungsebene ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie auf einem bestimmten Weg ausgesendet wird und die Entfernung des Bohrloches von der Grenzfläche mit Hilfe der Ausrichtung des Weges gegenüber dem Bohrloch bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg im wesentlichen parallel zur Achse des Bohrloches verläuft, wobei die Energie durch die Bohrlochsohle geleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg im Verhältnis zum Bohrloch im wesentlichen horizontal verläuft und diesem gegenüber ein bekanntes Azimuth hat.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie azimuthal in einem '.van Jelbaren allseitigen Muster ausgerichtet wird, das eine bekannte Nullrichtung aufweist, wobei als Vortriebsrichtung des Bohrloches die geringste Entfernung zwischen Grenzfläche und Bohrloch in der erwähnten Azimuthalrichtung der Energieausbreitung gewählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Azimuth der dem Bohrloch am nächsten liegenden Grenzfläche dadurch bestimmt wird, daß die Formation über den Umfang des Bohrloches durchstrahlt und dabei das Azimuth der Nullrichtung verändert werden, wobei die azimuthale Vortriebsrichtung des Bohrloches durch die Kongruenz des Azimuths der Nullrichtung mit der dem Bohrloch am nächsten liegenden Grenzfläche bestimmt ist.

10. Anwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 auf Öllagerstätten, die einem Riff zugehören, das in einer aus Kalkstein, Anhydrit oder ähnlichem Material gebildeten Gesteinsschicht liegt.