DE2839566A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen von eigenschaften von erdformationen - Google Patents

Description

Beschreibung
zum Patentgesuch

der Firma Societe de Prospection Electrique Schlumberger, 42, rue Saint Dominique, Paris/Frankreich

BETREFFEND;

"Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Eigenschaften von Erdformationen"

Die Erfindung betrifft die Untersuchung von Eigenschaften von Erdformationen,, die ein Bohrloch umgeben, und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Dielektrizitätskonstanten und /oder Leitfähigkeit von Formationen, die ein Bohrloch umgeben, wobei hochfrequente elektromagnetische Energie verwendet wird.

Es ist bekannt, bestimmte elektrische Eigenschaften von Erdformationen, die ein Bohrloch umgeben, als Funktion der Tiefe aufzunehmen, um die Lage und das Ausmaß von ölführenden Straten zu bestimmen. Eine Aufzeichnung des spezifischen Widerstandes der Formationen gegen die Tiefe kann die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen anzeigen, da kohlenwasserstoffeführende Formationen typischerweise einen höheren spezifischen Widerstand als Formationen aufweisen, die im wesentlichen Salzwasser enthalten« Wenn das fossile Wasser relativ frisch ist, können jedoch Unsicherheiten beim Interpretieren der Ergebnisse auftreten,

da dann ein ungenügender Konstrast zwischen dem spezifischen Widerstand der Kohlenstoffe und denjenigen des Wassers vorhanden ist ο

Mehrdeutigkeiten der Aufzeichnungen bezüglich des spezifischen Widerstandes in Frischwasserbereichen und andere Faktoren führten zu einem vermehrten Interesse an der Entwicklung von Methoden zum Durchführen von Messungen der Dielektrizitätskonstanten oder der absoluten Dielektrizitätskonstanten von unterirdischen Formationen, Die Dielektrizitätskonstanten von verschiedenen Materialien, die gewöhnlich in Erdformationen gefunden werden, variieren beträchtlich» Beispielsweise liegt die Dielektrizitätskonstante für öl in der Größenordnung von 2,2, während diejenige für Kalk in der Größenordnung von 7₇5 liegt» Iss Gegensatz hierzu liegt die Dielektrizitätskonstante von Wasser in der Größenordnung von 80 und ist weitgehend unabhängig von dem Salzgehalt (und dem spezifischen Widerstand) des Wassers» Daher erscheint die Messung der Dielektrizitätseigenschaften von Formationen ein zweckmäßiger Mittel zum Bewerten der Formationen«

In der ÜS-PS 3 944 91o ist eine Untersuchungsvorrichtung beschrieben„ die es u»a„ ermöglicht,, die Dielektrizitätskonstante von Formationen, die ein Bohrloch umgeben, durch Aussenden von elektromagnetischer Mikrowellenenergie in die Formationen und Messung der relativen Siasenverschiebung und der Dämpfung der Wellenenergie, die sich durch die Formationen ausbreitet, zu bestiüEisn. Diese Vorrichtung hat sich als Bohrlochuntersuchungswerkzeug bewährt,, besitzt jedoch bestimmte praktische Grenzen, die die verwendete Frequenz, den Antennenabstand usw. betreffen, wodurch bewirkt xtfird, daß die Bohrlochuntersuchungsvorrichtung hauptsächlich zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten von Formationen verwendet werden kann, die relativ nahe an der Oberfläche der Bohrlochwandung sind» Anders ausgedrückt, ist diese Mikrowelleaausbreitungseinrichung nach der US-PS 3 9 44 91 ο

909812/09

28395

eine Vorrichtung zum Untersuchen eines relativ engen Bereichs, der hauptsächlich durch die Eigenschaften des "Eindringbereichs" bestimmt x^ird, der das Bohrloch umgibt , wobei es sich um den Bereich handelt, in dem die Bohrflüssigkeiten typischerweise wenigstens einen Teil der ursprünglich in den Formationen vorhandenen Fluids verdrängt haben. Die Mikrowellenfrequenzen, .· die hier verwendet werden,, tiefere Bereiche als den Eindringbereich zu untersuchen, da die relativ langen Abständen von Sender und Empfänger,die für eine tiefere Untesuchung notwendig wären, ungeeignet sind, da Mikrowellensignale sehr schnell in den Formationen gedämpft werden„ Obwohl Informationen, die den Eindringbereich betreffen, außerordentlich wertvoll sein können, ist es trotzdem zusätzlich vorteilhaft, eine Angabe über die Dielektrizitätskonstante von Formationen zu erhalten, die weiter von dem Bohrloch weg sind, d.h. von den jungfräulichen Formationen oder wenigstens denjenigen Formationen, die einem geringeren Eindringen als diejenigen Formationen unterworfen sind, die sich sehr nahe an dem Bohrloch befinden.

Schon vor der Entwicklung der Methode gemäß der US-PS 3 944 91o wurde vorgeschlagen, daß sich ausbreitende elektromagnetische Energie bei Frequenzen, die typiseherweise unterhalb des Mikrowellenbereichs liegen, in die Formationen gesendet werden können, um die Ausbreitungseigenschaften der Energie in den Formationen zu messen. Z.B.- ist in der US-PS 3 551 79 7 eine Methode beschrieben, gemäß der elektromagnetische Energie in die Formationen gesendet und die Energie,die in das Bohrloch zurückgestrahlt wird,an zwei mit Abstand zueinander angeordneten Empfängern gemessen wird, um die relative Dämpfung tffid/oder relative Phase der elektromagnetischen Energie, die sich in den Formationen ausbreitet, su bestimmen. Hiemach sollen durch Verwendung verschiedener Abstände zwischen Sender und Empfänger verschiedene Untersuchungstiefen in den Formationen, die ein Bohrloch umgeben, erreicht werden können=

901812/097

Beispielsweise kann ein Paar von relativ nahe zueinander befindlichen Empfängern verwendet werden, um Dämpfungs-und/oder Phaseninformationen zu erhalten, aus denen Eigenschaften des untersuchten B&reichs bestimmt werden, während Messungen der Dämpfung und/oder Phase mit einem Paar mit relativ weitem Abstand zueinander befindlichen Empfängern verwendet werden können, um die Eigenschaften von tief erliegenden jungfräulichen Formationen zu erhalten. In der US-PS 3 551 79 7 geht es im wesentlichen um das Erhalten der Leitfähigkeit. Entweder die Dämpfung oder die Phase können danach verwendet werden, um die Hauttiefe der Formationen zu bestimmen, wobei dann die Leitfähigkeit aus der Hauttiefe bestimmbar ist. Unterhalb eines bestimmten Frequenzbereiches kann die Hauttiefe der elektromagnetischen Energie unter Verwendung entweder der Dmämpfung oder der Phaseninformation berechnet werden, da Verschiebungsströme minimale Auswirkungen haben.

Der erwähnte Stand der Technik zeigt, daß elektromagnetische Energie, die sich in den interessierenden Formationen ausbreitet, gemessen werden kann, um die Leitfähigkeit der Formationen zu bestimmen (beispielsweise US-PS 3 551 79 7) und daß sehr viel höher frequenate, elektromagnetische Mikrowellenenergie in die Formationen und insbesondere in den Ehdringbereich hiervon gesendet werden kann, um die Dieleketrizitätskonstante hiervon zu bestimmen (beispielsweise US-PS 3 944 91o). Ferner gab es verschiedene Vorschläge zur Verwendung von elektromagnetischer Energie bei Frequenzen zwischen den vorstehend diskutierten, d.h. von Hochfrequenzenergie im Bereich zwischen etwa 1o und 1oo MHz, um die Dielektrizitätskonstante und/oder Leitfähigkeit von Formationen, die ein Bohrloch umgeben, zu bestimmen. In diesem Frequenzbereich besitzen sowohl die Dielektrizitätskonstante als auch die Leitfähigkeit einen wesentlichen Effekt auf die Ausbreitungskonstante der elektromagnetischen Energie, die sich in den Formationen ausbreitet, so daß Messungen der Dämpfung

909812/0971

und der Phase zur Lösung von simultanen Gleichungen verwendet werden können, um die Dielektrizitätskonstante und/oder die Leitfähigkeit von Formationen zu bestimmen, durch die die elektromagnetische Energie gelaufen ist. Auch indiesem Frequenzberdch ist die Signaldämpfung sehr viel weniger stark als im Falle der elektromagnetischen Mikrowellenenagie, so daß die Abstände zwischen Sender und Empfänger wesentlich größer bei einer entsprechenden Verbesserung der Tiefe der Untersuchung sein müssen. Die Verwendung von Frequenzen im Hochfrequenzbereich oberhalb von 1o MHz ist beispielsweise in verschiedenen russischen Veröffentlichungen, z.B. Daev "Dieletric Induction Logging", Izv. MVO SSSR, Ser. Geologyia Razvedka (1965); Antonov und Daev "Equipment for Dielectric Induction Logging", Geofiz. Apparatura, Nr. 26 11965); Artonov und Izyumov "Two Frequency Dielectric Induction Logging with Two Sondes", Gelol. Geofiz., Nr. 4 (1968); Daev "Physical Principles of electromagnetic wave logging", Geol. Razved, Nr. 4 (197o). Ferner existieren eine Anzahl von Patenten, etwa die üS-PSen 3 891 916, 3 982 TE, 3 893 o21, 3982 176, 3 993 944, 4 oo9 434 und 4 o12 689, gemäß denen elektromagnetische Energie im Hochfrequenzbereich zwischen etwa 1o und 6o MHz verwendet wird, um die Dielektrizitätskonstante und/oder die Leitfähigkeit von Formationen, die ein Bohrloch umgeben, zu bestimmen. Kurz gesagt, erkennen die Methoden der russischen Veröffentlichungen und der aufgeführten Patente allgemein, daß die Dielektrizitätskonsiante und die Leitfähigkeit zwei Unbekannte in der Wellenausbreitungsgleichung sind. Eine Hauptnäherung besteht darin, zwei oder mehr Gleichungen aufzustellen, aus denen die Unbekannten gleichzeitig ermittelt werden können. In einem Beispiel werdendie Amplfcitude und die Phase der Wellenergie jeweils gemessen, sodaß zwei Gleichungen aufgestellt werden können. In einem anderen Beispiel wird die Amplitude von zwei verschiedenen Abständen verwendet, in einem weiteren Beispei1 wird die Leitfähigkeit von einer niederfrequenten Induktionseinrichtung erhalten und

909812/0971 " ⁶ "

die Messungen im Hochfrequenzbereich als weitere Eingänge zum Bestimmen der Dielektrizitätskonstanten verwendet.

Bei dem beschriebenen Stand der Technik wird allgemein davon ausgegangen, daß die Untersuchungstiefe einer bestimmten Untersuchungseinrichtung bei einer bestimmten Frequenz durch die Abstände zwischen Sender und Empfänger bestimmt wird. Wenigstens zwei Arten von grundlegenden Betrachtungen, die die Untersuchungstiefe betreffen, sind beim Stand der Technik evident. Wenn es gewünscht wird, Werte von Formationseigenschaften, wie die Leitfähigkeit oder die Dielektrizitätskonstante, zu erhalten, können zunächst verschiedene Abstände absichtlich verwendet werden, um diese Eigenschaften in verschiedenen Untersuchungstiefen, wie vorstehend kurz diskutiert wurde, verwendet werden. Beispielsweise kann eine Untersuchungseinrichtung mit relativ kurzer Abmessung zur Messung von Formationseingeschaften in dem Ehdringbereich und eine solche mit relativ großen Abmessungen zur Messung von Formationseigenschaften in dem Bereich, in dem kein Eindringen stattgefunden hat, verwendet werden. Ferner sind bei einigen Methoden gemessene Werte notwendigerweise indikativ für Meßwerte bei verschiedenen Untersuchungstiefen, so dort, wo verschiedene Untersuchungseinrichtungen verwendet werden, um verschiedene Formationseigenachaten zu erhalten, die zusammen in der Formationsbewertung verwendet werden. Wenn die gemessenen Werte kombiniert werden, um Formationseigenschaften zu liefern, werden die verschiedenen Untersuchungstiefen als einführender Fehler betrachtet. Dies wäre auch logisch, da einige der Messungen, die zum Bewerten der Formationen verwendet werden, von einer Untersuchungstiefe und andere Meßwerte von einer anderen Untersuchungstiefe kommen, wo die Formationen von einer anderen Natur sein können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Untersuchen von Erdformationen zu

909812/0971

schaffen, um Parameter, wie die Dielektrizitätskonstante und/ oder die Leitfähigkeit zu bestimmen, bei denen die für dies; Bestimmung verwendeten Messungen an im wesentlichen denselben Formationen vorgenommen werden, d.h. im wesentlichen bei gleicher Untersuchungstiefe.

Es wurde gefunden, daß dann, wenn hochfrequente elektromagnetische Energie von einer ersten Stelle in einem Bohrloch in die umgebenden Formationen gesendet und dann an einer zweiten Stelle in dem Bohrloch empfangen werden, das Volumen und die Form der Formationen, die eine Messung der Wellenenergiedämpfung beeinflussen, die an der zweiten Stelle gemessen wird, verschieden von dem Volumen und der Form der Formationen ist, die eine Messung der relativen Phase der elektromagnetischen Wellenenergie am Empfänger der zweiten Stelle beeinflußt. Insbesondere ist die Dämpfungsmessung mehr von Teilen der Formationen beeinflußt, die weiter von dem Bohrloch weg sind, als es bei Messungen der Phase der Fall ist, d.h. die Dämpfungsmessung schaut tiefer in die Formationen, als dies die Phasenmessung tut.

Es ist bekannt, daß zwei Messungen von elektromagnetischer Energie einer bestimmten Frequenz verwendet werden können, um die Dielektrizitätskonstante und die Leitfähigkeit von Formationen, die ein Bohrloch umgeben, zu bestimmen. Bisher wurde es als geeignet angesehen, Messungen von einer bestimmten Empfängerstelle zu kombinieren, um die Dielektrizitätskonstante und die Leitfähigkeit von umgebenden Formatüien für eine bestimmte Untersuchungstiefe zu erhalten.

Die oben erwähnte Entdeckung zeigt u.a., daß die bisher verwendeten Methoden zu Ungenauigkeiten führen, da die Eingangs-Phaseninformation von etwas anderen Formationen als die Eingangsdämpfungsinformation beeinflußt werden. Der Effekt wird mit größeren Abständen stärker, d.h. wenn versucht wird.

909812/0971

tiefer in die Formationen hineinzusehen. Die Erfindung nutzt die Entdeckung, um derartige Ungenauigkeiten auszuschalten, wobei Werte für die Dielektrizitätskonstante und/oder Leitfähigkeit erzeugt werden, die auf Dämpfungs- und Phasenmessungen beruhen, die im wesentlichen auf derselben Untersuchungstiefe und in derselben vertikalen Ausdehnung vorgenommen wurden.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften, insbesondere der Dielektrizitätskonstanten und/oder der Leitfähigkeit von Erdformationen, die ein Bohrloch umgeben. Erfindungsgemäß besitzt die Vorrichtung Mittel zum Erzeugen einer elektromagnetischen Energie an einer ersten Stelle in dem Bohrloch. Ferner sind Mittel zum Bestimmen eines ersten Parameters, vorzugsweise der relativen Dämpfung der elektromagnetischen Wellenenergie an einer zweiten Stelle in dem Bohrloch vorgesehen. Vorzugsweise wird die Bestimmung unter Verwendung einer ersten oder nahen Differentialempfängeranordnung vorgenommen, wobei die zweite Stelle etwa durch den Mittelpunkt der nahen Differentialempfängeranordnung bestimmt wird. Mittel sind ferner vorgesehen zum Bestimmen eines zweiten Parameters der elektromagnetischen Energie an einer dritten Stelle in dem Bohrloch, wobei die dritte Stelle von der ersten Stelle weiter als die zweite Stelle entfernt sind, d.h. die zweite Stelele liegt zwischen der ersten und der dritten Stelle. Vorzugsweise ist der zweite Parameter die relative Phasenverschiebung der elektromagnetischen Welelenenergie und wird durch eine zweite oder entfernte Differentialempfängeranordnung an der dritten Stelle in dem Bohrloch gemessen. Die dritte Stelle ist etwa definiert als etwa die Mitte der entfernten Differentialempfängeranordnung. Weiter sind Mittel vorgesehen zum Bestimmen der Eingenschäften der Formationen als Funktion des ersten und zweiten Parameters. Vorzugsweise werden die Dielektrizitätskonstante und/oder die Leitfähigkeit der Formationen bestimmt, wobei diese Resultate

909812/0971

mit einer verbesserten Genauigkeit verglichen mit der bisher erzielten erzeugt werden, da die Dämpfung und die relative Phase repräsentativ für die Beeinflussungen der Formationen an im wesentlichen denselben Untersuchungstiäfefen vom Bohrloch aus gesehen sind.

Bevorzugt liegt die zweite Stelle etwa auf der Mitte zwischen der ersten und der dritten Stelle. Hierbei wird vorzugsweise eine Frequenz von etwa 2o MHz verwendet, wobei die vier Empfänger (die die beiden Differentialempfängeranordnungen bilden) etwa im gleichen Abstand voneinander mit etwa 61 cm Abstand zwischen benachbarten Empfängern angeordnet sind.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Dämpfung der elektromagnetischen Energie ferner an der dritten Stelle gemessen und dann mit der weiteren Information'^ombiniert, um einen "ultratiefen" Leitfähigkeitswert zu erhalten.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen zu entnehmen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung entsprechnd einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform

eines Amplitudenkomparators für die Vorrichtung von Fig. 1,

-. "Io -

909812/0971

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Phasendetektors für die Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 4 zeigt einen vereinfachten Schnitt durch ein Bohrloch mit linienkonstanter Phase der elektromagnetis chen Wellenenergie,

Fig. 5 zeigt einen vereinfachten Shhnitt durch ein Bohrloch mit linienkonstanter Amplitude der elektromagnetis chen Wellenenergie,

Fig. 6-8 sind vereinfachte Modelle, die zum Bestimmen von normalisierten Phasen- und Dämpfungswerten zweckmäßig ist,

Fig. 9 zeigt ein Diagramm für eine normalisierte Amplitude und Phase als Funktion verschiedener Parameter in dem Modell von Fig. 6,

Fig. 1o zeigt ein vereinfachtes Flußdiagramm zum Programmieren des Rechners von Fig. 1,

Fig. 11 zeigt ein Diagramm, bei dem die Dämpfung gegen die Phase für verschiedene Werte von ^J und O' aufgetragen ist,

Fig. 12 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine repräsentative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Untersuchung von unterirdischen Formationen 31 dargestellt, die ein Bohrloch 32 umgeben. Das Bohrloch 32 kann mit Luft oder, was typischer ist, mit Bohr-

909812/0971

schlämm gefüllt sein, wobei es sich entweder um Schlamm auf WasserbasLs oder Schlamm auf Ölbasis handelt. Ferner kann das Bohrloch offen oder mit einem nichtleitenden Material verrohrt sein. Die Untersuchungsvorrichtung 3o wird in das Bohrloch an einem armierten Kabel 33 herabgelassen, dessen Länge im wesentlichen die relative Tiefe der Vorrichtung 3o bestimmt. Die Kabellänge wird durch geägnete Mittel an der Erdoberfläche, etwa eine Trommel- und Windeeinrichtung (nicht dargestellt) gesteuert. Das armierte Kabel 33 wird auf die Trommel zurückgewickelt, um die Vorrichtung 3o zur Erdoberfläche zurückzuholen, wenn die Formationseigenschaften gemessen sind. Tiefenmessungen werden durch ein Meßrad 96 geliefert, das durch Berührung mit dem Kabel 33 gedreht wird. Impulse, die durch die Drehung des Meßrades 96 geliefert werden, werden auf einen Rekorder gegeben, um eine Registrierung der Tiefe zu liefern, bei der Messungen vorgenommen wurden.

Die Untersuchungsvorrichtung 3o kann eine Sonde sein, die einen Sender T, ein erstes oder nahes Paar von Empfängern R₁, R„ und ein zweites oder entferntes Paar von Empfängern R₃, R. trägt. Der Sender T und die Empfänger R₁ bis R. sind vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise Spulen. Der Sender T befindet sich in dem Bohrloch an einer ersten Stelle L₁', das nahe Empfängerpaar an einer zweiten Stelle L₃ ¹ und das entfernte Empfängerpaar an einer dritten Stelle L₃ ¹. Die zweite und dritte Stelle sind in Wirklichkeit Bereiche, in denen die entsprechenden Empfängerpaare angeordnet sind, wobei L₃ ¹ so definiert ist, daß es eine Position oder eine Tiefe in der Mitte zwischen R₁ und R

1

besitzt, während L ' als Position oder Tiefe in der Mitte zwischen R-, und R definiert ist. Der relative Abstand des Empfänger-J 4

paars wird nachfolgend behandelt, jedoch ist der Abstand D zwischen dem Sender T und dem Empfängerpaar R₁, R₂ etwa die Hälfte des Abstandes D^ zwischen dem Sender T und dem Empfängerpaar R₃, R₄.

- 12 -

909812/0971

Der Sender T wird durch einen Schaltkreis betrieben, dereinen Oszillator 24 umfaßt, bei dem es sich um einen kristallgesteuerten handeln kann und der ein Hochfrequenzsignal im Bereich von 1o MBz bis 1oo MHz und vorzugsweise etwa 2o MHz erzeugt. Der Ausgang der Oszillators 24 wird durch einen Verstärker 26 verstärkt und dann mit dem Sender T über ein Abgleich- und Anpassungsnetzwerk 39 gekoppelt. Ein Oszillator 56, der mit dem Oszillator 24 synchronisiert ist, liefert ein Ausgangssignal, das eine Frequenz besitzt, die von der Frequenz der von dem Oszillator 24 gelieferten Signale um eine relative niedrige Frequenz, beispielsweise 8o KHz abweicht. Wie nachfolgend beschrieben wird, wird der Ausgang des Oszillators 56 mit den Signalen von den Empfängern gemischt, um ein weiteres Signal zu erzeugen, das eine Phase und eine Amplitude besitzt, die mit der Phase und der Amplitude des Empfängerausgangs zusammenhängen, jedoch eine shehr viel niedrigere Frequenz (8o KHz aufweist), was die Amplituden- und Phasenbestimmung erleichtert.

Ein Amplitudenkomparator 6o mißt die relative Dämpfung der elektromagnetischen Energie, die von den Empfängern R.. und R„ empfangen wird, und liefert ein Amplitudenverhältnissignal (A-/A-), wobei A₂ und A₁ Spitzenamplituden sind, die an den Empfängern R„ bzw. R₁ empfangen wurden. Ein Phasendetektor To dient zum Messen der Phasendifferenz zwischen elektromagnetischen Wellen, die an den Empfängern R₃ und R₄ empfangen wuden. Entsprechend einer Ausführungsform können die Ausgänge der Empfänger R₃ und R4 auch auf einen zweiten Amplitudenkomparator 80 gegeben werden, wie im folgenden beschrieben wird, der verwendet wird, um eine Messung einer "ultratiefen Leitfähigkeit" zu liefern.

Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Sende- und Empfänger-Schaltkreise außerhalb der Vorrichtung 3o dargestellt, obwohl sie sich innerhalb dieser Vorrichtung befinden. Die Schaltungen sind elektrisch mit oberirdischen Einrichtungen, die einen

Ö09812/0971

Rechermodul 1οο umfasssen, über Leitungen 6oA, 7oA und8oA verbunden, die in dem armierten Kabel 16 angeordnet sind. Der Rechermodul 1oo kombiniert das Signal für die relative Dämpfung, das von dem Amplitudenkomparator 60 geliefert wird, und das Phasendifferenzsignal, das von dem Phasendetektor la geliefert wird, um Werte für die Dielektrizitätskonstante und die Leitfähigkeit für die Formation an der bestimmten Tiefe der Untersuchung in der umgebenden Formation abzuleiten. Ferner kann das Ausgangssignal des Amplitudenkomparators 80 mit dem Wert für die erhaltene Dielektrizitätskonstante kombiniert werden, um einen Wert für die ultratiefe Leitfähigkeit der Formationen zu erhalten. Die berechneten Werte der Dielektrizitätskonstante und der Leitfähigkeit werden auf einen Rekorder 95 gegeben, der ferner die dieTiefe anzeigenden Signale von demMeßrad 96 aufnimmt. Der Rekorder 95 nimmt eine Aufzeichnung der Werte für die Dielektrizitätskonstante und die Leitfhäigkeit für die Formationen, die das Bohrloch umgeben als Funktion der Tiefe vor. Der Rechenmodul und/oder die Aufnahme- oder Speichereinrichtungen können auch an entfernten Stellen angeordnet sein.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform für den Amplitudenkomparator 60. Das Signal vom Empfänger R₁ wird mit dem Eingang eines ersten Abgleich- und Anpassungsnetzwerks 60I und das Signal von dem Empfänger R„ mit dem Eingng eines zweiten Abgleich- und Anpassungsnetzwerks 611 gekoppelt. Die Ausgänge der Anpassungsnetzwerke 60I uid 611 werden durch Vorverstärker 6o2 und 612 vorverstärkt. Um die Amplitudenerfassung zu vereinfachen, sind die Ausgänge der Vorverstärker 6o2 und 612 mit Mischkreisen 6o3 bzw. 613 gekoppelt, die an ihren anderen Eingängen das Signal vom Oszillator 56 empfangen, das sich auf einer Frequenz f + SoKHz, d.h. 80 KHz über oder unter der Sendefrequenz befindet. Das Mischen der beiden Signaler erzeugt in jedem Falle ein Ausgangssignal, das eine Amplitude und eine Phase besitzt, die auf die Amplitude und Phase des an einem

909812/0971 - 14 -

entsprechenden Empfänger aufgenommenen Signals bezogen ist, jedoch eine Frequenz von 80 KHz besitzt. Die Ausgänge der Mischer 6o3 und 613 werden durch Bandfilter 6o4 und 614 gefiltert und dann über Zwischenfrequenzstufenverstärker 6o5 und 615 auf Spitzendetektoren 606 bzw. 616 gegeben. Die Spitzendetektoren 606 und 616 liefern Ausgangssignale, die repräsentativ für die Wellenenergie einhüllenden. Die Ausgänge der Spitzendetektoren sind mit einem Verhältniskreis 62ο gekoppelt, der das Signal auf der Leitung 60 A (Fig. 1) erzeugt, das für das Amplitudenverhältnis der Wellenenergie, die bei R₃ und R₁ empfangen wurde, repräsentativ ist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Phasenkomparators 7o von Fig. 1. Das Signal von den Empfängern R₃ und R₄ wird entsprechend auf die Eingänge von Impedanzanpassungsnetzwerken 7o1 und 711 gegeben. In ähnlicher Weise wie in Fig. 2 wird der Ausgang des Anpassungsnetzerks 7o1 über einen Vorverstärker 7o2, einen Mischer 7o3, einen Filter 7o4 auf einen Zwischenfrequenzverstärker 7o5 gegeben, während der Ausgang des Anpassungsnetzwerks 711 über einen Vorverstärker 712, einen Mischer 713, ein Filter 714 auf einen Zwischenfrequenzverstärker 715 gegeben wird. Die Ausgänge der Verstärker 7o5 und 715 werden entsprechend auf Nulldurchgangsdetektoren 7o6 und 716 gegeben. Der Ausgang des Nulldurchgangsdetkektors 7o6 ist dem Stellanschluß eines Flip>f lop-s 72o angekoppelt, während der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors 716 mit dem Rückstellanschluß des Flipflops 72o gekoppelt ist. Die Nulldurchgangsdetektoren 7o6 und 716 erzeugen einen Ausgang nur für Durchgänge durch Null in positiver Richtung. Dementsprechend wird während jedes Zyklus die Energie, die zuerst am Empfänger R-. ankommt, einen Ausgang des Nulldurchgansdetektors 7o6 hervorrufen, der seinerseits den Flipflop 72q setzt. Wenn das Signal nachfolgend bei dem Empfänger R₄ ankommt, wird der resultierende Ausgang des Nulldurchgangsdetektors 716 den Flipflops 72o zurückstellen. Dementsprechend

909812/0971 ~ ¹⁵

ist der Ausgang des Flipflops 72o ein Impuls, der eine Dauer besitzt, die die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen repräsentatiert. Der Ausgang des Flipflops 72o ist mit einem Integrator 73o gekoppelt, dessen Ausgang ein Signal auf der Leitung 7oA ist, d.h. ein Analogsignal, das repräsentativ für die Phasendifferenz zwischen den Signalen, die von den Empfängern R₄ und Ro empfangen werden, ist. Hierbei kann das vorteilhafte Verfahren zum Eliminieren von Rauschen nach der US-PS 3 849 721 mit oder ohne Bohrlochkompensationsmethoden gegebenenfalls verwendet werden. Wenn eine Bohrlochkompensation verwendet wird, kann ein zweiter Sender an der gegenüberliegenden Seite der Empfänger angeordnet werden, wobei die Empfängerpaare angepaßt sein können, um alternativ ihre Rollen umzukehren, wenn die Sender geschaltet werden. Alternativ kann man gegebenenfalls zeitverarbeitende Bohrlochkompensationsmethoden verwenden, wie sie beispielsweise in der US-Anmeldung 687 471 von N. Schuster beschrieben ist. Ferner können gegebenenfalls die Signale auf den Leitungen 60A, 7oA oder 80A vor der Übertragung zur Erdoberfläche in bekannter Weise digitalisiert werden.

Der Amplitudenkomparator 80 kann von der gleichen Form wie derjenige von Fig. 2 sein. Aus Effektivitätsgründen kann der Komparator 80 Teile der Schaltkreise der Komparatoren 60 und/oder 7o gjneinsam haben.

Fig. 4 und 5 zeigen in vereinfachter Form die allgemeine Art der Amplituden- und Phasenmessungen in dem interessie3Siden Frequenzbereich und sind zum Verständnis der relativen Tiefen der Untersuchung brauchbar, die zu den Amplituden- und Phasenmessungen von Signalen gehören, die von der gleichen Stelle in der gleichen Formation ausgesendet werden. In jeder Figur ist ein Bohrloch gzeichnet, das mit einem BohrlochfMd gefüllt ist, das eine Leitfähigkeit 6^ und eine Dielektrizitätskonstante c^ · aufweist, worauf eine Eindringzone mit einer Leitfähigkeit

909812/0971 - 16 -

^einer Dielektrizitätskonstanten *c ' und darauf eine jungfräuliche Formation mit einer Leitfähigkeit β", und einer Dielektrizitätskonstanten ¹^ ' folgt. Fig. 4 zeigt vereinfacht und unter Vernachlässigung geometrischer Effekte die allgemeine Form von Linien konstanter Phase der Energie elektromagnetischer Wellen, die von einer vertikalen magnetischen Dipolquelle ausgestrahlt werden, die sich an der Ausgangsposition "0" befinde.t. Ersichtlich verlaufen die Linien konstanter Phase allgemein kreisförmig und zeigen beispieslsweise an, daß die Phasendifferenz zwischen Signalen, die an den mit r₁ und r„ bezeichneten Positionen in dem Bohrloch empfangen werden zur Phasendifferenz in bezug steht, die den Formationen zwischen den Linien 4o1 und 4o2 zuzuschreiben ist, d.h. weitgehend den Eindringbereichen der Formationen mit im wesentlichen einem Ausschluß der jungfräulichen Formationen. Ähnlich steht die Phasendifferenz zwishen Signalen, die an den Positionen r^ und r. in dem Bohrloch empfangen werden, in bezug zu der Phasendifferenz, die den Formationen zwischen den Linien 4o3 und 4o4 zuzuschreiben ist, wobei das "Band" in den jungfräulichen Formationen eingeschlossen ist, das durch die kreuzweise schraffierten Teile gekennzeichnet ist. Die unterschiedliche Art des Vergleichs der Signale führt zu einem Ausehalten des Effektes der nichtkreuzweise schraffierten Bereiche. In Fig. 5, in der Linien konstanter Amplitude gezeigt sind (wobei wiederum geometrische Effekte aus Gründen der Klarheit vernachlässigt sind) , sind die Positionen in dem Bohrloch entsprechend r-, r₂, r₃ und r. wieder dargestellt. Die Amplitudendifferenz zwischen den Positionen r.. und r„ entspricht der Amplitudendif ferenz, de den Formationen zwischen den Linien 5ol und 5o2 zuzuordnen ist, so daß beispielsweise die kreuzweise schraffierten Teile in Fig. 5 die Teile der jungfräulichen Formationen darstellen, von denenzu erwarten ist, daß sie zu den Amplitudendif ferenzmes sun gen in den Positionen r und r₀ beitragen. Ähn-

lieh entspricht die Amplitudendifferenz zwischen den Positionen

- 17 -

909812/0971

r~ und τ. der Amplitudendifferenz, die den Formationen, die zwischen den Linien 5o3 und 5o4 liegen, zuzuordnen ist und die kreuzweise schraffierten Abschnitte der jungfräulichen Formationen umfassen.

Aus den Fig. 4 und 5 ist ersichtlich, daß die Dämpfungsmessungen, die an den Empfängerstellen in dem Bohrloch vorgenommen werden, eine Funktion der Eigenschaften der Formationen sind, die eine verschiedene Ausdehnung als die Formationen besitzen, diezu den Phasenmessungen an denselben Empfängerstellen beitragen. Die Dämpfungsmessung ermöglicht ein wesentlich "tieferes" Blickfeld sowohl in radialer als auch in paralleler Richtung in bezug auf das Bohrloch im Vergleich zu den Phasenmessungen. Beispielsweise werden die Dämpfungsmessungen an den Positionen r.. und τ2 wesentlich durch die jungfräulichen Formationen beeinflußt, vrohiigegen Phasenmessungen,an den gleichen Positionen vorgenommen, hierdurch nicht wesentlich beänfluß werden.

Um die Erfindung besser zu verstehen, werden zunächst einige theoretische Betrachtungen vorgenommen. Zunächst wird ein vertikaler magnetischer Dipol ein einem homogenen Medium mit einer Leitfähigkeit 6Γ einer magnetischen Permeabilität u und einer relativen Dielektrizitätskonstante £' betrachtet. Die Spannung in einem Abstand L von der Quelle ist:

_eJkL
V(L) = K_ojwu (1-jkL) ^e-₁-3- (1)

wobei K eine Konstante, w = 2 irf die Winkelfrequenz der Quelle, j der Imaginärζahloperator und k die komplexe Ausbreitungskonstante, definiert durch:

k = jwuö^ + w E- · (2)

2
c

wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Die komplexe Ausbreitungskonstante k kann dargestellt werden als Summe ihres reellen

909812/0971 - 18 -

Teils a und ihres imaginären Teils b durch:

k = a + jb (3)

Einsetzen von (3) in (1) ergibt: , V(L).= K jwp (1-jaL+bL) __

Für ein Paar von mit Abstand zueinander befindlichen Empfängern an den Stellen L₁ und L_, wobei L_? weiter von dem SEnder als L₁ aitfernt ist, wird die relative Dämpfung definiert durch:

Dämpfung = \v(L₂)\ ₍₅^

Aus (4) kann I V(L₁)I ausgedrückt werden durch:

₁) \ =K_Qwp (1+bL., )²+ aL_q)² 2 e"^bL1 (6)

^L1³

Ähnlich kann ^V(^L?) ausgedrückt werden durch:

W(L₂) \ = K_Qwp [(1-bL₂)²+ (aL₂)²]2" e"^bL

e 2 L₂3 (7)

Aus (5) und (6) und (7) erhält man:

Γ 2 2-1

Dämpfung =1 (1-bL„) + (aL„) ~\ 2 r \3 ,

(8)

Zum Bestimmen der relativen Phasen zwischen der Wellenenergie an den beiden Empfängern wird zunächst der Phasenwinkel 0₁ der Energie an dem Empfänger in dem Abstand L₂ berechnet:

- 19 -

909812/0971

φ =tg ^L2

-1

(1+bL₂)e"^(bL2^)/L2 !

L ο

=tg

-1

1 + bL,

aL. I^{+ aL}2

(9)

do)

Ähnlich wird die Phase der Wellenenergie an dem Empfänger im Abstand L₁ bestimmt:

⁶L₁ ⁼ *?

-1

1 +bL

aL.

+ aL

(11)

Die relative Phase oder PhasendifferenzΔ0 ist dann: Φ =Φ_Τ .λ - -/_{τ τ} λ . ,---1 Γΐ-bL,

= 3(L₂-L₁) + tg

aL

1+bL

(12)

aL

Die Beziehungen (8) und (12) sind in Termen von a und b von Gleichung (3) gegeben. Unter Verwendung der Beziehung (2) und (3) und Geichsetzen der realen und der imaginären Teilen ergibt:

a²-b² =

2ab = WRio"

(13) (1.4)

Gleichzeitige Lösung von (13)und (14) liefert

a =) c

1_ 2

2 2 -

9 ι '

w²t|1

(15)

(16)

- 19 -

§09812/0971

Diese Werte von a und b können in den Beziehungen (8) und (12) substituiert werden. Es sei angenommen, daß die Abstände L₁ und L, und die Winkelfrequenz w bekannt sind. Da die interessierenden Formationen im allgemeinen nichtmagnetisch sind, kann Ii als Konstante betrachtet werden. Wenn daher dieDämpfung und&φ gemessen sind, können die beiden Unbekannten £,' und ifaus den beiden Gleichungen (8) und (12) bestimmt werden.

Nach Erhalt/der verallgemeinerten Gelichungen es ist verständlich, daß in der Ausführungsform von Fig. 1 die Dämpfungsinformation von dem nahen Empfängerpaar R₁, R„ erhalten wird, wohingegen die Phaseninformation von dem entefernten Empfängerpaar R-, R erhalten wird. Daher sind in Gleichung (8) die Abstände L₁ und L~ die entsprechenden Abstände vom Sender zu den Empfängern R₁ und R~, währendin Gleichung (12) die Abstände L und L_ entsprechend die Abstände von dem Sender zu den Empfängern R₃ und R. sind.Spezifische Werte werden nachfolgend angewendet.

Verschiedene, an sich bekannte Methoden können verwendet werden, um£,' und/oder ff aus den Gleichungen (8) und (12) entweder an der Bohrlochuntersuchungsstelle oder an einem entfernten Ort hiervon zu erhalten und aufzuzeichnen (wobei, wie angegeben, berücksichtigt werden muß, daß die Eingänge für diese Geichungen von verschiedenen Empfängerpaaren stammen.) Beispielsweise kann ein kleiner Allzweckdigitalrechner mit einer Tabelle von Werten für £. ' und ©'entsprechend den besonderen Dämpfungs- und Δία-Werten gespeist werden. Dies kann beispielsweise durch Eingeben einer Anordnung von Werten für £_' und CT", jeweils ein Paar gleichzeitig, in die Gleichungen (8) und (12) vorgenommen werden. Für jedes Paar von Eingangswerten werden die GMchungen für die Dämpfung undAjzS gelöst. Das jeweilige Paar ^J und 6", das verwendet wird, um die resultierenden Dämpfungs- und&0-Werte zu erhalten, wird dann in der Tabelle im Zusammenhang mit diesen Werten gespeichert. Später, nachdem die Werte für die Dämpfung

909812/0971

-W- ■

auf den Leitungen GoA und 7oA erhalten wurden, sucht der Rechner die entsprechenden Werte von £,' und ö'in der gespeicherten Tabelle auf, wobei diese Werte auf dem Rekorder 95 aufgezeichnet werden, wie durch die Ausgänge des Blocks 1oo in Fig. 1 angedeutet ist.

Ein vereinfachtes Fließdiagramm zum Programmieren des Rechnermoduls 1oo zum Speichern der Tabelle von Werten ist in Fig. 1o dargestellt. Ausgangswerte für L¹ und 6" werden zunächst ausgewählt, wie durch den Block 1o1 angedeutet ist. Diese Werte können typischerweise die niedrigstmöglichen erwarteten Werte für 2,¹ und O⁷ sein. Anschließend werden im Block 1o2 die Gleichungen (8) und (12) für die Dämpfung und&j6 gelöst. Die laufenden Werte von £_' und d werden dann zusammen mit den berechneten Werten für die Dämpfung und&jz5 gespeichert, wie durch Block 1o3 dargestellt ist. Die Werte von &' werden dann schrittweise geändert, wie durch Block 1o4 dargestellt ist. £•' wird abgefragt (Raute 1o5), um zu bestimmen, ob es den Maximalwert für

t,¹, der verwendet wird, überschreitet. Wenn dies nicht der Fall ist, erfolgt ein Rücksprung auf Block 1o2,und neue Werte werden in der Tabelle gespeichert. Wenn £, ' über seinen vollen Bereich schrittweise erhöht wurde, ist die Antwort der Abfrage bei 1o5 "ja", wonach der Block 1o6 erreicht wird, gemäß dem ο schrittweise verändert wird, ο wird abgefraft (Raute 1o7) , um zu bestimmen, ob der Maximalwert von o, der zu verwenden ist, überschritten ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird erneut zum Block 1o2 zurückgegangen und in der vorstehend beschriebenen Weise ein neuer Satz von Werten bestimmt, indem ^_x ¹ über die gesamte Inteayallbreite für diesen neuen 5^-Wert iteriert wird. Dieses Verfahren wird fortgeführt, bis S' seinen Maximalwert erreicht, worauf das Programm erreicht ist und die volle Tabelle der Werte gespeichert ist. Die berechnete Menge an Werten kann gewünschtenfalls grafisch, wie in Eig. 11 dargestellt, aufgezeichnet werden, in der ein Graph dargestellt ist,

- 21 -

909812/097 1

der für eine bestimmte Menge von Bedingungen (nachfolgend beschrieben) erzielt wird, wobei die Dämpfung und A φ auf der Abszisse bzw. auf der Ordinate als Familien von Kurven für

£_' und ©'aufgetragen sind. Wenn der Graph fertiggestellt ist, kann er verwendet werden, um die korrekten Werte für £,' und ö' für ein gegebenes Paar von Messungen für die Dämpfung und A Φ zu bestimmen, in dem die Werte grafisch erhalten werden.

Eine Alternative zu der oben beschriebenen Tabellennachschlagemethode wäre eine Kurvenanpassungsmethode, bei der beispielsweise die Methode der kleinsten Quadrate verwendet wird. Eine weitere AlterncfcLve besteht darin, Lösungen der Gelichungen (8) und (12) iterativ durch Auswählen von "geratenen" Werten und anschließendes schrittweises aufeinanderfolgendes Verändern von diesen zum Konvergieren zu den Lösungen zu erhalten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Spezialzweck-Analog- oder Digitalrechner zu verwenden, der Ausgangsfunktionen liefert, die die Familien von Kurven, wie sie in Fig. 11 dargestellt sind, simulieren. Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß durch Verwenden des beschriebnen Untersuchungsvorrichtung in geeignet großen Testbohrlöchern die entsprechenden gespeicherten Werte ι

gemäß Fig. 11 empirisch erhalten werdenkönnen.

Die Fig. 6-9 sind zweckmäßig für das Verständnis der Prinzipien der Erfindung und zum Darstellen des Ausmaßes von Formationen, die ein Bohrloch umgeben und die Dämpfungs- und Phasenmessungen beänflussen. Betrachtet man das vereinfachte Modell von Fig. 6, in dem ein Bohrloch 132 gefülltmit Bohrschlamm dargestä.lt ist, das einen Durchmesser einschließlich Bohrlochkuchen von 2o,3 cm mit einer Leitfähigkeit und einer Dielektrizitätskonstanten, wie dargestellt, von £_ ' = 7o und ¹O" = 1 S/m aufweist, die typisch für einen relativ frischen Schlamm auf Wasserbasis sind. Ein "vollständiger" Eindringbereich 133, der eine variable Dicke aufweist, besitzt eine Dielektrizitäts-

- 22 -

909812/0971

konstante £ ' = 11 und eine Leitfähigkeit von 6* = 63 mS/m. Der Bereich 134, der ebenfalls von variabler Dicke ist, stellt ebenfalls einen Eindringbereich dar, bei dem jedoch das Eindringen nur bis zu einem gewissen Grad erfolgte, ein sogenannter "übergngsbereich", dessen Eigenschaften nachfolgend aufgeführt werden. Die jungfräuliche Formation 135 wird als eine Dielektrizitätskonstante ^ ' =5.2 und eine Leitfähigkeit C . = 2o mS/m besitzend betrachtet. Der Übergangsbereich besitzt einen mittleren Durchmesser D. und einen relativ weichen Übergang zwischen den Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeiten der umgebenden Bereiche, wobei der weiche übergang in dem vorliegenden Modell durch acht gleiche Stufen angenähert ist. Der Durchmesser des vollständigen Eindringbereichs 133, der mit D¹ !bezeichnet ist, ist ein Bruchteil des Durchmessers des Übergangsbereichs 134, gewählt als 11/2o von D in diesem Modell. Die Dielektrizitätskonstante und die Leitfähigkeit in den verschiedenen Bereichen werden durch die Kurven 6a bzw. 6b von Fig. 6 dargestellt.

Als nächstes wird ein Sender in Form einer Spule mit einem Radius von 3,8 cm, gewickelt um einen hohlen Kern, als zentral in dem Bohrloch an einer Ursprungsstelle, die als Tiefe χ = 0 bezeichnet ist, angeordnet, betrachtet. Ferner wird eine ähnliche Spule angenommen, die als Empfänger dient und zentral in dem Bohrloch in einem Abstand χ von dem Sender angeordnet ist. Für einen gewählten mittleren Übergangszonendurchmesser D. und eine gewählte Frequenz, beispielweise 2o ooo MHz, kann die Größe und der Phasenwinkel der Spannung an dem Empfänger an der Stelle χ durch Lösen der Maxwell¹sehen Gleichungen für das mehrere Medien enthaltende Modell berechnet werden. Dies kann beispielsweise vorgenommen werden, indem eine rekursive Methode verwendet wird, bei der man die verallgemeinerte Wellengleichung bezüglich des Reflektionskoefüzienten für die am weitesten entfernte Grenzfläche und dann aufeinanderfolgend bezüglich des Reflektionskoeffizienten an den aufeinanderfolgend näheren Grenzflächen löst.

909812/0971

Unter Verwendung dieses Gleichungstyps und unter Änderung der EmpfängerstelLen und dks mittleren Übergangsbereichsdurchmessers kann man eine Tabelle von Spannungsstärken und Sp arm ungs ph as en werten für jeweils eine Vielzahl von Empfängerabständen x. erhalten, die jeweils für eine Anzahl von verschiedenen Übergangsbereichsdurchmessern D. berechnet sind. Mit anderen Worten kann ehe Tabelle von Werten für 1 vl = f (x., D.) und eine Tabelle von Werten für V = g(x., D.) aufstellt werden.

Wenn eine Wertetabelle in dieser Art erstellt ist, kann man die relative Untersuchungstiefe, die sowohl der Phasen- als auch der Dämpfungsmessungen entspricht, die von den Empfängerpaaren in verschiedenen ausgewählten Abständen erhalten werden, untersuchen. Bevor dies vorgenommen wird, ist es jedoch zweckmäßig, ein zweites und drittes theoretisches Modell zu betrachten, um Basiswerte zu erhalten, aus denen "normalisierte" Tiefen von Untersuchungswerten erhalten werden können, wie sich aus dem folgenden ergibt. Bei dem zweiten theoretischen Modell, das in Fig. 7 erläuternd dargestellt ist, wird angenommen, daß ein Eindringbereich 133' von unendlicher Ausdehnung vorhanden ist, d.h. daß der Eindringbereich 133 des Modells von Fig. 6 sich unendlich nach auswärts erstreckt. Unter Verwendung dieses zweiten Modells kann eine Liste von Werten ähnlich den Werten der oben angegebenen Tabelle erstellt werden, außer daß in diesem Falle sämtliche, den gleichen Eindringbereich mit unendlichem Durchmesser besitzen, d.h. eine Liste von Werten für

IVj_-J= f(Xjf D -4" und < Vj₀₀= g(Xjr D*©)/ wobei D₀₀ den Eindringbereich mit unendlicher Ausdehnung darstellt.

Nimmt man nun an, daß ein Paar von Abständen, bezeichnet als χ und x. ausgewählt wird, an denen ein Paar von Empfängern entsprechend angeordnet sein sollen, können unter Verwendung der Liste von Werten gemäß dem zweiten Modell (Fig. 7) die erwartete Dämpfung A , und die erwartete relative Phase fi^h^ ^aus

- 24 -

909812/0971

Spannungsgrößen und Winkeln der vorher erzeugten Liste für die

Abstände x^ und x, wie folgt erhalten werden: a D

\ a oo ^v

- 4 ν

ab ^ ^ bco

Bei dem dritten theoretischen Modell,das in Fig. 8 dargestellt ist, ist kein Eindringbereich vorhanden, und die Formationen werden betrachtet, als ob sie eine Leitfähigkeit ck_ und eine Dielektrizitätskonstante <£. von dem Bohrloch an auswärts besitzen. Unter Verwendung dieses dritten Modells kann eine Liste von Werten ähnlich zu der Liste, die für das zweite Modell aufgestellt wurde, erhalten werden, d.h. eine Liste der Werte für

\v., \= f(x., D) und <£ V. = g(x., D), wobei D die Situation ohne Eindringen darstellt, d.h. jungfräuliche Formation von dem Bohrloch an auswärts. Erneut werden für ein Paar von Abständen χ und x, , an denen angenommen wird, daß sich dort entsprechende Empfänger befinden, die erwartete Dämpfung A , . und die erwartete Phase 0 , , aus den Spannungsgrößen und Winkeln der vorher erzeugten Liste für die Abstände χ und x, wie folgt erhalten:

-■ te!

Die normalisierte Dämpfung und die normalisierte Phasendifferenz können nun bestimmt werden, wobei die "normalisierenden" Größen die abgeleitete Dämpfung und Phasendifferenz für das zweite Modell (unendlicher Ehdringbereich) und für das dritte Modell (kein Eindringbereich) sind. In-dem dies vorgenommen wird, kann man die relative Tiefe der Untersuchung (zwischen den Situationen eines unendlichen Eindringbereichs und keines Eindringbereichs)

909812/0971

- 25 -

ohne unangemessenen Einfluß auf die Präsentation irgendeines bestimmten Parameters, etwa die Leitfähigkeit, veranschaulichen. (Beispielsweise können Änderungen in der Leitfähigkeit gänzlich verschiedene prozentuale Unterschiede ia der Phasendifferenz und in der Dämpfung als Funktion des mittleren Übergangsbereichsdurchmessers für bestimmte Empfangerabstande ohne Normalisierung liefern. Das Normalisieren ermöglicht es, die Tiefe der Untersuchung objektiver und mit weniger Auswirkung auf die speziellen Formationsparameter der Leitfähigkeit oder der Dielektrizitätskonstanten zu untersuchen).

Insbesondere können die normalisierte Dämpfung A , (D.)

a on χ

und die normalisierte Phase φ , (D.) für Empfänger an den Stellen χ und x, für einen mittleren Übergangsbereichsdurchmesser a D

(Modell 1 - Fig. 6) von D. ausgedrückt werden als:

(D.) ₌ A (D) - A
ι

<V -

abt

wobei A , (D.) und φ , (D.) aus der Originaltabellenliste (Modell ao χ aD χ

1 - Fig. 6) erhalten werden können als A. (D₁) = lZbJV1

^ab ⁽V =*^Vh «^Di) - ^^Va ⁽V

Aus dem Ausdruck für A , (D.) ist ersichtlich, daß die normali-

aon χ

sierte Dämpfung gleich 1 ist, wenn A , (D.) gleich A , (die

SlO X au tr^

Situation mit unendlichem Eindringbereich ist), wohingegen die normalisierte Dämpfung gleich 0 ist, wenn A ,(D.) = A , . ist

ao χ aD*c

(die Situation ohne Eindringbereich). Ähnlich ist für den Ausdruck für φ , (D.) ersichtlich, daß die normalisierte Phase = 1 ist, wenn φ_, (D.) = φ, ist, während die normalisierte Phase

909812/0971 -26-

gleich Null ist, wenn S^gvJ⁰·) gleich 0_^ ist.

Fig. 9 ist ein Diagramm der normalisierten Amplitude und Phase A ■ , , als Funktion der verschiedenen Durchmesser D. für das Modell von Fig. 6. Die durchgezogenen

Kurven stellen A bzw. φ , für ein Empfängerpaar in einer

abn abn ^c

Entfernung von χ =68,6 cm und x_K = 132,1 cm dar, wohingegen

a ρ

die gestrichelten Kurven A , bzw. φ , für ein Empfängerpaar

apn aon

in einer Entfernung von χ = 19o,5 cm und x, = 254 cm darstellen.

a ο

Eine Reihe von Beobachtungen können aus diesen normalisierten Kurven erhalten werden. Betrachtet man zunächst die durchgezogenen Kurven für A , und φ , ,so ist ersichtlich, daß man mit der Dämpfungsmessung wesentlich "tiefer" in die Formation hineinschauen kann,als es mit der Phasenmessung der Fall ist, wie es sich auch aus der Diskussion aus der verallgemeinerten Darstellungen der Fig. 4 und 5 ergab. Beispielsweise in einer Situation, der in D. des Modells vonFig. 6 etwa gleich 127 cm ist, ist ersichtlich, daß die normalisierte Phase praktisch gleich 1 ist, was bedeutet, daß eine relative Phasenmessung bei diesem Empfängerabstand fast dieselbe relative Phasenablesung liefert, wie es im Falle eines unendlichen Eindringbereiches der Fall wäre. Daher schaut man mit der Phasenmessung im allgemeinen nicht über 127 cm Eindringtiefe hinaus, da die Kurve anzeigt, daß mehr als 127 cm Eindringung für diesen Abstand des Empfängerpaares etoa, und zwar als unendlicher Eindringbereich, erscheint. Anders ausgedrückt, ist eine Phasenmessung für einen Eindringbereich von etwa 127 cm oder mehr relativ unbeeinflußt durch die dahinterliegenden jungfräulichen Formationen für die Parameter des Modells von Fig. 6. Andererseits ist aus der durchgezogenen Kurve für die normalisierte Dämpfung ersichtlich, daß bei D. = 127 cm die gemessene Dämpfung eine normalisierte Dämpfiing von weniger als Öwa o,3 liefert. Dies bedeutet, daß die Dämpfungsablesung bei einem Eindringdurchmesser von 127 cm noch stark durch die juncgräulichen Formationen be-

90 98 12/097 1 - 27 -

einträchtigt wird. Wie weiter aus der Kurve ersichtlich ist, erreicht die normalisierte Dämpfung den Wert 1 erst bei Überschreiten von etwa 2o3 cm, d.h. erst bei einer Situation von etwa 2o3 cm Eindringung wird die Dämpfungsmessung nicht länger wesentlich durch die jungfräulichen Formationen für die Parameter des Modells von Fig. 6 beeinflußt.

Die gestrichelten Kurven betreffenddie normalisierte Dämpfung und Phase für den weiteren Abstand für das Empfängerpaar zeigt, daß man mit der Dämpfungsmessung allgemein "tiefer" in die Formationen hineinsieht als mit der Phasenmessung. Beispielsweise bei einem Eindringsbereichdurchmesser D. = 2o3 cm ist ersichtlich die normalisierte Phase gleich 1 , es wird fast gänzlich der Eindringbereich gemessen. Im Gegensatz hierzu ist die normalisierte Dämpfung A , noch nahe Null, wodurch angezeigt wird, daß die Dämpfungsmessungen noch bei diesem Grad der Eindringung von den jungfräulichen Formationen dominiert werden.

Es ist ersichtlich, daß die Kurve für die normalisierte Phase für Empfängerstellen bei χ = 19o,5 cm, x, = 254 cm und die Kurve für die normalisierte Dämpfung für Empfängerabstände χ =68,6 cm, x, =132 cm über den gesamten Beiäch der Eindringdurchmesser relativ nahe beieinanderliegen. Diese Kurven passen ferner über den Bereich der Eindringdurchmesser für verschiedene Modelle mit anderen Parameterwerten und anderen Übergangsbereichsprofilen zusammen (dies wurde festgestellt durch Berechnen von Kurven für eine Anzahl verschiedener Modelle). Diese Abstände werden daher als bevorzugte Abstände erfindungsgemäß gewählt, obwohl wesentliche Änderungen möglich sind. Beispielsweise kann die Wahl der Abstände teilweise von der Wahl der Betriebsfrequenz abhängig gemacht werden, wie nachfolgend beschrieben wird. Ferner können andere Familien von Kurven verwendet werden, wo geeignete zusammenpassende ausgewählt werden.

- 28 -

909812/0971

Bei der Auswahl einer geeigneten Frequenz wird eine Anzahl von Betrachtungen ins Spiel gebracht. Wenn die Frequenz vergrößert wird, wird die Absorption der Wellenenergie durch die Formationen vergrößert, so daß die empfangene Signalstärke abnimmt. Ferner nimmt die Tiefe der Untersuchung mit steigender Frequenz ab. Jedoch besitzt bei höheren Frequenzen die Leitfähigkeit eine weniger dominierende Wirkung auf die Messungen, so daß die Auflösung der Dielektrizitätskonstanten-bestimmumg verbessert wird. Dementsprechend wird die Frequenz ausgewählt, indem diese gegensätzlichen Wirkungen ausbalanciert werden. Es wird angenommen, daß eine Frequenz von etwa 2o MHz eine adequate Auflösung bei der Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten liefert, während noch eine genügende Signalstärke an den Em-pfängern und eine genügende Untersuchungstiefe ermöglicht wird.

Die Wahl des Empfängerpaarabstandes und der Anordnungsstellen hängt von verschiedenen Faktoren ab, wobei es etwas Spielraum bei der Auswahl in Übereinstimmung mit den vorne ausgeführten Prinzipien der Erfindung gibt. In diesem Zusammenhang wird die nachfolgende Diskussion der Auswahl bevorzugter Empfängeranordnungen und -abstände als beispielhaft betrachet. Um die Untersuchungstiefe zu maximalisieren, kann man zunächst den am weitesten entfernt anzuordnenden Empfänger R. derart anordnen, daß er soweit wie nur möglich von dem Sender entfernt ist. Grenzen aufgrund der physikalischen Länge des Untersuchungswerkzeugs, das wirksam durch unvollkommende Bohrlöcher hindurchgeführt werden muß, und die Dämpfung des empfangenen Signals über längere Abstände sind begrenzende Faktoren bezüglich des Abstandes von R.. Angesichts dieser Faktoren wird ein Abstand von etwa 25 4 cm zwischen dem Sender und R₄ gewählt, da hierdurch wenigstens eine minimale Schwellwertsignalhöhe in relativ leitenden Formationen geliefert wird. Die Position des zweiten Empfängers R-, des entfernten Empfängerpaares wird als nächstes gewählt. R₃ sollte genügend weit von R₄ entfernt sein, um eine

9 09812/0971 -29-

gute elektrische Auflösung für die Phasen- und/oder Dämpfungsmessungen zu liefern. Andererseits sollte der Abstand von R. nicht so groß sein, daß Mehrdeutigkeiten bei der Phasenmessung auftreten. Ferner reduzieren übermäßig weite Abstände die Auflösung in Axialrichtung des Bohrlochs, d.h. die Möglichkeit, sich relativ schnell ändernde Formationseigenschaften (beispielsweise dünne Betten) zu entdecken. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Position von R₃ derart gewählt, daß sich dieser Empfänger etwa 63,5 cm von R., d.h. etwa 19o,5 cm von dem Sender entfernt befindet. Nachdem die Lage für das entfernte Empfängerpaar gewählt ist, das bevorzugterweise dazu verwendet wird, um eine relative Phaseninformation zu erhalten, wird die Lage des nahen Empfängerpaares derart ausgewählt, daß die Untersuchungstiefe der relativen Dämpfungsinformation, die von dem nahen Empfängerpaar erhalten wird, im wesentlichen mit der üntersuchungstiäfefe der relativen Phaseninformation ,die von dem entfernten Empfängerpaar erhalten wird, übereinstimmt. Die oben beschriebene Methode zum Liefern einer normalisierten Untersuchungstiefe für verschiedene theoretische Empfängerpaarabstände für ein verallgemeinertes Modell können vorzugsweise verwendet werden, um diese Übereinstimmung zu erzielen. Wie aus dem Diagramm von Fig. 9 ersichtlich, liefert einhahes Empfängerpaar, bei dem R. etwa 68,6 cm von dem Sendelfund R_? etwa 132 cm von dem Sender entfernt sind, eine relativ gute Übereinstimmung (über einen Bereich von möglichen mittleren Übergangsbereichdurchmessern) der Dämpfungsmessungstiefe der Untersuchung von R-, R_? mit der relativen Phasenmessungstiefe der Untersuchung von Ro, R₄. In diesem Beispiel ist der Abstand zwischen den Empfängern des nahen Empfängerpaares im wesentlichen gleich demjenigen des Abstandes zwischen den Empfängern des entfernten Empfängerpaares gewählt, d.h. etwa 63,5 cm, so daß sie ähnliche Auflösungsfähigkeiten besitzen.

In Fig. 11 ist die Dämpfung gegen die Phase für verschiedene Werte von £_' und & auf getragen, wenn die vorgenannten

909812/0971 __3o_

- 2er-

bevorzugten Empfängerpaarabstände verwendet werden, wie sie sich aus den Fig. 8 und 9 ergeben. Die Kurven können entsprechend der Methode, die im Zusammenhang mit Fig. 1o erläutert wurde, durch Lösen der Gleichungen (8) und (12) erzeugt werden, um Werte für

*£_' und Cc für jedes Paar bestehend aus Dämpfung und.Δ φ zu erhalten. Insbesondere sind in Gleichung (8) die Abstände L₁ und L„ 68,6 cm bzw. 132,1 cm (da das nahe Empfängerpaar zum Erhalten der Dämpfungsinformation verwendet wird), während in Gleichung (12) die Abstände L- und 1- 19o,5 cm bzw. 254 cm sind (da das entfernte Empfängerpaar zum Erhalten der Phaseninformation verwendet wird). Wie vorstehend ausgeführt, können die Werte für

£_.' und 6" anfänglich (beispielsweise unter Verwendung der Methode von Fig. 1o) in dem Rechermodul 1oo gespeichert werden. Ein Tabellensuchen kann dann verwendet werden, wenn Werte für die Dämpfung und Δ φ auf den Leitungen 6oA und 7oA empfangen werden, um Ausgangswerte für <£_' und 6" zum Aufzeichnen zu erhalten. Alternativ können, wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, iterative, Kurvenzuordnungs- oder Analogrechnermethoden verwendet werden, um aufzeichnungsfähige Auswerte zu erzeugen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine "ultratiefe" Leitfähigkeitsbestimmung unter Verwendung einer Dämpfungsmessung vorgenommen werden, die durch das entfernte Empfängerpaar R.,, R. vorgenommen wird. Hierbei wird die Dielektrizitätskonstante der Formationen inder vorgenannten Weise zunächst bestimmt, d.h. die Dämpfungsmessung von den nahen Empfängerpaar R₁, R„ zusammen mit der Phasenmessung durch das entfernte Empfängerpaar R^, R. vorgenommen und diese Werte entsprechend den Beziehungen (8), (12) verwendet, um eine Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten (oder der absoluten Dielektrizitätskonstanten) der Formationen zu erhalten. Nun kann mit "c.¹ als einer Bekannten die Dämpfungsmessung durch das entfernte Empfängerpaar in der Beziehung (8) verwendet werden, wobei die Abstände von T zu

R₁ und R„ durch die Abstände von T zu R., und R asetzt werden, 12 ^J 4

909812/0971

- 31 -

um ö^zu bestimmen, woei der auf diese Weise erhalteneVfert für

ο , bezeichnet wird. Das zur Lösung von 6^, verwendete £-' stellt die Dielektrizitätskonstante von etwas oberflächlicheren Formationen als diejenigen dar, die zu der Dämpfungsmessung beitragen, die von dem entfernten Empfängerpaar R-, R vorgenommen wird. Jedoch wird dies in den meisten Fällen nicht zu einem wesentlichen perozentualen Fehler in der Bestimmung von ο , führen.

In Fig. 12 ist eine Ausführungsform dargestellt, mit der die Dämpfungs- und Phaseninformation von jedem einer Vielzahl von Empfängerpaaren unter Verwendung einer Einzelkanalverarbeitung erhalten wird. Insbesondere wird eine Messung der Amplitude und/ oder Phase der Wellenenergie, die an einem Empfänger eines bestimmten Empfängerpaares empfangen wird, erhaten, indem ein Einzelverarbeitungskanal, der mit dem entsprechenden Empfänger gekoppelt ist, verwendet wird. Der bestimmte Wert der Amplitude und/oder Phase wird gespeichert und der gleiche Verarbeitungskanal dann mit dem anderen Empfänger des Empfängerpaares gekoppelt. Eine Amplituden- und Phasenmessung, die mit dem anderen Empfänger vorgenommen wird, wird dann erhalten und gespeichert, und die beiden gespeicherten Werte der Amplitude und/oder der beiden gespeicherten Werte der Phase dann verwendet, um die gewünschten Werte bezüglich der Dämpfung und/oder der realtiven Phasendifferenz der elektromagnetischen Wellenenergie zu erhalten, die an dem entsprechenden Empfängerpaar empfangen wurde. Bei der in Fig. 12 dargesiäLlten Ausführungsform ist die Schaltungsanordnung so dargestellt, daß sie zum Aufnehmen von Dämpfungsund Phasendifferenzmessungen vor jedes von drei Empfängerpaares R-/ R„7 R R-; R-, R. verfügbar ist. Anders ausgedrückt, ist die Schaltungsanordnung für den verallgemeinerten Fall geeignet, in dem irgendein oder sämtBche der erhaltenen Werte entsprechend den Prinzipien der Erfindung verwendet werden kann. Jedoch können weniger als sämtliche dieser Informationen für

909812/0971 -32-

einen bestimmten Anwendungsfall verwendet werden, wobei gegebenenfalls Teile der Schaltungsanordnung für Anwendungszwecke weggelassen werden können, bei denen die Ausgänge derartiger Schaltungsteile nicht verwendet, d.h. gespeichert oder durch den Rechenmodul 1oo verwendet werden. Die Ausfuhrungsform von Fig. 12 liefert ferner eine Verwirklichung der Merkmale der Erfindung, bei der wenigstens eine Messung, die von dem näher befindlichen Empfänger gehalten wird, durch eine Messung substituiert wird, die normalerweise durch entfernte Empfänger in Fällen vorgenommen wird, in denen die Information von den entfernteren Empfängern keiner vorbestimmten Norm entspricht. Diese Situation kann typischerweise in relativ leitenden Formationen auftreten, wo die Signaldämpfung den Empfang eines genügend starken Signals an den entfernteren Empfängern verhindert.

Gemäß Fig. 12 sind ein Sender T und vier Empfänger R..-R. vorgesehen. Wie in Fig. 1 können die Empfänger typischerweise Spulen sein, die aufeinanderfolgend in Abstand zueinander in einer Sonde angeordnet sind. Der Sender T wird bei dieser Ausführungsform mit einem Signal von 2o MHz durch einen Oszillator 251 beaufschlagt. Der Ausgang des Oszillators 251 ist über einen Verstärker 261 und einen Abgleich- und Anpassungskreis 262 mit dem Sender T verbunden. Die Taktimpulse, die zum Umschalten zwischen verschiedenen Empfängern als auch zum Umschalten in den Empfängerkreisen verwendet werden, werden durch Dividieren des 2o MHz-Signals durch 25o und dann durch 1ooo erhalten, wie durch die Frequenzteiler 2 52 und 25 8 angedeutet ist. Das frequenzgeteilte Signal wird durch ein Bandfilter 25 3 gefiltert und durch einen Rechteckwellenkreis 25 4 in eine Rechteckwelle umgewandelt. Der resultierende Ausgang auf der Leitung 254A ist eine 8o KHz Rechteckwelle, die auf den Eingang eines Phasendetektors 241 gegeben wird. Das Signal auf der Leitung 254A wird ferner auf den Frequenzteiler 258 zum Teilen durch 1ooo gegeben, dessen Ausgang 258A fernermit einem Inverter 259 gekoppelt ist, der einen

909812/0971 - 33 -

Ausgang auf einer Leitung 259A erzeugt. Die Signale auf den Leitungen 258Aund 259A werden in der Em-pfängerschaltung in nachfolgend beschriebener Weise verwendet. Der Phasendetektor ist Teil einer Schleife, die einen spannungsgesteuerten Oszillator 2 42 und einen Frequenzteiler 2 43 umfaßt.Der spannungsgesteuerte Oszillator 242 besitzt eine charakteristische Frequenz von 19,92 MHz, 8o KHz weniger als die 2o MHz-Frequenz des Oszillators 251. Das 19,92 MHz-Signal wird durch 249 geteilt, um ein 8o KHz-Signal zu erhalten, das auf den anderen Eingang des Phasendetektors gegeben wird. Wenn eine Differenz zwischen dsn beiden angelegten 8o KHz-Signalen auftritt, wird am Ausgang des Phasendetektors 241 ein Fehlersignal erscheinen, das dazu verwendet wird, die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 2 42 zu korrigieren, um eine 8o KHz-Frequenzdifferenz zwischen den beiden Oszillatoren 251 und 2 42 beizubehalten.

Die Ausgänge der Empfänger R. bzw. R„ sind mit den Eingangsanschlüssen eines Schalters 411 gekoppelt, während die Empfänger R- bzw. R₃ niit den E in gangs an Schluss en eines Schalters 311 und dieEmpfänger R-. bzw. R. mit den Aus gangs ans chlüssen eines Schalters 211 gekoppelt sind. Jeder der Schalter 211, und 411 kann den einen oder anderen seiner Eingänge mit seinem Ausgang unter Steuerung durch das 81 KHz-Taktsignal auf der Leitung 258Akoppeln. Die Ausgänge der Schalter 211, 311 und 411 sind entsprechend mit den Eingängen von Verarbeitungskanälen 29o, 39o und 49o gekoppelt. Der Verarbeitungskanal 29o umfaßt einen Abgleich- und Anpassungskreis 212, der mit einem Vorverstärker 213 gekoppelt ist, der einen Verstärkungsregelungseingang 2131 besitzt. Der Ausgang des Vorverstärkers 213 istmit einem Mischer 214 gekoppelt, der an seinem anderen Eingangsanschluß ein Signal von der Leitung 242A empfängt. Wie vorstehend beschrieben, besitzt dieses Signal eine Frequenz von 19,92 MHz und unterscheidet sich von der Sendefrequenz um 8o KHz. Im Zusaemmenhang mit der AusSihrungsform von Fig. 1 wurde ausgeführt,

909812/0971

- 34 -

daß hierdurch die Messung der Amplituden- und/oder Phaseninformation erleichtert wird, indem ermöglicht wird, daß die Erfassung bei einer niedrigeren Frequenz durchgeführt wird, während noch die Amplituden- und Phaseninformation der empfangenen elektromagnetischen Wellenenergie aufrechterhalten wird. Der Ausgang des Mischers 214 ist über ein Bandfilter 215, das ein geeignetes Frequenzband, das um 8o KHz als Mitte eingestellt ist, durchläßt, mit einem Zwischenfrequenzverstärker 216 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 216 ist sowohl mit einem Spitzen- oder Peakdetektor 217 und einem Rechteckwellenkreis 219 verbunden, der typischerweise einen Schmitt-Trigger aufweisen kann. Der Ausgang des Spitzendetektors 217 ist mit einem automatischen Verstärkungssteuerkreis 218 gekoppelt, dessen Ausgang mit dem Steuereingang . des Vorverstärkers 213 rückgekoppelt ist (der automatische Verstärkungssteuerkreis 218 besitzt vorzugsweise eine relativ große Zeitkonstante und ändert im wesentlichen keine aufeinanderfolgenden Signale, die von zwei Empfängern empfangen werden, mit denen der spezielle Kanal gekoppelt ist.) Der Ausgang des Spitzendetektors 217, der ein Signal reprasentaitiv für die Einhüllende der elektromagnetischen Wellenenergie erzeugt, die an dem Empfänger empfangen wird, mit dem der Verarbeitungskanal 29o momentan gekoppelt ist, ist ferner mit einem Speicherkreis 225 gekoppelt Bei der vorliegenden Ausführungsform umfaßt der Speicherkreis ein Paar von Tastspeicherkreisen 225A und 225B, mit denen das Eingangssignal unter Steuerung der TaMsignale auf den Leitungen 258A und 259A abtastbar ist. Insbesondere wird der Tastspeicherkreis 225A getriggert, um das Eingangssignal aufgrund des positiv verlaufenden Anstiegs des Taktsignals auf der Leitung 258A abzutasten, während der Tastspeicherkreis 225B zum Triggern durch den positiv verlaufenden Anstieg des Taktsignals auf der Leitung 259A mit entgegengesetzter Polarität geeignet ist. Die beiden Ausgänge der Speicherkreise 225 sind mit einem Verhältniskreis 226 gekoppelt, der einen Ausgang erzeugt, der repräsentativ für das Verhältnis der Einhüllenden der elektromagnetischen Wellenenergie

909812/0971 -35-

empfangen am Empfänger R. in bezug auf die entsprechende Größe empfangen am Empfänger R₃ liefert, d.h. eine Dämpfung bezeichnet

als Dämpfung -, ..
ο, 4

Der Ausgang des Verstärkers 216 ist ferner mit einem Rechteckwellenkreis 219 gekoppelt, dessen Ausgang seinerseits mit einem Nulldurchgangsdetektor 22o verbunden ist. Der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors 22o ist mit dem Rückstelleingang eines Flipflops 221 gekoppelt. Der Stelleingang des Flipflops 221 empfängt das Signal auf der Leitung 254A. Der Ausgang des Flipflops 221 wird durch einen Integrator 222 integriert, der ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zur Breite des Ausgangsimpulses vom Flipflop 221 und dem-entsprechend proportional zu der Zeit ist, während der der Flipflop 221 "an" war. Der Integrator 222 wird über einen Verzögerungskreis 229 sowohl durch die positiv verlaufende als auch die negativ verlaufende Flanke des 8oKHz-Signals von der Leitung 258A rückgestellt. Der Ausgang des Integrators 222 ist mit einem Speicherkreis 22 3 gekoppelt, der ähnlich zu dem Speicherkreis 22 5 ist,indem er ein Paar von Tastspeicherkrexsen 223A und 223B aufweist, die entsprechend getriggert werden, um die entgegengesetzt in Phase gebrachten Rechteckwellen auf den Leitungen 258A und 259A abzutasten. Die beiden Ausgänge des Speicherkreises 22 3 sind mit einem Differenzverstärker 224 verbunden, der einen Ausgang/^,-, , erzeugt.

P^J4

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß Ι2>φ-. . die Phasendifferenz

0,4

zwischen der elektromagnetischen Enargie darstellt, die an den Empfängern R₃ und R. empfangen wird. Während der Zeit, während der der Verarbeitungskanal 29o mit dem Empfänger R_ gekoppelt ist, werden die Phasenmessungen an dem ankommenden Signal in bezug auf ein Bezugssignal vorgenommen, wobei das Bezugssignal das 80 KHz-Signal auf der Leitung 254A ist, das mit dem Erregungssignal zusammenhängt, das mit dem Sender T gekoppelt ist. Dieses Bezugssignal stellt den Flipflop 221, und dieser wird durch das Signal, das bei R₃ über Kanal 29o ankommt, zurückgestellt. Daher

909812/0971

erzeugt der Flipflop 221 für jeden Zyklus der 80 KHz-Rechteckwelle einen Ausgangsimpuls, dessen Dauer repräsentativ für die relative Ptese der elektromagnetischen Wellenenergie ist, die bei R₃ empfangen wird. Die Impulse werden durch den Integrator 222 gemittelt, so daß der Wert, der in dem Tastsepeicherkreis 223A des Speicherkreises 22 3 gespeicher t wird, repräsentativ füreine Phasenmessung der elektromagnetischen Wellenenergie ist, die am Empfänger R₃ ankommt. Wenn der Verarbeitungskanal 29o geschaltet wird, um mit dem Empfänger R₄ gekoppelt zu werden, wird dasselbe Bezugssignal erneut verwendet, um den Flipflop 221 zu stellen, jedoch wird er in diesem Fall durch ein Signal zurückgestellt, das von der elektromagnetischen Wellenenergie abgeleitet wird, die am Empfänger R ankommt. Dementsprechend ist

der in dem Tastspeicherkreis 223B des Speicherkreises 22 3 gespeicherte Wert repräsentativ für die entsprechende Phasenmessung, für die elektromagnetische Wellenergie, die bei dem EMpfänger R. ankommt. Die Differenz zwischen diesen beiden Phasen wird unter Verwendung des Differenzverstärkers 224 erhalten, dessen Ausgang, wie ausgeführt, als.£^0₃ . bezeichnet wird.

Die Kanäle 39ο und 49o können ähnlich zu dem Kanal 29o ausgestaltet sein. Die Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten und/oder Leitfähigkeit wird, wie weiter oben beschrieben, unter Verwendung der Dämpung₁ „ und A $_ . vorgenommen. Fig. 12 illu-

\ /Z A '

striert diese Signale und fernerA-j^ 3/ ^w;*-^{e s}i-^e über Block 29 mit dem Rechnermodul I00 gekoppelt werden (Fig. 1). Der Block 292 umfaßt einen Schalter 293, der entwederA.jz5 - °oder/4(z5 ,

mit dem Rechernmodeul I00 unter Steuerung des Ausgangs des Schwellenwertdetektors 291 koppelt. Der Schwellenwertdetektor 291 empfängt als Eingang das Signal von dem Schaltkreis 218, d.h. ein Signal, das repräsentativ für die Wellenenergieamplitude ist, die bei R₃, R. empfangen wird. Wenn die automatische Verstärkungssteuerung einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt,

- 37 -

909812/0971

werden die bei R-., R empfangenen Signalhöhen als ungenügend betrachtet, undA. 0„ ^ mit dem Rechenmodul 1oo zur Verarbeitung gekoppelt. Der Ausgang des Schwellwertdetektors 291, der für die Stellung des Schalters 29 3 bestimmend ist, wird ferner zur Erdoberfläche übermittelt und aufgezeichnet, damit klargestellt wird, welches Empfängerpaar verwendet wurde.

Erfindungsgemäß kann auch eine direkte Messung der Amplitude für die Dämpfungsmessungen verwendet werden. Jedoch wird die vorstehend beschriebene Differenzempfängeranordnung bevorzugt, daß hierdurch Einflüsse des Bohrlochs und Eindringeffekte minimalisiert werden.Beispielsweise ist das Diagramm von Fig. im wesentlichen für Bohrlöchern mit verschiedenen Durchmessern anwendbar, während ein entsprechendes Diagramm, bei dem die Phasendifferenz gegen die Amplitude (direkte Messung) aufgetragen ist, nur für einen bestimmten Bohrlochdurchmesser anwendbar ist, so daß verschiedene Diagramme für verschiedene Bohrlochdurchmesser verwendet werden müssen.

909812/0971

Leerseite

Claims (26)

1. Societe de Prospection
   Electrique Schlumberger

   Patentansprüche

   Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften von Erdormationen, die ein Bohrloch umgeben, wobei eine elektromagnetische Wellenenergie an einer ersten Stellein einem Bohrloch erzeugt und ein erster Parameter der elektromagnetischen Wellenenergie an einer zweiten Stelle in dem Bohrloch erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter, von dem ersten unterschiedlicher Parameter der elektromagnetischen Wellenenergie an einer dritten Stelle in dem Bohrloch erfaßt wird, wobei die zweite Stelle zwischen der ersten und dritten Stelle liegt und die Eigenschaften der Formationen als Punktion der ersten und zweiten Parameter bestimmt werden»
2. 2. Verfahrennach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   der erste Parameter die relative Dämpfung der elektromagnetischen Wellenenergie ist, während der zweite Parameter die relative Phase der elektromagnetischen Wellenenergie ist,
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmten Eigenschaften die Dielektrizitätskonstante und/ oder die Leitfähigkeit sind, wobei zum Beglimmen des ersten Parameters ein erstes Paar von mit Abstand zueinander angeordneten Empfängern an der zweiten Stelle verwendet und die Dämpfung zwischen der elektromagnetischen Wellenenergie erfaßt wird, die an den Empfängern des ersten Paares empfangen wird, während für das Erfassen des zweiten Parameters ein zweites Paar von mit Abstand zueinander angeordneten Empfängern an der dritten Stelle verwendet und die relative Phase zwischen der elektromagnetischen

   2 -

   Wellenenergie erfaßt wird, die an den Empfängern des zweiten Paares empfangen wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,, daß die bestimmten Eigenschaften die Dielektrizitätskonstante und/oder die Leitfähigkeit sind, wobei der erste Parameter an der dritten Stelle in dem Bohrloch erfaßt, die Dielektrizitätskonstante der Formationen als Funktion des ersten Parameters, der an der zweiten Stelle erfaßt wird, und des zweiten Parameters, der an der dritten Stelle erfaßt wird, abgeleitet und die Leitfähigkeit der Formationen als eine Funktion der abgeleiteten Dielektrizitätskonstanten und des ersten Parameters bestimmt wird, der an der dritten Stelle erfaßt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der elektromagnetischen Energie in einem Bereich von etwa 1o MHz bis 1oo MHz liegt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der elektromagndischen Energie etwa 2o MHz beträgt.
7. 7„ Vorrichtung zum Bestimmen der Eigenschaften von Erdformationen, die ein Bohrloch umgeben, wobei Mittel zum Erzeugen einer elektromagnetischen Wellenenergie an einer ersten Stelle in dem Bohrloch und Mittel zum Erfassen eines ersten Parameters der elektromagnetischen Wellenenergie an einer zweiten Stelle in dem Bohrloch vorgesehen sind, dadurch gkennzeichnet, daß Mittel zum Erfassen eines zweiten von dem ersten verschiedenen Parameters der elektromagnetischen Wellenenergie an einer dritten Stelle in dem Bohrloch, wobei die zweite Stelle zwischen der ersten und der dritten Stelle liegt, und Mittel zum Bestimmen der Eigenschaften der Formationen als Funktion des ersten und zweiten Parameters vorgesehen sind.

   0 9 812/0911

   283956-
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmten Eigenschaften die Elektrizitätskonstante und/oder die Leitfähigkeit sind, wobei der erste Parameter die relative Dämpfung der elektromagnetischen Wellenenergie ist, und daß der zweite Parameter die relative Phase der elektromagnetischen Wellenenergie ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bestimmen des ersten Parameters ein erstes Paar von mit Abstand zueinander angeordneten Empfängern an der zweiten Stelle und Mittel zum Erfassen der Dämpfung der elektromagnetischen Wellenenergie umfassen, die an den Empfängern des ersten Paares empfangen wird, und daß die Mittel zum Erfassen des zweiten Parameters ein zweites Paar von mit Abstand zueinander angeordneten Empfängern an der dritten Stelle und Mittel zum Erfassen der relativen Phase der elektromagnetischen Wellenenergie umfaßt, die an den Empfängern des zweiten Paares empfangen wird.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paar von Empfängern aus einem Paar von mit Abstand zueinander angeordneten Empfängerspulen besteht.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen der elektromagnetischen Energie eine Senderspule und Mittel zum Beaufschlagen der Senderspule umfassen, wobei die Frequenz der elektromagnetischen Energie im Bereich von 1o - 1oo MHz liegt.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der elektromagnetisdchen Energie bei 2o MHz liegt.
13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stelle etwa in der Mitte zwischen

    09812/0971

    der ersten und der dritten Stelle liegt.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Empfänger im wesentlichen im gleichen Abstand von etwa 6o cm zwischen den Empfängern angeordnet sind.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmten Eigenschaften die Dielektrizitätskonstante und/oder die Leitfähigkeit sind, wobei Mittel zum Erfassen des ersten Parameters an der dritten Stelle in dem Bohrloch, Mittel zum Ableiten der Dielektrizitätskonstante der Formationen als Funktion des ersten Parameters, der an der zweiten Stellei erfaßt wird, und des zweiten Parameters, der an der dritten Stelele erfaßt wird, und Mittel zum Bestimmen der Leitfähigkeit der Formationen als Funktion der abgeleiteten Dielektrizitätskonstanten und des ersten Parameters, der an der dritten Stelle erfaßt wird, vorgesehen sind.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erfassen des ersten Parameters einen ersten und zweiten Empfänger und die Mittel zum Erfassen des zweiten Parameters einen dritten und vierten Empfänger umfassen, wobei sämtliche Empfänger mit Abstand aufeinanderfolgend zur ersten Stelle in dem Bohrloch angeordnet sind, daß ein erster und ein zweiter Verarbeitungskanal vorgesehen ist, wobei der erste Verarbeitungskanal umschaltbar mit dem ersten oder zweiten Empfänger koppelbar ist, während der zweite Verarbeitungskanal umschaltbar mit dem dritten oder vierten Empfänger koppelbar ist, daß ein Dämpfungsdetektor mit dem ersten Verarbeitungskanal gekoppelt ist, mit dem die Amplitude der elektromagnetischen Wellenenergie, die an dem zweiten Empfänger empfangen wird, wenn der aste Verarbeitungskanal hiermit gekoppelt ist, mit der Amplitude der elektromagnetischen Wellenenergie vergleichbar ist, die am ersten Empfänger empfangen wird, wenn der erste Verarbeitungskanal mit diesem gekoppelt ist, daß ein Phasenkomparator mit

    909812/0971

    - 5-

    dem zweiten Verarbeitungskanal gekoppelt ist, mit dem die Phase der elektromagnetischen Wellenenergie, die an dem vierten Empfänger empfangen wird, wenn der dritte Verarbeitungskanal hiermit gekoppelt ist, mit der Phase der elektromagnetischen Wellenenergie vergleichbar ist, die an dem dritten Empfänger empfangen wird, wenn der dritte Verarbeitungskanal hiermit ge-' koppelt ist, und daß die Bestimmungsmittel Mittel zum Bestimmen der Dielektrizitätskonstanten und /oder der Leitfähigkeit der Formationen als Funktion des Ausgangs des Amplitudendetektors und des Phasenkomparators umfassen.
17. 17. Verfahren zum Bestimmen der Dielektrizitätskonstanten und/oder Leitfähigkeit von Erdformationen, die ein Bohrloch umgeben, wobei eine elektromagnetische Wellenenergie an einer ersten Stelle in dem Bohrloch erzeugt und die relative Dämpfung der elektromagnetischen Wellenenergie an einer zweiten Stelle in dem Bohrloch erfaßt wird, dadurch gekenn ze ichnet> daß die relative Phasenverschiebung der elektromagnetischen Wellenenergie an einer dritten Stelle in dem Bohrloch erfaßt, die relative Phasenverschiebung der elektromagnetischen Wellenenergie an eher vierten Stelle in dem Bohrloch erfaßt wird, wobei die zweite Stelle zwischen der ersten und dritten Stelle und die vierte Stelle zwischen der asten und dritten Stelle liegen, und die Dielektriztitäskonstante und/oder die Leitfähigkeit der Formationen als Funktion der erfaßten Dämpfung und der Phase bestimmt wird, die entweder an der dritten oder der Alerten Stelle erfaßt wird.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Stelle zwischen der zweiten und dritten Stelle liegt.
19. 19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Dielektrizitatskonsianten und/oder Leitfähigkeit der Formationen als Funkition der erfaßten Dämpfung und der Phase, die an der dritten Stelle erfaßt wird, vorge-

    809812/0971 " ⁶ ~

    nommen wird, wenn die elektromagnetische Wellenenergie an der dritten Stelle eine vorbestimmte Norm erfüllt, und als Funktion der erfaßten Dämpfung und der Phase, die an der vierten Stelle erfaßt wird, vorgenommen wird, wenn die elektromagnetische Wellenenergie, die an der dritten Stelle empfangen wird, die vorbestimmte Norm nicht erfüllt.
20. 20. Vorrichtung zum Bestimmen der Dielektrizitätskonstanten und/oder Leitfähigkeit von Erdformationen, die ein Bohrloch umgeben, mit Mitteln zum Erzeugen elektromagnetischer Wellenenergie an einer ersten Stelle in dem Bohrloch und Mitteln zum Bestimmen der relativen Dämpfung der elektromagnetischen Wellenenergie an eher zweiten Stelle in dem Bohrloch, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Bestimmen der relativen Phasenverschiebung der elektromagnetischen Wellenenergie an einer dritten Stelle in dem Bohrloch, Mittel zum Erfassen der relaüven Phasenverschiebung der elektromagnetischen Wellenenergie an einer vierten Stellein dem Bohrloch, wobei die zweite Stelle zwischen der ersten und dritten Stelle und die vierte Stelle zwischen der ersten und dritten Stelle liegt, und Mittel zum Bestimmen der Dielektrizitätskonstanten und/oder Leitfähigkeit der Formationen als Funktion der erfaßten Dämpfung und der Phase, die entweder an der dritten oder an der vierten Stelle erfaßt wird, vorgesehen sind.
21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, daß de vierte Stelle zwischen der zweiten und dritten Stelle liegt.
22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 2o oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bestimmen der Dielektrizitätskonstanten und/oder Leitfähigkeit der Formationen auf die erfaßte Dämpfung und die Phase ansprechbar sind, die an der dritten Stelle erfaßt wird, wenn die elektromagnetische Wellenenergie

    909812/0971

    an der dritten Stelle eine vorbestimmte Norm erfült, bzw. auf die erfaßte Dämpfung und die Phase, die an der vierten Stelle erfaßt wird, ansprechbar ist, wenn die elektromagnetische Wellenenergie, die an der dritten Stelle empfangen wird, die vorbestimmte Norm nicht erfüllt.
23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Norm eine vorbestimmte Signalhöhe ist.
24. 24. Vorrichtung nach einem der Anspruch 2o bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stelle durch ein erstes Empfängerpaar definiert ist, das einen nahen und einen entfernten Empfänger aufweist, während die dritte Stelle durch ein zweites Empfängerpaarmit einem nahen und einem entfernten Empfänger definiert ist, während die vierte Stelle durch ein Empfängerpaar definiert ist, das aus dem entfernten Empfänger des ersten Empfängerpaares und dem nahen Empfänger des zweiten Empfängerpaares besteht.
25. 25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erfassen der relativen Phasenverschiebung der elektromagnetischen Wellenenergie an der dritten Stelle Mittel zum Erfassen und Speichern der relativen Phase der elektromagnetischen Wellenenergie umfassen, die an dem entfernten Empfänger des zweiten Empfängerpaares empfangen wird, und daß Mittel zum Erfassen und Speichern der Phase der elektromagnetischen Wellenenergie vorgesehen sind, die an dem entfernten Empfänger des zweiten Empfängerpaares empfangen wird, während Mittel zum Bestimmen derDifferenz zwischen den gespeicherten Phasen vorgesehen sind.
26. 26. Vordchtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekenn lohnet, daß die Mittel zum Erfassen der relativen Dämpfung der elektromagnetischen Wellenenergie an der zweiten Stelle Mittel zum Erfassen und Speichern der Amplitude der elektromagnetischen

    909812/0971

    Wellenenergie , die an dem entfernten Empfänger des ersten Empfängerpaares empfangen wird, Mittel sum Erfassen und Speichern der Miplitude der elektromagnetischen Wellenenergie,, die an dem entfernten Empfänger des ersten Empfängerpaares empfangen wird, und Mittel zum Bestimmen des Verhältnisses der gespeicherten Amplituden aufx-?eisen.

    27ο Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 4 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bestimmen der relativen Phasenverschiebung der elektromagnetischen Welleneenergie an der vierten Stelle Mittel zum Erfassen und Speichern der relativen Phase der elektromagnetischen Wellenenergie, die \on dem entfernten Empfänger des ersten Empfängerpaares empfangen wird, und Mittel zum Bestimmen der Differenz zwischen der gespeicherten Phase, die an dem nahen Empfänger des zweiten Empfängerpaares erfaßt vrird, und der gespeicherten Phase, die an dem entfernten Empfänger des ersten Empfängerpaares empfangen wird, umfassen»