DE2832433A1

DE2832433A1 - Resistivity and dielectric constant determination of earth formations - uses electromagnetic wave logging system to transmit, and receive at different spacings at 30 megahertz

Info

Publication number: DE2832433A1
Application number: DE19782832433
Authority: DE
Inventors: Larry L Adams; Perry T Cox; James A Fuchs; Richard A Meador; Larry W Thompson
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1978-07-24
Filing date: 1978-07-24
Publication date: 1980-02-14

Abstract

The system operating at radio frequencies in the range of 10 MHZ to 60 MHZ is provided for simultaneously determining the resistivity and dielectric constant of earth formations in the vicinity of a well bore. A transmitter coil and two longitudinally spaced receiver coils are provided in the system. Circuit for measuring the unnormalized amplitude ratio and the relative phase shift of electromagnetic waves at the spaced receiver coils are provided. A relationship is given whereby the formation dielectric constant and resistivity may be obtained from the amplitude ratio and relative phase shift measurements.

Description

VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER DIELEKTRIZITÄTS-PROCEDURE FOR DETERMINING DIELECTRICITY

KONSTANTE UND DES SPEZIFISCHEN ELEKTRISCHEN WIDERSTANDS VON ERDFORMATIONEN IM BEREICH EINES BOHRLOCHS.CONSTANT AND SPECIFIC ELECTRICAL RESISTANCE OF EARTH INFORMATION IN THE AREA OF A DRILL HOLE.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante und des spezifischen elektrischen Widerstands von Erdformationen im Bereich eines Bohrlochs vermittels eines induktiven Bohrlochmeßverfahrens mit Hochfrequenz anhand Messungen der Ausbreitungseigenschaften von in einem Bohrloch erzeugten elektromagnetischen Wellen.The invention relates to a method for determining the dielectric constant and the electrical resistivity of earth formations in the range of a Borehole by means of an inductive borehole measuring method using high frequency Measurements of the propagation properties of electromagnetic generated in a borehole Waves.

Es ist bekannt, zur Ermittlung der Lage ölführender Schichten den spezifischen elektrischen Widerstand (oder die Leitfähigkeit) von Erdformationen im Bereich eines Bohrlochs zu messen. Zu diesem Zweck wird bei bekannten Verfahren in Bohrlöchern, die eine hoch leitfähige Bohrflüssigkeit (von niedrigem spezifischem Widerstand) enthalten, eine Widerstandsmessung, und in Bohrlöchern, die Bohrtrüben auf ölbasis oder Bohrflüssigkeit eines höheren spezifischen elektrischen Widerstands enthalten, eine induktive Messung ausgeführt. Bei der herkömmlichen Widerstandsmessung speist eine stromemittierende Elektrode (oder ein zum Fokussieren des emittierten Stroms dienendes Elektrodenfeld) einen Gleichstrom oder einen sehr niederfrequenten Wechselstrom (von z.B. 60 Hz) über Kontaktelektroden in die das Bohrloch umgebenden Erdformationen ein. Der Strom durchläuft einen Bereich der Erdformationen, und an einer in einem Abstand von der stromemittierenden Elektrode befindlichen Meßelektrode werden Spannungswerte gemessen. Die Größe der gemessenen Ströme liefert dann einen Meßwert für den spezifischen elektrischen Widerstand der das Bohrloch umgebenden Erdformationen. In besonders spezialisierten Meßgeräten werden Stromelektroden in Verbindung mit Fokussierelektroden zur Ermittlung des spezifischen elektrischen Widerstands in unterschiedlichen radialen Tiefen der das Bohrloch umgebenden Erdformationen benutzt.It is known to determine the location of oil-bearing layers electrical resistivity (or conductivity) of earth formations to measure in the area of a borehole. For this purpose, known methods in boreholes containing a highly conductive drilling fluid (of low specific Resistance), a resistance measurement, and in boreholes, the drillings oil-based or drilling fluid of higher electrical resistivity included, carried out an inductive measurement. With conventional resistance measurement feeds a current-emitting electrode (or one for focusing the emitted Electrode field serving the current) a direct current or a very low frequency Alternating current (of e.g. 60 Hz) via contact electrodes into those surrounding the borehole Earth formations. The current passes through an area of the earth's formations, and on a measuring electrode located at a distance from the current-emitting electrode voltage values are measured. The magnitude of the measured currents then provides one Measured value for the specific electrical resistance of the one surrounding the borehole Earth formations. In particularly specialized measuring devices, current electrodes are used in Connection with focusing electrodes to determine the specific electrical Resistance at different radial depths of the earth formations surrounding the borehole used.

Bei bekannten induktiven Meßverfahren wird eine Bohrlochsonde verwendet, die eine Senderspule (oder ein Senderspulenfeld ), und in einem Abstand davon eine Empfängerspule (oder ein Empfängerspulenfeld) aufweist. Die Senderspule wird von einem Wechselstrom allgemein verhältnismäßig hoher Frequenz (normalerweise von etwa 20 kHz) gespeist. Das aufyrund elektromagnetischer Induktion durch diesen hochfrequenten Wechselstrom in den das Bohrloch umgebenden Erdformationen erzeugte Magnetfeld wird an der entfernt angeordneten Empfängerspule ermittelt, indem die aufgrund der in den Formationen fließenden Sekundärströme in der Empfängerspule induzierten Ströme oder Spannungen gemessen werden.In known inductive measuring methods, a borehole probe is used, the one transmitter coil (or one transmitter coil field ), and in one Distance therefrom has a receiver coil (or a receiver coil field). The transmitter coil is of an alternating current generally relatively high frequency (usually of about 20 kHz). That is due to electromagnetic induction by this generated high-frequency alternating current in the earth formations surrounding the borehole The magnetic field is detected by the remote receiver coil due to the secondary currents flowing in the formations in the receiver coil induced currents or voltages can be measured.

Bei diesen beiden bekannten Meßverfahren zur Ermittlung des spezifischen Widerstands (oder der Leitfähigkeit) beruhen die Messungen auf der Tatsache, daß Erdformationen, deren Porenraum mit Kohienwasserstoffmolekülen gefüllt ist, einen höheren spezifischen Widerstand (d.h. eine niedrigere Leitfähigkeit) als Erdformationen aufweisen, deren Porenräume mit einer anderen, leitfähigeren Zwischenraumflüssig--keit gefüllt sind. Wenn Formationen einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen, wird angenommen, daß diese öl führen.In these two known measuring methods to determine the specific Resistance (or conductivity) measurements are based on the fact that Earth formations, the pore space of which is filled with hydrocarbon molecules, one higher resistivity (i.e. lower conductivity) than earth formations whose pore spaces have a different, more conductive interstitial fluid are filled. When formations have high resistivity, believed that these lead to oil.

Bei der Auswertung von herkömmlichen Induktions-Widerstandsmeßwerten für Bohrlöcher aus geografischen Gebieten, in denen verhältnismäßig frisches, fossiles Formationswasser (von z.B. weniger als 10000 PPM (g/g) Natriumchlorid) anzutreffen ist, ergeben sich verschiedene Schwierigkeiten.When evaluating conventional induction resistance measurements for boreholes from geographical areas in which relatively fresh, fossil Formation water (e.g. less than 10,000 PPM (g / g) sodium chloride) is encountered there are various difficulties.

Die das verhältnismäßig frische Wasser führenden Sande oder Erdformationen weisen verhältnismäßig höhere spezifische Widerstände (oder niedrigere Leitfähigkeit) auf, die denen von Kohlenwasserstoff führenden Formationen vergleichbar sind. In diesen Fällen ist es schwierig, lediglich auf der Grundlage des spezifischen elektrischen Widerstands oder von Induktionsmeßwerten zu entscheiden, ob eine Erdformation in einer vermuteten produktiven Zone Frischwasser oder Kohlenwasserstoffe führt. Es besteht daher ein Bedarf für ein Bohrlochmeßverfahren, mit dem auf der Grundlage einer einzigen Messung einiger physikalischer Eigenschaften der Erdformationen im Bereich eines Bohrloches eine Unterscheidung zwischen frischwasserführenden und kohlenwasserstofführenden Erdformationen möglich ist.The sands or earth formations carrying the relatively fresh water have relatively higher resistivities (or lower conductivity) which are comparable to those of hydrocarbon-bearing formations. In In these cases it is difficult to just look at the specific electrical Resistance or from induction readings to decide whether a Earth formation in a suspected productive zone, fresh water or hydrocarbons leads. There is therefore a need for a logging method with which on the Based on a single measurement of some physical properties of the earth's formations in the area of a borehole a distinction between fresh water and hydrocarbon-bearing earth formations is possible.

Ein zu diesem Zweck geeignetes System ist in der US-PS 3 891 916 der Anmelderin beschrieben und ermöglicht eine induktive Dielektrizitätskonstantenbestimmung durch Amplitudenmessung an zwei Hochfrequenzen.A system suitable for this purpose is disclosed in U.S. Patent 3,891,916 Applicant described and enables an inductive dielectric constant determination by measuring the amplitude at two high frequencies.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein diesem bekannten System gegenüber verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante und des spezifischen elektrischen Widerstands von Erdformationen im Bereich eines Bohrlochs zu schaffen, welches eine einwandfreie Unterscheidung zwischen ölführenden und frischwasserführenden Erdformationen gestattet.The invention is now based on the object of this known System compared to an improved method for determining the dielectric constant and the electrical resistivity of earth formations in the range of a To create borehole, which allows a proper distinction between oil-bearing and fresh water-bearing earth formations.

Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren vom eingangs genannten Typ ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bohrloch elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von angenähert 30 MHz erzeugt werden, die sich ausbreitenden elektromagnetischen Wellen an einer in einem kürzeren Längs abstand im Bohrloch befindlichen ersten Stelle aufgefangen und unter Bewahrung der absoluten Phasen- und Amplitudeninformation der aufgefangenen Wellen in ein erstes Zwischenfrequenzsignal umgesetzt werden, das um wenigstens zwei Größenordnungen kleiner ist als die Anregungsfrequenz, die sich ausbreitenden elektromagnetischen Wellen außerdem an einer in einem größeren Längsabstand im Bohrloch befindlichen zweiten Stelle aufgefangen und unter Bewahrung der absoluten Phasen-und Arnplitudeninformation der aufgefangenen Wellen in ein von der ersten Zwischenfrequenz verschiedenes, zweites Zwischenfrequenzsignal umgesetzt werden, das um wenigstens zwei Größenordnungen kleiner ist als die Anregungsfrequenz, die beiden Zwischenfrequenzsignale zur Erdoberfläche übertragen werden, aus den beiden Signalen das nicht normalisierte Verhältnis der Amplituden an den in einem gegenseitigen Längsabstand im Bohrloch befindlichen Stellen und die relative Phasenversetzung der sich ausbreitenden Wellen zwischen diesen beiden Stellen ermittelt wird und daraus anhand einer vorbestimmten Beziehung die Dielektrizitätskonstante und der spezifische elektrische Widerstand der Erdformationen im Bohrlochbereich hergeleitet werden.The proposed method for solving the problem posed by initially mentioned type is according to the invention characterized in that in the borehole electromagnetic waves with a frequency of approximately 30 MHz are generated, the electromagnetic waves propagating along one in a shorter length distance in the borehole first position and while preserving the absolute phase and amplitude information of the captured waves in a first Intermediate frequency signal can be converted by at least two orders of magnitude is smaller than the excitation frequency, the propagating electromagnetic Waves at one in one too greater longitudinal spacing in the borehole located second position caught and preserving the absolute phases and Amplitude information of the captured waves in one of the first intermediate frequency different, second intermediate frequency signal are converted by at least is two orders of magnitude smaller than the excitation frequency, the two intermediate frequency signals transmitted to the earth's surface, from the two signals the non-normalized Ratio of the amplitudes to those in a mutual longitudinal distance in the borehole and the relative phase shift of the propagating waves is determined between these two points and from this based on a predetermined Relation between the dielectric constant and the specific electrical resistance of the earth formations in the borehole area.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können das nicht normalisierte Amplitudenverhältnis und die relative Phasenversetzung als Funktion der Bohrlochtiefe gespeichert bzw.According to a further embodiment, these can not be normalized Amplitude ratio and the relative phase shift as a function of the borehole depth saved or

aufgezeichnet und diese Verfahrens schritte auch wiederholt für unterschiedliche Tiefen im Bohrloch ausgeführt werden.recorded and these procedural steps repeated for different ones Depths are carried out in the borehole.

Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die induktive Dielektrizitätskonstantenbestimmung in ähnlicher Weise wie bei der vorgenannten US-PS, jedoch wird anstelle der Messung nur-der Signalamplitude für zwei unterschiedliche Frequenzen das nicht normalisierte Amplitudenverhältnis und die relative Phasenversetzung zwischen zwei Empfängern für ein und dieselbe Frequenz gemessen.In the method proposed according to the invention, the inductive method takes place Dielectric constant determination in a manner similar to the above US-PS, however, instead of measuring only the signal amplitude for two different Frequencies the non-normalized amplitude ratio and the relative phase offset measured between two receivers for the same frequency.

Die Meßwerte werden dann entsprechend vorbestimmten Beziehungen miteinander kombiniert, um die Dielektrizitätskonstante und den spezifischen elektrischen Widerstand der Erdformationen in der Umgebung des Bohrlochs herzuleiten.The measured values are then correlated with one another in accordance with predetermined relationships combined to the dielectric constant and the specific electrical resistance derive the earth formations in the vicinity of the borehole.

Aufgrund dieser Angaben lassen sich ölführende Schichten von frischwasserführenden Erdformationen unterscheiden.Based on this information, oil-bearing layers can be separated from fresh water-bearing Distinguish earth formations.

Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Bohrloch-Meßsonde vorgesehen, welche eine mit Hochfrequenz arbeitende, dielektrische Induktionsmeßvorrichtung enthält.A borehole measuring probe is used to carry out the method according to the invention provided which a high frequency dielectric induction measuring device contains.

Die Meßvorrichtung umfaßt einen auf einer Frequenz von 30 Mz arbeitenden Sender und einen zwei in einem gegenseitigen Längsabstand angeordnete Spulen aufweisenden Empfänger.The measuring device comprises one operating at a frequency of 30 Mz Transmitter and one having two coils arranged at a mutual longitudinal distance Recipient.

In dem hier betrachteten Hochfrequenzbereich läßt sich das ausgesendete Signal als sich fortpflanzende elektromagnetische Welle bezeichnen. Die physikalischen Eigenschaften der das Bohrloch umgebenden und die Fortpflanzung dieser Welle beeinflussenden Erdformationen umfassen dabei die Dielektrizitätskonstante der Erdformationen und die Leitfähigkeit (oder den spezifischen elektrischen Widerstand) der das Bohrloch umgebenden Erdformationen. Durch Messung des Verhältnisses der nicht normalisierten Amplituden des an den in unterschiedlichen Abständen in Bohrlochlängsrichtung angeordneten Empfängerspulen aufgefangenen Signals und der relativen Phasenverschiebung der sich ausbreitenden elektromagnetischen Wellen zwischen den beiden Empfängerspulen lassen sich sowohl die Dielektrizitätskonstante als auch der spezifische elektrische Widerstand der Erdformationen in der Umgebung des Bohrlochs bestimmen. Dementsprechend wird auch eine neuartige Vorrichtung zur Messung des Amplitudenverhältnisses und der Phasenversetzung für die hier ins Auge gefaßte Hochfrequenz vorgeschlagen.In the high-frequency range considered here, the transmitted Refer to a signal as a propagating electromagnetic wave. The physical Properties of those surrounding the borehole and influencing the propagation of this wave Earth formations include the dielectric constant of the earth formations and the conductivity (or electrical resistivity) of the borehole surrounding earth formations. By measuring the ratio of the non-normalized Amplitudes of the arranged at different distances in the longitudinal direction of the borehole Receiver coils captured signal and the relative phase shift of the spreading electromagnetic waves between the two receiver coils Both the dielectric constant and the specific electrical resistance change determine the earth formations in the vicinity of the borehole. Accordingly, will also a novel device for measuring the amplitude ratio and the Phase shift proposed for the high frequency envisaged here.

Weitere Merkmale, sowie die Vorteile der Erfindung sind anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.Further features, as well as the advantages of the invention are based on the following description of an exemplary embodiment in conjunction with the drawing explained in more detail.

In der Zeichnung ist Fig. 1 eine schematische Gesamtdarstellung mit Blockschaltbild einer zur Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeigneten dielektrischen Hochfrequenz-Induktions-Meßvorrichtung und Fig. 2 ein grafisches Schaubild eines theoretisch hergeleiteten Kurvenfeldes für das- nicht normalisierte Amplitudenverhältnis in Abhängigkeit von der relativen Phasenverschiebung des aus zwei Spulen bestehenden Empfängers von Fig. 1, für einen bestimmten Bereich vön Dielektrizitätskonstanten und spezifischen elektrischen Widerständen der Erdformationen.In the drawing is 1 shows a schematic overall representation with a block diagram of a suitable method for carrying out the proposed method high frequency dielectric induction measuring apparatus and FIG. 2 is a graph Diagram of a theoretically derived curve field for the non-normalized Amplitude ratio as a function of the relative phase shift of the two coils existing receiver of Fig. 1, for a certain range of vön Dielectric constants and specific electrical resistances of the earth formations.

Induktive Messungen und Messungen-des spezifischen elektrischen Widerstands, wie sie bis jetzt ausgeführt wurden, haben sich als unzureichend erwiesen zum Auffinden ölführender Sande in der Umgebung eines Bohrlochs, was darauf zurückzuführen ist, daß Frischwassersande und-ölführende Sande in der gleichen Größenordnung liegende spezifische elektrische Widerstände aufweisen können. Mit Hochfrequenz ermöglicht jedoch die gleichzeitige Messung sowohl der elektrischen Leitfähigkeit als auch der Dielektrizitätskonstante einer Formation eine Unterscheidung zwischen'diesen beiden Typen flüssigkeitsführender Schichten. Kohlenwasserstoffe zeichnen sich durch eine niedrige, unter 5; liegende Dielektrizitätskonstante £r aus. Frischwasser weist dagegen eine verhältnismäßig hohe Dielektrizitätskonstante £r von angenähert 80 auf. Die Dielektrizitätskonstante £ eines Stoffes ist definiert als die natürliche elektrische Polarisierung dieses Stoffes. In der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe relative Dielektrizitätskonstante und Dielektrizitätskonstante r synonym verwendet. Diese Größen stehen in Beziehung zu der Dielektrizitätskonstanten #0 des freien Raums durch die in Gleichung (1) angegebene Beziehung: in welcher 80 = 8,854 pF/m, die Dielektrizitätskonstante des freien Raums ist.Inductive measurements and electrical resistivity measurements as carried out up to now have proven inadequate for finding oil-bearing sands in the vicinity of a borehole, due to the fact that fresh water sands and oil-bearing sands are of the same order of magnitude May have resistances. With radio frequency, however, the simultaneous measurement of both the electrical conductivity and the dielectric constant of a formation enables a distinction between these two types of fluid bearing layers. Hydrocarbons are characterized by a low, below 5; lying dielectric constant £ r. Fresh water, on the other hand, has a relatively high dielectric constant ε r of approximately 80. The dielectric constant £ of a substance is defined as the natural electrical polarization of this substance. In the present description, the terms relative dielectric constant and dielectric constant r are used synonymously. These quantities are related to the dielectric constant # 0 of free space by the relationship given in equation (1): in which 80 = 8.854 pF / m, is the dielectric constant of free space.

Aus der elektromagnetischen Feldtheorie und insbesondere aus der Theorie eines schwingenden punktförmigen magnetischen Dipols läßt sich das Verhalten eines Hochfrequenzfeldes in der Umgebung eines zylindrischen Bohrlochs nach Gleichung (2) herleiten (Helmholtz-Gleichung in üblichen Zylinderkoordinaten # , # und z): in welcher Xz(m) der Hertz'sche Magnetvektor, Ifm) die Stromstärke, und k die durch Gleichung (3) vorgegebene komplexe Wellenzahl ist: k2 = #²µ# + j# µ6 (3) In Gleichung (2) sind o(p) und &(z) Einheitspimpulsfunktionen vom Dirac'schen Typ, # = 2Ti f ist die Kreisfrequenz, wobei f die Schwingfrequenz des punktförmigen magnetischen Dipols ist, # ist die Dielektrizitätskonstante des Mediums, µ ist die magnetische Permeabilität des den magnetischen Dipol. umgebenden Stoffs und # ist die elektrische Leitfähigkeit des Mediums (d.h. der Reziprokwert des spezifischen elektrischen Widerstands).The behavior of a high-frequency field in the vicinity of a cylindrical borehole can be derived from the electromagnetic field theory and in particular from the theory of an oscillating point-like magnetic dipole according to equation (2) (Helmholtz equation in usual cylindrical coordinates #, # and z): in which Xz (m) the Hertzian magnetic vector, Ifm) the current strength, and k is the complex wave number given by equation (3): k2 = # ²µ # + j # µ6 (3) In equation (2), o (p) and & (z) are Dirac type unit momentum functions, # = 2Ti f is the angular frequency, where f is the oscillation frequency of the point magnetic dipole, # is the dielectric constant of the medium, µ is the magnetic permeability of the magnetic dipole. surrounding substance and # is the electrical conductivity of the medium (ie the reciprocal of the specific electrical resistance).

Wie sich ersehen läßt, sind in den vorstehenden Gleichungen dem Stoff, der den schwingenden, punktförmigen magnetischen Dipol umgibt, drei physikalische Konstanten zugeordnet, nämlich die relative -magnetische Permeabilität , die Dielektrizitätskonstante g und die elektrische Leitfähigkeit s . Für die meisten Erdformationen kann fär den für das Verfahren interessierenden Frequenzbereich (von 10 bis 60 MHz) die relative magnetische Permeabilität p als eine Konstante angenommen werden, da- die Schwankungsbreite von A in den Stoffen der interessierenden Erdformationen im allge--meinen in einen Bereich von 0,001 bis 0,1 % fällt. Die beiden einzigen Konstanten des Mediums, welche bei den interessierenden Frequenzen nennenswerte Unterschiede für unterschiedliche Stoffe der Erdformation aufweisen, sind somit E und «. Diese beiden physikalischen Kennwerte haben sariiteinen direkten Einfluß auf einen die Medien durchlaufenden,hochfrequenten elektrischen Wechselstrom. Beide physikalische Eigenschaften der Medien beeinflussen die Amplitude und Phase in bezug auf den Sender der induzierten Ströme in Formationen im Bereich eines Bohrlochs.As can be seen, in the above equations the substance which surrounds the oscillating, punctiform magnetic dipole, three physical ones Associated with constants, namely the relative magnetic permeability, the dielectric constant g and the electrical conductivity s. For most earth formations, fär can be used the frequency range of interest for the procedure (from 10 to 60 MHz) the relative magnetic permeability p can be assumed to be a constant, since the fluctuation range of A in the materials of the earth formations of interest in general into one Range falls from 0.001 to 0.1%. The only two constants of the medium, which there are notable differences in the frequencies of interest for different ones Having substances of the earth formation are therefore E and «. These two physical Characteristic values have a direct influence on a high frequency passing through the media alternating electric current. Both physical properties of the media affect the amplitude and phase with respect to the transmitter of the induced currents in formations in the area of a borehole.

Wenn angenommen wird, daß sich ein punktförmiger magnetischer Dipol in einem zylindrischen Bohrloch befindet und der Helmholtz-Gleichung (d.h. Gleichung 2) entspricht, ist das Gesamtfeld definiert als das Feld mit der Frequenz der Magnetquelle, welches in einem beliebigen Medium von einer Empfängerspule ermittelt wird. Das Gesamtfeld läßt sich in ein Primärfeld und ein Sekundärfeld aufspalten. Das Primärfeld ist dann nach Definition das Feld mit der Frequenz der Quelle, welches durch die Empfängerspule in einem Bezugsmedium (wie z.B. Vakuum oder Luft) abgetastet wird.If it is assumed that there is a point-shaped magnetic dipole located in a cylindrical borehole and the Helmholtz equation (i.e. equation 2), the total field is defined as the field with the frequency of the magnetic source, which is determined in any medium by a receiver coil. That Total field can be split into a primary field and a secondary field. The primary field is then by definition the field with the frequency of the source, which is caused by the Receiver coil is scanned in a reference medium (such as vacuum or air).

Das Sekundärfeld ist nach -Definition dasjenige Feld, welches nach vektorieller Addition mit dem-Primärfeld das Gesamtfeld ergibt. Amplitude und Phase des Primärfelds sind gleich Amplitude und Phase des -Gesamtfelds im Bezugsmedium. Wenn die Quelle in ein gegenüber dem Bezugsmedium unterschiedliches Medium eingebracht wird, addiert sich das Sekundärfeld vektoriell zu dem Primärfeld und liefert das Gesamtfeld innerhalb des neuen Mediums. Das Primärfeld dient als Amplituden- und Phasen-Bezugswert für die Bestimmung des Sekundärfelds.According to the definition, the secondary field is the field which is after vectorial addition with the primary field results in the total field. Amplitude and phase of the primary field are equal to the amplitude and phase of the total field in the reference medium. if the source is placed in a medium that differs from the reference medium is, the secondary field adds vectorially to the primary field and delivers that Total field within the new medium. The primary field serves as an amplitude and Phase reference value for determining the secondary field.

Die in dem den schwingenden, punktförmigen magnetischen Dipol umgebenden Medium fließenden Ströme werden als Wirbelströme bezeichnet. Die Wirbelströme erzeugen Sekundärfelder, die im Falle eines Leitfähigen Mediums dem Primär- oder Bezugsfeld entgegenwirken. Wenn jedoch - a)E (die Kreisfrequenz multipliziert mit der Dielektrizitätskonstante) sich der Größe von « (der elektrischen Leitfähigkeit) nähert, erfolgt eine Phasenversetzung der Wirbelströme, so daß es sogar zur Ausbildung von Sekundärfeldern kommen kann, welche die Größe des Gesamtfelds steigern. Das trifft allgemein für den verfahrensgemäß interessierenden Frequenzbereich zu, der allgemein den Hochfrequenzbereich von 10 bis 60 Mliz umfaßt.The ones surrounding the oscillating, punctiform magnetic dipole Medium flowing currents are called eddy currents. The eddy currents generate Secondary fields, which in the case of a conductive medium are the primary or reference field counteract. However, if - a) E (the angular frequency multiplied by the dielectric constant) when the magnitude of «(the electrical conductivity) approaches, a phase shift occurs the eddy currents, so that secondary fields can even develop, which increase the size of the overall field. This applies generally to the procedural frequency range of interest, which is generally the high frequency range of 10 up to 60 mliz.

Da sowohl Änderungen von E und s Änderungen der Wirbelströme bei jeder Frequenz hervorrufen, lassen sich diese beiden Wirkungen durch Messung einer einzelnen Feldamplitude nicht voneinander trennen. Entsprechend dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann jedoch die Messung des nicht normalisierten Amplitudenverhältnisses des Gesamtfeldes an zwei in unterschiedlichen Längsabständen befindlichen Empfängerspulen mit einer Messung der relativen Phasenversetzung des Feldes zwischen den beiden Empfängerspulen kombiniert werden, um gleichzeitig den spezifischen elektrischen Widerstand und die Dielektrizitätskonstante der Formation zu bestimmen.Because both changes in E and s changes in eddy currents at each These two effects can be caused by measuring a single frequency Do not separate field amplitudes from one another. Corresponding to that proposed according to the invention However, the method can be the measurement of the non-normalized amplitude ratio of the total field at two receiver coils located at different longitudinal distances with a measurement of the relative phase displacement of the field between the two Receiver coils are combined to produce the specific electrical at the same time Determine the resistance and dielectric constant of the formation.

Eine andere Betrachtungsweise des zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feldes in der Umgebung des Bohrloches bei den hier interessierenden Hochfrequenzen ist die einer sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle. Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen innerhalb eines Mediums ist durch zwei primäre Faktoren gekennzeichnet. Der eine Faktor dabei ist die Fortpflanzungs- oder Ausbreitungsgeschwindgkeit vp der Welle, und der andere Faktor die Dämpfung 0< . Die Messung der Dämpfung a und der Au-sbreitungsgesc-hwindigkeit vp gestattet dann die Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstands und der Dielektrizitätskonstanten des Fortpflanzungsmediums. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit vp für elektromagnetische Wellen in Erdformationen sehr hoch ist (und sich dem Wert c, d.h der Lichtgeschwindigkeit im freien Raum nähert), wird für praktisch brauchbare Meßabstände und den gegenseitigen Abstand von zwei Empfängerspulen in einem Bohrloch der Durchgang einer Wellenfront an den beiden Spulen als eine relative Phasenversetzung der Wellenfront zwischen den in einem gegenseitigen Abstand angeordneten beiden Empfängerspulen und nicht als zwei zeitlich voneinander getrennte Ereignisse angezeigt. Somit stellt entsprechend der Erfindung die Messung der relativen Phasenversetzung des Gesamtfelds zwischen zwei in einem gegenseitigen Längsabstand in einem Bohrloch angeordneten Empfängerspulen einen Meßwert für die Ausbreitungsgeschwindigkeit vp des Gesamtfeldes in der Formation dar.Another way of looking at the time-varying electromagnetic Field in the vicinity of the borehole at the high frequencies of interest here is that of a propagating electromagnetic wave. The spread of electromagnetic Waves within a medium are characterized by two primary factors. Of the one factor is the speed of reproduction or propagation vp der Wave, and the other factor the damping 0 <. The measurement of the attenuation a and the velocity of propagation vp then allows the determination of the specific electrical resistance and the dielectric constant of the medium of propagation. Since the speed of propagation vp for electromagnetic waves in earth formations is very high (and corresponds to the value c, i.e. the speed of light in free space approaches), is used for practically usable measuring distances and the mutual distance of two receiver coils in a borehole the passage of a wave front to the two coils as a relative phase shift of the wavefront between the in a mutual spaced-apart two receiver coils and not as two temporally separated events are displayed. Thus, according to the Invention the measurement of the relative phase displacement of the total field between two receiver coils arranged at a mutual longitudinal spacing in a borehole a measured value for the velocity of propagation vp of the total field in the formation represent.

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit vp so groß ist, kann in entsprechender Weise ein zeitlicher Mittelwert des Amplitudenverhältnisses des Gesamtfeldes an den- zwei in einem gegenseitigen Längsabstand angeordneten Empfängerspulen als kontinuierlicher zeitlicher Mittelwert der Amplitude der gleichen elektromagnetischen Welle bei ihrem Durchgang durch die beiden Empfängerspulen betrachtet werden. Folglich stellt der Unterschied der Amplituden zwischen den Empfängerspulen (oder das Amplitudenverhältnis an zwei in einem gegenseitigen Abstand angeordneten Empfängerspulen) die Dämpfung 0< der Welle durch das zwischen den beiden Spulen befindliche Medium dar.Since the speed of propagation vp is so great, a corresponding Provide a time average of the amplitude ratio of the total field den- two receiver coils arranged at a mutual longitudinal distance as a continuous one temporal mean value of the amplitude of the same electromagnetic wave at their Passage can be viewed through the two receiver coils. Consequently represents the difference in amplitudes between the receiver coils (or the amplitude ratio at two receiver coils arranged at a mutual distance) the attenuation 0 <of the wave through the medium located between the two coils.

Es sei nun eine elektromagnetische Stelle betrachtet, die an einer Stelle A erzeugt wird und sich radial in allen Richtungen ausbreitet. Die zeitliche Abhängigkeit dieser Welle läßt sich mathematisch ausdrücken durch AAej#t, wobei AA die komplexe Amplitude der Welle an der Stelle A, und ; ihre Kreisfrequenz ist. j und e haben dabei die vorstehend angegebenen Bedeutungen (d.h. und e als Basis der natürlichen Logarithmen).Let us now consider an electromagnetic point which is generated at a point A and which spreads radially in all directions. The time dependence of this wave can be expressed mathematically by AAej # t, where AA is the complex amplitude of the wave at point A, and; their angular frequency is. j and e have the meanings given above (ie and e as the base of the natural logarithms).

In einem beliebigen Abstand von der Stelle A befindet sich an einer Stelle B ein Empfänger R1. An dieser Stelle ist die zeitliche Abhängigkeit der Welle ABej(#t+#1), wobei AB die Wellenamplitude an der Stelle B und 81 die Phase der Welle an Punkt B in bezug zu Punkt A ist. In entsprechender Weise befindet sich an einer dritten Stelle C auf der die Stellen A und B miteinander verbindenden Linie und in einem Abstand Z von der Stelle B ein zweiter Empfänger R2. Die zeitliche Abhängigkeit der Welle an dieser Stelle ist vorgegeben durch Acej(#t+#2). Auch hier ist wiederum AC die komplexe Wellenamplitude am Punkt C,und e2 ist die Phase der Welle an Punkt C in bezug zu Punkt A.At any distance from point A is located at one Place B a receiver R1. At this point is the time dependence of the wave ABej (# t + # 1), where AB is the wave amplitude at point B and 81 is the phase of the wave is at point B with respect to point A. In a corresponding way is located on one third place C on the line connecting the places A and B with each other and at a distance Z from point B, a second receiver R2. The time dependency the wave at this point is given by Acej (# t + # 2). Again, here is again AC is the complex wave amplitude at point C, and e2 is the phase of the wave at point C in relation to point A.

Das Verhältnis der an den Empfängern R1 und R2 ankommenden Signale ist dann Verhältnis = Unter Berücksichtigung des gegenseitigen Abstands Z zwischen den Empfängern R1 und R2 und der Definition der Kreisfrequenz W ergibt sich dann # vp = #2 - #1 . z (5) und für die Dämpfung α AC AB -(6) Durch Rechnerauswertung der Lösung der Helmholtz-Gleichung (d.h. Gleichung 2) läßt sich theoretisch ein Nomogramm für das Verhalten -des dielektrischen,- induktiven Meßsystems für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einem homogenen Medium herleiten. Das grafische Schaubild von Fig. 2 zeigt ein derartiges Nomogramm, das auf diese Weise für die angegebenen Spulenabstände (d.h. 81,2 cm zur näher angeordneten Empfängerspule und 111,7 cm zur weiter entfernt angeordneten Empfängerspule) hergeleitet worden ist.- Wie sich ersehen läßt, ist das in Fig. 2 dargestellte Amplitudenverhältnis ein nicht normalisiertes" Amplitudenverhältnis, d.h. es stellt das tatsächliche, in keiner Weise veränderte Spannungsverhältnis an den Empfängerspulen dar. Die Kurven in Fig. 2 veranschaulichen das Ansprechverhalten des Systems für unterschiedliche spezifische elektrische Widerstände RT der Formation von etwa -5 Ohm/m is zu etwa 320 Ohm/m und für einer Bereich der Dielektrizitätskonstanten der Formation von etwa.5 5 E, bis etwa 25 #o. Mit einer Meßvorrichtung, die gestattet, das nicht normalisierte Amplitudenverhältnis AL/AS zwischen dem Signal AL an einer in einem größeren Abstand befindlichen Empfängerspule und dem Signal AS an der in einem kleineren Abstand befindlichen Empfänger spule, sowie die relative Phasenversetzung iL - #s zwischen den beiden Empfängerspulen zu messen, lassen sich entsprechend Fig. 2 grafisch darstellbare Zusammenhänge zur Bestimmung sowohl der Dielektrizitätskonstanten als auch des spezifischen elektrischen Widerstands RT der homogenen Formation verwenden.The ratio of the signals arriving at the receivers R1 and R2 is then ratio = Taking into account the mutual distance Z between the receivers R1 and R2 and the definition of the angular frequency W, # vp = # 2 - # 1 then results. z (5) and for the attenuation α AC AB - (6) By computer evaluation of the solution to the Helmholtz equation (ie equation 2), a nomogram for the behavior of the dielectric, inductive measuring system for the propagation of electromagnetic waves in one derive homogeneous medium. The graphical diagram of Fig. 2 shows such a nomogram which has been derived in this way for the specified coil distances (ie 81.2 cm to the closer receiver coil and 111.7 cm to the more distant receiver coil). As can be seen The amplitude ratio shown in FIG. 2 is a non-normalized "amplitude ratio, ie it represents the actual, in no way changed voltage ratio at the receiver coils. The curves in FIG. 2 illustrate the response behavior of the system for different specific electrical resistances RT of the formation from about -5 ohm / m to about 320 ohm / m and for a range of dielectric constants of the formation of about 5.5 E, to about 25 o. With a measuring device which allows the non-normalized amplitude ratio AL / AS between the signal AL on a receiver coil located at a greater distance and the signal AS on the at a smaller distance located receiver coil, as well as the relative phase shift iL - #s between the two receiver coils can be used in accordance with Fig. 2 graphically representable relationships to determine both the dielectric constant and the specific electrical resistance RT of the homogeneous formation.

Für den Fachmann dürfte ohne weiteres ersichtlich sein, daß für das in Fig. 2 dargestellte Nomogramm angenommen ist, daß keine Bohrlochflüssigkeit in die Formation eingedrungen ist und sich die Welle in einem homogenen Medium ausbreitet. Entsprechende grafische Darstellungen lassen sich jedoch auch ohne weiteres für davon abweichende Bedingungen herleiten, indem in die Lösungen von Gleichung (2) entsprechende Grenzwertbedingungen eingeführt werden.For the person skilled in the art it should be readily apparent that for the In Fig. 2 shown nomogram is assumed that no borehole fluid in the formation has penetrated and the wave propagates in a homogeneous medium. Corresponding graphic representations can, however, also easily be used for Derive conditions that differ from this by adding to the solutions of equation (2) corresponding limit value conditions are introduced.

In diesen Fällen kann jedoch erforderlich sein, mehr als einen Wert der Phasenversetzung und des Amplitudenverhältnisses zu messen, um die verschiedenen spezifischen elektrischen Widerstände R und Dielektrizitätskonstanten ç in unterschiedlichen zylindrischen Bereichen der Bohrlochmedien herzuleiten. In entsprechender Weise gelten natürlich für unterschiedliche Abstände zwischen Sender und Empfängern andere, jedoch Fig. 2 analoge Zusammenhänge.In these cases, however, more than one value may be required the phase offset and the amplitude ratio to measure the different specific electrical resistances R and dielectric constants ç in different inferring cylindrical regions of the well media. In a corresponding way Of course, different distances apply to different distances between transmitter and receiver, however, FIG. 2 shows analogous relationships.

Eine weitere Möglichkeit zur Messung von T und RT besteht in der empirischen Herleitung von Fig. 2 analogen Beziehungen durch Messungen des nicht normalisierten Amplitudenverhältnisses AL/AS und der Phasenversetzung e L 8 e5 in Versuchsbohrlöchern unter kontrollierten Bedingungen und Vorgabe unterschiedlicher, bekannter Werte für E und RT.Another way to measure T and RT is empirical Derivation of Fig. 2 analog relationships by measurements of the non-normalized Amplitude ratio AL / AS and the phase shift e L 8 e5 in test boreholes under controlled conditions and specification of different, known values for E and RT.

T T Aus mehreren derartigen Messungen läßt sich dann ein Fig.2 analoger grafischer Zusammenhang erhalten. Unabhängig von ihrer Herleitung lassen sich die Zusammenhänge in tabellarischer Form im Speicher z.B. eines Mehrzweck-Digitalrechners speichern und zur Herleitung der Werte für E und R aus den Werten von AL/AS und eL-eS für ein vermessenes unbekanntes Bohrloch verwenden. Dem Fachmann stehen entsprechende Interpolations- und Kurvenanpaßtechniken zur Herleitung der Werte für c und R anhand der in Fiy. 2 für bestimmte Bohrlochbedingungen dargestellten Zusammenhänge zur Verfügung. Ein kleiner Mehr-zweck-Digitalrechner wie z.B. vom Typ PDP-11 (Hersteller Digital Equipment Corporation, Cambridge, Massachusetts, V.St.A.) kann zu diesem Zweck in einer bekannten Kompilersprache wie z.B. FORTRAN programmiert werden, um die Dielektrizitätskonstante und den spezifischen elektrischen Widerstand einer Formation in der beschriebenen Weise aus den Meßwerten des Amplitudenverhältnisses und der Phasenversetzung herzuleiten. T T From several measurements of this kind, a figure 2 can then be made analogous maintain graphic context. Regardless of their derivation, the Relationships in tabular form in the memory of e.g. a multi-purpose digital computer and to derive the values for E and R from the values of AL / AS and Use the eL-eS for a measured, unknown borehole. Corresponding ones are available to those skilled in the art Interpolation and curve fitting techniques to derive the values for c and R from those in FIG. 2 are available for certain borehole conditions. A small multi-purpose digital computer such as type PDP-11 (manufacturer Digital Equipment Corporation, Cambridge, Massachusetts, V.St.A.) can be used for this purpose in a known Compiler language such as FORTRAN can be programmed to determine the dielectric constant and the resistivity of a formation in that described Way to derive from the measured values of the amplitude ratio and the phase shift.

In Fig. 1 ist ein zur Ausführung des Verfahrens geeignetes dielektrisches Induktionsmeßsystem mit zwei Empfängern schematisch dargestellt. Eine Bohrloch-Meßsonde 11, deren Hauptgehäuseteil vorzugsweise aus Glasfasern oder einem anderen nichtleitfähigen Werkstoff ausreichender Festigkeit hergestellt ist, ist vermittels eines Sondenkabels 12 in einem mit Bohrlochflüssigkeit 14 gefüllten, unverrohrten Bohrloch 1-3 aufgehängt und von Erdformationen 15 umgeben, deren Dielektrizitätskonstante und Leitfähigkeit gemessen werden sollen.In Fig. 1 is a suitable dielectric for carrying out the method Induction measuring system with two receivers shown schematically. A borehole logging probe 11, the main housing part of which is preferably made of fiberglass or some other non-conductive Material of sufficient strength is made by means of a probe cable 12 suspended in an uncased borehole 1-3 filled with borehole fluid 14 and surrounded by earth formations 15, their dielectric constant and conductivity should be measured.

Der untere Teil der Bohrloch-Meßsonde 11 enthält im wesentlichen einen Senderelektronikteil 1 6 mit einer zugeordneten Senderspule 17. Die Senderspule 17 ist um einen mittigen Kern 20 als Festigkeitskörper gewickelt, der ebenfalls vorzugsweise aus einem nicht leitfähigen Werkstoff wie z.B. Glasfasern oder dgl. hergestellt ist. Die Senderspule: 17 wird mit einer Frequenz von 30 MHz betrieben und ist in der nachstehend beschriebenen Weise beschaffen. Zwei schraubenförmig auf den Kern aufgewickelte Empfängerspulen 18 und 19. bilden zwei Empfänger, die auf eine Frequenz von 30 MHz ansprechbar sind.The lower part of the borehole logging probe 11 essentially contains one Transmitter electronics part 1 6 with an associated transmitter coil 17. The transmitter coil 17 is wound around a central core 20 as a strength body, which is also preferably made of a non-conductive material such as glass fibers or the like. is made. The transmitter coil: 17 is operated at a frequency of 30 MHz and is designed in the manner described below. Two helical Receiver coils 18 and 19 wound on the core form two receivers, the are responsive to a frequency of 30 MHz.

Der dornförmige Kern 20 weist einen Außendurchmesser von 5 cm und einen Innendurchmesser von 1,58 cm (5/8 Zoll) auf und ist zusammen mit den Elektronikteilen der Sonde innerhalb des Körpers der druckfest abgedichteten Bohrloch-Meßsonde 11 angeordnet. Die Senderspule 17 besteht aus vier Wicklungen eines Kupferhohlleiters von 3 mm Durchmesser, welche gegenseitige Abstände von 0,95 cm aufweisen. Die Empfängerspulen 18 und 19 bestehen jeweils aus einer Einfachwicklung. Die Empfängerspule 19 befindet sich in einem Abstand von 111,7 cm (44 Zoll) von der Senderspule, und die Empfängerspule 18 in einem Abstand von 81,2 cm ((32 Zoll) von der Senderspule 17. Die Senderspule 17 und die beiden Empfängerspulen 18 und 19 sind jeweils elektrostatisch abgeschirmt, wie durch die gestrichelten Linien um diese Spulen herum angedeutet ist. Die vorstehend angegebenen Spulenabstände dienen lediglich zur Veranschaulichung; es dürfte ohne weiteres ersichtlich sein, daß im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens auch andere Frequenzen im interessierenden Hochfrequenzbereich und entsprechend andere Spulenabstände benutzt werden können.The mandrel-shaped core 20 has an outer diameter of 5 cm and has an inside diameter of 1.58 cm (5/8 in.) and is included with the electronics of the probe within the body of the pressure-tight sealed borehole measuring probe 11 arranged. The transmitter coil 17 consists of four windings of a copper waveguide 3 mm in diameter, which are spaced 0.95 cm from one another. The receiver coils 18 and 19 each consist of a single winding. The receiver coil 19 is located located 111.7 cm (44 inches) from the transmitter coil, and the receiver coil 18 at a distance of 81.2 cm (32 inches) from the transmitter coil 17. The transmitter coil 17 and the two receiver coils 18 and 19 are each electrostatically shielded, as indicated by the dashed lines around these coils. The above specified coil distances are for illustration purposes only; it should be without further be seen that in the context of the proposed method according to the invention also other frequencies in the high frequency range of interest and accordingly other coil spacings can be used.

Vermittels einer (nicht dargestellten) herkömmlichen Winde an der Erdoberfläche wird die Bohrloch-Meßsonde 11 während eines Meßvorgangs durch das Bohrloch 13.hindurchbewegt, d.h. in dieses abgelassen. Die Laufrolle 22, über welche das Sondenkabel 12 geführt ist, kann wie durch die gestrichelte Linie 25 angedeutet elektrisch oder mechanisch mit einem Datenaufzeichnungsgerät 24 gekoppelt sein, das dazu dient, die von der Bohrloch-Meßsonde 11 abgegebenen,aufbereiteten Signale als Funktion der Tiefe der Meßsonde 11 im Bohrloch 13 zu speichern bzw. aufzuzeichnen. Die elektrischen Speisespannungen für den Betrieb der Empfängerelektronik 36 in der Meßsonde 1 1 werden von einer an der Erdoberfläche befindlichen Stromquelle 28 geliefert und über Leiter im Sondenkabel 12 zur Meßsonde zugeführt. Die Speisespannung zum Betrieb des Senderelektronikteils 16 wird von einer Sondenbatterie 27 geliefert, die im unteren Ende der Me-ßsonde 11 angeordnet und mechanisch leicht abnehmbar und austauschbar ausgebildet ist.By means of a conventional winch (not shown) on the Earth's surface is the borehole measuring probe 11 during a measuring process through the Borehole 13th moved through, i.e. drained into it. The roller 22 over which the probe cable 12 is guided, as indicated by the dashed line 25 be electrically or mechanically coupled to a data recording device 24, which is used to output the processed signals emitted by the borehole measuring probe 11 to store or record as a function of the depth of the measuring probe 11 in the borehole 13. The electrical supply voltages for operating the receiver electronics 36 in the measuring probe 1 1 are from a power source located on the earth's surface 28 delivered and via ladder in Probe cable 12 fed to the measuring probe. The supply voltage for operating the transmitter electronics part 16 is provided by a probe battery 27, which are arranged in the lower end of the measuring probe 11 and are mechanically light is designed to be removable and replaceable.

Die Empfängerelektronik 36 ist rechts der Meßsonde 11 in einem gestrichelten Kas.ten schematisch, jedoch in weiteren Einzelheiten dargestellt. Die Ausgänge der beiden Empfängerspulen 1.8 und 19 liegen jeweils an einem von zwei gleichen Einzelempfänger- und Umsetzsystemen. Einander identische Eingangsverstärker 30 und 31 verstärken die Signale von Empfängerspule 18 und 19 und legen die verstärkten Signale als Eingangssignal an jeweils einen von zwei einander idenzwischen Mischstufen 32 und 33 an. Den Mischstufen 32 und 33 werden Signale von 30,0015 MHz von ein und demselben quarzgesteuerten Oszillator 34 zugeführt. Da nur ein Oszillator 34 benutzt wird, bleibt beim Mischvorgang die Phaseninformation in den ursprünglichen 30 MHz--Signalen an den beiden Empfängerspulen 18 und 19 voll und ganz erhalten. An den Ausgängen der beiden Mischstufen 32 und 33 er.scheinen zwei 1,5 kHz-Signale, welche die Phasen- und Amplitudeninformation unverändert enthalten. Diese 1,5 KHz-Signale werden in einander identischen Breitbandverstärkern 37 und 38verstärkt und als Modulationseingänge an einen -spannungsgregelten Oszillator 39 von 30 kHz bzw. an einen spannungsgeregelten Oszillator 40 von 130 kHz angelegt.The receiver electronics 36 are to the right of the measuring probe 11 in a dashed line Boxes are schematic, but shown in more detail. The outputs of the both receiver coils 1.8 and 19 are each connected to one of two identical individual receiver and transfer systems. Amplify identical input amplifiers 30 and 31 the signals from receiver coils 18 and 19 and apply the amplified signals as input signals to one of two mixing stages 32 and 33 which are identical to one another. The mixer stages 32 and 33 are signals of 30.0015 MHz from one and the same crystal controlled Oscillator 34 supplied. Since only one oscillator 34 is used, the mixing process remains the phase information in the original 30 MHz signals at the two receiver coils 18 and 19 fully preserved. At the outputs of the two mixer stages 32 and 33 two 1.5 kHz signals appear, which provide the phase and amplitude information included unchanged. These 1.5 KHz signals are used in identical broadband amplifiers 37 and 38 are amplified and used as modulation inputs to a voltage-regulated oscillator 39 of 30 kHz or applied to a voltage-controlled oscillator 40 of 130 kHz.

Der spannungsgeregelte Oszillator 39 arbeitet mit einer Nennmittenfrequenz von 30 kHz und ist frequenzmoduliert um diese Trägerfrequenz durch das vom Breitbandverstärker 37 angelegte 1,5 kHz-Signal. In entsprechender Weise ist der 130 kHz-spannungsgeregelte Oszillator 40 frequenzmoduliert durch das 1,5 kHz-Ausgangssignal des Breitbandverstärkers 38. Die Ausgangssignale der beiden Oszillatoren 39 und 40 bestehen somit aus zwei frequenzmodulierten Signalen von 30 KHz bzw. 130 kz, deren Modulationskomponenten sämtliche Amplituden- und Phaseninformation an den Empfängerspulen 18 und 19 enthalten, d.h. unverändert bewahren. Die Ausgangssignale der Oszillatoren 39 und 40 werden an einen Summierverstärker 41 angelegt und in diesem summiert. Die Übertragung zur Erdoberfläche erfolgt vermittels einer (nicht dargestellten) Kabeltreiberstufe über das Sondenkabel 12.The voltage-regulated oscillator 39 operates with a nominal center frequency of 30 kHz and is frequency-modulated around this carrier frequency by the broadband amplifier 37 applied 1.5 kHz signal. The 130 kHz is voltage-regulated in a corresponding manner Oscillator 40 is frequency modulated by the 1.5 kHz output signal of the broadband amplifier 38. The output signals of the two oscillators 39 and 40 thus consist of two frequency-modulated ones Signals of 30 kHz or 130 kHz, the modulation components of which include all amplitude and contain phase information on the receiver coils 18 and 19, i.e. unchanged maintain. The output signals of the oscillators 39 and 40 are sent to a summing amplifier 41 and summed up in this. The transmission to the earth's surface takes place by means of a cable driver stage (not shown) via the probe cable 12.

An der Erdoberfläche wird das summierte Ausgangssignal der spannunysgeregelten Oszillatoren 39 und 40 über einen Trennkondensator 42 in Wechselspannungskopplung an einen Pufferverstärker 43 angelegt. Der Ausgang des Pufferverstärkers 43 liegt an einem 30 kHz-Bandpaßfilter 44 und an einem 130 kHz-Bandpaßfilter 45. Die Filter 44 und 45 trennen die beiden Trägerfrequenzkomponenten wiederum in die Frecluenzen von 30 kHz und 130 kHz, welche wie vorstehend beschrieben die frequenzmodulierten Ausgangssignale der in der Meßsonde befindlichen Oszillatoren 39 und 40 darstellen.At the earth's surface, the summed output signal is regulated by the voltage Oscillators 39 and 40 via an isolating capacitor 42 in AC coupling is applied to a buffer amplifier 43. The output of the buffer amplifier 43 is present at a 30 kHz bandpass filter 44 and at a 130 kHz bandpass filter 45. The filters 44 and 45 again separate the two carrier frequency components into the frequencies of 30 kHz and 130 kHz, which are frequency-modulated as described above Represent output signals of the oscillators 39 and 40 located in the measuring probe.

Das 30 kHz-Ausgangssignal des Bandpaßfilters 44 wird durch eine Analysendemodulatorstufe (phasenverriegelte Schleife) 46 demoduliert. In entsprechender Weise wird das 130 kHz-Ausgangssignal des Bandpaßfilters 45 durch eine Analysendemodulatorstufe (phasenverriegelte Schleife) 47 demoduliert.The 30 kHz output of the band pass filter 44 is passed through an analysis demodulator stage (phase locked loop) 46 demodulated. In a corresponding way, the 130th kHz output signal of the bandpass filter 45 through an analysis demodulator stage (phase-locked Loop) 47 demodulated.

Die Ausgangssignale der Analysendemodulatorstufen 46 und 47 bestehen somit aus den 1,5 kHz-Signalen, welche sämtliche Amplituden- und Phaseninformation der ursprüngl-ichen 30 MHzsignale an den Empfängerspulen 18 und 19 unverändert enthalten.The output signals of the analysis demodulator stages 46 and 47 exist thus from the 1.5 kHz signals, which contain all amplitude and phase information of the original 30 MHz signals at the receiver coils 18 and 19 contain unchanged.

Nach weiterer Filterung durch angepaßte Tiefpaßfilter- und Verstärkerstufen 48 und 49 werden die 1,5 kHz-Ausgangssignale von Analysendemodulatorstute 46 (welches dem 30 MHz-Signal an der Empfängerspule 18 entspricht) und der Analysendemodulatorstufe 47 (welches dem 30 MHz-Signal an der Empfängerspule 19 entspricht) jeweils an eine Amplitudenverhältnis-Detektorschaltung 50 und an eine Relativphasen-Detektorschaltung 51 angelegt.After further filtering through adapted low-pass filters and Amplifier stages 48 and 49 are the 1.5 kHz output signals from the analyzer demodulator 46 (which corresponds to the 30 MHz signal at the receiver coil 18) and the analysis demodulator stage 47 (which corresponds to the 30 MHz signal at the receiver coil 19) to one each Amplitude ratio detection circuit 50 and to a relative phase detection circuit 51 created.

Die Amplitudenverhältnis-Detektorschaltung 50 arbeitet wie folgt: Das dem ursprünglichen 30 MHz-Signal der näheren Empfängerspule 19 entsprechende 1,5 kHz-Signal wird an einen Eingangsverstärker 53 angelegt, während das dem ursprünglichen 30 MHz-Signal der weiter entfernten Empfängerspule 18 entsprechende 1,5 kflz-Signal an einen Eingangsverstärker 52 angelegt wird. Die Ausgänge der Verstärker 52 und 53 liegen jeweils an einem Gleichrichter 55 bzw. 54.The amplitude ratio detector circuit 50 operates as follows: The one corresponding to the original 30 MHz signal from the closer receiver coil 19 1.5 kHz signal is applied to an input amplifier 53, while that of the original 30 MHz signal of the more distant receiver coil 18 corresponding 1.5 kflz signal is applied to an input amplifier 52. The outputs of amplifiers 52 and 53 are each connected to a rectifier 55 and 54, respectively.

Durch die Gleichrichter wird ein Gleichstrom-Ausgangssignal erzeugt, das jeweils die Amplitude des entsprechenden Eingangssignals darstellt. Diese Gleichstrom-Ausgangssignale.The rectifier generates a direct current output signal, each representing the amplitude of the corresponding input signal. These DC output signals.

werden einer herkömmlichen Teilerstufe 56 zugeführt, deren Ausgangssignal das Amplitudenverhältnis der ursprünglichen 30 Mliz-Signale (d.h. A18/A19) an den beiden Empfängerspulen 18 und 19 in der im Bohrloch befindlichen Meßsonde 11 darstellt. Das Verhältnis-Ausgangssignal wird über einen Ausgangsverstärker 57 an das Datenaufzeichnungsgerät 24 angelegt. Stattdessen kann das Ausgangssignal auch über einen (hier nicht dargestellten) Analog-Digital-Wandler in ein Digitalsignal umgesetzt und einem kleinen Mehrzweck-Digitalrechner wie vorstehend beschrieben zugeführt oder auf Magnetband yespeicherl und in einer entfernten Datenverarbeitungsstation aufbereitet werden.are fed to a conventional divider stage 56 whose output signal is the amplitude ratio of the original 30 Mliz signals (i.e. A18 / A19) to the represents two receiver coils 18 and 19 in the measuring probe 11 located in the borehole. The ratio output is fed through an output amplifier 57 to the data recorder 24 created. Instead, the output signal can also be sent via a (not shown here) Analog-to-digital converter converted into a digital signal and a small multi-purpose digital computer supplied as described above or on magnetic tape yesspeicherl and in one remote data processing station.

Die Itelativphasen-Detektorschaltung 51 arbeitet wie folgt: Das das 30 MHz-Signal der näheren Empfängerspule 19 darstellende 1,5 k11z-Signal wird an einen EingançJsverstärker 60 angelegt, während das dem ursprünglichen 30 MHz-Signal der weiter entfernten Empfängerspule 18 entsprechende 1,5 kHz-Signal an einen Eingangsverstärker 61 angelegt wird.The relative phase detector circuit 51 operates as follows: Das das 30 MHz signal of the nearer receiver coil 19 representing 1.5 k11z signal is applied to an input amplifier 60, while the original 30 MHz signal of the more distant receiver coil 18 corresponding 1.5 kHz signal is applied to an input amplifier 61.

Die sinusförmigen 1,5 kHz-Ausgangssignale der Eingangsverstärker 60 und 61 werden jeweils einem von zwei einander identischen Nulldurchgangsdiskriminatoren 62 und 63 zugeführt, welche die sinusförmigen Eingangssignale von 1,5 kfiz in eine Rechteckwellenform mit den gleichen Nuildurchgängen umsetzen, wobei die in diesen Signalen enthaltene Phasenversetzungsinformation unverändert erhalten bleibt. Die ltechteckwellen-Ausgangssignale der Nulldurchgangsdiskriminatoren 62 und 63 werden dann an die Eingänge eines exklusiven NOIt-Catters 64 angelegt. Die Zeitdauer des von dem exklusiven NOR-Gatter 64 erzeugten Ausynsimpulses ist somit proportional dem Phasenunterschied zwischen den beiden Rechteckwellen-Eingangssignalen. Der Impulsausgang des exklusiven NOR-Gatters 64 wird in einem Integrationsverstärker 65 verstärkt und integriert, wobei eine Gleichstrom-Ausgangsspannung erhalten wird, die proportional ist dem Phasenunterschied des ursprünglichen 30 MHz-Signals zwischen den beiden Empfängerspulen 18 und 19 in der Meßsonde 11.The 1.5 kHz sinusoidal output signals of the input amplifiers 60 and 61 each become one of two identical zero crossing discriminators 62 and 63, which convert the sinusoidal input signals of 1.5 kfiz into a Convert square waveform with the same number crossings, with those in these Phase shift information contained in signals remains unchanged. the Square wave outputs of the zero cross discriminators 62 and 63 become then applied to the inputs of an exclusive NOIt catter 64. The duration of the Ausynsimpulses generated by the exclusive NOR gate 64 is thus proportional the phase difference between the two square wave input signals. The pulse output of the exclusive NOR gate 64 is amplified in an integration amplifier 65 and integrated, obtaining a DC output voltage that is proportional is the phase difference of the original 30 MHz signal between the two Receiver coils 18 and 19 in the measuring probe 11.

Das Phasenunterschieds-Ausgangssignal des Integrationsverstärkers 65 kann entweder unmittelbar an das Datenaufzeichnungsgerät 24 angelegt oder in ein Digitalsignal umgesetzt und dann wie oben beschrieben zur Weiterverarbeitung in einen (nicht dargestellten) Mehrzweck.Digitalrechner eingegeben werden.The phase difference output of the integrating amplifier 65 can either be applied directly to the data recording device 24 or in converted into a digital signal and then for further processing as described above can be entered into a multipurpose digital computer (not shown).

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Claims

Claims: 1. Method for determining the dielectric constant and the electrical resistivity of earth formations in the range of a Borehole, which does not indicate that electromagnetic in the borehole Waves with a frequency of approximately 30 Mliz are generated that are propagating electromagnetic waves at one located at a shorter longitudinal distance in the borehole first position and while preserving the absolute phase and amplitude information the captured waves are converted into a first intermediate frequency signal, that is at least two orders of magnitude smaller than the excitation frequency that Propagating electromagnetic waves also pass one in a larger one Longitudinal distance in the borehole located second point caught and under preservation the absolute phase and amplitude information of the captured waves into one converted from the first intermediate frequency, different, second intermediate frequency signal that is at least two orders of magnitude smaller than the excitation frequency, the two intermediate frequency signals are transmitted to the earth's surface, from the both signals the non-normalized ratio of the amplitudes to the in one mutual longitudinal spacing in the borehole and the relative phase offset of the waves propagating between these two locations is determined and therefrom based on a predetermined relationship the dielectric constant and the specific electrical resistance of the earth formations in the borehole area derived will..

2. The method according to claim 1, characterized in that not normalized amplitude ratio and the .Phase shift as The function of the borehole depth can be saved or recorded.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the specified process steps repeated for different depths in the borehole and the relative phase offset and the non-normalized amplitude ratio can be saved or recorded as a function of the borehole depth.

4. The method according to claim 2, characterized in that the specified Method steps carried out repeatedly for different depths in the borehole and the dielectric constant and the specific electrical resistance, respectively be saved or recorded as a function of the borehole depth.