DE1623118C3 - Geophysical logging direction - Google Patents

Geophysical logging direction

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DE1623118C3
DE1623118C3 DE1967S0112648 DES0112648A DE1623118C3 DE 1623118 C3 DE1623118 C3 DE 1623118C3 DE 1967S0112648 DE1967S0112648 DE 1967S0112648 DE S0112648 A DES0112648 A DE S0112648A DE 1623118 C3 DE1623118 C3 DE 1623118C3
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Michel Maria Albert Houston Tex. Gouilloud (V.St.A.)
Andre Paris Levy
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Description

Die Erfindung betrifft eine geophysikalische Bohrlochmeßeinrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.The invention relates to a geophysical logging device with the features specified in the preamble of claim 1.

Eine solche Einrichtung ist aus der US-PS 31 47 429 bzw. der CA-PS 7 21 843 bekannt. Die bekannte Einrichtung ist ein sogenanntes Induktionslog, d. h., sie arbeitet mit Sendefrequenzen, bei denen man das in. den Erdformationen aufgebaute Feld als quasistatisch ansehen kann, in dem Sinne, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Wellen in den Formationen vernachlässigbar groß ist. Man kann mithin davon ausgehen, daß bei den bekannten Induktionslogs selbst dann, wenn sie mehrere Empfangsantennen aufweisen (DE-AS 12 00 971, DE-PS 8 98 642), die Laufzeiten keine Rolle spielen.Such a device is known from US-PS 31 47 429 and CA-PS 7 21 843. The well-known The facility is a so-called induction log, i. In other words, it works with transmission frequencies at which you can in. the earth formations built up field can be seen as quasistatic, in the sense that the speed of propagation of the electrical waves in the formations is negligible. One can therefore assume that with the known Induction logs even if they have several receiving antennas (DE-AS 12 00 971, DE-PS 8 98 642), the transit times are irrelevant.

Wählt man, etwa beim Induktionslog, höhere Frequenzen, so tritt der bei allen Hochfrequenzanwendungen geläufige Skin-Effekt auf, d. h. die Stromverdrängung infolge Wechselwirkung der Ströme mit dem von ihnen selbst erzeugten Magnetfeld. Die Induktionslog-Meßwerke müssen dann, etwa mit Hilfe von Tabellen, entsprechend korrigiert werden.If you choose higher frequencies, for example with the induction log, this occurs in all high-frequency applications common skin effect, d. H. the current displacement due to the interaction of the currents with the magnetic field generated by them. The induction log measuring units must then, for example, with Using tables, corrected accordingly.

ίο Ein Kennwert der Erdformationen, der für eine Bohrlochmessung interessant ist, ist die Leitfähigkeit der sogenannten »Invasionszone« nächst dem Bohrloch, d. h. in dem Bereich der Bohrlochwandung, in dem die Bohrspülung die Formationsflüssigkeit verdrängt hat. Bisher war es üblich, diese Messung mittels einer Elektrodensonde vorzunehmen, bei der die die Elektroden tragenden Polster direkt an der Bohrlochwandung anliegen. Dies ist nicht nur hinderlich bei schnellen Sonderfahrten im Bohrloch, sondern die Messung wird auch beeinflußt von den Strömen, die von einem gleichzeitig mitgeführten Induktionslog induziert werden.ίο A characteristic value of the earth formations, which is for a Borehole measurement is interesting, is the conductivity of the so-called "invasion zone" next to the borehole, d. H. in the area of the borehole wall in which the drilling fluid displaces the formation fluid Has. So far it has been customary to carry out this measurement using an electrode probe, in which the Electrode-bearing pads are in direct contact with the wall of the borehole. This is not only a hindrance fast special trips in the borehole, but the measurement is also influenced by the currents that be induced by an induction log carried along at the same time.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Gattung zu ζ ?'The invention has for its object to ζ a measuring device of the type mentioned? '

2r> schaffen, bei der auch die Leitfähigkeit der Invasionsschicht — wenn auch nicht nur diese — mittels einer Art Induktionslog-Verfahren gemessen werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, 2 r > at which the conductivity of the invasion layer - if not only this - can be measured using a kind of induction logging method. The solution to this problem results from the characterizing features of claim 1,

3() während der Unteranspruch eine Ausgestaltung definiert, deren Bedeutung im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel näher erläutert wird.3 () while the dependent claim defines an embodiment, the meaning of which in connection with the Embodiment is explained in more detail.

Aus dem Hauptanspruch folgt, daß hier mit erheblich höheren Frequenzen gearbeitet wird als bei bekannten Induktionslogs, so daß Phasen- und/oder Amplitudengradienten erfaßt werden können; es sei darauf hingewiesen, daß Feldgradientenmesser an sich bekannt sind, etwa aus der US-PS 29 96 663.
Die nachfolgende Erläuerung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen und Diagramme vermittelt ein vollständiges Bild der Erfindung und der phasikalischen Zusammenhänge. Es zeigt
F i g. 1 ein ins Erdreich niedergebrachtes Bohrloch mit einer graphischen Darstellung von Linien gleicher ,■ Phase, die von elektromagnetischen Wellen bei der V-Ausbreitung durch das Bohrloch und die umgebenden Erdformationen erzeugt worden sind,
Fig. 2 ein sogenanntes »Phasor«- oder Phasendiagramm von Betrag und Phase der elektromagnetischen Felder bei ihrer Ausbreitung durch das Erdreich, F i g. 3 eine Spulenanordnung in einem Bohrloch zusammen mit einer schematischen Darstellung der in Verbindung mit der Spulenanordnung für die Untersuchung von Erdformationen gemäß der Erfindung zur Anwendung gebrachten elektrischen Schaltungstechnik,
It follows from the main claim that considerably higher frequencies are used here than with known induction logs, so that phase and / or amplitude gradients can be recorded; It should be noted that field gradients are known per se, for example from US Pat. No. 2,996,663.
The following explanation of exemplary embodiments with reference to drawings and diagrams provides a complete picture of the invention and the physical relationships. It shows
F i g. 1 a borehole sunk in the earth with a graphic representation of lines of the same , ■ phase, which have been generated by electromagnetic waves during V-propagation through the borehole and the surrounding earth formations,
2 shows a so-called "phasor" or phase diagram of the magnitude and phase of the electromagnetic fields as they propagate through the ground, FIG. 3 shows a coil arrangement in a borehole together with a schematic representation of the electrical circuit technology used in connection with the coil arrangement for the investigation of earth formations according to the invention,

F i g. 4 eine graphische Darstellung bestimmter Faktoren, die bei der Bestimmung des sogenannten »Spacings« oder Abstandes zwischen Sender und Empfänger der Anordnung ebenso wie die Betriebsfrequenz der Vorrichtung nach F i g. 4 beachtet werden sollte,F i g. 4 is a graphical representation of certain factors involved in determining the so-called "Spacings" or distances between the transmitter and receiver of the arrangement as well as the operating frequency of the device according to FIG. 4 must be observed should,

F i g. 5 eine in einem Bohrloch angeordnete Elek-F i g. 5 an elec-

b5 trodenanordnung oder -gruppe zusammen mit schematischen Darstellungen elektrischer Schaltungsanordnungen, die gemäß der Erfindung zur Anwendung kommen können, undb5 electrode arrangement or group together with schematic Representations of electrical circuit arrangements that are used according to the invention can come, and

F i g. 6 eine Vorrichtung in einer Anordnung gemäß .inem anderen Merkmal der Erfindung.F i g. 6 shows an apparatus in an arrangement according to another feature of the invention.

Die Beziehung für die magnetische Feldstärke H1 oei einer Entfernung ζ von einem Sender oder Geber .<ann für große Werte von ζ in Ableitung von der vlaxwellschen Gleichung ausgedrückt werden als:The relationship for the magnetic field strength H 1 at a distance ζ from a transmitter or transmitter. <Ann for large values of ζ derived from Vlaxwell's equation can be expressed as:

/Z2= H0 e/ Z 2 = H 0 e

ei e gleich 2,718 die Basis des natürlichen Logaithmus ist, H0 die magnetische Feldstärke an dem iender oder Geber bedeutet,ei e equals 2.718 the base of the natural logaithm, H 0 means the magnetic field strength at the iender or transmitter,

ind die sogenannte »Skin«-Tiefe ist, die definiert verden kann alsind is the so-called "skin" depth, which can be defined as

α μ ηα μ η

/obei in = 2 .τ/ die Kreisfrequenz des Geber- oder ,ondersignals ist, // die magnetische Permeabilität icr in Betracht kommenden Formation bedeutet und ;·η allgemeinen als eine Konstante anzusehen ist und die Konduktivität oder Leitfähigkeit der in Betracht ommenden Formation ist./ obei in = 2 .τ / is the angular frequency of the transmitter or other signal, // means the magnetic permeability of the formation in question and; η is generally to be regarded as a constant and is the conductivity or conductivity of the formation in question .

Die Gleichung (I) kann umgeschrieben werden ir den Fall der elektrischen Feldstärke durch Sub-'itution von E für H. Die Gleichung (1) drückt aus, iß die Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes eschwächt und phasenverschoben wird mit Zunahme :cs Entfernungswertes z, d. h. mit Ausbreitung der lektromagnetischen Energie durch die Erdformatio- en. Das Maß der Phasenverschiebung wird ausgedrückt durch den Term —~ der Gleichung (I) und as Maß der Schwächung findet seinen Ausdruck inEquation (I) can be rewritten in the case of the electric field strength by sub-substituting E for H. Equation (1) expresses that the propagation of the electromagnetic field is weakened and phase shifted with an increase: cs distance value z, i.e. with propagation of the electromagnetic energy through the earth formations . The degree of phase shift is expressed by the term - ~ of equation (I) and the degree of attenuation is expressed in

em Term —^- der Gleichung (1). Somit ist der Termem term - ^ - of equation (1). Thus the term is

— (1 +j) definiert als die Ausbreitungskonstante, er Term -^- als die Schwächungskonstante und der- (1 + j) defined as the propagation constant, the term - ^ - as the attenuation constant and the

erm —7" — als die Phasenkonstante. Die Gleichung (1) >esagt also, daß eine elektromagnetische Welle um inen Faktor von — pro »Skin«-Tiefe Λ geschwächterm —7 "- as the phase constant. The equation (1) > So it says that an electromagnetic wave is weakened by a factor of - per "skin" depth Λ

ird und phasenverschoben wird um einen Radianten ir jede »Skin«-Tiefe <) ihres Weges.earth and is phase-shifted by a radian ir every "skin" depth <) of its path.

Wie oben festgestellt, wird bei den herkömmlichen iiduktionslog- oder Elektrodenlog-Systemen die -rbeits- oder Betriebsfrequenz hinreichend niedrig ehalten, so daß die statische oder quasi statische eldtheorie zur Anwendung kommen kann. Damit ist emeint, daß der Feldaufbau an einer Stelle in den rdformationen durch den Transmitter bzw. Sender der Geber einen vernachlässigbaren Effekt auf das eld an anderen Stellen in der Erdformation hat. Um :iese statische oder quasi statische Feldtheorie zur uiwendung zu bringen, muß jedoch die Arbeitsder Betriebsfrequenz hinreichend niedrig sein, damit ie »Skin«-Tiefe in den Formationen wesentlich größer ist als das Spacing bzw. der Abstand zwischen dem Sender oder Geber und den Empfängern. Dies läßt sich besser erkennen aus der Gleichung (1), wo, wenn die »Skin«-Tiefe Λ wesentlich größer als ζ ist, H2 im wesentliehen gleich Zf0 ist für irgendeinen kleinen Wert von z.As stated above, in the conventional induction log or electrode log systems, the working or operating frequency is kept sufficiently low so that the static or quasi-static electricity theory can be used. This means that the field build-up at one point in the earth formation by the transmitter or transmitter has a negligible effect on the earth at other points in the earth formation. In order to apply this static or quasi-static field theory, however, the working frequency of the operating frequency must be sufficiently low so that the "skin" depth in the formations is significantly greater than the spacing or the distance between the transmitter or transmitter and the receivers . This can be seen better from equation (1), where if the "skin" depth Λ is substantially greater than ζ, H 2 is substantially equal to Zf 0 for any small value of z.

Im Gegensatz zu der beim Induktionslog- oderIn contrast to the induction log or

Elektrodenlog-Verfahren zur Anwendung kommenden statischen oder quasi statischen Feldtheorie hat die vorliegende Erfindung ihre Grundlage auf einer Steigerung der Arbeits- oder Betriebsfrequenz des Bohrloch-Untersuchungssystems bis zu einem Punkt, wo die »Skin«-Tiefe in der Größenordnung des Spacings bzw. Abstandes zwischen dem Sender oder Geber und dem Empfänger liegt und üblicherweiseThe static or quasi-static field theory applied to the electrode log method has the The present invention is based on an increase in the working or operating frequency of the Borehole investigation system to a point where the "skin" depth is on the order of the Spacings or distance between the transmitter or transmitter and the receiver is and usually

r> praktisch kleiner als dieses Spacing ist. Aufgrund der wesentlichen Frequenzerhöhung gegenüber der Arbeits- oder Betriebsfrequenz bei den üblichen Induktionslog- oder Elektrodenlog-Verfahren kann die in Verbindung mit diesen bekannten Bohrloch-Untersuchungsverfahren benutzte statische oder quasi statische Feldtheorie nicht mehr langer zur Anwendung kommen. Statt dessen hat der elektromagnetische Feldaufbau an einer Stelle in den Erdformationen einen wesentlichen Einfluß auf das Feld an anderenr> is practically smaller than this spacing. Due to the significant frequency increase compared to the working or operating frequency with the usual Induction logging or electrode logging methods can be used in conjunction with these well known borehole logging methods no longer used static or quasi-static field theory come. Instead, the electromagnetic field builds up at one point in the earth formations a significant impact on the field at others

>r> Stellen in der Formation, was Anlaß zu einer elektromagnetischen Raumwelle gibt. Das läßt sich aus Gleichung (1) erkennen, wo, wenn die »Skin«-Tiefe ί> in der Größenordnung oder geringer als die Entfernung ζ ist, die magnetische Feldstärke sich ändert> r > places in the formation, which gives rise to an electromagnetic sky wave. This can be seen from equation (1), where if the "skin" depth ί> is of the order of magnitude or less than the distance ζ , the magnetic field strength changes

jo als eine Exponentialfunktion der Entfernung oder des Abstandes z.jo as an exponential function of distance or des Distance z.

In F i g. 1 sind Linien gleicher Phase 10 gezeigt, die erzeugt sind durch ebene elektromagnetische Wellen, die sich durch eine Formation 11 und ein Bohrloch 12 ausbreiten. Eine sehr ähnliche Darstellung würde sich ergeben ausgehend von der Feldschwächung oder -dämpfung. Bei dem in F i g. 1 dargestellten Fall ist der Widerstand Rf der Formation 11 größer als der Widerstand/?,,, der Bohrspülung. Dies gibt einen Anstieg der Linien gleicher Phase in der Spülungssäule bei der Untersuchung derjenigen in der Formation. Diese Linien gleicher Phase sind in einem gegenseitigen Abstand von einer »Skin«-Tiefe dargestellt. Um solche ebenenen Wellen zu erzeugen, muß der Sender oder Geber in einer beträchtlichen Entfernung von den Empfängern R1 und R2 angeordnet sein. Der Sender oder Geber und die Empfänger dienen dazu, elektromagnetische Energie auszusenden oder zu empfangen und können somit als Antennen bezeichnet werden. Diese Sende- und Empfangsantennen können entweder von Elektroden oder Spulen gebildet sein.In Fig. 1, there are shown lines of same phase 10 generated by plane electromagnetic waves propagating through a formation 11 and a borehole 12. A very similar representation would result based on the field weakening or attenuation. In the case of the FIG. 1, the resistance R f of the formation 11 is greater than the resistance /? ,,, of the drilling fluid. This gives a rise in the lines of same phase in the mud column when examining those in the formation. These lines of the same phase are shown at a mutual distance of a »skin« depth. In order to generate such plane waves, the transmitter or transmitter must be located at a considerable distance from the receivers R 1 and R 2 . The transmitter or transmitter and the receiver are used to transmit or receive electromagnetic energy and can therefore be referred to as antennas. These transmitting and receiving antennas can either be formed by electrodes or coils.

Da die Spülungssäulc 12 abmessungsmäßig kleiner als die restliche Erdformation ist, wird sich im wesent-Since the flushing column 12 is smaller in size than the rest of the earth formation, it will essentially

Vi liehen die ganze in das Erdreich ausgesandtc Energie durch die Formation ausbreiten bzw. fortpflanzen statt durch die Spülungssäule, weshalb das Spacing oder der Abstand zwischen den Linien gleicher Phase in der Spülungssäiile gleich dem Spacing oder Ab-Vi borrowed all the energy sent into the earth propagate through the formation instead of through the mud column, which is why spacing or the distance between the lines of the same phase in the flushing column is equal to the spacing or

ho stand zwischen den Linien gleicher Phase in der Formation sein wird. Deshalb kann durch Anordnung eines Paares von Empfängern K1 und R2 in einem gegenseitigen Abstand I / in dem Bohrloch 12 und durch Vergleich der Phase der von den beiden Etmp-ho stood between the lines of the same phase in the formation will be. Therefore, by placing a pair of receivers K 1 and R 2 at a mutual distance I / in the borehole 12 and by comparing the phase of the two Etmp-

hr> fängern R1 und R2 empfangenen Signale die »Skin«- Tiefe in dem schraffierten Bereich der Erdformation zwischen den Linien gleicher Phase, die in Verbindung stehen mit den Empfängern R1 und R2, gemessenh r > R 1 and R 2 received signals catch the "skin" depth in the hatched area of the earth formation between the lines of the same phase, which are in connection with the receivers R 1 and R 2 , measured

werden. Das Verhältnis für diese Phasendifferenz I Φ kann dargestellt werden als:will. The ratio for this phase difference I Φ can be represented as:

Λ Φ =Λ Φ =

Λ =Λ =

ΔιΔι

ι) ' ι) '

/10/ 10

(3)(3)

(4)(4)

Somit ist aus Gleichung (4) ersichtlich, daß das Ausmaß der Phasendifferenz tatsächlich ein Maß für die »Skin«-Tiefe öF der Formation bildet. Diese Phasendifferenz kann auch als Phasengradient bezeichnet werden. Da die »Skin«-Tiefe funktionell auf die Konduktivität bzw. Leitfähigkeit der Formationen durch Gleichung (2) bezogen ist, schafft ein Maß der »Skin«-Tiefe <)F auch ein Maß für die Konduktivität oder Leitfähigkeit aF der Formation. Somit ergibt sich durch Einsetzen der Gleichung (2) in die Gleichung (4) und durch Auflösung nach der Konduktivität bzw. Leitfähigkeit aF: It can thus be seen from equation (4) that the extent of the phase difference actually forms a measure for the "skin" depth δ F of the formation. This phase difference can also be referred to as a phase gradient. Since the "skin" depth is functionally related to the conductivity or conductivity of the formations by equation (2), a measure of the "skin" depth <) F also creates a measure for the conductivity or conductivity a F of the formation. Thus, by inserting equation (2) into equation (4) and solving for the conductivity or conductivity a F :

aF = K. \Φ2 ,
2
a F = K. \ Φ 2 ,
2

(5)(5)

K —K -

(ι) μ . I /"(ι) μ. I / "

Zusätzlich zu der Phasendifferenz zwischen den beiden Empfängern K1 und K2 könnte auch der Amplitudengradient gemessen werden, um ein Maß der »Skin«-Ticfe zu schaffen. Dies findet seine Grundlage in der zuvor erwähnten Theorie, daß die elektromagnetische Welle durch einen Faktor — für jedeIn addition to the phase difference between the two receivers K 1 and K 2 , the amplitude gradient could also be measured in order to create a measure of the “skin” temperature. This finds its basis in the previously mentioned theory that the electromagnetic wave by one factor - for each

»Skin«-Tiefc ihres Weges geschwächt oder gedämpft wird. Der untersuchte Formationsteil ist der in F i g. 1 schraffiert dargestellte Abschnitt in gleicher Weise wie für den Fall der Phasenmessung, da die Linien gleicher Phasen von F i g. 1 auch als Linien gleicher Amplitude angesehen werden können. Da es erwünscht sein kann, die Schwächungs- oder Dämpfungskonstante der Formation zu messen, wie vorstehend erwähnt, sollte die Amplitudenmessung normalisiert werden, um die absolute Amplitude als Faktor bei den Messungen auszuschalten. Dies kann erreicht werden, indem man das Verhältnis der von den beiden Empfängern aufgenommenen Amplituden nimmt. Die Beziehung für dieses Amplituden verhältnis A2/Ax kann geschrieben werden als:"Skin" -low of its way is weakened or dampened. The part of the formation examined is that in FIG. 1 section shown hatched in the same way as for the case of the phase measurement, since the lines of identical phases of FIG. 1 can also be viewed as lines of equal amplitude. Since it may be desirable to measure the formation's attenuation or attenuation constant, as noted above, the amplitude measurement should be normalized to eliminate absolute amplitude as a factor in the measurements. This can be achieved by taking the ratio of the amplitudes picked up by the two receivers. The relationship for this amplitude ratio A 2 / A x can be written as:

A1 A 1

.—■.— ■ ηη

(6)(6)

solche Dinge wie die Geometrie der Empfänger berücksichtigt sind.such things as the geometry of the receiver are taken into account.

In F i g. 2 der Zeichnung ist ein sogenanntes »Phasor«-Diagramm oder Phasendiagramm der magnetisehen Feldstärke bei Ausbreitung oder Fortpflanzung der elektromagnetischen Wellen durch die Formation dargestellt. Der Feldstärkenvektor Ji0 stellt die Intensität an einer Stelle über den Empfängern R1 und R2 dar (nicht an dem Sender oder Geber). Mit AusbreitungIn Fig. 2 of the drawing shows a so-called "phasor" diagram or phase diagram of the magnetic field strength as the electromagnetic waves propagate or propagate through the formation. The field strength vector Ji 0 represents the intensity at a point above the receivers R 1 and R 2 (not on the transmitter or transmitter). With spread

ίο oder Fortpflanzung der elektromagnetischen Welle durch das Erdreich wird die Feldstärke durch einenίο or propagation of the electromagnetic wave through the earth the field strength is increased by a

Faktor — geschwächt oder gedämpft und um einenFactor - weakened or subdued and around one

Radianten je Skin-Tiefe seines Weges phasenverschoben, wie oben dargelegt. Die Feldstärkenvektoren HR{ und HR2 geben die Intensitäten an den Empfängern K1 und K2 wieder. In den Empfängern K1 und K2 wird ein Signal erzeugt, das diesen Feldstärkenvektoren Hr1 bzw. HR2 proportional ist. Durch Ver-Radians out of phase with each skin depth of its path, as explained above. The field strength vectors H R { and HR 2 reflect the intensities at the receivers K 1 and K 2 . A signal is generated in the receivers K 1 and K 2 which is proportional to these field strength vectors Hr 1 and H R2. By

gleich der Phase oder Amplitude dieser beiden Feldstärkenvektoren HRlund HR2, um ein Maß des Phasenoder Amplitudengradienten des magnetischen Feldes in der Nähe der Empfänger zu schaffen, kann die Phasen- oder Dämpfungskonstante der sich ausbreitenden oder fortpflanzenden elektromagnetischen Energie in der Nähe der Empfänger K1 und K2 bestimmt werden. Das gibt dann ein Maß der Skin-Tiefe aF der Formation. Dann kann die Konduktivität (Tf der Formation bestimmt werden aus Gleichung (5)equal to the phase or amplitude of these two field strength vectors H Rl and H R2 , in order to create a measure of the phase or amplitude gradient of the magnetic field in the vicinity of the receiver, the phase or attenuation constant of the propagating or propagating electromagnetic energy in the vicinity of the receiver K. 1 and K 2 can be determined. This then gives a measure of the skin depth a F of the formation. Then the conductivity (T f of the formation can be determined from equation (5)

jo oder (7).jo or (7).

Die durch die Empfänger K1 und K2 gemessene Phasen- oder Dämpfungskonstante wird wegen der Differential-Empfängeranordnung, wie oben dargelegt, lediglich durch den in F i g. 1 schraffierten Teil der Formation beeinflußt. Somit wird durch die Differential-Empfangeranordnung der Einfluß der Formationen oberhalb dieses gestrichelten Formationsteils auf die sich ausbreitende elektromagnetische Welle wirkungsvoll ausgeschaltet. Mit anderen Worten wirkt der erste oder obere Empfänger K1 als Bezugspunkt oder Bezugsgröße für den zweiten oder unteren Empfänger K2. Dies ist besser ersichtlich aus F i g. 2, wenn man den Vektor HR als die Bezugsphase und -amplitude für den zweiten Vektor HR ansieht. Somit versteht sich, daß jeglicher Einfluß auf die elektromagnetische Welle, bevor diese den ersten oder oberen Empfänger K1 erreicht, im wesentlichen keinen Einfluß auf die Messung an den beiden Empfängern K1 und K2 hat.The phase or attenuation constant measured by the receivers K 1 and K 2 is, because of the differential receiver arrangement, as set out above, only by the in FIG. 1 hatched part of the formation affected. Thus, the influence of the formations above this dashed formation part on the propagating electromagnetic wave is effectively eliminated by the differential receiver arrangement. In other words, the first or upper receiver K 1 acts as a reference point or reference variable for the second or lower receiver K 2 . This can be seen more clearly from FIG. 2, if the vector H R is taken as the reference phase and amplitude for the second vector H R. It is thus understood that any influence on the electromagnetic wave before it reaches the first or upper receiver K 1 has essentially no influence on the measurement at the two receivers K 1 and K 2 .

so Um ein Beispiel dafür zu geben, sei angenommen, daß die Empfänger K1 und K2 eine »Skin«-Tiefe 6F voneinander entfernt sind, wie in F i g. 1 dargestellt.To give an example of this, it is assumed that the receivers K 1 and K 2 are a "skin" depth 6 F apart from one another, as in FIG. 1 shown.

In diesem Falle ist der Vektor HÄ gleich — HR. undIn this case the vector H Ä is equal to - H R. and

phasenverschoben um einen Radianten von HR. Das Verhältnis HRJHR ist dann gleichout of phase by one radian from H R. The ratio H R JH R is then the same

wobei A2 die Amplitude des von dem Empfänger K2 empfangenen Signals und A1 die Amplitude des von dem Empfänger K1 empfangenen Signals (d. h. der empfangenen Spannung) ist. Durch Auflösung der Gleichung (6) nach der Konduktivität oder Leitfähigkeit aF ergibt sich:where A 2 is the amplitude of the signal received by receiver K 2 and A 1 is the amplitude of the signal received by receiver K 1 (ie, the received voltage). Solving equation (6) for the conductivity or conductivity a F results in:

ω μ (Δ I)2 ω μ (Δ I) 2

In2 In 2

(7)(7)

wobei K1 eine Proportionalitälskonstante ist, in der was anzeigt, daß die Empfänger K1 — K2 eine »Skin«- Tiefe dF voneinander entfernt sind. Es sei angenommen, daß eine Formation oberhalb der Empfängergruppe oder -anordnung K1 — K2 einen höheren Widerstand hat als ursprünglich angenommen für das Diagramm gemäß Fig. 2. In diebem Falle können diewhere K 1 is a proportionality constant in which what indicates that the receivers K 1 - K 2 are a "skin" depth d F apart. It is assumed that a formation above the receiver group or arrangement K 1 - K 2 has a higher resistance than originally assumed for the diagram according to FIG

reldstärkenvektoren die durch die Feldstärkenvektorcn Hrx und Hr2 dargestellte Form annehmen. Der Vektor Hr2 ist dann gleich — HR]. Somit sind das AmplitudenverhältnisReld strength vectors take the form represented by the field strength vectors Hr x and Hr 2. The vector Hr 2 is then equal to - H R] . Thus are the amplitude ratio

H'R H 'R

2 _ 2 _

H'R H 'R

ι _ι _

und die Phasendifferenz immer noch ein Radiant. Die Difierentialempfängeranordnung zeigt somit immer noch an, daß die gemessene »Skin«-Tiefe <)F gleich dem Spacing oder Abstand /I / zwischen den Empfängern R1 — K2 ist.and the phase difference is still one radian. The differential receiver arrangement thus still indicates that the measured "skin" depth <) F is equal to the spacing or distance / I / between the receivers R 1 - K 2 .

Die vorstehende Untersuchung ist davon ausgegangen, daß die Formationen homogen sind und daß der Sender-Empfänger-Abstand groß genug ist, um die elektromagnetischen Wellen als ebene Wellen ansehen zu können. Durch diese Annahme wurde die Erläuterung stark vereinfacht. In der Praxis sind die /M messenden Formationen jedoch nicht homogen, und wenn der Sender-Empfänger-Abstand zu groß wäre, so ist es klar, daß aufgrund der hohen Schwächung oder Dämpfung der elektromagnetischen Wellen in den Formationen nur noch sehr wenig Energie, wenn überhaupt welche, an den Empfängern zu messen wäre. Wenn erwünscht, so könnte eine gleichphasige Darstellung der elektromagnetischen Energie für diesen inhomogenen Fall angefertigt werden, wobei dann festgestellt werden könnte, daß die Radialuntersuchung der Formationen ausgewählt werden kann in einer gewünschten Weise durch passende Wahl der Arbeite- oder Betriebsfrequenz und des Sender-Empfänger-Abstandes oder Spacings. Zum Beispiel kann es erwünscht sein, die sogenannte »Invasionszone« oder die »invasionsfreie« oder reine Formationszone zu untersuchen. Diese »invasionsfreie« oder reine Zone ist diejenige Zone, in die die Bohrspülung nicht vorgedrungen ist und die somit die am weitesten entfernte Zone von dem Bohrloch ist.The above investigation is based on the assumption that the formations are homogeneous and that the transmitter-receiver distance is large enough that the electromagnetic waves can be viewed as plane waves. This assumption has greatly simplified the explanation. In practice, however, the / M measuring formations are not homogeneous, and if the transmitter-receiver distance were too great, it is clear that, due to the high attenuation or attenuation of the electromagnetic waves in the formations, only very little energy remains at all which ones would have to be measured on the receivers. If desired, an in-phase representation of the electromagnetic energy for this inhomogeneous case could be made, whereby it could then be determined that the radial investigation of the formations can be selected in a desired manner by suitable choice of the working or operating frequency and the transmitter-receiver frequency. Spacing or spacings. For example, it may be desirable to examine the so-called "invasion zone" or the "invasion-free" or pure formation zone. This "invasion-free" or clean zone is the zone into which the drilling fluid has not penetrated and which is thus the most distant zone from the borehole.

Vor der Erörterung, wie die Arbeits- oder Betriebsfrequenz und die Sender-Empfänger-Spacings gewählt werden können, sei zunächst ein Gerät oder eine Vorrichtung zum Messen der Phasen- oder Dämpfungskonstante entsprechend der vorstehend abgehandelten Theorie beschrieben. Es sei dabei auf F i g. 3 Bezug genommen, wo ein Bohrlochuntersuchungsgerät 18 gezeigt ist, das am Ende eines armierten Vielleiterkabels 20 in ein Bohrloch 19 zur Untersuchung von Erdinformationen 21 eingehängt ist. Das Kabel 20 wird von einer nicht gezeigten Trommelwinde abgelassen oder gezogen. Das Bohrlochuntersuchungsgerät 18 umfaßt eine Spulenanordnung mit einer Sende- oder Geberspule T und zwei Empfangsspulen R4 und R5. Der Mittelpunkt zwischen den Empfangsspulen R4 und R5 befindet sich in einem Abstand L1, von der Sendespule T, und die beiden Empfangsspulen R4 und K5 sind in einem Abstand A L voneinander entfernt. Das Untersuchungsgerät 18 umfaßt ferner eine flüssigkeitsdichte elektronische Patrone 22, die die in das Bohrloch mit abgesenkte elektrische Schaltungsanordnung enthält. Diese elektronische Schaltungsanordnung ist in dem seitlich des Bohrloches gestrichelt gezeichneten Kasten 22 dargestellt. Before discussing how the operating frequency and the transmitter-receiver spacings can be selected, an apparatus or device for measuring the phase or attenuation constant in accordance with the theory discussed above will first be described. Let us refer to FIG. 3, where a borehole logging device 18 is shown, which is suspended at the end of an armored multi-conductor cable 20 in a borehole 19 for the investigation of earth information 21. The cable 20 is lowered or pulled by a drum winch, not shown. The borehole logging device 18 comprises a coil arrangement with a transmitter or transmitter coil T and two receiver coils R 4 and R 5 . The center point between the receiving coils R 4 and R 5 is at a distance L 1 from the transmitting coil T, and the two receiving coils R 4 and K 5 are at a distance AL from one another. The inspection tool 18 further includes a liquid-tight electronic cartridge 22 which contains the electrical circuitry submerged in the wellbore. This electronic circuit arrangement is shown in the box 22 shown in dashed lines to the side of the borehole.

Bei dieser elektronischen Schaltungsanordnung erregt ein frcqucnzvariabler Oszillator 23 den Transmitter oder Sender T, der elektromagnetische Energie für die Ausbreitung durch die Formationen aussendet. An den Empfängern R4 und K5 ist eine Spannung induziert, die der Energie dieser elektromagnetischen Raumwelle an den Empfängern in der zuvor abgehandelten Weise proportional ist. Die Empfänger K4 und K5 sind an ein Paar elektrisch angepaßter Verstärker 24 und 25 angeschlossen, die die von denIn this electronic circuit arrangement, a variable-frequency oscillator 23 excites the transmitter or transmitter T, which emits electromagnetic energy for propagation through the formations. A voltage is induced at the receivers R 4 and K 5 which is proportional to the energy of this electromagnetic space wave at the receivers in the manner discussed above. The receivers K 4 and K 5 are connected to a pair of electrically matched amplifiers 24 and 25, the of the

ίο Empfängern K4 und K5 aufgenommenen Signale verstärken. Diese Verstärker 24 und 25 sind so angepaßt, daß jegliche Drift in den Verstärkern, beispielsweise bedingt durch einen Temperaturwechsel, einen genau gleichen Einfluß auf beide Verstärker ausübt und somit aufgrund der Differential-Empfänger-Anordnung im wesentlichen entfällt. Die von den Verstärkern 24 und 25 kommenden Signale werden an einen Phasen- oder Amplitudenkomparator bzw. -vergleicher 26 angelegt. Ob das Schaltungselement 26 ein Phasenvergleicher oder ein Amplitudenvergleicher ist, hängt davon ab, ob die Phasen- oder Dämpfungskonstante gemessen wird gemäß Gleichung (4) oder (6) zur Bestimmung der »Skin«-Tiefe δ und somit der Konduktivität oder Leitfähigkeit σ. ίο amplify received signals K 4 and K 5. These amplifiers 24 and 25 are adapted in such a way that any drift in the amplifiers, for example due to a change in temperature, has exactly the same influence on both amplifiers and is therefore essentially eliminated due to the differential receiver arrangement. The signals coming from the amplifiers 24 and 25 are applied to a phase or amplitude comparator or comparator 26. Whether the circuit element 26 is a phase comparator or an amplitude comparator depends on whether the phase or attenuation constant is measured according to equation (4) or (6) to determine the skin depth δ and thus the conductivity or conductivity σ.

Das von dem Vergleicher 26 gegebene Phasenoder Amplitudensignal wird dann über einen zweipoligen oder Doppelschalter 34 an eine übertragungsschaltung 27 zur Weiterleitung zur Erdoberfläche über ein Leiterpaar 28 weitergegeben, das in Wirklichkeit durch das armierte Vielleiterkabel 20 zur Erdoberfläche führt. Wenn der Phasen- oder Amplitudenvergleicher 26 von einer solchen Bauart ist, daß er die angelegten Eingangssignale in ein der verglichenen Phase oder Amplitude proportionales Gleichstromsignal umwandelt, so kann die Ubertragerschaltung 27 lediglich von einem Verstärker gebildet sein. Setzt der Phasen- oder Amplitudenvergleicher 26 die verglichenen Signale nicht in ein Gleichstromsignal um, so kann die Ubertragerschaltung 27 ein geeigneter Stromkreis zur übertragung von Hochfrequenzsignalen über das Leiterpaar 28 zur Erdoberfläche sein, z. B. eine Mischschaltung, um die Ubertragungsfrequenz auf eine innerhalb der Ubertragungsmöglichkeiten des Kabels liegende Frequenz zu reduzieren.The phase or amplitude signal given by the comparator 26 is then transmitted via a two-pole or double switch 34 to a transmission circuit 27 for transmission to the earth's surface passed through a pair of conductors 28, which in reality through the armored multi-conductor cable 20 to the surface of the earth leads. If the phase or amplitude comparator 26 is of such a type that it does the applied input signals into a compared phase or amplitude proportional direct current signal converts, the transfer circuit 27 can only be formed by an amplifier. Sets the Phase or amplitude comparator 26 does not convert the compared signals into a direct current signal, see above the transfer circuit 27 can be a suitable circuit be for the transmission of high frequency signals via the pair of conductors 28 to the earth's surface, z. B. a mixer circuit to set the transmission frequency to one within the transmission possibilities of the Reduce the cable's lying frequency.

An der Erdoberfläche führt das Leiterpaar 28 das gemessene Phasen- oder Dämpfungssignal zu geeigneten Signalverarbeitungsschaltungen 29 zu, die z. B. für eine geeignete Verstärkung und Verstärkungsregelung sorgen. Ist das durch das Kabel 28 übertragene Signal ein Wechselstromsignal statt eines sich ändernden Gleichstromsignals, so könnte die Signalverarbeitungsschaltung 29 zusätzlich eine geeignete Gleichrichtung der übertragenen Signale bewirken. Da die über die Kabelleiter 28 zur Oberfläche übertragenen Signale repräsentativ sind entweder für die Phasen- oder die Dämpfungskonstante der Fortpflanzungskonstante in Übereinstimmung entweder mit Gleichung (4) oder (6) in diesem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3, werden die Signale von den Signalverarbeitungsschaltungen 29 an einen geeigneten Konduktivitäts- oder Leitfähigkeitsrechner 30 gegeben, um die durch das Bohrlochuntersuchungsgerät gemessene Konduktivität σ gemäß einer der Gleichungen (5) oder (7) zu errechnen. Die sich daraus ergebenden Werte für die Konduktivität σ werden durch ein Aufzeichnungsgerät 31 festgehalten, das in Abhängigkeit von der Bohrlochtiefe über eine mit einem Rad 33 verbundene Welle 32 angetrieben wird.At the earth's surface, the pair of conductors 28 feeds the measured phase or attenuation signal to suitable signal processing circuits 29 which, for. B. provide appropriate gain and gain control. If the signal transmitted through the cable 28 is an alternating current signal instead of a changing direct current signal, the signal processing circuit 29 could additionally effect a suitable rectification of the transmitted signals. Since the signals transmitted to the surface via the cable conductors 28 are representative of either the phase or the attenuation constant of the propagation constant in accordance with either equation (4) or (6) in this embodiment shown in FIG. 3, the signals from the signal processing circuits 29 are given to a suitable conductivity or conductivity computer 30 in order to calculate the conductivity σ measured by the borehole logging device according to one of the equations (5) or (7). The resulting values for the conductivity σ are recorded by a recording device 31 which is driven as a function of the borehole depth via a shaft 32 connected to a wheel 33.

809 531/H809 531 / H

Das sich drehende Rad 33 steht in Berührung mit dem Kabel 20 und wird entsprechend dessen Auf- und Abbewegung gedreht, so daß der Registrierstreifen des Aufzeichnungsgerätes 31 in Abhängigkeit von der Bohrlochtiefe bewegt wird. Dadurch wird also die Konduktivität oder Leitfähigkeit σ von dem Aufzeichnungsgerät 31 als eine Funktion der Bohrlochtiefe festgehalten. Falls gewünscht, kann bei einer geeigneten Einteilung der Linienführung auf dem Registrierstreifen des Aufzeichnungsgerätes 31 der Leitfdhigkeitsrechner 30 weggelassen werden, oder anders ausgedrückt kann die Phasen-oder Amplitudenfunktion Λ Φ oder AgJARa unmittelbar an dem Aufzeichnungsgerät 31 festgehalten werden.The rotating wheel 33 is in contact with the cable 20 and is rotated in accordance with its up and down movement, so that the recording strip of the recording device 31 is moved as a function of the borehole depth. In this way, the conductivity or conductivity σ is recorded by the recording device 31 as a function of the borehole depth. If desired, with a suitable division of the lines on the recording strip of the recording device 31, the conductivity computer 30 can be omitted, or, in other words, the phase or amplitude function Λ or AgJA Ra can be recorded directly on the recording device 31.

Im Betriebszustand arbeitet der Transmitter oder Sender T bei einer konstanten Frequenz, sendet eine gleichbleibende elektromagnetische Energie in die umgebenden Medien, welche elektromagnetische Energie durch die Differential-Empfänger-Anordnung kontinuierlich gemessen wird, und ein Phasen- oder Dämpfungssignal wird zur Erdoberfläche übertragen, um mittels des Aufzeichnungsgerätes 31 Leitfähigkeitsanzeigen festzuhalten. Diese Differential-Empfänger-Anordnung umfaßt dann die Empfänger R4 und R5 ebenso wie die Verstärker 24 und 25 und den Vergleicher 26.In the operating state, the transmitter or transmitter T works at a constant frequency, sends a constant electromagnetic energy into the surrounding media, which electromagnetic energy is continuously measured by the differential receiver arrangement, and a phase or damping signal is transmitted to the earth's surface in order to use of the recording device 31 to hold conductivity displays. This differential receiver arrangement then comprises the receivers R 4 and R 5 as well as the amplifiers 24 and 25 and the comparator 26.

Zwecks einfacher Erläuterung sei angenommen, daß die ausgesandte elektromagnetische Energie den in F i g. 3 durch die Pfeile dargestellten Weg nimmt. Die von dem Empfänger R4 empfangene Energie nimmt den Weg T-A-B-R4. und die von dem Empfänger R5 empfangene Energie den Weg T— A — B-C-R5. Es ist zu erkennen, daß die den Weg T—A — B nehmende Energie beiden Empfängern R4 und R5 gemeinsam ist. Ebenso kann angenommen werden, daß die Wege B-R4 und C-R5 im wesentlichen gleich sind hinsichtlich der Dämpfung und der Phasenverschiebung der sich ausbreitenden elektromagnetischen Energie. Somit entfallen praktisch aufgrund der Differential-Empfänger-Anordnung der gemeinsame Weg T—A — B und die ähnlichen Wege B-R4 und C-R5, und die Empfänger R4 und R5 messen tatsächlich nur den Weg B-C. For the sake of simplicity of explanation it is assumed that the emitted electromagnetic energy corresponds to the one shown in FIG. 3 takes the path shown by the arrows. The energy received by the receiver R 4 takes the path TABR 4 . and the energy received by the receiver R 5 takes the path T-A-BCR 5 . It can be seen that the energy taking the path T-A-B is common to both receivers R 4 and R 5 . It can also be assumed that the paths BR 4 and CR 5 are essentially the same with regard to the attenuation and the phase shift of the propagating electromagnetic energy. Thus, due to the differential receiver arrangement, the common path T-A-B and the similar paths BR 4 and CR 5 are practically omitted, and the receivers R 4 and R 5 actually only measure the path BC.

Wie in Verbindung mit F i g. 1 abgehandelt, wird jedoch aufgrund der Bohrlocheinflüsse das senkrechte Meßintervall eher so sein, wie durch den Weg D-E dargestellt. Auf jeden Fall kann gesagt werden, daß ein Erdformationsbereich untersucht wird, der in senkrechter Richtung annähernd das gleiche Ausmaß wie der Empfängerabstand Δ L hat und der im großen und ganzen gegenüber der Empfängeranordnung R4-R5 liegt. Es versteht sich, daß diese Darstellung des Energieflusses übermäßig vereinfacht ist, um eine einfache Erläuterung der Meßtechnik zu geben.As in connection with Fig. 1, however, due to the borehole influences, the vertical measuring interval will be more like that shown by the path DE . In any case, it can be said that an earth formation area is examined which has approximately the same extent in the vertical direction as the receiver distance Δ L and which is by and large opposite the receiver arrangement R 4 -R 5 . It will be understood that this illustration of the flow of energy is overly simplified in order to provide a simple explanation of the measurement technique.

Hinsichtlich der Wahl der Frequenz und der Sender-Empfänger-Abstände für die Untersuchung der Invasionszone ist es erforderlich, die passende Arbeitsfrequenz/ und den Abstand L(r zwischen Sender und Empfänger so zu wählen, daß die Invasionszonenmessungen nicht durch den Spülungswiderstand Rn, oder den Widerstand R, der invasionsfreien Zone beeinflußt werden. Die Empfänger sollten weit genug entfernt von dem Sender angeordnet werden, und zwar derart, daß die sich durch die Spülungssäule fortpflanzende elektromagnetische Welle nicht mehr länger ein Faktor ist, und andererseits jedoch dicht genug zu den Sendern, daß die elektromagnetische Welle nicht in einem solchen Maße in die invasionsfreie Zone ausgebreitet wird, daß dadurch die Konduktivitätsmessungen der Invasionszone beeinflußt werden.With regard to the choice of frequency and the transmitter-receiver distances for the investigation of the invasion zone, it is necessary to choose the appropriate working frequency / and the distance L (r between transmitter and receiver so that the invasion zone measurements are not affected by the flushing resistance R n , or the resistance R, of the invasion-free zone. The receivers should be placed far enough away from the transmitter, in such a way that the electromagnetic wave propagating through the mud column is no longer a factor, and on the other hand close enough to the transmitters that the electromagnetic wave is not propagated into the invasion-free zone to such an extent that it affects the conductivity measurements of the invasion zone.

Noch ein anderer Faktor sollte bei der BestimmungYet another factor should be considered in determining

des Abstandes L,r zwischen Sender und Empfänger beachtet werden, und zwar die Tatsache, daß die Konduktivität der verschiedenen Formationszonen einen Einfluß auf die »Skin«-Tiefe jeder besonderen Zone hat [siehe Gleichung (1)]. Daher sollten die erwarteten maximalen und minimalen »Skin«-Tiefen-the distance L, r between transmitter and receiver must be taken into account, namely the fact that the conductivity of the various formation zones has an influence on the "skin" depth of each particular zone [see equation (1)]. Therefore, the expected maximum and minimum "skin" depth

lü werte bei Bestimmung der Sender-Empfänger-Abstände berücksichtigt werden.lü values when determining the sender-receiver distances must be taken into account.

Um sicherzustellen, daß der größte Teil der von den Empfängern empfangenen Energie durch die Invasionszone und nicht durch die Spülungssäule im Bohrloch oder durch die invasionsfreie Zone beeinflußt ist, sollte der Sender-Empfänger-Abstand mindestens das eineinhalbfache des Bohrlochdurchmessers betragen. Außerdem sollte der Sender-Empfänger-Abstand mindestens halb so groß sein wie die erwartete maximale »Skin«-Tiefe der Invasionszone fix0 und weniger als annähernd das fünfzehnfache des erwarteten minimalen Wertes von ^0. Dieser letzte Faktor, d. h. Ltr < (^0 („„·„), stellt auch sicher, daß die Emp- ,-fänger von für eine Messung ausreichender Energie ν erreicht werden.To ensure that most of the energy received by the receivers is affected by the invasion zone and not by the mud column in the borehole or by the invasion-free zone, the transmitter-receiver distance should be at least one and a half times the borehole diameter. In addition, the transmitter-receiver distance should be at least half the expected maximum skin depth of the invasion zone fi x0 and less than approximately fifteen times the expected minimum value of ^ 0 . This last factor, ie L tr < (^ 0 ("" · "), also ensures that the receivers are reached by energy ν sufficient for a measurement.

Der Abstand .1L zwischen den Empfängern R4 und R5 kann innerhalb bestimmter Grenzen liegen. Diese Grenzen betreffen die Messung der Phasenkonstante der Fortpflanzungskonstante, d. h. der Phasendifferenz der beiden Empfänger. Um dies besser zu verstehen, sei auf F i g. 2 zurückgekommen. Wenn dort eine Phasendifferenz zwischen den beiden Vektoren HRl und HR2 von mehr als 180° vorhanden ist, wird es schwierig, diese Phasendifferenz zu messen.The distance .1 L between the receivers R 4 and R 5 can be within certain limits. These limits relate to the measurement of the phase constant of the propagation constant, ie the phase difference between the two receivers. To understand this better, refer to FIG. 2 came back. If there is a phase difference between the two vectors H R1 and H R2 of more than 180 °, it becomes difficult to measure this phase difference.

Man kann somit sagen, daß der Empfänger-Abstand . I L geringer sein sollte als dreimal die minimale erwartete »Skin«-Tiefe der Invasionszone, d. h.It can thus be said that the receiver distance. I L should be less than three times the minimum expected "skin" depth of the invasion zone, ie

,1 L < 3 Sx0 , 1 L <3 S x0

(min) ·(min)

In der Praxis wird dieser Empfänger-Abstand A L bestimmt in Übereinstimmung mit der gewünschten vertikalen Auflösung des Meßsystems, da Δ L die vertikale Auflösung bestimmt, wie in F i g. 1 gezeigt.In practice, this receiver distance AL is determined in accordance with the desired vertical resolution of the measuring system, since Δ L determines the vertical resolution, as in FIG. 1 shown.

Offensichtlich ist der Empfänger-Abstand nicht zu wichtig bei der Messung der Dämpfungskonstante, ausgenommen hinsichtlich der vertikalen Auflösung.Obviously the receiver distance is not too important when measuring the attenuation constant, except for vertical resolution.

Ein Weg, um in vereinfachter Weise einen BlickOne way to take a look in a simplified way

auf diese Invasionszonen-Untersuchung zu werfen,to throw at this invasion zone investigation,

so besteht darin, sich das elektromagnetische Feld, das die Empfänger erregt, als in einem Bereich konzentriert vorzustellen, der gerade jenseits der letzten Ubergangsfläche zwischen den beiden Zonen mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten liegt, innerhalb eines Zylinders mit einem Radius, der gleich dem Abstand zwischen dem Sender und den Empfängern ist. Somit würde Tür die Untersuchung der Invasionszone diese letzte Ubergangsfläche die Fläche zwischen dem Bohrloch und der Invasionszone sein. Solch eine Ubergangsfläche kann auch angesehen werden als die Wandung einer Wellenführung, die den Sender mit den Empfängern verbindet und die beträchtliche Verluste hat, so daß die sich unmittelbar innerhalb der Wellenführung fortpflanzenden Wellen beträchtlichthus the electromagnetic field that excites the receiver is concentrated in one area imagine the one just beyond the last transition area between the two zones with different Conductivities lies within a cylinder with a radius equal to the distance between the sender and the receivers. Thus, the investigation of the invasion zone would be this door the last transition area will be the area between the borehole and the invasion zone. Such a transition area can also be viewed as the wall of a wave guide that the transmitter is using connects the recipients and has considerable losses, so that the is immediately within the Wave guidance propagating waves considerably

es gedämpft werden.it will be dampened.

Es scheint wünschenswert, an dieser Stelle den Einfluß des Bohrloches auf die Invasionszonen-Untersuchung aufzuzeigen. F i g. 4 zeigt eine Kurvendar- It seems desirable at this point to show the influence of the borehole on the invasion zone investigation. F i g. 4 shows a graph

stellung des errechneten prozentualen Fehlers Y als Funktion vonposition of the calculated percentage error Y as a function of

den kann, um die »Skin«-Tiefe t)x0 konstant zu halten und somit die Funktioncan to keep the "skin" depth t) x0 constant and thus the function

für verschiedene Werte vonfor different values of

In F i g. 4 ist zu sehen, daß der Fehler Y ziemlich wesentlich wird für bestimmte Kontraste vonIn Fig. 4 it can be seen that the error Y becomes quite significant for certain contrasts of

wennif

RmRm
UrUr

gleich 0,5 ist. Wenn natürlich der Kontrast des Widerstandes Rx0 der Invasionszone zu dem Widerstand Rn, der Spülung ausreichend groß wäre, so würde ein Untersuchungssystem, bei dem der Sender-Empfänger-Abstand L,r die Hälfte der »Skin«-Tiefe <)x0 in der Invasionszone beträgt, ausreichend genaue Ergebnisse liefern. Da dieser Widerstandsgegensatz jedoch nicht immer so hoch sein kann, kann es mehr erwünscht sein, das Verhältnisis equal to 0.5. If, of course, the contrast between the resistance R x0 of the invasion zone and the resistance R n , of the flushing were sufficiently large, an examination system in which the transmitter-receiver distance L, r is half the "skin" depth <) x0 in the invasion zone will provide sufficiently accurate results. However, since this contrast of resistance cannot always be so high, the ratio may be more desirable

>xO> xO

gleich 1, 2 oder mehr zu wählen, um den prozentualen Fehler Y niedrig zu halten. Dadurch können hinreichend genaue Resultate erhalten werden für im wesentlichen jeglichen Kontrast oder Gegensatz vonto be equal to 1, 2 or more in order to keep the percentage error Y low. Thereby reasonably accurate results can be obtained for essentially any contrast or contrast of

xOxO

Es sollte hier auch festgestellt werden, daß Rn, leicht an der Bohrstelle bestimmt werden kann, und, da der Bereich der Invasionszonenwiderstände Rx0 für jede gegebene geographische Region im allgemeinen bekannt ist, kann die Arbeitsfrequenz vor dem Einhängen des Untersuchungsgerätes in das Bohrloch von Hand eingestellt werden, um ein Verhältnis von ebenfalls konstant zu halten. Dies ist dargestellt durch Schalten des zweipoligen Doppelschalters 34 in dieIt should also be noted here that R n , can be readily determined at the wellbore, and, since the range of invasion zone resistances R x0 is generally known for any given geographic region, the operating frequency can be estimated from Hand adjusted to keep a ratio of also constant. This is illustrated by switching the two-pole double switch 34 to FIG

ίο Stellung, wo das Signal von dem Phasen- oder Amplitudenvergleicher 26 an einen Eingang eines verhältnismäßig starken Hochleistungsverstärkers 39, d. h. eines Verstärkers mit hohem Verstärkungsfaktor, angelegt wird. Für die vorliegenden Zwecke ist dabei voraus-ίο Position where the signal from the phase or amplitude comparator 26 to an input of a relatively powerful high power amplifier 39, i.e. H. one High gain amplifier. For the purposes at hand, it is

i1) zusetzen, daß das Ausgangssignal des Vergleichers 26 ein sich veränderndes Gleichstromsignal ist. Ein Signal konstanter Spannung proportional dem gewünschten Wert der »Skin«-Tiefe <)x0 der Invasionszone wird zu dem anderen Eingang des Verstärkers 39 zugeführt. Der Verstärker 39 gibt dann ein Gleichstrom-Steuersignal zu dem frequenzvariablen Oszillator 23 proportional der Differenz zwischen dem gewünschten »Skin«-Tiefenwert fix0 (gewünscht) und dem gemessenen »Skin«-Tiefenwert Λχ0 (gemessen).i 1 ) add that the output of comparator 26 is a varying direct current signal. A signal of constant voltage proportional to the desired value of the “skin” depth <) x0 of the invasion zone is fed to the other input of the amplifier 39. The amplifier 39 then sends a direct current control signal to the variable-frequency oscillator 23 proportional to the difference between the desired “skin” depth value fi x0 (desired) and the measured “skin” depth value Λ χ0 (measured).

Im Betrieb wirkt diese Gegenkopplungsanordnung dahin, den gemessenen Skin-Tiefenwert <)x0 im wesentlichen gleich dem gewünschten Skin-Tiefenwert Λχ0 zu halten durch Veränderung der Frequenz des frequenzvariablen Oszillators 23. Wenn Dx0 (gemessen)During operation, this negative feedback arrangement has the effect of keeping the measured skin depth value <) x0 essentially the same as the desired skin depth value Λ χ0 by changing the frequency of the variable-frequency oscillator 23. If D x0 (measured)

ίο gleich ^x0 (gewünscht) ist, hat somit das Ausgangssignal von dem Verstärker 39 eine Amplitude Null. Wenn jedoch <)x0 (gemessen) von dem gewünschten Wert abweichen sollte, führt der Verstärker 39 dem frequenzvariablen Oszillator 23 eine ausreichendeίο equals ^ x0 (desired), the output signal from amplifier 39 thus has an amplitude of zero. However, if <) x0 (measured) should deviate from the desired value, the amplifier 39 supplies the variable-frequency oscillator 23 with a sufficient output

j5 Signalamplitude zu, um immer die gewünschte Bedingung zustande zu bringen, d. h. <)χ0 (gemessen) im wesentlichen gleich öx0 (gewünscht).j5 Signal amplitude increases in order to always bring about the desired condition, ie <) χ0 (measured) essentially equal to ö x0 (desired).

Um ein Maß der Konduktivität oder Leitfähigkeit σχ0 zu erhalten, ist es jetzt lediglich erforderlich, die Größe des an den frequenzvariablen Oszillator 23 gegebenen Steuersignals zu wissen. Dieses Steuersignal ist natürlich proportional der Frequenz des frequenzvariablen Oszillators 23, da es die Frequenz des Oszillators steuert. Da Άχ0 in diesem Fall konstant gehalten wird, ist es jetzt klar, daß die Gleichung (1) umgeschrieben werden kann alsIn order to obtain a measure of the conductivity σ χ0 , it is now only necessary to know the size of the control signal given to the variable-frequency oscillator 23. This control signal is of course proportional to the frequency of the variable frequency oscillator 23 since it controls the frequency of the oscillator. Since Ά χ0 is held constant in this case, it is now clear that equation (1) can be rewritten as

2 K,2 K,

'xO'xO

zu erhalten, das ausreichend groß ist, um den Bohrlocheinflußfehler Y auf annehmbare Werte zu reduzieren. Dies geschieht, wie in F i g. 4 schematisch dargestellt, indem der Oszillator 23, der den Sender T erregt, als ein frequenzvariabler Oszillator ausgebildet ist.sufficiently large to reduce the borehole influence error Y to acceptable values. This is done as shown in FIG. 4 is shown schematically in that the oscillator 23, which excites the transmitter T , is designed as a variable-frequency oscillator.

Es sei hier auch bemerkt, daß, anstatt die Frequenz des frequenzvariablen Oszillators 23 vor dem Absenken des Untersuchungsgerätes in das Bohrloch von Hand einzustellen, ein in das Bohrloch mit abzusenkender Rückkopplungsregelkreis verwendet wer- (ü μ It should also be noted here that, instead of setting the frequency of the variable-frequency oscillator 23 by hand before lowering the examination device into the borehole, a feedback control loop that is to be lowered into the borehole is used (ü μ

wobei K2 gleich <5x0 (gewünscht) ist. Somit kann durch Kenntnis von ω = 2 π j die Konduktivität gefunden werden. Um ein für die Konduktivität oder Leitfähigkeit repräsentatives Signal zur Erdoberfläche zu geben, wird das Steuersignal von dem Verstärker 39 über den Schalter 34 an die übertragungsschaltung 27 angelegt statt des Ausgangssignals von dem Vergleicher 26.
Was die Untersuchung der invasionsfreien Zone
where K 2 is <5 x0 (desired). Thus, knowing ω = 2 π j, the conductivity can be found. In order to give a signal representative of the conductivity or conductivity to the earth's surface, the control signal from the amplifier 39 is applied to the transmission circuit 27 via the switch 34 instead of the output signal from the comparator 26.
As for the study of the invasion-free zone

bo betrifft, so kann die für die Untersuchung der Invasionszone beschriebene Verfahrensweise auch für die invasionsfreie Zone zur Anwendung gebracht werden. Es ist jedoch die Skin-Tiefe <\ der invasionsfreien Zone zu beachten statt der Skin-Tiefe δχ0 der Invasionszone. Auch der radikale Abstand zwischen der Mittelachse des Bohrlochs und der Grenze zwischen der Invasionszone und der invasionsfreien Zone ist zu beachten anstelle des Bohrlochdurchmessers.bo, the procedure described for the investigation of the invasion zone can also be used for the invasion-free zone. However, the skin depth <\ of the invasion-free zone must be observed instead of the skin depth δ χ0 of the invasion zone. The radical distance between the central axis of the borehole and the boundary between the invasion zone and the invasion-free zone must also be taken into account instead of the borehole diameter.

Somit sollte Tür den Fall dieser invasionsfreien Zone der Sender-Empfänger-Abstand mindestens etwa drei Meter betragen und mindestens halb so groß wie die erwartete maximale Skin-Tiefe ti, {max) der invasionsfreien Zone sein, um eine genaue Messung der Skin-Tiefe l), der invasionsfreien Zone und somit der Konduktivität a, ohne Beeinflussung von der Invasionszone zu ermöglichen. Auch der Sender-Empfänger-Abstand L,r sollte kurz genug sein, so daß die Empfänger ausreichend Energie vorfinden zum Messen. Da der Sender-Empfänger-Abstand L,r für die Untersuchung der invasionsfreien Zone größer ist als für die Invasionszone, wird die Frequenz Tür diese invasionsfreic Zone höchstwahrscheinlich geringer sein, um den oben angeregten Verfahrensgängen zu genügen. Die den Empfänger-Abstand .1 L bestimmenden Faktoren sind die gleichen wie im Zusammenhang mit der Invasionszonenuntersuchung dargelegt. Durch Befolgen der oben angeregten Anordnungsregel kann zumindest ein Faktor der Fortpflanzungskonstanten gemessen werden, um ein Maß für die Skin-Tiefe I), der invasionsfreien Zone und somit deren Konduktivität oder elektrischer Leitfähigkeit a, zu erhalten.Thus, in the case of this invasion-free zone, the transmitter-receiver distance should be at least about three meters and at least half as large as the expected maximum skin depth ti, {max) of the invasion-free zone in order to obtain an accurate measurement of the skin depth l ), the invasion-free zone and thus the conductivity a, without influencing the invasion zone. The transmitter-receiver distance L, r should also be short enough so that the receivers have enough energy to measure. Since the transmitter-receiver distance L, r for the investigation of the invasion-free zone is greater than for the invasion zone, the frequency for this invasion-free zone will most likely be lower in order to satisfy the procedural steps suggested above. The factors determining the recipient distance .1 L are the same as those set out in connection with the investigation of the invasion zone. By following the arrangement rule suggested above, at least one factor of the propagation constant can be measured in order to obtain a measure for the skin depth I), the invasion-free zone and thus its conductivity or electrical conductivity a .

Die an den Sender und die Empfänger Tür die Untersuchung der invasionsfreien Zone angeschlossene elektronische Apparatur kann im wesentlichen die gleiche sein wie bei dem in Fi g. 3 gezeigten Gerät für die Untersuchung der Invasionszone mit der Ausnahme, daß die Parameter der Schaltungen aufgrund der verringerten Frequenz etwas unterschiedlich sind. In Blockdiagrammform kann jedoch das Gerät für die Untersuchung der invasionsfreien Zone identisch mit dem Gerät für die Invasionszonenuntersuchung sein.Those to the transmitter and the receiver door the investigation Electronic equipment connected to the invasion-free zone may be essentially the same be like the one in Fig. 3 device for the investigation of the invasion zone with the exception, that the parameters of the circuits are slightly different due to the reduced frequency. In However, in block diagram form, the device for examining the invasion-free zone may be identical to the device for the invasion zone investigation.

Es kann erwünscht sein, ein Gerät zu schaffen für die Untersuchung der Invasionszonen und der invasionsfreien Zonen während des gleichen Untersuchungslaufes in dem Bohrloch. Dies kann erreicht werden durch Verwendung zweier getrennter Arbeitsfrequenzen und zweier gesonderter Antenen-Empfänger-Anordnungen. Die Antennenanordnungen für die Untersuchung der invasionsfreien Zone wird dann weiter entfernt sein von dem Sender als diejenige für die Untersuchung der Invasionszone. Dies ist in F i g. 3 dargestellt durch Anordnung eines Paares von Empfängern R6 und R1 in einem hinreichenden Abstand unterhalb der Empfänger R4 und -R5. Ein gesonderter Oszillator 23a ist an die Sende-Antenne T angeschlossen Tür diese Intersuchung der invasionsfreien Zone. Die Empfänger R6 und R1 sind an eine elektronische Schaltung 38 angeschlossen, bestehend aus Verstärkern, einem Komparator oder Vergleicher und einer übertragungsschaltung ähnlich den Verstärkern 24 und 25, dem Phasen- oder Amplitudenvergleicher 26 und der übertragungsschaltung 27, wie sie bereits oben abgehandelt worden sind. Sowohl der Oszillator 23 a als auch die Schaltung 38 sind in gestrichelten Linien dargestellt, um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß diese Doppeluntersuchungsanordnung eine alternative Ausfuhrungsform ist. Das von der elektronischen Schaltung 38 kommende Signal ist repräsentativ für den Widerstand oder die elektrische Leitfähigkeit σ, der invasionsfreien Zone während das von der Ubertragerschaltung 27 zur Erdoberfläche gegebene Signal repräsentativ ist für die Leitfähigkeit σχ0 oder den Widerstand Rx0 der Invasionszone, wie oben abgehandelt. Falls gewünscht, kann eine frequenzvariable Anordnung vorgesehen sein für die Untersuchung der invasionsfreien Zone in der gleichen Weise wie für die Untersuchung der Invasionszone. Dies ist dargestellt in F i g. 3 durch den mit dem Hinweis »Steuerfrequenz des frequenzvariablen Oszillators 23a« zu versehenden Leiter 38a, der an einen Verstärker ähnlich dem. Verstärker 39 angeschlossen sein kann.It may be desirable to provide an apparatus for examining the invasive zones and the non-invasive zones during the same survey run in the borehole. This can be achieved by using two separate working frequencies and two separate antenna-receiver arrangements. The antenna arrangements for the investigation of the invasion-free zone will then be further away from the transmitter than that for the investigation of the invasion zone. This is in FIG. 3 illustrated by arranging a pair of receivers R 6 and R 1 at a sufficient distance below the receivers R 4 and -R 5 . A separate oscillator 23a is connected to the transmitting antenna T for this examination of the invasion-free zone. The receivers R 6 and R 1 are connected to an electronic circuit 38 consisting of amplifiers, a comparator or comparator and a transmission circuit similar to the amplifiers 24 and 25, the phase or amplitude comparator 26 and the transmission circuit 27, as already discussed above are. Both the oscillator 23 a and the circuit 38 are shown in dashed lines in order to take into account the fact that this double examination arrangement is an alternative embodiment. The signal coming from the electronic circuit 38 is representative of the resistance or the electrical conductivity σ of the invasion-free zone, while the signal given by the transmitter circuit 27 to the earth's surface is representative of the conductivity σ χ0 or the resistance R x0 of the invasion zone, as discussed above . If desired, a variable frequency arrangement can be provided for the examination of the invasion-free zone in the same way as for the examination of the invasion zone. This is shown in FIG. 3 through the conductor 38a to be provided with the note “control frequency of the variable frequency oscillator 23a”, which is connected to an amplifier similar to the. Amplifier 39 can be connected.

F i g. 5 der Zeichnung zeigt eine andere Ausfuhrungsform der Erfindung für die Untersuchung unterirdischer Erdformationen durch die Anwendung von sich ausbreitenden elektromagnetischen Wellen. Das Gerät gemäß F i g. 5 zeigt eine in einem Bohrloch 19 angeordnete Elektrodenanordnung. Die mechanischen Teile des Bohrloch-Untersuchungsgerätes sind zwecks kürzerer Darstellung und Beschreibung aus Fig. 5 der Zeichnung weggelassen, doch sind diese Einzelheiten in der Bohrloch-Untersuchungstechnik an sich ganz bekannt. Die Elektroden gemäß F i g. 5 umfassen eine Stromaussendeelektrode A, eine ganz dicht bei dieser angeordnete Stromrückkehrelektrode B und zwei Meßelektroden M1 undJW2, die in einem gewünschten Abstand unterhalb der Stromaussende- und -rückkehrelektrode angeordnet sind. Die Stromaussende- und -rückkehrelektroden A und B können als ein elektrischer Dipol angesehen werden.F i g. 5 of the drawing shows another embodiment of the invention for the investigation of underground earth formations by the application of propagating electromagnetic waves. The device according to FIG. 5 shows an electrode arrangement arranged in a borehole 19. The mechanical parts of the well logging tool are omitted from Figure 5 of the drawings for brevity of illustration and description, but these details are well known in the art of logging. The electrodes according to FIG. 5 comprise a current emitting electrode A, a current return electrode B arranged very close to it, and two measuring electrodes M 1 and JW 2 arranged at a desired distance below the current emitting and returning electrode. The current sending and returning electrodes A and B can be regarded as an electric dipole.

Somit kann die Kombination der Stromaussende- und -rückkehrelektroden A-B als der Sender für die Aussendung elektromagnetischer Energie in die umgebenden Erdformationen angesehen werden.Thus, the combination of the current sending and returning electrodes AB can be viewed as the transmitter for the emission of electromagnetic energy into the surrounding earth formations.

Die Meßelcktroden M1 undM2 sprechen auf den elektrischen Feldteil der ausgesandten elektromagnetischen Energie in fast der gleichen Weise an wie die Empfängerspule gemäß Fi g. 3 auf den magnetischen Teil der sich fortpflanzenden elektromagnetischen Energie ansprach. Somit kann man die Meßelektroden M1 undM2 als Empfänger ansehen und der Abstand zwischen den Sendeelektroden A-B und den Empfangselektroden M1-M2 ist somit das sogenannte Sender-Empfänger-Spacing oder der Sender-Empfänger-Abstand L,r. Die zuvor abgehandelte Theorie paßt ebenso gut auf die Elektrodenanordnung von F i g. 5 wie auf die Spulenanordnung nach F i g. 3.The measuring electrodes M 1 and M 2 respond to the electric field part of the emitted electromagnetic energy in almost the same way as the receiver coil according to FIG. 3 responded to the magnetic part of the propagating electromagnetic energy. Thus, one can view the measuring electrodes M 1 and M 2 as a receiver, and the distance between the transmitting electrodes and the receiving electrodes AB M 1 -M 2 is thus the so-called transmitter-receiver spacing or the transmitter-receiver spacing L, r. The theory discussed above fits the electrode arrangement of FIG. 1 equally well. 5 as for the coil arrangement according to FIG. 3.

Die durch die Meßelektroden M1 undM2 aufgenommene Spannung, die dem elektrischen Feldteil der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle an den Empfängern proportional ist, wird angelegt an ein Paar elektrisch angepaßter Verstärker 40 und 41. Die Ausgangssignale der Verstärker 40 und 41 werden zugleich an einen Phasenkomparator oder -vergleicher 38 als auch an einen Amplitudenvergleicher 39 gegeben. Da die Phasendifferenz oder das Amplitudenverhältnis der an die Verstärker 40 und 41 angelegten Signale gemessen wird, ist es klar, daß der Masseanschluß für die im Bohrloch befindliche elektronische Schaltung in F i g. 5 an die umhüllende Patrone erfolgen kann, wie dargestellt. Das bedeutet, daß jeglicher Fehler in diesem geerdeten Bezugspotential einen sehr geringen, wenn überhaupt einen Einfluß auf die Messungen haben wird.
Was den Phasenvergleicher 38 angeht, so werden die Ausgangssignale von den Verstärkern 40 und 41 jedes für sich angelegt an ein Paar von Spannungsbegrenzern 42 und 43, die dazu dienen, die Spannungshöhe der von den Verstärkern 40 und 41 kommenden Signale bei einer gewünschten gleichbleibenden Spannung zu halten. Die Ausgangssignale von den Spannungsbegrenzern 42 und 43 werden einem phasenempfindlichen Detektor 44 zugeführt, wobei das Signal von einem der Spannungsbegrenzer als Bezugsphase
The voltage picked up by the measuring electrodes M 1 and M 2 , which is proportional to the electric field portion of the electromagnetic wave propagating at the receivers, is applied to a pair of electrically matched amplifiers 40 and 41. The output signals of the amplifiers 40 and 41 are also fed to a phase comparator or comparator 38 as well as to an amplitude comparator 39. Since the phase difference or amplitude ratio of the signals applied to amplifiers 40 and 41 is measured, it will be appreciated that the ground connection for the downhole electronic circuitry is shown in FIG. 5 can be made to the enveloping cartridge, as shown. This means that any error in this grounded reference potential will have very little, if any, effect on the measurements.
As regards the phase comparator 38, the output signals from the amplifiers 40 and 41 are each applied to a pair of voltage limiters 42 and 43 which serve to adjust the voltage level of the signals coming from the amplifiers 40 and 41 at a desired constant voltage keep. The output signals from the voltage limiters 42 and 43 are fed to a phase-sensitive detector 44, the signal from one of the voltage limiters as the reference phase

für das andere Signal wirkt. Da die Spannungsbegrenzer 42 und 43 Ampliludcnändcrungen von dem zu dem phasenempfindlichen Detektor 44 zugeführten Signalen entfernen, führt der phasenempfindliche Detektor 44 ein sich änderndes Glcichstrom-Ausgangssignal zur Erdoberfläche, das proportional ist der Phasendifferenz I Φ zwischen den beiden von den Meßelektroden Ai1 und M2 aufgenommenen Signalen.works for the other signal. Since the voltage limiter 42 and 43 Ampliludcnändcrungen removed from the current supplied to the phase-sensitive detector 44 signals to the phase sensitive detector 44 performs a changing Glcichstrom output signal to the surface that is proportional to the phase difference I Φ between the two of the measuring electrodes Ai 1 and M 2 recorded signals.

Im Amplitudenverglcichcr 39 werden die von den Verstärkern 40 und 41 kommenden Ausgangssignale durch ein Paar von Gleichrichtern 45 und 46 geschickt und dann als gleichgerichtete Ausgangssignalc einer Ratio- oder Verhältnisschaltung 47 zugeführt, die das Verhältnis der beiden eingegebenen Signale nimmt. Das sich daraus ergebende Alisgangssignal der Ratiooder Verhältnisschaltung 47 ist somit ein sich änderndes Glcichstromsignal proportional dem Verhältnis VMJVM . Sowohl die Amplituden- als auch die Phascnsignale werden zur Erdoberfläche geführt, um Anzeigen für die elektrische Leitfähigkeit der die Sondenanordnung umgebenden Informationen zu erhalten. Der Vcrgieicher 26 von F i g. 3 kann so aufgebaut sein, wie der Phasen- oder Amplitudcnvcrgleichcr 38 oder 39 von F i g. 5.In the amplitude comparator 39, the output signals from the amplifiers 40 and 41 are passed through a pair of rectifiers 45 and 46 and then fed as rectified output signals to a ratio circuit 47 which takes the ratio of the two input signals. The output signal of the ratio circuit 47 resulting therefrom is thus a changing direct current signal proportional to the ratio V M JV M. Both the amplitude and phase signals are carried to the surface of the earth to provide indications of the electrical conductivity of the information surrounding the probe assembly. The comparator 26 of FIG. 3 can be constructed like the phase or amplitude comparator 38 or 39 of FIG. 5.

Dort ist noch eine andere Sache zu beachten, und zwar der Einfluß der reflektierten Wellen auf die Messungen. Reflektierte Wellen sind an Begrenzungen, wie z. B. Schichtftächengrenzcn, zurückgeworfene elektromagnetische Wellen. Dieses Problem der reflektierten Wellen bereitet besondere Schwierigkeiten in Verbindung mit der Untersuchung der invasionsfreien Zone wegen des längeren Scndcr-Empfänger-Spacings oder -abstandcs Llr in diesem Falle, was somit Anlaß gibt zu zu lang gemessenen Tiefenabständen, die fehlerhaft sein können. Aber auch bei der Invasionszonenuntersuchung können Schwierigkeiten hinsichtlich reflektierter Wellen auftreten. Dieses Problem der reflektierten Wellen ist in F i g. 1 dargestellt, wo eine einfallende elektromagnetische Welle H, gezeigt ist, die sich gegen eine Schleiffläche 13 ausbreitet, und eine reflektierte Welle J/r, die sich von der Schichtfläche 13 wieder weg ausbreitet.Another thing must be observed there, namely the influence of the reflected waves on the measurements. Reflected waves are at boundaries such as B. Layer surface boundaries, reflected electromagnetic waves. This problem of the reflected waves causes particular difficulties in connection with the investigation of the invasion-free zone because of the longer scanner-receiver spacing or distance L lr in this case, which thus gives rise to too long measured depth distances which can be erroneous. Difficulties in terms of reflected waves can also arise when investigating the invasion zone. This reflected wave problem is shown in FIG. 1, which shows an incident electromagnetic wave H, propagating towards a grinding surface 13, and a reflected wave J / r propagating away from the layer surface 13 again.

Wenn die Formationen homogen sind und unter der Annahme, daß die Antennen Spulen sind, die somit magnetische Felder erzeugen, so kann die Beziehung für die magnetische Feldstärke H. ebener Wellen an einer gegebenen Stelle in der Formation ausgedrückt werden als:If the formations are homogeneous and assuming that the antennas are coils which thus generate magnetic fields, the relationship for the magnetic field strength H. of plane waves at a given point in the formation can be expressed as:

wobei a =where a =

1±L1 ± L

ist undis and

(8)(8th)

Hi — das einfallende Feld,
Hr = das reflektierte Feld und
Hi - the incident field,
H r = the reflected field and

z' = die Entfernung von der Schichtflächenebene 13 bedeutet. z '= the distance from the layer surface plane 13 means.

Es ist festgestellt worden, daß, wenn die zweite Differenz des magnetischen Feldes gemessen wird, die sich der zweiten Ableitung des Feldes annähert, daß die Messung dann im wesentlichen unempfindlich gegenüber der Reflektionswcllenkomponente von Glei-It has been found that when the second difference in magnetic field is measured, the approaches the second derivative of the field so that the measurement is then essentially insensitive compared to the reflection shaft component of sliding

chung (8) ist. Die zweite Ableitung von Gleichung (8) ergibt sich zu:chung (8) is. The second derivative of equation (8) results in:

U2ILU 2 IL H.H. limlim άζ2 άζ 2 ~ ~f~ ~ f IZ.->IZ .-> ==

-2Η.-2Η.

τ- IZ.)+ 1 Η{; τ- IZ.) + 1 Η {;

(1L)2 (1L) 2

(9)(9)

Der Term rechts von dem letzten Gleichheitszeichen von Gleichung (9) ist lediglich die näherungsweise Definition einer zweiten Ableitung. Der Gleichung (9) kann entnommen werden, daß die Reflektionswellenkomponcntc des magnetischen Feldes an einer gegebenen Stelle vernachlässigt werden kann durch Anordnung zweier Empfänger mit Werten von jeweils +1 in einer Entfernung 1L von dem Haupt-Zentralempfängcr mit einem Wert von — 2. Um ein gutes Maß dieser zweiten Differenz zu schaffen, sollte das Spacing oder der Abstand IL zwischen den Empfängern verhältnismäßig kurz sein im Verhältnis zu einer Skin-Tiefc. Die Beziehung für die Konduktivität oder elektrische Leitfähigkeit σ ist abgeleitet von der Gleichung (9):The term to the right of the last equal sign of equation (9) is only the approximate definition of a second derivative. From equation (9) it can be seen that the reflection wave component of the magnetic field at a given location can be neglected by placing two receivers with values of +1 each at a distance 1 L from the main central receiver with a value of -2 µm To create a good measure of this second difference, the spacing or the distance I L between the receivers should be relatively short in relation to a skin depth. The relationship for the conductivity or electrical conductivity σ is derived from equation (9):

-2H1 + //(ζ- id+ -2H 1 + // (ζ- id +

Während die Gleichungen (9) und (10) für ein homogenes Medium und den Fall ebener Wellen gelten, können die Feldgleichungen für sphärische Wellen und inhomogene Medien in der gleichen Weise geschrieben werden, und die zweite Ableitung einer solchen Gleichung kann zur Bestimmung der Spacings oder Abstände und Werte der verschiedenen Empfänger dienen. Die gleiche Betrachtung gilt auch für die elektrischen Feldgrößen, d. h. die Elektroden.While equations (9) and (10) hold for a homogeneous medium and the case of plane waves, the field equations for spherical waves and inhomogeneous media can be written in the same way and the second derivative of such an equation can be used to determine the spacings or distances and values of the various recipients are used. The same consideration also applies to the electric field quantities, d. H. the electrodes.

In F i g. 6 ist ein gemäß den Beziehungen der Gleichungen (9) und (10) konstruiertes Gerät gezeigt. Dieses Gerät umfaßt eine Spulenanordnung mit Spulen R9, R10 undRn in einem Bohrloch 50, die gemäß Gleichung (9) angeordnet sind. Die Empfänger R9 und /?n sind an entgegengesetzten Seiten der zentralen Spule Rk, angeordnet, die doppelt so viel Windungen wie die Spulen R9 und R11 hat, um die Bewertungsfaktoren 2, 1 und 1 zu schaffen. Die Spulen R9 und Ru sind in Reihenschaltung und die zentrale Spule R10 in einer Gcgenreihenschallung zu den Spulen R9 und Rn angeordnet. Somit hat jede der Spulen R9 und R11 einen Wert von + 1 und die Spule Rj0 einen Wert von — 2, um Gleichung (9) zu genügen. Die in Reihe geschallcte Spulenanordnung ist an einen Verstärker und Gleichrichter 51 angeschlossen, der ein dem Zähler von Gleichung (10) proportionales Signal gibt. Um ein dem Nenner von Gleichung (10) proportionales Signal zu erhalten, wird die in die mittlere oder zentrale Empfängerspule R10 induzierte Spannung, die proportional ist 2 H1, an einen Verstärker und Gleichrichter 52 angelegt, der für eine Ausgangsspannung proportional 2 H. sorgt. Dieses Ausgangssignal wirdIn Fig. 6, there is shown an apparatus constructed in accordance with the relationships of equations (9) and (10). This apparatus comprises a coil arrangement having coils R 9 , R 10 and R n in a borehole 50, which are arranged according to equation (9). The receivers R 9 and /? N are arranged on opposite sides of the central coil Rk, which has twice as many turns as the coils R 9 and R 11 , in order to create the weighting factors 2, 1 and 1. The coils R 9 and R u are connected in series and the central coil R 10 is arranged in series with the coils R 9 and Rn. Thus, each of the coils R 9 and R 11 has a value of +1 and the coil Rj 0 has a value of -2 to satisfy equation (9). The series-sonicated coil arrangement is connected to an amplifier and rectifier 51 which gives a signal proportional to the counter of equation (10). In order to obtain a signal proportional to the denominator of equation (10), the voltage induced in the middle or central receiver coil R 10 , which is proportional to 2 H 1 , is applied to an amplifier and rectifier 52 which, for an output voltage proportional to 2 H. cares. This output signal is

809 531/14809 531/14

dann durch ein Bewertungsnetzwerk 53 mit einem konstanten Faktorthen through an evaluation network 53 with a constant factor

bewertet, um ein Signal proportional dem Nennerterm von Gleichung (10) zu schaffen. Die Ausgänge von der Verstärker- und Gleichrichterschaltung 51 und dem Bewertungsnetzwerk 53 werden einer Ratio - oder Verhältnisschaltung 54 zugeführt, die ein der Konduktivität oder elektrischen Leitfähigkeit n gemäß Gleichung (lO)proportionalesAusgangssignalzur Erdoberfläche gibt. Wenn gewünscht, kann statt der Reihenschaltung der bewerteten Spulen R97R10UiId Rn diese Bewertung elektronisch erreicht werden durch ein Bewertungsnetzwerk. Wenn die Antennen Elektroden sind, kann die Bewertung auch erreicht werden mit geeigneten elektronischen Netzwerken.weighted to create a signal proportional to the denominator term of equation (10). The outputs from the amplifier and rectifier circuit 51 and the evaluation network 53 are fed to a ratio circuit 54 which gives an output signal to the earth's surface proportional to the conductivity or electrical conductivity n according to equation (10). If desired, instead of connecting the evaluated coils R 97 R 10 UiId R n in series, this evaluation can be achieved electronically by an evaluation network. If the antennas are electrodes, the assessment can also be achieved with suitable electronic networks.

Wie somit zu erkennen ist, lehrt die vorliegende Erfindung eine gegenüber dem bekannten Stand der Technik vollständig unterschiedliche Technik für die Untersuchung von Erdformationen. Während die vorliegende Erfindung elektromagnetische Energie für die Untersuchung unterirdischer Erdformationen verwendet, ist sie vollständig verschieden von den früheren statischen oder quasi statischen elektromagnetischen Untersuchungstechniken, und zwar insofern, als die Arbeitsfrequenz erhöht wird bis zu einem Punkt, wo die statische und quasi statische Feldtheorie nach den vorbekannten Induktionslog- und Elck-Irodenlog-Untersuchungssystemen sich nicht langer anwenden läßt. Stattdessen ist die Wellenlänge und -> die Skin-Tiefe der Frequenz bis zu einem Punkt verringert, wo die dynamische Feld theoriezur Anwendung kommt und sich die elektromagnetische Welle durch die Formationen fortpflanzt. Dann kann durch Messung einer oder beider Fortpflanzungskonstanten,As can thus be seen, the present invention teaches one over the known prior art Technique completely different technique for studying earth formations. While the Present invention electromagnetic energy for the study of underground earth formations used, it is completely different from the earlier static or quasi-static electromagnetic Examination techniques, insofar as the working frequency is increased up to one Point where the static and quasi-static field theory according to the previously known induction log and Elck-Irodenlog investigation systems can no longer be used. Instead, the wavelength is and -> the skin depth of the frequency decreases up to a point, where dynamic field theory is applied and the electromagnetic wave passes through the formations propagated. Then by measuring one or both propagation constants,

ίο d. h. der Dämpfungskonstante oder der Phasenkonstante, die Skin-Tiefe und somit die Konduktivität oderelcktrische Leitfähigkeit der benachbarten Formationen bestimmt werden.ίο d. H. the attenuation constant or the phase constant, the skin depth and thus the conductivity or electrical conductivity of the neighboring formations to be determined.

Durch passende Wahl der Konstanten des Unter-By suitable choice of the constants of the sub-

ir> suchungssystems, d.h. der Antennen-Spacings- oder -abstände und der Frequenz, können gewünschte radiale und vertikale Lösungen verwirklicht werden, die die Untersuchung jeder interessierenden Formationszone gestatten. In den obigen Beispielen ist ebenso gezeigt, wie die geeigneten Spacings oder Abstände und die Frequenz für die Untersuchung der Invasionszone und der invasionsfreien Zone auszuwählen sind. Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung kann selbstverständlich jegliche andere Zone oder Kombi-i r> suchungssystems, ie the antenna Spacings- or spacings and the frequency can desired radial and vertical solutions can be realized, which permit the examination of each interest formation zone. The above examples also show how to select the appropriate spacings or distances and the frequency for the investigation of the invasion zone and the invasion-free zone. According to the teaching of the present invention, of course, any other zone or combination

>·> nation von interessierenden Zonen durch geeignete Auswahl der Spacings und der Frequenz in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung untersucht werden.> ·> Nation of zones of interest through suitable Selection of spacings and frequency in accordance with the teachings of the present invention to be examined.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Geophysikalische Bohrlochmeßeinrichtung zum Untersuchen bohrlochdurchteufter Erdformationen mit einer durch das Bohrloch bewegbaren Sonde, die eine Sendeantenne und wenigstens zwei voneinander im Abstand liegende Empfangsantennen mit nachgeschalteten Meß- und Auswerteeinrichtungen aufweist, und mit einer Generatoreinrichtung zum Speisen der Sendeantenne mit hochfrequenter elektromagnetischer Energie, die in die umgebenden Erdformationen abgestrahlt wird, wobei eine Frequenz gewählt ist, bei der sich die Strahlungsenergie zumindest in der Invasionszone ausbreitet, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:1. Geophysical logging equipment for examining earth formations that have been drilled through a borehole with a probe movable through the borehole, the one transmitting antenna and at least two Receiving antennas at a distance from one another with downstream measuring and evaluation devices having, and with a generator device for feeding the transmitting antenna with high-frequency electromagnetic energy, which is radiated into the surrounding earth formations, a frequency being selected at which the radiation energy propagates at least in the invasion zone, characterized by the following features: a) der Abstand (L(r) zwischen Sendeantenne (T) und dem Mittelpunkt des Abstandes (. 1 /) zwischen den Empfangsantennen (R 4, R5) beträgt mindestens das ^fache des Bohrlochdurchmessers und ist mindestens halb so groß wie die maximale »Skin-Tiefe« der Invasionszone;a) the distance (L (r ) between the transmitting antenna (T) and the center of the distance (. 1 /) between the receiving antennas (R 4, R5) is at least ^ times the borehole diameter and is at least half as large as the maximum » Skin depth «of the invasion zone; b) der Abstand (AL) zwischen den Empfangsantennen (R4, RS) ist geringer als das 3fache der minimalen »Skin-Tiefe«;b) the distance (AL) between the receiving antennas (R 4, RS) is less than 3 times the minimum "skin depth"; c) die Meß- und Auswerteeinrichtungen (25 bis 26,51 bis 54) sind solche, die für das Bestimmen von Phasen- und/oder Amplitudengradienten an sich bekannt sind.c) the measuring and evaluation devices (25 to 26, 51 to 54) are those for determining of phase and / or amplitude gradients are known per se. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Schaltkreise zum Erregen der Sendeantenne (T) mit variabler Frequenz, durch an die Empfangsantenne (R) angeschlossene Schaltkreise zur Messung mindestens eines Faktors der Ausbreitungskonstanten mindestens eines Teils der das Bohrloch (19) umgebenden Erdformation (21) zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals (38 a), durch auf dieses Ausgangssignal ansprechende Schaltkreise (38) zur Erzeugung eines Regelsignals zum Nachregeln der variablen Frequenz derart, daß der gemessene Ausbreitungskonstantenfaktor auf einem gewünschten Wert gehalten wird, und durch auf das Regelsignal ansprechend ausgebildete Schaltkreise (29) zum Erzeugen eines entsprechenden Meßwertes für die Leitfähigkeit der das Bohrloch umgebenden Erdformation. 2. Device according to claim 1, characterized by circuits for exciting the transmitting antenna (T) with variable frequency, by circuits connected to the receiving antenna (R) for measuring at least one factor of the propagation constant of at least part of the earth formation (21) surrounding the borehole (19) ) for generating a corresponding output signal (38 a), by circuits (38) responding to this output signal for generating a control signal for readjusting the variable frequency in such a way that the measured propagation constant factor is kept at a desired value, and by circuits designed to respond to the control signal (29) for generating a corresponding measurement value for the conductivity of the earth formation surrounding the borehole.
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