DE3727842A1 - Einrichtung und verfahren zur messung eines spezifischen widerstandswertes eines bohrloches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Messung eines spezifischen Widerstandswertes eines Bohrloches. Allgemein finden entsprechende Einrichtungen bzw. Verfahren beim Richtungsbohren, d. h. beim nichtvertikalen Bohren von Bohr­ löchern Verwendung. Eine Einrichtung der hier angegebenen Art wird insbesondere beim Führen von Bohrlöchern verwendet, die längs einer bestimmten Formationsschicht vorgetrieben werden, wobei die Annäherung an eine Grenze zwischen Formationsschichten und die Richtung dieser Annäherung festgestellt werden. Die Einrichtung der hier angegebenen Art liefert diese Informatio­ nen, welche dann dazu verwendet werden, die Richtung des Bohr­ loches von der Grenze der Formationsschicht weg zu ändern und das Bohrloch wieder auf den vorbestimmten gewünschten Weg zu­ rückzuführen.

Bei vielen Anwendungsfällen ist es notwendig und wünschens­ wert, einen Abschnitt eines Bohrloches längs einer bestimmten Formationsschicht zu führen. Diese Formationsschicht kann horizontal oder geneigt sein und das in der Formationsschicht vorgetriebene Bohrloch muß so geführt werden, daß es nicht in benachbarte Formationsschichten ausweicht. Der Bohrmeister muß daher mit Informationen versehen werden, welche anzeigen, wenn sich die Bohrung einer Grenzschicht zwischen zwei benachbarten Formationssschichten nähert, wobei die Richtung der Annäherung angegeben sein muß. Ein allgemein bekannter Anwendungsfall des Richtungsbohrens findet sich im Kohlebergbau, bei dem Bohr­ löcher innerhalb eines Kohleflözes gewünscht werden, wobei der Flöz charakteristischerweise eine horizontale oder geneigte Formationsschicht ist und zwischen Schichten aus Tonschiefer oder anderen Materialien eingelagert ist. In diesem Anwendungs­ fall ist es notwendig, die Bohrung oder das Bohrloch innerhalb des Kohleflözes zu halten, weshalb der Bohrmeister beim Rich­ tungsbohren wissen muß, ob sich das Bohrloch einer Grenzfläche zwischen dem Tonschiefer und der Kohle nähert, so daß die Bohrung wieder zurück in das Kohleflöz gelenkt werden kann.

Eine bekannte Verfahrensweise beim Richtungsbohren innerhalb einer bestimmten Formationsschicht verwendet ein Fühler- und Detektorgerät, welches einen Gammastrahlendetektor enthält. Bedeutsamerweise enthält ein Gammastrahlendetektor, wie er beim Richtungsbohren innerhalb einer bestimmten Formations­ schicht eingesetzt wird, abweichend von anderen bekannten Gammastrahlendetektoren eine Wolframabschirmung oder Bleiab­ schirmung, die einen Teil seines Umfanges abdeckt. Hierdurch wird erreicht, daß die Gammastrahlung aus einer Richtung in voller Stärke aufgenommen wird, während Gammastrahlung aus der gegenüberliegenden Richtung durch die Abschirmung abge­ schwächt und minimal gehalten wird. Das Gerät macht sich die Tatsache zunutze, daß benachbarte Formationsschichten Gamma­ strahlung in unterschiedlichem Maße erzeugen. Durch Drehen des Gammastrahlendetektors um seine Achse kann eine nahe­ liegende Grenzfläche zwischen Formationsschichten detektiert werden. Die Richtung der Grenzfläche wird durch Drehen des Detektors und Messen des Winkels bestimmt, bei welchem die empfangene Strahlung maximal oder minimal ist.

Zwar eignet sich ein derartiges Gerät bzw. ein entsprechendes Verfahren für die zuvor angegebenen Zwecke, doch besteht auf diesem Gebiete der Technik Bedarf an zusätzlichen Mitteln zur Messung der Grenzfläche zwischen benachbarten Formationsschich­ ten während des Richtungsbohrens. Diese zusätzlichen Meßein­ richtungen oder Meßverfahren können sowohl gesondert als auch in Verbindung mit bestehenden Gammastrahlen-Meßeinrichtungen eingesetzt werden. Ein zusätzliches unabhängiges Meßsystem könnte die bestehenden Gammastrahlungs-Meßverfahren wirkungs­ voll unterstützen und die Möglichkeit von Fehlern einschränken.

Durch die Erfindung soll daher die Aufgabe gelöst werden, beim Richtungsbohren die Annäherung einer Grenzfläche zwischen Formationsschichten und die Richtung der Annäherung unabhängig von bereits bestehenden, bekannten Meßverfahren feststellen zu können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. die im An­ spruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.

Im einzelnen ist zur Feststellung von Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Formationsschichten eine Einrichtung zur Messung eines spezifischen Widerstandswertes eines Bohrloches vorgesehen, welche einen Bohrgestängeabschnitt aufweist, der sich entlang einer Längsachse erstreckt und mindestens über ein bestimmtes Längenstück hin mit einer umgebenden Isolations­ schicht versehen ist, in die an bestimmten Stellen im Abstand längs einer achsparallelen Mantellinie auf einer Seite des Bohrgestängeabschnittes mindestens zwei Elektroden eingelassen sind, welche jeweils einen kleinen Flächenbereich der Ober­ fläche des Bohrgestängesegmentes einnehmen.

Ein Gerät der hier angegebenen Art kann mit einem zur Messung während des Bohrbetriebes geeigneten Werkzeug eingesetzt werden, wobei entweder eine Leitungsverbindung oder eine drahtlose Verbindung mit einem an der Oberfläche befindlichen Empfänger aufrechterhalten wird. Eine Einrichtung zur Bestim­ mung des spezifischen Widerstandswertes oder Leitfähigkeits­ wertes kann außerdem allein oder in Verbindung mit bekannten Gammastrahlungsdetektoren eingesetzt werden.

Zur Bestimmung des Vorhandenseins und der Lage einer Grenzfläche zwischen geologischen Formationsschichten während des Vortrei­ bens der Bohrung mittels eines Bohrgestänges kann nach dem hier angegebenen Verfahren in der Weise erfolgen, daß das Vorhanden­ sein einer Grenzfläche zwischen Formationsschichten durch Ana­ lysierung der Messungen der spezifischen Widerstandswerte der Formation ermittelt wird, wobei ein fokussierter oder gerichtet messender Fühler zur Bestimmung des spezifischen Formations­ widerstandes eingesetzt wird. Die Lage der Grenzfläche zwischen den Formationsschichten relativ zum Bohrgestänge wird dann durch Analysieren der Messungen bestimmt, die von dem gerichtet oder fokussiert messenden Fühler zur Bestimmung des spezifischen Widerstandes der Formation aufgenommen werden.

Beim Bohren längs einer bestimmten Formationsschicht, welche horizontal oder geneigt sein kann, liefert also die hier ange­ gebene Einrichtung bzw. das hier angegebene Verfahren dem Bohrmeister die Information, ob sich die Bohrerspitze einer Grenzfläche zwischen Formationsschichten nähert und in welcher Richtung die betreffende Grenzfläche liegt. Aufgrund dieser Informationen kann der Bohrmeister geeignete Maßnahmen ergrei­ fen, um die Richtung des Bohrloches erforderlichenfalls zu ändern, um den vorbestimmten gewünschten Weg des Bohrloches einzuhalten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 gekennzeichnet. Einzelheiten werden nachfol­ gend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den Zeichnungen, in denen einander entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen tragen, stellen dar:

Fig. 1A eine teilweise im Schnitt gezeichnete Frontansicht eines Teiles einer Einrich­ tung zur Bestimmung eines spezifischen Widerstandswertes einer Formationsschicht nach dem Stande der Technik,

Fig. 1B einen Querschnitt entsprechend der in Fig. 1A angegebenen Schnittlinie 1B-1B,

Fig. 2A eine teilweise im Schnitt gezeichnete Frontansicht einer gerichtet messenden Einrichtung zur Bestimmung eines spezifi­ schen Widerstandswertes einer Formations­ schicht gemäß dem hier angegebenen Prinzip,

Fig. 2B einen Querschnitt entsprechend der in Fig. 2A angedeuteten Schnittlinie 2B-2B,

Fig. 3A eine schematische Darstellung der Strompfade in einer Formationsschicht beim Betrieb einer einen spezifischen Widerstandswert der For­ mationsschicht messenden Einrichtung nach dem Stande der Technik,

Fig. 3B eine Aufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 3A entsprechend der in Fig. 3A ange­ deuteten Blickrichtung von der Linie 3B-3B aus gesehen,

Fig. 4A eine schematische Darstellung der Strompfade bei einer gerichtet oder fokussiert messenden Einrichtung zur Bestimmung eines spezifischen Widerstandswertes der hier angegebenen Kon­ struktion,

Fig. 4B eine Aufsicht auf die Anordnung nach Fig. 4A entsprechend der in dieser Figur angedeuteten Blickrichtung von der Linie 4B-4B,

Fig. 5A ein Diagramm einer Aufzeichnung beim Rotarybohren, in dem der spezifische Widerstandswert in Abhängigkeit von der Bohrtiefe aufgetragen ist,

Fig. 5B ein Diagramm, in dem ein spezifischer Widerstandswert über dem Winkel der Orientierung der Empfangsrichtung der Einrichtung aufgetragen ist,

Fig. 6 eine teilweise im Schnitt gezeichnete Frontansicht einer gerichtet messenden Gammameßeinrichtung und einer gerichtet messenden Meßeinrichtung zur Bestimmung eines spezifischen Widerstandswertes der vorliegend angegebenen Art, wobei die Meßsysteme in Verbindung mit einem Bohr­ schlamm-Puls-Telemetriesystem arbeiten,

Fig. 7 einen Querschnitt entsprechend der in Fig. 6 angegebenen Schnittlinie 7-7,

Fig. 8 eine Seitenansicht einer anderen Aus­ führungsform einer Meßeinrichtung der hier angegebenen Art und

Fig. 9 einen Querschnitt entsprechend der in Fig. 8 angedeuteten Schnittebene 9-9.

Es existiert bereits eine Anzahl bewährter und allgemein be­ kannter Einrichtungen zur Messung der elektrischen Leitfähig­ keit oder des spezifischen elektrischen Widerstandes von Formationen oder Formationsschichten in Bohrlöchern. Verschie­ dene dieser bekannten Einrichtungen zur Messung des spezifi­ schen Widerstandes in Formationsschichten sind so ausgebildet, daß sie zur Messung oder Aufzeichnung während des Bohrbetriebes geeignet sind. Es sei hier bemerkt, daß die vorliegend angege­ bene Einrichtung bzw. das hier vorgeschlagene Verfahren eine gewisse Ähnlichkeit mit bekannten Einrichtungen bzw. Verfahren zur Messung eines spezifischen Widerstandswertes haben, daß jedoch bedeutsame Maßnahmen zur Erfüllung des Zweckes ergriffen sind, um ein Bohrloch längs einer bestimmten Formationsschicht führen zu können, insbesondere längs einer Formationsschicht, welche horizontal oder geneigt verläuft und die nicht vertikal orientiert ist.

Es sei zunächst auf die Fig. 1A und 1B Bezug genommen, in denen ein Teil einer Einrichtung zur Bestimmung eines spezifi­ schen Widerstandswertes einer Formationsschicht in herkömmlicher Bauweise gezeigt und allgemein mit 10 bezeichnet ist. Fig. 1 zeigt also eine zur Messung während des Bohrbetriebes geeignete Version eines Fühlers oder Detektors zur kurzen vertikalen Widerstandsmessung, wie er bei herkömmlichen Meßaufzeichnungen während des Bohrbetriebes eingesetzt wird. Die Einrichtung 10 befindet sich in einem Bohrloch 12, das sich durch verschiedene Formationsschichten 14, 15, 16 und 17 und dazwischenliegende Grenzflächen erstreckt. Die Einrichtung nach Figur 1A und B ist gut geeignet für Messungen beim Bohren durch die Formations­ schicht 14 bis 17 hindurch. Die schematische Querschnittsdar­ stellung von Figur 1B der Einrichtung 10 zeigt, daß diese eine Anzahl symmetrischer Elektrodenringe 18 A und 18 B aufweist, die in einen Isoliermantel 20 eingelassen sind. Der Isoliermantel 20 befindet sich auf einer Gestängerohrhülse 22, die einen Kanal 24 und ein Instrumentengehäuse 26 umgibt. Es sei angemerkt, daß der Bohrschlamm durch den Kanal 24 strömt, um von der Oberfläche aus zur Bohrerspitze am Grunde des Bohrloches zu gelangen.

In den Fig. 2A und 2B ist eine Einrichtung zur gerichteten Messung eines spezifischen Widerstandswertes eines Bohrloches der hier angegebenen Konstruktion gezeigt und allgemein mit 28 bezeichnet. Die in eine Richtung empfindliche oder fokussiert messende Einrichtung 28 zur Bestimmung eines spezifischen Widerstandswertes ist ähnlich aufgebaut wie die bekannte Ein­ richtung 10 nach den Fig. 1A und 1B, jedoch mit der Ausnahme, daß anstelle der Elektrodenanordnung 18 ringförmiger Elektroden 18 A und 18 B die Elektroden 30 A und 30 B der vorliegend angege­ benen Einrichtung nur einen kleinen Flächenbereich einnehmen und nur auf einer Seite der Einrichtung angeordnet sind. Man erkennt, daß der übrige Aufbau der Einrichtung 28 nach den Fig. 2A und 2B ähnlich dem Aufbau der Einrichtung 10 nach den Fig. 1A und 1B ist, weshalb auch jeweils gleiche Bezugs­ zahlen vorgesehen sind, jedoch mit einem zusätzlichen kenn­ zeichnenden Strich. Während also die Einrichtung 10 in einem Bohrloch vertikal durch die Formationsschichten reicht, befin­ det sich die Einrichtung 28 nach der Fig. 2A in einer einzigen Formationsschicht zwischen den Grenzflächen zu den benachbarten Formationsschichten. In dem vorliegenden Beispiel sei zur Er­ leichterung der Erklärung ohne beschränkende Bedeutung ange­ nommen, daß die gerichtet empfindliche Einrichtung 28 zur Bestimmung eines spezifischen Widerstandswertes gemäß Fig. 2A in einem Bohrloch 12′ angeordnet ist, das in einem Kohleflöz 32 verläuft, das zwischen zwei Tonschieferschichten 34 und 36 eingelagert ist. Eine Grenzfläche 38 liegt also zwischen der Tonschieferschicht 34 und dem Kohleflöz 32 und eine Grenzfläche 40 befindet sich zwischen der Tonschieferschicht 36 und dem Kohleflöz 32.

Aus der Betrachtung der Fig. 1 bis 4 ergibt sich, daß sowohl bei der bekannten Einrichtung 10 zur Bestimmung eines spezifi­ schen Formationswiderstandswertes und bei der vorliegend ange­ gebenen Einrichtung 28 zur gerichteten Bestimmung eines spezi­ fischen Formationswiderstandswertes der grundsätzliche Gang zur Ermittlung dieses Widerstandswertes gleich ist. Das bedeutet, daß die Elektroden der Einrichtung auf der Außenseite des Gehäuses der Einrichtung angeordnet sind und gegenüber dem Gehäuse sowie gegeneinander isoliert sind. Die erste Elektrode überträgt einen elektrischen Strom (entweder Gleichstrom oder niederfrequenter Wechselstrom) in die Bohrflüssigkeit, welche elektrisch leitfähig sein muß, sowie in die umgebenden Forma­ tionsschichten. Dieser Strom kehrt zu dem metallischen, nicht isolierten Gehäuse der Einrichtung zurück. Die zweite Elektrode dient zur Messung des elektrischen Potentials in ihrer Umgebung. Dieses Potential ist ein Maß für den Stromfluß in der Formation, welcher wiederum durch den spezifischen Widerstand der Formation bestimmt ist.

Bei herkömmlichen Einrichtungen zur Aufzeichnung des spezifi­ schen Widerstandswertes während des Bohrbetriebes gemäß den Fig. 1A und 1B haben die Elektroden 18 A und 18 B die Gestalt von kreisförmigen Bändern oder Ringen, welche den Umfang der Einrichtung 10 umgeben. Wie aus den Fig. 3A und 3B zu er­ kennen ist, führt diese Anordnung von Elektroden zu einem Bild der Strompfade, welches zu der mit O bezeichneten Achse der Einrichtung symmetrisch ist und die Empfindlichkeit der gezeig­ ten Meßeinrichtung ist axial symmetrisch. Bedeutsamerweise gilt die Axialsymmetrie der Empfindlichkeit sowohl bei Umlauf der Einrichtung um ihre Achse sowie auch bei Stillstand der Ein­ richtung während der Durchführung der Messungen.

Im Gegensatz hierzu haben die Elektroden 30 A und 30 B der vor­ liegend angegebenen Einrichtung die Gestalt kleiner Flächen­ stücke, die auf einer Linie liegen, die parallel zur Achse der Einrichtung verläuft, wobei diese kleinen Elektroden anstelle der beiden konzentrischen oder ringförmigen Elektroden der bekannten Einrichtung vorgesehen sind. Hierdurch wird erreicht, daß die Elektrodenanordnung ein in bestimmter Weise asymme­ trisches Bild der Strompfade erzeugt, wie aus den Fig. 4A und 4B hervorgeht. In entsprechender Weise ist die Empfindlich­ keit der Meßeinrichtung auch asymmetrisch. Wie bereits ange­ deutet sind die Prinzipien der Erzeugung des Stromes und der Potentialmessung dieselben wie bei der bekannten Einrichtung. Einzelheien bedürfen keiner näheren Beschreibung und sind dem Fachmann bezüglich der Stromerzeugung und der Potential­ messung etwa aus der US-Patentschrift 45 70 123 bekannt.

Die in eine Richtung orientierte oder asymmetrische Empfind­ lichkeit des gerichteten oder fokussierten Gerätes der vorlie­ gend angegebenen Art ist besonders gut geeignet zur Verwendung beim Richtungsbohren, bei dem bestimmte Informationen zur Führung einer Bohrung längs einer bestimmten Formationsschicht benötigt werden. Ein Verfahren zum Betrieb der Einrichtung der hier angegebenen Art sieht ein Drehen der Einrichtung um ihre Achse während des Bohrens vor, wie in Fig. 2A durch die Pfeile 39 (Vortrieb) und 41 (Drehung) deutlich gemacht ist. Man erkennt, daß das Drehen während des Bohrbetriebes der normale Vorgang beim Rotarybohren ist. Beim Drehen während des Vor­ triebs werden Messungen des Widerstandes der Formation über eine Zeitdauer gesammelt, welche größer ist als die Dauer einer Werkzeugumdrehung. Eine graphische Aufzeichnung wird während des Bohrens angefertigt. Wenn das Bohrloch durch eine homogene Formationsschicht ausreichender Stärke oder Mächtigkeit geführt wird und die Meßwerte über mehr als eine Umdrehung integriert werden, so bleiben die Ablesungen konstant. Dieser Zustand ist in Fig. 5A gezeigt, wobei die Aufzeichnung während des Rotary­ bohrens den Verlauf des spezifischen Widerstandswertes in Ab­ hängigkeit vom Vortrieb wiedergibt. Man erkennt, daß konstante Meßwerte für eine homogene Formationsschicht charakteristisch sind, wie in dem Bereich A angezeigt. Wenn sich aber das Bohr­ loch einer Grenzschicht zu einer anderen Formationsschicht nähert, so beginnen die Meßwerte von dem zuvor aufgenommenen, konstanten Wert abzuweichen. Diese Abweichung ist in Fig. 5A in Gestalt eines Größerwerdens der Meßwerte eingezeichnet. Eine derartige Abweichung zeigt dem Bohrmeister an, daß sich das Bohrloch einer Grenzfläche der Formationsschicht, nämlich der Grenzfläche 38 oder der Grenzfläche 40 von Fig. 2A, nähert.

Zwar weiß der Bohrmeister nun, daß sich das Bohrloch einer Grenzfläche zwischen den Formationsschichten nähert, doch ist zusätzlich die Information erforderlich, in welcher Richtung die betreffende Grenzfläche relativ zum Bohrwerkzeug im Bohr­ loch liegt. D. h., die Richtung der Annäherung muß festgestellt werden. Um diese Information zu erhalten, wird die Einrichtung 28 in dem Bohrloch stillstehend gehalten, während eine Messung des spezifischen Widerstandswertes durchgeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Richtung durch einen Richtungsgeber fest­ gestellt, welcher mit der Einrichtung zur Bestimmung des spezi­ fischen Widerstandswertes verbunden ist. Diese Messungen werden dann zur Oberfläche durch die Einrichtungen zur Messung während des Bohrbetriebes übertragen und vorzugsweise graphisch durch einen an der Oberfläche befindlichen Empfänger dargestellt. Die Information liefert dann die Richtung, in welcher die Empfind­ lichkeitsachse der Einrichtung zur Messung des spezifischen Widerstandswertes geneigt oder orientiert ist. Hierauf wird die Einrichtung in eine neue Position gebracht, indem sie um ihre Achse verdreht wird, was in einfacher Weise von der Oberfläche aus durch Drehen des Bohrgestänges als Ganzes geschehen kann. Ein neuer Satz von Meßwerten wird dann unter dieser neuen Orientierung gewonnen und der Vorgang wird mehrere Male bei jeweils neuen Winkeleinstellungen wiederholt. Hierauf werden die Messungen analysiert, um die Richtung zu bestimmen, bei der das Maximum und das Minimum der Meßwerte des spezifischen Widerstandes liegt (. . ., daß das Maximum und das Minimum der Meß­ werte des spezifischen Widerstandes die gesuchte Richtung der Grenzschicht zwischen den Formationsschichten anzeigen). Eine praktische Methode zur Auswertung der Daten besteht in der graphischen Aufzeichnung. Wie etwa in Fig. 5B dargestellt, sind die Meßwerte des spezifischen Widerstandes über den jeweiligen Werten der Orientierung der Empfindlichkeit der Meßeinrichtung aufgetragen. Da die Kurvenform (beispielsweise eine Sinuswelle) aus vorherigen Eichbetrieben der Einrichtung bekannt ist, sind nur einige wenige Meßpunkte (etwa 90°, 180°, 270° und 360°) erforderlich, um die vollständige Kurve aufzunehmen und den gesuchten Winkel zu ermitteln, welcher die Richtung der Grenz­ fläche zwischen den Formationsschichten angibt. Die graphische Darstellung kann manuell aufgenommen werden oder kann auch zweckmäßigerweise durch ein Computerprogramm zur Kurvenauf­ zeichnung erhalten werden. Bei dem in Fig. 5B verwendeten Beispiel befindet sich eine Grenzfläche zu einer Formations­ schicht höheren Widerstandes im Bereich einer Orientierung der Blickrichtung oder der Empfindlichkeit der Einrichtung im Winkel von 180°, d. h., nach aufwärts. Um somit durch diese Grenzschicht nicht hindurchzubohren muß die Bohrung in ihrer Richtung geändert werden, so daß der Vortrieb stärker nach abwärts verläuft. Wenn das Ansprechen der Widerstandsmeßein­ richtung auf die jeweils zu erwartenden Formationsschichten bekannt ist, etwa bei Kohle-/Tonschieferformationsschichten, so kann der Unterschied zwischen dem größten und dem kleinsten Wert des spezifischen Widerstandes dazu verwendet werden, daß ausgerechnet wird, wie weit entfernt die Grenzfläche von dem Meßpunkt im Bohrloch ist. Hiernach kann die Stärke der Winkel­ änderung bestimmt werden, die zur Korrektur des Verlaufs der Bohrung notwendig ist.

Die hier angegebene Einrichtung zur gerichteten Bestimmung eines spezifischen Widerstandswertes kann alleine zusammen mit einer Einrichtung zur Messung während des Bohrbetriebes verwendet werden oder kann in Verbindung mit bekannten, gerichtet messen­ den Gammastrahlungsdetektoren eingesetzt werden. In Fig. 6 ist eine Einrichtung zur Messung und Aufzeichnung eines spezi­ fischen Widerstandswertes während des Bohrbetriebes schematisch gezeigt. Diese Einrichtung enthält ein fokussiertes oder ge­ richtet empfindliches Meßsystem zur Widerstandswertbestimmung und ein gerichtet oder fokussiert empfindliches Gammastrahlen­ meßsystem ähnlich einem während des Bohrbetriebes verwendbaren Meßsystem, wie es von der Firma Teleco Oilfields Services Inc. gegenwärtig auf den Markt gebracht wird. Die Einrichtung nach Fig. 6 hat die Form einer Bohrgestängehülse mit einem oberen Gestängeabschnitt 46 aus Stahl und einem unteren, nicht magne­ tischen Teil 48, wobei die Abschnitte 46 und 48 zusammenge­ schraubt und in geeigneter Weise elektrisch miteinander ver­ bunden sind.

Wie bereits erwähnt, ist die gerichtet empfindliche Einrichtung nach Fig. 6 mit einem Widerstandsmeßsystem und einem Gamma­ strahlenmeßsystem aus zwei Abschnitten 46 und 48 zusammenge­ setzt. Der obere Abschnitt des Gehäuses ist ein im Handel er­ hältlicher Richtungsmeßfühler 50 der Firma Teleco Oilfield Services Inc. mit einer Turbinen-/Generatoreinheit 52, einem Sender 54 und einem Mikroprozessor und elektronischen Schal­ tungsteilen 56. Der nahe dem unteren Bohrlochende befindliche Mikroprozessor 56 verarbeitet die Aufzeichnungsdaten und steuert die Übertragungsfolge, nämlich die kontinuierliche Auf­ nahme der Gammastrahlungsmeßwerte und der Meßwerte bezüglich des spezifischen Widerstandes in der Formation während des Umlaufs und die Aufnahme der Richtungsdaten während des Still­ standes des Bohrgestänges. Der Sender 54 ist ein Bohrschlamm- Impulssender, wie er in den US-Patentschriften 39 82 431, 40 13 945 und 40 21 774 beschrieben ist.

Eine Hilfsmeßeinrichtung ist in dem unteren Abschnitt 48 unter­ gebracht. Im Zentrum der Einheit befindet sich ein einen Szin­ tillationskristall enthaltender Gammastrahlungsdetektor 58 und eine Elektronikeinheit 60. Eine Gammastrahlungsabschirmung 62, welche im allgemeinen aus Wolfram oder Blei besteht, bedeckt einen Teil des Umfanges des unteren Hülsenabschnittes 48. Auf diese Weise wird die Gammastrahlung aus einer Richtung in voller Stärke empfangen, während die Gammastrahlung aus der anderen Richtung aufgrund der Abschirmwirkung der Abschirmung 62 mini­ mal ist. Die Oberfläche der Hülse besitzt einen isolierten Bereich 64 mit zwei in eine Richtung orientierten oder fokus­ sierten Elektroden 66 und 68, welche zur Durchführung der Messung des spezifischen Widerstandes verwendet werden. Die Elektroden 66 und 68 sind längs einer Mantellinie des unteren Gestängeabschnittes 48 angeordnet und nehmen jeweils nur einen kleinen Oberflächenbereich ein. Die Elektroden 66 und 68 sind auf eine zur Achse der Einrichtung parallele Linie zen­ triert und können eine jeweils gewünschte Gestalt besitzen, wenngleich sie nicht auf solche Formen beschränkt sind. Bei­ spielsweise können diamantförmige, kreisförmige, rechteckige, dreieckige und dergleichen Elektroden vorgesehen sein. Die elektrische Verbindung zwischen den zur Widerstandsmessung dienenden Elektroden und der elektronischen Schaltungseinheit 60 kann in an sich bekannter Weise erfolgen. Die Geometrie ist so gewählt, daß die Meßpunkte für die gerichtete Gammastrah­ lungsmessung und für die Messung des spezifischen Widerstandes auf gleicher Tiefe liegen. Dies erleichtert die Analyse und Interpretation der Meßergebnisse und gestattet es, beide Messungen in einer interessierenden Zone gleichzeitig durch­ führen zu können.

Die in Fig. 6 gezeigte Einrichtung zur Gammastrahlungsmessung und zur Messung des spezifischen Formationswiderstandes hat viele Eigenschaften und Vorteile gegenüber entsprechenden be­ kannten Einrichtungen beim Richtungsbohren in einer bestimmten Formationsschicht ohne Abweichung in benachbarte Informations­ schichten. Wie oben bereits erwähnt wurde enthalten bekannte Einrichtungen nur Detektoren zum gerichteten Empfang von Gammastrahlung. Derartige Einrichtungen machen sich die Tat­ sache zunutze, daß benachbarte Formationsschichten Gammastrah­ lung in unterschiedlichem Maße erzeugen. Wird also eine ent­ sprechende Meßeinrichtung um ihre Achse gedreht, so kann das Vorhandensein einer nahegelegenen Grenzfläche zwischen Forma­ tionsschichten festgestellt werden. Die Richtung der Lage der Grenzfläche wird dadurch bestimmt, daß die Meßeinrichtung gedreht wird und der Winkel gemessen wird, bei welchem das Maximum oder das Minimum der Strahlung empfangen wird. Zwar ist ein entsprechendes Meßverfahren in vielen Fällen zweckent­ sprechend, doch kann eine gerichtete Gammastrahlenmeßeinrich­ tung gemäß Fig. 6 aufgrund eines Zusammenbruchs des Systems fehlerhaft werden oder kann ungenaue Meßdaten liefern, wenn weitere radioaktive Strahlungsquellen vorhanden sind.

Eine gerichtete Meßeinrichtung zur Bestimmung eines spezifi­ schen Widerstandswertes der Formation entsprechend dem hier angegebenen Prinzip ermöglicht in anderer Weise die Feststel­ lung des Vorhandenseins und der Richtung der Lage von Grenz­ flächen zwischen benachbarten Formationsschichten, wobei die Effektivität dieses Meßsystems mindestens derjenigen der Meß­ einrichtungen zur gerichteten Bestimmung der Gammastrahlung entspricht. Eine kombinierte Messung während des Bohrbetriebes mit einer Einrichtung, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, wobei sowohl eine gerichtete Gammastrahlenmessung als auch eine ge­ richtete Messung eines spezifischen Widerstandswertes vorge­ nommen wird, verwirklicht ein alternatives und/oder komple­ mentäres System in ein und derselben Einrichtung. Demgemäß können unabhängige Meßwerte zur gegenseitigen Überprüfung ver­ wendet werden, wobei das Ergebnis eine höhere Zuverlässigkeit ohne Zeitverlust und bessere Bohrergebnisse sind.

Wie im Zusammenhang mit den Fig. 5A und 5B ausgeführt wurde, muß die Einrichtung um ihre Achse gedreht werden, um die Rich­ tung der Grenzfläche zwischen den Formationsschichten zu be­ stimmen, an welche eine Annäherung erfolgt. Bei bestimmten Bohrverfahren, insbesondere denjenigen, bei denen ein Bohr­ schlammmotor oder Bohrflüssigkeitsmotor Anwendung findet, ist jedoch eine Drehung des Bohrgestänges für die Messung uner­ wünscht oder nicht möglich.

Es sei nun auf die Fig. 8 und 9 Bezug genommen. In diesen Zeichnungen ist eine andere Ausführungsform der hier angege­ benen Einrichtung bzw. des entsprechenden Verfahrens gezeigt. Die Einrichtung ist mit 70 bezeichnet und enthält ein gerich­ tet spezifische Widerstandswerte messendes System mit einer Mehrzahl unabhängiger kleiner Elektrodenpaare, welche um den Umfang der Einrichtung verteilt sind, wobei jedes Elektroden­ paar auf einer Seite des Gehäuses angeordnet ist und auf eine Mantellinie parallel zur Längsachse des Gehäuses gelegen ist. Die gerichtet messende, spezifische Widerstandswerte der For­ mation liefernde Einrichtung 70 ist ähnlich aufgebaut wie die entsprechenden Einrichtungen nach den Fig. 2 und 6, jedoch mit dem Unterschied, daß zusätzliche Elektrodenpaare jeweils umfangsmäßig gleichmäßig verteilt vorgesehen sind. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 sind sechs unab­ hängige Paare von Elektroden 72, 74, 76, 78 und 82 jeweils unter einem Winkel von 60° relativ zueinander am Umfang des Gehäuses der Einrichtung verteilt. Jedes unabhängige Elektrodenpaar wird dann separat betätigt und ein kontinuierlicher Verlauf der Meßwerte für eine Formationsschicht wird in Relation zur Aus­ richtung der Einrichtung ermittelt, ohne daß die Einrichtung gedreht zu werden braucht. Jedes unabhängige Paar von Elektroden wird elektrisch gesondert von den anderen Paaren von Elektroden unter Steuerung durch die Elektronik der Einrichtung beauf­ schlagt. Die Ausführungsform nach den Fig. 8 und 9 hat dem­ gemäß den Vorteil, daß die Richtung, in welcher eine Trenn­ fläche zwischen den Formationsschichten liegt, ermittelt werden kann, ohne daß die Einrichtung oder das Bohrgestänge gedreht zu werden braucht. Das System kann daher in Verbindung mit einem Bohrschlammotor eingesetzt werden, wobei eine konti­ nuierliche Kurve der Meßwerte des spezifischen Widerstandes der Formation ermittelt werden kann.

Eine weitere Verbesserung kann beim Rotarybohren unter Ver­ wendung entweder einer Mehrzahl von Elektrodenpaaren oder eines einzigen Elektrodenpaars bei einer Meßeinrichtung der hier vor­ geschlagenen Art dadurch erzielt werden, daß Messungen des spezifischen Widerstandes und Richtungsmessungen kontinuierlich durchgeführt werden, während das Bohrgestänge umläuft und Dis­ kontinuitäten der Formationen relativ zur Richtung des Bohrwerk­ zeuges überprüft werden, wobei ein Mikroprozessor nahe dem Grunde des Bohrloches innerhalb des Werkzeugs vorgesehen ist und nur die Vektorrichtung der Diskontinuität der Formationen zur Oberfläche gemeldet wird. Dies wird bei einer Ausführungs­ form mit einer Mehrzahl von Elektrodenpaaren gemäß der Aus­ führungsform nach den Fig. 8 und 9 dadurch erreicht, daß Meßwerte von allen Elektrodenpaaren gleichzeitig eingesammelt werden oder daß bei der Ausführungsform mit einem einzigen Elektrodenpaar (s. Fig. 6) eine Vielzahl von Meßpunkten während einer Umdrehung des Bohrgestänges unter Steuerung durch einen Azimut-Drehmelder eingesammelt wird. Der Mikro­ prozessor errechnet dann den Vektor unter Verwendung eines Kurvenannäherungs-Unterprogramms und eines Maximum-/Minimum- Unterprogramms (. . ., an dem die erste Ableitung einen Nulldurch­ gang hat, ermittelt wird.).

Claims (6)

1. Einrichtung zur Messung eines spezifischen Widerstandswer­ tes (Scheinwiderstandswertes) eines Bohrloches (12), mit einem Bohrgestängeabschnitt, welcher sich entlang einer Längsachse erstreckt und mindestens über ein bestimmtes Längenstück hin mit einer umgebenden Isolation (20; 20′) versehen ist, gekenn­ zeichnet durch mindestens zwei Elektroden (30 a, 30 b), die an jeweils vorbestimmten Stellen auf einer Seite des Bohrgestänge­ abschnittes längs einer zur Achse parallelen Mantellinie ange­ ordnet sind, in die Isolationsschicht (20′) eingelassen sind und einen kleinen Oberflächenteil des Bohrgestängeabschnittes einnehmen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl unabhängiger Elektrodenpaare (72 a, 72 b, 74 a, 74 b, 76 a, 76 b) vorgesehen ist, wobei die Elektrodenpaare gleichför­ mig am Umfang des Bohrgestängeabschnittes verteilt angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Gammastrahlenmeßeinrichtung (50), welche in dem Bohrge­ stängeabschnitt angeordnet ist und eine Abschirmung (62) auf­ weist, die am vorbestimmten Ort in oder nahe der umgebenden Isolation innerhalb des Bohrgestängeabschnittes angeordnet und auf die Gammastrahlenmeßeinrichtung umfangsmäßig ausge­ richtet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (62) Blei oder Wolfram enthält.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Bestimmung der Richtung einer benachbarten Grenzfläche zwischen Formationsschichten, bei­ spielsweise durch Bestimmung des drehwinkelabhängigen Verlaufes der Meßwerte des gerichtet gemessenen spezifischen Widerstandes im Bohrloch, während der Drehung des Bohrgestänges um seine Längsachse vorgesehen sind.

6. Verfahren zur Bestimmung der Gegenwart und der Lage einer Grenzfläche zwischen Formationsschichten in einem geologischen Vielschichtenverband während des Vortreibens eines Bohrloches mittels einem Bohrgestänges insbesondere unter Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Bestimmung des Vorhandenseins einer solchen Grenzfläche durch Analysieren der Meßwerte von gerichtet durchgeführten Messungen spezifischer Widerstandswerte der Formation ver­ mittels einer bzw. der Meßeinrichtung und durch Ermittlung der Lage der Grenzfläche relativ zu dem Bohrgestänge durch Analysieren der aufeinanderfolgend während einer mindestens eine Umdrehung des Bohrgestänges umfassenden Dauer aufgenomme­ nen Meßwerte des gerichtet gemessenen spezifischen Widerstandes.