DE2901928A1

DE2901928A1 - Verfahren und vorrichtung zur bohrlochuntersuchung

Info

Publication number: DE2901928A1
Application number: DE19792901928
Authority: DE
Inventors: Roland Chemali; Jacques Tabanou
Original assignee: Societe de Prospection Electrique Schlumberger SA
Current assignee: Services Petroliers Schlumberger SA
Priority date: 1978-01-21
Filing date: 1979-01-18
Publication date: 1979-07-26
Also published as: MX152116A; IT1110902B; IT7919287A0; NL7900391A; FR2416486A1; BR7900366A; AU524809B2; TR20225A; NO151912C; NO151912B; CA1130862A; AU4325479A; NO790144L; EG13724A; FR2416486B1; OA06155A; US4319192A; MY8500184A

Description

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Beschreibung zum Patentgesuch

der Societe de Prospection Electrique Schlumberger

42, rue Saint Dominique, Paris/Prankreich betreffend:

"Verfahren und Vorrichtung zur Bohrlochuntersuchung"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bohrlochuntersuchungsverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist seit langer Zeit Praxis, Erdformationen, die ein Bohrloch umgeben, durch Absenken einer Sonde in das Bohrloch zu untersuchen, indem man Charakteristiken der durchteuften Formationen, etwa ihre Leitfähigkeit, ihren Widerstand, ihre Porosität usw., mißt. Die Leitfähigkeit wird hauptsächlich gemessen durch Induzieren eines elektromagnetischen Stromes in die Formationen mittels Sendespulen und durch Erfassen der in den Formationen induzierten Magnetfelder durch Empfangsspulen. Eine solche Vorrichtung wird Induktionssonde genannt, und die Aufzeichnung der Meßwerte über der Tiefe wird als Induktionslog bezeichnet. Ein solches Induktionsloggerät wurde erstmals in der US-PS 2 582 314 beschrieben.

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Die Widerstandsmeßwerte werden dadurch bestimmt, daß man Ströme durch die Formation mittels bestimmter Elektroden schiessen läßt und Spannungen gemessen werden, die zwischen bestimmten anderen Elektroden entstehen. Um den Einfluß des Bohrlochs und der Formationen, die sich sehr dicht an der Bohrlochwandung befinden, minimal zu machen, wird der Strom in die Formationen fokussiert mittels spezieller Elektroden, die über eine Rückkopplungsschleife angeschlossen sind. Ein solches, mit Fokussierelektroden arbeitendes Untersuchungsgerät wurde erstmals in der US-PS 2 712 627 beschrieben.

Wenn man R den Widerstand der Bohrspülung im Bohrloch

bezeichnet, mit R den Widerstand der Zone direkt am Bohr-

χο

loch, die verunreinigt ist durch Bohrspülungsfiltrat, und mit R, den Widerstand der nicht uerunreinigten Zone, so ist es bekannt, daß es Bereiche des Widerstandes gibt, in denen Induktionsmessungen besser geeignet sind als Widerstandsmessungen und umgekehrt. Wenn das Verhältnis R-_t/R wesentlich größer als 1 ist, beispielsweise bei salzigen Bohrspülungen und/oder in Formationen hohen Widerstandes, werden Widerstandsmessungen bevorzugt. Wenn umgekehrt R, kleiner ist als R oder R , sind Induktionsmessungen befriedigender. Es wurde deshalb vorgeschlagen, das Fokussierelektrodensystem einer Widerstandssonde mit einem Spulensystem einer Leitfähigkeits- oder Induktionssonde auf demselben Sondenkörper eines Gerätes zu kombinieren. Dies ist der Gegenstand der US-PS 3 124 742, die ein "resistivity-induction tool" beschreibt, welches die gleichzeitige Aufzeichnung eines Widerstandslogs und eines Induktionslogs bei demselben round-trip durch das Bohrloch ermöglicht.

Die Hauptschwierigkeit bei der gemeinsamen Anordnung eines Elektroden-und eines Spulensystems in ineinandergreifender Anordnung auf demselben Träger beruht auf der Empfindlichkeit von Spulen gegenüber dem Vorhandensein von leitfähigem Material, in diesem Falle leitenden Elektroden in dichter

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Nachbarschaft. Infolgedessen wurde die Anzahl der Elektroden in der Sonde nach der oben erwähnten US-PS 3 124 742, obwohl noch ziemlich groß, doch so klein wie möglich gewählt, und bereits bekannte Elektrodensysteme mit großflächigen Elektroden wurden vermieden. Genauer gesagt, umfaßt das Fokussierelektrodensystem dieser bekannten Sonde eine zentrale Stromelektrode A , zwei Paare von Monitorelektroden M..-M',. und M₂~M'₂. Ein Paar von Hilf s Stromelektroden A.-A'., sowie eine Stromrücklaufelektrode B, die auf dem Sondenkörper angeordnet ist. Die Eindringtiefe eines solchen Systems ist flach wegen einerseits der geringen Größe und dem geringen Abstand der Elektroden, und andererseits der Anordnung der Stromrücklaufelektrode auf dem Sondenkörper. Dies ist ein ernsthafter Nachteil, da eine Tiefenuntersuchung zusammen mit einer Flachuntersuchung üblicherweise erforderlich sind, insbesondere dann, wenn R. und R erhehlich unterschiedlich sind.

Man kann jedoch zwei Tiefen der Untersuchung, eine flache und eine tiefe, gleichzeitig mit einem bekannten Typ von Dualfokussierelektrodensystem erzielen, das als "Dual resistivity"- System bezeichnet ist und in US-PS 2 712 63o bzw. 3 772 589 beschrieben wurde. Verglichen mit einem Flachwiderstandstyp arbeitet die Sonde mit zwei unterschiedlichen Frequenzen f- und f~ und weist zwei Stromrücklaufelektroden auf, eine auf dem Sondenkörper für den Flachwiderstand und eine an der Oberfläche für den Tiefenwiderstand. Daneben sind in der US-PS 3 772 5 89 die Stromrücklaufelektroden des Flachelektrodensystems als Hilfsstromelektroden A₉-A' des Tiefenwiderstandselektrodensystems vorgesehen. Aber diese Elektroden A₂-A' haben, um die Tiefe der Untersuchung zu vergrößern, eine große Abmessung und können deshalb nicht benutzt werden in einer kombinierten Dual-resisitivity-Induktionssonde, ohne erhebliche nachteilige Effekte auf die Betriebsweise des Spulensystems auszuüben.

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Ein anderer Grund für die NichtVerwendung großflächiger Hilfselektroden Α,-,-Α' ist die Tatsache, daß es übliche Praxis ist, eine Aufzeichnung über der Tiefe während desselben Durchgangs im Bohrloch für die "Spontanpotentialkurve" vorzunehmen, d.h. für die Differenz zwischen dem Potential auf einer Elektrode im Bohrloch und einem festen Potential an einer Oberflächenelektrode. Großflächige Metallelektroden würden das Spontanpotential glätten und daher zu fehlerhaften Messungen führen.

Ferner wäre es wünschenswert, daß die gesamte LÄnge des kombinierten Gerätes nicht erheblich länger ist als die Länge des Trägerteils für die Spulen, die »ihrerseits begrenzt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindungist es, ein neues Bohrlochuntersuchungsverfahren und eine neue Elektrodenanordnung zu schaffen für unabhängige Anwendung oder für die Anwendung in dichter Nachbarschaft mit einem Spulensystems einer Untersuchungssonde. Dabei soll eine Untersuchung der das Bohrloch umgebenden Formationen gleichzeitig in zwei unterschiedlichen Tiefen vorgenommen werden können. Die Anordnung soll so getroffen sein, daß die Spontanpotentialmessungen nicht gestört werden, und zwar wegen der Einfachheit der Elektroden und deren kleinen Abmessungen. Ferner soll die Gesamtlänge der neuen Elektrodenanordnung so gering sein, daß eine solche Sonde mit einer solchen Elektrodenanordnung leicht handhabbar ist und/oder so, daß die Anordnung auf dem Trägerteil einer üblichen Induktionssonde montiert werden kann. Ein Aspekt der Aufgabenstellung ist auch eine Untersuchungssonde, bei der das Elektrodensystem auf dem Trägerteil einer Induktionssonde befestigt ist in dichter Nachbarschaft zu den Spulen der Induktionssonde, so daß die gleichzeitige Aufzeichnung einer Leitfähigkeitskurve und zweier Widerstandskurven bei unterschiedlichen Eindringtiefen ermöglicht wird.

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Bei einem Bohrlochuntersuchungsverfahren zur Messung des elektrischen Widerstandes von zwei unterirdischen Formationszonen, die relativ dicht bzw, relativ entfert von einem Bohrloch liegen, und das die folgenden Schritte aufweist:

- Einspeisen, an einer ersten Stelle des Bohrlochs, und Auffangen, an zwei zweiten Stellen des Bohrlochs, die symmetrisch beidseits der ersten Stelle liegen, eines ersten Meßstromes mit einer ersten Frequenz,

- Einspeisen, an zwei dritten Stellen des Bohrlochs symmetrisch beidseits der ersten Stelle zwischen den zweiten Stellen, und Auffangen an den bereits erwähnten zweiten Stellen eines ersten Fokussierstromes mit der bereits erwähnten ersten Frequenz,

- Variieren der Amplitude des ersten Meßstromes derart, daß die Potentialdifferenz, die bei der ersten Frequenz zwischen zwei vierten und zwei fünften Stellen - symmetrisch hintereinanderliegend beidseits der ersten Stelle undzwischen den beiden dritten Stellen - vorhanden ist, minimal wird,

- Berechnen des Widerstandes dieser Zone, die nahe dem Bohrloch liegt, aus der Amplitude des ersten Meßstromes und aus der Potentialdifferenz, die bei der ersten Frequenz zwischen den beiden vierten Stellen und einer sechsten Stelle vorliegt, die im Bohrloch in sehr großem Abstand von den vorgenannten Stellen vorhanden ist,

- Einspeisen an der ersten Stelle und Auffangen an einer siebenten Stelle an der Erdoberfläche eines zweiten Meßstromes mit einer zweiten Frquenz,

- Einspeisen der zweiten Stelle und Auffangen an der bereits erwähnten siebenten Stelle eines zweiten Fokussierstromes mit der zweiten Frequenz,

— Variieren der Amplitude des zweiten Meßstromes derart, daß die Potentialdifferenz minimal gemacht wird, welche bei der

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zweiten Frequenz zwischen den beiden vierten Stellen und zwei achten Stellen existiert, die symmetrisch beidseits der ersten Stelle zwischen den dritten und vierten Stellen liegen,

- Berechnen des Widerstandes der von dem Bohrloch entfernten Zone aus der Amplitude des zweiten Meßstromes und aus der Potentialdifferenz, die bei der zweiten Differenz zwischen den vierten Stellen und der sechsten Stelle vorliegt,

wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die folgenden Schritte vorgesehen werden:

- Zuordnen zu den beiden zweiten Stellen einer Längsabmessung, die sehr klein ist im Vergleich mit ihrem Abstand,

- Plazieren der achten Stellen mittig zwischen den vierten und fünften Stellen,

- Minimalmachen der Amplitude des zweiten Meßstromes, der bei der zweiten Frequenz an der dritten Stelle fließt.

Aufgrund dieser Merkmale erlaubt das Bohrlochuntersuchungsverfahren gemäß der Erfindung, ein doppeltes Resulat zu erzielen. Erstens erhält man mit einer sehr guten vertikalen Auflösung eine gute Messung des Widerstandes der Formation szonen, die nicht weit entfernt vom Bohrloch sind, solange der Kontrast zwischen dem Widerstand der nicht verunreinigtenFormation und der des Bohrspülungsfiltrates nicht sehr groß ist (weniger als etwa 1ooo) und der örtliche Bohrlochdurchmesser sich nicht sehr stark verändert (nicht mehr als etwa um den Faktor 2) gegenüber seinem nominalen Durchmesser. Zweitens erzielt man mit einer vertikalen Auflösung die etwas geringer ist als die des vorgenannten Falles, eine gute Messung des Widerstandes der nicht verunreinigten Formationszonen, solange die Spulungsfxltratexndringtiefe deutlich kleiner bleibt (d.h. nicht mehr als 2/3) als der extreme Abstand der zweiten Stellen. Wenn dieses doppelte Ergebnis verglichen wird mit den Ergebnissen nach dem Stand der Technik

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(US-PS 3 772 589), bei dem die Längsabmessung der zweiten Stellen vergleichbar mit ihrem Abstand ist, sind drei Punkte festzuhalten. Zusätzlich zu der leichteren Ausführung infolge der Größenverringerung wird die Widerstandsmessungsqualität in einer Formationsszone, die sich nicht weit vom Bohrloch entfernt befindet, kaum verändert und zusätzlich ist der Kompromiß zwischen der Zunahme der Spülungsfiltratverunreinigungsempfindlichkeit der Widerstandsmessung in der nicht verunreinigten Zone einerseits und der Abnahme in der Vertikalempfindlichkeit dieser Messung andererseits insgesamt akzeptabel.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfaßt das Verfahren die folgenden zusätzlichen Schritte:

- Induzieren elektromagnetischer Energie in den Formationen mit einer dritten Frequenz, die wesentlich höher ist alsdie erste und diezweite Frequenz,,

- Messen der Ströme mitder dritten Frequenz, die auf diese Weise in den Formationen induziert wurden, und Ableiten davon des Wertes der Leitfähigkeit dieser Formationen,

- Modifizieren der Fließbedingungen der Fokussierund Meßströme bei der ersten und der zweiten Frequenz an den verschiedenen Stellen des Bohrlochs derart, daß diese Stellen gegen den Einfluß der elektromagnetischen Energie mit der dritten Frequenz geschützt sind, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Modifikation dieser Stromfließbedingungen bezüglich der dritten Stellen darin besteht, daß die beiden Fließpfade vollständig voneinander unabhängig gemacht werden, die diese beiden dritten Stellen betreffen, welchen Fließpfaden die Fokussierströme bzw. die Meßströme folgen.

Dank diesem Merkmal wird es möglich, während der elektromagnetischen Messung der Leitfähigkeit der Formationen und während einer elektrischen Messung von zwei der Wider-

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stände dieser Formationen eine automatische Veränderung der Amplitude des ersten Meßstromes bei der ersten Frequenz derart auszuführen, daß die Potentialdifferenz minimal gemacht wird, die bei der dritten Frequenz zwischen den vierten und fünften Stellen vorliegt. Das Gleiche gilt; bezüglich der automatischen Minimierung der Amplitude des zweiten Meßstromes bei der zweiten Frequenz, der in den beiden dritten Stellen fließt.

Zum besseren Verständnis des Gegenstandes der Erfindung werden nachstehend detaillierte Erläuterungen anhand der beigefügten Zeichnungen gegeben:

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht als Beispiel eine Bohrlochsuntersuchungssonde,die eine bekannte Induktionssonde umfaßt, welche das erfindungsgemäße Elektrodensystem trägt; bei der Zeichnung ist ein Teil weggeschnitten, um die Spulen des Induktionssystems erkennbar zu machen,

Fig. 2 zeigt schematisch die beiden Modus¹ des Betriebes (ELach- und Tiefenuntersuchung) mit dem erfindungsgemäßen Elektrodensystem,

Fig. 3A, 3B und 3C zeigen schematisch die Hälfte

eines symmetrischen Elektrodensystems und seiner zugeordneten Schaltung für den Flachmodus der Untersuchung, wobei Fig. 3A den theoretischen Schaltkreis darstellt, Fig.3B den Äquivalenzschaltkreis am Meßpunkt des Schaltkreises nach Fig. 3A darstellt, und Fig. 3C die Schaltung gemäß der Erfindung darstellt,

Fig. 4 zeigt schematisch die Hälfte des symmetrischen Elektrodensystems mit zugeordneter Schaltung gemäß der Erfindung für eine Tiefenuntersuchung,

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Fig. 5 zeigt schematisch die Hälfte des Elektrodensystems mit zugeordnetem Schaltkreis gemäß der Erfindung für gleichzeitiges Arbeiten mit zwei Untersuchungsmodus', nämlich einer Tiefen- und einer Flachuntersuchung, und

Fig. 6 stellt eine Stromelektrode mit ihren beiden zugeordneten Impedanzen dar.

Fig. 1 zeigt eine repräsentative Ausführungsform einer Vorrichtung für die Untersuchung von Erdformationen, die von einem Bohrloch 1o durchteuft sind. Die Vorrichtung hängt im Bohrloch am Ende eines Mehrleiterkabels 12, das über eine Laufrolle 14 geführt ist. Die Vorrichtung kann in das Bohrloch mit Hilfe einer konventionellen Winde 16 abgesenkt bzw. hochgezogen werden. Die Leiter im Kabel 12 können über Gleitringe 18 und Zuleitungen 2o an eine Oberflächensteuereinrichtung 22 angeschlossen sein. Die notwendige Leistung für den Betrieb des unter Tage befindlichen elektronischen Teils kann von einer Stromversorgung 24 an der Erdoberfläche geliefert werden. Die elektrischen Daten, die im Bohrloch gewonnen werden, können auch an der Erdoberfläche mittels konventioneller Aufzeichnungsgeräte 26 aufgezeichnet werden, die an die Steuereinrichtung 22 angeschlossen sind und mechanisch von der Laufrolle 14 aus angetrieben werden, damit die Meßwerte als Funktion der Tiefe aufgezeichnet werden.

Das Bohrloch ist mit Bohrspülung 2 8 geflutet.

Die Vorrichtung, die als Bohrlochuntersuchungssonde ausgebildet ist, weistzwei Hauptteile auf: Einen hoberen Teil, bei dem es sich um das Elektronikgehäuse 3o handelt, und ein unteres Teil 32, das als Träger für ein Spulensystem und ein Elektrodensystem dient. Das Elektronikgehäuse 3o umfaßt elek-

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tronische Schaltkreise, die dem Spulensystem und dem Elektrodensystem zugeordnet sind. Das Gehäuse selbst ist entweder aus elektrisch isolierendem Material aufgebaut oder mit solchem Material beschichtet. Darüberhinaus ist das Gehäuse druckfest und fluiddicht, so daß die Spülung nicht in das Gehäuse eindringen und die Schaltungen beschädigen kann. Die elektrischen Schaltungen können von konventioneller Bauart sein.

Der untere Teil 32 der Sonde ist von einem Trägerteil 34 gebildet, auf dem das Elektrodensystem und das Spulensystem befestigt sind, um nicht die von dem Spulensystem induzierten Magnetfelder zu stören, besteht das Trägerteil 34 aus nichtleitendem und nichtmagnetischem Material, etwa einem kunststoffimprägnierten Glasfasermaterial. An dem Trägerteil ist das Spulensystem befestigt, bei dem es sich um eines der Systeme handeln kann, die in der US-PS 2 582 314 beschrieben sind. Beispielsweise umfaßt das Spulensystem nach Fig. 1 eine Hauptsendespule T,, eine Fokussierhilfssendespule T₂ entgegengesetzten Windungssinnes im Vergleich zur Spule T₁, eine Empfangsspule R.. und eine Empfangs fokussierspule R„ mit entgegengesetztem Windungssinn bezüglich der Spule R₁. Darüberhinaus umfaßt das System eine Kompensationshilfssendespule T-,, die zwischen den Empfangsspulen R₁ und R₂ angeordnet ist, sowie eine Kompensationshilfsempfangsspule R^, plaziert zwischen den Sendespulen T₁ und T„. Die Spulen sind an dem Trägerteil im wesentlichen symmetrisch bezüglich der Achse 36 angeordnet.

Die Elektroden des Elektrodensystems sind auf dem Trägerteil 34 befestigt. Jede Elektrode ist gebildet von einer Mehrzahl von leitenden Streifen gleichen Oberflächenbereiches, die miteinander verbunden sind durch einen relativ hochohmigen Schleifenleiter. Nur die leitenden Streifen sind in Kontakt mit der Bohrspülung, während der Schleifenleiter in ein isolierendes Material eingebettet ist. Die Elektroden können

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als gedruckte Schaltungen auf einem flexiblen Träger, beispielsweise aus Kunststoff gefertigt sein. Die Struktur der Elektroden, die vollständig in der US-PS 3 124 742 beschrieben ist, hat den Vorteil, daß sie weniger empfindlich ist gegenüber elektrischem Strom, der von den Spulen induziert wird im Vergleich mit der üblichen Elektrodenform, gebildet durch eine einzige Schleife aus leitendem Material, sodaß die Arbeit des Spulensystems nicht gestört wird. Um außerdem nicht den Betrieb des Spulensystems zu beeinträchtigen, muß die Position des Schleifenleiters der Streifenelektroden relativ zur Position der Spulen sorgfältig gewählt werden. Die in Fig. 1 angedeutete jeweilige Position ist diesbezüglich befriedigend. Die Positionen und die Form der Elektroden wurden festgelegt, indem man von der Lehre der bereits erwähnten US-PS 3 124 Gebrauch machte. Kurz gesagt, besteht das Verfahren darin, das Ansprechen des Spulensystems auf eine elementare, in sich geschlossene Leiterschleife zu untersuchen, dielängs und um das Spulensystem herum bewegt wird. Das Ausgangssignal eines solchen Spulensystems wird über der Position des Schleifenleiters ]ängs des Spulensystems aufgezeichnet. Die Position der Elektroden wird so gewählt, daß das Ausgangssignal im wesentlichen Null wird. Die Amplitude des Ausgangssignals kann auch untersucht werden, wenn man den Elektroden unterschiedliche Form gibt. Akzeptable Formen entsprechen der Minimalamplitude des Ausgangssignals.

Das neue Elektrodensystem ist symmetrisch bezüglich der Achse 4o. Das System besteht aus einer zentral angeordneten Überwachungselektrode A und fünf Paaren von Elektroden, die symmetrisch bezüglich der Überwachungselektrode A angeordnet sind. Ferner ist eine Bezugselektrode 41 einige zwanzig Meter von der Sonde auf einem isolierten Abschnitt des Kabels 12 angeordnet. Die Achse 4o des Elektrodensystems ist ein Durchmesser der Elektrode A . Die Elektroden sind rings um das Trägerteil 34 herum befestigt. Die ersten drei Paare von

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Elektroden, die die Überwachungselektrode A umgeben, sind Monitorelektrodenpaare M-.-M¹.., M„-M'₂ und M-.-M' . Die beiden anderen Paare sind hilfsstromemittierende Elektroden A₁-A' und A₂-A'.

Für übliche Bohrlöcher (Durchmesser zwischen 2oo und 25o mm) ist der Durchmesser der Sonde etwa 9o mm. Auf einer solchen Sonde ist die Länge der Elektroden A₃-A' etwa 80 mm. Die Länge der anderen Stromelektroden ist ähnlich dieser, und die Länge der Spannungselektroden ist wesentlich geringer. Für solche Elektroden wurde nach intensiven Untersuchungen und Experimenten eine wünschenswerte Abstandsbemessung gefunden wie folgt: A bis JVL-M¹..: 3o5 mm; A bis JVL oder M¹ ₂ :

423 mm; A bis M₀-M' : 838 mm; A bis A₁-A'.: 1219 mm und ο j J ο Ii

A bis A„-A'„: 1 473 mm. Die Achse 4o des Elektrodensystems ist versetzt relativ zur Achse 36 des Spulensystems. Als Beispiel kann der Abstand zwischen diesen beiden Achsen etwa 25o mm betragen. Man erkennt, daß die Länge des Elektrodensystems klein genug ist, so daß das Elektrodensystem auf dem Trägerteil der meisten Induktxonslogsonden angeordnet werden kann, die gegenwärtig verwendet werden. Nichtsdestoweniger kann aber das neuartige Elektrodensystem auch auf einem getrennten Dorn angeordnet werden, unabhängig von irgendeinem anderen Spulensystem benutzt werden. In einem solchen Falle ergibt sich ein interessantes Gerät, das eine Dualfokussierelektrodensystemsonde mit relativ geringer Länge bildet. Diese Charakteristik der Sonde wird vom Bedienungspersonal sehr geschätzt.

Es ist an dieser Stelle festzuhalten, daß das Verhältnis zwischen den Innenabständen (etwa 3oo cm) der Elektroden A₃-A¹ ₂ und ihrer Länge (etwa 8 cm) nahe bei dem Wert 4o liegt. In der Ausführungsform nach US-PS 3 722 589 beträgt die Länge der Elektroden A^-A'^, etwa 25o cm und ihr innerer Abstand beträgt 35o cm, so daß sich ein Verhältnis von 1,4 ergibt.

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Weiter unten wird erläutert werden, wie die negativen Wirkungen solcher kurzer Elektroden bezüglich der Tiefenuntersuchungswiderstandsmessungen in bequemer Weise kompensiert werden können

Die Betriebsweise des neuartigen Elektrodensystems ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Elektroden sind dargestellt längs der Längsachse 42 des Trägerteils. Auf der linken Seite der Fig. 2 ist die Wirkungsweise bei dem Flachmodus des Elektrodensystems dargestellt, entsprechend der Flachuntersuchung der Erdformationen, während auf der rechten Seite der Tiefenmodus illustriert dst. Das Elektrodensystem ist symmetrisch bezüglich der Elektrode A , und deshalb ist seine Wirkungsweise auch symmetrisdi bezüglich dieser Elektrode. In beiden Modus" sendet die Überwachungselektrode A einen Überwachungsstrom in die benachbarten Formationen, der mit I₀ für den Tiefenüberwachungsstrom und mit I_QS für den Flachüberwachungsstrom bezeichnet ist. Beide Modus¹ werden simultan gefahren, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, indem Ströme unterschiedlicher Frequenzen benutzt werden. Beispielsweise können die jeweiligen Frequenzen für den Flach- bzw. Tiefenmodus¹ 28o Hz bzw. 35 Hz sein. In diesem Falle werden die EleMxonikschaltkreise im Elektronikgehäuse 3o auf die entsprechenden Frequenzen abgestimmt. Elektroden desselben Paares können miteinander elektrisch verbunden sein oder vorzugsweise auf elektronischem Wege auf dem gleichen Potential gehalten werden.

Beim Flachuntersuchungsmodus wird das Paar von Monitorelektroden M₃ und M'₃ nicht verwendet; nur die Monitorpaare M--M'- und M„-M' werden verwendet. Die Potentialdifferenz

v.,~-V..., zwischen den Elektroden M₁ und M„ wird im wesentlichen M2 M1 12

gleich gehalten der Differenz des Potentials V_M, - V , zwischen

1 2

den Elektroden M¹.. und M¹~ durch Regelung des Wertes des Meßstromes I^_c, der von der Zentralelektrode A

Ub O

emittiert wird und empfangen wird von den Hilfselektroden A„ bzw. A'₂. Darüberhinaus wird,wie in der US-PS 3 772 589 erläutert, der Fokussierstrom, erzeugt zwischen (Α.,-Α¹ Λ und

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(Ap-A¹-), um den Meßstrom Ι_ης zu zwingen, in die flachen Formationen einzudringen, in solcher Weise geregelt, daß die elektrische Gesamtleistung (V₁. Ι_ης) im wesentlichen konstant gehalten wird, wobei das Potential V_M1 gemessen wird relativ zu der Bezugselektrode 41.

Eine günstige Möglichkeit, die Regelung des Meßstromes I_QS durchzuführen, besteht darin, V „- V.... + V i„- V_M,..=O zu machen. Den Wert des Widerstandes R« der untersuchten Formation nahe dem Bohrloch mit einer flachen Untersuchungstiefe erhält man gemäß der folgenden Gleichung:

_ . M1 M2 M¹ 1 M" 2 ^RS - ^K1

^{4 1}OS

worin k₁ ein konstanter geometrischer Faktor des Flachuntersuchungssystems ist. Wenn die Regelschleife hinreichend wirksam ist, um V ..-V-,ρ = V_M,„ - V_M, ₁ zu halten, erhält man den Widerstand R„ durch die vereinfachte Gleichung:

^RS ^{= Λ}1 —

V₁₁₁ + V-. _ri
M1 M^r 1

^{2 1}OS

Dieser Widerstand R_q ist im wesentlichen der eines Formationsbettes der Dicke entsprechend dem Abstand Μ-,-Μ' Da der Abstand A -M- im wesentlichen äquivalent dem Bohrlochdurchmesser ist, beeinflußt die Position der Sonde innerhalb des Bohrlochs nicht wesentlich den Meßwert des Flachwiderstandswertes R_c.

Beim Tiefenmodus wird ein Hilfsstrom I₂ durch das Paar von Elektroden A₂ und A'₂ emittiert. Der Tiefenüberwachungs- oder Meßstrom I_Q und die FokussierhiIfsströme I₂ kehren zur Oberfläche über eine Oberflächenelektrode B zurück, um empfangen zu werden. Der Wert des Meßstromes I__D

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wird so geregelt, daß die Potentialdifferenz V₁ - V ., zwischen den Elektroden M- und M₃ im wesentlichen gleich ist der Potentialdifferenz V_M, -. - V , - zwischen den Elektroden M'o und Μ¹-. Es kann gezeigt werden, daß in diesem Falle die Ströme I~ und I gezwungen werden, in die Formation in einer Richtung einzudringen, die im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Sonde verläuft und deshalb auch, wenn die Sonde nicht verkantet im Bohrloch ist, senkrecht zur Längsachse des Bohrlochs ist. Als Konsequenz ist die Untersuchungstiefe deutlich größer als beim Flachmodus. Tatsächlich ist der gemessene Tiefenwiderstand R nahezu gleich dem Widerstand R, der nicht verunreinigten Zone, solange die Verunreinigungstiefe etwa zwämal kürzer ist als der Abstand zwischen den Elektroden (Α«~Α ο)·

Diese Bedingung liegt in etwa 80% der Fälle vor. Ferner wird, wie bei dem Flachuntersuchungssystem der Gesamtstrom (bei 35 Hz), der zwischen der entfernten Rücklaufelek trode und der Sondenstromelektrode fließt, geregelt mittels einer Rückkopplungsschleife, um die gesamte elektrische Leistung konstant zu halten, die bei dieser Frequenz in die Formationen eingespeist wird.

Ein praktischer Weg für die Regelung des Meßstromes ¹OD ^besteht darin, V_m - V_m +V₁₄₁₃-V₁₁,-, =0 zu halten. Der Widerstand R der das Bohrloch umgebenden Formationen ist für eine Tiefenuntersuchung durch die folgende Gleichung:

R_D = k₂ ^VM1 ^{+ V}M3 ^{+ V}MM ⁺ V₃

^{4 1}OD

worin k~ ein konstanter geometrischer Faktor des Tiefenuntersuchungssystems ist. Wenn die Regelschleife wirksam und schnell genug arbeitet, um V ., = V₃ und V_M,- = V₁₃ zu halten, erhält

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man den Wert R_n durch die vereinfachte Gleichung:

R -

^{2 1}OD

Dieser Widerstandswert R ist im wesentlichen der eines Formationsbettes, dessen Dicke gleich dem Abstand M..-M¹ -. ist. Aus der obigen Erläuterung ergibt sich klar, daß das Elektrodensystem gemäß der Erfindung einen guten Kompromiß bildet, der immer eine gute Flachwiderstandsmessung liefert, die auch im allgemeinen eine gute Tiefenwiderstandsmessung liefert, trotz der Tatsache, daß die Gesamtlänge des Elektrodensystems nur mäßig ist.

Obwohl das oben beschriebene neuartige Elektrodensystem das Dual-Fokussierelektrodensystem einer Widerstandsuntersuchungssonde bildet kann, um die umgebenden Formationen bei zwei Untersuchungs tiefen zu messen, kann das neue Untersuchungssystem ohne weiteres auf dem Trägerteil einer Induktionsuntersuchungssonde angeordnet werden, ohne irgendwelche nachteiligen Interferenzen zwischen dem Elektrodensystem und dem Spulensystem. Darüberhinaus kann eine solche kombinierte Untersuchungssonde auch Mittel umfassen für die Messung des Spontanpotentials der Erdformationen, die das Bohrloch umgeben. Diese Mittel sind konventionell und umfassen eine Elektrode, die entweder auf dem Trägerteil der Sonde, beispielsweise an ihrem Boden, angeordnet sein kann, oder auf der Umhüllung des Kabels. Das Spontanpotential wird gemessen zwischen dieser Elektrode und einer Oberflächenelektrode.

Die obige Beschreibung bezieht sich auf zwei unabhängige Fokussierelektrodensysteme. Tatsächlich sind das Flach-und das Tiefenuntersuchungsele k trodensystem nicht unabhängig, und spezielle Mittel werden benötigt, um ein solches Ergebnis zu erreichen. Da ferner dieses Dual-Fokussierelektrodensystem

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mit einem Induktionsspulensystem zusammenzufügen ist, werden weitere Spezialmittel benötigt, um die Operationen dieser drei ineinandergeschachelten Systeme unabhängig zu halten. Diese speziellen Mittel werden nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3, 4 und 5 erläutert.

Die Fig. 3A_r 3B und 3C beziehen sich ausschließlich auf den Flachuntersuchungsmodus. Fig. 3A zeigt schematisch das Flachuntersuchungshalbsystem und die zugeordneten theoretischen Schaltungen. Die Elektroden A , A₁ und A„ sind jeweils an selektive, zusammengesetzte Impedanzen 5o, 52 bzw. 54 angeschlossen. Jede solche zusammengesetzte Impedanz umfaßt einerseits einen Resonanzkreis, gebildet von einer Induktivität und einer Kapazität, die zu einander parallelliegen, und andererseits den Widerstandsring, der in der US-PS 3 124 742 beschrieben ist.

Wie in jener Druckschrift beschrieben, bestehen die Elektroden aus Längsstreifen, die miteinander durch einen kleinen Widerstand verbunden sind, um einen Widerstandsring auszubilden. Ein solcher Ring bildet einen kleinen Widerstand (o,5 Ohm) für die Ströme der ersten und zweiten Frequenzen, die an die Streifen angelegt werden, jedoch einen merkbaren Widerstand (5 Ohm) für die induzierten Ströme bei der dritten Frequenz. Zusammen bilden der Widerstandsring und der Resonanzkreis eine selektive zusammengesetzte Impedanz. Demgemäß ändert sfch der Wert einer solchen selektiven zusammengesetzten Impedanz in Abhängigkeit von der Stromfrequenz. Sie ist niedrig (etwa o,5 Ohm) bei der ersten und zweiten Frequenz (28o Hz bzw. 35 Hz), die für die Flach- bzw. Tiefenwiderstandsmessungen benutzt werden, und wesentlich hoher (etwa 1ooo Ohm) bei der dritten Frequenz (2o KHz), die für die Induktionsmessung vorgesehen ist. Diese selektiven zusammengesetzten Impedanzen wirken deshalb als Blockkreise für

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den 2o KHz-Induktionsstrom.

Die beiden Klemmen 56 und 5 8 einer Stromquelle 6o, die mit derersten Frequenz (28o Hz) arbeitet, sind jeweils angeschlossen an ein Ende der selektiven Impedanzen 5o bzw. 52, und die anderen Klemmen 5 7 bzw. 59 dieser Impedanzen sind an die Elektroden A bzw. A₁ angeschlossen. Die Stromquelle 6o befindet sich in dem Elektronikgehäuse der Sonde, und die Stromintensität ist einstellbar. Ein abgestimmter Monitorverstärker 62 mit einem Verstärkungsfaktor G bei der ersten Frequenz und einer Verstärkung, die bei den anderen Frequenzen praktisch nicht vorhanden ist, ist mit seinen beiden Eingängen an die Monitorelektroden M₁ und M₂ angeschlossen, und seine beiden Ausgänge liegen an der Klemme 56 der Impedanz 5o und an der Klemme 53 der Impedanz 54, deren andere Klemme 55 mit der Elektrode A verbunden ist.

In der theoretischen Konfiguration gemäß Fig. 3A wird der Fokussierstrom I von der Stromquelle 6o zugeführt

x"i. I

und von Elektrode A₁ emittiert und von A~ gesammelt. Der Überwachungsstrom Ι_ησ, der auch als Meßstrom bezeichnet wird,

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wird von der Elektrode A emittiert und bei Elektrode A gesammelt. Seine Intensität und Phase werden gesteuert durch den Monitorverstärker 62, um die Spannungen V^₁ und V_M~ der Monitorele k troden M₁ bzw. M_ bei im wesentlichen dem gleichen Wert zu halten. Ferner wird die Intensität des Fokussierstroms Ι_Ά1 so geregelt, daß das Produkt der Meßspannung V_M1 der Elektrode M₁ (gemessen gegenüber der Bezugselektrode 41) multipliziert mit dem Meßstrom I₀₃ im wesentlichen konstant bleibt. · Der Nachteil der Schaltung nach Fig. 3A rührt von der Tatsache her, daß die Impedanz 5o von einem Strom (1^₀.+ I₇V₁) durchsetzt wird, wobei die Intensität des Fokussierstromes I₇... im allgemeinen hundert oder tausend mal höher ist als die Intensität des Meßstromes I _Inf_ol_gedessen ergibt sich ein erheblicher Potentialabfall in der Impedanz 5o. Dieser

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störende Potentialabfall muß kompensiert werden durch den Monitorverstärker 62,und deshalb muß sein Verstärkungsfaktor G hoch sein. Es ist für Regelsysteme bekannt, daß eine solche hohe Verstärkung üblicherweise zur Unstabilität der Regelschleife führt. Tatsächlich ist es vollkommen unmöglich, eine stabile Rückkopplungsschleife zu verwirklichen und den hohen Verstärkungswert zu verwenden, der für die Kompensation des störenden Potentialabfalls in Impedanz 5o erforderlich ist. Der Weg, dieses Problem zu lösen, besteht darin, jeden störenden Potentialabfall in 5o zu vermeiden. Gemäß der Erfindung wurde der in Fig. 3C dargestellt Schaltkreis entworfen und verwirklicht. Um die Erläuterung verständlich zu halten, soll jedoch die Schaltung nach Fig. 3B als Zwischenstufe erläutert werden, die zu dem tatsächlich ausgeführten Schaltkreis gemäß der Erfindung nach Fig. 3C hinführt.

In Fig. 3B ist der Ausgang des Monitorverstärkers 62, der vorher an der Klemme 56 der Stromquelle 6o lag, an die andere Klemme 58 der Klemme 6o gelegt.Demgemäß wird der Meßstrom I__o an der Elektrode A anstatt an der Elektrode A„ ge-

Uo 1 ^

sammelt. Wenn I_A. immer noch den Fokussierstrom bezeichnet, der durch die Impedanz 52 und die Elektrode A. fließt, ist die Intensität des Meßstromes, der in der Schleife 52 zirkuliert, gleich I_QS und der des Gesamtstromes in der Schleife 52 ist (¹A-]+ ¹OS^* ^Es kann festgehalten werden, daß der Monitorverstärker 62 immer noch einen hohen Potentialabfall in Impedanz 52 überwinden muß, die von dem Strom I_ft1 durchflossen wird.

Es kann gezeigt werden, indem man die Prinzipien der Überlagerung anwendet, daß der Schaltkreis nach Fig. 3B äquivalent ist der Schaltung nach Fig. 3A. Mit anderen Worten arbeitet das System nach Fig. 3B so, als würde der Überwachungsstrom I_QS an der Elektrode A„ gesammelt. Eine andere Möglichkeit, die Äquivalenz der Schaltungen nach Fig. 3A und 3B ohne mathematische Erläuterung zu verstehen, besteht darin, den

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Einfluß, den die von jeder Elektrode emittierten bzw. empfangenen Ströme auf die Widerstandsmessung haben, zu betrachten und damit das Potential der Monitorelektroden M₁ und M . Wenn den von den Elektroden emittierten bzw. empfangenen Strömen positiver bzw.negativer Wert zugeordnet wird, seien nun die von jeder Elektrode emittierten bzw. gesammelten Ströme betrachtet, wobei ein Vergleich der Schaltungen nach Fig. 3Aund 3B erfolgt. Der Meßstrom, der von der Elektrode A emittiert wird, ist in beiden Schaltungen +I~_c · Die Fokussieren

ströme, die von A^ wegfließen, sind +I_A1 für die Schaltung nach Fig. 3A und + d_Ai + Iq₅) - I_QS = + I_A1 für die Schaltung nach Fig. 3B. Was die Elektrode A„ betrifft, so ist der Gesamtstrom -(I _q + I_Ä1) in beiden Fällen. Der Wert und das Vorzeichen der Ströme sind in beiden Schaltungen gleich, und damit sind die letzteren äquivalent.

Die Schaltung gemäß Fig. 3C ist identisch mit der nach Fig. 3B mit der Ausnahme, daß anstelle einer zwischen die Elektroden A., und die Klemme 5 8 eingeschalteten einen selektiven Impedanz 52 die Schaltung gemäß der Erfindung zwei unabhängige selektive Kreise umfaßt, die parallel an die Elektrode A₁ angeschlossen sind. Die Impedanz 6 4 ist zwischen Elektrode A₁ und den Ausgang des Verstärkers 62 geschaltet und wird vom Strom I__ durchflossen. Die Impedanz 6 6 ist

WO

zwischen die Stromquelle 6o und die Elektrode A₁ gelegt und wird vom Strom (I₇. ₁ + I-,_c) durchflossen. Wenn man die Schleife

Ά I Uo

53 betrachtet, gebildet von der Elektrode A₁, Impedanz 64, Verstärker 62, Impedanz 54, Elektrode A und der Formation zwischen A und A₁, so wird diese Schleife 53 von dem Strom I durchflossen. Der Strom, der in der Schleife 61, gebildet

von den Elektroden A₁, A , Impedanz 5o, Stromquelle 6o und Impedanz 66 zirkuliert, beträgt (I_a1 + Ι_ος)·

Der Strom I,.. fließt also nicht durch die Impedanz unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Intensität des

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Fokussierstromes I_Ä1 mehrere hundert mal größer ist als die Intensität des Meßstromes I_QS erkennt man, daß der hohe störende Potentialabfall in der Schleife 59 nicht mehr vorhanden ist, und daß die Verstärkung G des Monitorverstärkers 62 nicht scharf erhöht zu werden braucht. Das Vorhandensein zweier solcher separater Zuführungen zur Elektrode A bewirkt die Unterdrückung jeder nachteiligen Kopplung(2wischen dem Meßstrom I^cj , erzeugt vom Monitorverstärker 62, und dem Fokussierstrom, erzeugt von der Stromquelle 6o.

Fig. 4 zeigt die Hälfte des Elektrodensystems mit der zugeordneten Schaltung für den Modus der ■ Tiefenuntersuchung der Erdformationen. Eine Stromquelle 6 8 liefert einen Gesamtstrom I„ zwischen der entfernten Rücklaufeleketrode, die sich an der Erdoberfläche befindet, und den SondenströmeIektroden A , A₁ und A_. Die Elektrode A- ist immer noch an die Impedanz 54 angeschlossen, die Elektrode A₁ immer noch an die Impedanzen 64 und 66 und die Elektrode A„ immer noch an die Impedanz 5o. Nichtsdestoweniger wird die Monitorele k trode M₂ nicht mehr benutzt. Stattdessen ist die Elektrode M₃ an einen von zwei Eingängen eines anderen, abgestimmten Monitorverstärkers 74 mit einer Verstärkung G bei der zweiten Frequenz (35 Hz) und einer praktisch nicht vorhandenen Verstärkung für die anderen Frequenzen angeschlossen. Der andere Eingang ist an die Elektrode M₁ angeschlossen. In Verbindung mit den obigen Schaltkreisen wird eine Kompensationseinrichtung verwendet, die umfaßt: Zwei Stromtransformatoren 7o, 71 sowie einen Verstärker 72. Die Primärwicklung 80 des Transformators 7o ist zwischen die Klemmen 63 der Impedanz 64 und einen Ausgang des Verstärkers 74 geschaltet. Die Primärwicklung 82 des Transformators 71 ist zwischen die Klemme 58 der Impedanz 66 und einen Ausgang des Verstärkers 72 gelegt, dessen anderer Ausgang verbunden ist mit der Klemme 56 der Impedanz 5o. Die Sekundärwicklungen 84 und 86 der Transformatoren 7o bzw. 71 sind in Serie geschaltet und in Gegenphase bezüglich des Eingangs

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des Verstärkers 72. Der Verstärker 72 ist auf die Tiefenuntersuchungsfrequenz (35 Hz) abgestimmt, und seine Verstärkung ist für alle anderen Frequnzen praktisch zu vernachlässigen.

Bei der theoretischen Arbeitsweise des Elektrodensystems für eine Tiefenuntersuchung der Erdformationen wird der Gesamtstrom I„ (der Meßstrom I _j?lus dem Fokussierstrom) von der Stromquelle 6 8 zugeführt in die Formationen von den Stromelektroden A , A₉ emittiert und an der Erdoberfläche gesammelt. Die Meßintensität I_QD wird geregelt durch den Monitorverstärker 74, derart, daß die Meßspannungen V₁ und V_M-, der Elektroden M^ und M_ im wesentlichen den gleichen Wert haben. Dieser Meßstrom I_._ wird von der Elektrode A emittiert und kehrt zur OD ο

Oberfläche zurück. Ferner wird der gesamte, von der Quelle 6 8 gelieferte Strom vorteilhafterweise so eingestellt, daß näherungsweise der Wert der elektrischen Leitung I_0n x V-. konstant gehalten wird.

In der praktischen Ausführung gemäß Fig. 4 kehrt der Meßstrom I_Qn virtuell an der Elektrode A- zurück, und ein Hilfsstrom I¹A- wird von der Elektrode A emittiert und bei der Elektrode A2 gesammelt. Wegen des Prinzips der Überlagerung kann, wie für die Schaltung für die Flachuntersuchung gemäß Fig. 3C demonstriert werden, daß für eine hinreichend hohe Verstärkung des Monitorverstärkers 74 und des Verstärkers 72 die theoretische Konfiguration (nicht dargestellt) und die praktische Ausführung (Fig. 4) praktisch äquivalent sind.

In der Schaltung gemäß Fig. 5 kann man erkennen, daß der Tiefenuntersuchungsstrom I„ von der Elektrode A emittiert wird und ein Strom I' . durch die Impedanz 66 fließt und von der Elektrode A₁ emittiert wird. Deshalb ist der Fokussierstrom, der von der Elektrode A„ emittiert wird in Richtung zur Oberfläche gleich (I₂ - I'_A1).

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Beim Modus der Tiefenuntersuchung darf die Elektrode A₁ keinerlei Strom (bei 35 Hz) in die Formationen übertragen. Um diesem Erfordernis Rechnung zu tragen, muß ein Hilfsstrom I¹ . emittiert von A. gleich oder wenigstens im wesentlichen gleich dem von A- empfangenen Strom I₀ sein. Gemäß der Erfindung erreicht man dies mittels Transformatoren 7o, 71 von Verstärker 72. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren 7o, 71 vergleichen den Meßstrom I_0n > der in der Wicklung 8o fließt, und der Impedanz 64 mit dem Hilfsstrom I¹ ,, der in Wicklung 82 und Impedanz 66 fließt. Die Sekundärwicklungen 84 und 86 der Transformatoren 7o,71 sind in Gegenphase geschaltet und speisen demgemäß die Eingänge des Verstärkers 72 mit einer Spannung, die proportional ist der Differenz zwischen Γ , und I * Die Funktion des Verstärkers 72 besteht dann darin, den Hilfsstrom I,... gleich dem Meßstrom und in Gegenrichtung zu diesem so zu halten, daß der Differenzstrom, der aus der Elektrode A₁ emittiert wird, wie in dem theoretischen System praktisch vernachlässigbar ist.

In Fig. 5 ist die Hälfte eines Elektrodensystem für einen dualen Untersuchungsmodus (tief und flach) zusammen mit den elektrischen Schaltungen gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieser Schaltkreis für gleichzeitige Tiefen- und Flachuntersuchung ergibt sich aus der Kombination der Schaltung nach Fig. 3C, bestimmt für die Flachuntersuchung, und der Schaltung nach Fig. 4 für die Tiefenuntersuchung. Die Elektrode A~ ist an die zweite Stromquelle angeschlossen, deren Frequenz 35 Hz ist, über Impedanz 5o. Ein Bezugssignal, repräsentativ für den ersten Strom (28o Hz), geliefert von Quelle 6o, wird an die Klemme 73 angelegt, die an einen Eingang eines Summierelementes 78 angelegt, etwa einen summierenden Operationsverstärker, dessen anderer Eingang an den Ausgang des Verstärkers 72 angeschlossen ist. Der Ausgang des Summierelementes 78 ist mit einem Ausgang

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eines Verstärkers 9o verbunden, dessen anderer Eingang an eine Masseklamme gelegt ist. Der Ausgang des Verstärkers 9o ist verbunden mit der Klemme 56 und der Wicklung 82. Der Verstärker 9o hat einen Verstärkungsfaktor 1. Die Elektrode A. ist immer noch an die beiden Versorgungen einschließlich Impedanzen 6 4 und 66 angeschlossen. Die Monitorelektroden (M₁-M₂) und (M₁-M.,) sind immer noch jeweils an die Verstärker 62 bzw. 74 angeschlossen, aber die Ausgänge dieser Verstärker sind an die Eingänge eines Summierkreises 92, wie einen Summieroperationsverstärker, angeschlossen, dessen Ausgang verbunden ist mit einem Eingang eines Verstärkers 76, während der andere Eingang des letzteren an eine Masseklemme gelegt ist. Die Ausgänge des Verstärkers 76 sind jeweils angeschlossen an die Primärwicklung 8o des Transformators 7o bzw. die Impedanz 54. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 76 ist 1.

Die Schaltung nach Fig. 5 arbeitet genau wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 C für die Flachuntersuchung und unter Bezugnahme auf Fig. 4 für die Tiefenuntersuchung erläutert.

Fig. 6 zeigt zwei selektive zusammengesetzte Impedanzen 64 und66 zusammen mit der Hilfsstromelektrode A₁. Diese Elektrode A besteht aus sechs Metallstreifen 1o1 bis 1o6,

die auf einem in Zylinderform gefalteten (nicht dargestellten) flexiblen Support plaziert sind. Die Impedanzen 6 4 und 66 sind identisch. Sie umfassen jeweils einen Resonanzkreis 1o7 bzw. 1o8, gebildet durch die Parallelschaltung einer Induktionsspule 1o9 bzw. 11o und eines Kondensators 111 bzw. 112, wobei die Resonanzfrequenz dieser Schaltkreis 1o7, 1o8 die Frequenz der Induktionslogeinrichtung ist. Sie umfassen ferner jeweils einen Widerstandsring 113 bzw. 114, dessen Funktion im einzelnen in der US-PS 3 124 742 erläutert ist. An der Eingangsklemme 115 des Ringes 113 sind zwei Widerstände 117a und 117b des gleichen Wertes r/3 angeschlossen, die ihrerseits jeweils angeschlossen sind an die Klemmen 119a

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bzw. 119b. Zwischen diese Klemmen 119a und 119b und die Streifenelektroden 1o1 bis 1o4 sind jeweils zwei Widerstände 121a bzw. 121b mit dem Wert 2r gelegt. Zwischen diese Klemmen 119a und 119b und die beiden anderen Klemmen 125a-b sind zwei Widerstände 123a-b gelegt mit dem Wert 2r/3. Zwischen die Klemmen 125a-b und die Streifenelektroden 1o2-1o5 und 1o3-1o6 sind Widerstände 127a-b und 129a-b gelegt mit dem Wert 2r/3. Die Klemmen 131a-b, gemeinsam den Elektroden 1o3-1o6 und den Widerständen 129a-b, sind zusammen mit einem Widerstand 133,der als Ringschließwiderstand bezeichnet wird und den Wert 2r hat, angeschlossen. Die Komponenten des Ringes 114 sind mit Bezugszeichen versehen, die jeweils um eins höher sind als die Bezugszeichen 115-133 der entsprechenden Komponenten gemäß der vorstehenden Erläuterung.

Die Streifenelektroden I0I-I06 sind alle in Kontakt mit der Bohrspülung. Sie liegen demgemäß alle auf demselben Potential. Wenn man infolgedessen annimmt, daß der Eigenwiderstand der Streifenelektroden vernachlässigbar ist, so wird der Widerstand zwischen den Klemmen 12 5a oder b und der Bohrspülung gebildet durch die Parallelschaltung der Widerstände 127a oder b und 129a oder b, deren Wert gleich r/3 ist. Zwischen der Klemme 119a oder b und den Elektroden 1o2-1o3 oder 1o5-1o6 wird ein Widerstand des Wertes r gebildet. Wenn zu diesem Widerstand derjenige addiert wird, den man erhält durch Parallellegen der Widerstände 121a oder b, welche die Streifenelektroden Ιοί oder 1o4 mit den Klemmen 119a oder b verbindet, so erkennt man, daß sich zwischen jeder dieser Klemmen 119a oder b und der Bohrspülung ein Widerstand von 2r/3 ergibt. Unter diesen Bedingungen, liegen zwischen der Klemmen 115 und der Bohrspülung parallel zwei Widertände mit dem Wert r, deren Gesamtwert demgemäß r/2 wird. Aus Vorstehendem erkennt man, daß der Widerstand 133 keinerlei Rolle in der Stromversorgung zu den Streifenelektroden I0I-I06 spielt. Da nämlich die Streifenelektroden 1o3 und I06 durch die Bohrspü-

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lung miteinander verbunden sind, ist die Funktion des Widerstandes 133,diese Verbindung zu stabilisieren. Zu diesem Zweck ist ein Wert von 2r durchaus geeignet, da er den Widerstandsring schließt und einen Wert von 5r liefert für die Hochfrequenzströme, die anderswo induziert werden. Ein praktisch akzeptabler Wert für die Einheit r ist 1 Ohm.

Die gleiche Betriebsweise ergibt sich für den Ring 114.

Eine selektiv wirkende zusammengesetzte Impedanz (Resonanzkreis und Widerstandsring), identisch mit der unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschriebenen, liegt in Serie mit jeder der anderen Stromelektroden des Elektrodensystems nach Fig. 2 bis 5.

Mit solchen Widerstandsringen werden die Ströme bei der ersten und der zweiten Frequenz, die an die Stromelektroden angelegt werden, gleichförmig zwischen jedem der sechs Metallstreifen aufgeteilt, aus denen eine Elektrode jeweils besteht.

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Claims

Societe de Prospection Electrique Schlumberger Patentansprüche

1.) Bohrlochuntersuchungsverfahren zur Messung des elektrischen Widerstandes von zwei unterirdischen Formationszonen, die relativ dicht bzw. relativ entfernt von einem Bohrloch liegen, das die folgenden Schritte aufweist:

-Einspeisen, an einer ersten Stelle des Bohrlochs, und Auffangen, an zwei zweiten Stellen des Bohrlochs, die symmetrisch beidseits der ersten Stelle liegen, eines ersten Meßstromes mit einer ersten Frequenz,

- Variieren der Amplitude des ersten Meßstromes derart, daß die Potentialdifferenz, die bei der ersten Frequenz zwischen zwei vierten und zwei fünften Stellen- symmetrisch hintereinanderliegend beidseits der ersten Stelle und zwischen den beiden dritten Stellen - vorhanden ist, minimal wird,

- Einspeisen an der ersten Stelle und Auffangen an einer siebenten Stelle an der Erdoberfläche eines zweiten Meßstromes mit einer zweiten Frequenz,

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- Variieren der Amplitude des zweiten Meßstromes derart, daß die Potentialdifferenz minimal gemacht wird, welche bei der zweiten Frequenz zwischen den beiden vierten Stellen und zwei achten Stelle existiert, die symmetrisch beidseits der ersten Stelle zwischen den dritten und vierten Stellen liegen,

- Berechnen des Widerstandes der von dem Bohrloch entfernten Zone aus derAmplitude des zweiten Meßstromes und aus der Potentialdifferenz, die bei der zweiten Differenz zwischen den vierten Stellen und der sechsten Stelle vorliegt,

dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Schritte vorgesehen werden:

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden zusätzlichen Schritte:

- Induzieren elektromagnetischer Energie in den Formationen mit einer dritten Frequenz, die wesentlich höher ist als die erste und die zweite Frequenz,

- Messen der Ströme mit der dritten Frequenz, die auf diese Weise in den Formationen induziert wurden, und Ableiten davon des Wertes der Leitfähigkeit dieser Formationen,

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- Modifizieren der Fließbedingungen der Fokussierund Meßströme bei der ersten und der zweiten Frequenz an den verschiedenen Stellen des Bohrlochs derart, daß diese Stellen gegen den Einfluß dex elektromagnetischen Energie mit der dritten Frequenz geschützt sind, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die Modifikation dieser Stromfließbedigungen bezüglich der dritten Stellen darin besteht, daß die beiden Fließpfade vollständig voneinander unabhängig gemacht werden, die diese beiden dritten Stellen betreffen, welchen Fließpfaden die Fokussierströme bzw. die Meßströme folgen.

3. Sonde zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für die Messung von Werten des Widerstandes von zwei Untergrundformati on sz on en, die dicht bzw. entfernt von einem Bohrloch vorliegen, mit

- einer zentralen Stromelektrode, einem ersten und einem zweiten Paar von Hilfsspannungselektroden, einem ersten und einem zweiten Paar von HilfsStromelektroden,wobei jedes der Paare von Hilfselektroden symmetrisch bzw. der Zentralelektrode angeordnet ist, wobei das zweite Paar von Hilfsstromelektroden weiter von der Zentralelektrode entfernt ist als das erste, und wobei die ersten und zweiten Paare von Hilfsspannungsele k troden in Aufeinanderfolge zwischen der Zentralelektrode und dem ersten Paar von Hilfsstromelektroden angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die

- die Längsabmessung der Elektroden des zweiten Paares von Hilfsstromelektroden sehr klein ist im Verhältnis zu ihrem Abstand, und daß

- ein drittes Paar von Hilfsspannungselektroden mittig zwischen dem zweiten Paar von Hilfspannungselektroden und dem ersten Paar von Hilfsstromelektroden vorgesehen ist.

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4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für die Messung der elektrischen Widerstände von zwei unterirdischen Formationszonen, die dicht bzw. entfernt von einem Bohrloch untersucht werden sollen, mit einer Oberflächenapparatur, einem Kabel und einer Sonde, die mit einer zentralen Stromelektrode, einem ersten und einem zweiten Paar von Hilfsspannungselektroden und einem ersten und zweiten Paar von Hilfsstromelektroden versehen ist, wobei jedes der Paare von Hilfselektroden symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode angeordnet ist, wobei ferner das zweite Paar von Hilfsstromelektroden weiter entfernt von der zentralen Elektrode entfernt liegt als das erste, und wobei die ersten und zweiten Paare von Hilfsspannungselektroden hintereinander zwischen der zentralen Elektrode und dem ersten Paar von Hilf s stromelektroden vorgesehen ist, und wobei schließlich eine Bezugsspannungselektrode auf einem isolierten Abschnitt des Kabels angeordnet ist, und zwar relativ entfernt von der Sonde, mit einer ersten Meßstromquelle, die mit einer ersten Frequenz arbeitet und zwischen der zentralen Elektrode, die als Stromsendeelektrode verwendet wird ,und dem zweiten Paar von Hilfsstromelektroden, die als Stromrücklaufelektroden dienen, angeschlossen ist, mit einer ersten Fokussierstromquelle, die mit der ersten Frequenz arbeitet und zwischen dem ersten Paar von Hilfsstromelektroden, die als Stromsendeelektroden eingesetzt werden, und einem zweiten Paar von Hilfsstromelektroden, die als Stromrücklaufelektroden verwendet werden, angeschlossen ist, mit Schaltkreisen für die Messung des Potentials relativ zu der Bezugselektrode, das bei der ersten Frequenz an dem ersten und dem zweiten Paar von Hilfsspannungselektroden vorliegt, mit einer ersten Rückkopplungsschleife zum Minimalhalten der Potentialdifferenz, die bei der ersten Frequenz zwischen den'ersten und zweiten Paaren von Hilfsspannungselektroden existiert, durch Verändern des ersten Meßstromes, mit Schaltkreisen für die Ableitung des Formationswiderstandes

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von Formationen, die sich in einem durchschnittlichen Abstand vom Bohrloch befinden, aus der Amplitude eines der Potentiale bei der ersten Frequenz und der Intensität des ersten Meßstromes, die so erhalten werden, mit einer zweiten Meßstromquelle, die mit einer zweiten Frequenz arbeitet und zwischen der zentralen Elektrode, die als Stromsendeelektrode dient, und einer entfernten Stromrücklaufelektrode angeschlossen ist, die sehr weit von der Sonde entfernt angeordnet ist, mit einer zweiten Fokussierstromquelle, die mit der zweiten Frequenz arbeitet und zwischen dem zweiten Paar von Hilfsstromelektroden, die als Stromsendeelektroden dienen, und der erwähnten entfernten Rücklaufelektrode angeschlossen ist, mit Schaltkreisen für die Messung bezüglich der Bezugselektrode des Potentials bei der zweiten Frequenz auf dem ersten Paar von Hilfsspannungselektroden und des Potentials, bei dieser selben zweiten Frequenz, auf einem anderen Paar von Hilfsspannungselektroden, die ebenfalls zwischen dem ersten Paar von Hilfsstromelektroden angeordnet sind, mit einer zweiten Rückkopplungsschleife zum Minimalhalten der Potentialdifferenz, die bei der zweiten Frequenz zwischen dem ersten Paar von Hilfsspannungselektroden und dem erwähnten weiteren Paar von Hilfsspannungselektroden vorliegt, durch Verändern des zweiten Meßstromes, und mit Schaltkreisen für die Ableitung des Formationswiderstandes von Formationen, die relativ weit vom Bohrloch entfernt sind, aus der Amplitude eines der Potentiale bei der zweiten Frequenz, gemessen an dem ersten oder an dem anderen Paar von Hilfsspannungselektroden, und aus der Intensität des zweiten Meßstromes, der dabei erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsabmessung der Elektroden des zweiten Paares von Hilfsstromelektroden sehr klein ist im Vergleich mit ihrem Abstand, und daß das andere Paar von Hilfsspannungselektroden ein drittes Paar von Hilfsspannungselektroden ist, das mittig zwischen den Elektroden des ersten Paars von Hilfsstromelektroden und jenen des zweiten Paares von Hilfsspannungselektroden an-

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geordnet ist, daß die zweite Meßstromquelle bei der zweiten Frequenz zwischen der Zentralelektrode, die als Stromsendeelektrode dient, und dem ersten Paar von Hilfsstromelektroden, die als virtuelle Elektroden für den Rücklauf des zweiten Meßstromes dienen, angeschlossen ist, und daß eine Hilfsrückkopplungsschleife vorgesehen ist zum Erzeugen eines Hilfsstromes bei der zweiten Frequenz mit einer geregelten Intensität, derart, daß sie gleich ist der Intensität des zweiten Meßstromes zwischen dem ersten Paar von Hilfsstromelektroden, die als virtuelle Stromsendeelektroden dienen, und dem zweiten Paar von Hilfsstromelektroden, die als Stromrücklaufelektroden dienen.

5. Bohrlochuntersuchungseinrichtung nach Anspruch 4, mit Schaltungskomponenten für das Induzieren elektromagnetischer Energie in den Erdformationen mit einer dritten Frequenz, die viel höher ist als die erste und die zweite Frequenz, mit Schaltkreisen für die Messung der Amplitude der Ströme bei der dritten Frequenz, die dabei induziert werden, um so eine Messung der Leitfähigkeit der Formationen auszuführen, mit aus leitenden Längsstreifen bestehenden, durch einen relativ hochohmigen Ring miteinander verbundenen Elektroden, und mitmit jeder Stromelektrode in Serie geschalteten Resonanzkreisen, die sowohl einen hochimpedanten Sperrkreis für die Ströme mit der dritten Frequenz bilden, als auch einen relativ niederimpedanten Kreis für die Ströme bei den ersten und zweiten Frequenzen ι/, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zwischen die erste Fokussierstromquelle und die leitenden Streifen jeder der Elektroden des ersten Paare von Hilfsstromelektroden ein erster Resonanzkreis der oben erwähnten Bauart sowie ein erster, relativ hochohmiger Ring geschaltet sind, und daß in Serie zwischen die erste Meßstromquelle und die leitenden Streifen der Elektroden des ersten Paares von Hilfsstromelektroden ein zweiter Resonanzkreis und ein zweiter relativ hochohmiger Ring geschaltet sind, die jeweils identisch mit dem ersten Resonanzkreis bzw. hochohmigen Ring sind.

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