DE2949211A1

DE2949211A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen des spezifischen widerstandes in erdbohrloechern

Info

Publication number: DE2949211A1
Application number: DE19792949211
Authority: DE
Inventors: Jun Francis Xavier Bostick; Richard Boyd Culver
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1978-12-04
Filing date: 1979-12-04
Publication date: 1980-06-19
Also published as: NO793224L; US4282486A; CA1126814A; HU184075B; GB2042735B; GB2042735A; DK512979A; NL7908355A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen des spezifischen Widerstandes in Erdbohrlöchern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum elektrischen Ausmessen eines Bohrlochs im allgemeinen und auf ein Verfahren und ein Gerät zum gleichzeitigen Messen der elektrischen spezifischen Widerstände der unterirdischen Erdformationen in einem Bohrloch, die sich über verhältnismäßig geringe und die sich über verhältnismäßig große Entfernungen von der Bohrlochwand erstrecken, im besonderen. Noch spezieller bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und ein Gerät, das lineare Komponenten in einer unterirdischen elektronischen Schaltung zum Verringern des dynamischen Bereichs von Spannungen und Strömen verwendet, die zum Ableiten von Verhältnissen gemessen werden, die den scheinbaren spezifischen Widerstand der das Bohrloch umgebenden Erdformationen anzeigen.

In der Technik des Ausmessens von Bohrlöchern ist die Verwendung elektrischer Felder allgemein bekannt, die zum Fokussieren des von der Elektrode im Bohrloch ausgesandten Stromes erzeugt und eingestellt werden, wobei der Strom einem Weg folgt, der auf ein praktisch senkrecht zur Bohrlochwand liegenden Zone begrenzt ist. Bisher wurden Messungen durch die Veränderungen und die Unterschiede des Potentials, das entsprechend gewählt und auf den Stromfluß durch die unterirdischen Erdformationen bezogen ist, und durch Ableiten der elektrischen spezifischen Widerstände der sich über verhältnismäßig große Entfernungen von der Wand und dem Bohrloch verlaufenden Formationen erhalten. Andere Arten fokussierten den emittierten Strom über kürzere seit-

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liehe Abstände, so daß die Messungen, vom gemessenen, dargestellten Stromfluß mit größerer Genauigkeit die elektrischen spezifischen Widerstände in der Nachbarschaft der Wand ergaben.

Die Einflüsse der flüssigen Füllung des Bohrlochs, des Schlammkuchens und des Materials in größerer Entfernung von der Bohrlochwand wurden dabei praktisch eliminiert.

Eine ältere, in der amerikanischen Patentschrift 2 beschriebene Vorrichtung ist auf die Verwendung einer Anlage von Elektroden gerichtet, durch die geregelte elektrische Felder, die in das Bohrloch senkrecht zu dessen wand gerichtet waren, die Erdformationen in verschiedenen seitlichen Tiefen von der Bohrlochwand fokussiert werden können.

Beim nahezu gleichzeitigen Bestimmen der spezifischen Widerstände an verschiedenen seitlichen Tiefen verwendet ein älteres Gerät, das in der amerikanischen Patentschrift 3.660.775 beschrieben wird, einen ähnlichen Satz von Elektroden, die das gleichzeitige Messen der Widerstände in der Mitte oder in entfernten seitlichen Abständen vom Bohrloch durch Schalten der Elektrode zum Fokussieren des Stromes zulassen. Diese Vorrichtung kombiniert die Messungen zum Bestimmen des scheinbaren Widerstandes der Erformation. Das Umschalten der Signale zwischen den Elektrodensätzen während des Druchquerens des Bohrlochs durch das Meßinstrument ermöglicht das nahezu gleichzeitige Bestimmen der Widerstände in mittleren und größeren Entfernungen am jeweiligen Seitenteil des Bohrlochs.

Neuerdings richtet sich der Stand der Technik auf Schaltungen, die zwei Frequenzen zum gleichzeitigen Messen der nahe und des entfernten Widerstandes der Erdformationen benutzen. Die amerikanische Patentschrift 3.772.589 beschreibt eine solche Vorrichtung.

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Außerdem zeigt diese Patentschrift, daß die Bohrlochmessung mit dem pezifischen Widerstand es bei vielen Meßsystemen notwendig macht, daß der Wert eines Parameters innerhalb eines besonderen Genauigkeitsgrades gemessen wird und nicht durch Feststellen einer Änderung dieses Parameters. Die Genauigkeit, bei der die Unbekannte aufgelöst werden soll, und der Bereich der ungekannten Werte bestimmen die Erfordernisse des dynamischen Bereichs der Meßanlage.

Durch Verringern des dynamischen Bereichs der gemessenen Parameter kann eine größere tteßgenauigkeit über kleinere Meßbereiche erzielt werden.

Die Vorrichtung nach der Patentschrift 3.772.589 ermöglicht das Verringern der breiten dynamischen Bereiche, die beim Messen von Formationswiderständen auftreten, durch Einhalten konstanter Energie zum Eingeben der Meßströme und Spannungen in die Formation. Die Anlage muß sich somit notwendigerweise auf die Verwendung von nicht linearen Schaltelementen stützen, wie sie in der Oberflächenelektronik nach dieser Patentschrift zu sehen ist.

Die Nachteile der bisherigen Techniken werden überwunden und neuartige Verfahren und Vorrichtungen werden zum gleichzeitigen Bestimmen der scheinbaren Widerstände der ein Bohrloch umgebenden Erdformationen an den nahen und den entfernten Stellen angegeben, die lineare Schaltelemente in einer unterirdischen Elektronikschaltung aufweisen, die den dynamischen Meßbereich der Signale in den umgebenden Erdformationen verringert.

Die Erfindung ist auf ein Verfahren und ein Gerät zum Verringern des dynamischen Meßbereichs von Spannungen und

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Strömen gerichtet, die nahe dem Bohrloch gemessen werden und die den spezifischen Widerstand in nahen und in weiten seitlichen Entfernungen vom Bohrloch reflektieren, wobei die Messungen zum Ausbilden von Verhältnissen zum Bestimmen des scheinbaren Widerstands der das Bohrloch umgebenden Erdformationen verwendet werden. Das Gerät nach der Erfindung enthält eine Anlage von in Längsrichtung an einem Meßinstrument verteilten Elektroden, die an einem Kabel hängen und das Bohrloch durchqueren können. Die Anlage enthält eine mittlere Elektrode und vier Paar Elektroden, die entsprechend kurzgeschlossen und an beiden Seiten der Mittelelektrode bei zunehmendem Abstand von dieser symmetrisch ausgerichtet sind. Die ersten beiden Elektrodenpaare, die nahe der Mittelelektrode liegen, werden als Ließelektroden, und die übrigen Elektrodenpaare, die von der Mittelelektrode zum weitesten entfernt sind, als Stromelektroden bezeichnet.

Zum unabhängigen gleichzeitigen Messen des Formationswiderstandes an zwei verschiedenen radialen Entfernungen vom Bohrloch wird ein Zweifrequenzensystem verwendet. Die Frequenzen sind mit f^ und f~ bezeichnet, worin f^ die niedrigere der beiden ist und für die tiefere Messung benutzt wird. Das Arbeiten der tieferen Messung erfordert einen inneren Kurzschluß zwischen den beiden Stromelektrodenpaaren bei der Frequenz f^. Die elektrische Erregung für diese Messung liegt zwischen den kurzgeschlossenen Elektrodenpaaren und einer entfernten Stromrückführelektrode.

Die flache Messung erfordert eine elektrische Erregung mit der Frequenz f~ zwischen den Stromelektrodenpaaren. Die Impedanz zwischen jedem dieser beiden Paare und der entfernten Rückführelektrode soll bei der Frequenz Ϊ£ für die

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flache Messung praktisch unendlich sein.

Die Erregung bei der tiefen Messung erfolgt durch einen Stromverstärker, von dem ein Ausgang an dem kurzgeschlossenem Elektrodenpaar und der andere an der entfernten Rückführelektrode liegt, und in form eines elektrischen Stroms der Frequenz f* . Weil der Stromverstärker eine große, praktisch unendliche Ausgangsimpedanz besitzt, zeigt er auch zwischen den beiden Punkten, an denen die Ausgänge liegen, einen offenen Kreis. Dies genügt dem Impedanzerfordernis für die flache Messung bei der Frequenz t^·

Die Erregung für die flache Messung wird aus einem Spannunga-r verstärker erhalten, der sich zwischen den beiden Stromelektrodenpaaren befindet. Die Erregung bei der Frequenz fp befindet sich in der Form einer Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektrodenpaaren. Ferner wirken diese beiden Paare, wenn die Ausgangsimpedanz praktisch Null ist, als Kurzschluß bei der Frequenz f^,, wie es für die Tiefenmessung notwendig ist.

Außerdem ist die -Erfindung auf das Verringern der dynamischen Bereiche der gemessenen Parameter gerichtet. Dies ergibt ein Vergrößern der Meßgenauigkeit über einen kleinen Meßbereich, um die bei kleineren Messungen über größere Bereiche erhaltene Genauigkeit gleich zu machen. Dieses Verringern des Meßbereichs ermöglicht die Verwendung einer einfacheren linearen Schaltung.

Beim Erzeugen des Antriebssignals für den Stromverstärker wird eine erste Bezugsleichspannung mit einem Signal linear kombiniert, das die festgestellte Tiefenmeßspannung darstellt.

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Das kombinierte Signal wird durch einen Zerhacker geführt, der bei einer gegebenen Frequenz f^ wirkt und bei der Frequenz f^ ein Rechtecksignal erzeugt. Das Herausziehen der Grundschwingung des Rechtecksignals liefert ein sinusförmiges Betriebssignal für den Stromverstärker mit der Frequenz f^. Ferner ermöglicht das Mischen der Tiefenmeßspannung mit der konstanten Bezugsspannung vor dem Zerhacken das Verändern des Signals, was ein Zurückführen in den dynamischen Bereich des gemessenen Signals ergibt.

Die Antriebsschaltung für den Spannungsverstärker, der die Erregung für die flache Messung liefert, ist dem beim Entstehen des Tiefenmeßantriebssignals ähnlich, außer daß eine zweite gegebene Frequenz f~ als Zerhackerfrequenz benutzt wird. In ähnlicher Weise wird die Grundwelle des Rechtsecksignals, das bei der Frequenz f~ erzeugt worden ist, herausgezogen und an den Eingang der Spannungsverstärkerausgangsstufe gelegt. Das luischen der Tiefenmeßspannung mit einem zweiten Bezugsgleichspannungssignal vor dem Zerhacken verringert den dynamischen Bereich der flachen Messung, wie es in Verbindung mit der Tiefenmessung beschrieben worden ist.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Bohrlochvorgangs mit einem Instrument, das die unterirdische Elektronikschaltung nach der Erfindung enthält;

Figur 2 eine schematische Darstellung der Elektronikschaltung nach der Erfindung;

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Figur 3 eine schematische Darstellung einer Betriebsschaltung mit dem Spannungsverstärker nach Figur 2;

Figur 4 eine schematische Darstellung einer vereinfachten Schaltung, die die Prinzipien des ohmschen Gesetzes zum Erläutern der Theorie von Verfahren und Gerät nach der Erfindung dient;

Figur 5 eine schematische Darstellung einer idealisierten Schaltung zum Halten der Proportionalitätskonstante der Schaltungserregung;

Figur 6 eine schematische Darstellung einer idealisierten Schaltung zum Halten der Proportionalitätskonstante der Spannungserregung; und

Figur 7 eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der Betriebsschaltung und des Stromverstärkers nach Figur 5·

Figur 1 zeigt einen Teil der Erdoberfläche 10, in die ein Bohrloch 12 gebohrt worden ist, das durch die unterirdische Formation 14 hindurchgeht. Im Bohrloch befindet sich ein Unteroberflächeninstrument 16, das mittels eines Mehrfachleiterkabels 18 gehoben und gesenkt werden kann. Das Oberflächengerät enthält eine Kabeltrommel 20, auf die das Meßkabel 18 aufgewickelt oder von dem es abgewickelt wird, wenn das Instrument 16 das Bohrloch 12 durchquert. Außerdem enthält das Oberflächengerät einen Telemetrieempfanger und eine Primärkraftquelle 22, die mit dem Kabel 18 über die Trommel 20 mittels eines Signalkabels 24 ver-

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bunden ist. Die Energieeinrichtung zum Antrieb der Trommel wie auch ein Meßrad, das zum Anzeigen der Tiefe des Meßinstruments 16 im Bohrloch durch Messen des Abwickeins des Kabels 18 benutzt wird, sind üblich und werden deshalb hier nicht dargestellt.

Der wesentliche Teil des Meßinstruments 16 besteht aus einer Unteroberflächenelektronik 26, die die Signalerzeugungs- und Meßelektronik enthält, was noch beschrieben werden wird. Ferner ist ein Elektrodensystem 28 in Längsrichtung am Instrument 16 verteilt angeordnet und enthält eine Mittel elektrode A und vier Elektrodenpaare M,.-Mp, M-, -IL, A,.-A^ und B^ und Bp, die symmetrisch um A_x. herum angeordnet sind, wie es Figur 1 zeigt und besonders in der US-Patentschrift 366 755 beschrieben wird. Dort ist auch jedes Elektrbdenpaar durch isolierte Leiter 33, 37» 4-1 bzw. 4-5 kurzgeschlossen. Der Zweck hierfür ist aus der angegebenen Patentschrift zu entnehmen. Wie noch erläutert werden wird, sind die Mittelelektrode A und die kurzgeschlossenen, in Längsrichtung von dieser nach außen verlaufenden Paare mit der Unteroberflächenelektronik 26 durch die Leiter 57,56,55,54- bzw. 53 verbunden. Außerdem ist der noch zuerläuternde Zweck auf hier ein entfernt liegender Tiefenmeßrückführleiter 26, der mit einem entfernt liegendem Bezugsleiter 50 verbunden ist, der von dort zu einem entfernt liegenden Potentialbezugspunkt 51 auf der Erdoberfläche 10 führt.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der elektronischen Schaltungen, die die Unteroberflächenelektronikabschnitt 26 bilden. Zum Prüfen der Stromerregung durch die Mittelelektrode A über dem Leiter 57 dient ein Stromtransformator 60, dessen Sekundärspule an den Eingängen eines Verstärkers 64· liegt, dessen Ausgang in zwei übliche Band-

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paßfilter 66 und 68 gekoppelt ist. Der Filter 66 dient zum Durchlassen einer ersten gegebenen Frequenz f* und der Filter 68 zum Durchlassen einer zweiten gegebenen Frequenz f₂· Die Signale mit den Frequenzen f/j und f₂, die an den Filtern 66 und 68 entstanden sind, werden dann in phasenempfindlichen Detektoren 70 bzw. 72 gekoppelt. Der Detektor 70 erzeugt ein Gleichspannungssignal V^_D, das funktionell auf den vom Transformator 60 auf der Frequenz f^ festgestellten Strom bezogen ist. Der Detektor 72 erzeugt in ähnlicher Weise ein Gleichspannungssignal V^g, das funktionell auf den vom Transformator 60 auf der Frequenz f₂ festgestellten Strom bezogen ist.

Die iipannungssignale V>._D und V^₀ werden danach über die Eingangsöffnungen 76 bzw 78 in einen Telemetriekodierer-Sender 74- gekoppelt. Nach dem Kodieren werden die Signale V_1D und V₁₃ betriebsmäßig in die Oberflächenelektronik über den Leiter 77 gegeben der einen Teil des ^eßkabels bildet.

Das Elektrodenpaar M,--B'. liegt an einem Eingang eines Verstärkers 80 dessen zweiter Eingang über dem Leiter 50 an dem entfernten Bezugspotential 51 liegt, das sich auf der Erdoberfläche 10 befindet. Der Ausgang des Verstärkers 80 ist in ein zweites Paar üblicher Bandpaßfilter 84 und 86 gekoppelt, wobei der Filter 84 zum ^_urchlassen von Signalen auf der Frequenz t^ und der Filter 86 zum Durchlassen von Signalen auf der Frquenz f₂ dient. Die so durchgelassenen fyj und f₂-Signale werden in die Phasendetektoren 88 bzw 90 gegeben. Der Detektor 88 liefert ein Spannungssignal V_2D mit einer funktionell auf das Potential mit der Frequenz f^ bezogenen Amplitude, das zwischen den Meßelektrodenpaaren IIL-M¹,. und dem entfernten Bezugspotential entstanden ist. Der Detektor 90 liefert eine Spannung V₂₅

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mit einer funktionell auf das Potential auf der Frequenz fp bezogenen Amplitude, das zwischen dem Meßelektrodenpaar My|-M'y| und dem entfernt liegendem Bezugspotenial 51 entstanden ist. Die Dignale Vpj ^un<i Vps werden über die Eingänge 9^ bzw. 92 in den Te lerne triekodierer-Sender 7⁷^ gekoppelt. Dann werden die Signale wie die Signale aus den Detektoren 70 und 72 zum Aussenden über den Leiter 93 kodiert und ergeben ebenfalls einen Teil des Meßkabels 18 und werden in die Oberflächen Elektronikgeräte 22 gegeben.

Außerdem wird das Spannungssignal Vp^ in einen Eingang des Verstärkers 96 gekoppelt, dessen anderer Eingang an einer Quelle 100 einer Bezugs spannung liegt, so daß Vpjj und die Gleichspannung linear kombiniert sind. Dieses kombinierte Signal geht dann durch einen Zerhacker 102, um ein Rechtecksignal mit der Frequenz f^ abzuleiten, das dann in einen Sngbandfilter W gegeben wird, der die Grundwelle der Rechtecksignale herausfiltert und ein sinusförmiges Treibersignal mit der Frequenz f^ erzeugt. Üieses Signal wird an die Frimärspule 108 eines Transformators 106 gelegt, dessen Sekundärspule 110 mit ihrer Ausgangsleitung an den einen Eingang eines Verstärkers 112 geschaltet ist. Die andere Ausgangsleitung der Sekundärspule 110 und der andere Eingang des Verstärkers 112 sind so mit dem Ausgangswiderstand II5 in Reihe geschaltet, daß ein Stromverstärker 114- entsteht, dessen Ausgänge über die Leiter 52 und 5^ an der entfernt liegenden Stromrückführung, die die bewehrte Abschirmung des Meßkabels 18 bildet und am Stromelektrodenpaar Α,^-Αρ liegen.

Das Spannungssignal Y^u wird ferner in einem Verstärker 98 mit einer zweiten Bezugsgleichspannung kombiniert, die in der Quelle 116 entsteht,

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Dae sich, ergebende Signal 15 wird danach über einen Zerhacker 118 gekoppelt, um ein Rechtecksignal mit der Frequenz f₂ zu bilden. Das Rechtecksignal wird dann über einen Schmalbandfilter 120 gekoppelt, um sein Grundsignal herauszufiltem und ein sinusförmiges Treibersignal zu erzeugen, das in einen Eingang des Verstärkers 122 gekoppelt wird, dessen Ausgang am anderen Eingang in der Rückkopplungsverbindung liegt, die einen Spannungsverstärker 124 bildet. Die Ausgänge des Verstärkers 122 sind in die Elektroden B₁-B₂ B^-B'₂ und die elektroden A^- A*₂ über die Leiter 53 bzw. 5^· gekoppelt.

Die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers, der als Spannungsverstärker geschaltet ist, ist praktisch Null, wodurch der Spannungsverstärker 124 auf der Frequenz f^ als Kurzschluß wirkt, der den Stromverstärker 124 gleichzeitig an A^-A'2 und B^-B'p legt. Ferner besitzt ein Operationsverstärker, der als Stromverstärker geschaltet ist, eine große, praktisch unendliche Ausgangsimpedanz, wodurch der Verstärker 114 einen offenen Kreis zwischen den Elektrodenpaaren A^.-A¹ ρ und B,,-B'- darstellt, der an einem Ausgang des Verstärkers 114 und der entfernten Stromrückführung 52 liegen, die an den anderen Ausgang des Verstärkers 114 ge-* schaltet ist.

Die anderen kurzgeschlossenen Elektrodenpaare, die Meßelektrodenpaare M^-M'xj und M₂-M¹ ₂ liegen entsprechend an einem Eingang eines Verstärkers 82 mit hohem Verstärkungsgrad, dessen Ausgang über die Primärspule 126 des Transformators 60 in die Mittelelektrode A₀ geschaltet ist, wobei die Ströme I/j_D und I^g über die Elektrode A in die umgebende Formation auf den Frequenzen f^ und f₂ eingeführt werden.

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Figur 3 zeigt den Spannungsverstärker 124 nach ^igur 2 im einzelnen. Das Ausgangssignal des Filters 120 wird an die Primärspule 132 des Transformators 130 gelegt, wobei eine Leitung der Sekundärwicklung 134 an einem ersten Eingang des Verstärkers 122 und die zweite Leitung dieser Spule 134 über dem Leiter 144 an dem Elektrodenpaar A^-A¹~ liegt. Der zweite Eingang des Verstärkers 122 ist über den Kondensator 125 und den Leiter 142 mit dem Elektrodenpaar IL-B¹ρ verbunden. Der Ausgang des Verstärkers liegt an der Primärspule 138 eines Abwärtstransformators 136. Die Ausgangsleitungen der Sekundärspule 140 sind mittels der Leiter 53 bzw. 5^- mit den Elektrodenpaaren B^-B'₂ und A^-A'₂ verbunden. Zwischen dem Ausgang und dem zweiten Eingang des Verstärkers 122 liegt ein Widerstand 141, der die Gleichspannungsstabilität für den Verstärker ergibt.

Der Ausgangstransformator 136 dient zum Liefern einer besseren Anpassung zwischen den Ausgangsleistungen des Verstärkers 122 und der Belastungsimpedanz, gemessen zwischen den Elektrodenpaaren A^-A' und B^-B'₂· Außerdem werden die Charakteristiken eines idealen Spannungsverstärkers durch getrennte Rückkopplungsleitungen 142 und 144 zwischen den Elektrodenpaaren A^-A'^ und B^-B'₂ und dem Verstärker 122 wirksam realisiert.

Figur 4 zeigt die schematische Darstellung eines Schaltung mit den Prizipien des ohmschen Gesetzes. Die Schaltung benutzt eine Spannungsquelle V mit einem Reihenausgangswiderstand R_a> der den Formationswiderstand darstellt. Das An legen von I in R₀ erzeugt ein Potential V₀ an R , E ,

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das einen einmaligen Wert aufweist, der die Minimum -und Maximum-Werte von V_Q und I₀ ergibt. Dieser Wert von R„ kann

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durch einfache algebraische Manipulation dargestellt werden,

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die das geometrische Mittel des Minimum- und Maxiumu-Werts von H ist. Der kleinste Bereich von V und I ist die Quadratwurzel des Verhältnisses des dynamischen Bereichs von H_a# Beispielsweise liegt das Verhältnis des dynamischen Bereichs für I_a und V_& in der Größenordnung von 100 zu 1, wenn der angenommene Bereich von R₀ zwischen 1 und 10 ooo Ohm liegt und H mit 100 Ohm gewählt ist, während die objektive Messung von H über einem Bereichsverhältnis von 10 000 zu 1 schwankt. Wenn die Maßstabsproportionalität der absoluten Bereiche der Werte I und V sich mit V ändern, kann demnach der Wert der Bezugsspannung V zum Einstellen dieser Bereiche dienen, damit sie sich mit den Erfordernissen des Bereichs der linearen Meßelektronik vertragen. Ferner werden die Verhältnisse des dynamischen Bereichs von V_ und

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I₀ durch Änderungen von V nicht beeinflußt und sind nur

durch den Wert von R_Q gegeben.

Die Verhältnisse des dynamischen Bereichs der im doppelt fokussierten Meßinstrument 16 gemessenen Variablen werden herabgesetzt, wenn die gemessene Spannung und der gemessene Strom sowohl für tiefe als auch für flache Messungen zwangsläufig die Beziehung befolgen, die durch I_Q und V_Q in der

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Schaltung nach figur 4 genügt. Außerdem muß dieser Zwang ohne Unterbrechen der Verbindungserfordernisse für die Doppelmessung erfolgen, wie es in Verbindung mit der Schaltung nach den Figuren 2 und 3 beschrieben worden ist.

Die Spannung für die Tiefenmessung, die V_a entspricht, ist eine Potentialdifferenz V_2D mit der Frequenz f^, zwischen dem Elektrodenpaar M^-M¹^ und der entfernt liegenden Bezugspotentialelektrode. Der Strom für die Tiefenmessung, der I_a entspricht, ist der Strom I^ mit der Frequenz, der von der Elektrode A_Q in die Formation fließt.

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Mehr als die Kraft V_2D und I^_D zum Tragen der richtigen Beziehung zum Herabsetzen des Verhältnisses des dynamischen Bereichs wird der Tiefenmeßerregeretrom I_oD» der am Leiter 52 der Figur 2 auftritt, dafür verwendet. Obwohl elektronische Schaltungen benutzt werden könnten, um allen Erfordernissen zu genügen, ergeben sich erhebliche Vereinfachungen, wenn den Strom-Spannungsbeziehungen der Schaltung nach Figur 4 nur annähernd genügt worden ist.

Figur 5 zeigt die schematische Darstellung einer Schaltung zum Hegeln des Tiefenmeßerregerstromes IqD* Wie nach Fig. wird eine Tiefenbezugs spannung V™ mit einer gegebenen Ampli tude in der Bezugsgleichspannungsquelle 100 erzeugt. Das Spannungssignal Vprj und ein Spannungssignal -V~j) des Phasenabtastdetektors 88 werden in eine Summierschaltung I50 gegeben, wobei der kombinierte Signalausgang dann in den Verstärker 96 gegeben wird. Wie bekannt, ergeben üb-*liche elektronische Verstärker wie der Verstärker 96 eine Summie- rung. Die Summierschaltung I50 nach Figur 5 unterstützt je doch das Verständnis der Arbeitsweise der Erfindung.

Wie bereits beschrieben, wird dann das kombinierte Signal über den Zerhacker 102 kombiniert, um ein fiechtecksignal mit der gegebenen Requenz f^ zu erzeugen, dessen Amplitude funktionell auf die Tiefenmeßspannung V^ bezogen ist. Danach wird das Rechtecksignal über einen Engbandfilter 104- gegeben und liefert das gewünschte sinusförmige Signal, das dann über die Frimärspule 108 des Trabsformators 106 gegeben wird, um das geforderte Spannungspotential Vgp - V~n ^an seiner Sekundärspule 110 zu erzeugen. Das Koppeln des Transformatorpotentials in den Stromverstärker 114 liefert die notwendige Beziehung, worin Iqq . Rqq = V™ - V«tj ist.

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Da Änderungen von Iqjj , die durch Änderungen des spezifischen Widerstandes der Information seitlich des Bohrlochs bedingt sind, etwa proportional den entsprechenden Änderungen von I^_D sind, ist der von der Elektrode A_Q in die Formation gegebene Strom mit einer Frequenz f^, eine Proportionalität konstante K, mit dem Reihenausgangswiderstand Rqjj kombiniert, so daß die von der Schaltung nach Figur 5 verlangte Beziehung dann Ι^_β (KRq_D) ^VgD-VpD wird. Die Werte in dieser Beziehung entsprechen etwa den von der Schaltung nach Figur 4- abgeleiteten Werten, darin daß I^_D eich I_a, V_2D dem Wert V_&, KK_QD dem Wert R_Q und V^ dem Wert V nähert· Es ist somit zu erkennen, daß die dynamischen Bereiche der Ströme und Spannungen, die für die Tiefenmessungen aufgezeichnet worden sind, von den Parametern V-^ geregelt werden.

Firgur 6 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Schaltung nach Figur 3. Eine Bezugsgleichspannung V^g mit einem gegebenen Wert, der sich von dem Wert V„p unterscheidet, wird von der Bezugsquelle 116 geliefert und in die Summierschaltung 152 gegeben. In die Summierschaltung mit dem in den Verstärker gegebenen kombiniertem Signal wird auch die funktionell auf die Amplitude des gemessenen Potential bei der Brequenz f,. bezogene Gleichspannung -Vpjj eingekoppelt. Da, wie bereits erläutert, das kombinierte Signal zum Betreiben eines Spannungsverstärkers benutzt wird, wird das Signal herabgesetzt, damit es übliche Meßsignalamplituden liefert. Demnach kann eine übliche Einrichtung, z.B. ein Spannungsteiler, zum Verringern des Signals V_2D benutzt werden, wobei dieses Verringern durch K^ dargestellt ist. Somit wird die gemessene in die Summierschaltung eingegebene Gleichspannung -K^Vpjj. übliche elektronische Verstärker kombinieren die Summierungs- und Verstärkerfunktionen auf einer linearen Leitung.

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Ferner ist das Verhältnis Vp^o//*1S ^e*^wa proportional dem Verhältnis VpD^ID ^^er ^^em S^anzen Bereich von Veränderungen des Bereichs des spezifischen Formationswiderstands. Da die dynamischen Bereiche von Vp-n und 1^ bereits von der Schaltung nach Figur 5 geregelt worden sind, muß nur V₂O dem Wert Vp_D proportional sein, um den dynamischen Bereich sowohl von Vpg als auch von Ix|g zu regeln.

Obwohl diese Regelung möglich ist, ist es einfacher die Flachmeßerregerspannung V_Qg proportional V₂₀ über den Bereich der spezifischen Formationswiderstandsänderungen zu machen, so daß die Proportionalität für V_QS gleichbedeutend der Proportionalität für V₃₃ ist.

Figur 6 zeigt weiter, daß V_Qg unmittelbar von V₂^ abgeleitet wird. Vteil die Porportionalitätsbeziehung zwischen V_2S und Vq_S nur angenähert ist, soll die Beziehung zwischen V_QS und V_2D durch Beigabe eines kleinen Wertes konstanter Spannung etwas abgeändert werden, die den Wert von V^g bestimmt. Dadurch wird die gewünschte porportionale Beziehung zwischen V₂^ ^un<^· ^PS ^stärker angenähert, wodurch die Regelung des dynamischen 3ereichs von V^g unf I^_o an V₂-Q gebunden wird, das wiederum von der erwähnten Schaltung nach Figur 5 geregelt wird.

Wie beschrieben ist das kombinierte Signal über den Zerhacker 118 und den Engpaßfilter 120 gekoppelt, um das gewünschte sinusförmige Signal mit der Flachmeßfrequenz f₂ zu erzeugen, das zum Betreiben des Spannungsverstärkers 124 und somit zum Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 148 und 146 am Formationswiderstand R-r verwendet wird, der etwa V_RS - K^V_2D ist. Das Verhältnis ^pS^Mi etwa proportional dem Verhältnis ^pD^1D über den ganzen Bereich der Veränderungen des spezifischen Formationswider-

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Standes. Da die dynamischen Bereiche von V^tj und I^ bereits von der Schaltung nach Figur 5 geregelt worden sind, muß nur noch V~g proportional V^jj sein, um den dynamischen Bereich sowohl von Vpg ^als auch von I^_s zu regeln, und an V™ gebunden werden, das von der Schaltung nach Figur 5 geregelt wird.

Figur 2 zeigt somit, daß die beschriebenen Verbindungen Messungen von Signalen durchzuführen, die zum Ableiten des scheinbaren spezifischen Formationswiderstandes notwendig sind, die die dynamischen Bereiche verringert haben. Deshalb können die Ströme I^und I^_s gemessen werden, die von der Elektrode A in die Formation gegeben werden und entsprechend der sich ändernden Formationswiderstände schwanken, um die Potentialdifferenz Null zwischen den kurzgeschlossenen Elektrodenpaaren UL -M',- und l/U-M'^ zu erhalten und Spannungssignale V^ und V^g zu erzeugen, die den erwähnten Ausgnagsströmen entsprechend proportional sind. Die Spannungssignale V^_D und V^₁₃ werden über die Eingangsöffnung 76 bzw. 78 in den Telemetrie-Sender-Kodierer 7^· gegeben. Ähnlich werden die Poteniale an den spezifischen Formationswiderständen für die Tiefen- und die Flachmessung durch das kurzgeschlossene Elektrodenpaar M^-M¹^ abgetastet, wobei das Signal mit dem entfernten Bezugspotential y\ (Fig. 1) vergleichen wird, um Tiefen- und Flachpotentiale Y^n ^un(* Vpg zu erzeugen, die über die Eingangsöffnung 9^ bzw. 92 in den Telemetrie-Sender-Kodierer gegeben werden. Der Sender-Kodierer 7^· kodiert die aufgenommenen Spannungen ^1S» ^1D* ^2S ^un<^ ^2D ^un<* überträgt sie über die Leiter 77 und 931 die im Meßkabel 18 enthalten sind, auf den Telemetrieempfänger 22 auf der Erdoberfläche (Figur 1). Die aufgenommenen Signale werden dekodiert und entsprechend in üblicher Weise behandelt.

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Figur 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel zum Regeln der Verhältnisse der dynamischen Bereiche der Tiefenmeßspannung und des Stromes. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird wieder die Bezugsgleichspannung V^ von einer Bezugsgleichspannungsquelle 100 geliefert und unmittelbar in den Zerhacker 102 gegeben, der ebenfalls auf der vorgegebenen Tiefenfrequenz f^ arbeitet. Die Rechteckschwingung mit der Frequenz f.. wird in den Engpaßfilter 1W gegeben, um das verlangte sinusförmige Signal zu erzeugen. Dieses Signal wird dann in die Summierschaltung 150 als eine Spannung Vq_D eingekoppelt, die zwischen der entfernten Stromelektrode 18 und dem Elektrodenpaar A^. - A¹ ~ erzeugt worden ist. Das Spannungssignal Vq_D wird über einen Bandpaßfilter in die Summierschaltung I50 gekoppelt, die mit der Frequenz f^j arbeitet, so daß die Schaltung nach -^igur 7 der Beziehung IqdRqj) ^{= V}RD " ^V0D ß^enuBt· ^Die Änderungen von I_0D, die von den Widerstansänderungen der Formation seitlich des Bohrlochs bedingt sind, sind etwa proportional den entsprechenden Änderungen von I-jt)· Die zwischen der entfernten Strombezugselektrode 18 und dem Elektrodenpaar A^. - Ap erzeugte Spannung ist ebenfalls etwa proportional der Spannung Vpjj Beim Setzen des angezeigten Ausgangsreihenwiderstandes in Proportion, wie es durch die Konstante der Proportionalität K angezeigt wird, wird die in Verbindung mit Figur 7 beschriebenen Bziehung I_1D (KR₀₁)) ~ V^ - V_QI). Diese Schaltung verringert somit den dynamischen Bereich ähnlich wie bei den Figuren 2 und 5» ausgenommen daß die Bezugs- und Regelsignale mit der Frequenz f,, anstelle mit Gleichspannungswerten summiert werden, wie es bei der Schaltung nach den Figuren 2 und 5 der Fall ist. Während besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, so sind doch Abänderungen möglich, ohne vom Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen.

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Zusammenfassung

Das Verfahren und das Gerät nach der Erfindung dient zum Herabsetzen des dynamischen Bereichs von Meßsignalen, die in gleichzeitig zwei fokussierte Messungen des spezifischen Formationswiderstandes mit verschiedenen Erforschungstiefen durchführen und Einrichtungen für die notwendigen elektrischen Verbindungen der Elektrodenanlage enthalten. Das Gerät enthält eine Elektrodenanlage mit einer Mittelelektrode, einem nahen und einem entfernten Paar von Stromelektroden, die entsprechend kurzgeschlossen und symmetrisch an beiden Seiten der Mittelelektrode ausgerichtetjsind, und ein nahes und ein entferntes Paar von Meßelektrod-en, die entsprechend kurzgeschlossen und symmetrisch zwischen der Mittelelektrode und dem nahen Stromelektrodenpaar ausgerichtet sind. Ein am nahen Meßelektrodenpaar bei einer gegebenen Frequenz festgestelltes Signal und ein erstes und ein zweites Signal werden kombiniert und liefern zwei kombinierte Spannungen, die bei der Erzeugung zweier Frequenzen f,, und f^- dienen. Es werden Elektrodentreibersignale an je einer anderen gegebenen Frequenz erzeugt, deren Amplitude je funktionell auf das Tiefenwiderstandsmeßsignal mit den Frequenzen bezogen ist, die so gewählt sind, daß sie gleichzeitige Messung in einem Bohrloch der elektrischen Widerstände der unterirdischen Erdformationen über verhältnismäßig kleine und verhältnismäßig große seitliche Abstände von der Bohrlochwand ermöglichen. Die schwankende Amplitude der Elektrodentreibersignale verringern die dynamischen Bereiche der gemessenen Ströme und Spannungen an der formation, was eine höhere Meßgenauigkeit über einen kleineren Meßbereich ermöglicht ·

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Verringern der dynamischen Bereiche von in einer Erdformation durch ein das Bohrloch durchquerenden Meßaufnahmeinstruments gemessenen Spannungen und Ströme, die sich unmittelbar mit dem spezifischen Widerstand der das Bohrloch umgebenden Erdformation ändern, wobei die gemessenen Spannungen und Ströme danach zum Liefern von Verhältnissen benutzt werden, um den scheinbaren spezifischen Widerstand der das Bohrloch umgebenden Erdformation zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdformationsspannungen und -Ströme gemessen werden.

Zwei Erregerströme bei zwei Frequenzen f^ und f~ erzeugt werden, die zu einem gewählten Parameter von mindestens einer der gemessenen Erdformationsspannungen oder -Ströme in unmittelbarer Besichtigung stehen, und

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ORIGINAL INSPECTED

daß diese Erreger Ströme an die Erdformation angelegt werden, um entsprechende Spannungen und Ströme zu erzeugen, die je funktionell auf mindestens eine der Frequenzen f^ und fp bezogen sind, so daß Schwankungen der Erdformationsspannungen und -Ströme, die sich aus den Schwankungen des spezifischen Widerstandes der Erdformation ergeben ergeben, die dynamischen Meßbereiche dieser Spannungen und Ströme verringern.

2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß vom gewählten Parameter ein Gleichspannungswert angeleitet wird, der linear mit einer ersten Bezugsspannung zum Liefern einer ersten Kombinationsspannung kombiniert wird und daß von den beiden Kombinationsspannungen abgeleitet werden, die entsprechend in zwei Verstärker mit den Frequenzen f^. und f~ gegeben werden, um zwei entsprechende Erregerströme zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß beim Verstärken der beiden sinusförmigen Signale das erste sinusförmige Signal mit der Frequenz f^ in einen Operationsverstärker gegeben wird, der in eine Stromverstärkeranlage geschaltet ist, und das zweite sinusförmige Signal mit der Frequenz fp in einen Operationsverstärker gegeben wird, der in einer Spannungsverstärkeranlage liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß beim Erzeugen des ersten Erregerstromes zusätzlich ein Bezugswechselspannungssignal mit der Frequenz f^ erzeugt wird und danach ein Wechselspannungssignal mit der Frequenz f^. erzeugt wird, das

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funktionell auf die Amplitude des gewählten Parameters bezogen ist, und daß die Bezugswechselspannungssignale und das abgeleitete WechselspannungSBignal kombiniert werden, um ein zusammengesetztes Wechselspannungssignal zu erhalten, das in einen Operationsverstärker eingekoppelt wird, der in einen Stromverstärkeranlage geschaltet ist und einen festen Erregerstrom erzeugt.

Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden ( A , UL, M¹^, M₂, M¹ ₂, A-, A₂, B.*, B₂) vorgesehen sind, die durch ein Bohrloch (12) geführt werden, und von denen eine Mittelelektrode (A ) ist und zwei Paare von Meßelektroden (A₁-A₂, B₁-B₂) symetrisch um die Mittelelektrode (A ) herum angeordnet sind, und zwei Paare von Stromelektroden (M₁-M^, M₂-M'₂) symmetrisch um die Mittelelektrode (A_Q) herum liegen und weiter von dort als die Meßelektrodenpaare entfernt sind und Jedes Elektrodenpaar entsprechend kurzgeschlossen ist, daß eine Einrichtung elektrische Potenialslgnale liefert, die zwischen dem ersten Meßelektrodenpaar (A^ - A₂) und einer entfernten Bezugspotenialelektrode entstehen als Ergebnis von abtastenden Spannungen und Strömmn geprüft werden, die an die einzelnen spezifischen Widerstände der das Bohrloch umgebenden Erdformationen (14) gegeben werden, daß eine Einrichtung zwei Erregerströme mit zwei Frequenzen f,· und f₂ in entsprechend funktloneller Beziehung zum geprüften Signal liefert, daß eine Einrichtung den ersten Erregerstrom durch die Erdformation (14) zwischen den beiden Stromelektrodenpaaren (M^-M¹^, M₂-M'~) und einem entfernten Stromelektrodenrückführweg eingibt und Erdformationeströme er-

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zeugt, die funktionell auf die Frequenz f^ bezogen sind, un eine Einrichtung den zweiten Erregerstrom an die Erdformation in der Form einer zwischen den beiden Stromelektrodenpaaren erzeugten Potentialdifferenz legt, die funktionell auf die zweite Frequenz f^ bezogen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung ein Gleichspannungssignal liefert, das funktionell auf die Amplitude desjenigen Teils des elektrischen Signals bezogen ist, der vom ersten Meßelektrodenpaar als Ergebnis yon Abtastspannungs und -Strömen an den einzelnen spezifischen Widerständen der Erdformation durch die erste Frequenz erzeugt wird, daß eine Einrichtung das erste Gleichspannungssignal und das erste Gleichspannungsbezugssignal kombiniert und ein kombiniertes Signal liefert, daß eine Einrichtung ein sinusförmiges Signal mit der Frequenz f^ vom kombinierten Signal ableitet, und daß ein Verstärker auf das erste sinusförmige Signal bei der Frequenz f^ anspricht und den ersten Erregerstrom erzeugt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des zweiten Erregerstromes eine Einrichtung ein zweites Gleichspannungssignal ableitet, das funktionell auf die Amplitude desjenigen Teils des Signals bezogen ist, das vom ersten Meßelektrodenpaar als Ergebnis der Abtastspannung und -Ströme erzeugt worden ist, die an die einzelnen Widerstände der Erdformation durch die zweite Frequenz fp angelegt werden, daß eine Einrichtung das zweite GIeichspannungssignal und das zweite Bezugsspannung kombiniert und so ein zweites kombiniertes Signal liefert,

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daß eine Einrichtung ein zweites sinusförmiges Signal mit der Frequenz fp aus dem ersten kombinierten Signal ableitet, und daß ein Verstärker auf das zweite sinusförmige Signal bei der zweiten Frequenz ^2 ^an~ spricht und den zweiten Erregerstrom erzeugt.

8. Vorrichtung nach .Anspruch 5» dadurch g e kennze ichnet, daß zum Erzeugen des ersten Erregerstromes eine Einrichtung ein erstes Wechselspannungssignal liefert, das funktionell auf den Erregerstrom bezogen ist, der an der Erdformation zwischen den beiden Stromelektrodenpaaren und der entfernten Stromelektrode mit der ersten Frequenz f^ angelegt wird, daß eine einrichtung auf die erste Bezugsgleichspannung anspricht und ein Bezugswechselspannungssignal mit der Frequenz f^, liefert, daß eine Einrichtung das erste Wechselspannungssignal und das Bezugswechselspannungssignal kombiniert und ein zusammengesetztes iVechselspannungssignal erzeugt, und daß ein Verstärker auf das zusammengesetzte Signal mit der Frequenz f^j anspricht und den ersten Erregerstrom liefert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlegen der beiden Erregerströme durch die Erdformationen ein Operationsverstärker in eine Stromverstärkeranlage geschaltet ist und mit seinem ersten Ausgang am entfernten Stromelektrodenrückführweg liegt und ein zweiter Ausgang am ersten Stromelektrodenpaar liegt, und daß ein zweiter Operationsverstärker in eine Spannungsverstärkeranlage geschaltet ist und mit einem ersten Ausgang am zweiten Stromelektrodenpaar liegt und ein zweiter Ausgang am ersten Stromelektrodönpaarliegt.

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