DE2547801A1

DE2547801A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der eigenschaften von erdformationen im bereich eines bohrlochs durch hochfrequenz-dielektrizitaets-induktions-bohrlochmessung

Info

Publication number: DE2547801A1
Application number: DE19752547801
Authority: DE
Inventors: Philip France Mckinlay; Richard Allen Meador
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1974-12-09
Filing date: 1975-10-25
Publication date: 1976-06-16
Also published as: DE2547801C3; NL7514060A; CA1053755A; DK555275A; AR222622A1; BR7508065A; FR2294457A1; NO754053L; DE2547801B2; AU8653275A; GB1508487A; US4009434A; IT1049986B

Description

Patentassessor Hamburg, den 16.10.1975

JDr. Gerhard Schupf ner) ς/τοηι 770/ik

Deutsche Texaco AG ^iJS/oul

2000 Hamburg 13

Mittelweg 180 0? 75 066 D (D 73,809)

LCO DE^-VELOHIENt CORPORATION 135 East 42nd Street New York, N.X. 10017 U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften von Erdformationen im Bereich eines Bohrlochs durch Hochfrequenz-Dielektri- -zitäts-Induktions-Bohrlochmessung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften der ein Bohrloch umgebenden Erdmaterialien, insbesondere betrifft die Erfindung eine Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Induktions-Bohrlochvermessung, bei der innerhalb der Iformation der spezifische Widerstand, die Dielektrizitätskonstante, die WasserSättigung und die Restölsättigung durch die im Bohrloch ausgeführten Insitu-Meεsungen bestimmt werden können.

über viele Jahre war es übliche Praxis, die elektrischen Eigenschaften der Erdformationen im Bereich eines Bohrloches zwecks Bestimmung der örtlichkeit einer ölführenden Formation zu messen. Ermöglicht wurde diese Messung durch die Verwendung eines elektrischen Widerstandsmessgerätes in Bohrungen mit einer hochleitfähigen Bohrloch-Flüssigkeit

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OWGtNAL INSPECT» . -

und durch die Verwendung eines Induktions-Meßgerätes in Bohrungen, die unter Verwendung einer öTbasischen Bohrschlämme oder eines Bohrfluids, das einen höheren spezifischen Widerstand aufweist, erstellt wurde. Bei herkömmlichen Widerstands-Meßsonden, ist eine einen Strom emittierende Elektrode (oder eine Elektrodenanordnung) zur Fokuszierung des emittierenden Stromes angeordnet, die zur Emittierung entweder eines Gleichstromes oder eines niedrigfrequenten (wie z.B. 60 Hertz) Wechselstromes in die das Bohrloch umgebenden Erdformationen über Eontaktelektroden "benutzt werden. Diese Ströme durchdringen einen Teil der Erdformationen und werden von einer Stromelektrode, die in einer gewissen Entfernung von der emittierenden Elektrode angeordnet ist, ermittelt. Die Größe der ermittelten Ströme kann dann zur Ermittlung des spezifischen Widerstandes der das Bohrloch umgebenden Erdformation benutzt werden. In einigen Fällen wurden Stromelektroden zusammen mit Potential-Meßelektroden zwecks Bestimmung des spezifischen Widerstandes in der Formation verwendet.

Eine elektrische Induktions-Bohrlochvermessung wurde in der Vergangenheit mittels einer Sonde durchgeführt, die eine Geberspule (oder eine Anordnung solcher Spulen) und in einiger Entfernung davon eine Empfängerspule (oder eine Anordnung von Empfängerspulen) aufwies. Normalerweise wurde dabei ein hochfrequenter Wechselstrom durch die Geberspule geleitet (etwa 20 kHz). Das daraus resultierende elektrische Feld innerhalb der Erdformationen wurde von der etwas entfernt angeordneten Empfangerspule ermittelt, indem der

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induzierte Strom oder die Spannung in der Empfängerspule gemessen wurde.

Me Gebrauchsfähigkeit der beiden vorbeschriebenen Bohrloch-Meßsysteme resultierte aus der Tatsache, daß Erdformationen mit einem Porenraum, der mit einem Kohlenwasserstoff gefüllt ist, einen höheren spezifischen Widerstand aufweist als Erdformationen, deren Porenraum entweder mit Salzwasser oder einigen anderen leitenden Fluiden gefüllt ist.

Schwierigkeiten traten in der Interpretation der Messergebnisse auf, wenn die Viderstandmessungen in Frischwasser-Formationen ermittelt wurden (relativ nicht leitend, wenn weniger als 10.000 ppm Natriumchlorid vorhanden sind). Solche Frischwasser aufweisenden Wände oder Erdformationen weisen einen hohen spezifischen Widerstand auf, der ähnlich hoch liegt, wie bei Kohlenwasserstoff führenden Formationen. In diesen Fällen ist es schwierig, wenn nicht gar unmöglich, auf der Basis der elektrischen oder Induktions-Meßdaten allein zu bestimmen, ob es sich bei der Formation um eine Süßwasser führende Formation oder um eine Kohlenwasserstoff führende Formation handelt. Aus diesem Grunde besteht ein großes Bedürfnis nach einem Meßsystem, bei dem anhand von einigen physikalischen Eigenschaften der das Bohrloch umgebenden Erdformationen unterschieden werden kann, ob es sich bei der Formation um eine Frischwasser oder um eine Kohlenwasserstoff gefüllte Erdformation handelt.

Ein solches System ist z.B. in der deutschen Patentanmeldung

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P 24 40 676.6 vorgeschlagen worden. Bei diesem System wird mit zwei Frequenzen gearbeitet. Die vorliegende Erfindung verwendet zwar die Meßtechnik der vorgenannten Anmeldung, jedoch werden anstelle der zwei verschiedenen Frequenzen Messungen bei zwei verschiedenen Untersuchungstiefen mit der gleichen Frequenz durchgeführt. Durch geeignete Zusammenfügung der Porositätsinformationen und der zwei Amplitudenmessungen der beiden unterschiedlichen Untersuchungstiefen gemäß der Erfindung kann die RestölSättigung und die Wasser» Sättigung in den Erdformationen bestimmt werden.

Das Bohrloch-Untersuchungssystem der vorliegenden Erfindung weist in der untertägig geführten Meßsonde zwei unterschiedlich aufgebaute Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Messeinrichtungen auf. Die eine Hochfrequenz-Meßeinrichtung beinhaltet eine 30 MHz-Geber einrichtung zusammen mit einer davon entfernt liegenden Einzel-Empfängerspuleneinrichtung· Die zweite Hochfrequenz-Meßeinrichtung beinhaltet eine fokuszierte 30 MHz-Dualspulenempfängereinrichtung und verwendet die gleiche Gebereinrichtung. Bei dieser Hochfrequenz, die die in der Formation durch die Geberspule induzierten hochfrequenten Wechselströme beeinflusst, beinhalten die physikalischen Eigenschaften der das Bohrloch umgebenden Erdformationen die dielektrische Konstante (oder Stoffkonstante) der Erdformationen zusammen mit der Leitfähigkeit (oder dem spezifischen Widerstand) der im Bohrlochbereich befindlichen Erdformationen. Durch Messung der Amplitude des empfangenen Signals von jeder der beiden unterschiedlichen Empfängerausbildungen, kann sowohl die dielektrische Stoff-

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konstante und der spezifische Widerstand der im Bohrlochbereich befindlichen Erdformationen bestimmt werden. Zur Durchführung dieser Amplitudenmessungen bei hohen Frequenzen ist eine neuartige Apparatur zusammen mit Einrichtungen zur Interpretation der Amplitudenmessungen für die zwei unterschiedlichen Untersuchungstiefen zwecks Ableitung der dielektrischen Stoffkonstante und des spezifischen Widerstandes der Erformationen geschaffen worden. Werden diese Werte mit den Porositätsinformationen kombiniert, kann die JRestölsättigung und Wassersättigung bestimmt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1

ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung Fig. 2 eine theoretische Ableitung in Koordinatendarstellung der Amplituden der zwei Empfängerausbildungen gemäß S¹Ig. 1 für die spezifischen Widerstandstmd dielektrischen Stoffkonstantenwerte.

Fig. 3a "und 3b graphische Darstellungen, die Porosität und Wassersättigung und Porosität und Eestölsättigung darstellende Zeichnungen, die funktional bezogen sind auf die dielektrische Leitfähigkeit der Matrix des Erdformationsmaterials.

Fig. 4 eine theoretisch abgeleitete Darstellung der Amplitudenvariationen einer 64 MHz Hochfrequenz-Induktions-Meßsonde für verschiedene Bohrlochdurchmesser in einem Bereich von O - 0,35 πι und

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Fig. 5 eine theoretisch abgeleitete Darstellung der Amplitudenveränderung einer 1JO MHz-Hochfrequenz-Induktions-Meßsonde für Bohrlochdurchmesser in einem Bereich von 0,0 - 0,4 m.

Kohlenwasserstoffe v/eisen eine charakteristische niedrige Dielektrizitätskonstante £ auf, die kleiner 13t als 5· Zum anderen weist Frischwasser eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante £ von ungefähr 80 auf. Die absolute Dielektrizitätskonstante eines Materials £ ist als natürliche elektrische Polarisation dieses Materials definiert. In der nachfolgenden Beschreibung werden die Ausdrücke dielektrische Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante £ synonym benutzt. Diese Größen weisen einen Bezug zur absoluten Dielektrizitätskonstanten des freien Raumes £" gemäß der folgenden Gleichung auf:

In dieser Gleichung ist £ mit 8,854 Picofarad pro Meter angegeben.

Ausgehend von der elektromagnetischen Feldtheorie und speziell der Theorie eines punktförmigen schwingenden magnetischen Dipols, kann das Verhalten des Hochfrequenzfeldes im Bereich eines zylindrischen Bohrloches gemäß der nachfolgenden Gleichung 2 (Helmholtz-Gleichung mit den Zylinder-Koordinaten fi , φ und z) dargestellt werden.

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♦ Κ

IL

(2)

In dieser Gleichung bedeutet ΤΓ' ^^m' der Hertz'sehe Magnetikvector; I die Größe des Stromes; ό
Die in Gle'ichurs2 dargestellte Größe K ist die Kreiswellenzahl, die durch die Gleichung 3 explizit lautet:

In Gleichung 2 sind die Ausdrücke o^und or \ einzelne Impulsfunktionen des Dirac-Typs. CLP ist gleich 2 7Tf₁ wobei f die Schwingungsfrequenz des punktförmigen magnetischen Dipols und £ die dielektrische Stoff konstante des Mediums ist. Mit /*- ist die magnetische Dielektriztätskonstante des den magnetischen Dipol umgebenden Materials bezeichnet und mit GT die elektrische Leitfähigkeit des Mediums·

Es ist aus den Gleichungen 2 und 3 ersichtlich, daß drei physikalische Konstante mit dem den punktfömigen magnetischen Dipol umgebenden Material in Betracht zu ziehen sind. Diese drei Konstante· sind die relative magnetische Permeabilität

Ll , die dielektrische Stoffkonstante £ und die elektrische Leitfähigkeit G^- 3¹Ur die meisten Erdformationen kann die relative magnetische Permeabilität 1/., bei den vorliegenden !Frequenzen (10 - 60 MHz) als Konstante angenommen werden. Variationen dieses Wertes fallen bei den Erdmaterialien in einem Bereich von 0,001 - 0,1 %. Somit verbleiben als interessierende Werte nur noch $ und

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Diese "beiden physikalischen Eigenschaften weisen einen direkten Einfluß auf jeglichen hochfrequenten Wechselstrom innerhalb der Medien auf. Beide dieser physikalischen Eigenschaften des Mediums haben eine Einwirkung auf die Größe und die Phase bezüglich der von der Geberspule induzierten oder den Wirbelströmen innerhalb der Formation im Bereich des Bohrloches.

Unter der Annahme, daß es sich um eine punktförmige magnetische Quelle handelt, die in einem zylindrischen Bohrloch angeordnet ist und unter Bezug auf die Helmholtz-Gleichung kann das Gesamtfeld als Feld der Quelle definiert werden, das von der Empfängerspule in jeglichem Medium ermittelt wird. Das Gesamtfeld kann in ein Primärfeld und in ein Sekundärfeld unterteilt werden. Das Primärfeld ist definiert als Feld einer Quelle, das von einer Empfängerspule in einem Vergleichsmedium (wie z.B. Vakuum oder Luft) ermittelt wurde. Das Sekundärfeld ist definiert als Feld, das bei vectorieller Addierung zum Primärfeld das Gesamtfeld ergibt. Das Primärfeld hat eine Amplitude und eine Phase, die gleich der Amplitude und Phase des Gesamtfeldes in einem Vergleichsmedium ist. Wird die Quelle in einem Medium plaziert, das sich vom Vergleichsmedium unterscheidet, addiert sich das Sekundärfeld zum Primärfeld und erzeugt somit das Gesamtfeld innerhalb des neuen Mediums. Das Primärfeld dient als Amplituden- und Phasenvergleich, für die Bestimmung des Sekundärfeldes. Die in dem schwingenden punktförmigen magnetischen Dipol

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umgebenden Medium fliessenden Ströme werden als Wirbelströme bezeichnet. Die Wirbelströme erzeugen Sekundärfeidez*, die im Falle eines hochleitfähigen Mediums dem Primäroder Vergleichsfeld entgegenwirken. Erreicht jedoch der Wert von Gj>x £ (die Kreisfrequenz multipliziert mit der dielektrischen Stoffkonstante) die Größe des Wertes (der elektrischen Leitfähigkeit),werden die Wirbelströme phasenverschoben und können tatsächlich im Sekundärfeld auftreten, wodurch eine Vergrößerung des Gesamtfeldes erfolgt. Das ist gewöhnlich der Pail, wenn bei !Frequenzen gearbeitet wird, die z.B. Frequenzen im Bereich von 10 60 MHz aufweisen.

Da Veränderungen der Werte € und G" Änderungen der Wirbelströme bei jeder gegebenen Frequenz bewirken, kann die !Trennung der beiden Einwirkungen nicht durch Messungen einer einzelnen Spannungsamplitude des Feldes erfolgen. Jedoch kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die Messung der Amplitude des Gesamtfeldes bei zwei verschiedenen effektiven radialen üntersuchungstiefen durch unterschiedliche Empfängergpulenausbildungen im Hinblick auf eine simultane Bestimmung des spezifischen Widerstandes und der Dielektrizitätskonstante der Formation zusammengefasst werden. Wenn zusätzlich die Porosität der Formation bekannt ist, kann die Eestölsättigung und die Wassersättigung ebenfalls ermittelt werden. Andere Techniken, die ebenfalls Verwendung finden könnten, sollen im Eahmen dieser Anmeldung nicht detaillierter diskutiert werden.

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Die Helmholtz-Gleichung (Gleichung 2) gilt in jeder zylindrischen Lage eines geschichteten Mediums, das den punktförmigen magnetischen Dipol im Bohrloch umgibt. Bei Verwendung eines, Computer-Programmes zur Durchführung numerischer Integration der Lösungen von Gleichung 2 in verschiedenen zylindrischen Lagen um den Dipol und bei Anlegen von Randbedingungen an der Grenzfläche dieser Regionen und an der Quelle, kann das um eine Distanz ζ entlang der Bohrlochachse vom magnetischen Dipol versetzte Gesamtfeld an der Empfängerspule oder dergl. abgeleitet werden.

Durch Untersuchungen der zahlenmäßigen Lösung der Heimholtz-Gleichung (Gleichung 2) in Bohrlöchern unterschiedlicher Durchmesser, können graphische Darstellungen der Peldamplitude an der Empfänger spule als Punktion des Bohrlochdurchmessers für verschiedene Bohrlochgrößen gemacht werden. Eine solche graphische Darstellung ist in Pig. 4 für eine 64 MHz-Einzelgeberspule und Empfänger syst em dargestellt und für ein 32 MHz-Dual-Geberspulen- und Einzelspulen-Empfängersystem. Ss ist jedoch feststellbar, daß aufgrund der Reziprozität innerhalb dieser Systeme das Resultat das gleiche ist, wie für eine Dual-Empfängerspulen- und Einzelgeberspulenanordnung. Aus PIg. 4 ist ersichtlich, ,daß bei einer 64 MHz-Prequenz ein normaler Resonanz effekt bei einem Bohrlochradius von etwa 254 mm auftritt. Ausserdem ist ersichtlich, daß die 32 MHz-Geberspule-Amplitudenfrequenz nicht diesen Resonanz effekt bei angemessenen großen Bohrlöchern zeigt. Aus dieser Tatsache heraus resultiert die vorteilhafte Auswahl einer Arbeitsfrequenz von 30 MHz

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für die vorliegende Erfindung.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der normalisierten Gesamtfeldamplitude an der Empfängerspule auf der z-Achse des Bohrloches als Punktion des Bohrlochhalbmessers für eine Arbeitsfrequenz von 13O MHz. In diesem 2PaIl zeigt sich der Resonanz-Effekt bei einem Bohrlochhalbmesser von etwa 100 mm und nochmals bei einem Bohrlochhalbmesser von etwa 250 mm . Sollte also versucht werden, die Dielektrizitäts- und Leitfähigkeitseigenschaften der das Bohrloch umgebenden Materialien bei !Frequenzen in einer Höhe von 64 MHz zu messen, ist es aus der graphischen Darstellung der Fig. 4 und 5 ersichtlich, daß einige Korrekturen für die Resonanzeffekte notig sind. Zum anderen soll darin erinnert werden, daß zum Zweck der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und der Stoffkonstanten (oder der dielektrischen Konstanten) der das Bohrloch umgebenden Materialien Messungen der Amplitude des empfangenen Signals bei mindestens zwei verschiedenen effektiven Untersuchungstiefen durchgeführt werden müssen, um eine Interpretation der resultierenden Amplitudenmessungen in Werten der dielektrischen Konstanten £ und der Leitfähigkeit Gder das Bohrloch umgebenden Materialien durchführen zu können. Um Resonanzeffekte zu vermeiden, wie sie in den Fig. 4 und 5 dargestellt sind, werden in der vorliegenden Erfindung Amplitudenmessungen des Gesamtfeldsignals an einer Einzelempfängerspule, die im Bohrloch in einer ersten Entfernung von der Geberspule und an einer dualen Empfängerspule, die in einer zweiten unterschiedlich von der ersten Entfernung zur Geberspule angeordnet ist, bei einer Arbeitsfrequenz von 30 MEz durchgeführt.

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Die unterschiedlichen Entfernungen der zwei Empfänger spul en und der Fokuszierungseffekt des dualen Empfänger spul enp a are s erzeugt zwei unterschiedliche radiale Untersuchungstiefen für die Messungen.

Fig. 1 zeigt ein Induktions-Dielektrizitäts-Bohrlochuntersuchungssystem mit einer dualen Empfängerspulenanordnung. Eine Bohrlochsonde 11, deren Sondenkörper vorzugsweise aus Glasphasermaterial oder einem anderen nicht leitenden Material mit ausreichenden Festigkeitseigenschaften gefertigt ist, hängt an einem Meßkabel 12 in einem unverrohrten Bohrloch 13-Das Bohrloch 13 ist mit einer Bohrlochflüssigkeit 14 gefüllt und von Erdformationen 15 umgehen, deren dielektrische und leitende Eigenschaften gemessen werden sollen.

Der untere Teil der Bohrlochsonde 11 weist ein elektronisches Geberteil 16 auf, und eine dazugehörende Geberspule 17· Die Geberspule 17 ist um einen zentralen Wickeldorn 20 gewickelt, der vorzugsweise aus einem nicht leitenden Material, wie z.B. Fieberglas, gefertigt ist. Die Geberspule wird von einem Batteriesatz 18 beaufschlagt, dessen Leistung über eine Schleifring-Anordnung 23 der Geber anordnung zugeführt wird. Die Geberspule 17 arbeitet bei einer Frequenz von 30 MHz , was nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird. Ein duales Empfängerspulenpaar 18 und 19 sind schraubenförmig--in entgegengesetzter Richtung zueinander um den Wickeldorn 20 gewickelt, um ein umgekehrtes Polaritätspaar zu erzeugen, wobei die Empfängerspulen dergestalt fokuszierend arbeiten, daß sie sensitiv für eine Frequenz von

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30 MHz sind. Eine Einzel-Einpfängerspule 21 ist in axialer Richtung entlang der Achse der Bohrlochmeßsonde 11 entfernt von der Geberspule 17 in einer ungefähren Entfernung von 1.066,8 mm vom Zentrum der JO MHz-Geberspule 17 angeordnet.

Die Empfängerspule 21 ist ungefähr 914·,4- mm vom Mittelpunkt des 30 MHz-Empfängerspulenpaares 18 und 19» deren Zentren voneinander ungefähr 202,2 mm entfernt liegen, angeordnet. Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß auch andere Spulenentfernungen zwischen Geber- und Empfängerspulen möglich sind und im Schutzumfang der Erfindung liegen.

Die radiale Untersuchungstiefe des Bohrloch-Meßsystems ist vom Abstand zwischen Geber- und Empfängerspulen beeinflußt. Allgemein kann man sagen, ge größer der Abstand zwischen der Geber- und der Empfängerspule ist, umso größer ist die radiale Untersuchungstiefe in der Erdformation. Es soll ^jedoch darauf hingewiesen werden, daß es nötig ist, die Geber- und Empfängerspulen dicht genug zusammen anzuordnen, um den Empfang brauchbarer Signalhöhen von Erdformationen unterschiedlicher dielektrischer und leitender Eigenschaften sicherzustellen. Da ein hochleitfähiges Material im Bohrlochbereich die hochfrequenten Signale dämpft, ist es notwendig, eine höhere Energie im Geberteil zu verwenden, wenn die Entfernung zwischen Geber- und Empfängerspulen vergrößert ist.

Eine herkömmliche Windenanordnung (nicht dargestellt) ist an der Erdoberfläche für die Bewegung der Bohrloch-Sonde 11 durch das Bohrloch während der Meßarbeiten vorgesehen.

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Eine Rolle 22, über die das Meßkabel 12 geführt ist, ist elektrisch oder mechanisch mit einer Daten-Aufzeichnungs-Einrichtung 24 verbunden. Die Aufzeichnungs-Einrichtung 24-wird zur Aufnahme der Signale aus der untertägig geführten Meßsonde 11 verwendet, wobei als Funktion der Tiefe des Bohrloches 13 aufgezeichnet werden. Die für die Meßarbeiten der in der Bohrlochsonde 11 angeordneten Empfänger-Elektronik 36 benotigten Energie wird über Leitungen im Meßkabel 12 von einer übertägig angeordneten Energie-Quelle 28 zugeführt. Die von der Empfänger-Elektronik 36 ermittelten elektrischen Meßsignale der Meßsonde 11 werden von einem Eingangsverstärker 29 verstärkt und einer Signal -Verarbeitungs-Einrichtung, die nachfolgend näher beschrieben wird, zugeleitet.

Die Empfänger-Ausgangssignale der untertagigen Elektronik können normalerweise als zwei Amplitudenmessungen aufweisende Signale betrachtet werden, die über Leiter des Meßkabels 12 übermittelt und an der Erdoberfläche durch Frequenzdiskrimination getrennt werden. Dieses Ausgangssignal beinhaltet die Amplitudeninformation von dem einen 30 MHz-Empfänger, das über das Meßkabel 12 mit einer ersten Zwischenfrequenz f und die Amplitudeninformation des zwei-

ten unterschiedlich weit entfernten Empfängers, die ebenfalls über das Meßkabel 12 mit einer zweiten Zwischenfrequenz f~ nach Übertage gesandt wird.

Dieses duale Zwischenfrequenz-Eingangssignal vom Meßkabel 12 wird von einem Eingangsverstärker 29 verstärkt und da-

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nach, einem Signal-Trennschaltkreis 30 übermittelt. Der
Signal-Trennschaltkreis 30 kann FiIt ere inrichtungen für
relativ hohe Frequenzen aufweisen, z.B. Einrichtung, die
das Signal in zwei Zwischenfrequenzkomponenten f,- und fp
teilen. Das Signal mit der Frequenz f^, wird einem Einzelspulen-Amplitudendetektorschaltkreis 31 zugeführt. Ein
Dualspulen-Amplitdendetektor-Schaltkreis 32 ermittelt die Amplitudeninformation bei der Zwischenfrequenz f^. Diese
beiden Amplitudensignale werden als Eingangssignale einem Rechner 25 zugeführt, der aus diesen Informationen die Wassersättigung und die Restölsättigung errechnet, und dessen Funktion nachfolgend noch näher beschrieben wird. Die untertägig geführte Elektronik 36 der Meßsonde 11 und das Datenübermittlungssystem inclusive des Signal-Trennschaltkreises 30 und der Amplituden-Detektoren 31 und 32 sind in der
eingangs genannten Patentanmeldung näher beschrieben.

Das für die Erfindung verwendete armierte Kabel beinhaltet ein Triaxialkabel, das (von aussen nach innen betrachtet) eine äussere armierende Abschirmung, eine Isolationslage, eine Koaxialabschirmungslage, eine zweite Isolationslage
und einen zentralen Leiter aufweist. Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß für den vorhandenen Zweck auch andere bekannte Meßkabel, wie z.B. Vielleiter-Meßkabel verwendet werden können.

Fig. 2 zeigt eine theoretisch abgeleitete Darstellung
eines Meßergebnisses eines erfindungsg emäßen Bohrlochmeßsystems, das in einem homogenen Medium untergebracht ist,

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in graphischer Form. Die normalisierten Feldamplituden der empfangenen Signale am Doppelspulenempfänger des JO MHz-Empfängers sind auf der Abszisse aufgetragen, während die Ordinaten-Eintragungen die normalisierte Feldamplitude des 30 MHz-Einzelspulenempfängersignal beinhalten. Unter Normalisierung ist gemeint, daß die empfangenen Signale gegenüber ihrem entsprechend Messwert in Luft normalisiert sind. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt das, daß die Amplitude des empfangenen Signals bei einer Frequenz von 30 MHz am Dualspulenempfänger in Luft geteilt ist durch das empfangene Gesamtbild am Doppelspulenempfanger in der Formation gemäß dem empfangenen 30 MHz-Signal. Auf gleiche Art und Weise ist das empfangene 30 MHz-Signal an dem Einzelspulenempfänger geteilt durch die Amplitude des 30 MHz-Einzelspulensignals, das in Luft empfangen wurde.

Aus Fig. 2 geht weiterhin hervor, daß die Kurven eine Funktion sowohl der Leitfähigkeit als auch der Dielektrizitäts-Eigenschaften eines homogenen Mediums, in welchem die Meßsonde zum Zwecke der Ermittlung einer graphischen Darstellung eingebettet wurde, darstellen.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß durch Erstellung normalisierter Gesamtfeldamplitudenmessungen mit zwei unterschiedlichen Empfängern, wie sie aus Fig·- 1 zu ersehen sind, und unter Bezug einer Koordinatendarstellung theoretisch abgeleiteter Werte für diese Amplituden gemäß Fig. 2, ein eindeutiger Wert für die Leitfähigkeit und dieDielektrizitätskonstante des das Bohrloch umgebenden Materials abgeleitet werden kann.

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Diese Zusammenfügung "bzw. Kombination der zwei Amplituden-Messungen wird in dem Rechner 25 (Fig. 1) durchgeführt. Der Rechner 25 kann von herkömmlicher Ausbildung, wie er für diese Zwecke benutzt wird, sein.

Die graphischen Darstellungen gemäß Pig. 2, 3A und 3B können in Tabellenform im Speicher eines solchen Rechners 25 untergebracht werden. Diese Darstellungen können dann zur Ableitung des spezifischen Widerstandes und der Dielektrizitätskonstante der das Bohrloch umgebenden Erdforraationen unmittelbar aus den beiden Amplitudenmessungen des empfangenen normalisierten Gesamtfeldes der zwei Empfänger abgeleitet werden. Die Ableitung dieser Werte erfolgt zweckmäßigerweise in dem fertig programmierten Rechner 25, der die Rechnungen durchführt, wenn er mit den Informationen, wie z.B. dem Bohrlochdurchmesser den Dielektrizitätseigenschaften des Bohrfluids, die vorher bekannt sind, gespeichert wurde. Herkömmliche Interpolation und Kurvenverarbeitungstechniken, wie z.B. die Technik der kleinsten Quadrate, kann für diesen Zweck Verwendung finden. Die Programmierung solcher Techniken wird gewohniicherweise in einer Computersprache, wie z.B. Fortran, durchgeführt. Alternativ dazu, kann das Bohrlochmeßsystem der 3?ig. 1-3 in Versuchsbohrlöchern mit Formationen bekannter Eigenschaften, geeicht werden. Die daraus resultierenden Eichkurven (ähnlich denen in Fig. 2,3A und 3B) können dann in ähnlicher Weise im Rechner 25 benutzt werden.

Es ist äusserst erwünschenswert, in der Lage zu sein, quantitative Aussagen bezüglich der Wassersättigung Sw und der RestölSättigung RCS.der das Bohrloch umgebenden Erdfonnationen

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zu erhalten. Die graphische Darstellung in Fig. JA zeigt die Dielektrizitätskonstante"der Formation aufgezeichnet als Funktion der Porosität verschiedener Wassersättigungen in Sandsteinen und Kalksteinen. Ist die Porosität einer Erdformation bekannt, z.B. aus einer vorher durchgeführten Neutronen-Gammastrahlen- oder einer Schall-Messung, kann, diese Information im Speicher 26 in Fig. 1 untergebracht werden. Der Speicher 26 kann z.B. ein Magnetband aufweisen, das mit dem Rechner 25 in Verbindung steht. Wurden die beiden Amplitudenmessungen wie vorgeschrieben, beschrieben, zusammengefügt, um die Dielektrizitätskonstante der Formation zu erhalten, kann die Beziehung gemäß Fig. 3A zusammen mit einer Porositätsinformation aus dem Speicher 26 benutzt werden, um die Wassersättigung S der Formation als Funktion der Tiefe zu erhalten.

Gleichermaßen ist in Fig. 3B die Dielektrizitätskonstante von Sandsteinformationen für eine Reihe unterschiedlicher Restölsättigungen dargestellt. Mit der über die Amplitudenmessungen im Rechner 25 erhaltene relative Dielektrizitätskonstante ist die Beziehung gemäß Fig. 3B zusammen mit der Porositätsinformation aus dem Speicher 26 zum Zwecke des Erhaltes einer quantitativen Aussage der Restölsättigung zu verwenden. Eine ähnliche graphische Beziehung gemäß Fig. 3B ist für Kalksteinformationen erhältlich.

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Claims

Patentansprüche

Π) /Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Erdformationen im Bereich eines Bohrloches durch Hochf requenz-Dielektrizitäts-Induktions-Bohrlochvermessung , dadurch gekennzeichnet, daß im Bohrloch ein hochfrequentes Elektromagnetfeld in einem Frequenzbereich von 10 - 60 MHz erzeugt wird, das die Gesamtfeldamplitude des bei dieser Frequenz erzeugten elektromagnetischen Feldes im Bohrloch bei einer ersten räumlichen Entfernung ermittelt wird, daß ein erstes Signal als Anzeige einer Funktion der Leitfähigkeit und der dielektrischen Konstante der Erdformation einer ersten effektiven Untersuchungstiefe innerhalb der Erdformationen abgeleitet wird, daß in einer zweiten räumlichen Entfernung innerhalb des Bohrloches die Gesamtfeldamplitude ermittelt wird, daß ein zweites Signal als Anzeige einer Funktion der Erdformations-Leitfähigkeit und der Dielektrizitätskonstante bei einer zweiten effektiven Untersuchungstiefe bei der gleichen Hochfrequenz, wie sie zur Ableitung des ersten Signals verwendet wurde, abgeleitet wird, und daß zur Ableitung einer Anzeige der Leitfähigkeit und der Dielektrizitätskonstanten der Erdformation die Gesamtfeldamplitudenmessungen gemäß einer vorbestimmten Beziehung verknüpft werden.

S 0 9 8 2 b / 0 6 3 8 °™^GlNAL
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn~ zeichnet , daß die Porosität der Erdformationen im Bereich des Bohrloches bestimmt und eine Anzeige der Porosität abgeleitet wird und daß die Porositätsbestimmung und die Dielektrizitätsanzeige gemäß einer ersten vorbestimmten Beziehung zur Ableitung einer Anzeige der Wassersättigung S_w der Erdformationen und/oder nach einer zweiten vorbestimmten Beziehung eine Anzeige der Restölsättigung (ROS) der Erdformationen zusammengesetzt werden.
3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Verfahrensschritte in sich wiederholender Weise in einer Anzahl von Teufenlagen des Bohrloches durchgeführt und die Leitfähigkeits-, Dielektrizitätskonstante-, Wassersättigungs- und Restölsättigungs-Anzeige als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet werden.
4) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Gesamtfeldamplitude des elektromagnetischen Feldes bei der ersten räumlichen Distanz eine fokuszierende Dualspulen-Ermittlungseinrichtung verwendet wird.
5) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet , daß zur Ermittlung der Gesamtfeldamplitude des elektromagnetischen Feldes bei

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der zweiten räumlichen Distanz eine Einzelspulen-Ermittlungseinrichtung verwendet wird.
6) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein ein geeichtes funktionales tfoertragungsverhältnis zwischen der Einzelspulen- und Dualspulen-Empfängereinrichtung aufweisendes vorbestimmtes Verhältnis zur Ableitung der Leitfähigkeits- und Dielektrizitäts-Anzeige verwendet wird.
7) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Induktions-Bohrloch-Meßsonde(11) einen Wickeldorn (20) für die Aufnahme einer Hochfrequenz-Geberspule (I7)und in unterschiedlichen Entfernungen davon je eine auf die gewählte Hochfrequenz ansprechende Dual-Empfängerspulen-Einrichtung (18, 19) und eine Einzel-Empfängerspulen-Einrichtung (21) aufweist, daß Einrichtungen zur Ermittlung der hochfrequenten Feldamplituden vorgesehen sind und über ein Meßkabel (12) in schaltungstechnischer Wirkverbindung mit einer übertägig angeordneten Signal-Verarbeitungseinrichtung stehen, daß die Signal-Verarbeitungseinrichtung einen Eingangs-Verstärker (29) zur Verstärkung der über das Meßkabel (12) ankommenden Signale aufweist, daß das verstärkte Ausgangssignal an den Eingang eines Signal-Srennschalt-

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kreises(3Q gelegt ist, daß der Signal-Trennschaltkreis einen ersten Ausgang für die Amplitude der Einzel-Empfängerspulensignale und einen zweiten Ausgang für die Amplitude der Dual-Empfängerspulen-Einrichtung aufweist, die jeweils mit einem Amplituden-Detektor(-31 > 32) verbunden sind, daß der Ausgang der Amplituden-Detektoren mit einem Rechner (25) für die Errechnung der Wassersättigungs- und Eesölsättigungs-Werte verbunden ist, daß eine Speicherei η richtung (26) zur Speicherung der Porositäts- und anderer lithologischen Werte mit einem Eingang des Eechners(29 verbunden ist, und daß zur analogen- oder digitalen Aufzeichnung der errechneten Vierte ein Aufzeichnungsgerät 24 mit dem Ausgang des Eechners(25)verbunden ist.

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