DE2547834C3

DE2547834C3 - Method for determining the properties of earth formations in the area of a borehole

Info

Publication number: DE2547834C3
Application number: DE2547834A
Authority: DE
Inventors: Percy Terrel Cox; Richard Allen Meador; Larry Wayne Thompson
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1975-10-25
Filing date: 1975-10-25
Publication date: 1980-04-17
Also published as: DE2547834B2; DE2547834A1

Description

Die Ofirulung bezieht sich iiuf ein Verfahren der im Oberbegriff des Paluntanspruchs I genannten Art.The regulation refers to a procedure of the im Preamble of the Palunt claim I mentioned Art.

Es ist bekannt, zur Ermittlung der Lage einer ölführenden Formation die elektrischen Eigenschaften der ein Bohrloch umgebenden Erdformationen zu messen. Dabei werden in Bohrungen mit einer hochleitfähigen Bohrloch-Flüssigkeit elektrische Widerstands-Meßgeräte verwendet, und in Bohrungen mit einer ölbasischen Bohrschlämme oder einen! Bohrfluid, das einen höheren spezifischen Widerstand hat, wird ein Induktions-Meßgerät verwendet. Bei den üblichen Widerstands-Meßsonden ist eine Elektrode vorgesehen, die zur Emittierung entweder eines Gleichstroms oder eines eine sehr niedrige Frequenz, z. B. 60 Hz, aufweisenden Wechselstroms in die das Bohrloch umgebenden Erdformationen über Kontaktelektroden dient 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 Größen der ermittelten Ströme können dann zur Ermittlung des spezifischen Widerstands der das Bohrloch umgebenden Erdformationen genutzt werden.It is known to determine the location of an oil-bearing formation, the electrical properties to measure the earth formations surrounding a borehole. In bores with a highly conductive downhole fluid electrical resistance meters used, and in bores with an oil-based drilling mud or a! Drilling fluid, which has a higher resistivity, an induction meter is used. With the usual Resistance measuring probes, an electrode is provided which is used to emit either a direct current or one has a very low frequency, e.g. B. 60 Hz, having alternating current into the earth formations surrounding the borehole via contact electrodes serves These currents penetrate part of the earth's formations and are generated by a current electrode, which is arranged at a certain distance from the emitting electrode is determined. The sizes of the The currents determined can then be used to determine the specific resistance of the surrounding the borehole Earth formations are used.

Eine elektrische Induktions-Bohrlochvermessung wird mittels einer Sonde durchgeführt, die eine Geberspule und in einigem Abstand davon eine Empfängerspule aufweist. Normalerweise wird dabei ein eine relativ hohe Frequenz von z. B. 20 kHz aufweisender Wechselstrom durch die Geberspule geleitet. Das daraus resultierende elektrische Feld innerhalb der Erdformationen wird von der Empfängerspule ermittelt, indem der induzierte Strom oder die induzierte Spannung in der Empfängerspule gemessen wird.An electrical induction borehole log is carried out using a probe that has a Has transmitter coil and at some distance therefrom a receiver coil. Usually it will a relatively high frequency of e.g. B. 20 kHz alternating current through the transmitter coil directed. The resulting electric field within the earth formations is generated by the receiving coil determined by measuring the induced current or the induced voltage in the receiver coil will.

Beide oben erwähnten Meßmethoden basieren auf der Tatsache, daß Erdformationen, deren Porenraum mit einem Kohlenwasserstoff gefüllt ist, einen höheren spezifischen Widerstand haben als Erdformationen, deren Porenraum entweder mit Salzwasser oder mit anderen leitenden Fluiden gefüllt ist.Both of the above-mentioned measurement methods are based on the fact that earth formations, their pore space is filled with a hydrocarbon, have a higher specific resistance than earth formations, whose pore space is filled either with salt water or with other conductive fluids.

Schwierigkeiten ergeben sich bei der Interpretation solcher Meßergebnisse dann, wenn die Widerstandsmessungen in Frischwasser-Formationen, die weniger als 10 000 ppm Natriumchlorid enthalten und daher relativ wenig leitend sind, durchgeführt wurden. Solche Frischwasser aufweisenden Sende- oder Erdformationen haben einen hohen spezifischen Widerstand, der ähnlich hoch wie der von Kohlenwasserstoff führenden Formationen ist. In diesen Fällen ist es sehr schwierig, auf der Basis der Meßdaten, die mittels der einen oder der anderen oben beschriebenen Methode gewonnen wurden, zu bestimmen, ob es sich bei der Formation um eine Frischwasser führende Formation oder um eine Kohlenwasserstoff führende Formation handelt.Difficulties arise in the interpretation of such measurement results when the resistance measurements in fresh water formations that contain less than 10,000 ppm sodium chloride and therefore are relatively less conductive. Such fresh water having transmission or earth formations have a high specific resistance, which is similar to that of hydrocarbon leading Formations is. In these cases, it is very difficult to make on the basis of the measurement data obtained by means of one or The other method described above was used to determine if the formation was a formation carrying fresh water or a formation carrying hydrocarbons.

Bei einem dem Oberbegriff des Patentanspruchs I entsprechenden bekannten Verfahren (FR-PS 15 27 757) wird mit einer Frequenz von 20MHz gearbeitet, und es wird mit einer an dem einen Empfangsort befindlichen Empfangsspulc und mit einer an dem anderen Empfangsort befindlichen Empfangsspule je ein dem elektromagnetischen Feld entsprechendes Signal erzeugt, und ein aus diesen beiden Signalen ermitteltes Phasendifferenzsignal dien! zur Ermittlung der Leitfähigkeit der untersuchten Erilformation.In a known method corresponding to the preamble of claim I (FR-PS 15 27 757) is worked with a frequency of 20MHz, and it is with one on the one Receiving location located receiving coil and with a receiving coil located at the other receiving location each one corresponding to the electromagnetic field Signal generated, and a phase difference signal determined from these two signals serve! for investigation the conductivity of the eril formation examined.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs I genannten Art zu schaffen, mit dem ohne übermäßigen apparativen Aufwand außer dem spezifischen Widerstand die Dielektrizitätskonstante der untersuchten (•!«Iformation ermittelt werden kann, so daß aufgrundThe invention is based on the object of providing a method as described in the preamble of claim I to create the type mentioned, with the without excessive expenditure on equipment other than the specific resistance the dielectric constant of the investigated (•! «Iformation can be determined, so that due to

dieser elektrischen Daten eine Unterscheidung von Frischwasser, Salzwasser und öl voneinander möglich istBased on this electrical data, it is possible to differentiate between fresh water, salt water and oil is

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigtAn embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawings

F i g. I ein Blockdiagramm einer zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Anordnung;F i g. I is a block diagram of an arrangement used to carry out the method;

F i g. 2 ein schematisches Blockdiagramm der untertägig verwendeten Elektronik der Meßsonde;F i g. 2 is a schematic block diagram of the underground electronics used in the measuring probe;

Fig.3 die theoretisch ermittelte Phasendifferenz zwischen den Empfängei-spulen der Anordnung nach F i g. 1 in Abhängigkeit von dem spezifischen Widerstand der Formation mit der Dielektrizitätskonstanten als Parameter;3 shows the theoretically determined phase difference between the receiving coils according to the arrangement F i g. 1 as a function of the resistivity of the formation with the dielectric constant as a parameter;

Fig.4 eine theoretisch ermittelte Darstellung der Amplitudenänderung einer 64 MHz-Hochfrequenz-Induktionsmeßsonde für verschiedene Bohrlochdurchmesser in einem Bereich von 0—035 m;4 shows a theoretically determined representation of the change in amplitude of a 64 MHz high-frequency induction measuring probe for different borehole diameters in a range of 0-035 m;

Fig.5 eine theoretisch ermittelte Darstellung der Amplitudenänderung einer 130 MHz-Hochfrequenz-Induktionsmeßsonde für Bohrlochdurchmesser in einem Bereich von 0,0—0,4 m; und5 shows a theoretically determined representation of the Change in amplitude of a 130 MHz high-frequency induction probe for borehole diameter in one Range from 0.0-0.4 m; and

Fig.6 eine theoretisch ermittelte Darstellung der Phasenverschiebung zwischen den Empfängerspulen 1 und 2 der Anordnung nach F i g. 1 in Abhängigkeit von der Amplitude des Signals der Empfängerspule 2.6 shows a theoretically determined representation of the phase shift between the receiver coils 1 and FIG. 2 of the arrangement according to FIG. 1 as a function of the amplitude of the signal from the receiver coil 2.

Kohlenwasserstoffe weisen eine charakteristische niedrige Dielektrizitätskonstante ε,-auf, die kleiner ist als 5. Zum anderen weist Frischwasser eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante ε_Γ von ungefähr 80 auf.Hydrocarbons have a characteristic low dielectric constant ε, which is less than 5. On the other hand, fresh water has a relatively high dielectric constant ε _Γ of approximately 80.

Ausgehend von der elektromagnetischen Feldtheorie und speziell der Theorie eines punktförmigen schwingenden magnetischen Dipols, kann das Verhalten des Hochfrequenzfeldes im Bereich eines zylindrischen Bohrlochs gemäß der nachfolgenden Gleichung 2 (Helmholtz-Gleichung mit den Zylinderkoordinaten r, Φ und Z^dargt stellt werden.Based on the electromagnetic field theory and especially the theory of a point-like oscillating magnetic dipole, the behavior of the high-frequency field in the area of a cylindrical borehole can be represented according to the following equation 2 (Helmholtz equation with the cylindrical coordinates r, Φ and Z ^.

±(_CJL± ( _C JL
ac ν dt ac ν dt

φ-φ-

-J-J

IH IlIH Il

In dieser Gleichung bedeutet 7i^^m> der Hertz'sche Magnetik-Vektor; f^m>die Größe des Stromes; j = f^T. Die in Gleichung 2 dargestellte Größe K ist die Kreiswellenzahl, die dureSi die Gleichung 3 explizit wie folgt lautet:In this equation 7i ^ ^{m means} > the Hertzian magnetic vector; f ^m > the magnitude of the current; j = f ^ T. The quantity K shown in equation 2 is the circular wave number, which, in terms of equation 3, is explicitly as follows:

= in Ii f + j in Ii π = in Ii f + j in Ii π

In Gleichung 2 sind die Ausdrücke ό(ζ) und 6(Z) einzelne Impulsfunktionen des Dirac-Typs. ω ist = 2 JtF, wobei F die Schwingungsfrequenz des punktförmigen magnetischen Dipols und ε die dielektrische Stoffkonstante des Mediums ist. Mit μ ist die magnetische Dielektrizitätskonstante des den magnetischen Dipol umgebenden Materials bezeichnet und mit ο die elektrische Leitfähigkeit des Mediums.In Equation 2, the terms ό (ζ) and 6 (Z) are individual Dirac-type momentum functions. ω = 2 JtF, where F is the oscillation frequency of the point magnetic dipole and ε is the dielectric constant of the medium. With μ the magnetic dielectric constant of the material surrounding the magnetic dipole is designated and with ο the electrical conductivity of the medium.

Aus den Gleichungen 2 und 3 ist ersichtlich, daß drei physikalische Konstante mit dem den punktförmigen magnetischen Dipol umgebenden Material in Betracht zu ziehen sind. Diese drei Konstanten sind die relative magnetische Permeabilität μ, die dielektrische Stoffkonstantc s und die eleküi'.che Leitfähigkeit o. Für die meisten Erdformationen kann die relative magnetische Permeabilität μ bei den vorliegenden Frequenzen (10-60 MHz) als Konstante genommen werden. Variationen dieses Wertes fallen bei den Erdmaterialien in einen Bereich von 0,001 -0,1%. Somit verbleiben als interessierende Werte nur noch s und o. 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 der von der Geberspule innerhalb der Formation im Bereich des Bohrloches induzierten Ströme oder Streuströme.From equations 2 and 3 it can be seen that three physical constants are to be considered with the material surrounding the point magnetic dipole. These three constants are the relative magnetic permeability μ, the dielectric material constant and the electrical conductivity o. For most earth formations, the relative magnetic permeability μ at the given frequencies (10-60 MHz) can be taken as a constant. Variations in this value fall in the range of 0.001-0.1% for earth materials. Thus only s and o remain as values of interest. These two physical properties have a direct influence on any high-frequency alternating current within the media. Both of these physical properties of the medium have an effect on the size and phase of the currents or stray currents induced by the transducer coil within the formation in the region of the borehole.

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 vektorieller Addierung zum Primärfeid 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 Streuströme bezeichnet. Die Streuströme erzeugen Sekundärfelder, die im Falle eines hochleitfähigen Mediums dem Primär- oder Vergleichsfeld entgegenwirken. Erreicht jedoch der Wert von ω ε (die Kreisfrequenz multipliziert mit der dielektrischen Stcffkonstante) die Größe des Wertes ο (der elektrischen Leitfähigkeit) werden die Streuslröme 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.Assuming that it is a point-shaped magnetic source contained in a cylindrical Borehole is arranged and with reference to the Helmholtz equation, the total field can be called the field of Source can be defined, which is determined by the receiver coil in any medium. The overall field can can be divided into a primary field and a secondary field. The primary field is defined as the field of a Source generated by a receiver coil in a reference medium (such as vacuum or air) was determined. The secondary field is defined as the field that, when added vectorially to the primary field, is the Total field results. The primary field has an amplitude and a phase equal to the amplitude and phase of the Total field in a reference medium If the source is placed in a medium that differs from the Comparison medium differs, the secondary field is added to the primary field and thus generates the Total field within the new medium. The primary field serves as an amplitude and phase comparison for determining the secondary field. The surrounding in the oscillating point-shaped magnetic dipole Medium flowing currents are referred to as stray currents. The stray currents generate Secondary fields which, in the case of a highly conductive medium, counteract the primary or comparison field. However, if the value of ω ε (the Angular frequency multiplied by the dielectric constant) the size of the value ο (the electrical Conductivity) the stray currents are phase-shifted and can actually occur in the secondary field, thereby increasing the total field he follows. This is usually the case when working at frequencies that e.g. B. Frequencies in Range from 10-60 MHz.

Da Veränderungen der Werte ε und ο Änderungen der Streuströme bei jeder gegebenen Frequenz bewirken, kann die Trennung der beiden Einwirkungen nicht durch Messungen einer einzelnen Spannungsamplitude des Feldes erfolgen.Since changes in the values ε and ο change the stray currents at any given frequency cause the separation of the two actions cannot be achieved by measuring a single stress amplitude of the field.

Jedoch kann durch eine Messung der Amplitude des Gesamtfeldes an einer Empfängerspule zusammen mit der zwischen den beiden Empfängerspulen erzeugten Phasenverschiebung bei entsprechender Konibinierung eine gleichzeitige Ableitung der beiden Werte ε und ο erfolgen.However, by measuring the amplitude of the total field at a receiver coil along with the phase shift generated between the two receiver coils with appropriate connection a simultaneous derivation of the two values ε and ο take place.

Die Helmholtz-Gleichung (Gleichung 2) gilt in jeder zylindrischen Lage eines geschichteten Mediums, dasThe Helmholtz equation (equation 2) applies to every cylindrical layer of a layered medium, the

bo 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 b^i Anlegen von Randbedin-bo surrounds the point-like magnetic dipole in the borehole. When using a computer program to perform numerical integration of the solutions of equation 2 in different cylindrical Positions around the dipole and b ^ i application of boundary conditions

■Λ gungen an der Grenzfläche dieser Regionen und an der Quelle, kann das um eine Distanz Z entlang der Bohrlochachse vom magnetischen Dipol versetzte GesamtfeM an der Empfangerspule abgeleitet werden. The total FeM offset by a distance Z along the borehole axis from the magnetic dipole can be derived at the receiver coil.

Durch Untersuchungen der /ahlenmäßigen Lösung der Helmholtz-Gleichung (Gleichung 2) in Bohrlöchern unterschiedlicher Durchmesser, können graphische Darstellungen der Feldamplitude an der F.mpfängerspu-Ie als Funktion des Bohrlochdurchmessers für verschie- -, dene Bohrlochgrößen gemacht werden. Mine solche graphische Darstellung ist in Fig. 4 für eine 64-M Hz-Einzelgeberspule und Empfängersystem dargestellt. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß bei einer 64-MHz-Frequenz ein anormaler 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.Through investigations into the solution the Helmholtz equation (equation 2) in boreholes of different diameters, can be graphical Representations of the field amplitude at the F.mpfängerspu-Ie as a function of the borehole diameter for different -, the borehole sizes can be made. Such a graph is in FIG. 4 for a 64-M Hz single encoder coil and receiving system shown. From Fig. 4 it can be seen that at a 64 MHz frequency an abnormal resonance effect occurs at a borehole radius of approximately 254 mm. Also is can be seen that the 32 MHz encoder coil amplitude frequency does not show this resonance effect with appropriately large boreholes.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der normalisierten Gesamtfeldamplitude an der Empfängerspule auf der if-Achse des Bohrloches als Funktion des Bohrlochhalbmessers für eine Arbeitsfrequnz 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 Resonanz-Effekte nötig sind.Fig. 5 shows a graph of the normalized Total field amplitude at the receiver coil on the if axis of the borehole as a function of the Borehole radius for a working frequency of 130 MHz. In this case the resonance effect becomes apparent at a borehole radius of about 100 mm and again at a borehole radius of about 250 mm. So an attempt should be made to determine the dielectric and conductivity properties of the borehole To measure surrounding materials at frequencies as high as 64 MHz, it is from the graphic 4 and 5 it can be seen that some corrections are necessary for the resonance effects.

Zum anderen soll darin erinnert werden, daß zum Zweck der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und der dielektrischen Konstanten der das Bohrloch ]o umgebenden Materialien Messungen der Amplitude des empfangenen Signals und der relativen Phasenverschiebung zwischen den Empfängerspulen durchgeführt werden müssen. Eine theoretische Darstellung der Phasendifferenz der Empfängerspulen gegenüber dem j-, spezifischen Widerstand für eine Anzahl verschiedener dielektrischer Konstanten ist in F i g. 3 für die dort angedeuteten Bohrlochparameter und Empfängerspulenabstände aufgezeichnet.On the other hand it should be remembered that for the purpose of determining the electrical conductivity and the dielectric constant of the borehole] o surrounding materials measurements of the amplitude of the received signal and the relative phase shift must be carried out between the receiver coils. A theoretical representation of the Phase difference of the receiver coils compared to the j-, resistivity for a number of different dielectric constants is shown in FIG. 3 for those there indicated borehole parameters and receiver coil spacings recorded.

Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß die relative Phasenver-Schiebung /wischen ueri Empfänger hpuien in werten der Formationsdielektrizitätskonstanten vorausgesetzt, daß der spezifische Widerstand der Formation bekannt ist. interpretiert werden. Diese Messung zur Ermittlung des spezifischen Widerstandes kann in einer separaten üblichen Widerstandsmessung ermittelt werden. Im vorliegenden Fall jedoch wird ein Signal verwendet, das proportional zur Amplitude des an einer der Empfängerspulen empfangenen Signale ist. um einen Bezug zum spezifischen Widerstand der Erdformationen zu erlangen. In F i g. 6 ist eine Darstellung der Phasenverschiebung zwischen den entfernt voneinander angeordneten Empfängerspulen gegenüber der Gesamtfeldamplitude an einer der Spulen aufgezeichnet. Die Messung dieser Phasenverschiebung und Amplitude kann dann unter Zuhilfenahme der F i g. 6 in Werten der Dielektrizitätskonstanten der Erdformation und des spezifischen Widerstandes gleichzeitig interpretiert werden.From Fig. 3 it can be seen that the relative phase shift / wipe ueri receiver hpuien in values the formation dielectric constant provided that the resistivity of the formation is known is. be interpreted. This measurement to determine the specific resistance can be carried out in a separate usual resistance measurement can be determined. In the present case, however, a signal is used that is proportional to the amplitude of the signal received at one of the receiver coils. about a reference to obtain the resistivity of the earth formations. In Fig. 6 is an illustration of the phase shift between the remote receiver coils versus the total field amplitude recorded on one of the coils. The measurement of this phase shift and amplitude can then with the aid of F i g. 6 in values of the dielectric constant the earth formation and the specific resistance can be interpreted at the same time.

Wird bei einer gewählten Frequenz der vorliegenden Erfindung(30 MHz) gearbeitet, werden die Resonanzef- ^₀ fekte, wie sie in Fig. 4 und 5 ermittelt werden, vermieden. Theoretische Berechnungen zeigen an. daß Messungen bei der vorgenannten Frequenz genauer sind. a!s solche, die bei höherer. Frequenzen erhältlich sind, aufgrund der Bohrlochresonanzeffekte. Somit _bj kann die vorliegende Erfindung durch Messung der Amplitude und der durch die Erdformationen bewirkte Phasenverschiebung auf die Signale der Geberspule an den beiden voneinander entfernt angeordneten Empfängerspulen zur genaueren Bestimmung des spezifischen Widerstandes (oder der Leitfähigkeit) der Erdformation und der Dielektrizitätskonstanten benutzt werden.Operating at a selected frequency to the present invention (30 MHz), the Resonanzef- ^ ₀ fect be as avoided in FIGS. 4 and 5 are determined. Theoretical calculations indicate. that measurements at the aforementioned frequency are more accurate. a! s those at higher. Frequencies are available due to downhole resonance effects. Thus, j can _b the present invention by measuring the amplitude and caused by the earth formations phase shift to the signals of the transmitter coil at the two from each other remotely located receiver coils for more accurate determination of the resistivity (or conductivity) are used the earth formation and the dielectric constant.

F i g. I zeigt die zur Messung benutzte Anordnung. Eine Bohrloch-Sonde 11, deren Sondenkörper vorzugsweise aus Glasfasermaterial oder einem anderen nicht leitenden Material mit ausreichenden l'estigkeitseigenschaften gefertigt ist, hängt an einem Meßkabcl 12 in einem unverrohrten BohrliHjh 13. Das Bohrloch 13 ist mit einer Bohrlochflüssigkeit 14 gefüllt und von Erdformationen 15 umgeben, deren dielektrische und leitende Eigenschaften gemessen werden sollen.F i g. I shows the arrangement used for the measurement. A borehole probe 11, the probe body preferably made of fiberglass material or another non-conductive material with sufficient strength properties is made, hangs on a Meßkabcl 12 in an uncased BohrliHjh 13. The borehole 13 is filled with a borehole fluid 14 and surrounded by earth formations 15, the dielectric and conductive properties are to be measured.

Der untere Teil der Bohrlochsonde 11 weist ein elektronisches Geberteil 16 auf, das nachfolgend noch detaillierter erklärt wird und eine dazu gehörende 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 17 ist von einem Batteriesatz 18 beaufschlagt, wobei der Strom über eine Schleifringanordnung 23 der Geberspule 17 zugeführt wird. Die Geberspule 17 arbeitet bei einer Frequenz von 30 MHz, was nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird. Eiie erste Empfängerspule 21 ist in einer axialen Entfernung entlang der Achse der Meßsonde 11 von der Geberspule 17 entfernt angeordnet. Die Distanz zwischen den beiden vorgenannten Spulen beträgt ungefähr 61 cm. Eine zweite Empfängerspule 19 ist ungefähr 913 cm von der Geberspule 17 entfernt angeordnet.The lower part of the borehole probe 11 has an electronic transmitter part 16, which will also be used below is explained in more detail and an associated transmitter coil 17. The transmitter coil 17 is around one central winding mandrel 20 wound, which is preferably made of a non-conductive material, such as. B. fiberglass, is made. The transmitter coil 17 is acted upon by a battery pack 18, the current via a Slip ring assembly 23 of the transmitter coil 17 is supplied. The transmitter coil 17 operates at a frequency of 30 MHz, which is described in more detail below will. A first receiver coil 21 is at an axial distance along the axis of the measuring probe 11 from the Transmitter coil 17 arranged remotely. The distance between the two aforementioned coils is about 61 cm. A second receiver coil 19 is approximately 913 cm from the transmitter coil 17 arranged.

Die radiale Untersuchungstiefe des Bohrloch-Meßsy stems 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 genügend nahe zueinander anzuordnen, um den Empfang brauunuaici Sigiioüiüncn 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 Pt die Bewegung der Bohrloch-Sonde 11 durch das Bohrloch während der Meßarbeiten vorgesehen. Eine Rolle 22, über die das Meßkabel 12 geführt ist, kann elektrisch oder mechanisch mit einer Daten-Aufzeichnungseinrichtung 24 verbunden sein. Die Aufzeichnungs-Einrichtung 24 wird dazu verwendet, die Signale aus der untertätig geführten Meßsonde 11 als Funktion der Tiefe des Bohrloches 13, wie es nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird, aufzuzeichnen. Die für die Meßarbeiten der in der Bohrlochsonde 11 angeordneten Empfänger-Elektronik 36 benötigte Energie wird über Leitungen im Meßkabel 12 von einer übertätig angeordneten Energie-Quelle 28 zugeführt. Die elektrischen Meßsignale. die von der Empfänger-Eiektronäk 36 ermittelt werden, werden von einem Eingangs-Verstärker 29 verstärkt und von diesem einem Paar phasenstarrer Analyse-Detektoren 37 und 38. deren Funktion nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird, zugeleitet. Die Empfänger-AusgangssignaleThe radial depth of investigation of the Bohrloch-Meßsy stems is the distance between the transmitter and receiver coils influenced. In general, one can say the greater the distance between the encoder and the The receiving coil is, the greater the radial depth of investigation in the earth formation. It should, however It should be pointed out that it is necessary to keep the transmitter and receiver coils sufficiently close to one another arrange to receive brauunuaici Sigiioüiüncn to ensure earth formations of different dielectric and conductive properties. There a Highly conductive material in the borehole area which dampens high-frequency signals, it is necessary to have a Use higher energy in the transmitter part if the distance between transmitter and receiver coils is enlarged. A conventional winch arrangement (not shown) is at the surface Pt die Movement of the downhole probe 11 through the borehole during the measurement work is provided. A roll of 22, over which the measuring cable 12 is passed, can be electrically or mechanically with a data recording device 24 be connected. The recording device 24 is used to record the signals from the underground measuring probe 11 as a function of the depth of the borehole 13, as will be discussed below will be described in more detail. For the measuring work in the borehole probe 11 arranged receiver electronics 36 energy required is via lines in the measuring cable 12 from a Excessively arranged energy source 28 is supplied. The electrical measurement signals. those of the recipient electronics 36 are determined, are amplified by an input amplifier 29 and this one Pair of phase-locked analysis detectors 37 and 38. Their function is described in more detail below is forwarded. The receiver output signals

der Empfänger-Elektronik 36 werden nachfolgend noch näher beschrieben, doch kann allgemein festgestellt werden, daß diese Signale ein Ainplitiiden-Meßsignal und ein Phasen-Meßsignal aufweisen, die über Leitungen des Mcllkabels 12 in Form eines frequenzmodulierten Signalpaares weitergeleitel werden.the receiver electronics 36 are described in more detail below, but can generally be stated that these signals are an implicit measurement signal and have a phase measurement signal, which is transmitted via lines of the Mcllkabel 12 in the form of a frequency-modulated Signal pairs are forwarded.

In der Fig 2 ist die untcrtägigc Elektronik des Systems in Form eines Blockdiagramms dargestellt. Fin Batteriesatz 18. der wiederaufladbare Ni«;kel-Cadmium-Batlcricn od. dgl. enthüll, ist mit der Geberelektronik 41 durch eine Schleifring-Anordnung 23 (siehe Fig. I) verbunden. Diese Anordnungsform der Batterien ermöglicht ein leichtes Auswechseln der benötigten Stromleistung im Feld, so daß während der Aufladungs-/eil der Batterien ein frischer Batteriesatz leicht eingebaut werden kann. Die Gebelelektronik 41 beinhaltet einen 30-MHz-kristallgesteuertcn )-Stiifen-Schaltkreis. Der Ausgang des Gebers ist mit einer Geberspule 17. die für einen Hochfrequenzstrom mit einer Leistung von ungefähr 2 Watt ausgelegt ist. um die Erdformationen im Bereich des Bohrloches zu beaufschlagen, versehen. Die Geberspule 17 weist eine standardisierte zweiwicklige Spule auf. die aus 3 mm starkem Kupferdraht gefertigt ist. der um den 51 mm starken Wickeldorn 20 gewunden ist.In Fig. 2 , the subordinate electronics of the system is shown in the form of a block diagram. The battery set 18, which reveals the rechargeable nickel-cadmium battery or the like, is connected to the transmitter electronics 41 by a slip ring arrangement 23 (see FIG. I). This form of arrangement of the batteries enables the required current output to be easily changed in the field, so that a fresh set of batteries can easily be installed while the batteries are being charged. The sensor electronics 41 includes a 30 MHz crystal controlled pin circuit. The output of the transmitter is connected to a transmitter coil 17, which is designed for a high-frequency current with a power of approximately 2 watts. to act on the earth formations in the area of the borehole, provided. The transmitter coil 17 has a standardized two-turn coil. which is made of 3 mm thick copper wire. which is wound around the 51 mm thick winding mandrel 20.

Der Wicklungsabstand der Spule beträgt 2 Windungen pro 25,4 mm. Zur genauen Lagefixicning des Kupferdrahtes auf dem Wickeldorn sind maschinell entsprechende Rillen eingearbeitet.The winding distance of the coil is 2 turns per 25.4 mm. To fix the exact position of the Corresponding grooves are machined into the copper wire on the winding mandrel.

Das Bohrloch-Meßsystem verwendet zwei identische 30-Ml Iz-Empfänger. um die von den Empfängersptilen 19. 21 empfangenen sehr kleinen Signale zu verstärken. Die Empfängerspulen 19 und 21 sind identisch aufgebaut und in einem Abstand von 30 cm voneinander entfernt und weisen nur eine einzelne Windung auf. Die Spulen sind elektrostatisch abgeschirmt. Die Empfängerspule 21 ist etwa 61 cm und die Empfängerspule 19 etwa 91.5 cm von der Geberspule 17 entfernt. Die in den Empfängerspulen induzierten Spannungen werden einem Paar identisch aufgebauter 30-MHz-Empfänger Schmitt-Trigger 46 und 47 ist.The logging system uses two identical 30 ml Iz receivers. by the recipient styles 19. 21 received very small signals to amplify. The receiver coils 19 and 21 are identical built up at a distance of 30 cm from each other and only have a single turn. the Coils are electrostatically shielded. The receiver coil 21 is approximately 61 cm and the receiver coil 19 about 91.5 cm away from the transmitter coil 17. The voltages induced in the receiver coils are a pair of identically constructed 30 MHz receivers is Schmitt trigger 46 and 47.

Befinden sich die beiden F.ingangssignalc in Phase, wird kein Ausgangsimpuls erzeugt. Bei der maximal meßbaren Verschiebung von 180°, erreicht der Atisgangs-lmpuls sein Maximum. Somit wird eine lineare Messung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Empfängerspulen durch Integration der Ausgangsimpulse des NOR-Gatters in einem Integrations-Schaltkreis 49. der einen RC-Schaltkreis aufweist, möglich. Dieses Ausgangs-Spannungssignal vom Integrations schaltkreis 49 wird als Eingangssignal einem spannung gesteuerten Oszillator 50 zugeleitet. Diese Spannung ist direkt proportional der Phasenverschiebung der I lochfrequenzsignale zwischen den beiden Empfängerspulen 21 und 19.If the two input signals are in phase, no output pulse is generated. At the maximum measurable shift of 180 °, the input pulse reaches its maximum. Thus, it becomes a linear measure of the phase shift between the two Receiver coils by integrating the output pulses of the NOR gate in an integration circuit 49. which has an RC circuit, possible. This output voltage signal from the integration circuit 49 is a voltage as an input signal controlled oscillator 50 supplied. This voltage is directly proportional to the phase shift of the I high frequency signals between the two receiver coils 21 and 19.

Es ist wichtig, daß die Empfängersignale von einer ausreichenden Amplitudengröße sind, um die Schmitt-Trigger 46 und 47 ausreichend zu schalten. Fällt die Stärke des Signals zu stark ab, steuert der Schmitt-Trigger nicht zum richtigen Zeitpunkt, so daß daraus eine fehlerhafte Phasenverschiebungs-Messung resultiert. Das Ausgangssignal vom Verstärker 45 wird als Eingangssignal einem spannungsgesteuerten Oszillator 51 zur Weiterleitung an die Erdoberfläche übermitteli. Durch Überwachen dieses Signals kann ermittelt werden, wann das empfangene Signal soweit abgefallen ist. um noch zuverlässige Phasenverschiebungsmessungen zu erzeugen. Außerdem ist diese automatische Verstärkungssteuerungsspannung, die direkt proportional der Signalhöhe an der Empfängerspule 19 ist, auf den spezifischen Widerstand und die Dielektrizitätskonstante der das Bohrloch umgebenden Formation bezogen. Bei Zusammenfügung mit der Phasenverschiebungsmessung gemäß Fig.6, kann diese Information in Werten der Dielektrizitätskonstanten und des spezifischen Widerstandes der Erdformationen im Bereich des Bohrloches interpretiert werden.It is important that the receiver signals are of sufficient amplitude to trigger the Schmitt trigger 46 and 47 to switch sufficiently. If the strength of the signal drops too much, the Schmitt trigger controls not at the right time, so that an incorrect phase shift measurement results. The output from amplifier 45 is input to a voltage controlled oscillator 51 for forwarding to the earth's surface. By monitoring this signal, it can be determined when the received signal has dropped so far. to get even more reliable phase shift measurements to create. Also, this automatic gain control voltage is directly proportional to that the signal level at the receiver coil 19, on the specific resistance and the dielectric constant related to the formation surrounding the borehole. When combined with the phase shift measurement according to FIG. 6, this information can be found in Values of the dielectric constants and the specific resistance of the earth formations in the area of the Borehole can be interpreted.

Ein Zwei-Frequenz-Modulationssystem, das ein Paar spannungsgesteuerter Oszillatoren 51 und 50 zusamme j mit einem Summierungsverstärker 52 und einemA two-frequency modulation system that uses a pair of voltage controlled oscillators 51 and 50 together j with a summing amplifier 52 and a

VVIIU /.UlVVIIU /.Ul

43 sind integrierte Zweistufen-Verstärker mit automatischer Verstärkungskontrolle und abgestimmten Resonanzkreisen. Torodiale Spulen werden in den abgestimmten Schaltkreisen der Empfänger 42 und 43 verwendet, um das elektrische Feld eng um die Spule zu belassen und damit mitzuhelfen, ein Schwingen der Verstärker zu eleminieren. Das automatische Verstärkungssteuerungssystem innerhalb der integrierten Verstärker begrenzt die Ausgangsspannung der Verstärker auf ungefähr 0,7 Volt für Eingangssignale von ungefähr 20 Mikrovolts effektiv oder größer. Es ist wünschenswert, so nahe wie möglich eine konstante Empfänger-Ausgangsamplitude aufrechtzuerhalten, um eine genaue Phasendifferenzmessung von den beiden Empfängerspulen zu ermöglichen.43 are integrated two-stage amplifiers with automatic gain control and tuned resonance circuits. Toroidal coils are used in the tuned circuits of receivers 42 and 43 used to keep the electric field tight around the coil and thereby help create an oscillation of the To eliminate amplifiers. The automatic gain control system within the integrated Amplifier limits the output voltage of the amplifiers to approximately 0.7 volts for input signals of about 20 microvolts rms or greater. It is desirable to be as close as possible to a constant Receiver output amplitude to maintain an accurate phase difference measurement of the two To enable receiver coils.

Diese automatischen Verstärkungs-Steuerungssigna-Ie werden durch mit automatischer Verstärkungssteuening versehene Verstärker 44 und 45 erzeugt.These automatic gain control signals are provided with automatic gain control provided amplifiers 44 and 45 generated.

Die Ausgangs-Signale der beiden Empfänger 42 und 43 werden durch Schmitt-Trigger 46 und 47 von ihrer Sinuswellenform in eine Rechteckwellenform umgewandelt. Die steil ansteigenden 30-MHz-Rechteckwellen vom Schmitt-Trigger 46 und 47 werden dann a!s duale Eingänge für ein logisches NOR-Gatter 48 benutzt. Das NOR-Gatter 48 erzeugt einen Ausgangs-Impuls, dessen Weite proportional zur Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangs-Rech'eckwellen der mittlung der Informationen der Zweidatenkanäle zur Erdoberfläche über einen zentralen Leiter des Meßkabels 12 verwendet. Der spannungsgesteuerte Oszillator 50 ist frequenzgesteuert durch ein Ausgangssignal vom Integrations-Schaltkreis 49, der eine Frequenzmodulation des Oszillators 50 im Bereich von ungefähr 12 kHz- 13 kHz in Abhängigkeit des Spannungssignals vom Integrationsschaltkreis 49 bewirkt. Gleichermaßen wird das automatische Verstärkungs-Steuerungssignal des Verstärkers 45 zur Steuerung der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 51 benutzt, wobei sich diese Frequenz in einem Bereich von 1200—1300 Hertz abhängig von der Signalhöhe des Ausgangssignals vom Verstärker 45 befindet. Die beiden frequenzmodulierten Signale der spannungsgesteuerten Oszillatoren 50 und 51 werden in dem Summierungs-Verstärker 52 summiert und vor Eintritt in den zentralen Leiter des Meßkabels 12 von einem Kabel-Antriebs-Verstärker 53 soweit verstärkt, daß eine Übermittlung zur Erdoberfläche erfolgen kann.The output signals of the two receivers 42 and 43 are triggered by Schmitt triggers 46 and 47 of their Sine waveform converted to square waveform. The steeply rising 30 MHz square waves the Schmitt trigger 46 and 47 then become a! s dual inputs for a logic NOR gate 48 used. The NOR gate 48 generates an output pulse, the width of which is proportional to the phase difference between the two input square waves for averaging the information of the two data channels Earth surface via a central conductor of the measuring cable 12 used. The voltage controlled oscillator 50 is frequency controlled by an output signal from the integration circuit 49, the frequency modulation of the oscillator 50 in the range of approximately 12 kHz-13 kHz as a function of the voltage signal caused by the integration circuit 49. Likewise, the automatic gain control signal becomes of the amplifier 45 used to control the frequency of the voltage controlled oscillator 51, wherein this frequency in a range of 1200-1300 Hertz depending on the signal level of the output signal from Amplifier 45 is located. The two frequency-modulated signals of the voltage-controlled oscillators 50 and 51 are summed in the summing amplifier 52 and before entering the central conductor of the Measuring cable 12 amplified by a cable drive amplifier 53 so that a transmission to the earth's surface can be done.

Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß ein Paar phasenstarrer Demodulations-Schaltkreise 37 und 38 an der Erdoberfläche verwendet werden, um die ursprüngliche Gleichstrom-Phase und die in der Verstärkung automatisch gesteuerten Spannungen der untertägigen Ausrüstung zu rekonstruieren. Die frequenzmodulierten Signale werden durch einen Kopplungskondensator 39From Fig. 1 it can be seen that a pair of phase-locked Demodulation circuits 37 and 38 used on the surface of the earth to the original DC phase and the voltages of the underground equipment automatically controlled in the amplification to reconstruct. The frequency-modulated signals are passed through a coupling capacitor 39

vom Zentralleiter des McQkabcls aufgenommen und einem Trennverstärker 29 zugeführt. Der Ausgang des Trennverstärkers 29 ist mit dem phasenstarren Demodulations-Schaltkrcis 27 verbunden, der ausschließlich auf Signale in einem Bereich von 1200 — 1 300 Ilen/ anspricht, und pnßerdern mit dem phascnsiarren Demodulatiunssch&rikrcis 38 verbunden, der nur auf Eingangssignal in einem Bereich von 12 kll/ 13kM/. anspricht. Die phasenstarren Demodulationsschaltkreise sind auf eine llingangsfrequenz eingestellt und lassen diese I requenz durch, wenn der P.ingangswert innerhalb des Linfangsbereichesder phasenstarren Schleife liegt.
Der Ausgang jedes phasenMancn Demodulations-taken up by the central conductor of the McQkabcl and fed to an isolating amplifier 29. The output of the isolation amplifier 29 is connected to the phase-locked demodulation circuit 27, which responds exclusively to signals in a range of 1200-1300 Ilen /, and pnßerdern connected to the phase-locked demodulation circuit 38, which only responds to input signals in a range of 12 kll / 13km /. appeals to. The phase-locked demodulation circuitry is set to a long-term frequency and will pass this I-frequency if the P input value is within the input range of the phase-locked loop.
The output of each phasenMancn demodulation

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Schaltkreises 37 und 38 ist eine Gleichspannung, die proportional der Gleichspannung ist. die an den sp.innungsgesteucrten Oszillatoren 50 und 51 (in I' i g. 2) der Meßsonde liegt Die Ausgangs-Signale der phasenstarren Demodulations Schaltkreise 37 und 38 werden Differential-Verstarkorn 60 und 61 zur weiteren Verstärkung zugeführt, bevor sie einem Aufzeichnungsgerät 24 zugeführt werden. Aufzeichnungs-Verstärker 62 und 63 verstärken zusätzlich das Signal und benutzen es zur Steuerung der Bewegung einer leder eines Aiif/eichiningsgeriites oder der Cutter einer zur Aufzeichnung verwendeten Kathodenstrahlröhre.Circuit 37 and 38 is a DC voltage that is proportional to the DC voltage. the Andes voltage controlled oscillators 50 and 51 (in I 'i g. 2) The output signals of the phase-locked demodulation circuits 37 and 38 are located Differential amplifiers 60 and 61 fed for further amplification before being sent to a recorder 24 are supplied. Recording amplifier 62 and 63 additionally amplify the signal and use it to control the movement of a leather one Aiif / eichiningsgeriites or the cutter one for Recording used cathode ray tube.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Procedure for determining the properties of earth formations in the area of a borehole, a high-frequency electromagnetic field in the MHz frequency range at a first point in the borehole is generated and at a longitudinal direction of the borehole remote from the first Second location in the borehole and at a lengthwise distance from the first and the second point lying third point in the borehole in the generated electromagnetic Field corresponding first or second signal is generated and from the first and the second Signal in the phase difference of the electromagnetic field between the second and the third Point characterizing signal is formed and the conductivity of the examined earth formation is determined is characterized by geken π that the frequency of the generated electromagnetic Field is selected in a range between 20 and 65 MHz, and

that by linking the signal characterizing the phase difference with the amplitude of the first or second signal both the resistivity and the dielectric constant of the examined earth formation can be determined.

2. The method according to claim 1, characterized in that: indicates that the electromagnetic field is in a frequency range of 20 - 40 Mriz, preferably at 30 MHz.

3. The method according to claim i or 2, characterized in that the phase difference characterizing the third signal and the first and second signal representing the field amplitude at the second or third position are continuously recorded as functions of the borehole depth.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in,

that the first and second signals lying in said frequency range are converted into square wave signals of the same frequency, and
that the square wave signals thus obtained are fed to the inputs of an exclusive NOR element and the output signal of the exclusive NOR element is fed to an integration element for generating a DC voltage signal proportional to the phase difference between the first and second signals.

5. The method according to claim 4, characterized in that before the conversion into square wave signals the first and the second signal independently of one another to a preselected constant r> Amplitude value are amplified.

6. The method according to claim 5, characterized in that from the to achieve the preselected constant amplitude value serving control process, a signal is derived that the mi Represents the amplitude of the first and the second signal, respectively.