DE2547801B2 - Verfahren und Meßanordnung zum Bestimmen der geophysikalischen Eigenschaften von Erdformationen im Bereich eines Bohrlochs - Google Patents

Description

a) daß das Feld im Frequenzbereich von 10 bis 60 MHz erzeugt wird,

b) daß die Feldamplitudensigrale von einer Dual- und einer Einzelspulenanordnung empfangen werden, die dicht an der Geberspule angeordnet sind,

c) die Feldamplitudenmessungen in einer vorbestimmten Beziehung maschinell verknüpft werden zum Anzeigen der Erdformationsleitfähigkeit und Dielektrizitätskonstanten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld der Frequenz von 30 MHz erzeugt wird.

3. Geophysikalische Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, die eine Meßsonde (11) mit einem Wickeldorn (20) aufweist, auf dem eine Geberspule (17) zur Erzeugung des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes und in unterschiedlichen Abständen von der Geberspule (17) übereinander Empfänger angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dual-Empfängerspulenanordnung (18, 19) und eine Einzel-Empfängerspulenanordnung (21) zur Erzeugung des ersten bzw. des zweiten Gesamtfeldamplitudensignals dicht an der Geberspule angeordnet sind, und daß ein übertage angeordneter Rechner (25) vorhanden ist zum Erzeugen von die Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante der Formation darstellenden Signalen aus den beiden Gesamtfeldamplitudensignalen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßanordnung zur Bestimmung der Eigenschaften der ein Bohrloch umgebenden Erdformationen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Meßverfahren mittels Hochfrequenz bei dem innerhalb der Formation der spezifische Widerstand, die Dielektrizitätskonstante, die Wassersättigung und die Restölsättigung durch die im Bohrloch ausgeführten Messungen bestimmt werden können.

Seit vielen Jahren ist es übliche Praxis, die elektrischen Eigenschaften der Erdformationen im Bereich eines Bohrlochs zwecks Bestimmung der örtlichkeit einer ölführenden Formation zu messen. Ermöglicht wird diese Messung durch die Verwendung eines elektrischen Widerstandsmeßgerätes in Bohrungen mit einer hochleitfähigen Bohr-Flüssigkeit und durch die Verwendung eines Induktions-Meßgerätes in Bohrungen, die unter Verwendung von Bohrschlämmen oder Bohrflüssigkeiten auf der Basis von öl mit einem höherem spezifischen Widerstand niedergebracht worden warea Bei herkömmlichen Widerstands-Meßsonden ist eine einen Strom emittierende Elektrode (oder eine Elektrodenanordnung) zur Fokussierung 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 Kontaktelektroden benutzt werden. Diese Ströme durchdringen einen Teil der Erdformationen und werden von einer Elektrode, die in einem Abstand 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 bislang 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 im Abstand davon angeordneten Empfängerspule ermittelt, indem der induzierte Strom oder die Spannung in der Empfängerspule gemessen wurde.

Die Gebrauchsfähigkeit der beiden vorbeschriebenen Bohrloch-Meßsysteme resultiert aus der Tatsache, daß Erdformationen mit einem Porenraum, der mit einem Kohlenwasserstoff gefüllt ist, einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen als Erdformattonen, deren Porenraum entweder mit Salzwasser oder anderen leitenden Flüssigkeit gefüllt ist.

Schwierigkeiten traten bislang in der Interpretation der Meßergebnisse auf, wenn die Widerstandsmessungen in Frischwasser-Formationen ermittelt wurden (relativ nichtleitend, weniger als 10 000 ppm Natriumchlorid). Solche Frischwasser aufweisenden Sande 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 physikalischen Eigenschaften der das Bohrloch umgebenden Erdformationen unterschieden werden kann, ob es sich bei der Formation um eine Frischwasser oder um eine Kohlenwasserstoff enthaltende Erdformation handelt. Gemäß DE-OS 16 23 118 wird von »Elektrodenlog«- sowie von »Induktionslog«-Methoden ausgegangen, und es wird gegenüber diesen bekannten Methoden die Meßfrequenz so gesteigert, daß die sog. Skintiefe <5 so klein wird, daß sie in dieselbe Größenordnung wie der Abstand zwischen zwei Empfängerspulen der Meßsonde gelangt. Diese Skintiefe bestimmt nach den Ausführungen der Offenlegungsschrift sowohl die Amplitudenschwächung der elektromagnetischen Welle als auch die Phasenverschiebung derselben während

ihrer Ausbreitung, und demzufolge wird bei der bekannten Methode die Skintiefe entweder aus der Phasendifferenz zwischen zwei beabstandeten Empfängerspulen oder aus dem Amplitudenverhältnis zwischen den Empfängerspulen bestimmt Aus der Skintiefe wird dann die Leitfähigkeit σ bestimmt

Während DE-OS 16 23 118 über die Arbeitsfrequenz keine Angaben macht, ist der das gleiche Verfahren betreffenden FR-PS 15 27 757 eine Arbeitsfrequenz von 20 MHz zu entnehmen.

Im Ergebnis dient also das bekannte Verfahren lediglich der Ermittlung der spezifischen Leitfähigkeit der untersuchten Erdformation, wobei diese Größe entweder aus der Phasendifferenz oder aus dem Amplitudenverhältnis der an den beiden Empfängerspulen gemessenen Signale ermittelt wird

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Meßverfahren und eine geophysikalische Meßanordnung bereitzustellen, die sowohl eine Information über die Leitfähigkeit der Formation als auch eine Information über die Dielektrizitätskonstante liefern, und somit insbesondere Frischwasser enthaltende Formationen von Kohlenwasserstoffen enthaltenen Formationen zu unterscheiden gestatten. Ein solches Meßverfahren ist zwar bereits aus der deutschen Patentanmeldung P 24 40 676.6 bekannt Bei diesem Verfahren wird aber mit zwei Frequenzen gearbeitet Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens wurde ein einfaches Meßverfahren und eine Meßanordnung angestrebt, die nur mit einer Frequenz arbeiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 und die geophysikalische Meßanordnung nach Patentanspruch 3 gelöst.

Gemäß Patentansprouch 3 wird vorzugsweise ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld der Frequenz von 30 MHz erzeugt

Die geophysikalische Meßanordnung der vorliegenden Erfindung weist in der untertägig geführten Meßsonde zwei unterschiedlich aufgebaute Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Meßeinrichtungen auf. Die eine Hochfrequenz-Meßeinrichtung beinhaltet eine Geberspule zusammen mit einer davon entfernt liegenden Einzel-Empfängerspulenanordnung. Die zweite Hochfrequenz-Meßeinrichtung beinhaltet eine fokussierte Dualspulenempfängereinrichtung und verwendet die gleiche Geberspule. Durch Messung der Amplitude des empfangenen Signals von jeder der beiden unterschiedlichen Empfängerspulenanordnungen, kann sowohl die dielektrische Stoffkonstante 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 Amplitudenmes<;ungen für die zwei unterschiedlichen LJntersuchungstiefen zwecks Ableitung der dielektrischen Stoffkonstante und des spezifisehen Widerstandes der Erdformationen geschaffen worden. Werden diese Werte mit den Porositätsinformationen kombiniert, kann die Restölsättigung und Wassersättigung bestimmt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den

ι ο Zeichnungen dargestellt Es zeigen:

F i g. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig.2 eine theoretische Ableitung in Koordinatendarstellung der Amplituden der zwei Empfängerausbildüngen gemäß Fig. 1 für die spezifischen Widerstandsund dielektrischen Stoffkonstantenwerte.

Fig. 3a und 3b graphische Darstellungen, die Porosität und Wassersättigung und Porosität und Restölsättigung 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 0—0,35 m und

F i g. 5 eine theoretisch abgeleitete Darstellung der Amplitudenveräiiderung einer 130 MHz-Hochfrequenz-Induktions-Meßsonde für Bohrlochdurchmesser in einem Bereich von 0,0—0,4 m.

Kohlenwasserstoffe weisen eine charakteristische iiiedrige Dielektrizitätskonstante e_rauf, die kleiner ist als 5. Zum anderen weist Frischwasser eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante ε_Γ von ungefähr 80 auf. Die absolute Dielektrizätskonstante eines Materials ε ist als natürliche elektrische Polarisation dieses Materials definiert In der nachfolgenden Beschreibung werden die Ausdrücke dielektrische Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante ε_Γ synonym benutzt. Diese Größen weisen einen Bezug zur absoluten Dielektrizitätskonstanten des freien Raumes ε₀ gemäß der folgenden Gleichung auf:

In dieser Gleichung ist ε₀ 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 ρ, Φ und ζ) dargestellt werden.

jO dp X dp ) p²

ΒΦ²

dz²

In dieser Gleichung bedeutet n^^m> der Hertz'sche Magnetikvector; /^m> die Größe des Stromes; j = /--T-

Die in Gleichung 2 dargestellte Größe K ist die Kreiswellenzahl, die durch die Gleichung 3 explizit lautet:

K² = ω²με + j ωμό

In Gleichung 2 sind die Ausdrücke ό(ρ) und ö(_zj einzelne Impulsfunktionen des Dirac-Typs. ω ist gleich In f, wobei fdie Schwingungsfi'equenz des punktförmigen magnetischen Dipols und ε die dielektrische Stoffkonstante des Mediums ist. Mit μ ist die _ -j

_fm) δ(ρ) δ (ζ)
P

magnetische Dielektrizitätskonstante des den magnetischen Dipol umgebenden Materials bezeichnet und mit σ die elektrische Leitfähigkeit des Mediums.

Es ist aus den Gleichungen 2 und 3 ersichtlich, daß drei physikalische Konstante mit dem den punktförmigen magnetischen Dipol umgebenden Material in Betracht zu ziehen sind. Diese drei Konstante sind die relative magnetische Permeabilität μ, die dielektrische Stoffkonstante ε und die elektrische Leitfähigkeit σ. Für die Tieisten Erdformationen kann die relative magnetische Permeabilität μ, 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 ε und σ.

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 Bohrlo- ι ο ches.

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 eine 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 umgebenden Medium fließenden Ströme werden als Wirbelströme bezeichnet Die Wirbelströme erzeugen Sekundärfelder, die im Falle eines hochleitfähigen Mediums dem Primär- oder Vergleichsfeld entgegenwirken. Erreicht jedoch der Wert von ω χ ε (die Kreisfrequenz multipliziert mit der dielektrischen Stoffkonstante) die Größe des Wertes (der elektrischen to Leitfähigkeit), werden die Wirbelströme phasenverschoben und können tatsächlich im Sekundärfeld auftreten, wodurch eine Vergrößerung des Gesamtfeldes erfolgt. Das ist gewöhnlich der Fall, wenn bei Frequenzen gearbeitet wird, die z. B. Frequenzen im Bereich von 10—60 MHz aufweisen.

Da Veränderungen der Werte ε und σ Änderungen der Wirbelströme bei jeder gegebenen Frequenz bewirken, kann die Trennung der beiden Einwirkungen nicht durch Messungen einer einzelnen Spannungsam- so plitude des Feldes erfolgen. Jedoch kann in Obereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die Messung der Amplitude des Gesamtfeldes bei zwei verschiedenen effektiven radialen Untersuchungstiefen durch unterschiedliche Empfängerspulenausbildungen 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 Restölsättigung und die Wassersättigung ebenfalls ermittelt werden. Andere Techniken, die ebenfalls Verwendung finden könnten, sollen im Rahmen dieser Anmeldung nicht detaillierter diskutiert werden.

Die Helmholtz-Gleichung (Gleichung 2) gut 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 Helmholtz-Gleichung (Gleichung 2) in Bohrlöchern unterschiedlicher Durchmesser, können graphische Darstellungen der Feldamplitude an der Empfängerspule als Funktion des Bohrlochdurchmessers für verschiedene Bohrlochgrößen gemacht werden.

Eine solche graphische Darstellung ist in Fig.4 für eine 64 MHz-Einzelgeberspule und Empfängersystem dargestellt und für ein 32 MHz-Duai-Geberspuien- und Einzelspulen-Empfängersystem. Es ist jedoch feststellbar, daß aufgrund der Reziprozität innerhalb dieser Systeme das Resultat das gleiche ist, wie für eine Dual-Empfängerspulen- und Einzelgeberspulenanordnung. Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß bei einer 64 M Hz-Frequenz ein normaler Resonanzeffekt bei einem Bohrlochradius von etwa 254 mm auftritt. Außerdem ist ersichtlich, daß die 32 MHz-Geberspule-Amplitudenfrequenz nicht diesen Resonanzeffekt bei angemessenen großen Bohrlöchern zeigt Aus dieser Tatsache heraus resultiert die vorteilhafte Auswahl einer Arbeitsfrequenz von 30 MHz für die vorliegende Erfindung.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der normalisierten Gesamtfeldamplitude an der Empfängerspule auf der z-Achse des Bohrloches als Funktion des Bohrlochhalbmessers für eine Arbeitsfrequenz von 130 MHz. In diesem Fall 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 nötig 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 ε und der Leitfähigkeit ο der das Bohrloch umgebenden Materialien durchführen zu können. Um Resonanzeffekte zu vermeiden, wie sie in den F i g. 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 MHz dcgführt

Die unterschiedlichen Enfernungen der zwei Empfängerspulen und der Fokuszierungseffekt des dualen Empfängerspulenpaares erzeugt zwei unterschiedfiese radiale Untersuchungstiefen für die Messungen.

Fig. 1 zeigt ein Induktions-Dielektrizitäts-Bohrlochuntersuchungssystem nut 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 umgeben, 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 Materials, wie z. B. Fiberglas, gefertigt ist. Die Geberspule wird von einem Batteriesatz 18 beaufschlagt, dessen Leistung über eine Schleif ring-Anordnung 23 der Geberanordnung zügeführt 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 30 MHz sind. Eine Einzel-Empfängerspule 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 30 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.

Die radiale Untersuchungstiefe des Bohrloch-Meßsystems ist vom Abstand zwischen Geber- und Empfängerspulen beeinflußt. Allgemein kann man sagen, je 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 Geberund Empfängerspulen dicht genug zusammen anzuord- *o nen, 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 so Bohrloch-Sonde 11 durch das Bohrloch während der Meßarbeiten vorgesehen.

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 angenordneten Empfänger-Elektronik 36 benötigten 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-Verarbehungs-Einrichtung, die nachfolgend näher beschrieben wird, zugleitet

Die Empfänger-Ausgangssignale der untertägigen Elektronik 36 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 /| und die Amplitudeninformation des zweiten unterschiedlich weit entfernten Empfängers, die ebenfalls über aas Meßkabel 12 mit einer zweiten Zwischenfrequenz /2 nach Übertage gesandt wird.

Dieses duale Zwischenfrequenz-Eingangssignal vom Meßkabel 12 wird von einem Eingangsverstärker 29 verstärkt und danach einem Signal-Trennschaltkreis 30 übermittelt. Der Signal-Trennschaltkreis 30 kann Filtereinrichtungen für relativ hohe Frequenzen aufweisen, z. B. Einrichtung, die das Signal in zwei Zwischenfrequenzkomponenten f\ und /2 teilen. Das Signal mit der Frequenz f\ wird einem Einzelspulen-Amplitudendetektorschaltkreis 31 zugeführt. Ein Dualspulen-Amplitudendetektor-Schaltkreis 32 ermittelt die Amplitudeninformation bei der Zwischenfrequenz /"2. 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 inklusive des Signal-Trennschaltkreises 30 und der Amplituden-Detektoren 31 und 32 entsprechen einem früheren Vorschlag.

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 Meßkabei, wie z. B. Vielleiter-Meßkabel verwendet werden können.

F i g. 2 zeigt eine theoretisch abgeleitete Darstellung eines Meßergebnisses eines erfindungsgemäßen Bohrlochmeßsystems, das in einem homogenen Medium untergebracht ist, in graphischer Form. Die normalisierten Feldamplituden der empfangenen Signale am Doppelspulenempfänger des 30 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 entsprechenden 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 Doppelspulenempfänger 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 die Dielektrizitätskonstante des das Bohrloch umgebenden Materials abgeleitet werden kann.

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 F i g. 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 Erdformationen 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 gewöhnlicherweise in einer Computersprache, wie z. B. Fortran, durchgeführt. Alternativ dazu, kann das Bohrlochmeßsystem der Fig. 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 ROS der das Bohrloch umgebenden Erdformationen zu erhalten. Die graphische Darstellung in Fig. 3A 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 Neutraonen-Gammastrahlen- oder einer Schall-Messung, kann diese Information im Speicher 26 in F i g. 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_w der Formation als Funktion der Tiefe zu erhalten.

Gleichermaßen ist in F i g. 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 F i g. 3B zusammen mit der Porositätsinformation aus dem Speicher 26 zum Zwecke des Erhaltens einer quantitative Aussage der Restölsättigung zu verwenden. Eine ähnliche graphische Beziehung gemäß F i g. 3B ist für Kalksteinformationen erhältlich.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen der geophysikalischen Eigenschaften von Erdformationen, z. B. Leitfähigkeit, im Bereich eines Bohrlochs, bei dem im Bohrloch ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld im MHz-Bereich von einem mit Spule ausgerüsteten Geber erzeugt und die gesamte Amplitude dieses Feldes, die von den Materialien der Erdformationen beeinflußt wird, in einem vorgegebenen Abstand vom Geber von übereinander angeordneten, mit Spulen ausgestatteten Empfängern ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet,