DE3877516T2

DE3877516T2 - Geraet und verfahren zur bohrlochmessung.

Info

Publication number: DE3877516T2
Application number: DE8888402703T
Authority: DE
Inventors: Brian Clark; Jacques Jundt; Martin Luling; Michael Ross
Original assignee: Schlumberger Ltd USA
Current assignee: Schlumberger Ltd USA
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1988-10-27
Publication date: 1993-07-29
Anticipated expiration: 2008-10-28
Also published as: EP0314573A2; BR8804696A; NO884589L; NO175499B; EG18566A; EP0314573A3; NO175499C; NO884589D0; DE3877516T3; CN1017916B; EP0314573B2; CN1033673A; MX169687B; US4899112A; CA1275442C; IN172094B; DE3877516D1; EP0314573B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Bohrlochuntersuchungen, und insbesondere auf Bohrloch-Logtechniken und eine Lagvorrichtung für die Bestimmung des Formatianswiderstandes bei unterschiedlichen radialen Untersuchungstiefen und mit größerer Genauigkeit als vorbekannte Techniken für die Bestimmung des Vorhandenseins der Lokalisierung und der Eigenschaften von Schichten und Hohlräumen und für die Bestimmung von Anderungen in der Größe eines Erdbohrloches. Die Erfindung findet generell Anwendung in der Bohrloch-Logtechnik, ist jedoch besonders brauchbar beim Messen während des Abteufens.
Eine gewöhnlich verwandte Technik für die Untersuchung von ein Erdbohrloch umgebenden Formationen ist das Widerstandsloggen. Poröse Formationen mit hohem Widerstand initiieren generell das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen, während poröse Formationen mit niedrigem Widerstand generell wassergesättigt sind. In dem Bereich unmittelbar um das Bohrloch herum kann jedoch Bohrlochfluid oder Bohrspülungsfiltrat eingewandert sein, und diese Bereiche können einen gegenüber der Ursprungsformation abweichenden Widerstand zeigen. Wenn eine Widerstandslogvorrichtung nur eine radiale Untersuchungstiefe aufweist, besteht eine begrenzte Fähigkeit zur Messung des Widerstandes aller interessierenden Zonen und es können Schwierigkeiten auftreten bei der Bestimmung, ob der gemessene Widerstand die Zone mit Einwanderungen repräsentiert, die jungfräuliche Zone oder irgendeine Kombination der beiden Zonen. Wenn jedoch die Widerstandslogvorrichtung mindestens zwei radiale Untersuchungstiefen hat, besteht viel größere Flexibilität. Zusätzlich zu dem Vorteil, über beispielsweise eine flache Messung und eine tiefe Messung individuell verfügen zu können, liefert die Kombination der beiden zusätzliche Information bezüglich bespielsweise des Ausmaßes von Einwanderungen. Es ist auch möglich, die flache Ablesung zum Korrigieren der tieferen Ablesung zu verwenden und dadurch eine bessere Abschätzung des wahren Formationswiderstandes zu gewinnen.
Deshalb sind kabellose Widerstandslogsonden üblicherweise mit zwei oder mehr radialen Untersuchungstiefen versehen. Übliche kabellose Widerstandslogvorrichtungen erreichen zwei Untersuchungstiefen durch Verwendung eines kurzen und eines langen, vertikalen Feldes von Elektroden oder Spulen. Im allgemeinen liefert ein langes, vertikales Feld eine größere radiale Untersuchungstiefe als ein kurzes, vertikales Feld.
Ein Typ der hier interessierenden Bohrlochuntersuchung ist das sogenannte elektromagnetische Ausbreitungsloggen, das verwendet werden kann zum Messen des Widerstandes der ein Bohrloch umgebenden Formation. Beispielsweise beschreibt U.S. Patent Nr. 3,551,797 eine Technik, bei der elektromagnetische Energie in die Formation ausgesandt wird, und zurücklaufende Energie in das Bohrloch wird an einem Empfängerpaar gemessen zum Bestimmen der Dämpfung und/oder der Phasenverschiebung der sich in der Formation ausbreitenden elektromagnetischen Energie. (Bei diesem Typ von Vorrichtung wird ein Empfängerpaar generell in der sogenannten "Differential-Empfängeranordnung" verwandt, um die genaue Messung der Dämpfung und/oder Phasenverschiebung der Formation zu vereinfachen). Dieses Patent lehrt, daß durch Verwendung von mehr als einem vertikalen Abstand zwischen einem Sender und unterschiedlichen Empfängerpaaren verschiedene radiale Untersuchungstiefen erreicht werden können. Beispielsweise kann ein relativ nahes (bezüglich des Senders) Empfängerpaar verwendet werden, um Dämpfung und/oder Phaseninformation zu erhalten, aus der die Eigenschaften der Einwanderungen aufweisenden Zone bestimmt werden und Messungen der Dämpfung und/oder Phase von einem relativ entfernten (bezüglich des Senders) Paar von Empfängern kann verwendet werden zum Gewinnen der Eigenschaften der tieferen, jungfräulichen Formationen. In diesem U.S. Patent Nr. 3,551,797 befaßt man sich hauptsächlich mit der Gewinnung der Leitfähigkeit. Entweder die Dämpfung oder die Phasenverschiebung können dabei verwendet werden, um die Hauttiefe für die Formation zu bestimmen, wobei die Leitfähigkeit dann bestimmbar ist aus der Hauttiefe. Unterhalb eines bestimmten Frequenzbereichs kann die Hauttiefe der elektromagnetischen Energie berechnet werden unter Verwendung entweder der Dämpfung oder der Phaseninformation, da Verdrängungsströme minimalen Einfluß haben.
Verschiedene andere Techniken existieren auf diesem Gebiet für die Anwendung von Extraempfängern zum Untersuchen des Widerstandes bei unterschiedlichen Untersuchungstiefen. Beispielsweise werden in U.S. Patent Nrn. 4,451,789 und 4,107,597 drei Empfängerspulen verwendet zum Gewinnen unterschiedlicher radialer Untersuchungstiefen.
Eine hier als Hintergrund ebenfalls interessierende Technik ist in U.S. Patent Nr. 4,209,747 offenbart, das ein elektromagnetisches Verfahren und eine Vorrichtung beschreibt für die Bestimmung der dielektrischen Konstanten und/oder der Leitfähigkeit von Formationen. Dieses Patent beobachtet, daß dann, wenn elektromagnetische Energie von einer ersten Stelle in ein Bohrloch emittiert wird, das Volumen und die Form der Formationen, welche eine Messung der Wellenenergiedämpfung beeinflussen, wie sie an der zweiten Stelle gemessen wird, unterschiedlich ist als das Volumen und die Form der Formationen, die eine Messung der relativen Phase der elektromagnetischen Energie beeinflussen, welche an der zweiten Stelle empfangen wird. Insbesondere ist die Dämpfungsmessung eine tiefere Messung als die Phasenverschiebungsmessung. Auf dieses Prinzip wird Bezug genommen und es wird ausgenutzt in einer Form der vorliegenden Erfindung. Das 747er Patent beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei der Mittel vorgesehen sind für die Erzeugung elektromagnetischer Energie an einer ersten Stelle in dem Bohrloch. Weitere Mittel sind vorgesehen für die Erfassung der Dämpfung an einer zweiten Stelle in dem Bohrloch und weitere Mittel sind vorgesehen für die Messung der Phasenverschiebung an einer dritten Stelle in dem Bohrloch. Diese dritte Stelle befindet sich weiter weg von dem Sender als die zweite Stelle. Die Dämpfung und Phasenverschiebung werden an jeder Stelle durch Differentialempfängerpaare gemessen, so daß vier Empfänger verwandt werden. Die Dämpfung, gemessen an der zweiten Stelle, und die Phasenverschiebung, gemessen an der dritten Stelle, haben im wesentlichen die gleiche Untersuchungstiefe. Deshalb werden diese beiden Größen verwendet zum Bestimmen der Dielektrizitätskonstanten und/oder der Leitfähigkeit für denselben Bereich der Formation. Das 747er Patent befaßt sich hauptsächlich mit der verbesserten Genauigkeit bei der Bestimmung der Dielektrizitätskonstante und/oder der Leitfähigkeit, und eine bevorzugte Frequenz für diese Technik ist 20 MHz, wo Verdrängungsströme wesentlich sind, so daß die Dielektrizitätskonstante eine meßbare Größe ist in Formationen, wie man sie typischerweise bei der Bohrlochuntersuchung antrifft.
Während es sehr vorteilhaft ist, Messungen des Formationswiderstandes bei unterschiedlichen Eindringtiefen zu haben, unterliegen Techniken nach dem Stand der Technik, welche verschiedene Empfängerabstände erfordern, um diesen Zweck zu erzielen, generell einem oder mehreren der nachstehenden Nachteile: die Notwendigkeit für zusätzliche Empfänger vergrößert die Länge der Logvorrichtung für die Unterbringung der unterschiedlichen Abstände; zusätzliche Schaltkreise und Verdrahtungen; höhere Kosten. Diese Nachteile können bedeutend sein bei Kabeluntersuchungen, sind jedoch tendenziell noch ernsthafter bei Systemen für die Messung beim Abteufen, wobei die Meßumgebung besonders unwirtlich ist und striktere Anforderungen normalerweise bei einer akzeptablen Länge und der mechanischen Festigkeit des Untersuchungsgerätes erzwungen werden. (Beispiele elektromagnetischer Logvorrichtungen, verwendet bei der Messung während des Abteufens, sind dargelegt in der britischen veröffentlichten Anmeldung Nr. 2,146,126 und U.S. Patent Nr. 4,553,097. In diesen Patenten sind ein Sender und ein Empfängerpaar versenkt in einem Bohrkragen montiert und Amplituden- und/oder Phasenmessungen werden durchgeführt. Eine Untersuchungstiefe wird gewonnen). Zum Minimieren der Möglichkeit mechanischer Schäden und zum Aufrechterhalten der mechanischen Festigkeit des Bohrstrangs sollte die Anzahl von Sensoren und die Gesamtlänge der Sensoren minimal gehalten werden.
Zu den Zielen der vorliegenden Erfindung gehört es, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen für die Bestimmung des Formationswiderstandes bei unterschiedlichen Untersuchungstiefen. Es gehört auch zu den Zielen, eine solche Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, derart, daß sie geeignet sind und vorteilhaft sind für die Anwendung bei Messungen während des Abteufens.
Im Stand der Technik wurde die sogenannte "Bohrlochkompensation" mit Vorteil bei bestimmten Typen von Logvorrichtungen angewandt. Beispielsweise wird die Technik üblicherweise bei Akustiklogs eingesetzt, bei elektromagnetischen, auf Kissen montierten Logvorrichtungen (siehe beispielsweise U.S. Patent Nr. 3,849,721) und wurde auch vorgeschlagen für die Anwendung bei einer zentralisierten elektromagnetischen Logvorrichtung unter Verwendung von magnetischen Quermoduskomponenten der elektromagnetischen Energie (siehe U.S. Patent Nr. 4,553,097). Bei einer typischen bohrlochkompensierten Logvorrichtung ist ein Paar von Empfängern zwischen zwei Sendern angeordnet. Die Sender werden abwechselnd erregt und die an den Empfängern empfangenen Signale können verarbeitet werden (generell gemittelt werden) zum Reduzieren oder eliminieren der Einflüsse von Faktoren wie dem, daß die Logvorrichtung exentrisch im Bohrloch ist und Unregelmäßigkeiten des Bohrlochs oder des Bohrspülungskuchens. In verschiedenen Bohrloch-Loganwendungen wurde die Bohrlochkompensation anscheinend nicht als praktisch angesehen. Die Notwendigkeit für Sender auf beiden Seiten des Empfängerpaars bedeutet, daß die Logvorrichtung erheblich länger sein muß als die Länge derselben Vorrichtung, wenn sie nur einen einzigen Sender hätte. Für Logvorrichtungen, die einen relativ langen Sender/Empfängerabstand aufweisen, um mit diesen zu beginnen, kann ein weiterer Sender auf der anderen Seite der Empfänger die Vorrichtung länger und ausladender machen als akzeptabel ist. Ein weiteres Problem, das als Konsequenz des Vorhandenseins von Sendern auf beiden Seiten der Vorrichtungsempfänger auftreten kann, ist das zusätzliche Rauschen, das man bei Empfängern als Ergebnis des Vorhandenseins eines zweiten Senders feststellt. Natürlich ist dieses Rauschen das übersprechen von den Drähten, welche Hochleistungserreger-Signale zu dem zweiten Sender übertragen. Mit der Annahme, daß die Erregersignale für beide Sender von einer gemeinsamen Quelle kommen, muß die Verdrahtung, welche die Energiequelle mit einem der Sender koppelt, hinter den Empfängern verlaufen. Da die Erregersignale viel höher sind als die empfangenen Signale, sind die Signale der Empfänger besonders empfindlich gegenüber Beeinträchtigung durch Rauschen von Sendersignalen hoher Amplitude, die nahe bei übertragen werden. Bei Logvorrichtungen, die relativ große Sender/Empfängerabstände aufweisen, sind darüber hinaus die bei den Empfängern ankommenden Signale relativ schwach (im Vergleich mit derselben Vorrichtung, wenn sie kleinere Abstände hätte) und das Problem des Übersprechens von der Senderverdrahtung verschärft sich noch.
Aus den gerade angegebenen Gründen und anderen würde man erwarten, daß eine Bohrlochkompensation in einem elektromagnetischen Ausbreitungsloggerät, verwendet für das Messen beim Abteufen, besonders problematisch wäre. Zusätzlich zu den gerade beschriebenen Schwierigkeiten können das Rauschen und andere Unstabilitäten, hervorgerufen durch die Abteufbedingungen, die Aufgabe noch schwieriger machen. Darüber hinaus sind die überlegungen bezüglich der Länge der Vorrichtung für das Messen beim Abteufen (einschließlich des Faktors der mechanischen Festigkeit) nicht geeignet, zu der Anwendung von Merkmalen zu führen, die typischerweise dahin tendieren, eine vergrößerte Vorrichtungslänge zu erfordern, nämlich das Vorsehen für unterschiedliche Untersuchungstiefen und die Anwendung der Bohrlochkompensation.
Zu den Zielen der vorliegenden Erfindung gehört es, eine praktische Bohrlochkompensationsmöglichkeit für ein elektromagnetisches Ausbreitungslogsystem vom Dorntyp zu schaffen und für ein solches System, wenn es eingesetzt wird beim Messen während des Abteufens.
Es gibt verschiedene Techniken auf dem Gebiet der Bohrlochuntersuchung für die Bestimmung des Vorhandenseins der Leitfähigkeit und der Lokalisierung von Schichteninformationen, die ein Bohrloch umgeben, und für die Bestimmung der Lokalisierung und Größe von Bohrloch-Hohlräumen. Generell sind diese Techniken verbesserungsfähig bezüglich eines oder mehrerer der folgenden Aspekte: Schwierigkeit der Erkennung des Vorhandenseins einer dünnen Schicht; Schwierigkeit bei der Bestimmung der Leitfähigkeit einer dünnen Schicht; Verwechseln einer dünnen Schicht mit einem Hohlraum; Schwierigkeit bei der Lokalisierung der Grenzen von Schichten und Hohlräumen mit hinreichender Genauigkeit; Kompliziertheit der Vorrichtung und/oder der Verarbeitungstechniken, erforderlich zum Gewinnen der gewünschten Information. Es gehört zu den Zielen der Erfindung, Verbesserungen auf diesen Gebieten zu schaffen und Verbesserungen bereitzustellen, die anwendbar sind bei der Messung während des Abteufens.
Die Verwendung eines mechanischen Tasters zum Messen des Durchmessers eines Ölbohrlochs ist eine bekannte Technik bei dem Kabel- Logverfahren. Ein Bohrlochtasterlog enthält brauchbare Informationen bezüglich der untertägigen Formationen. Beispielsweise kann der Bohrlochdurchmesser verwendet werden, um zwischen tonhaltigen und Sandsteinen zu unterscheiden, da Bohrlöcher tendenziell in tonigen Bereichen ausgewaschen werden, während Bohrlöcher tendenziell auf Bohrkopfgröße bleiben in Sandsteinen. Ein Tasterlog kann verwendet werden als eine Hilfe beim Interpretieren anderer Logs, die empfindlich sind gegenüber dem Bohrlochdurchmesser. Ein Tasterlog wird auch verwendet zum Berechnen der Menge von Zement, der für die Bohrlochauskleidung erforderlich ist. Es kann auch verwendet werden zum Unterstützen eines Bohrprogramms durch Identifizieren von Abschnitten des Bohrlochs, wo der Bohrstrang sich festsetzen könnte und durch Abschätzen der Effektivität des Bohrspülungsprogramms zum Verhindern des Schwellens oder der Auswaschung des Bohrlochs.
Kabeltastersonden verwenden generell bewegliche Arme, die expandieren und in Kontakt mit der Bohrlochwandung treten. Typischerweise wird die Tastsonde in das Bohrloch an einem drahtführenden Kabel herabgelassen, während die beweglichen Arme in einer eingezogenen Position sind, so daß sie die Bohrlochwandung nicht berühren. Die Arme werden mit der Bohrlochwandung in Kontakt gebracht, wenn die Sonde aus dem Bohrloch mittels des Kabels herausgezogen wird. Die Anwendung von Tastern mit beweglichem Arm bei der Messung während des Abteufens wäre sehr schwierig wegen der extrem harten, mechanischen Umgebungsbedingungen.
Es gehört zu den Zielen der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Technik für die Messung von Borlochdurchmesseränderungen zu schaffen und Verbesserungen zu schaffen, die anwendbar sind bei der Messung während des Abteufens.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bohrloch- Logvorrichtung mit Merkmalen, die eine Anzahl von Erfordernissen, wie oben diskutiert, des Standes der Technik eingehen. Die meisten der Merkmale der Erfindung, wie sie hier dargelegt wird, finden generell Anwendung sowohl bei dem sogenannten Kabelloggen als auch beim sogenannten Messen während des Abteufens. Einige der Merkmale hier sind jedoch besonders vorteilhaft für die Anwendung bei einer Vorrichtung für das Messen während des Abteufens.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen und ein Verfahren für die Untersuchung von Erdformationen, wobei der Widerstand an zwei unterschiedlichen Untersuchungstiefen bestimmt wird (was durchgehend die radiale Untersuchungstiefe bedeutet), wobei Signale verwendet werden, die nur bei einem einzigen Paar von Empfängern ankommen, die in Differentialanordnung arbeiten. (In der vorliegenden Anmeldung soll jegliche Bezugnahme auf die Bestimmung oder Verwendung des Widerstandes gattungsmäßig auch die Leitfähigkeit bedeuten und umgekehrt. Diese Größen sind zueinander reziprok und die Erwähnung einer oder der anderen dient der Bequemlichkeit der Beschreibung und ist nicht in beschränkenden Sinne zu verstehen). In einer Ausführungsform dieser Form der Erfindung wird elektromagnetische Wellenenergie an einer ersten Stelle in dem Bohrloch erzeugt und wird an einer zweiten und einer dritten Stelle in dem Bohrloch empfangen, welche sukzessiv in Längsrichtung bezüglich des Bohrlochs von der ersten Stelle beabstandet sind. Die Phasenverschiebung wird bestimmt zwischen der elektromagnetischen Energie, empfangen an der zweiten und der dritten Stelle in dem Bohrloch. Auch die Dämpfung wird bestimmt zwischen der elektromagnetischen Energie, empfangen an der zweiten und der dritten Stelle in dem Bohrloch. (Soweit hier verwendet, sollen "Phasenverschiebung" und "Dämpfung" nicht beschränkend dahingehend verstanden werden, wie die Messungen erfolgen. Beispielsweise kann die Phasenverschiebung oder die Energie, empfangen an den beiden Empfängern, bestimmt werden durch Vergleichen der empfangenen Signale direkt miteinander oder durch Bestimmen jedes Signals relativ zu einer Referenz, wie dem ausgesandten Signal, und Vergleichen der Resultate oder durch irgendeine andere geeignete Technik. Als ein weiteres Beispiel kann die Dämpfung bestimmt werden durch direkten Vergleich der Empfängersignalamplituden oder durch Messung jeder Empfängersignalamplitude relativ zu einer Referenz und Vergleichen der Ergebnisse oder durch irgendeine andere geeignete Technik). Der Widerstand der Formationen bei einer relativ geringen Untersuchungstiefe rings um die zweite und dritte Stelle wird dann bestimmt als Funktion der erfaßten Phasenverschiebung. Auch der Widerstand der Formationen an einer relativ großen Untersuchungstiefe rings um die zweite und dritte Stelle wird bestimmt als Funktion der erfaßten Dämpfung. In einem illustrativen Beispiel dieser Form der Erfindung involviert die Bestimmung des Widerstandes die Anwendung einer Transformation bezüglich der Phasenverschiebung oder der Dämpfung auf den Widerstand. Diese Transformation verwendet eine Korrelation zwischen der dielektrischen Permittivität und der Leitfähigkeit der Erdformationen.
Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung werden eine elektromagnetische Logvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren geschaffen, wobei eine Logvorrichtung konstruiert ist für generell zentrale Bewegung durch ein Bohrloch, wobei ein oberer und ein unterer Sender in der Logvorrichtung gebildet werden und obere und untere Empfänger zwischen den oberen und unteren Sendern positioniert sind, symmetrisch relativ zu jenen und auf einer im wesentlichen gemeinsamen Achse mit diesen. Transverse elektrische, elektromagnetische Energie wird alternierend von den Sendern abgestrahlt und die an den Empfängern ankommenden Signale werden in einer bohrlochkompensierten Type von Anordnung verarbeitet. Demgemäß wird nun die Bohrlochkompensation, die vorher erfolgreich bei Vorrichtungen vom Kissentyp angewandt wurde, mit Vorteil in eine Logvorrichtung mit elektromagnetischer Ausbreitung ausgenutzt, welche den transversen, elektrischen Modus ausnutzt und sich generell zentral durch das Bohrloch bewegt. In der dargestellten Form der Erfindung ist die Logvorrichtung in einem Abschnitt des Drillkragens ausgebildet zur Verwendung in einem System, bei dem während des Abteufens gemessen wird, obwohl diese Form der Erfindung ebensogut Anwendung finden kann bei einem Dorntyp einer Kabel-Logvorrichtung.
Wie näher weiter unten beschrieben, weist die vorliegende Erfindung Merkmale auf, die besonders vorteilhaft sind für die Verwendung bei einem System des Messens während des Abteufens, indem unter anderem zwei Untersuchungstiefen zur Verfügung stehen von einem einzigen Empfängerpaar, und der Aufbau der Vorrichtung ferner die Anwendung der Bohrlochkompensation erleichtert durch Vermeiden von Problemen, die bei Ansetzen nach dem Stand der Technik auftreten. Auch können die an den Empfängern von den beiden verschiedenen Sendern erhaltenen Signale ausgenutzt werden zum Gewinnen von Phasen-Ungleichgewichts- und Amplituden- Ungleichgewichtssignalen, die brauchbare Information liefern bezüglich Kennwerten der Formationen und insbesondere bezüglich des Bohrlochdurchmessers.
In einer Ausführungsform der Logvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird jede Antenne in einer Eintiefung in einem Metallgehäuse ausgebildet, das ein Abschnitt eines Bohrkragens in der dargestellten Ausführungsform ist. Eine Schicht von Isoliermaterial, die vorzugsweise glasfaserverstärktes Epoxy umfaßt, ist in der Vertiefung angeordnet und eine Spule wird auf diese erste Lage von Isoliermaterial gewickelt. Eine Gummischicht deckt die Spule und das darunterliegende Isoliermaterial ab und eine geschlitzte Abschirmung überdeckt die Gummischicht. Die definierte Kombination der Struktur und der Materialien ist vorteilhaft, den kombinierten Wirkungen von Druck, Temperatur und Wassereinflutung zu widerstehen, die man unter Bohrlochbedingungen antrifft und insbesonders schwerwiegend sind während des Abteufens. Darüber hinaus werden in dieser bevorzugten Struktur Abteile gebildet in dem Gehäuse dicht nahe den entsprechenden Empfängerspulen. Die Abteile enthalten Impedanzanpaß- und Vorverstärkungsschaltkreise für die Empfängersignale, so daß diese Signale sofort verstärkt werden, bevor sie durch Bereiche der Vorrichtung gekoppelt werden, wo sei durch Rauschen beeinträchtigt werden können, etwa von den Verdrahtungen herrührend, welche die Sendersignale führen. Demgemäß erleichtern die strukturellen Merkmale der Logvorrichtung, wie sie dargelegt wurden, weiter die Anwendung der Bohrlochkompensation in einer elektromagnetischen Ausbreitungslogvorrichtung vom Dorntyp speziell zur Anwendung in einer Vorrichtung mit Messung während des Abteufens.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine Vorrichtung offenbart sowie ein Verfahren für die Bestimmung des Vorhandenseins einer Höhlung in dem Bohrloch und für die Unterscheidung einer Höhlung von einem dünnen Bett. In einer offenbarten Ausführungsform werden die Widerstände, bestimmt aus den Phasenverschiebungsmessungen und den Dämpfungsmessungen, verglichen und ein Indiz für eine Höhlung wird erzeugt, wenn sich eine deutliche Änderung in dem Widerstand ergibt, bestimmt aus den erfaßten Phasenverschiebungsmessungen, ohne das Auftreten einer entsprechenden deutlichen Änderung in dem Widerstand, bestimmt aus den erfaßten Dämpfungsmessungen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung offenbart sowie eine Technik für die Bestimmung der Leitfähigkeitsschichtgrenzen in den Formationen. Wie näher weiter unten beschrieben, hat die Anmelderin entdeckt, daß der Ort von Schichtgrenzen mit guter Genauigkeit bestimmt werden kann aus den Kreuzungspunkten zwischen dem Widerstand, bestimmt aus den Phasenverschiebungsmessungen, und dem Widerstand, bestimmt aus den Dämpfungsmessungen. In einer offenbarten Ausführungsform wird der Tiefenpegel bestimmt, bei welchem ein Kreuzungspunkt des Widerstandes, bestimmt aus der Phasenverschiebung, und dem Widerstand, bestimmt aus der Dämpfung, vorliegt. Der bestimmte Tiefenpegel wird gespeichert als eine Schichtgrenze. In einer Form dieses Ausführungsbeispiels umfaßt die Bestimmung des Tiefenpegels der Grenze die Interpolation zwischen den Tiefenpegeln, bei welchen der gemessene Kreuzungspunkt aufgetreten ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Diagramm eines Systems, bei dem eine Ausführungsform der Erfindung einsetzbar ist und das verwendet werden kann zum Praktizieren einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Diagramm, teilweise in Blockform, der Elektronik in der Meßvorrichtung und die Gewinnungs- und Verarbeitungselektroden der Ausführungsform nach Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Modell der Antennen der Fig. 1 in einem Bohrloch in Erdformationen.
Fig. 4 ist ein Diagramm von Linien konstanter Phase rings um einen Sender.
Fig. 5 ist ein Diagramm von Linien konstanter Amplitude um einen Sender.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm, das repräsentativ ist für eine Suchtabelle zum Gewinnen des scheinbaren Widerstandes aus einer Dämpfungsmessung.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm, das repräsentativ ist für eine Suchtabelle zum Gewinnen des scheinbaren Widerstandes aus einer Phasenverschiebungsmessung.
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm der Routine für das Erhalten der Suchtabellen, welche Werte des scheinbaren Widerstandes als eine Funktion der gemessenen Phasenverschiebung und als eine Funktion der gemessenen Dämpfung speichern.
Fig. 9 ist ein Flußdiagramm der Routine für die Anwendung der Suchtabellen für die Gewinnung des scheinbaren Widerstandes aus der gemessenen Phasenverschiebung und aus der gemessenen Dämpfung.
Fig. 10 ist ein Diagramm, das die scheinbaren Widerstände als Funktion des Eindringradius für ein bestimmtes Beispiel illustriert.
Fig. 11 ist ein Diagramm, das die scheinbaren Widerstände als Funktion des Eindringradius für ein anderes Beispiel illustriert.
Fig. 12 ist ein Diagramm, das die Dielektrizitätskonstante als Funktion der Leitfähigkeit für wassergesättigte Gesteinsproben zeigt, genommen an einer Anzahl unterschiedlicher Stellen.
Fig. 13 ist eine Tabelle, welche die Minimum- und Maximumwerte der Dielektrizitätskonstante für spezifische Leitfähigkeitswerte auflistet.
Fig. 14 ist ein Diagramm, teilweise in Blockform, einer Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und die verwendet werden kann zum Praktizieren einer weiteren Form des Verfahrens der Erfindung.
Fig. 15, umfassend Fig. 15A und 15B, zeigt vereinfachte Strahlungsdiagramme, die nützlich sind für das Verständnis der Ausführungsform nach Fig. 14 und deren Anwendung als ein Differentialkaliber.
Fig. 16 ist ein Flußdiagramm einer Routine für die Steuerung eines Prozessors zum Gewinnen des Phasen-Ungleichgewichts und Dämpfungs- Ungleichgewichts und zum Gewinnen einer differentiellen Bohrlochkaliberaufzeichnung und eines Bohrlochkaliberlogs.
Fig. 17 zeigt das Ansprechen des Phasen-Ungleichgewichts für ein dargestelltes Beispiel.
Fig. 18 ist eine Phasenkaliberaufzeichnung, konstruiert aus den Daten der Fig. 17.
Fig. 19 zeigt Dämpfungskaliberdiagramme für einen gegebenen Satz von Bedingungen.
Fig. 20 zeigt ein Beispiel eines Phasenkaliberlogs für eine Auswaschung oder einen Hohlraum.
Fig. 21A und 21B illustrieren ein Formationsmodell und ein Beispiel des Effekts der Anwendung der Bohrlochkompensation.
Fig. 22A und 22B illustrieren ein Formationsmodell und zeigen tatsächliche und berechnete scheinbare Widerstände für ein anderes Beispiel.
Fig. 23A und 23B zeigen Diagramme von berechneten scheinbaren Widerständen für ein Beispiel eines Hohlraums.
Fig. 24 ist ein weiteres Beispiel, das den wahren Widerstand zeigt und Widerstände, abgeleitet aus Phasenverschiebung und Dämpfungsmessungen, und zeigt, daß die Schichtgrenzen bei Überkreuzungen der scheinbaren Widerstände auftreten.
Fig. 25, umfassend Fig. 25A und 25B, wenn untereinander plaziert, ist ein Flußdiagramm einer Routine für das Programmieren des Prozessors für die Unterscheidung zwischen Höhlungen und Schichten und zum Bestimmen von Kennwerten derselben und der Stelle von Grenzen.
Fig. 25C ist ein Diagramm, das die Interpolation illustriert, wie sie in der Routine nach Fig. 25 angewandt wird.
Fig. 26 ist eine Querschnittsdarstellung einer Logvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 27 zeigt weitere Details der Logvorrichtung nach Fig. 26.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Erfindung als eine Vorrichtung und Verfahren zum Messen während des Abteufens dargestellt. Eine Plattform mit Bohrturm 10 ist über einem Bohrloch 11 positioniert, das in der Erde durch Rotationsbohren geschaffen wird. Ein Bohrstrang 12 hängt innerhalb des Bohrlochs und umfaßt einen Bohrkopf 15 an seinem unteren Ende. Der Bohrstrang 12 und der daran befestigte Bohrkopf 15 werden durch einen Drehtisch 16 (angetrieben durch nicht dargestellte Mittel) in Drehung versetzt, der im Eingriff steht mit einem Keilstück 17 am oberen Ende des Bohrstrangs. Der Bohrstrang hängt an einem Haken 18, der an einem Laufblock (nicht dargestellt) befestigt ist. Das Keilstück ist mit dem Haken über eine Drehdurchführung 19 verbunden, die die Drehung des Bohrstrangs relativ zu dem Haken ermöglicht. Bohrfluid oder Bohrspülung 26 befindet sich in einem Sumpf 27 in der Erde. Eine Pumpe 29 pumpt das Bohrfluid in den Bohrstrang über eine Öffnung in der Drehdurchführung 19, so daß es abwärts durch das Zentrum des Bohrstrangs 12 strömt. Das Bohrfluid tritt aus dem Bohrstrang über Auslässe im Bohrkopf 15 aus und zirkuliert dann aufwärts in dem Bereich zwischen der Außenseite des Bohrstrangs und der Peripherie des Bohrlochs. Wie bekannt, führt das Bohrfluid dabei Formationsbohrklein zur Erdoberfläche, und das Bohrfluid wird zu dem Sumpf 27 für die Rezirkulation zurückgeführt. Die kleinen Pfeile in der FIGUR illustrieren die typische Richtung der Strömung des Bohrfluids.
Eingefügt in den Bohrstrang 12, vorzugsweise nahe dem Bohrkopf 15, befindet sich ein untertägiges Erfassungs-, Verarbeitungs-, Speicherungs- und Übertragungsuntersystem 100. Das Untersystem 100 umfaßt eine Meßapparatur 200, welche mindestens Antennen T1, R&sub1; und R&sub2; umfaßt und in der nachstehend beschriebenen Weise arbeitet. Ein Übertragungsabschnitt des untertägigen Untersystems umfaßt einen akustischen Sender 56, der in dem Bohrfluid ein akustisches Signal erzeugt, das repräsentativ ist für die unter Tage gemessenen Bedingungen. Ein geeigneter Typ eines akustischen Senders, der im Stand der Technik bekannt ist, verwendet eine Einrichtung, die als "Bohrspülungssirene" bekannt ist, welche einen geschlitzten Stator und einen geschlitzten Rotor umfaßt, welcher rotiert und wiederholt die Strömung des Bohrfluids unterbricht, um ein gewünschtes akustisches Wellensignal in dem Bohrfluid zu etablieren. Die erzeugte akustische Spülungswelle wandert aufwärts in dem Fluid durch das Zentrum des Bohrstrangs mit der Geschwindigkeit des Schalls in dem Fluid. Die akustische Welle wird über Tage von Wandlern empfangen, repräsentiert durch das Bezugszeichen 31. Die Wandler, bei denen es sich beispielsweise um piezoelektrische Wandler handelt, setzen die empfangenen akustischen Signale in Elektroniksignale um. Der Ausgang der Wandler 31 ist mit dem übertägigen Empfangssubsystem 90 gekoppelt, das dazu dient, die übertragenen Signale zu demodulieren, die dann dem Prozessor 85 und dem Rekorder 45 aufgekoppelt werden.
Der Sender 56 wird gesteuert durch Sendersteuer- und Treiberelektronik 57, welche Analog/Digital (A/D) Schaltungen umfaßt, welche die Signale, repräsentativ für untertägige Bedingungen, in Digitalform umsetzen. Die Steuer- und Treiberelektronik 57 kann auch einen geeigneten Modulator umfassen, wie einen Phasenverschieber-Verschlüsselungsmodulator (PSK), der konventionell Treibersignale für die Zufuhr zu dem Sender 56 erzeugt. Diese Treibersignale können verwendet werden, um eine entsprechende Modulation an die Spülungssirene des Senders 56 anzulegen. Es versteht sich, daß alternative Techniken verwendet werden können für die Übertragung der Loginformation nach über Tage.
Das untertägige Subsystem 100 umfaßt ferner Gewinnungs- und Verarbeitungselektroniken 58. Diese Elektroniken umfassen einen Mikroprozessor (mit zugeordnetem Speicher, Taktschaltkreis und Schnittstellenschaltkreis) und Verarbeitungsschaltkreise. Die Gewinnungs- und Verarbeitungselektroniken 58 sind an die Meßapparatur 200 angekoppelt und gewinnen die Meßinformation von dieser. Die Gewinnungs- und Verarbeitungselektroniken sind in der Lage, Daten von der Meßapparatur zu speichern, die Daten zu verarbeiten und die Resultate zu speichern und irgendeinen gewünschten Teil der Information, welche diese enthalten, auf die Sender-, Steuer- und Treiberelektronik 57 zu koppeln für die Übertragung nach über Tage durch den Sender 56. Eine Batterie 53 kann die untertägige Leistung bereithalten. Wie im Stand der Technik bekannt, kann ein untertägiger Generator (nicht dargestellt), wie eine sogenannte "Spülungsturbine", angetrieben von der Bohrspülung, ebenfalls verwendet werden, um während des Bohrens Leistung bereitzustellen.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm von Elektroniken in der Meßapparatur 200 und der Gewinnungs- und Verarbeitungselektroniken 58. Ein Oszillator 211 erzeugt ein elektrisches Signal der Frequenz f, die verstärkt wird durch Verstärker 212 und angelegt wird an die Sendeantenne T1 über die Impedanzanpassung 220. Das Signal vom Empfänger R1 wird über Impedanzanpaßschaltung 230 und Vorverstärker 231 auf einen Eingang eines elektronisch gesteuerten Schalters 250 gekoppelt. In ähnlicher Weise wird das Signal vom Empfänger R2 über Impedanzanpaßschaltung 240 und Vorverstärker 241 auf den anderen Eingang des Schalters 250 gekoppelt. Der Schalter 250 wählt unter Steuerung durch den Prozessor 270 den nahen (R1) oder den fernen (R2) Emrfängerausgang. Das ausgewählte Signal wird durch Verstärker 251 verstärkt und nachfolgend in eine niedrigere Frequenz Δf umgesetzt unter Verwendung bekannter Überlagerungstechniken. Ein lokaler Oszillator ist in Phasenverriegelungsschleife (dargestellt bei 215) mit dem Mutteroszillator. Der lokale Oszillator 213 hat eine Frequenz f + Δf, wobei Δf typischerweise einige wenige Kilohertz oder weniger beträgt. Ein Signal von dem lokalen Oszillator wird gemischt mit dem empfangenen Signal durch einen Mischer 255, und der Mischerausgang wird über einen Tiefpassfilter 257, das Signale bei f und f + Δf sperrt, jedoch Signale bei Δf durchläßt, übertragen. Das Signal der Frequenz Δf enthält eine Phasen- und Amplitudeninformation des Ursprungssignals bei Frequenz f. Der anerkannte Vorteil dieser Freqenzumsetzung besteht darin, daß es leichter ist, die Phase und Amplitude bei Kilohertz oder niedrigeren Frequenzen zu messen als bei Megahertz- Frequenzen. Das Signal bei Frequenz Δf wird mit einem Phasenmesser 261 und einem Amplitudenmeßgerät 262 gemessen, und die Resultate werden dem Prozessor 270 eingegeben. Der Phasenmesser 261 kann ein Referenzsignal von der Phasenverriegelungsschleife 215 verwerten. Das Phasen- und Amplitudenmeßgerät können auch Abtast- und Halteschaltkreise umfassen, um den Vergleich des Signals von den verschiedenen Empfängern auszuführen. Diesbezüglich kann beispielsweise auf U.S. Patent Nr. 4,185,238 Bezug genommen werden, das auf den gleichen Zessionar übertragen worden ist wie die vorliegende Anmeldung. Alternativ kann der Prozessor die relative Phase und Amplitude aus den Messungen, die er empfängt, berechnen.
Wie oben erwähnt, hat der Prozessor 270 zugeordnete Speicher-, Takt- und Schnittstellenschaltungen (nicht dargestellt), wie dies üblich ist. Der Prozessor führt die Abspeicherung der Messungen von Phase und Amplitude aus, verarbeitet diese Messungen in noch zu beschreibender Weise, speichert die Ergebnisse der Verarbeitung und/oder koppelt die Meßwerte und/oder Verarbeitungsresultate auf die Steuer- und Treiberelektronik für Übertragung nach über Tage. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein untertägiger Taktgeber verwendet, um die Zeitlage vorzugeben, die nachfolgend mit dem Tiefenniveau korreliert werden kann dank der Aufzeichnung des Bohrstrangvorschubs. Der Taktgeber, der typischerweise Teil des Systems in Verbindung mit dem Prozessor 270 sein kann, kann mit dem System synchronisiert werden vor einem Absenken nach unter Tage. Auch kann, wenn erwünscht, die Kommunikation mit dem untertägigen System unter Verwendung von Spülungsimpulstechnik oder anderer geeigneter Kommunikationsmittel angewandt werden, um Zeitlage-Synchronisier- und/oder Tiefenniveauinformation zu übertragen, wie auch um Daten generell zu kommunizieren. Es versteht sich, daß die Erfindung in Verbindung mit irgendeiner geeigneten Technik angewandt werden kann, bei der das Tiefenniveau nachgehalten wird.
Man betrachtet das in Fig. 3 dargestellte Modell des Antennensystems aus Fig. 1. Zur Vereinfachung ist der Bohrkragen in diesem Modell nicht eingeschlossen. Der Bohrkragen kann Berücksichtigung finden, doch erfordert dies eine ausgedehntere mathematische Analyse, die dieselben generellen Rückschlüsse erlaubt, wie man sie von dem einfacheren Modell erhalten kann. Der Sender (T) ist eine Spule mit N Windungen mit Radius "a", wobei die Spulenachse ausgefluchtet ist mit der z Richtung und einen Erregerstrom "I" führt. Die Empfänger sind Spulen mit N Windungen mit änlichen Radien, ausgefluchtet in z Richtung und in Abständen r&sub1; beziehungsweise r&sub2; von dem Sender angeordnet.
In sphärischen Koordinaten ist für r»a das elektrische Feld, abgestrahlt von dem Sender, in einem homogenen Medium gegeben durch
wobei der Beobachtungspunkt (r,θ,φ) ist. Diese Gleichung ist identisch mit der für einen vertikalen magnetischen Dipol, positioniert bei dem Sender. Die Ausbreitungskonstante k ist gegeben durch
wobei ω die Winkelfrequenz ist, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist, &epsi;&sub0; die Permittivität im Vakuum ist, u&sub0; die magnetische Permeabilität im Vakuum ist, &epsi;' die relative Permittivität oder Dielektrizitätskonstante der Formation ist und die Leitfähigkeit der Formation darstellt. Die Leitfähigkeit ( ) ist der Kehrwert des Widerstandes (R), das heißt = 1/R.
Das Signal, gemessen am nahen Empfänger (S&sub1;), ist proportional zu φ(r&sub1;,θ&sub1;) und das Signal, gemessen am fernen Empfänger (S&sub2;) ist proportional zu φ(r&sub2;,θ&sub2;) , worin θ&sub1; = ARCTAN (a/r&sub1;) und θ&sub2; = ARCTAN (a/r&sub2;). Wenn man die Amplitude beziehungsweise Phase des Signals am nahen Empfänger mit S&sub1; beziehungsweise Φ&sub1; bezeichnet und die Amplitude und Phase des Signals am fernen Empfänger mit S&sub2; beziehungsweise Φ&sub2;, so gilt
S&sub1; = S&sub1; ejφ1π/180, S&sub2; = S&sub2; ejφ2π/180. (3)
Das komplexe Verhältnis des Signals am fernen Empfänger zum Signal am nahen Empfänger ist gegeben durch
Die Phasenverschiebung (Φ) und die Dämpfung (A) zwischen den beiden Empfangsantennen stehen in Beziehung mit dem Signalverhältnis gemäß
S&sub2;/S&sub1; = 10A/20ejΦπ/180, (5a)
oder
und
A=20log&sub1;&sub0;( S&sub2; / S&sub1; ). (5c)
Fig. 4 beziehungsweise 5 stellen in vereinfachter Form die generelle Natur der Amplituden- beziehungsweise Phasenmessungen dar bei dem Frequenzbereich, der hier interessiert, und sind brauchbar für das Verständnis der relativen Untersuchungstiefen, die den Amplitudenbeziehungsweise Phasenmessungen von Signalen zuzuschreiben sind, ausgesandt von derselben Stelle in dieselben Formationen. Fig. 4 zeigt in vereinfachten Ausdrücken und unter Ignorieren geometrischer Effekte aus Gründen der Klarheit der Darstellung die generelle Form von Linien konstanter Phase elektromagnetischer Wellenenergie, die resultieren würden von einer vertikalen magnetischen Dipolquelle, positioniert an der Position des Senders T. Die Linien konstanter Phase sind generell kreisrund in ihrer Form und indizieren beispielsweise, daß die Phasendifferenz, wie zwischen Signalen, empfangen an Positionen, die mit r&sub1; beziehungsweise r&sub2; im Bohrloch bezeichnet sind, in Bezug steht mit der Phasendifferenz, die den Formationen zwischen den inneren und äußeren Linien der abgeschatteten Region zuzuschreiben sind (an Positionen entsprechend den Empfängerstellen). In Fig. 5 sind Linien konstanter Amplitude gezeigt (unter Vernachlässigung geometrischer Effekte für den Zweck der Verdeutlichung der Darstellung). Die Differenz in den Amplituden, wie zwischen den Positionen von r&sub1; und r&sub2; (nicht dargestellt, der Maßstab ist derselbe wie in Fig. 4) entspricht der Amplitudendifferenz, zuzuschreiben den Formationen, die zwischen den inneren und äußeren Linien der abgeschatteten Bereiche liegen. In beiden Fällen hat die differentielle Natur des Vergleichs der Signale die Tendenz, die Effekte der nicht-abgeschatteten Bereiche auszulöschen.
Aus den Diagrammen der Fig. 4 und 5 ist erkennbar, daß die Linien konstanter Phase nahezu kreisrund sind und konzentrisch bezüglich des Senders. Die Linien konstanter Amplitude sind nicht kreisrund, erstrecken sich jedoch weiter in Radialrichtung als in Vertikalrichtung. Die Dämpfung, gemessen zwischen den beiden Empfängern, ergibt sich als charakteristisch für eine deutlich tiefere, radiale Zone als für die Phasenverschiebung, gemessen zwischen den beiden Empfängern. Diese Darstellung verwendet die magnetische Dipol-Theorie für ein homogenes Medium, doch erzeugen Modelle, die den Effekt des Bohrkragens, des Bohrlochs, usw. berücksichtigen, das gleiche Resultat, nämlich daß die Dämpfung eine tiefere, radiale Untersuchungstiefe liefert als die Phasenverschiebung. Bezüglich dieses Phänomens kann auch Bezug genommen werden auf U.S. Patent Nr. 4,209,747, auf das in der Einleitung bereits Bezug genommen wurde.
Fig. 6 und 7 zeigen Diagramme, die repräsentativ sind für Suchtabellen, berechnet für eine spezifische Ausführungsform der Erfindung, wobei der Sender und die beiden Empfänger Teil eines Bohrkragens von 6,5 Zoll Durchmesser sind und Vertikalabstände von r&sub1; = 25 beziehungsweise r&sub2; = 31 Zoll aufweisen, und der Sender eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz von 2 MHz abstrahlt. Die Phasenverschiebung (Φ) und die Dämpfung (A) werden gemessen zwischen den beiden Empfängern, wie durch die Gleichungen (5b) beziehungsweise (5c) beschrieben.
Die Suchtabellen kann man erhalten unter Anwendung der Gleichungen (2), (4), (5b) und (5c) von oben. Fig. 8, die unten beschrieben wird, ist ein Flußdiagramm einer Routine für den Prozessor zum Gewinnen und Abspeichern der Werte von Rφ und RA, zugeordnet gemessenen Werten der Phasenverschiebung beziehungsweise Dämpfung. Wenn im Betrieb Werte von Φ und A in den Prozessor 270 eingegeben werden (oder, falls erwünscht, in einen übertägigen Prozessor, beispielsweise 85 in Fig. 1), können die entsprechenden Werte des scheinbaren Widerstandes gewonnen werden unter Verwendung der abgespeicherten Tabelle von Werten. Die Routine für die Steuerung des Prozessors zum Implementieren dieser Funktion ist unten in Verbindung mit Fig. 9 beschrieben. Die Wertetabellen, die man erhalten hat, können alternativ in graphischer Form verwendet werden. Insbesondere werden die Kurven nach Fig. 6 und 7 erhalten durch Ausdrucken der tabellierten Werte. Um die Kurve nach Fig. 6 zu benutzen, kann die gemessene Dämpfung (A) minus der Dämpfung infolge der geometrischen Streuverluste auf der Horizontalachse der Aufzeichnung eingegeben werden und der scheinbare Widerstand entsprechend der Dämpfung (d.h. RA) kann bestimmt werden. In Fig. 7 kann die gemessene Phasenverschiebung (Φ) auf der Horizontalachse der Rφ Aufzeichnung eingegeben werden und der scheinbare Widerstand aus der Phasenverschiebung (Rφ) kann bestimmt werden. Die Umsetzung aus der Phasenverschiebung und Dämpfung in den scheinbaren Widerstand könnte auch ausgeführt werden durch Anwendung von Polynomfunktionen, deren Koeffizienten gewählt werden zum Bereitstellen einer genauen Repräsentation der tabellierten Werte.
Wenn keine Einwanderung durch Bohrlochfluid vorliegt, sollten die beiden Werte für den scheinbaren Widerstand zusammenfallen. Im Falle von Einwanderung wird der scheinbare Widerstand aus der Dämpfung, die eine tiefere, radiale Untersuchungstiefe liefert als der scheinbare Widerstand, abgeleitet aus der Phasenverschiebung, generell einen abweichenden Meßwert liefern.
In Fig. 8 ist ein Flußdiagramm einer Routine dargestellt, mit welcher ein Prozessor programmiert werden kann (typischerweise vor der Inbetriebnahme), um die Suchtabelle zum Ableiten eines scheinbaren Widerstandes aus der Phasenmessung und für die Ableitung eines scheinbaren Widerstandes aus der Dämpfungsmessung zu gewinnen und zu speichern. Der Wert des wahren Widerstandes Rt wird initiiert an einem Ende des Bereichs, den die Tabelle überdecken soll, wie durch den Block 811 repräsentiert. Die entsprechende Leitfähigkeit wird dann gewonnen, wie durch Block 812 repräsentiert. Ferner wird als Funktion des präsenten Wertes der Leitfähigkeit (oder des Widerstandes) ein angenommener Wert der dielektrischen Permittivität &epsi;'t berechnet. Wie später näher erläutert, kann, abhängig von der Betriebsfrequenz und der Leitfähigkeit der Formationen, die untersucht werden, die dielektrische Permittivität einen erheblichen Einfluß auf die Messungen haben, insbesondere bei relativ hohem Widerstand. Eine angenommene dielektrische Permittivität kann jedoch mit vernünftiger Genauigkeit erhalten werden als eine Funktion der Leitfähigkeit und dann angewandt werden zum Gewinnen einer genaueren Messung. Dies kann erfolgen durch Verwendung einer Suchtabelle, die einen Wert der dielektrischen Permittivität als eine Funktion der Leitfähigkeit zuordnet, wie durch den Block 816 in Fig. 8 repräsentiert. Der Block 821 ist der nächste, in den eingetreten wird, wobei dieser Block die Berechnung der Ausbreitungskonstante kt gemäß Gleichung (2) repräsentiert. Das erwartete Signalverhältnis an den Empfängern S&sub2;/S&sub1; kann dann erhalten werden, wie durch Gleichung (4) repräsentiert und wie angedeutet durch Block 822. Als nächstes können die erwartete Phasenverschiebung Φ und die erwartete Dämpfung A gemäß Gleichungen (5b) und (5c) berechnet werden (Block 825). Der berechnete Wert von Φ wird dann in der Tabelle gespeichert in Verbindung mit dem laufenden Wert von Rt, wie durch Block 831 repräsentiert. In ähnlicher Weise wird der berechnete Wert der Dämpfung A in Verbindung mit dem laufenden Wert von Rt gespeichert, repräsentiert durch Block 841. Dann erfolgt eine Anfrage (Rhombus 850), ob der letzte Wert im Bereich oder Rt in Betracht gezogen wurde oder nicht. Falls nicht, wird Rt inkrementiert (Block 862), und die Schleife 865 wird fortgesetzt, bis die Suchtabellen komplett sind. Wenn der letzte Wert für Rt in Betracht gezogen worden ist, werden die Tabellen, repräsentiert durch Blöcke 831 und 841, konvertiert (Block 851), um die scheinbaren Widerstände als Funktion von Φ und A zu ergeben. Beispielsweise ist Rt die unabhängige Größe und Φ die abhängige Größe in der durch Block 831 repräsentierten Tabelle. Die Suchtabelle in Block 851 hat Rt ersetzt durch Rφ , wobei Φ behandelt wird als unabhängige Größe und Rφ als abhängige Größe. Die Suchtabelle für die Dämpfung wird in ähnlicher Weise gewonnen.
Fig. 9 zeigt die Routine für den Prozessor 270 (oder den übertägigen Prozessor 85, falls erwünscht) für das Gewinnen eines scheinbaren Widerstandes aus der gemessenen Phasenverschiebung und Dämpfung. Zwei Werte des scheinbaren Widerstandes werden gewonnen, nämlich ein scheinbarer Widerstand RA, der aus der Dämpfungsmessung gewonnen wird und eine relativ tiefe Messung darstellt, und ein scheinbarer Widerstand der aus der Phasenmessung gewonnen wird und eine relativ flache Messung darstellt. Der Block 911 repräsentiert die Eingabe des nächsten Wertes von φ und A, aus welchen der scheinbare Widerstand zu bestimmen ist. Die nächstliegenden Werte von R werden dann aus der Rφ Suchtabelle abgeleitet (Block 921), und eine Interpolation wird ausgeführt zum Gewinnen von Rφ (Block 922). Dieser Wert von Rφ wird dann ausgelesen und gespeichert, wie durch Block 925 repräsentiert. In ähnlicher Weise werden die nächstliegenden Werte des Widerstandes aus der RA Tabelle gewonnen (Block 951), eine Interpolation wird ausgeführt an denselben (Block 952), und der bestimmte Wert von RA wird ausgelesen und gespeichert (Block 955). Die nächsten Werte der Phase und Dämpfung werden dann erwartet, wie durch Block 970 repräsentiert, und wenn sie empfangen werden, wird wieder in Block 911 eingetreten zum Gewinnen und Speichern weiterer scheinbarer Widerstandswerte.
Beispiele können präsentiert werden zum Illustrieren der dualen, radialen Tiefen der Untersuchung, geliefert von den Phasenverschiebungs- und Dämpfungsmessungen. In dem Modell nach Fig. 3, auf das wieder Bezug genommen wird, sind eine Eindringzone von Radius rxo, Widerstand Rxo und Dielektrizitätskonstante &epsi;'xo gezeigt. Der jungfräuliche Formationswiderstand ist Rt und die Dielektrizitätskonstante ist &epsi;'t. Fig. 10 zeigt die scheinbaren Widerstände, abgeleitet von der Phasenverschiebung und der Dämpfung für eine typische Situation, wo eine salzwasserbasierte Spülung in eine poröse Formation, die Kohlenwasserstoff enthält, eingewandert ist. Die jungfräuliche Formation hat einen Widerstand (Rt) von 20 ohm-m, und der Eindringzonenwiderstand Rxo ist 1 ohm-m. Die beiden scheinbaren Widerstände RA und Rφ sind aufgezeichnet als eine Funktion des Eindringradius. Wo kein Eindringen vorliegt, ergeben beide Widerstände den Wert 20 ohm-m. Mit einem Eindringradius zwischen 6 und 36 Zoll liegt RA dauernd dichter an Rt als Rφ. Demgemäß liefert der scheinbare Widerstand aus der Dämpfungsmessung eine tiefere, radiale Untersuchungstiefe als der scheinbare Widerstand aus der Phasenverschiebungsmessung.
Fig. 11 zeigt eine andere typische Situation, die dann auftritt, wenn eine ölbasierte Spülung in eine poröse Formation eindringt, die ursprünglich Wasser enthält, jedoch keine Kohlenwasserstoffe. In diesem Beispiel verdrängt das Öl in dem Bohrloch Formationswasser und bewirkt, daß der Eindringzonenwiderstand ansteigt auf 10 ohm-m, während die jungfräuliche Formation einen Widerstand von 1 ohm-m hat. Mit dem Eindringradius zwischen 6 und 60 Zoll liegt RA ständig dichter an Rt als Wiederum liefert der scheinbare Widerstand aus der Dämpfung eine tiefere, radiale Untersuchungstiefe als jener aus der Phasenverschiebung.
In dem ersten Beispiel (Fig. 10) könnte eine potentiell kohlenwasserstofführende Formation übersehen werden ohne die beiden radialen Untersuchungstiefen. Im zweiten Beispiel (Fig. 11) könnte eine wasserführende Formation fehlerhaft als kohlenwasserstofführende Formation betrachtet werden ohne die beiden radialen Untersuchungstiefen. Es ist auf dem Gebiet der Bohrloch-Loginterpretation bekannt, daß zwei radiale Untersuchungstiefen verwendet werden können, um das Auftreten des Eindringens zu identifizieren, und daß die tiefere Widerstandsablesung korrigiert werden kann unter Verwendung der flacheren Widerstandsablesung zum Gewinnen einer besseren Abschätzung von Rt, als durch eine einzige Ablesung möglich wäre. Bei der vorliegenden Erfindung wird dies mit einem einzigen Empfängerpaar erreicht.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird bei der Gewinnung des wahren Widerstandes aus der gemessenen Phasenverschiebung und aus der gemessenen Dämpfung die Dielektrizitätskonstante als eine Funktion der Leitfähigkeit behandelt und nicht als eine unabhängige Größe. Dies wird berücksichtigt beim Aufbau der Suchtabellen, wie durch Block 816 von Fig. 8 repräsentiert. Für typische Formationen, die man bei Ölbohrlochuntersuchungen antrifft, und für Frequenzen unter 10 MHz dominieren die Leitungsströme die Verdrängungsströme, so daß die Dielektrizitätskonstante keinen großen Einfluß auf die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen hat. Demgemäß führt die Behandlung der Dielektrizitätskonstante als abhängige Größe keinen merkbaren Fehler in die Widerstandsmessungen ein, wenn eine geeignete Funktion angewandt wird.
Man betrachtet beispielsweise eine Betriebsfrequenz von 2 MHz. Fig. 12 repräsentiert die Daten für zahlreiche wassergesättigte Gesteinsproben, entnommen aus Ölbohrungen weltweit. Der gemessene Wert für die Dielektrizitätskonstante &epsi;' ist aufgetragen über der Leitfähigkeit für jede Probe. Für irgendeinen gegebenen Wert der Leitfähigkeit gibt es angenäherte Minimum-, Maximum- und Mittelwerte für die Dielektrizitätskonstante in diesen Daten. Fig. 13 ist eine Tabelle, welche die Minimum- und Maximumwerte für die Dielektrizitätskonstante für einige spezifische Werte der Leitfähigkeit auflistet. In dieser Tabelle werden für jede Leitfähigkeit die Minimum- und Maximumwerte für &epsi;' verwendet für die Berechnung einer Ausbreitungskonstante k. Die prozentualen Variationen in dem Realterm (k') und Imaginärterm (k") von k sind klein für Leitfähigkeiten oberhalb ,01 S/m (Widerstände unter 100 ohm-m). Demgemäß hat die Dielektrizitätskonstante keinen größeren Einfluß auf die Ausbreitungskonstante für Widerstände unter etwa 100 ohm-m für diesen Satz von Gesteinsproben bei 2 MHz. Ein Mittelwert für die Dielektrizitätskonstante als eine Funktion der Leitfähigkeit ist durch die mittlere Kurve in Fig. 12 angegeben. Dieser kann verwendet werden für die Funktion &epsi;'( ) (beispielsweise in Block 816 von Fig. 8). In diesem Falle ist der Fehler in der Ausbreitungskonstante kleiner als 11% für Widerstände unter 100 ohm-m.
Es versteht sich, daß die für &epsi;'( ) gewählte Funktion maßgeschneidert werden kann für bestimmte Gesteinstypen oder für bestimmte Stellen auf der Erde. Beispielsweise können unterschiedliche Funktionen gewählt werden für Sandsteine und Karbonate.
In Fig. 14 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die einen zweiten Sender T2 auf der anderen Seite der Empfänger R1 und R2 verwendet. Diese Anordnung kann verwendet werden, um unter anderen den sogenannten "bohrlochkompensierten" Betrieb zu ermöglichen, d.h. eine Betriebsweise, die den Effekt des Bohrlochs auf die Messung minimiert. Bohrlochkompensation mit zwei alternierend betriebenen Sendern wurde in anderen Typen von Untersuchungen verwendet, jedoch wurde sie nach Wissen der Anmelderin vorher nicht verwendet oder vorgeschlagen für die Verwendung in einer Logvorrichtung mit transverser elektrischer, elektromagnetischer Ausbreitung, sofern es sich nicht um Kissentypvorrichtungen handelte. Einige der Gründe dafür wurden oben diskutiert. In der Ausführungsform nach Fig. 14 kann ein einziges Paar von Empfängern verwendet werden, um unterschiedliche Untersuchungstiefen zu erzielen, und Vorsorge ist getroffen, wie später noch zu beschreiben, für den Schutz der Empfängersignale gegen Rauschen (insbesondere Rauschen, herrührend von Übersprechen zwischen den Drähten mindestens eines Senderkabels, das die Empfängerstellen in einer bohrlochkompensierten Anordnung passieren muß).
Die Komponenten in Fig. 14, die gleiche Bezugszeichen haben wie jene der Ausführungsform nach Fig. 2, entsprechen in ihrer Funktion und Betriebsweise generell jenen Elementen. In Fig. 14 ist der Sender T1 der obere Sender und der Sender T2 der untere Sender, und der Empfänger R1 ist der Empfänger, der näher an T1 liegt. Die Sender werden über Oszillator 211, Verstärker 212, Schalter 1419 und Impedanzanpaßschaltungen 220 (für T1) und 1420 (für T2) erregt. Der Schalter 1419 ist unter Steuerung durch Prozessor 270, um zwischen der Erregung von T1 und von T2 zu wechseln. Im bohrlochkompensierten Betrieb werden die Phasenverschiebungsinformationen, gewonnen während Sendebetrieb durch T1 und Sendebetrieb durch T2, gemittelt, und die Dämpfung, gewonnen während Sendebetrieb von T1, und die Dämpfung, gewonnen während Sendebetrieb T2, werden gemittelt. Der Schalter 1419 kann mit irgendeiner geeigneten Frequenz betrieben werden, beispielsweise im Bereich von 10 bis 100 Hz. Die Mittelwertbildung kann vom Prozessor 270 ausgeführt werden. (Es ist auch auf U.S. Patent Nr. 3,849,721 zu verweisen, übertragen auf den gleichen Zessionar wie die vorliegende Erfindung, für eine festverdrahtete Ausführungsform der Schaltung für die Mittelwertbildung von Signalen in einem bohrlochkkompensierten System). Die Wirkungen der Anwendung der Bohrlochkompensation im hier vorliegenden Kontext werden weiter unten näher beleuchtet, beginnend mit der Beschreibung von Fig. 21.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine elektronische Bohrlochkalibermöglichkeit vorgesehen, welche Signale ausnutzen kann, gewonnen mit der Ausführungsform nach Fig. 14. Eine Erläuterung dieses Merkmals der Erfindung wird anhand der Diagramme nach Fig. 15A und 15B vorgenommen. In Fig. 15A ist der obere Sender in Betrieb und der untere Sender ist ausgeschaltet. Der Bohrlochdurchmesser wird in diesem Beispiel als sich von 2a bei R1 auf 2b bei R2 ändernd angenommen. Die Phasen und Amplituden der Signale bei R1 und R2 sind mit Φ1d, S1d beziehungsweise Φ2d, S2d bezeichnet. Aus (5b) und (5c) oben ergeben sich die Phasenverschiebung und die Dämpfung der sich nach unten ausbreitenden Welle zu
: Φd = Φ2d - Φ1d, (6)
und
Ad = 20 log&sub1;&sub0;( S2d / S1d ). (7)
Gemäß Fig. 15B soll der untere Sender in Betrieb sein und der obere Sender ausgeschaltet. Die Phasen und Amplituden der Signale bei R1 und R2 sind für diesen Fall Φ1u, S1u beziehungsweise Φ2u, S2u . Die Phasenverschiebung und die Dämpfung der sich nach oben ausbreitenden Welle sind
: Φu = Φ1u - Φ2u, (8)
und
Au = 20 log&sub1;&sub0;( S1u / S2u ). (9)
Das Phasenverschiebungsungleichgewicht (ΦI) und das Dämpfungsungleichgewicht (A1) sind demgemäß
ΦI = Φu - Φd, (10)
und
AI = Au - Ad. (11)
Das Phasenverschiebungsungleichgewicht und das Amplitudenungleichgewicht hängen ab von 2(b - a) der Änderung des Bohrlochdurchmessers zwischen R1 und R2. Dies kann gezeigt werden unter Verwendung eines Modells mit "seitlicher Welle" für die Wellenausbreitungspfade zur Illustration des Prinzips, wobei sich versteht, daß eine kompliziertere mathematische Analyse angewandt werden kann. Die Strahlungsgänge für die Abwärtsausbreitung sind mit Pfeilen 1 bis 5 in Fig. 15A bezeichnet. Die Strahlungsgänge für die Aufwärtsausbreitung sind mit Pfeilen 1' bis 5' in Fig. 15B markiert. Φd ist die Summe der Phasenverschiebungen längs Strecken 3 und 5 minus Phasenverschiebung längs Strecke 4. Die Pfade 4 und 5 würden identische Phasenverschiebungen aufweisen, wenn der Bohrlochdurchmesser konstant wäre und Φd würde einfach die Phasenverschiebung längs Pfad 3 sein. Die Phasenverschiebungen längs Pfaden 4 und 5 sind jedoch unterschiedlich, da die in der Bohrspülung und in der Formation durchlaufenen Distanzen unterschiedlich sind. In ähnlicher Weise ist Φu die Summe der Phasenverschiebungen längs Pfaden 3' und 5' minus der Phasenverschiebung längs Pfad 4'. Die Phasenverschiebungen sind gleich für Pfade 4 und 5', für Pfade 3 und 3' und für Pfade 5 und 4'. Demgemäß ist φI proportional der Differenz der Phasenverschiebungen zwischen Pfaden 4 und 5, was abhängt von 2(b - a).
Das Phasenverschiebungsungleichgewicht ΦI und das Dämpfungsungleichgewicht AI können berechnet werden unter Anwendung der ebenen Wellenausbreitungskonstanten. Die Ausbreitungskonstante für die Formation (zuerst dargelegt oben als Gleichung (2)) ist
wobei ω die Winkelfrequenz, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, &epsi;&sub0; die Permittivität im Vakuum, &epsi;'f die Dielektrizitätskonstante der Formation und Rf der Widerstand der Formation sind. Die Ausbreitungskonstante für die Bohrspülung ist
worin &epsi;'m, die Dielektrizitätskonstante der Spülung und Rm der Wider-
stand der Spülung sind. Das Phasenverschiebungsungleichgewicht und das Dämpfungsungleichgewicht sind
Wenn kf und km unterschiedlich und bekannt sind, können ΦI oder AI verwendet werden zum Ableiten der Änderung des Bohrlochdurchmessers 2(b - a). Die inkrementelle Änderung im Bohrlochdurchmesser, berechnet unter Verwendung des Phasenverschiebungsungleichgewichts, ist
und die inkrementelle Änderung im Bohrlochdurchmesser, berechnet unter Verwendung des Dämpfungsungleichgewichts ist
ΔDA = AI/[20log&sub1;&sub0;(&epsi;)Imag(kf - km)] (15b)
Wenn beide Empfänger sich oberhalb der Bohrlochdurchmesserschulter, die in Fig. 15A dargestellt ist, befinden, sind ΦI und AI null. Wenn sich die Empfänger an der Schulter vorbeibewegen, zeigen ΦI und A1 über der Tiefe, wo sich der Bohrlochdurchmesser ändert und die Größe, um die er sich ändert. Dies stellt einen "Differentialkaliber" dar, der verwendet werden kann, um beispielsweise Auswaschungen oder Höhlungen im Bohrloch zu erkennen.
In Fig. 16 ist eine Routine für die Steuerung eines Prozessors zum Erhalten des Phasenungleichgewichts ΦI und/oder des Dämpfungsungleichgewichts A1 dargestellt und zum Verwenden des erhaltenen Ungleichgewichts zum Gewinnen eines Differentialbohrlochkalibers und unter bestimmten Umständen eines Bohrlochkalibers.
Der Block 1611 repräsentiert die Initialisierung des Bohrlochdurchmessers D. Dies kann erfolgen, wenn die Information zur Verfügung steht, um eine Basislinie zu gewinnen, von der die absolute Bohrlochkaliberinformation aus der Differentialbohrlochkaliberinformation abgeleitet werden kann. Wenn diese Information nicht zur Verfügung steht, können immer noch brauchbare Differentialbohrlochkalibermessungen erhalten werden. Es wird dann in den Block 1613 eingetreten, der die Speicherung von Signalwerten für die Aufwärtsübertragung repräsentiert, d.h. dann, wenn der Sender T2 aktiv ist. In den Block 1614 wird dann eingetreten, welcher die Abspeicherung von Signalwerten für die Abwärtsübertragung repräsentiert, nämlich mit dem Sender T1 aktiv. Als nächstes kann man unter Verwendung der Beziehungen (6) und (8) die Werte der Phasenverschiebung für die Abwärtsübertragung Φd und den Wert für die Phasenverschiebung für die Aufwärtsübertragung Φu erhalten. Dies wird repräsentiert durch den Block 1621. Die Abwärtsrichtungsdämpfung Ad und die Aufwärtsrichtungsdämpfung Au werden dann erhalten gemäß Beziehungen (7) beziehungsweise (9), und diese Werte werden abgespeichert, wie durch Block 1623 repräsentiert. Das Phasenverschiebungsungleichgewicht ΦI kann nun berechnet werden unter Verwendung der Beziehung (10) und abgespeichert werden, repräsentiert durch Block 1641. Als nächstes kann das Dämpfungsungleichgewicht AI berechnet werden gemäß Beziehung (11) und abgespeichert werden, wie durch Block 1642 repräsentiert. Die Änderung des Bohrlochdurchmessers ΔD kann dann abgeleitet werden von dem Phasenverschiebungsungleichgewicht oder dem Dämpfungsungleichgewicht und gespeichert werden, wie durch Block 1671 repräsentiert. Die Änderung des Durchmessers ΔD wird dann addiert zu dem Durchmesser auf dem vorhergehenden Tiefenniveau, bezeichnet als Dz-1, um den Durchmesser und das laufende Tiefenniveau Dz zu erhalten. Dies wird durch Block 1681 repräsentiert. Dann wird in Block 1690 eingetreten, welcher Block das Erwarten des nächsten Satzes von Signalwerten repräsentiert. Ein Tiefen-(oder Zeit-)index wird dann inkrementiert (Block 1695) und der Block 1613 wird wieder angelaufen, um die Verarbeitung fortzusetzen. Es versteht sich, daß erwünschtenfalls das Phasenverschiebungsungleichgewicht verwendet werden kann für die Messung eines flacheren Abschnitts einer Aushöhlung und das Dämpfungsungleichgewicht für die Messung eines tieferen Abschnitts derselben.
Ein komplizierteres mathematisches Modell könnte verwendet werden, um das Phasenverschiebungsungleichgewicht und das Amplitudenungleichgewicht mit der Bohrlochdurchmesseränderung in Beziehung zu setzen. Beispielsweise können die spezifische Geometrie des Geräts, die Größe und Form des Bohrlochs und die Eigenschaften der Spülung und Formation in das mathematische Modell und in die Suchtabelle eingeschlossen werden. Eine Kalibersuchtabelle kann ebenfalls erzeugt werden durch Ausführung eines Experiments, bei dem ΦI und AI gemessen werden, wenn eine Sonde durch ein Bohrloch mit einem abgestuften Durchmesser bewegt wird.
Ein illustratives Beispiel soll nun gegeben werden. Es sei angenommen, daß die Antennen sich auf einem Bohrkragen mit 6,0 Zoll Durchmesser befinden und die folgenden Vertikalabstände aufweisen: T1 - R1 = 25", R1 - R2 = 6" und R2 - T2 = 25". Es sei ferner angenommen, daß die Sender eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz von 2 MHz abstrahlen. Fig. 17 zeigt das berechnete Ansprechen von ΦI für die in Fig. 15A und 15B dargestellte Situation, nämlich eine Schulter im Bohrlochdurchmesser. Die Berechnung umfaßt die Geometrie der Sonde und des Bohrlochs und die Widerstände der Spülung und der Formation, die mit 0,1 ohm-m beziehungsweise 10 ohm-m in diesem Beispiel angenommen wurden. Der angenommene Bohrlochdurchmesser ist 8,5" oberhalb der Vertikalposition z = 0". Unter z = 0" geht der Bohrlochdurchmesser auf die Werte von 9", 9,5", 10,5", 11,5", 12,5", 14,5", 16,5", 20,5" und 24,5". Die berechneten Werte für ΦI erweisen sich als maximal bei z = 0", was zum Lokalisieren der Höhlungskante verwendet werden kann. Die berechneten Maximalwerte sind proportional der Änderung im Bohrlochdurchmesser.
Fig. 18 zeigt ein Phasenkaliberdiagramm, konstruiert aus den in Fig. 17 wiedergegebenen Daten. Die ausgezogene Linie zeigt die Änderung des Bohrlochdurchmessers über dem Phasenverschiebungsungleichgewicht bei z = 0" für Rm = ,1 ohm-m und Rf = 10 ohm-m. Zum Vergleich zeigt die gestrichelte Linie das Phasenkaliberdiagramm für Rm = ,1 ohm-m und Rf = 1 ohm-m. Das Phasenkaliberdiagramm kann auch geschrieben werden als mathematische Funktion
ΔDΦ = F(ΦI)Δz, (16)
worin ΔDφ das Durchmesserinkrement ist, Δz der Abstand zwischen den Empfängern ist und F(ΦI)Δz die funktionale Darstellung der Phasenkalibertabelle ist. Typischerweise hat F(ΦI) nur eine schwache Abhängigkeit von Rf, jedoch eine starke Abhängigkeit von Rm. Demgemäß wird eine Tabelle mit einem angemessenen Wert für Rm bevorzugt, da Rm am Ort des Bohrlochs bekannt ist. Zusätzlich kann auch Rf bekannt sein aus der hier beschriebenen Widerstandsmessung.
Um ein Differentialkaliber zu gewinnen, kann der gemessene Wert für ΦI in Fig. 18 eingegeben werden (oder eine Suchtabelle, die daraus hergeleitet ist) und das Inkrement des Bohrlochdurchmessers wird ausgelesen. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Sonde in einem 8,5" Bohrloch beginnt und der Wert ΦI = -42º gemessen wird. Dies entspricht einer 6" Zunahme im Bohrlochdurchmesser. Danach wird ΦI = 21º gemessen, entsprechend 3" Abnahme des Bohrlochdurchmessers. Ausgehend von einem bekannten Bohrlochdurchmesser kann die vollständige Phasenkalibertabelle benutzt werden. Wenn der anfängliche Bohrlochdurchmesser jedoch nicht bekannt ist, dann kann die Tabelle durch eine lineare Funktion approximiert werden, wie jene, die als gestrichelte Kurve in Fig. 18 gezeigt ist. In diesem Falle beträgt die Änderung des Bohrlochdurchmessers
ΔDφ = KΦI (17)
wo K unabhängig ist von ΦI. K ist die Steigung der gestrichelten Linie in Fig. 18 beispielsweise.
In ähnlicher Weise kann das Bohrlochdurchmesserinkrement gewonnen werden aus dem Dämpfungsungleichgewicht, obwohl, wie oben erwähnt, die Dämpfung eine tiefere Untersuchung liefert. Fig. 19 zeigt das Dämpfungskaliberdiagramm entsprechend Rm = ,1 ohm-m und Rf = 1 ohm-m sowie Rf = 10 ohm-m. Dieselbe Prozedur, wie für das Gewinnen von ΔDφ beschrieben, kann verwendet werden, um das Bohrlochdurchmesserinkrement aus der Dämpfung ΔDA zu bestimmen. Aus den gespeicherten Daten kann ein Differentialkaliberlog ΔDφ und/oder ΔDA offenbaren.
Ein Kaliberlog kann gewonnen werden aus ΦI und/oder AI durch Aufsummieren oder Integrieren relativ zur Vertikalposition. (Siehe Block 1681 von Fig. 16). Ein anfänglicher Wert für den Bohrlochdurchmesser ist erforderlich, welcher erlangt werden kann aus einem Abschnitt des Bohrlochs von dem bekannt ist, daß es mit der Bohrkopfgröße übereinstimmt. Eine konsolidierte Sandsteinformation kann beispielsweise als eine Referenz verwendet werden. Der Bohrlochdurchmesser, gewonnen aus dem Phasenkaliber, ist
worin Dφ (z0) der bekannte Durchmesser bei z&sub0; ist, ΦI(z') das gemessene Phasenverschiebungsungleichgewicht über der Tiefe ist und F(ΦI(z')) die Phasenkalibertabelle ist, geschrieben in Funktionsformat. Die lineare Approximation für F(ΦI) kann ebenfalls in dem Integranden verwendet werden.
Fig. 20 zeigt das Phasenkaliberlog für eine Auswaschung oder einen Hohlraum 18" hoch und mit einem Durchmesser von 16,5" in einem Bohrloch mit einem Durchmesser von 8,5". Die durchgezogene Kurve ist der tatsächliche Bohrlochdurchmesser und die gestrichelte Kurve ist das Phasenkaliberlog, berechnet unter Verwendung der Gleichung (18) und einer linearen Darstellung für F(ΦI). Der Anfangswert, gewählt für den Bohrlochdurchmesser, ist Dφ(60") = 8,5".
Die Fig. 21A und 21B, die aus Computersimulationen stammen, basierend auf den oben wiedergegebenen Beziehungen, zeigt ein Beispiel für den Effekt der Verwendung von Bohrlochkompensation. In einem Einsendersystem besteht, wenn sich die Logvorrichtung durch eine Schichtgrenze bewegt, die Tendenz, daß sich in dem verarbeiteten Empfängerausgang (beispielsweise Rφ oder RA) "Hörner" finden als ein Ergebnis von Faktoren, wie der Energiereflektion an den Schichtgrenzen. Diese Hörner sind offensichtlich in Rφ(dargestellt in gestrichelten Linien) nahe den Schichtgrenzen in dem Beispiel der Fig. 21A, die den Fall einer 3' Schicht von 36 ohm-m Widerstand zeigt (mit einer Eindringzone von 2 ohm-m), umgeben von Formationen mit Widerstand 10 ohm-m und Spülungswiderstand 0,2 ohm-m. Die Wassersättigung Sw beträgt 25%. Fig. 21B zeigt das Signal Rφ (in breiterer gestrichelter Linie), wenn zwei Sender in einer Bohrlochkompensationsanordnung eingesetzt werden. Man erkennt, daß die Hörner reduziert oder eliminiert sind und ein symmetrischer Verlauf für Rφ erhalten wird mit einem angegebenen Schichtwiderstandswert von etwa 5,5 ohm-m. Der RA Verlauf (schmalere gestrichelte Linie) ist ebenfalls dargestellt. Er ist symmetrisch und hat eine größere Untersuchungstiefe, so daß er mehr von der jungfräulichen Schicht (und weniger von der Eindringzone) sieht und zeigt einen Schichtwiderstandswert von etwa 13 ohm-m. Wie zu sehen, hat die RA Messung eine geringere vertikale Auflösung als Rφ , so daß die Schichtgrenzen aus der RA Messung weiter erscheinen.
In dem Beispiel der Fig. 22A und 22B ist eine eindringfreie 3' Schicht mit dem Widerstand 2 ohm-m gezeigt, umgeben von Formationen von 5 ohm-m mit Salzspülung (0,04 ohm-m). Die Wassersättigung Sw beträgt in diesem Fall 100%. In Fig. 22A (nicht bohrlochkompensiert) zeigt sich der Rφ Verlauf (gezeigt in gestrichelter Linie) als asymmetrisch. In Fig. 22B (bohrlochkompensierter Fall) sind die Verläufe sowohl von Rφ (breitere gestrichelte Linie) als auch RA (schmalere gestrichelte Linie) symmetrisch. Wiederum zeigt sich die Rφ Messung mit einer besseren vertikalen Auflösung. Die Rφ Messung im Schichtzentrum zeigt sich sehr nahe an dem tatsächlichen Widerstandswert des Bettes mit 2,0 ohm-m. Die Bohrlochkompensation ist auch wirksam bezüglich der Verringerung von Fehlern des scheinbaren Widerstandes, bewirkt durch Höhlungen in dem Bohrloch.
Bezüglich der Messung von Höhlungen spricht die flachere Phasenmessung Rφ auf Höhlungen an (generell erfaßt sie den Spülungswiderstand in der Höhlung als Teil des scheinbaren Widerstandes), während die tieferen Dämpfungsmessungen RA auf Höhlungen im wesentlichen nicht anspricht. Dies ist in Fig. 23A und 23B dargestellt. Fig. 23A zeigt die Situation (nicht bohrlochkompensiert) für eine Höhlung, die 0,8" tief und 18" breit ist mit Rm = 0,1 ohm-m und Rt = 2 ohm-m. Die Rφ Messung sieht so aus, als würde sie auf eine oder mehrere dünne Schichten ansprechen. (Dies sieht man auch in Fig. 23B (gleiche Bedingungen - jedoch bohrlochkompensiert). Fig. 23B zeigt außerdem RA, doch ist dies kaum sichtbar längs der 2 ohm-m Linie, da es nicht merkbar auf die Höhlung anspricht). Deshalb ist eine Phasenverschiebungsmessung (Rφ) allein nicht gut für die Unterscheidung zwischen einer Schicht und einem Hohlraum. Wenn man jedoch außerdem den Verlauf der Dämpfungsmessung (RA) beobachtet oder dessen Fehlen, kann man zwischen einem Hohlraum und einer Schicht unterscheiden. Die Routine für den Prozessor für die Implementation dieser Prozedur wird weiter unten beschrieben in Verbindung mit Fig. 25.
Zusätzlich zur Identifikation des Vorhandenseins einer Schicht ist es wünschenswert, ihre Grenzen so genau wie möglich zu lokalisieren. Gemäß einem Merkmal der Erfindung zeigt sich, daß der Kreuzungspunkt der scheinbaren Widerstände Rφ und RA mit guter Genauigkeit an der tatsächlichen Schichtgrenze auftritt. Wie oben erwähnt (beispielsweise in Fig. 22B), ändert sich RA, wenn die Lagvorrichtung an der Schichtgrenze vorbeigeht relativ langsam von dem Schulterschichtwiderstand in Richtung auf den Dünnschichtwiderstand. Rφ bleibt nahe an dem Schulterschichtwiderstand während einer längeren Periode und ändert sich dann mehr abrupt in Richtung des Dünnschichtwiderstands. Die Tiefenniveaus, bei denen RA und Rφ zusammenfallen, ist der Kreuzungspunkt. Wie in Fig. 22B zu sehen, tritt dies direkt an der tatsächlichen Schichtgrenze auf. Fig. 24 zeigt ein anderes illustratives Beispiel. In diesem Falle liegt eine 10' breite Schicht mit spezifischem Widerstand 36 ohm-m in einer 5 ohm-m Formation vor mit Sw = 25% und mit Salzspülung (0,04 ohm-m). Die Kurve Rφ ist mit den längeren gestrichelten Linien dargestellt und die Kurve RA mit den kürzer gestrichelten Linien. Die Kreuzungspunkte treten erkennbar an den tatsächlichen Schichtgrenzen auf.
Es ist ferner wünschenswert, die Kanten einer Höhlung zu lokalisieren und ihre Tiefe zu bestimmen. Das Phasenverschiebungsungleichgewicht ΦI, das oben diskutiert wurde, liefert diesbezügliche Information, da eine Höhlungskante als eine Spitze des Differentialbohrlochkalibers erscheint (von ΦI), und die Höhe der Spitze hängt ab von der Höhlungstiefe.
In Fig. 25 ist ein Flußdiagramm einer Routine für das Programmieren des Prozessors (unter Tage oder über Tage) gezeigt, damit zwischen Höhlungen und Schichten unterschieden werden kann und zum Bestimmen des Ortes der Grenzen und der Eigenschaften derselben. Der Block 2511 repräsentiert die Initialisierung von Parametern, beispielsweise Bohrlochdurchmesser in einem bekannten Bereich, Eigenschaften der Spülung usw., wie vorbeschrieben. Der Block 2512 repräsentiert die Verarbeitung der Signale von dem laufenden Tiefenniveau (oder Taktreferenz) zum Ableiten von Rφ und RA, wie vorbeschrieben, beispielsweise in Verbindung mit Fig. 9. Dann wird in den Block 2515 eingetreten, der die Berechnung und Speicherung der Änderung der scheinbaren spezifischen Widerstände repräsentiert, nämlich die Änderung in jedem der Werte Rφ und RA relativ zu dem vorhergehenden Wert desselben, gewonnen über ein gegebenes Tiefeninkrement. Der Entscheidungsrhombus 2525 und eine Prüfung wird durchgeführt, ob oder ob nicht Rφ sich um mindestens einen vorbestimmten Prozentsatz geändert hat, beispielsweise 5%, über die Distanz des Abstands zwischen den Empfängern. Dieser Test dient dazu, zu bestimmen, daß eine wesentliche Änderung bei Rφ stattgefunden hat, die eine Grenze einer Schicht oder einer Höhlung anzeigen könnte. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, erfolgt sie rückwärts zu Block 2598 und das Eintreffen der nächsten Signalinformation wird abgewartet. Wenn jedoch diese Bedingung erfüllt wird, wird in den Entscheidungsrhombus 2528 eingetreten und eine Prüfung erfolgt, ob oder ob nicht nachfolgende Änderungen von Rφ in derselben Richtung vorliegen. Dieser Test, der optional ist, dient dem Zweck der Eliminierung von Ausschlägen, die beispielsweise auf Rauschen zurückzuführen sind und die nicht generell das Vorhandensein einer wesentlichen Schicht oder Höhlung anzeigen. Wenn der Test nicht erfüllt wird, erfolgt die Rückkehr zum Block 2598, wenn jedoch dieser Test erfüllt ist, wird in den Entscheidungsrhombus 2530 eingetreten.
Sofern und sobald der Entscheidungsrhombus 2530 erreicht ist, liegt eine wesentliche Änderung von Rφ vor und RA wird nun überprüft, um zwischen einer Höhlung und einer Schicht zu unterscheiden; es wird in Erinnerung gerufen, daß RA auf eine Höhlung nicht deutlich anspricht, jedoch generell anspricht auf eine Schicht. In dem Test des Blocks 2530 erfolgt eine Bestimmung, ob oder ob nicht RA sich um einen vorbestimmten Prozentsatz geändert hat, beispielsweise 5%, über die Distanz zwischen den Empfängern. Falls nicht, wird das Vorliegen einer Höhlung indiziert und in den Block 2550 wird eingetreten zur Implementierung der Verarbeitung bezüglich einer Höhlung. Wenn die Bedingung erfüllt ist, ist eine Schicht indiziert und man tritt in Rhombus 2570 ein.
Im Falle einer Negativantwort auf die Anfrage des Rhombus 2530 kann die Verarbeitung erfolgen derart, daß sie ähnlich der Bohrlochkaliberverarbeitung ist, die in Verbindung mit Fig. 16 beschrieben wurde. Mit anderen Worten kann die Höhlung als eine Veränderung des Bohrlochdurchmessers betrachtet werden. Demgemäß repräsentiert der Block 2550 die Berechnung des Phasenverschiebungsungleichgewichts ΦI in Übereinstimmung mit der Routine nach Fig. 16. Die Bohrlochkaliberroutine kann dann ausgeführt (oder fortgesetzt) werden zum Gewinnen und Speichern von ΔD und Dz, wie vorbeschrieben. Dies wird durch den Block 2555 repräsentiert.
Wenn der Test des Rhombus 2530 eine Schicht indizierte, wird in den Rhombus 2570 eingetreten und eine Prüfung erfolgt, ob oder ob nicht eine Überkreuzung zwischen Rφ und RA vorliegt. Wie oben beschrieben, werden die Schichtgrenzen lokalisiert und die überkreuzungen zwischen diesen beiden scheinbaren spezifischen Widerständen. Das Vorhandensein einer Überkreuzung kann erkannt werden durch Bestimmung des Vorzeichens des Verhältnisses:
[RA(zN) - Rφ(zN)]/[RA(zN-1) - Rφ(zN-1)] (19)
Wenn keine Überkreuzung vorliegt, wird diese Größe positiv sein (da derselbe der spezifischen Widerstände an den beiden aufeinanderfolgenden Tiefenniveaus, die hier interessieren, größer sein wird), während bei Vorliegen einer überkreuzung der Zähler und der Nenner unterschiedliche Vorzeichen haben werden, so daß die indizierte Größe negativ sein wird. Wenn keine Überkreuzung festgestellt wird, erfolgt der Eintritt in den Block 2598. Wenn eine Überkreuzung vorliegt, wird in Block 2575 eingetreten, welcher Block das Ausführen einer Interpolation repräsentiert zum Lokalisieren des Tiefenniveaus des Überkreuzungspunktes mit größerer Genauigkeit. Die Interpolation von Block 2575 wendet die folgende Beziehung an:
Diese Beziehung (20) liefert eine lineare Interpolation, die den Wert zboundary liefert, wie in Fig. 25C dargestellt. Der bestimmte Überkreuzungspunkt kann dann abgespeichert werden als nächste Schichtgrenze, wie durch Block 2580 repräsentiert, und es kann wieder in Block 2598 eingetreten werden für die Fortsetzung der Verarbeitung.
Fig. 26 zeigt eine Ausführungsform einer Meßvorrichtung 200, wie sie verwendet wird in dem System der Messung beim Abteufen nach Fig. 1, und die zwei Sender aufweist und angewandt werden kann bei der Realisierung der verschiedenen Merkmale der Erfindung. In der Konfiguration nach Fig. 26 sind die Antennen und ein Teil der zugeordneten Elektronik in einem Abschnitt des Drillkragens 2610 ausgebildet, der metallische Zylinder umfaßt mit einer zentralen Bohrung 2615, durch welche das Drillfluid strömt. (Es versteht sich, daß Vorsorge getroffen wird für die Strömung von Bohrfluid durch Elemente wie 58, 53, 57 und 56, was durch eine zentrale Bohrung erfolgen kann (mit den Komponenten in Ringkonfiguration), oder die Komponenten können in einem zentralen Bereich vorgesehen werden mit einer ringförmigen Öffnung für die Spülungsströmung).
Ausnehmungen 2601, 2602, 2603 und 2604 sind maschinell in den Bohrkragen 2610 eingearbeitet. Die Ausnehmungen sind hinreichend flach, um die mechanische Integrität des Bohrkragens aufrechtzuerhalten. Die Sendeantenne T1, die Empfangsantennen R1 und R2 und die Sendeantenne T2 umfassen jeweils eine Spule, gewickelt auf ein isolierendes Medium in einer entsprechenden Ausnehmung (2601 bis 2604). Wie weiter in Fig. 27 dargestellt, die eine der Empfangsantennen zeigt, wird eine Basislage aus Isoliermaterial, wie Glasfaser-Epoxy 2635, in der Ausnehmung gebildet, und die Spule wird auf das Isoliermaterial gewickelt und abgedeckt mit weiterem Glasfaser-Epoxy 2636. Eine Lage aus Gummi 2640, wie Viton- Gummi, deckt die Spule ab und dient zum Schutz der Spule und der Glasfaser gegen das Eindringen von Wasser, das die Wirksamkeit der Spule verschlechtern könnte oder den Isolator zerstören könnte. Die Gummischicht sitzt auf Schultern 2641 der Ausnehmung. Eine Abschirmung 2660, beispielsweise der Bauart wie in meinem U.S. Patent Nr. 4,536,714 beschrieben, wird über der Ausnehmung vorgesehen. Die Abschirmung hat die Form eines leitenden, metallischen Zylinders mit Schlitzen in Axialrichtung. Die Schlitze ermöglichen den Durchtritt der gewünschten elektrischen transversen, elektromagnetischen Wellen, doch transverse magnetische Komponenten sind wirksam abgeschirmt gegen Durchtritt zu oder von der Spule (je nachdem), da ein Kurzschlußstrompfad für diese Komponenten geschaffen wird. In der dargestellten Ausführungsform ist die Abschirmung auf Schultern 2665 der Ausnehmung montiert und Befestigungsschrauben (nicht dargestellt) sind vorgesehen, um die Abschirmung an Ort und Stelle zu halten. Eine weitere Schicht aus Gummi 2668 ist auf der Unterseite der Abschirmungsoberfläche vorgesehen und füllt auch die Schlitze der Abschirmung.
In der in Fig. 26 dargestellten Ausführungsform hat jede Antenne ein nahegelegenes Abteil, gebildet in dem Bohrkragen, wobei die Abteile, zugeordnet T1, R1, R2 und T2, mit den Bezugszeichen 2611, 2612, 2613 beziehungsweise 2614 versehen sind. Wie in Fig. 27 zu sehen, hat jedes Abteil eine abnehmbare metallische, druckdichte Kappe 2691. Die Abteile, zugeordnet den Empfängern, umfassen jeweils Signalkonditioniermittel, die in der vorliegenden Ausführungsform Impedanzanpassung umfassen (beispielsweise einen Balun-Schaltkreis) und einen Vorverstärker, wie in Fig. 27 durch den gestrichelten Block 2695 angedeutet. Diese Schaltkreise sind in Fig. 14 als Blöcke 230 und 231 (oder 240 und 241) als Beispiel gezeigt. Für die Abteile nahe dem Sender würde der gestrichelte Block 2695 Impedanzanpassungsschaltkreise (beispielsweise eine Abstimmschaltung) enthalten, wie durch den Block 220 beziehungsweise 1420 in Fig. 14 repräsentiert. Die beiden Enden der Spule oder von Leitern, die an diese angekoppelt sind, werden über handelsübliche druckdichte Durchführungen 2681 geführt (von denen eine in Fig. 27 sichtbar ist) zu ihren entsprechenden Abteilen.
Eine druckdichte Hülse 2720 ist nahe der Innenoberfläche des Bohrkragens 2610 vorgesehen. Der Durchtritt 2725 innerhalb der Hülse kommuniziert mit jedem Abteil und enthält die Verdrahtung zu den Sendern T1 und T2 von den Empfängern R1 und R2 und zu und von der Gewinnungs- und Verarbeitungselektronik 58 (Fig. 1), Leistungsversorgung, usw. Im Betrieb haben die Vorverstärkung und die Impedanzanpassung der Empfangssignale an einer Stelle, die dicht an den Empfängern ist, die Tendenz, die Wirkung von Rauschen herabzusetzen, insbesondere Übersprechen von der Senderverkabelung. In der Ausführungsform nach Fig. 26 ist ein weiteres druckdichtes Abteil 2609, das ebenfalls mit dem Durchtritt 2725 kommuniziert, zwischen den Empfangsantennen angeordnet und enthält den Schalter 250 und Verstärker 251 (Fig. 14)
Die Erfindung wurde beschrieben unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen, doch werden Fachleute Variationen innerhalb des Rahmens und Schutzumfangs der Erfindung finden. Beispielsweise versteht es sich, daß zwar Gleichungen vorgestellt wurden, basierend auf der Theorie der magnetischen Dipolstrahlung in homogenen Medien, die Prinzipien, die hier dargelegt wurden, jedoch generell sich beziehen auf Antennen, die primär elektrische transverse Felder abstrahlen oder empfangen. Außerdem versteht es sich, daß bei der Formulierung der Suchtabellen oben (oder Ausführung entsprechender Verarbeitung) zusätzliche Faktoren Berücksichtigung finden können, je nach Wunsch, beispielsweise: Merkmale der untertägigen Geologie, das Vorhandensein einer nahen Schicht mit spezifiziertem Widerstand, das Vorhandensein einer bestimmten Dicke des Spülungskuchens mit einem spezifizierten Widerstand, einem vorbestimmten Eindringgrad, die spezifische Sondengeometrie und die Größe und Geometrie der Sensoren. Auch kann die Suchtabelleninformation empirisch entwickelt werden.

Claims

1. Eine Logvorrichtung für die Bestimmung des Widerstandes von ein Bohrloch umgebenden Erdformationen, umfassend:

einen Sender für die Erzeugung elektromagnetischer Wellenenergie an einer ersten Stelle in dem Bohrloch, gekennzeichnet durch:

ein Paar von Empfängerspulen für den Empfang elektromagnetischer Wellenenergie an einer von jeder von zweiten und dritten Stellen in dem Bohrloch, welche zweiten und dritten Stellen sukzessiv in Längsrichtung in dem Bohrloch von der ersten Stelle beabstandet sind;

einen Schaltkreis für die Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen elektromagnetischer Energie, empfangen an der zweiten und der dritten Stelle in dem Bohrloch;

einen Schaltkreis für die Erfassung der Dämpfung zwischen elektromagnetischer Energie, empfangen an der zweiten und der dritten Stelle in dem Bohrloch,

wobei die Vorrichtung ein System umfaßt für die Bestimmung, als eine Funktion der erfaßten Phasenverschiebung, des Widerstandes der Formationen in einer relativ flachen Untersuchungstiefe rings um die zweite und die dritte Stelle und für die Bestimmung, als eine Funktion der erfaßten Dämpfung, des Widerstandes der Formationen an einer relativ großen Untersuchungstiefe rings um die zweite und die dritte Stelle.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Sender beziehungsweise Empfänger einen Sender beziehungsweise einen ersten und einen zweiten Empfänger umfassen, montiert in einem Loggerät, das in einen Bohrstrang kuppelbar ist, wodurch das Loggen während des Abteufens und während des Lösens des Bohrstrangs ausführbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der erzeugten elektromagnetischen Energie im Bereich von 0,1 MHz bis 10 MHz ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender und die Empfänger im wesentlichen vertikale magnetische Dipolantennen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Logvorrichtung sowohl einen oberen als auch einen unteren, im Abstand angeordnete Sender umfaßt, die so ausgebildet sind, daß der Empfänger, der einen oberen und einen unteren, im Abstand angeordneten Empfänger an der zweiten beziehungsweise dritten Stelle umfaßt, sich zwischen dem oberen und dem unteren Sender auf einer im wesentlichen mit ihnen gemeinsamen Achse befindet, daß eine Steuereinheit für das alternierende Erregen des oberen und des unteren Senders mit transverser elektrischer, elektromagnetischer Energie vorgesehen ist, und der Schaltkreis für die Erfassung der Phasenverschiebung einsetzbar ist zum Erzeugen eines oberen Phasenverschiebungsausgangssignals während der Erregung des oberen Senders und eines unteren Phasenverschiebungsausgangssignals während der Erregung des unteren Senders, und zum Gewinnen der erfaßten Phasenverschiebung durch Mittelwertbildung des oberen Phasenverschiebungsausgangssignals und des unteren Phasenverschiebungsausgangssignals, der Schaltkreis für die Erfassung der Dämpfung betätigbar ist zum Erzeugen eines oberen Dämpfungsausgangssignals während der Erregung des oberen Senders und eines unteren Dämpfungsausgangssignals während der Erregung des unteren Senders, und zum Gewinnen der erfaßten Dämpfung durch Mittelwertbildung des oberen Dämpfungsausgangssignals und des unteren Dämpfungsausgangssignals.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , ferner gekennzeichnet durch ein Aufzeichnungsgerät, das mit der Logvorrichtung gekoppelt ist für die Aufzeichnung der bestimmten Widerstände, wenn die Logvorrichtung durch das Bohrloch bewegt wird, um so Aufzeichnungen der Widerstände, als Funktion der Bohrlochtiefe, zu gewinnen, und einen Kornperator für den Vergleich der beiden bestimmten Widerstände und für die Erzeugung einer Indikation einer Bohrlochhöhlung, wenn eine Änderung des Widerstandes vorliegt, bestimmt aus den erfaßten Phasenverschiebungen, ohne eine entsprechende Änderung des Widerstandes, bestimmt aus den erfaßten Dämpfungen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, ferner gekennzeichnet durch eine Verarbeitungseinheit für die Bestimmung der Überschneidung der Größen zwischen dem Widerstand, bestimmt aus der Phasenverschiebung, und dem Widerstand, bestimmt aus der Dämpfung, als eine Indikation einer Bettungsgrenze.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner gekennzeichnet durch eine Verarbeitungseinheit, ansprechend auf das obere Phasenverschiebungsausgangssignal und das untere Phasenverschiebungsausgangssignal für die Erzeugung eines Phasenverschiebungsungleichgewichtssignals, das indikativ ist für eine Änderung der Bohrlochgröße im Bereich des Empfängers.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner gekennzeichnet durch eine Verarbeitungseinheit, ansprechend auf das obere Dämpfungsausgangssignal und das untere Dämpfungsausgangssignal zum Erzeugen eines Dämpfungsungleichgewichtssignals, das indikativ ist für eine Änderung der Bohrlochgröße im Bereich des Empfängers.

10. Eine Logvorrichtung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch ein langgestrecktes, generell zylindrisches Gehäuse, das durch das Bohrloch beweglich ist, an welchem der Empfänger im Längsabstand von dem Sender angeordnet ist, und eine erste und eine zweite Kammer in dem Gehäuse, wobei eine der Kammern nahe jeder der zweiten und dritten Stelle liegt mit mindestens einem Kommunikationsdurchlaß durch das Gehäuse zu einer zugeordneten Empfangsantenne, wobei jede der Kammern einen Signalaufbereiter enthält, der an seine entsprechende Empfangsantenne durch den Kommunikationsdurchlaß hindurch angekoppelt ist.

11. Eine Logvorrichtung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch ein langgestrecktes, generell zylindrisches Gehäuse, das durch das Bohrloch beweglich ist, wobei in dem Gehäuse mindestens eine Sendeantenne und eine erste und eine zweite Empfangsantenne an der zweiten beziehungsweise dritten Stelle montiert sind, und bei der jede der Antennen eine Ausnehmung umfaßt, ausgebildet in dem Gehäuse, Isoliermaterial, das auf der Ausnehmung angeordnet ist, eine auf der Ausnehmung gewickelte Spule, eine die Spule abdeckende wasserfeste Schicht aus Isoliermaterial und einen die Schicht abdeckenden geschlitzten Schild.

12. Ein Verfahren zum Bestimmen des Widerstandes von Erdformationen, die ein Bohrloch umgeben, umfassend die Schritte: Erzeugen elektromagnetischer Wellenenergie an einer ersten Stelle in dem Bohrloch, gekennzeichnet durch Empfangen elektromagnetischer Wellenenergie an einer zweiten und einer dritten Stelle in dem Bohrloch, wobei die zweite und die dritte Stelle sukzessiv im Längsabstand in dem Bohrloch von der ersten Stelle liegen, Erfassen der Phasenverschiebung zwischen elektromagnetischer Energie, empfangen an der zweiten beziehungsweise dritten Stelle in dem Bohrloch, Erfassen der Dämpfung zwischen elektromagnetischer Energie, empfangen an der zweiten beziehungsweise dritten Stelle in dem Bohrloch, und Bestimmen, als eine Funktion der erfaßten Phasenverschiebung, des Widerstandes der Formationen mit einer relativ geringen Untersuchungstiefe rings um die zweite und die dritte Stelle, und Bestimmen, als eine Funktion der erfaßten Dämpfung, des Widerstandes der Formationen an einer relativ großen Untersuchungstiefe rings um die zweite und die dritte Stelle.

13. Das Verfahren nach Anspruch 12, ferner gekennzeichnet durch Vergleichen der beiden bestimmten Widerstände, als eine Funktion der Bohrlochtiefe, und Bestimmen von Formationsbettungsgrenzen aus Überschneidungen der beiden bestimmten Widerstände.

14. Das Verfahren nach Anspruch 12 zum Bestimmen des Widerstandes von ein Bohrloch umgebenden Formationen, ferner gekennzeichnet durch: Vorsehen einer Logvorrichtung, die durch ein Bohrloch beweglich ist, wobei die Logvorrichtung einen oberen und einen unteren, im Abstand voneinander angeordneten Sender und einen oberen und einen unteren, zwischen den Sendern angeordneten und voneinander im Abstand liegenden Empfänger aufweist, wobei der obere Sender sich an einer ersten Stelle befindet und der obere und der untere Empfänger sich an der zweiten beziehungsweise dritten Stelle befinden, alternierendes Erregen der Sender mit transverser elektrischer, elektromagnetischer Energie, Erfassen der Phasenverschiebung und der Dämpfung zwischen der Energie, empfangen bei den beiden Empfängern während der Erregung des oberen Senders, Erfassen der Phasenverschiebung und der Dämpfung zwischen der Energie, empfangen an den beiden Empfängern während der Erregung des unteren Senders, Bestimmen, als Funktion der beiden erfaßten Phasenverschiebungen, des Widerstandes der Formationen bei einer relativ geringen Untersuchungstiefe rings um die Empfänger, und Bestimmen, als eine Funktion der beiden erfaßten Dämpfungen, des Widerstandes der Formationen bei einer relativ großen Untersuchungstiefe rings um die Empfänger.

15. Das Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der erzeugten elektromagnetischen Energie im Bereich 0,1 MHz bis 10 MHz ist.

16. Das Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren während des Abteufens des Bohrlochs ausgeführt wird.

17. Das Verfahren nach Anspruch 12, ferner gekennzeichnet durch Vergleichen der beiden bestimmten Widerstände und Erzeugen einer Indikation einer Bohrlochhöhlung, wenn eine Änderung des aus den erfaßten Phasenverschiebungen bestimmten Widerstandes ohne eine entsprechende Änderung des aus den erfaßten Dämpfungen bestimmten Widerstandes vorliegt.

18. Das Verfahren nach Anspruch 12, ferner gekennzeichnet durch Aussenden von Energie, alternierend von einer oberen und einer unteren beabstandeten Sendestelle in dem Bohrloch, Empfangen der Energie an einer oberen und einer unteren beabstandeten Empfangsstelle zwischen den Sendestellen, Erfassen der Phasenverschiebungen zwischen Energie, empfangen an der unteren Empfängerstelle, und der Energie, empfangen an der oberen Empfängerstelle, während der Aussendung von der oberen Sendestelle, und Erzeugen eines oberen Phasenverschiebungsausgangssignals daraus, Erfassen der Phasenverschiebung zwischen Energie, empfangen an der oberen Empfangsstelle, und Energie, empfangen an der unteren Empfangsstelle, während der Aussendung von der unteren Sendestelle, und Erzeugen eines unteren Phasenverschiebungsausgangssignals daraus, und Erzeugen eines Phasenverschiebungsungleichgewichtssignals in Abhängigkeit von dem oberen Phasenverschiebungsausgangssignal und dem unteren Phasenverschiebungsausgangssignal, welches Phasenverschiebungsungleichgewichtssignal indikativ ist für eine Änderung der Bohrlochgröße im Bereich der Empfängerstellen.

19. Das Verfahren nach Anspruch 12, ferner gekennzeichnet durch Aussenden von Energie, alternierend von im Abstand liegenden oberen und unteren Sendestellen in das Bohrloch, Empfangen der Energie

an im Abstand liegenden oberen und unteren Empfangsstellen zwischen den Sendestellen, Erfassen der Dämpfung zwischen Energie, empfangen an der oberen Empfangsstelle, und Energie, empfangen an der unteren Empfangsstelle, während der Aussendung von der oberen Sendestelle, und Erzeugen eines oberen Dämpfungsausgangssignals daraus, Erfassen der Dämpfung zwischen Energie, empfangen an der oberen Empfangsstelle, und Energie, empfangen an der unteren Empfangsstelle, während der Aussendung von der unteren Sendestelle, und Erzeugen eines unteren Dämpfungsausgangssignals daraus, und Erzeugen eines Dämpfungsungleichgewichtssignals in Abhängigkeit von dem oberen Dämpfungsausgangssignal und dem unteren Dämpfungsausgangssignal, welches Dämpfungsungleichgewichtssignal indikativ ist für eine Änderung der Bohrlochgröße im Bereich der Empfangsstellen.

20. Das Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt der Widerstandsbestimmung, als Funktion der erfaßten Phasenverschiebung, das Anwenden einer Transformation umfaßt von der Phasenverschiebung auf den Widerstand, und bei dem die Transformation eine Korrelation verwendet zwischen der dielektrischen Permittivität und der Leitfähigkeit der Erdformationen.

21. Das Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt der Bestimmung des Widerstandes, als Funktion der erfaßten Dämpfung, das Anwenden einer Transformation umfaßt von der Dämpfung auf den Widerstand, und bei dem die Transformation eine Korrelation verwendet zwischen der dielektrischen Permittivität und der Leitfähigkeit der Erdformationen.