DE69000307T2

DE69000307T2 - Verfahren und anlage zur feststellung des spezifischen widerstandes von geologischen formationen.

Info

Publication number: DE69000307T2
Application number: DE9090400454T
Authority: DE
Inventors: Marie-Therese Gounot; Jean-Claude Trouiller
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 1989-02-20
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2010-02-21
Also published as: MX173246B; GR3006065T3; BR9000757A; IE63803B1; DZ1395A1; NO900786L; JPH03128480A; FR2643465A1; NO900786D0; ATE80743T1; MA21750A1; ES2035713T3; AR247301A1; MY105179A; JP3002218B2; AU4991990A; EP0384823A1; CA2009562C; FR2643465B1; DK0384823T3

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Diagraphien. Sie betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des spezifischen Widerstandes geologischer Formationen, die von einem Bohrloch durchteuft sind, und insbesondere des spezifischen Widerstandes der Formation, die relativ nahe der Bohrlochwandung ist, das heißt jene, in die während des Abteufens Bohrspülungsfiltrat eingewandert ist.
Während des Abteufens hält man generell den hydrostatischen Druck, induziert durch die Bohrspülungssäule, welche die Bohrung füllt, etwas oberhalb des Druckes der unterirdischen Formationen. Dies führt zu einem Phänomen, das sehr lange bekannt ist, nämlich einer Invasion des Bohrspülungsfiltrats in die Formation und einer Ablagerung von Bohrspülungskuchen auf der Bohrlochwandung. Bezüglich dieses Phänomens kann man sich auf das Werk von Oberto Serra mit dem Titel "Diagraphie Différées -Bases de l'Interprétation" (Band 1 - Gewinnung von diagraphischen Daten) - Bulletin des Centres de Recherches Exploration-Production Elf- Aquitaine - oder auch auf das amerikanische Patent US-A-4,594,552 stützen.
Die Mehrzahl der bekannten Vorrichtungen, die verwendet werden zum Bestimmen des spezifischen Widerstandes Rxo der verunreinigten Zone, umfaßt ein langgestrecktes Supportorgan, das zur Verlagerung innerhalb der Bohrung bestimmt ist, und einen Schuh, der von dem Supportorgan getragen ist und dazu bestimmt ist, gegen die Bohrlochwandung angelegt zu werden. Die mit der Bohrlochwandung in Kontakt tretende Seite des Schuhs ist mit einem Elektrodennetz versehen.
Im allgemeinen unterscheidet man zwei große Familien: die fokalisierten Vorrichtungen und die nichtfokalisierten Vorrichtungen, das heißt jene, die ein System der Meßstrom-Fokalisation aufweisen und solche ohne ein solches System. Die Familie der fokalisierten Vorrichtungen umfaßt insbesondere die mikrosphärische Fokalisationsvorrichtung, beschrieben in dem Patent US-A-3,798,535 und die azimuthale Fokalisationsvorrichtung, beschrieben in dem Patent US-A-4,117,394.
Der in dem Patent US-A-4,117,394 beschriebene Schuh, von dem eine Frontansicht in Figur 2 der Anmeldung reproduziert ist, ist mit einem Netz linearer Elektroden ausgestattet, die im wesentlichen parallel zur Längsachse der Bohrung verlaufen und voneinander beabstandet sind in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu dieser Achse. Dieses Netz umfaßt eine zentrale Elektrode A&sub0; und drei Paare von Elektroden M&sub1;, M&sub2; und A&sub1;, die symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode A&sub0; angeordnet sind. Die Elektrode A&sub0; speist einen Analysestrom in die Formation gegenüber dem Schuh und dieser Strom kehrt zum Supportorgan zurück. Die Analysestromlinien werden fokalisiert durch einen Fokalisationsstrom, der von dem äußeren Elektrodenpaar A&sub1; ausgeht und dessen Intensität dauernd nachgeregelt wird, derart, daß die Potentialdifferenz, die zwischen den Elektroden M&sub1; und M&sub2; beobachtet wird, die als Kontrollelektroden bezeichnet werden, im wesentlichen null ist. Dieses Regelsystem hat demgemäß zur Folge, die Analysestromlinien in einer Radialrichtung gemäß einer Richtung senkrecht zur Bohrlochachse zu konzentrieren: man sagt, daß dies ein aktives Fokalisationssystem ist im Gegensatz zu einem passiven Fokalisationssystem, das ausschließlich auf Überwachungselektroden basiert.
Zwar weist die oben beschriebene Anordnung einen Vorteil insofern auf, als die Größe des Schuhs relativ zu einem Schuh mit mikrosphärischer Fokalisation des Patents US-A-3,798,535 in Rede steht, doch bleibt trotzdem die Tatsache, daß die mittels eines solchen Schuhs bewirkte Messung sich sehr schnell verschlechtert, in dem Maße, wie die Dicke des Bohrspülungskuchens zunimmt, der auf der Bohrlochwandung abgelagert ist: für eine Bohrspülungskuchendicke von etwa 6 mm kann der bei der Messung beobachtete Fehler 50 % erreichen.
Die Erfindung hat demgemäß ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Diagraphie zum Ziel, die erheblich die oben genannten Nachteile verringern und ermöglichen, eine präzise quantitative Messung des spezifischen Widerstandes der Formation, verunreinigt durch das Bohrspülungsfiltrat, zu erzielen.
Das Diagraphieverfahren gemäß der Erfindung dient zur Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstandes einer untertägigen, von einem Bohrloch durchteuften Formation mit Hilfe eines Meßschuhs, der ausgelegt ist, um gegen die Bohrlochwandung angelegt zu werden, und dessen in Kontakt mit der Bohrlochwandung stehenden Seite mit einem Elektrodennetz ausgestattet ist. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
- Aussenden eines Analysestromes von einer zentralen Elektrode des Elektrodennetzes;
- Empfangen des Analysestromes in einer Zone, die in dem Bohrloch hinter dem Schuh liegt;
- radiales Fokalisieren des Analysestromes gemäß einer ersten Richtung senkrecht oder parallel zur Achse des Bohrlochs mittels eines aktiven Fokalisationssystems;
- radiales Fokalisieren des Analysestromes gemäß einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, das heißt parallel beziehungsweise senkrecht zur Bohrlochachse mittels eines passiven Fokalisationssystems;
- Messen des Wertes des Analysestromes zwecks Bestimmung des Widerstandes der Formation.
Vorzugsweise umfaßt die Fokalisation des Analysestromes mittels eines aktiven Fokalisationssystems:
- Aussenden eines ersten Fokalisationsstromes von einem Paar von Fokalisationselektroden, die symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode gemäß der ersten Richtung angeordnet sind;
- Einstellen der Intensität des ersten Fokalisationsstromes, derart, daß die Potentialdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Paar von Steuerelektroden bei null gehalten wird, wobei die Elektroden jedes Paares symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode gemäß der ersten Richtung zwischen der zentralen Elektrode und dem Paar von Fokalisationselektroden angeordnet sind.
Vorzugsweise umfaßt die Fokalisation des Analysestromes mittels eines passiven Fokalisationssystems:
- Aussenden eines zweiten Fokalisationsstromes von mindestens einer Überwachungselektrode, die symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode gemäß der zweiten Richtung angeordnet ist;
- Halten der zentralen Elektrode auf dem Potential der Überwachungselektrode.
Gemäß einer Variante umfaßt das Verfahren gemäß der Erfindung ferner folgende Schritte:
- radiales Fokalisieren des Analysestromes gemäß der ersten Richtung mittels des passiven Fokalisationssystems;
- radiales Fokalisieren des Analysestromes gemäß der zweiten Richtung mittels eines zweiten aktiven Fokalisationssystems, das unabhängig von dem ersten aktiven Fokalisationssystem ist.
Die Diagraphievorrichtung gemäß der Erfindung dient dazu, den spezifischen elektrischen Widerstand einer untertägigen, von einem Bohrloch durchteuften Formation zu bestimmen mit Hilfe eines Meßschuhs, der gegen die Bohrlochwandung anlegbar ist, und dessen in Kontakt mit der Bohrlochwandung stehende Seite mit einem Elektrodennetz ausgestattet ist. Die Vorrichtung umfaßt:
- eine zentrale Elektrode, die zu dem Elektrodennetz gehört und ausgebildet ist zum Aussenden eines Analysestromes;
- eine Rückkehrelektrode zum Empfangen des Analysestromes in einer Zone, die in dem Bohrloch hinter dem Meßschuh liegt;
- ein aktives Fokalisationssystem, ausgebildet zum radialen Fokalisieren des Analysestromes gemäß einer ersten Richtung, die senkrecht oder parallel zur Bohrlochachse verläuft;
- ein passives Fokalisationssystem, ausgebildet zum radialen Fokalisieren des Analysestromes gemäß einer zweiten zur ersten Richtung senkrechten Richtung, das heißt parallel beziehungsweise senkrecht zur Bohrlochachse;
- Mittel zum Messen des Wertes des Analysestromes für die Bestimmung des Widerstandes der Formation.
Das aktive Fokalisationssystem umfaßt vorzugsweise:
- ein Paar von Fokalisationselektroden, die symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode gemäß der ersten Richtung angeordnet sind und ausgebildet sind zum Aussenden eines ersten Fokalisationsstromes;
- Mittel zum Einstellen der Intensität des ersten Fokalisationsstromes derart, daß die Potentialdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Paar von Steuerelektroden bei null gehalten wird, wobei die Elektroden jedes Paares symmetrisch angeordnet sind bezüglich der zentralen Elektrode gemäß der ersten Richtung zwischen der zentralen Elektrode und dem Paar von Fokalisationselektroden.
Das passive Fokalisationssystem umfaßt vorzugsweise:
- mindestens eine Überwachungselektrode, die symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode gemäß der zweiten Richtung angeordnet ist und ausgebildet ist zum Aussenden eines zweiten Fokalisationsstromes;
- Mittel zum Halten der zentralen Elektrode auf dem Potential der Überwachungselektrode.
Gemäß den ins Auge gefaßten Realisierungen umfaßt das passive Fokalisationssystem eine oder zwei Überwachungselektroden
Da das passive Fokalisationssystem zwei Überwachungselektroden umfaßt, kann jede dieser Elektroden von einer Oberfläche gebildet sein, die im wesentlichen rechteckig oder polygonal in Form eines T ist. Wenn es nur eine einzige Überwachungselektrode umfaßt, umschließt diese letztere die zentrale Elektrode vollständig und kann gebildet werden von einer im wesentlichen rechteckigen oder polygonalen Oberfläche in I-Form.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Richtung senkrecht beziehungsweise parallel zur Bohrlochachse. Die Überwachungselektrode wird gebildet von einer polygonalen Oberfläche in I-Form, deren horizontale Arme sich, ausgehend von dem vertikalen Arm, um einen Abstand gleich jenem erstrecken, der zwischen der zentralen Elektrode und den Fokalisationselektroden vorliegt. Im übrigen bilden die Überwachungselektrode und das Paar von Steuerelektroden, das der zentralen Elektrode am nächsten liegt, nur eine einzige Elektrode.
Gemäß einer Variante der bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Zusatzelektroden im wesentlichen identisch mit der zentralen Elektrode derart angeordnet, daß sie beabstandet im Inneren der polygonalen Oberfläche sind, gebildet von der Überwachungselektrode, und in der einen und/oder anderen der Richtungen verlaufen. Jede von ihnen wird auf demselben Potential gehalten wie die Überwachungselektrode und imitiert einen zusätzlichen Analysestrom, dessen Intensität gemessen wird.
Gemäß einer anderen Variante besteht jede der Steuerelektroden aus einer Mehrzahl von ausgefluchteten Steuerelektroden.
Weitere Ziele, Aspekte und Charakteristiken der Erfindung ergeben sich bei der Lektüre der nachstehenden detaillierten Beschreibung, bei der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
- Die Figur 1 schematisch ein in einem Bohrloch aufgehangenes elektrisches Diagraphiewerkzeug zeigt, ausgestattet mit einem Meßschuh, der gegen die Bohrlochwandung angelegt ist;
- Die Figur 2 eine Frontansicht des Schuhs nach dem Stand der Technik darstellt, welcher Schuh mit einem Netz linearer Elektroden ausgestattet ist;
- Die Figuren 3A, 3B, 3C und 3D Frontansichten unterschiedlicher Ausführungsformen des Schuhs gemäß der Erfindung zeigen;
- Die Figur 4 ein elektrisches Blockbild zeigt, zugeordnet dem Elektrodennetz für die unterschiedlichen Ausführungsformen der Figuren 3A, 3B, 3C beziehungsweise 3D;
- Die Figur 5 eine Frontansicht der bevorzugten Ausführungsform des Schuhs darstellt;
- Die Figur 6 in Perspektive die Stromlinie zeigt und die Äquipotentialflächen, zugeordnet einem Viertel des Schuhs der Figur 5;
- Die Figur 7 ein elektrisches Blockschaltbild darstellt, zugeordnet dem Elektrodennetz der Figur 5;
- Die Figur 8 eine Variante der bevorzugten Ausführungsform darstellt; und
- Die Figuren 9 beziehungsweise 10 zwei weitere Varianten zeigen.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine elektrische Diagraphiesonde 10, angeordnet in einem Bohrloch 11, das die untertägigen Formationen 12 durchteuft und mit Bohrspülung gefüllt ist. Man erkennt den Bohrspülungskuchen 24 und die verunreinigte Zone 23, auf die oben hingewiesen wurde. In bekannter Weise hängt die Sonde am Ende eines Mehrleiterkabels 13, das über einen Windenmechanismus 14 läuft, wobei das andere Ende 15 des Kabels mit einer übertägigen Einrichtung verbunden ist. Diese letztere umfaßt in herkömmlicher Weise Steuer- und elektrische Speiseschaltkreise 30, bestimmt für die Sonde 10, Schaltkreise 31 für die Gewinnung und Verarbeitung von Daten, gewonnen von der Sonde 10, und Einrichtungen 32 für die Darstellung der Daten.
Generell umfaßt die Sonde im wesentlichen zwei Abschnitte:
- eine Elektronikhülse 16, bestimmt zum Steuern der Funktion der Sonde, Vorverarbeiten der Meßsignale und Speisen einer Telemetrie-Schnittstelle mit den übertägigen Gewinnungsschaltkreisen; und
- einen Sondenkorpus 17, umfassend einen einziehbaren Arm 18, dessen Ende mit einem Meßschuh 20 versehen ist, bestimmt, um an die Wandung des Bohrlochs angelegt zu werden, sowie mit einem Gegenarm 19; man findet eine detaillierte Beschreibung eines solchen Sondenkorpus in dem Patent US-4,594,552.
Gemäß einer Variante könnte man gleichermaßen einen Sondenkorpus verwenden, wie er in dem Patent US-A-4,614,250 beschrieben ist, und der vier gleichförmig um den Sondenkorpus verteilte Arme aufweist, wobei jeder der Arme mit einem Meßschuh versehen ist. Der Vorteil einer solchen Sonde liegt in der Tatsache, daß es möglich ist, auf diese Weise vier gleichzeitige Messungen des spezifischen Widerstandes zu erlangen.
Auf Figur 2 wird nicht mehr zurückgekommen, die bereits oben beschrieben wurde in Verbindung mit dem Dokument zum Stand der Technik.
Unter Bezugnahme auf Figuren 3A, 3B, 3C und 3D ist die Frontseite 21 des Schuhs gemäß der Erfindung mit einem Netz von Elektroden versehen, die voneinander durch ein Material 25 getrennt sind, das ein elektrischer Isolator ist.
Eine zentrale Elektrode A0b ist ausgebildet zum Aussenden eines Analysestromes I0b, der in die Formation eindringt, bevor er zu einer Rücklaufelektrode zurückkehrt, die sich in der Bohrung hinter dem Schuh befindet. Die Rücklaufelektrode kann beispielsweise von der Rückseite des Schuhs 22, dem Arm 18, welcher den Schuh trägt, und der Partie der äußeren Hülle des Sondenkorpus 17 gebildet werden, die sich auf Höhe des Schuhs 20 befindet.
Gemäß der Erfindung wird der Analysestrom I0b radial fokalisiert gemäß:
- einer ersten Richtung, die senkrecht oder parallel zur Bohrlochachse verläuft mittels eines aktiven Fokalisationssystems, und
- einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung steht, das heißt parallel beziehungsweise senkrecht zur Bohrlochachse mit Hilfe eines passiven Fokalisationssystems.
Vorzugsweise ist die erste Richtung senkrecht zur Achse des Bohrlochs und die zweite Richtung parallel zur Bohrlochachse. Aus Gründen der Vereinfachung basiert die gesamte nachfolgende Beschreibung auf dieser besonderen Orientierung, wobei es sich versteht, den Schuh einer Drehung um 90º zu unterwerfen, um die andere Orientierung zu erzielen.
Das aktive Fokalisationssystem könnte einerseits beispielsweise ähnlich jenem sein, wie es in dem Patent US-A-4,117,394 beschrieben ist, und das einem Fokalisationssystem entspricht, das unter der Bezeichnung Latérolog 7 bekannt ist. Man könnte auch ein anderes aktives Fokalisationssystem ins Auge fassen, beispielsweise jenes, das unter der Bezeichnung Latérolog 8 oder auch Latérolog 9 bekannt ist.
Das passive Fokalisationssystem andererseits basiert auf Überwachungselektroden, die auf dem gleichen Potential liegen wie die zentrale Elektrode.
Bei einer ersten in Figur 3A dargestellten Ausführungsform sind vier Paare von langgestreckten Elektroden A&sub0;, M&sub1;, M&sub2; und A&sub1; im wesentlichen parallel zur Längsachse der Bohrung symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode A0b angeordnet. Die Elektroden jedes Paares sind elektrisch kurzgeschlossen.
Beim Verlängern der zentralen Elektrode in einer Richtung parallel zur Sondenachse stößt man nur auf eine Elektrode, die als Überwachungselektrode A&sub0; bezeichnet wird. Beim Verlängern der zentralen Elektrode in einer Richtung senkrecht zur Sondenachse trifft man nacheinander auf erste und zweite Elektroden, bezeichnet als Steuerelektroden M&sub1; beziehungsweise M&sub2;, und schließlich auf eine dritte Elektrode, die als Fokalisationselektrode A&sub1; bezeichnet ist.
Das Elektrodenpaar A&sub1; ist einerseits ausgebildet zum Aussenden eines Fokalisationsstromes I&sub1;, dessen Rücklauf derselbe ist wie derjenige des Analysestromes I0b, und der dazu bestimmt ist, den Analysestrom I0b gemäß einer Richtung senkrecht zur Bohrlochachse zu fokalisieren. Die Intensität des Stromes I&sub1; wird dauernd nachgeregelt derart, daß er die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden M&sub1; und M&sub2; im wesentlichen auf null hält.
Die Überwachungselektrode A&sub0; andererseits ist ausgebildet zum Aussenden eines Fokalisationsstromes I&sub0;, dessen Rücklauf identisch ist mit denjenigen des Analysestromes I0b und des Fokalisationsstromes I&sub1;. Die Intensität des Analysestromes I0b wird derart eingestellt, daß das Potential der zentralen Elektrode im wesentlichen gleich dem der Überwachungselektrode A&sub0; ist.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform des Schuhs, dargestellt in Figur 3B, wird die Überwachungselektrode A&sub0; von einer einzigen Elektrode gebildet, deren äußere Kontur ein Rechteck bildet und deren innere Kontur im wesentlichen der Form der zentralen Elektrode A0b entspricht. Auf diese Weise umschließt die Elektrode A&sub0; vollständig die zentrale Elektrode A0b. Diese Form der Überwachungselektrode A&sub0; ist insbesondere interessant in dem Maße, wo man eine Barriere gegen Leckströme erzeugen möchte, die aus der zentralen Elektrode A0b austreten und die Tendenz haben könnten, seitlich in Richtung der leitenden Oberfläche zu fließen, die von den Steuerelektroden M&sub1; und M&sub2; gebildet werden.
Gemäß einer dritten Ausführungsform nach Figur 3C wird das Paar von Überwachungselektroden A&sub0; von zwei Oberflächen gebildet, die jeweils die Form eines T-Polygons haben und symmetrisch sind bezüglich der zentralen Elektrode A0b. Die Füße der T's sind direkt gegenüber der zentralen Elektrode A0b und ihre horizontalen Arme erstrecken sich zu beiden Seiten des vertikalen Armes um eine Distanz, die mindestens gleich ist jener, die zwischen der zentralen Elektrode A0b und dem Paar von Steuerelektroden M&sub2; ist, die von der zentralen Elektrode am weitesten entfernt ist. Vorzugsweise überdecken die horizontalen Arme gleichermaßen die äußeren Elektrodenpaare A&sub1;, das heißt die horizontalen Arme erstrecken sich zu beiden Seiten des Hauptarmes um eine Distanz, die gleich jener ist, welche zwischen der zentralen Elektrode A0b und dem Paar von Fokalisationselektroden A&sub1; vorliegt. Die horizontalen Arme der Überwachungselektrode A&sub0; bilden eine Barriere gegen Leckströme, die in Längsrichtung auf der leitenden Oberfläche fließen könnten, gebildet von den Elektroden M&sub1;, M&sub2; und A&sub1;, um den Rücklauf B zu erreichen.
Die Figur 3D zeigt eine noch weiter verfeinerte Ausführungsform, die sich aus der Kombination der beiden unter Bezugnahme auf Figuren 3B und 3C beschriebenen Ausführungsformen ergibt. Die Überwachungselektrode A&sub0; wird von einer einzigen Elektrode gebildet, deren äußere Kontur ein Polygon in I-Form bildet und deren innere Kontur im wesentlichen die Form der zentralen Elektrode A0b umschließt. Die horizontalen oberen und unteren Arme des I erstrecken sich zu beiden Seiten des Hauptarmes um eine Distanz gleich jener, die zwischen der zentralen Elektrode A0b und dem Paar von Fokalisationselektroden A&sub1; besteht. Diese besondere Form der Überwachungselektrode A&sub0; bietet zwei Barrieren gegen Leckströme aus der Elektrode A0b: eine erste seitliche Barriere zwischen einerseits A0b und andererseits M&sub1;, M&sub2; und A&sub1; und eine zweite Barriere zwischen einerseits dem Ende der Elektroden M&sub1;, M&sub2; und A und andererseits dem Rücklauf B.
Unter Bezugnahme auf Figur 4 wird nachstehend die dieser Netzfamilie zugeordnete elektrische Schaltung erläutert. Als Beispiel wird ein Schuh 20 gewählt, versehen mit dem Elektrodennetz der Figur 3D, wobei der Rücklauf der Ströme über eine Elektrode B erfolgt, die von der Rückseite des Schuhs 22, dem Arm 18, der den Schuh trägt, und der Partie der äußeren Hülle des Sondenkörpers 17 gebildet wird. Wie oben erwähnt, sind die Elektroden jedes Paares elektrisch miteinander kurzgeschlossen.
Ein Oszillator 53, dessen Frequenz in einem Bereich liegt, der von 500 Hz bis 50 kHz geht, liefert an die Klemmen des Widerstandes R eine Spannung Vref, welche die Potentialdifferenz definiert, auf der die Elektroden M&sub2; und B gehalten werden müssen. Ein erster Stromverstärker 50 liefert einen Gesamtstrom It = I0b + I&sub0; + I&sub1;, der die Elektrode A0b mit einem Strom I0b, die Elektrode A&sub0; mit einem Strom I&sub0; und die Elektrode A&sub1; mit einem Strom I&sub1; speist. Der Rücklauf dieser Ströme I0b, I&sub0; und I&sub1; wird über die Elektrode B sichergestellt.
Ein zweiter Stromverstärker 51 hat die Aufgabe, den Strom I&sub1; derart einzuregulieren, daß die Potentialdifferenz zwischen den Steuerelektroden M&sub1; und M&sub2; null bleibt.
Die Abzweigung, welche die Elektrode A0b mit dem Strom I0b speist, ist über einen Stromtransformator 54 sehr geringer Eingangsimpedanz geführt und der einen beinahe perfekten Kurzschluß zwischen den Elektroden A&sub0; und A0b sicherstellt, derart, daß die Elektroden A0b und A&sub0; auf dem gleichen Potential liegen. Das von dem Stromtransformator 54 aufgefangene Signal wird danach von einem Verstärker 52 verstärkt. Das so verstärkte Signal wird von einem Detektor 55 gefiltert, der phasenempfindlich ist und von dem Oszillator 53 gesteuert wird, und welcher ein Signal abgibt, das repräsentativ für den Wert des Stromes I0b ist.
Der spezifische Widerstand Rxo der Formation ist gegeben durch die Formel:
Rxo = K (Vref / I0b)
worin K eine Konstante ist, die man experimentell bestimmt.
Die Figur 5 zeigt die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform gibt es nur eine einzige Überwachungselektrode, die vollständig die zentrale Elektrode A0b umschließt. Ferner bilden die Überwachungselektrode und das erste Paar von Steuerelektroden nur noch eine einzige mit M bezeichnete Elektrode. Diese letztere wird gebildet von einer polygonalen Oberfläche in Form eines I, dessen horizontalen Arme sich beidseits von dem vertikalen Arm über eine Distanz wegerstrecken gleich jener zwischen der zentralen Elektrode und einer Fokalisationselektrode. Mit einer zentralen Elektrode A0b in runder Form von etwa 5 mm Durchmesser kann man eine Untersuchungstiefe in der Größenordnung von 8 cm erreichen.
Die Figur 6 zeigt für den oberen linken Quadranten des Schuhs der Figur 5 die Stromlinien und die Äquipotentialflächen in der zu vermessenden Formation. Man erkennt insbesondere, daß die von der zentralen Elektrode A0b ausgehenden Stromlinien geradlinig verlaufen und senkrecht zur Seite des Schuhs. Mit anderen Worten ermöglicht die Kombination eines aktiven Fokalisationssystems mit einem passiven Fokalisationssystem gemäß zwei zueinander senkrechten Richtungen eine radiale Fokalisation, die sehr viel besser ist als jene, die man mit den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik erzielt.
Die Figur 7 zeigt die elektrische Schaltung, zugeordnet der bevorzugten Ausführungsform nach Figuren 5 und 6. Sie greift im wesentlichen den allgemeinen Schaltkreis nach Figur 4 auf mit dem einzigen geringen Unterschied, daß die Paare von Überwachungselektroden A0 und Steuerungselektroden M1 ersetzt sind durch eine einzige mit M bezeichnete Elektrode.
Gemäß einer Variante der bevorzugten Ausführungsform, die in Figur 8 dargestellt ist, ist der Schuh ferner mit zusätzlichen Elektroden A0b1, A0b2, A0b3, ..., A0b7 versehen, deren Abmessungen im wesentlichen identisch sind mit jenen der Zentralelektrode. Diese zusätzlichen Elektroden sind voneinander im Abstand im Inneren der polygonalen I-förmigen Oberfläche verteilt, gebildet von der Überwachungselektrode; sie sind ausgefluchtet gemäß der einen und/oder der anderen Richtung.
Jede dieser zusätzlichen Elektroden ist mit einem Schaltkreis verbunden, identisch jenem, der an die Zentralelektrode A0b angeschlossen ist, das heißt, daß jede einen zusätzlichen Analysestrom aussendet entsprechend einer zusätzlichen Messung des spezifischen Widerstandes.
Die zusätzlichen Elektroden A0b1, ., A0b5, die ausgefluchtet sind auf einer Achse senkrecht zur Bohrlochachse, ermöglichen das Gewinnen einer Mehrzahl von Messungen des spezifischen Widerstandes mit im wesentlichen der gleichen Untersuchungstiefe und können gegebenenfalls miteinander derart kombiniert werden, daß ein quantitatives elektrisches Bild der Bohrlochwandung erzeugt wird.
Die zusätzlichen Elektroden A0b5, ., A0b7, die ausgefluchtet sind auf einer Achse parallel zur Bohrlochachse, ermöglichen das Gewinnen einer Mehrzahl von Messungen des spezifischen Widerstandes mit einer abnehmenden Untersuchungstiefe, je nachdem, wie weit sie von der zentralen Elektrode A0b entfernt sind, und können eventuell dazu dienen, die Messung des Analysestromes I0b zu korrigieren, wenn die Dicke des Bohrspülungskuchens zu groß wird.
Gemäß einer weiteren in Figur 9 dargestellten Variante kann man ins Auge fassen, jede der Steuerelektroden M in eine Mehrzahl von Steuerelektroden M', M'' und M''', die miteinander ausgefluchtet sind, zu zerlegen. Gemäß dieser Variante könnte man beispielsweise den Mittelwert der auf den drei Elektroden M', M'' und M''' gemessenen Potentiale als Potential der Steuerelektrode M anwenden.
Eine letzte in Figur 10 dargestellte Variante ergibt sich aus der theoretischen Überlagerung von zwei Schuhen, wobei einer der Schuhe einer Drehung um 90º relativ zum anderen unterworfen worden ist. Mit anderen Worten ist es möglich, den Analysestrom I0b radial zu fokalisieren gemäß:
- den ersten und zweiten Richtungen mittels des passiven Fokalisationssystems unter Vergrößerung der Abmessung der Überwachungselektrode A&sub0;, gesehen in der ersten Richtung, und
- den ersten und zweiten Richtungen mit Hilfe von zwei Systemen der aktiven Fokalisation, die im wesentlichen identisch sind, jedoch unabhängig voneinander sind insoweit, als die jeweiligen Fokalisationsströme betroffen sind.
Gemäß dieser Variante wird die Überwachungselektrode A&sub0;, gebildet von einer polygonalen Oberfläche, deren allgemeiner Grundriß im wesentlichen quadratisch ist, wobei jede der Quadratseiten eine Ausnehmung aufweist, in deren Inneren sich eine Steuerelektrode und eine Fokalisationselektrode befinden. Das erste aktive Fokalisationssystem besteht aus den Steuerelektroden M und den Fokalisationselektroden A&sub1;, während das zweite aktive Fokalisationssystem aus den Steuerelektroden M' und den Fokalisationselektroden A'&sub1; besteht.
Die elektrische Schaltung, die den Fokalisationsstrom I'&sub1; einstellt, ausgesandt von den Elektroden A'&sub1;, ist identisch mit jenem, der unter Bezugnahme auf Figur 7 beschrieben wurde; sie ist jedoch unabhängig von der Schaltung, die den Fokalisationsstrom I&sub1;, ausgesandt von den Elektroden A&sub1;, einreguliert.

Claims

1. Diagraphieverfahren zum Bestimmen des elektrischen Widerstandes einer unter Tage liegenden Erdformation, die von einem Bohrloch durchteuft ist, mit Hilfe eines Meßschuhs, der an die Bohrlochwandung anlegbar ist, wobei die mit der Bohrlochwandung in Kontakt stehende Seite des Schuhs mit einem Elektrodennetz versehen ist, welches Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Aussenden eines Analysestromes von einer zentralen Elektrode des Elektrodennetzes;

Empfangen des Analysestromes in einer Zone, die in dem Bohrloch hinter dem Schuh liegt;

radiales Fokalisieren des Analysestromes gemäß einer ersten Richtung senkrecht oder parallel zur Achse des Bohrlochs mittels eines aktiven Fokalisationssystems;

radiales Fokalisieren des Analysestromes gemäß einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, das heißt parallel beziehungsweise senkrecht zur Bohrlochachse mittels eines passiven Fokalisationssystems;

Messen des Wertes des Analysestromes zwecks Bestimmung des Widerstandes der Formation.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Fokalisierens des Analysestromes mittels eines aktiven Fokalisationssystems umfaßt:

Aussenden eines ersten Fokalisationsstromes von einem Paar von Fokalisationselektroden, die symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode gemäß der ersten Richtung angeordnet sind;

Einstellen der Intensität des ersten Fokalisationsstromes, derart, daß die Potentialdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Paar von Steuerelektroden bei null gehalten wird, wobei die Elektroden jedes Paares symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode gemäß der ersten Richtung zwischen der zentralen Elektrode und dem Paar von Fokalisationselektroden angeordnet sind.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Fokalisierens des Analysestromes mittels eines passiven Fokalisationssystems umfaßt:

Aussenden eines zweiten Fokalisationsstromes von mindestens einer Überwachungselektrode, die symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode gemäß der zweiten Richtung angeordnet ist;

Halten der zentralen Elektrode auf dem Potential der Überwachungselektrode

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das passive Fokalisationssystem zwei Überwachungselektroden umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Überwachungselektroden von einer im wesentlichen rechteckigen Oberfläche gebildet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Überwachungselektroden von einer polygonalen T-förmigen Oberfläche gebildet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der horizontale Zweig der polygonalen T-förmigen Oberfläche sich beidseits des vertikalen Zweiges um eine Distanz erstreckt gleich jener, die zwischen der zentralen Elektrode und den Fokalisationselektroden vorliegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das passive Fokalisationssystem eine einzige Überwachungselektrode umfaßt, die die zentrale Elektrode vollständig umschließt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Überwachungselektrode von einer im wesentlichen rechteckigen Oberfläche gebildet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Überwachungselektrode von einer polygonalen Oberfläche in I-Form gebildet ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen Zweige der polygonalen I-förmigen Oberfläche sich beidseits des vertikalen Zweiges um eine Distanz erstrecken, gleich jener, die zwischen der zentralen Elektrode und den Fokalisationselektroden vorliegt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungselektrode und das Paar von Steuerelektroden, das der zentralen Elektrode am nächsten liegt, nur eine einzige Elektrode bilden.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten beziehungsweise zweiten Richtungen senkrecht beziehungsweise parallel zur Achse des Bohrlochs liegen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner die folgenden Schritte umfaßt:

radiales Fokalisieren des Analysestromes gemäß der ersten Richtung mittels des passiven Fokalisationssystems;

radiales Fokalisieren des Analysestromes gemäß der zweiten Richtung mittels eines zweiten aktiven Fokalisationssystems, das unabhängig von dem ersten aktiven Fokalisationssystem ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Fokalisierens des Analysestromes mittels eines zweiten aktiven Fokalisationssystems umfaßt:

Aussenden eines dritten Fokalisationsstromes von einem zweiten Paar von Fokalisationselektroden, die symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode gemäß der zweiten Richtung angeordnet sind;

Einstellen der Intensität des dritten Fokalisationsstromes derart, daß die Potentialdifferenz zwischen einem dritten und einem vierten Paar von Steuerelektroden bei null gehalten wird, wobei die Elektroden jedes Paares symmetrisch bezüglich der Zentralelektrode gemäß der zweiten Richtung zwischen der Zentralelektrode und dem Paar von Fokalisationselektroden angeordnet sind.

16. Diagraphievorrichtung zum Bestimmen des elektrischen Widerstandes einer unter Tage liegenden Formation, die von einem Bohrloch (11) durchteuft ist, mit Hilfe eines Meßschuhs (20), der an die Bohrlochwandung anlegbar ist, wobei die im Kontakt mit der Bohrlochwandung stehende Seite (21) des Meßschuhs mit einem Elektrodennetz versehen ist, welche Vorrichtung umfaßt:

eine zentrale Elektrode (A0b), die zu dem Elektrodennetz gehört und ausgebildet ist zum Aussenden eines Analysestromes;

eine Rückkehrelektrode (17, 18, 22) zum Empfangen des Analysestromes in einer Zone, die in dem Bohrloch hinter dem Meßschuh liegt;

ein aktives Fokalisationssystem (M&sub1;, M&sub2;, A&sub1;), ausgebildet zum radialen Fokalisieren des Analysestromes gemäß einer ersten Richtung, die senkrecht oder parallel zur Bohrlochachse verläuft;

ein passives Fokalisationssystem (A&sub0;), ausgebildet zum radialen Fokalisieren des Analysestromes gemäß einer zweiten zur ersten Richtung senkrechten Richtung, das heißt parallel beziehungsweise senkrecht zur Bohrlochachse;

Mittel zum Messen des Wertes des Analysestromes für die Bestimmung des Widerstandes der Formation.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Fokalisationssystem umfaßt:

ein Paar von Fokalisationselektroden (A&sub1;), die symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode (A0b) gemäß der ersten Richtung angeordnet sind und ausgebildet sind zum Aussenden eines ersten Fokalisationsstromes;

Mittel (51) zum Einstellen der Intensität des ersten Fokalisationsstromes derart, daß die Potentialdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Paar von steuerelektroden (M&sub1;, M&sub2;) bei null gehalten wird, wobei die Elektroden jedes Paares symmetrisch angeordnet sind bezüglich der zentralen Elektrode gemäß der ersten Richtung zwischen der zentralen Elektrode und dem Paar von Fokalisationselektroden.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das passive Fokalisationssystem umfaßt:

mindestens eine Überwachungselektrode (A&sub0;), die symmetrisch bezüglich der zentralen Elektrode gemäß der zweiten Richtung angeordnet ist und ausgebildet ist zum Aussenden eines zweiten Fokalisationsstromes;

Mittel (54) zum Halten der zentralen Elektrode auf dem Potential der Überwachungselektrode.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Überwachungselektroden umfaßt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Überwachungselektroden von einer im wesentlichen rechteckigen Oberfläche gebildet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Überwachungselektroden von einer polygonalen T-förmigen Oberfläche gebildet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der horizontale Zweig der polygonalen T-förmigen Oberfläche sich beidseits des vertikalen Zweiges um eine Distanz erstreckt, die gleich jener ist, welche zwischen der zentralen Elektrode und den Fokalisationselektroden vorliegt.

23. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine einzige Überwachungselektrode umfaßt, die vollständig die zentrale Elektrode umschließt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Überwachungselektrode von einer im wesentlichen rechteckigen Oberfläche gebildet ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Überwachungselektrode von einer polygonalen I-förmigen Oberfläche gebildet ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen Zweige der polygonalen I-förmigen Oberfläche sich beidseits des vertikalen Zweiges um eine Distanz erstrecken, gleich jener, die zwischen der zentralen Elektrode und den Fokalisationselektroden vorliegt.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungselektrode und das Paar von Steuerelektroden, das der zentralen Elektrode am nächsten liegt, nur eine einzige Elektrode (M) bilden.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner umfaßt

zusätzliche Elektroden, die im wesentlichen identisch sind mit der zentralen Elektrode und beabstandet angeordnet sind bezüglich des Inneren der Oberfläche, die von den Überwachungselektroden gemäß der einen oder der anderen der Richtungen gebildet wird;

Mittel zum Aussenden zusätzlicher Analyseströme von jeder der zusätzlichen Elektroden;

Mittel zum Halten jeder zusätzlichen Elektrode auf demselben Potential wie die Überwachungselektrode, und

Mittel zum Messen der Intensität der zusätzlichen Analyseströme.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die erste beziehungsweise zweite Richtung senkrecht beziehungsweise parallel zur Bohrlochachse verlaufen.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Elektrode von einer runden Oberfläche mit etwa 5 mm Durchmesser gebildet ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner ein zweites aktives Fokalisationssystem (M', A'&sub1;) umfaßt, das unabhängig von dem anderen aktiven Fokalisationssystem ist und ausgebildet ist zum radialen Fokalisieren des Analysestromes gemäß der zweiten Richtung, und daß das passive Fokalisationssystem (A&sub0;) ebenfalls ausgebildet ist zum radialen Fokalisieren des Analysestromes gemäß der ersten Richtung.

32. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß jede Steuerelektrode von einer Mehrzahl ausgefluchteter Elektroden (M', M'', M''') zusammengesetzt ist.