KR102395017B1 - EMU impulse antenna for low frequency radio waves using large dielectric and ferrite materials - Google Patents

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Abstract

전자기 에너지의 펄스를 방출하는 전자기 에너지 소스는 제 2 섹션과 축 방향으로 정렬되고 상기 제 2 섹션으로부터 이격된 제 1 섹션을 가진 손드 조립체를 포함한다. 에너지 저장 커패시터는 손드 조립체의 제 1 섹션 및 제 2 섹션 각각에 장착되고 전계를 발생시키기 위해 동작 가능한 전극을 포함한다. 용량성 전하 저장 매체는 손드 조립체의 제 1 섹션 및 제 2 섹션 각각에 장착되고 각 전극을 둘러싸고 이 경우, 용량성 전하 저장 매체는 대형 유전체 및 대형 투자율 페라이트이다. 고속 폐쇄 스위치는 손드 조립체의 제 1 섹션과 제 2 섹션 사이에 위치된다.An electromagnetic energy source that emits a pulse of electromagnetic energy includes a sonde assembly having a first section axially aligned with the second section and spaced apart from the second section. The energy storage capacitor includes electrodes mounted to each of the first and second sections of the sonde assembly and operable to generate an electric field. A capacitive charge storage medium is mounted to each of the first and second sections of the sonde assembly and surrounds each electrode, in which case the capacitive charge storage medium is a large dielectric and large permeability ferrite. A fast closing switch is positioned between the first and second sections of the sonde assembly.

Description

대형 유전체 및 페라이트 재료를 사용한 저주파 무선파에 대한 EMU 임펄스 안테나EMU impulse antenna for low frequency radio waves using large dielectric and ferrite materials

본 개시는 지하 (sub-surface) 구조, 특히 탄화수소 저장소 및 상기 탄화수소 저장소 내의 유체를 이미징하는 것에 관련된 것으로, 보다 구체적으로 지하 구조의 전자기 측량 (surveying)을 위한 전자기 에너지 소스에 관한 것이다.The present disclosure relates to imaging sub-surface structures, particularly hydrocarbon reservoirs and fluids within the hydrocarbon reservoirs, and more particularly to electromagnetic energy sources for electromagnetic surveying of sub-surface structures.

지구 물리학에 사용되는 일부 전자기 (EM) 측량 시스템은 지하 탄화수소 저장소의 전자기 이미징을 위해 지하 탄화수소 저장소를 통해 이동하는 전자기 에너지를 제공한다. 다수의 소스 및 수신기는 지하 탄화수소 저장소로 연장되는 보어에 또는 지하 탄화수소 저장소 위의 지표면에 위치될 수 있다. 이러한 방식으로, (물 넘침 (water flood) 동안과 같은) 주입된 유체의 방향, 속도 및 포화도는 모니터링될 수 있다. 시스템은 또한 우회된 오일의 위치를 파악하고 높은 전도도 존 (그 예로, 갈라진 회랑 지대 (fracture corridors) 및 슈퍼-k 존)을 검출하여 누수 (water break-throug)의 조기 경고를 제공하는데 사용될 수 있다. 그러한 동작은 저장소 관리를 최적화하고 체적 스윕 효율 (volumetric sweep efficiency) 및 생산 속도를 개선하기 위해 오일 우회를 방지하는데 도움을 줄 수 있다.Some electromagnetic (EM) survey systems used in geophysics provide electromagnetic energy traveling through subterranean hydrocarbon reservoirs for electromagnetic imaging of subterranean hydrocarbon reservoirs. Multiple sources and receivers may be located in bores extending into the subterranean hydrocarbon reservoir or at the surface above the subterranean hydrocarbon reservoir. In this way, the direction, velocity and saturation of the injected fluid (such as during a water flood) can be monitored. The system can also be used to locate diverted oil and detect high conductivity zones (such as fracture corridors and super-k zones) to provide early warning of water break-througs. . Such action can help to optimize reservoir management and prevent oil bypass to improve volumetric sweep efficiency and production rate.

많은 현재의 저속파 안테나 모델은 10 메가헤르츠 (MHz) - 300 MHz 범위의 고주파 (HF) 또는 초고주파 (VHF) 전자기 파를 대상으로 한다. 지구 물리학에서 일부 현재 EM 시스템은 작은 안테나에서 10 kHz - 1 MHz 범위의 주파수를 갖는 응용 분야와 같이 적정한 저주파 신호를 발생시킬 수 있도록 지나치게 큰 안테나를 포함한다. 안테나의 명백한 '어퍼처 (aperture)' (파장 대 안테나 크기 비율)는 문제가 될 수 있다. 일부 현재 EM 시스템은 전송 효율을 높이기 위해 시스템의 임피던스를 지질 매트릭스와 쉽게 정합시킬 수 없다. 일부 현재 EM 시스템은 고-전류 케이블을 사용하여 EM 송신기에 전력을 공급한다. 그러나, 이러한 시스템은 파워 서플라이로부터 저-손실 케이블로 선명한 고전류 펄스를 전송한 다음 그 펄스를 안테나에 매칭시키는데 어려움이 있는 것으로 나타났다. 부가적으로, 고-전류 케이블은 또한 신호를 전송하여 결과적인 측정을 명확하게 만들 수 없다.Many current low-speed antenna models target high-frequency (HF) or very high-frequency (VHF) electromagnetic waves in the range of 10 megahertz (MHz) to 300 MHz. In geophysics, some current EM systems include antennas that are too large to be able to generate reasonable low-frequency signals, such as applications with frequencies ranging from 10 kHz to 1 MHz from small antennas. The apparent 'aperture' of the antenna (the ratio of wavelength to antenna size) can be problematic. Some current EM systems cannot easily match the impedance of the system with the lipid matrix to increase the transmission efficiency. Some current EM systems use high-current cables to power the EM transmitter. However, such a system has been shown to have difficulties in transmitting sharp high-current pulses from the power supply to a low-loss cable and then matching the pulses to the antenna. Additionally, high-current cables also cannot transmit signals to make the resulting measurement unambiguous.

본 개시의 실시예는 에너지 저장 및 펄스 형성 요소를 갖는 저속-파 안테라를 결합하여, 지하 탄화수소 저장소의 전자기 이미징과 같은 다운홀 (downhole) 전자기 인테러게이션 (interrogation) 기술에 이상적으로 적합한 고 전력, 작은 어퍼처 전송 안테나를 실현한다. 본 개시에 기술된 시스템 및 방법은 소형이고 순간 전력 출력이 높고 선명한 신호를 발생시키는 송신기를 제공한다. 여기에 사용된 바와 같이, "고 전력"은 수 킬로와트 내지 수 메가와트 범위의 전력인 것으로 간주된다.Embodiments of the present disclosure combine low-velocity antennas with energy storage and pulse-shaping elements to achieve high power, ideally suited for downhole electromagnetic interrogation techniques, such as electromagnetic imaging of subterranean hydrocarbon reservoirs. , to realize a small aperture transmission antenna. The systems and methods described in this disclosure provide a transmitter that is compact, has a high instantaneous power output, and generates a clear signal. As used herein, “high power” is considered to be power in the range of several kilowatts to several megawatts.

본 개시의 실시예는, 전자기 임펄스 안테나의 클래딩 재료가 대형 유전체 및 대형 투자율 페라이트라 불리는 하이브리드 재료를 포함하고 있기 때문에, 일부 현재 이용 가능한 안테나보다 짧은 다이폴 안테나를 제공하여, 물리적인 안테나 길이의 감소를 허용하고, 그 결과 안테나는 10 kHz - 1 MHz 범위의 주파수를 갖는 응용 분야와 같이, 저주파 범위에서 다운홀 사용에 대해 관리 가능하다. 여기에 사용된 바와 같이, "EMU" 안테나는 전기 유전율 (E) 및 자기 투자율 (MU)을 가진 안테나의 약어이다.Embodiments of the present disclosure provide a dipole antenna that is shorter than some currently available antennas because the cladding material of the electromagnetic impulse antenna contains a large dielectric and a hybrid material called large permeability ferrite, thereby reducing the physical antenna length. allow, and as a result the antenna is manageable for downhaul use in the low frequency range, such as applications with frequencies in the 10 kHz - 1 MHz range. As used herein, “EMU” antenna is an abbreviation for antenna with electrical permittivity (E) and magnetic permeability (MU).

부가적으로, 본 개시의 실시예의 안테나 요소는 다이폴 각 절반이 초기에 서로에 대해 고 전압으로 유지되는 용량성 에너지 저장 요소로 사용된다. 전압은 회로의 커패시턴스 및 임피던스, 이뿐 아니라 안테나의 치수에 의존할 수 있으며, 그리고 안테나의 동작 주파수에 따라 변화될 수 있다. 다이폴 절반의 전압은 동일하고 반대인 전압이며, 그러므로 각 절반의 가장 바깥쪽 말단부는 가장 큰 전압 크기를 가진다. 여기에 사용된 바와 같이, 다이폴의 각 절반의 "고 전압"은 다른 것에 비해 1000 볼트 (V) 이상의 범위에 있을 수 있다.Additionally, the antenna elements of embodiments of the present disclosure are used as capacitive energy storage elements in which each half of the dipole is initially maintained at a high voltage relative to each other. The voltage may depend on the capacitance and impedance of the circuit, as well as the dimensions of the antenna, and may vary with the operating frequency of the antenna. The voltages of the dipole halves are equal and opposite voltages, so the outermost end of each half has the largest voltage magnitude. As used herein, the “high voltage” of each half of the dipole may be in the range of 1000 volts (V) or more relative to the other.

트리거링된 스파크 갭과 같은 고속 폐쇄 스위치는 한 쌍의 그러한 안테나들 사이에 제공되어 펄스 전송을 개시한다. 한 쌍의 안테나는 큰 전압에 의해 바이어싱되어 구조가 단일의 대량 전류 펄스로 방전되고 매우 높은 전력 과도 (transient) 무선 주파수 신호를 방출할 수 있다. 전류의 크기는 안테나의 저항 및 전력 및 전압에 의존할 것이고, 이는 결과적으로 주파수에 의존하지만, 여기에 사용된 바와 같이, "대량 전류"는 100-1000 암페어 (A)의 범위에 있는 전류로 간주될 수 있다. 그러므로, 본 개시의 시스템 및 방법은 에너지 저장, 펄스 형성 및 방사 요소를 단일 구조로 결합하여, 이들 각각의 기능을 위한 개별 분포 구성요소들 사이의 임피던스 정합에 대한 필요성을 제거한다.A fast closing switch, such as a triggered spark gap, is provided between a pair of such antennas to initiate pulse transmission. A pair of antennas can be biased by a large voltage so that the structure is discharged in a single large current pulse and emits a very high power transient radio frequency signal. The magnitude of the current will depend on the resistance and power and voltage of the antenna, which in turn depends on the frequency, but, as used herein, "mass current" is considered to be a current in the range of 100-1000 amps (A). can be Thus, the systems and methods of the present disclosure combine energy storage, pulse forming, and radiating elements into a single structure, eliminating the need for impedance matching between separate distribution components for their respective functions.

본 개시의 시스템 및 방법은 파워 서플라이, 케이블 또는 전송 라인 및 안테나 사이의 부하 정합 문제를 제거한다. 에너지 저장 요소 및 전송 안테나 요소 내부의 스위치를 사용하여 둘 사이의 케이블이 제거되어 시스템의 반사 및 손실이 최소화된다.The systems and methods of the present disclosure eliminate the problem of load matching between a power supply, a cable or transmission line, and an antenna. Using switches inside the energy storage element and the transmit antenna element, cables between the two are eliminated, minimizing reflections and losses in the system.

본 개시의 실시예에서, 전자기 에너지의 펄스를 방출하는 전자기 에너지 소스는 제 2 섹션과 축 방향으로 정렬되고 상기 제 2 섹션으로부터 이격된 제 1 섹션을 포함한 손드 조립체 (sonde assembly)를 포함한다. 에너지 저장 커패시터는 손드 조립체의 제 1 섹션 및 제 2 섹션 각각에 장착되고 전계를 발생시키도록 동작 가능한 전극을 포함한다. 용량성 전하 저장 매체 (capacitive charge storage medium)는 손드 조립체의 제 1 섹션 및 제 2 섹션 각각에 장착되고 각각의 전극을 둘러싸고 있으며, 이 경우 용량성 전하 저장 매체는 대형 유전체 및 대형 투자율 페라이트이다. 고속 폐쇄 스위치는 손드 조립체의 제 1 섹션과 제 2 섹션 사이에 위치된다.In an embodiment of the present disclosure, an electromagnetic energy source emitting a pulse of electromagnetic energy includes a sonde assembly including a first section axially aligned with and spaced apart from the second section. The energy storage capacitor includes electrodes mounted to each of the first and second sections of the sonde assembly and operable to generate an electric field. A capacitive charge storage medium is mounted on each of the first and second sections of the sonde assembly and surrounds each electrode, in which case the capacitive charge storage medium is a large dielectric and large permeability ferrite. A fast closing switch is positioned between the first and second sections of the sonde assembly.

대안적인 실시예에서, 전자기 에너지 소스는 손드 조립체의 제 1 섹션과 제 2 섹션 사이에 연결된 고 전압 파워 서플라이를 추가로 포함할 수 있다. 고속 폐쇄 스위치 및 고 전압 파워 서플라이는 전극들 사이에 연결될 수 있다. 전류 제한 저항기는 고 전압 파워 서플라이와 전극 사이에 위치될 수 있다.In an alternative embodiment, the electromagnetic energy source may further include a high voltage power supply coupled between the first section and the second section of the sonde assembly. A fast closing switch and a high voltage power supply may be connected between the electrodes. A current limiting resistor may be positioned between the high voltage power supply and the electrode.

다른 대안적인 실시예에서, 전자기 에너지 소스는 지하 탄화수소 저장소를 통해 이동하는 전자기 에너지의 펄스를 방출하는 복수의 전자기 에너지 소스를 추가로 포함할 수 있다. 전자기 에너지 소스는 지하 탄화수소 저장소를 통해 이동하는 연속적인 위치에서 전자기 에너지의 펄스를 방출하기 위해 웰 보어홀 (well borehole)에서 연속적인 위치로 움직일 수 있다. 손드 조립체는 제 1 전도체로서 역할을 하는 전도체 부재를 가질 수 있으며, 전극은 제 2 전도체로서 역할을 한다. 용량성 전하 저장 매체는 전도체 부재와 전극 사이에 위치될 수 있다. 전도체 부재는 용량성 전하 저장 매체에 의해 전극으로부터 전기적으로 절연된다.In another alternative embodiment, the electromagnetic energy source may further comprise a plurality of electromagnetic energy sources that emit pulses of electromagnetic energy traveling through the subterranean hydrocarbon reservoir. The electromagnetic energy source can move from a well borehole to a continuous location to emit pulses of electromagnetic energy at a continuous location traveling through an underground hydrocarbon reservoir. The sonde assembly may have a conductor member serving as a first conductor and the electrode serving as a second conductor. A capacitive charge storage medium may be positioned between the conductor member and the electrode. The conductor member is electrically insulated from the electrode by a capacitive charge storage medium.

본 개시의 대안적인 실시예에서, 지하 탄화수소 저장소의 전자기 이미징을 위해 지하 탄화수소 저장소를 통해 이동하는 전자기 에너지의 펄스를 방출하기 위한 소스는 관심 깊이를 향한 웰 보어홀에서의 이동을 위해 와이어라인 (wireline)에 부착된 손드 조립체 및 고속 폐쇄 스위치를 포함한다.In an alternative embodiment of the present disclosure, a source for emitting pulses of electromagnetic energy traveling through a subterranean hydrocarbon reservoir for electromagnetic imaging of the subterranean hydrocarbon reservoir is a wireline for travel in a well borehole towards a depth of interest. ) with a sonde assembly attached to it and a fast closing switch.

본 개시의 여전히 또 다른 대안적인 실시예에서, 지하 탄화수소 저장소의 전자기 이미징을 위해 전자기 에너지의 펄스를 사용하는 시스템은 적어도 하나의 전자기 에너지 소스를 포함하며, 각각의 전자기 에너지 소스는 관심 깊이를 향한 웰 보어홀에서의 이동을 위해 와이어라인에 부착된 손드 조립체를 포함하고, 손드 조립체는 제 2 섹션과 축 방향으로 정렬되고 상기 제 2 섹션으로부터 이격된 제 1 섹션을 포함한다. 에너지 저장 커패시터는 손드 조립체의 제 1 섹션 및 제 2 섹션 각각에 장착되고 전계를 발생시키기 위해 동작 가능한 전극 및 손드 조립체의 제 1 섹션 및 제 2 섹션 각각에 장착되고 각 전극을 둘러싸는 용량성 전하 저장 매체를 포함하고, 이 경우, 용량성 전하 저장 매체는 대형 (giant) 유전체 및 대형 투자율 (permeability) 페라이트이다. 고속 폐쇄 스위치는 손드 조립체의 제 1 섹션과 제 2 섹션 사이에 위치된다. 복수의 전자기 센서는 전자기 에너지 소스로부터의 결과 신호의 측정을 형성한다.In yet another alternative embodiment of the present disclosure, a system using pulses of electromagnetic energy for electromagnetic imaging of an underground hydrocarbon reservoir includes at least one electromagnetic energy source, each electromagnetic energy source oriented into a well directed to a depth of interest. and a sonde assembly attached to a wireline for movement in the borehole, the sonde assembly including a first section axially aligned with the second section and spaced apart from the second section. Energy storage capacitors are mounted to each of the first and second sections of the sonde assembly and are operable to generate an electric field and capacitive charge storage mounted to each of the first and second sections of the sonde assembly and surrounding each electrode. A medium comprising a medium, in which case the capacitive charge storage medium is a giant dielectric and a large permeability ferrite. A fast closing switch is positioned between the first and second sections of the sonde assembly. The plurality of electromagnetic sensors form a measurement of the resulting signal from the electromagnetic energy source.

대안적인 실시예에서, 복수의 전자기 센서는 지하 탄화수소 저장소에서의 센서 보어에서 내려가는 웰 툴에 장착될 수 있다. 복수의 전자기 센서는 지하 탄화수소 저장소 위의 지표면 상의 어레이에 위치될 수 있다. 시스템 제어 유닛은 복수의 전자기 센서에 의해 수신된 결과 신호에 관련된 정보를 저장하고 결과 신호의 컴퓨터화된 분석을 수행하기 위해 사용될 수 있다.In an alternative embodiment, the plurality of electromagnetic sensors may be mounted in a well tool that descends from a sensor bore in an underground hydrocarbon reservoir. The plurality of electromagnetic sensors may be located in an array on the surface above the subterranean hydrocarbon reservoir. The system control unit may be used to store information related to the result signal received by the plurality of electromagnetic sensors and to perform a computerized analysis of the result signal.

본 개시의 여전히 또 다른 대안적인 실시예에서, 전자기 에너지 소스로 전자기 에너지의 펄스를 방출하는 방법은 제 2 섹션과 축 방향으로 정렬되고 상기 제 2 섹션으로부터 이격된 제 1 섹션을 포함한 손드 조립체를 가진 전자기 에너지 소스를 제공하는 단계를 포함한다. 에너지 저장 커패시터는 손드 조립체의 제 1 섹션 및 제 2 섹션 각각에 장착된 전극 및 손드 조립체의 제 1 섹션 및 제 2 섹션 각각에 장착되고 전극을 둘러싸는 용량성 전하 저장 매체를 포함하며, 이 경우 용량성 전하 저장 매체는 대형 유전체 및 대형 투자율 페라이트이다. 고속 폐쇄 스위치는 제 1 섹션 및 제 2 섹션의 전극들 사이에 위치된다. 에너지 저장 커패시터는 고속 폐쇄 스위치가 닫히고 전자기 에너지의 펄스가 전자기 에너지 소스로부터 방출되도록 충전된다.In yet another alternative embodiment of the present disclosure, a method of emitting pulses of electromagnetic energy to an electromagnetic energy source includes a sonde assembly comprising a first section axially aligned with a second section and spaced apart from the second section; providing an electromagnetic energy source. The energy storage capacitor comprises an electrode mounted to each of the first and second sections of the sonde assembly and a capacitive charge storage medium mounted to each of the first and second sections of the sonde assembly and surrounding the electrode, wherein the capacitance The star charge storage medium is a large dielectric and large permeability ferrite. A fast closing switch is positioned between the electrodes of the first section and the second section. The energy storage capacitor is charged such that the fast closing switch is closed and a pulse of electromagnetic energy is emitted from the electromagnetic energy source.

대안적인 실시예에서, 전자기 에너지 소스는 손드 조립체의 제 1 섹션의 전극 및 제 2 섹션의 전극에 연결된 고 전압 파워 서플라이를 추가로 포함할 수 있다. 전자기 에너지 소스는 고 전압 파워 서플라이와, 제 1 섹션의 전극 및 상기 제 2 섹션의 전극 둘 다 사이에 위치된 전류 제한 저항기를 추가로 포함할 수 있다. 방법은 지하 탄화수소 저장소에서 웰 보어홀에서의 와이어라인 상의 전자기 에너지 소스를 관심 깊이로 내리는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 전자기 에너지 소스는 지하 탄화수소 저장소를 통해 이동하는 연속적인 위치에서 전자기 에너지의 펄스를 방출하기 위해 웰 보어홀에서 연속적인 위치로 움직일 수 있다.In an alternative embodiment, the electromagnetic energy source may further include a high voltage power supply coupled to the electrodes of the first section and the electrodes of the second section of the sonde assembly. The electromagnetic energy source may further include a high voltage power supply and a current limiting resistor positioned between both the electrode of the first section and the electrode of the second section. The method may further include lowering the electromagnetic energy source on the wireline at the well borehole in the subterranean hydrocarbon reservoir to a depth of interest. The electromagnetic energy source may be moved to a continuous location in the well borehole to emit pulses of electromagnetic energy at a continuous location traveling through the subterranean hydrocarbon reservoir.

다른 대안적인 실시예에서, 복수의 전자기 센서는 지하 탄화수소 저장소에서 센서 보어를 통해 내려갈 수 있다. 복수의 전자기 센서는 지하 탄화수소 저장소 위의 지표면 상의 어레이에 위치될 수 있다. 전자기 에너지 소스로부터 방출된 전자기 에너지의 펄스는 지하 탄화수소 저장소를 통해 이동하도록 지향될 수 있고, 복수의 전자기 센서에서의 전자기 에너지의 펄스의 도달 시간 데이터의 측정이 형성될 수 있고, 복수의 전자기 센서로부터의 도달 시간 데이터의 측정은 지하 탄화수소 저장소의 지하 특징의 표현을 형성하기 위해 분석될 수 있고, 지하 탄화수소 저장소의 지하 특징의 표현의 이미지는 형성될 수 있다.In another alternative embodiment, the plurality of electromagnetic sensors may descend through the sensor bore in an underground hydrocarbon reservoir. The plurality of electromagnetic sensors may be located in an array on the surface above the subterranean hydrocarbon reservoir. Pulses of electromagnetic energy emitted from the electromagnetic energy source may be directed to travel through an underground hydrocarbon reservoir, and measurements of time-of-arrival data of the pulses of electromagnetic energy at the plurality of electromagnetic sensors may be formed, from the plurality of electromagnetic sensors. Measurements of the time-of-arrival data of can be analyzed to form a representation of the subsurface features of the subterranean hydrocarbon reservoir, and an image of the representation of the subterranean feature of the subterranean hydrocarbon reservoir can be formed.

본 개시의 인용된 특징, 양태 및 이점, 이뿐 아니라 명백해질 다른 것들이 달성되고 상세하게 이해될 수 있도록, 앞서 간략히 요약된 본 개시의 실시예의 보다 구체적인 설명은 본 명세서의 일부를 형성하는 도면에서 도시된 실시예를 참조하여 이루어질 수 있다. 그러나, 첨부된 도면은 본 개시의 소정의 실시예만을 도시하고, 그러므로 본 개시가 다른 동등하게 효과적인 실시예를 인정할 수 있는 경우 본 개시의 권리 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 아니된다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른, 보어홀 대 보어홀 전자기 측량을 위한 송신기-수신기 어레이의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른, 전자기 에너지 소스 및 저장 커패시터의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 전자기 에너지 소스의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 2의 전자기 에너지 소스의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른, 전자기 에너지 소스의 개략적인 단면도이다.
도 6은 도 5의 전자기 에너지 소스의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 개시의 실시예에 따른, 전자기 에너지 소스의 개략적인 단면도이다.
도 8은 도 7의 전자기 에너지 소스의 개략적인 단면도이다.
도 9는 도 7의 전자기 에너지 소스의 회로도이다.
도 10은 본 개시의 실시예에 따른, 전자기 에너지 소스 및 저장 커패시터의 개략적인 단면도이다.
도 11은 도 10의 전자기 에너지 소스를 동축으로 할 수 있는 개략적인 단면도이다.
도 12는 도 10의 전자기 에너지 소스의 회로도이다.
도 13은 대형 페라이트 FeMn(ZnO)의 주파수에 의한 상대 자기 투자율을 나타내는 그래프이다.
도 14는 대형 페라이트 FeMn(ZnO)의 주파수에 의한 유전체 상수를 나타낸 그래프이다.
In order that the recited features, aspects and advantages of the present disclosure, as well as others that will become apparent, may be achieved and understood in detail, a more specific description of embodiments of the present disclosure, briefly summarized above, are shown in the drawings, which form a part hereof: This can be done with reference to the embodiment. However, the appended drawings illustrate only certain embodiments of the present disclosure, and therefore should not be construed as limiting the scope of the present disclosure to the extent that the present disclosure admits other equally effective embodiments.
1 is a schematic cross-sectional view of a transmitter-receiver array for borehole-to-borehole electromagnetic surveying, in accordance with an embodiment of the present disclosure;
2 is a schematic cross-sectional view of an electromagnetic energy source and a storage capacitor, in accordance with an embodiment of the present disclosure;
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic energy source of FIG. 2 ;
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic energy source of FIG. 2 ;
5 is a schematic cross-sectional view of an electromagnetic energy source, in accordance with an embodiment of the present disclosure.
6 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic energy source of FIG. 5 ;
7 is a schematic cross-sectional view of an electromagnetic energy source, in accordance with an embodiment of the present disclosure.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic energy source of FIG. 7 ;
9 is a circuit diagram of the electromagnetic energy source of FIG. 7 ;
10 is a schematic cross-sectional view of an electromagnetic energy source and a storage capacitor, in accordance with an embodiment of the present disclosure.
11 is a schematic cross-sectional view that may be coaxial with the electromagnetic energy source of FIG. 10 ;
12 is a circuit diagram of the electromagnetic energy source of FIG. 10 ;
13 is a graph showing the relative magnetic permeability according to the frequency of large ferrite FeMn (ZnO).
14 is a graph showing the dielectric constant according to the frequency of large ferrite FeMn (ZnO).

도 1을 보면, 보어홀 대 보어홀 전자기 측량을 위한 송신기-수신기 어레이의 예시적인 배치가 도시된다. 송신기는 전자기 에너지 소스 (10)일 수 있다. 전자기 에너지 소스 (10)는 웰 보어홀 (12) 내에 위치될 수 있다. 웰 보어홀 (12)은 지하 탄화수소 저장소 (14)를 통해 연장될 수 있다. 전자기 에너지 소스 (10)는 지하 탄화수소 저장소 (14)의 전자기 이미징을 위해 지하 탄화수소 저장소 (14)를 통해 이동하는 전자기 에너지의 펄스를 방출할 수 있다.1 , an exemplary arrangement of a transmitter-receiver array for borehole-to-borehole electromagnetic surveying is shown. The transmitter may be an electromagnetic energy source 10 . The electromagnetic energy source 10 may be located within the well bore hole 12 . A well bore hole 12 may extend through an underground hydrocarbon reservoir 14 . The electromagnetic energy source 10 may emit pulses of electromagnetic energy traveling through the subterranean hydrocarbon reservoir 14 for electromagnetic imaging of the subterranean hydrocarbon reservoir 14 .

하나의 전자기 에너지 소스 (10)가 도 1의 예에 도시되지만, 대안적인 실시예에서, 다수의 전자기 에너지 소스 (10)는 웰 보어홀 (12) 내에 위치될 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 전자기 에너지 소스 (10)는 지하 탄화수소 저장소 위에서 지표면 (15)에 위치될 수 있다. 도 1의 예에서, 일련의 전자기 센서 (16)는 센서 보어 (18)에 위치된다. 센서 보어 (18)는, 지하 탄화수소 저장소 (14)를 통해 연장되고 웰 보어홀 (12)로부터 이격된 보어홀일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 전자기 센서 (16)는 지하 탄화수소 저장소 (14) 위의 지표면 (15) 상의 어레이로 있을 수 있다 (도시되지 않음). 전자기 에너지 소스 (10)가 웰 보어홀 (12)에 위치하고 전자기 센서 (16)가 지표면 (15) 위에 위치될 때, 그 배치는 보어홀 대 표면 어레이로 알려져 있다. 일반적으로 전자기 에너지 소스 (10) 및 전자기 센서 (16) 중 하나 또는 둘 다는 보어홀 내에 위치되어 EM 신호가 전자기 에너지 소스 (10)로부터 전자기 센서 (16)로 이동할 때 지하 탄화수소 저장소 (14)를 통과한다. 전자기 센서 (16)는 전자기 에너지 소스 (10)로부터 이미지 지하 탄화수소 저장소 (14)로 방출된 펄스의 도달 시간의 측정을 형성할 수 있다.Although one electromagnetic energy source 10 is shown in the example of FIG. 1 , in alternative embodiments, multiple electromagnetic energy sources 10 may be located within the well borehole 12 . Alternatively, the one or more sources of electromagnetic energy 10 may be located at the earth's surface 15 above the subterranean hydrocarbon reservoir. In the example of FIG. 1 , a series of electromagnetic sensors 16 are located in the sensor bore 18 . The sensor bore 18 may be a borehole that extends through the subterranean hydrocarbon reservoir 14 and is spaced apart from the well borehole 12 . In an alternative embodiment, the electromagnetic sensors 16 may be in an array on the ground surface 15 above the subterranean hydrocarbon reservoir 14 (not shown). When the electromagnetic energy source 10 is located in the well borehole 12 and the electromagnetic sensor 16 is located above the ground surface 15, the arrangement is known as a bore-to-surface array. Typically one or both of the electromagnetic energy source 10 and the electromagnetic sensor 16 are located within the borehole so that the EM signal passes through the subterranean hydrocarbon reservoir 14 as it travels from the electromagnetic energy source 10 to the electromagnetic sensor 16 . do. The electromagnetic sensor 16 may form a measure of the arrival time of a pulse emitted from the electromagnetic energy source 10 to the image subsurface hydrocarbon reservoir 14 .

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 다수의 EM 에너지 측정은 상이한 방향으로부터 지하 지형 특징의 다양한 부분을 샘플링하기 위해, 지하 탄화수소 저장소 (14)를 포함하여, 송신기 위치 (20) 및 수신기 위치 (22)의 상이한 조합으로 수행될 수 있다. 전자기 에너지 소스 (10) 및 전자기 센서 (16) 둘 다는 다운홀 툴의 일부이거나 툴 내에 위치될 수 있고 송신기 위치 (20)와 수신기 위치 (22) 사이와 같은 연속적인 위치들 사이에서 이동 가능할 수 있다.As can be seen in FIG. 1 , a number of EM energy measurements were performed at a transmitter location 20 and a receiver location 22 , including an underground hydrocarbon reservoir 14 , to sample various portions of subsurface topographic features from different directions. can be performed with different combinations of Both the electromagnetic energy source 10 and the electromagnetic sensor 16 may be part of or located within a downhole tool and may be movable between successive positions, such as between a transmitter position 20 and a receiver position 22 . .

전자기 에너지 소스 (10)는 웰 보어홀 (12)에서 관심 깊이로 이동하기 위해 소스 와이어라인 (24)에 부착될 수 있다. 도 1의 예에서, 소스 와이어라인 (24)은 표면에서 차량 (26)으로부터 연장된다. 시스템 제어 유닛 (28)은 차량 (26)과 연관될 수 있고 전자기 에너지 소스 (10)에 의해 방출된 펄스를 제어하는데 사용될 수 있다. 제 2 차량 (30)은 전자기 센서 (16)에 부착되고 센서 보어 (18) 내에서 전자기 센서 (16)를 이동시키기 위한 수신기 와이어라인 (32)을 가질 수 있다. 전자기 에너지 소스 (10)는 1/4 파 다이폴 안테나 (quarter wave dipole antenna)를 포함할 수 있다.An electromagnetic energy source 10 may be attached to a source wireline 24 to travel from the well bore hole 12 to a depth of interest. In the example of FIG. 1 , the source wireline 24 extends from the vehicle 26 at the surface. A system control unit 28 may be associated with the vehicle 26 and may be used to control the pulses emitted by the electromagnetic energy source 10 . The second vehicle 30 is attached to the electromagnetic sensor 16 and may have a receiver wireline 32 for moving the electromagnetic sensor 16 within the sensor bore 18 . The electromagnetic energy source 10 may include a quarter wave dipole antenna.

도 2 내지 3을 보면, 전자기 에너지 소스 (10)는 손드 조립체 (34)를 포함한다. 손드 조립체 (34)는 2 개의 주요 섹션을 가진다: 제 1 섹션 (34a)은 제 2 섹션 (34b)과 축 방향으로 정렬되고 상기 제 2 섹션으로부터 이격된다. 전자기 에너지 소스 (10)는 또한 용량성 전하 저장 매체 (44)를 갖는 에너지 저장 커패시터 (40)를 포함한다.2-3 , the electromagnetic energy source 10 includes a sonde assembly 34 . Sonde assembly 34 has two main sections: a first section 34a is axially aligned with a second section 34b and spaced apart from the second section. The electromagnetic energy source 10 also includes an energy storage capacitor 40 having a capacitive charge storage medium 44 .

전극 (42)은 손드 조립체 (34)의 제 1 섹션 (34a) 및 제 2 섹션 (34b) 각각에 장착된다. 제 1 전극 (42a)은 제 1 섹션 (34a)에 위치되고 제 2 전극 (42b)은 제 2 섹션 (34b)에 위치된다. 전극 (42)은 세장형 부재일 수 있고 관형 형상을 가질 수 있다. 전극 (42)은 구리로 형성될 수 있고, 대안적인 실시예에서, 은, 알루미늄, 금으로, 또는 전극으로 사용하기에 적합한, 충분한 전도도, 내식성 및 경도를 갖는 다른 재료로 형성될 수 있다.The electrode 42 is mounted to each of the first section 34a and the second section 34b of the sonde assembly 34 . The first electrode 42a is located in the first section 34a and the second electrode 42b is located in the second section 34b. The electrode 42 may be an elongate member and may have a tubular shape. Electrode 42 may be formed of copper, and in alternative embodiments, may be formed of silver, aluminum, gold, or other material having sufficient conductivity, corrosion resistance, and hardness suitable for use as an electrode.

용량성 전하 저장 매체 (44)는 손드 조립체 (34)의 제 1 섹션 (34a) 및 제 2 섹션 (34b) 각각에 장착된다. 용량성 전하 저장 매체 (44)는 대형 유전체 및 대형 투과율 페라이트를 포함할 수 있으며, 이의 이점은 본 개시에서 논의된다. 도 2-3의 예시적인 실시예에서, 전계는 각 전극 (42)으로부터 에너지 저장 커패시터 (40)를 형성하는 근처의 용량성 전하 저장 매체 (44)를 통해 방사될 수 있다.A capacitive charge storage medium 44 is mounted to each of the first section 34a and the second section 34b of the sonde assembly 34 . Capacitive charge storage medium 44 may include a large dielectric and large transmittance ferrite, the advantages of which are discussed in this disclosure. 2-3 , an electric field may radiate from each electrode 42 through a nearby capacitive charge storage medium 44 forming an energy storage capacitor 40 .

도 4를 참조하면, 전자기 에너지 소스 (10)는 제 1 및 제 2 섹션 (34a, 34b) 각각의 제 1 및 제 2 전극 (42a, 42b) 사이에 위치한 고속 폐쇄 스위치 (46)를 더 포함할 수 있다. 고속 폐쇄 스위치 (46)는, 예를 들어, 스파크 갭 (spark gap)일 수 있다. 스파크 갭이 파괴되는 경우와 같이 고속 폐쇄 스위치가 닫힐 때, 전자기 에너지 소스 (10)는 전자기 펄스를 발생시킬 것이다. 예로서, 제 1 및 제 2 전극 (42a, 42b) 사이의 전위차가 갭 내의 가스의 항복 전압을 초과할 때, 전기 스파크가 제 1 및 제 2 전극 (42a, 42b) 사이를 통과할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 고속 폐쇄 스위치 (46)는 애벌랜치 (avalanche) 트랜지스터, 사이라트론 (thyratrons), 점화기, 실리콘 제어 정류기 및 특히 트리거형 (triggered) 스파크 갭을 포함할 수 있다. 고속 폐쇄 스위치 (46)는 전자기 에너지 소스 (10)가 사용될 환경, 조건 및 성능 기준에 적합한 피크 전류, 피크 전압, 유용한 샷 수, 지터 (jitter), 복잡성 및 기하학적 구조에 관한 성능 메트릭을 갖도록 선택될 수 있다.4, the electromagnetic energy source 10 may further include a fast closing switch 46 positioned between the first and second electrodes 42a, 42b of the first and second sections 34a, 34b, respectively. can The fast closing switch 46 may be, for example, a spark gap. When the fast closing switch is closed, such as when the spark gap is broken, the electromagnetic energy source 10 will generate an electromagnetic pulse. For example, an electrical spark may pass between the first and second electrodes 42a, 42b when the potential difference between the first and second electrodes 42a, 42b exceeds the breakdown voltage of the gas in the gap. In an alternative embodiment, the fast closing switch 46 may include avalanche transistors, thyratrons, igniters, silicon controlled rectifiers and in particular a triggered spark gap. The fast closing switch 46 may be selected to have performance metrics regarding peak current, peak voltage, number of useful shots, jitter, complexity and geometry suitable for the environment, conditions and performance criteria in which the electromagnetic energy source 10 will be used. can

전자기 에너지 소스 (10)는 또한 제 1 및 제 2 전극 (42a, 42b) 사이에 연결된 고 전압 파워 서플라이 (48)를 가질 수 있다. 고 전압 파워 서플라이 (48)는 예를 들어 1,500 볼트 이상의 전압을 가질 수 있다. 한 쌍의 고 저항성 도선 (leads)을 갖는 전자기 에너지 소스 (10)의 외부로부터 고 전압 파워 서플라이 (48)에 전력이 제공될 수 있다. 고 임피던스 직류 (DC) 연결은 손드 조립체 (34)가 방전될 때 전극 (42)을 통한 고 전류 펄스에 의한 연결에서 발생될 유도 전류의 양을 감소시킬 것이다.The electromagnetic energy source 10 may also have a high voltage power supply 48 coupled between the first and second electrodes 42a, 42b. The high voltage power supply 48 may have a voltage of 1,500 volts or more, for example. Power may be provided to the high voltage power supply 48 from outside the electromagnetic energy source 10 having a pair of high resistivity leads. A high impedance direct current (DC) connection will reduce the amount of induced current that will be generated in connection by a high current pulse through electrode 42 when sonde assembly 34 is discharged.

도 2-4의 예시적인 실시예에서, 용량성 전하 저장 매체 (44)는 접지로서 작용한다. 그러한 실시예에서, 전극 (42)에 근접한 용량성 전하 저장 매체 (44)는 에너지 저장 커패시터 (40)를 형성할 것이고, 용량성 전하 저장 매체 (44)의 외경에 근접한 용량성 전하 저장 매체 (44)는 접지로서 작용할 것이다.In the exemplary embodiment of Figures 2-4, the capacitive charge storage medium 44 acts as a ground. In such an embodiment, the capacitive charge storage medium 44 proximate the electrode 42 will form the energy storage capacitor 40 , and the capacitive charge storage medium 44 proximate the outer diameter of the capacitive charge storage medium 44 . ) will act as a ground.

전류 제한 저항 (50)은 고 전압 파워 서플라이 (48)와 제 1 섹션 (34a)의 제 1 전극 (42a) 및 제 2 섹션 (34b)의 제 2 전극 (42b) 둘 다 사이에 위치될 수 있다. 전류 제한 저항기 (50)는 고전류 펄스가 고 전압 파워 서플라이 (48)를 향해 서플라이 와이어로 복귀하는 것을 차단할 수 있다. 이는 전자기 펄스가 방출되고 있는 동안 안테나 시스템을 고 전압 파워 서플라이 (48)로부터 격리시킬 것이다.A current limiting resistor 50 may be positioned between the high voltage power supply 48 and both the first electrode 42a of the first section 34a and the second electrode 42b of the second section 34b. . Current limiting resistor 50 may block high current pulses from returning to the supply wire towards high voltage power supply 48 . This will isolate the antenna system from the high voltage power supply 48 while the electromagnetic pulses are being emitted.

각각의 예시적인 실시예에서, 고 전압 파워 서플라이 (48)는 고속 폐쇄 스위치 (46)와 동일한 구성요소들 사이에 위치되고, 고 전압 파워 서플라이 (48)에 직접 연결되지 않은 구성요소는 접지로서 작용할 수 있음에 유의한다.In each exemplary embodiment, a high voltage power supply 48 is positioned between the same components as the fast closing switch 46, and any component not directly connected to the high voltage power supply 48 will act as ground. Note that you can

도 2-3의 예시적인 실시예에서, 손드 조립체 (34)의 각 섹션 (34a, 34b)은 축 (Ax) 주위 중심에 있는 중심 보어를 갖는 세장형 관형 부재를 포함할 수 있다. 전극 (42)은 손드 조립체 (34)의 제 1 섹션 (34a) 및 제 2 섹션 (34b) 각각의 축 (Ax)을 따라 중심에 놓인다. 용량성 전하 저장 매체 (44)가 전극 (42)을 둘러싸도록 전극 (42)은 용량성 전하 저장 매체 (44) 내에 피복된다. 에너지 저장 커패시터 (40)는 전극 (42)으로부터 그리고 근처의 용량성 전하 저장 매체 (44)를 통해 방사되는 전계에 의해 형성된다. 저장된 에너지의 양은 전계의 제곱에 따라 변할 것이다. 전극 (42)이 작은 직경을 갖는 경우, 거의 모든 전계 전위 강하가 용량성 전하 저장 매체 (44) 내부에서 발생할 것이다.2-3 , each section 34a , 34b of sonde assembly 34 may include an elongate tubular member having a central bore centered about axis Ax. The electrode 42 is centered along the axis Ax of each of the first section 34a and the second section 34b of the sonde assembly 34 . The electrode 42 is covered within the capacitive charge storage medium 44 such that the capacitive charge storage medium 44 surrounds the electrode 42 . Energy storage capacitor 40 is formed by an electric field radiating from electrode 42 and through nearby capacitive charge storage medium 44 . The amount of energy stored will vary with the square of the electric field. If the electrode 42 has a small diameter, almost all of the field potential drop will occur inside the capacitive charge storage medium 44 .

도 5-6의 예시적인 실시예를 보면, 손드 조립체 (34)의 전도체 부재 (33)는 제 1 전도체로서 역할을 하고 용량성 전하 저장 매체 (44)는 전도체 부재 (33)와 전극 (42) 사이에 위치된다. 용량성 전하 저장 매체 (44)는 전극 (42)으로부터 전도체 부재 (33)를 전기 절연시킨다. 그러한 실시예에서, 전도체 부재 (33) 및 전극 (42) 둘 다는, 솔리드 로드 또는 와이어일 수 있는 세장형 부재로서 도시된다.5-6, the conductor member 33 of the sonde assembly 34 serves as the first conductor and the capacitive charge storage medium 44 includes the conductor member 33 and the electrode 42. located between The capacitive charge storage medium 44 electrically insulates the conductor member 33 from the electrode 42 . In such an embodiment, both the conductor member 33 and the electrode 42 are shown as elongate members, which may be solid rods or wires.

도 5-6의 실시예에서, 고속 폐쇄 스위치 (46)는 제 1 및 제 2 전도체 부재 (33a, 33b) 사이에 연결되고 고 전압 파워 서플라이 (48)는 또한 전도체 부재 (33)의 제 1 및 제 2 전도체 부재 (33a, 33b) 사이에 연결된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 제 1 전극 (42a) 및 제 2 전극 (42b)은 접지로서 작용한다. 전류 제한 저항기 (50)는 고 전압 파워 서플라이 (48)와 제 1 섹션 (34a)의 제 1 전도체 부재 (33a) 및 제 2 섹션 (34b)의 제 2 전도체 부재 (33b) 둘 다 사이에 위치될 수 있다.5-6, a fast closing switch 46 is connected between the first and second conductor members 33a, 33b and the high voltage power supply 48 is also connected between the first and second conductor members 33a and 33b. connected between the second conductor members 33a and 33b. In this exemplary embodiment, the first electrode 42a and the second electrode 42b act as a ground. The current limiting resistor 50 is to be positioned between the high voltage power supply 48 and both the first conductor member 33a of the first section 34a and the second conductor member 33b of the second section 34b. can

도 5-6의 예시적인 실시예에서, 전도체 부재 (33)는 손드 조립체 (34)의 각각의 섹션 (34a, 34b)을 통해 연장되는 와이어일 수 있다. 전도체 부재 (33)는 용량성 전하 저장 매체 (44) 내에 피복된다. 전극 (42)은 또한 손드 조립체 (34)의 각각의 섹션 (34a, 34b)을 통해 연장되는 와이어일 수 있다. 전극 (42)은 또한 용량성 전하 저장 매체 (44) 내에 피복된다. 에너지 저장 커패시터 (40)는 한 쌍의 와이어에 의해 형성되고, 상기 와이어는 상기 와이어들 사이에서 큰 전위 전압을 가질 수 있는 전도체 부재 (33) 및 전극 (42)이다. 전극 (42)과 전도체 부재 (33) 사이의 용량성 전하 저장 매체 (44)는 전극 (42)과 전도체 부재 (33)의 상호적인 커패시턴스를 증가시킨다. 전도체 부재 (33) 및 전극 (42) 둘 다는 에너지 저장 커패시터 (40)의 전도체 요소로서 그리고 전자기 펄스를 방출하기 위한 전자기 에너지 소스 (10)의 전송 요소의 일부로서 역할을 한다.5-6 , the conductor member 33 may be a wire extending through each section 34a , 34b of the sonde assembly 34 . The conductor member 33 is encased in a capacitive charge storage medium 44 . Electrode 42 may also be a wire extending through each section 34a , 34b of sonde assembly 34 . Electrode 42 is also covered in capacitive charge storage medium 44 . The energy storage capacitor 40 is formed by a pair of wires, which are a conductor member 33 and an electrode 42 capable of having a large potential voltage between the wires. The capacitive charge storage medium 44 between the electrode 42 and the conductor member 33 increases the mutual capacitance of the electrode 42 and the conductor member 33 . Both the conductor member 33 and the electrode 42 serve as conductor elements of the energy storage capacitor 40 and as part of a transmission element of the electromagnetic energy source 10 for emitting electromagnetic pulses.

도 7-9의 예시적인 실시예를 보면, 손드 조립체 (34)의 전도체 부재 (33)는 제 1 전도체로서 역할을 하고, 용량성 전하 저장 매체 (44)는 전도체 부재 (33)와 전극 (42) 사이에 위치된다. 용량성 전하 저장 매체 (44)는 전극 (42)으로부터 전도체 부재 (33)를 전기 절연시킨다. 그러한 실시예에서, 전도체 부재 (33)는 용량성 전하 저장 매체 (44)를 둘러싸는 외부 몸체이다. 전극 (42)은 솔리드 로드 또는 와이어일 수 있는 세장형 부재로서 도시된다. 손드 조립체 (34)의 각각의 섹션 (34a, 34b)은 절연 재료로 형성된 말단부 캡 (end cap, 39)을 가질 수 있다. 1 섹션 (34a) 및 제 2 섹션 (34b)의 캡핑된 말단부는 서로를 향해 대면할 수 있다. 전극 (42)은 손드 조립체 (34)의 말단부 캡 (39)을 통해 돌출될 수 있다.7-9, the conductor member 33 of the sonde assembly 34 serves as the first conductor, and the capacitive charge storage medium 44 includes the conductor member 33 and the electrode 42 ) is located between The capacitive charge storage medium 44 electrically insulates the conductor member 33 from the electrode 42 . In such an embodiment, the conductive member 33 is an outer body surrounding the capacitive charge storage medium 44 . Electrode 42 is shown as an elongate member, which may be a solid rod or wire. Each section 34a, 34b of sonde assembly 34 may have an end cap 39 formed of an insulating material. The capped distal ends of the first section 34a and the second section 34b may face towards each other. The electrode 42 may protrude through the distal end cap 39 of the sonde assembly 34 .

도 7-9의 실시예에서, 고속 폐쇄 스위치 (46)는 제 1 및 제 2 전도체 부재 (33a, 33b) 사이에 연결되고, 고 전압 파워 서플라이 (48)은 또한 전도체 부재 (33)의 제 1 및 제 2 전도체 부재 (33a, 33b) 사이에 연결된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 제 1 전극 (42a) 및 제 2 전극 (42b)은 접지로서 작용한다. 전류 제한 저항기 (50)은 고 전압 파워 서플라이 (48)와 제 1 섹션 (34a)의 제 1 전도체 부재 (33a) 및 제 2 섹션 (34b)의 제 2 전도체 부재 (33b) 둘 다 사이에 위치될 수 있다.7-9 , a fast closing switch 46 is connected between the first and second conductor members 33a , 33b , and the high voltage power supply 48 is also connected to the first of the conductor members 33 . and the second conductor member 33a, 33b. In this exemplary embodiment, the first electrode 42a and the second electrode 42b act as a ground. A current limiting resistor 50 is to be positioned between the high voltage power supply 48 and both the first conductor member 33a of the first section 34a and the second conductor member 33b of the second section 34b. can

도 7-8의 예시에서, 전도체 부재 (33)는 손드 조립체 (34)의 외부 금속 몸체일 수 있다. 손드 조립체 (34)의 각각의 섹션 (34a, 34b)은, 한 말단부에서 폐쇄되고 반대 말단부에서는 말단부 캡 (39)을 가진 금속 몸체와 같은 세장형 관형 부재를 가질 수 있다. 손드 조립체 (34)는 축 (Ax) 주위 중심에 있는 중심 보어를 가질 수 있다. 전극 (42)은 손드 조립체 (34)의 제 1 섹션 (34a) 및 제 2 섹션 (34b) 각각의 축 (Ax)을 따라 중심에 놓인다. 전극 (42)은 세장형 부재일 수 있고 솔리드 로드일 수 있다. 전도체 부재 (33) 및 전극 (42) 둘 다는 에너지 저장 커패시터 (40)의 전도체 요소로서 그리고 전자기 펄스를 방출하기 위한 전자기 에너지 소스 (10)의 전송 요소의 일부로서 역할을 한다.In the example of FIGS. 7-8 , the conductor member 33 may be the outer metal body of the sonde assembly 34 . Each section 34a , 34b of the sonde assembly 34 may have an elongate tubular member, such as a metal body, closed at one distal end and having a distal end cap 39 at the opposite distal end. Sonde assembly 34 may have a central bore centered about axis Ax. The electrode 42 is centered along the axis Ax of each of the first section 34a and the second section 34b of the sonde assembly 34 . The electrode 42 may be an elongate member and may be a solid rod. Both the conductor member 33 and the electrode 42 serve as conductor elements of the energy storage capacitor 40 and as part of a transmission element of the electromagnetic energy source 10 for emitting electromagnetic pulses.

도 10-12의 예시적인 실시예를 살펴보면, 손드 조립체 (34)는 코어 부재 (54) 주위에 감긴 동축 케이블 (52)을 포함한다. 코어 부재 (54)는 예를 들어 폴리 염화 비닐 (PVC) 파이프, 또는 손드 조립체 (34)의 성능을 간섭함 없이 동축 케이블 (52)에 충분한 지지를 제공하는 이용 가능한 적합한 다른 코어 부재일 수 있다. 동축 케이블 (52)이 견고하고 자립할 만큼 강한 경우, 어떠한 코어 부재도 필요치 않다. 동축 케이블 (52)은 동축 케이블 (52) 내에서 연장되는 와이어일 수 있는 전극 (42)을 포함한다. 동축 케이블 (52)의 용량성 전하 저장 매체 (44)는 전극 (42)을 둘러싼다.10-12 , sonde assembly 34 includes a coaxial cable 52 wound around a core member 54 . The core member 54 may be, for example, polyvinyl chloride (PVC) pipe, or any other suitable core member available that provides sufficient support to the coaxial cable 52 without interfering with the performance of the sonde assembly 34 . If the coaxial cable 52 is sturdy and strong enough to stand on its own, no core member is required. The coaxial cable 52 includes an electrode 42 , which may be a wire extending within the coaxial cable 52 . A capacitive charge storage medium 44 of the coaxial cable 52 surrounds the electrode 42 .

도 10-12의 실시예에서, 고속 폐쇄 스위치 (46)는 제 1 및 제 2 전극 (42a, 42b) 사이에 연결되고, 고 전압 파워 서플라이 (48)는 또한 제 1 및 제 2 전극 (42a, 42b) 사이에 연결된다. 이 예에서, 제 1 섹션 (34a) 및 제 2 섹션 (34b)의 용량성 전하 저장 매체 (44)는 직렬로 연결된다. 전류 제한 저항기 (50)는 고 전압 파워 서플라이 (48)와 제 1 섹션 (34a)의 제 1 전극 (42a) 및 제 2 섹션 (34b)의 제 2 전극 (42b) 둘 다 사이에 위치될 수 있다. 동축 케이블 (52)의 브레이드 (braid, 56)는 2 차 저항기 (58)에 의해 제 1 전극 (42a)과 제 2 전극 (42b)을 함께 연결한다. 2 차 저항기 (58)는, 커패시터가 방전되면, 최대 전압이 스파크 갭 (46)으로 향하도록 전류를 반사시킨다.10-12, a fast closing switch 46 is connected between the first and second electrodes 42a, 42b, and the high voltage power supply 48 is also connected to the first and second electrodes 42a, 42b; 42b) is connected between In this example, the capacitive charge storage medium 44 of the first section 34a and the second section 34b is connected in series. A current limiting resistor 50 may be positioned between the high voltage power supply 48 and both the first electrode 42a of the first section 34a and the second electrode 42b of the second section 34b. . A braid 56 of the coaxial cable 52 connects the first electrode 42a and the second electrode 42b together by a secondary resistor 58 . The secondary resistor 58 reflects the current so that when the capacitor discharges, the maximum voltage is directed to the spark gap 46 .

도 10-12의 예시적인 실시예에서, 제 1 및 제 2 전극 (42a, 42b) 각각은 손드 조립체 (34)의 각 섹션 (34a, 34b)을 통해 연장되는 와이어 일 수 있다. 각각의 전극 (42)은 용량성 전하 저장 매체 (44)가 전극 (42)을 둘러싸도록 용량성 전하 저장 매체 (44) 내에 피복된다. 에너지 저장 커패시터 (40)는 전극 (42)으로부터 그리고 근처의 용량성 전하 저장 매체 (44)를 통해 방사되는 전계에 의해 형성된다. 감긴 동축 케이블을 사용함으로써, 코어 부재 (54) 주위에 필요한 동축 케이블의 필요한 길이를 감아서 안테나의 커패시턴스를 설정할 수 있다. 이러한 방식으로, 안테나의 커패시턴스는 안테나의 전체 길이를 변경하지 않고 조절될 수 있다.In the exemplary embodiment of FIGS. 10-12 , each of the first and second electrodes 42a , 42b may be a wire extending through a respective section 34a , 34b of the sonde assembly 34 . Each electrode 42 is covered within a capacitive charge storage medium 44 such that the capacitive charge storage medium 44 surrounds the electrode 42 . Energy storage capacitor 40 is formed by an electric field radiating from electrode 42 and through nearby capacitive charge storage medium 44 . By using a coiled coaxial cable, it is possible to set the capacitance of the antenna by winding the required length of coaxial cable around the core member 54 . In this way, the capacitance of the antenna can be adjusted without changing the overall length of the antenna.

각각의 예시적인 실시예에서, 용량성 전하 저장 매체 (44)는 대형 유전체 및 대형 투자율 페라이트를 포함할 수 있다. 원하는 주파수에 따라, 대형 유전체 및 대형 투자율 페라이트를 사용함은, 10 킬로헤르츠 (kHz) 내지 1 MHz의 범위에 있는 주파수 경우, 안테나 길이가 0.10 미터 (m) 내지 2 m의 범위의 길이로 감소되도록 할 수 있다. 대형 유전체 및 대형 투자율 페라이트는 104-105의 유전체 상수를 갖는 특수 부류의 재료 및 10 kHz - 1 MHz 범위에서 상대 자기 투자율이 600 초과인 페라이트이다. 이 재료로 EMU 임펄스 안테나를 클래딩함은 종래의 고 유전체 및 자기 투자율 재료와 비교하여 안테나의 물리적 길이의 최대 높이가 최대 몇 자리수 (orders of magnitude)까지 줄어들 수 있도록 하며, 클래딩을 두껍게 할 필요가 없고, 이는 저속파 안테나를 구성할 때 일반적인 문제이다.In each exemplary embodiment, capacitive charge storage medium 44 may include a large dielectric and large permeability ferrite. Depending on the desired frequency, the use of a large dielectric and large magnetic permeability ferrite will allow the antenna length to be reduced to a length ranging from 0.10 meters (m) to 2 m for frequencies in the range from 10 kilohertz (kHz) to 1 MHz. can Large dielectric and large permeability ferrites are a special class of materials having a dielectric constant of 104-105 and ferrites having a relative magnetic permeability greater than 600 in the range of 10 kHz - 1 MHz. Cladding the EMU impulse antenna with this material allows the maximum height of the antenna's physical length to be reduced up to orders of magnitude compared to conventional high dielectric and magnetic permeability materials, eliminating the need for thickening of the cladding and , this is a common problem when constructing low-speed antennas.

저속파는 구조를 따라 이동하는 EM 파의 군속도로 지칭된다. 군속도는 가이딩 구조의 전자기 속성을 변경하거나 특히 다음 공식에 따라 가이드와이어 주위의 클래딩을 변경하여 보다 느리게 만들 수 있다:A slow wave is referred to as the group velocity of an EM wave traveling along a structure. The group velocity can be made slower by changing the electromagnetic properties of the guiding structure, or specifically by changing the cladding around the guidewire according to the following formula:

Figure 112020062475066-pct00001
Figure 112020062475066-pct00001

여기서 V = 파 속도, εr은 유전체 상수이며, μr은 상대 자기 투자율이다.where V = wave velocity, ε r is the dielectric constant, and μ r is the relative magnetic permeability.

EM 파의 보다 느린 군속도는, 매우 큰 파장을 갖는 10 kHz - 1 MHz 범위의 주파수를 갖는 응용 분야와 같이 저주파 응용 분야에 특히 중요한 안테나의 물리적 길이를 비례적으로 감소시킬 수 있고, 그 예로 클래딩되지 않은 안테나의 공진 파장의 1/4에 해당하는 안테나의 길이가 수백 미터인 경우이다.The slower group velocity of EM waves can proportionally reduce the physical length of the antenna, which is particularly important for low frequency applications, such as applications with frequencies in the 10 kHz - 1 MHz range with very large wavelengths, e.g. not cladded. This is a case in which the length of the antenna, which corresponds to 1/4 of the resonant wavelength of the non-resonant antenna, is several hundred meters.

저속파 안테나의 높이 감소 계수 (N)는 클래딩 안테나의 전기적 길이 대 클래딩되지 않은 안테나의 전기적 길이의 비이다. 그러므로, 최대 높이 감소 계수는 다음과 직접 관련된다:The height reduction factor (N) of a slow wave antenna is the ratio of the electrical length of the clad antenna to the electrical length of the unclad antenna. Therefore, the maximum height reduction factor is directly related to:

Figure 112020062475066-pct00002
Figure 112020062475066-pct00002

또는 간단히 말해서, EM 파의 속도가 느릴수록 다이폴 안테나의 물리적 길이는 더 줄어들 수 있다.Or simply put, the slower the speed of the EM wave, the smaller the physical length of the dipole antenna can be.

전통적인 고 유전체 및 페라이트 재료의 경우, 클래딩 두께는 주파수가 감소함에 따라 증가한다. 약 100 MHz에서 클래딩 두께를 지배하는 방정식은 두께 부피가 비현실적으로 크고 균일하지 않은 것으로 나타난다. 파장이 750 kHz - 1 MHz 범위에서와 같이 수백 미터에 이르는 응용 분야의 경우, 펄스 다이폴 안테나에 이러한 재료를 사용함은 다운홀 작업에 대해 비현실적으로 두꺼운 클래딩을 초래하거나, 비현실적으로 긴 안테나를 초래하거나, 또는 이 둘 다를 초래할 수 있다.For traditional high dielectric and ferrite materials, the cladding thickness increases with decreasing frequency. The equations governing cladding thickness at about 100 MHz show that the thickness volume is unrealistically large and non-uniform. For applications with wavelengths spanning hundreds of meters, such as in the 750 kHz - 1 MHz range, the use of these materials in pulsed dipole antennas may result in unrealistically thick cladding for downhole operations, resulting in unrealistically long antennas; or both.

대형 유전체 재료는 CCTO (calcium copper titanate), A-Cu3Ti4O12 화합물 (이 경우 A는 3 가 희토류 또는 Bi)의 패밀리, 도핑된 산화 니켈, 도핑된 산화 제 2 구리 (doped cupric oxides), 바륨 티타네이트, 비스무트 스트론튬 티타네이트, 그리고 망간, 아연 및 니켈계 화합물과 조합된 철을 포함하는 다른 재료를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 도핑된 금속은 금속의 전기적 속성을 변화시키기 위해 의도적으로 불순물을 갖는 금속임을 유의한다.Large dielectric materials include calcium copper titanate (CCTO), a family of A-Cu3Ti4O12 compounds (where A is trivalent rare earth or Bi), doped nickel oxide, doped cupric oxides, barium titanate, bismuth strontium titanate, and other materials including iron in combination with manganese, zinc and nickel-based compounds. Note that a doped metal is a metal that has an impurity intentionally to change the electrical properties of the metal.

예로서, 도 13은 대형 페라이트 FeMn(ZnO)의 주파수에 의한 상대 투자율을 보여준다. 도 13을 보면, 실험실 테스트에 사용된 분광기는 1 MHz - 1 (기가헤르츠) GHz 범위의 고주파를 검출했다. 주파수가 10 MHz 미만일 때, 상대 자기 투자율은 기하급수적으로 증가한다. 그러한 테스트의 외삽법은 상대 투자율이 100 kHz에서 1000 근처 또는 이를 초과한 상대 자기 투자율을 초래한다. 도 14를 보면, 동일한 물질인 FeMn(ZnO)의 유전체 상수가 주파수로 도시된다. 100 Hz에서 이 재료에 대한 안테나 높이 감소 계수는 1000이다.As an example, FIG. 13 shows the relative permeability by frequency of large ferrite FeMn (ZnO). Referring to FIG. 13 , the spectrometer used in the laboratory test detected high frequencies in the range of 1 MHz - 1 (gigahertz) GHz. When the frequency is less than 10 MHz, the relative magnetic permeability increases exponentially. Extrapolation of such tests results in relative magnetic permeability near or above 1000 at 100 kHz. Referring to FIG. 14 , the dielectric constant of FeMn (ZnO), which is the same material, is plotted as a frequency. The antenna height reduction factor for this material at 100 Hz is 1000.

여기에 사용된 바와 같이, 안테나 높이 감소 계수 (n)은 다음과 같이 정의된다:As used herein, the antenna height reduction factor ( n ) is defined as:

Figure 112020062475066-pct00003
Figure 112020062475066-pct00003

이 경우, εr은 상대 전기 유전율 (유전체 상수라고도 알려짐)이며, 그리고 μr은 안테나 클래딩 재료의 상대 자기 투자율이다. 그 후, 이 높이 감소 계수 값 (n)은 εr 및 μr 둘 다가 1과 같은 재료를 사용하여 가상 안테나의 길이와 곱해져서 본 개시의 안테나의 높이가 클래딩의 전기 및 자기 속성을 증가시킴으로써 얼마나 많이 감소되었는지를 결정할 수 있다.In this case, ε r is the relative electrical permittivity (also known as the dielectric constant), and μ r is the relative magnetic permeability of the antenna cladding material. Then, this height reduction coefficient value ( n ) is multiplied by the length of the virtual antenna using a material where ε r and μ r are both equal to 1 to determine how much the height of the antenna of the present disclosure increases by increasing the electrical and magnetic properties of the cladding. You can determine if it has been greatly reduced.

도 1을 보면, 동작의 예에서, 지하 탄화수소 저장소 (14)의 전자기 이미지를 형성하기 위해, 전자기 에너지 소스 (10)는 웰 툴에 장착되거나 상기 웰 툴의 일부일 수 있고, 웰 보어홀 (12)에서의 와이어라인 상에서 관심 깊이까지 내려갈 수 있다 (lowered).Referring to FIG. 1 , in an example of operation, an electromagnetic energy source 10 may be mounted to or part of a well tool to form an electromagnetic image of an underground hydrocarbon reservoir 14 , and a well bore hole 12 . It can be lowered to the depth of interest on the wireline at

전자기 에너지 소스 (10)와 연관된 다운홀 툴은 와이어 라인, 전력 연결, 및 동기화 신호 연결에 부착되는 기계적 커넥터를 갖는 상부 섹션을 가질 수 있다. 그러한 상부 섹션 및 연결은 공지된 현재 다운홀 와이어라인 툴과 같이 배향될 수 있다. 다운홀 툴의 하부 섹션은 손드 조립체 (34)를 하우징할 수 있다. 전자기 에너지 소스 (10)는 구조적 무결성을 제공하면서 전자기 신호의 전송도 허용하기 위해 강한 절연성 폴리머 재료로 싸여질 수 있다.A downhole tool associated with the electromagnetic energy source 10 may have an upper section having a mechanical connector attached to a wire line, a power connection, and a synchronization signal connection. Such upper sections and connections can be oriented like known current downhole wireline tools. A lower section of the downhole tool may house a sonde assembly 34 . The electromagnetic energy source 10 may be encased in a strong insulating polymer material to also allow transmission of electromagnetic signals while providing structural integrity.

도 1의 예에 도시된 바와 같이, 단일 전자기 에너지 소스 (10)가 이용될 수 있다. 대안적으로, 복수의 전자기 에너지 소스 (10)는 웰 보어홀 (12)에서 내려갈 수 있다. 전자기 에너지의 펄스는 단일 전자기 에너지 소스 (10)로부터 또는 적용 가능하다면, 복수의 전자기 에너지 소스 (10) 각각에서 방출될 수 있어 지하 탄화수소 저장소 (14)를 통해 이동하며, 결과적인 신호는 전자기 센서 (16)에 의해 수신될 수 있다. 공지된 특성을 갖는 전자기 펄스는 지하 탄화수소 저장소 (14)에서의 또는 그 근처에서의 위치로부터 고 출력의 펄스 전자기 에너지 소스 (10)로부터 발생된다. 전자기 펄스를 발생시키기 위해, 고 전압 파워 서플라이 (48)는 고속 폐쇄 스위치 (46)가 닫힐 때까지 전류 제한 저항기 (50)를 통해 에너지 저장 커패시터 (40)를 충전한다. 고속 폐쇄 스위치가 닫힌 상태에서, 전자기 에너지 소스 (10)는 전자기 에너지의 펄스를 방출 할 것이다. 전자기 펄스가 방출된 후, 고 전압 파워 서플라이 (48)는 에너지 저장 커패시터 (40)를 재충전할 수 있다.As shown in the example of FIG. 1 , a single electromagnetic energy source 10 may be used. Alternatively, the plurality of electromagnetic energy sources 10 may descend from the well bore hole 12 . Pulses of electromagnetic energy may be emitted from a single electromagnetic energy source 10 or, if applicable, each of a plurality of electromagnetic energy sources 10 to travel through an underground hydrocarbon reservoir 14, and the resulting signal is transmitted to an electromagnetic sensor ( 16) can be received. Electromagnetic pulses with known properties are generated from a high power pulsed electromagnetic energy source 10 from a location at or near an underground hydrocarbon reservoir 14 . To generate the electromagnetic pulse, high voltage power supply 48 charges energy storage capacitor 40 through current limiting resistor 50 until fast closing switch 46 closes. In the closed state of the fast closing switch, the electromagnetic energy source 10 will emit a pulse of electromagnetic energy. After the electromagnetic pulse is emitted, the high voltage power supply 48 can recharge the energy storage capacitor 40 .

에너지 저장, 펄스 형성 및 방사 요소를 단일 구조로 결합함으로써, 이들 각각의 기능에 필요한 전자기 측량 시스템의 개별 분포 구성요소들 사이의 임피던스 정합 문제가 제거된다. 그러므로 본 개시의 시스템 및 방법은 파워 서플라이, 케이블 또는 전송 라인 및 안테나 사이의 부하 정합 문제를 제거한다. 에너지 저장 커패시터 (40)의 에너지 저장 요소 및 고속 폐쇄 스위치 (46) 둘 다는 한 쌍의 개시된 자체 구동 임펄스 안테나의 전송 안테나 요소 내부에 있어서, 파워 소스와 전송 요소 사이의 케이블에 대한 필요성이 제거되며, 그리고 시스템에서의 반사 및 손실이 최소화된다.By combining the energy storage, pulse forming and radiating elements into a single structure, the impedance matching problem between the individual distribution components of the electromagnetic survey system required for each of these functions is eliminated. The system and method of the present disclosure thus eliminates the load matching problem between the power supply, cable or transmission line and the antenna. Both the energy storage element of the energy storage capacitor 40 and the fast closing switch 46 are inside the transmit antenna elements of the pair of disclosed self-driven impulse antennas, eliminating the need for cables between the power source and the transmitting elements; And reflections and losses in the system are minimized.

복수의 전자기 센서 (16)는 웰 툴에 장착되거나 웰 툴의 일부일 수 있으며, 지하 탄화수소 저장소 (14)를 통해 연장되는 센서 보어 (18)에서 내려갈 수 있다. 대안적으로, 복수의 전자기 센서 (16)는 지하 탄화수소 저장소 (14) 상의 지표면 (15) 위에 어레이로 배치될 수 있다. 방출된 펄스 EM 신호는 지하 탄화수소 저장소 (14)를 통해 전송되고, 웰 보어홀 (12) 및 센서 보어 (18)를 둘러싸는 지하 형성을 통해 이동한 후 하나 이상의 전자기 센서 (16)에 기록된다. 전자기 센서 (16)에 의해 기록된 EM 신호는, 시간, 진폭, 전력 스펙트럼, 및 개재 매체의 속성 (그 예로 저장소) 및 이러한 속성의 공간적 변화에 의존하는 다른 특징과 같은 특징에서, 전자기 에너지 소스 (10)에 의해 방출된 펄스 신호와는 상이하다.The plurality of electromagnetic sensors 16 may be mounted to or part of the well tool and may descend in a sensor bore 18 extending through the subterranean hydrocarbon reservoir 14 . Alternatively, the plurality of electromagnetic sensors 16 may be disposed in an array above the ground surface 15 on the subterranean hydrocarbon reservoir 14 . The emitted pulsed EM signal is transmitted through the subterranean hydrocarbon reservoir 14 and recorded to one or more electromagnetic sensors 16 after traveling through the well bore hole 12 and the subterranean formation surrounding the sensor bore 18 . The EM signal recorded by the electromagnetic sensor 16 is a source of electromagnetic energy ( 10) is different from the pulse signal emitted by

전자기 에너지 소스 (10)는 지하 탄화수소 저장소 (14)를 통해 이동하는 그러한 위치에서 전자기 에너지의 펄스를 방출하기 위해 웰 보어홀 (12)에서의 송신기 위치 (20)와 같은 연속적인 위치들 사이에서 움직일 수 있다. 유사하게, 전자기 센서 (16)는 그러한 연속적인 위치에서 결과적인 신호를 수신하기 위해 수신기 위치 (22)와 같은 연속적인 위치들 사이에서 움직일 수 있다. 이러한 방식으로, 보다 완전한 전자기 이미지가 지하 탄화수소 저장소 (14)에 대해 형성될 수 있다.The electromagnetic energy source 10 moves between successive positions, such as a transmitter position 20 in a well bore hole 12 to emit a pulse of electromagnetic energy at such a position traveling through the subterranean hydrocarbon reservoir 14 . can Similarly, electromagnetic sensor 16 can move between successive positions, such as receiver position 22, to receive a resulting signal at such successive positions. In this way, a more complete electromagnetic image can be formed for the subterranean hydrocarbon reservoir 14 .

표면에서 시스템 제어 유닛 (28)과 연관된 기록 및 처리 기기는 전자기 센서 (16)에 의해 수신된 결과 신호와 관련된 정보를 수신 및 저장할 수 있다. 시스템 제어 유닛 (28)은 또한 결과 신호의 컴퓨터화된 분석과 같은 부가적인 기능을 수행하고, 결과적인 신호로부터 도출된 소정의 결과를 디스플레이하며, 그리고 추가 처리 및 컴퓨터화된 분석을 위해 컴퓨터 상에 결과적인 신호 및 컴퓨터화된 분석을 저장할 수 있다. 시스템 제어 유닛 (28)은, 예로서, 복수의 전자기 센서에서 방출된 펄스의 도달 시간의 측정을 형성하고, 복수의 전자기 센서로부터의 도달 시간 데이터의 측정을 분석하기 위해 사용될 수 있다. 이 정보로부터, 지하 탄화수소 저장소의 지하 특징의 표현 및 지하 탄화수소 저장소의 지하 특징의 표현의 이미지가 형성될 수 있다.A recording and processing instrument associated with the system control unit 28 at the surface may receive and store information related to the resulting signal received by the electromagnetic sensor 16 . The system control unit 28 also performs additional functions, such as computerized analysis of the resultant signal, displays predetermined results derived from the resultant signal, and is placed on the computer for further processing and computerized analysis. The resulting signal and computerized analysis can be stored. The system control unit 28 may be used, for example, to form a measurement of the time of arrival of pulses emitted from the plurality of electromagnetic sensors and to analyze the measurement of the time of arrival data from the plurality of electromagnetic sensors. From this information, images of representations of subterranean features of the subterranean hydrocarbon reservoir and representations of subterranean features of the subterranean hydrocarbon reservoir can be formed.

이로써, 본 개시의 실시예는 탄화수소 저장소에서 유체의 조성물 및 공간 분포에 관한 정보를 발생시킨다. 예로서, 물 넘침과 같은 주입된 유체의 방향, 속도 및 포화도를 결정하거나 시간의 함수로서 변형된 저장소 부피를 시각화하기 위해 동작이 주기적으로 반복될 수 있다. 이는 저장소 관리를 최적화하고 오일 우회를 방지함으로써 체적 스윕 효율 및 생산 속도를 개선시키는데 도움을 줄 수 있다.As such, embodiments of the present disclosure generate information regarding the composition and spatial distribution of fluids in hydrocarbon reservoirs. For example, operations may be repeated periodically to determine the direction, velocity, and saturation of the injected fluid, such as water overflow, or to visualize the deformed reservoir volume as a function of time. This can help improve volumetric sweep efficiency and production rate by optimizing storage management and preventing oil bypass.

대형 유전체/페라이트 재료를 사용함으로써, 100 kHz로 전송되는 안테나는 클래드가 없는 안테나의 경우의 3000 m로부터 종래의 고 유전체 상수 페라이트 재료를 갖는 안테나의 경우의 대략 30 m로 감소될 수 있으며, 대형 유전체 페라이트 재료로 클래딩된 안테나의 경우에서는 0.25 m로 줄어들 수 있다.By using a large dielectric/ferrite material, an antenna transmitting at 100 kHz can be reduced from 3000 m for an antenna without a clad to approximately 30 m for an antenna with a conventional high dielectric constant ferrite material, with a large dielectric In the case of an antenna clad with ferrite material, it can be reduced to 0.25 m.

본 개시의 실시예는 기술 분야의 통상의 기술자가 본 개시에서 언급된 결과를 재생산하고 얻을 수 있도록 충분히 기술되었다. 그럼에도 불구하고, 본 개시의 주제인 기술 분야의 통상의 기술자는 본 개시에 기술되지 않은 변형을 수행하여, 결정된 구조에 또는 이들의 제조 공정에 이들 변형을 적용할 수 있으며, 그러한 결과적인 구조는 본 개시의 권리 범위 내에 포함된다.The embodiments of the present disclosure have been described sufficiently to enable those skilled in the art to reproduce and obtain the results mentioned in the present disclosure. Nevertheless, a person skilled in the art, the subject of this disclosure, can make variations not described in this disclosure and apply these variations to the determined structures or to their manufacturing processes, and the resulting structures are described in the present disclosure. included within the scope of the right of disclosure.

본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 본 개시에서 상세하게 기술된 본 실시예의 개선 및 수정이 있을 수 있음을 유의하고 이해해야 한다.It should be noted and understood that improvements and modifications may be made to the embodiments described in detail in the present disclosure without departing from the scope of the present disclosure.

Claims (22)

지하 탄화수소 저장소의 전자기 이미징을 위해 상기 지하 탄화수소 저장소를 통해 이동하는 전자기 에너지의 펄스를 방출하는 전자기 에너지 소스에 있어서,
제 2 섹션과 축 방향으로 정렬되고 상기 제 2 섹션으로부터 이격된 제 1 섹션을 포함한 손드 조립체 (sonde assembly);
에너지 저장 커패시터, 여기에서 상기 에너지 저장 커패시터는:
상기 손드 조립체의 제 1 섹션 및 제 2 섹션 각각에 장착되고 전계를 발생시키도록 동작 가능한 전극; 및
상기 손드 조립체의 제 1 섹션 및 제 2 섹션 각각에 장착되고 각각의 전극을 둘러싼 용량성 전하 저장 매체 - 상기 용량성 전하 저장 매체는, CCTO (calcium copper titanate), A-Cu3Ti4O12 화합물 (이 경우 A는 3 가 희토류 또는 Bi)의 패밀리, 도핑된 산화 니켈, 도핑된 산화 제 2 구리 (doped cupric oxides), 바륨 티타네이트, 비스무트 스트론튬 티타네이트, 그리고 망간, 아연 및 니켈계 화합물과 조합된 철을 포함하는 다른 재료로부터 선택된 대형 유전체 및 대형 투자율 페라이트임;를 포함함; 및
애벌랜치 트랜지스터, 사이라트론, 점화기, 실리콘 제어 정류기 및 트리거형 스파크 갭으로부터 선택된 고속 폐쇄 스위치 - 상기 고속 폐쇄 스위치는 상기 손드 조립체의 제 1 섹션과 제 2 섹션 사이에 위치됨;를 포함하며,
상기 전자기 에너지 소스는 관심 깊이를 향한 웰 보어홀에서의 이동을 위해 와이어라인 (wireline)에 부착되는, 전자기 에너지 펄스 방출 전자기 에너지 소스.
An electromagnetic energy source for emitting pulses of electromagnetic energy traveling through an underground hydrocarbon reservoir for electromagnetic imaging of the subsurface hydrocarbon reservoir, the electromagnetic energy source comprising:
a sonde assembly comprising a first section axially aligned with the second section and spaced apart from the second section;
An energy storage capacitor, wherein the energy storage capacitor comprises:
an electrode mounted to each of the first and second sections of the sonde assembly and operable to generate an electric field; and
A capacitive charge storage medium mounted on each of the first section and the second section of the sonde assembly and surrounding each electrode - The capacitive charge storage medium comprises: calcium copper titanate (CCTO), an A-Cu3Ti4O12 compound (in this case, A is trivalent rare earth or Bi) family, doped nickel oxide, doped cupric oxides, barium titanate, bismuth strontium titanate, and iron in combination with manganese, zinc and nickel-based compounds. Including; large dielectric and large permeability ferrite selected from other materials; and
a fast closing switch selected from an avalanche transistor, a thyratron, an igniter, a silicon controlled rectifier and a triggered spark gap, the fast closing switch positioned between the first and second sections of the sonde assembly;
and the electromagnetic energy source is attached to a wireline for movement in the well borehole towards a depth of interest.
청구항 1에 있어서,
상기 손드 조립체의 제 1 섹션과 제 2 섹션 사이에 연결된 고 전압 파워 서플라이를 더욱 포함하는, 전자기 에너지 펄스 방출 전자기 에너지 소스.
The method according to claim 1,
and a high voltage power supply coupled between the first and second sections of the sonde assembly.
청구항 2에 있어서,
상기 고속 폐쇄 스위치 및 상기 고 전압 파워 서플라이는 상기 전극들 사이에 연결되는, 전자기 에너지 펄스 방출 전자기 에너지 소스.
3. The method according to claim 2,
and the fast closing switch and the high voltage power supply are connected between the electrodes.
청구항 2에 있어서,
상기 고 전압 파워 서플라이와 상기 전극 사이에 위치된 전류 제한 저항기를 더욱 포함하는, 전자기 에너지 펄스 방출 전자기 에너지 소스.
3. The method according to claim 2,
and a current limiting resistor positioned between the high voltage power supply and the electrode.
청구항 1에 있어서,
상기 전자기 에너지 소스는 지하 탄화수소 저장소를 통해 이동하는 전자기 에너지의 펄스를 방출하는 복수의 전자기 에너지 소스를 더욱 포함하는, 전자기 에너지 펄스 방출 전자기 에너지 소스.
The method according to claim 1,
wherein the electromagnetic energy source further comprises a plurality of electromagnetic energy sources emitting pulses of electromagnetic energy traveling through the subterranean hydrocarbon reservoir.
청구항 1에 있어서,
상기 전자기 에너지 소스는 지하 탄화수소 저장소를 통해 이동하는 연속적인 위치에서 전자기 에너지의 펄스를 방출하기 위해, 웰 보어홀 (well borehole)에서 상기 연속적인 위치로 움직일 수 있는, 전자기 에너지 펄스 방출 전자기 에너지 소스.
The method according to claim 1,
wherein the electromagnetic energy source is moveable from a well borehole to the continuous location to emit pulses of electromagnetic energy at a continuous location traveling through an underground hydrocarbon reservoir.
청구항 1에 있어서,
상기 손드 조립체는 제 1 전도체로서 역할을 하는 전도체 부재를 가지며, 상기 전극은 제 2 전도체로서 역할을 하는, 전자기 에너지 펄스 방출 전자기 에너지 소스.
The method according to claim 1,
wherein the sonde assembly has a conductor member serving as a first conductor and the electrode serving as a second conductor.
청구항 7에 있어서,
상기 용량성 전하 저장 매체는 상기 전도체 부재와 상기 전극 사이에 위치되는, 전자기 에너지 펄스 방출 전자기 에너지 소스.
8. The method of claim 7,
and the capacitive charge storage medium is positioned between the conductor member and the electrode.
청구항 7에 있어서,
상기 전도체 부재는 상기 용량성 전하 저장 매체에 의해 상기 전극으로부터 전기적으로 절연되는, 전자기 에너지 펄스 방출 전자기 에너지 소스.
8. The method of claim 7,
and the conductor member is electrically insulated from the electrode by the capacitive charge storage medium.
삭제delete 지하 탄화수소 저장소의 전자기 이미징을 위해 전자기 에너지의 펄스를 사용하는 시스템에 있어서,
청구항 1에 따른 적어도 하나의 전자기 에너지 펄스 방출 전자기 에너지 소스; 및
상기 전자기 에너지 소스로부터 결과 신호의 측정을 형성하는 복수의 전자기 센서;를 포함하는, 전자기 에너지 펄스 사용 시스템.
A system for using pulses of electromagnetic energy for electromagnetic imaging of an underground hydrocarbon reservoir, the system comprising:
at least one electromagnetic energy pulse emitting electromagnetic energy source according to claim 1 ; and
a plurality of electromagnetic sensors that form measurements of resultant signals from the electromagnetic energy source.
청구항 11에 있어서,
상기 복수의 전자기 센서는 상기 지하 탄화수소 저장소에서의 센서 보어에서 내려가는 웰 툴 (well tool)에 장착되는, 전자기 에너지 펄스 사용 시스템.
12. The method of claim 11,
and the plurality of electromagnetic sensors are mounted to a well tool that descends from a sensor bore in the subterranean hydrocarbon reservoir.
청구항 11에 있어서,
상기 복수의 전자기 센서는 상기 지하 탄화수소 저장소 위의 지표면 상의 어레이에 위치되는, 전자기 에너지 펄스 사용 시스템.
12. The method of claim 11,
wherein the plurality of electromagnetic sensors are located in an array on a surface above the subterranean hydrocarbon reservoir.
청구항 12에 있어서,
상기 복수의 전자기 센서에 의해 수신된 결과 신호에 관련된 정보를 저장하고 상기 결과 신호의 컴퓨터화된 분석을 수행하는 시스템 제어 유닛을 더욱 포함하는, 전자기 에너지 펄스 사용 시스템.
13. The method of claim 12,
and a system control unit for storing information related to a result signal received by the plurality of electromagnetic sensors and performing a computerized analysis of the result signal.
전자기 에너지 소스로 전자기 에너지의 펄스를 방출하는 방법에 있어서,
상기 전자기 에너지 소스를 제공하는 단계, 여기에서 상기 전자기 에너지 소스는:
제 2 섹션과 축 방향으로 정렬되고 상기 제 2 섹션으로부터 이격된 제 1 섹션을 포함한 손드 조립체;
상기 손드 조립체의 제 1 섹션 및 제 2 섹션 각각에 장착된 전극 및 상기 손드 조립체의 제 1 섹션 및 제 2 섹션 각각에 장착되고 상기 전극을 둘러싸는 용량성 전하 저장 매체를 포함하는 에너지 저장 커패시터 - 상기 용량성 전하 저장 매체는, CCTO (calcium copper titanate), A-Cu3Ti4O12 화합물 (이 경우 A는 3 가 희토류 또는 Bi)의 패밀리, 도핑된 산화 니켈, 도핑된 산화 제 2 구리, 바륨 티타네이트, 비스무트 스트론튬 티타네이트, 그리고 망간, 아연 및 니켈계 화합물과 조합된 철을 포함하는 다른 재료로부터 선택된 대형 유전체 및 대형 투자율 페라이트임; 및
애벌랜치 트랜지스터, 사이라트론, 점화기, 실리콘 제어 정류기 및 트리거형 스파크 갭으로부터 선택된 고속 폐쇄 스위치 - 상기 고속 폐쇄 스위치는 상기 제 1 섹션의 전극 및 상기 제 2 섹션의 전극 사이에 위치됨;를 가짐;
지하 탄화수소 저장소에서 웰 보어홀에서의 와이어라인 상의 전자기 에너지 소스를 관심 깊이로 내리는 단계;
상기 고속 폐쇄 스위치가 닫히고 전자기 에너지의 펄스가 상기 전자기 에너지 소스로부터 방출되도록 상기 에너지 저장 커패시터를 충전하는 단계;
상기 전자기 에너지 소스로부터 방출된 전자기 에너지의 펄스를 지하 탄화수소 저장소를 통해 이동하도록 지향시키는 단계;
복수의 전자기 센서에서의 전자기 에너지의 펄스의 도달 시간 데이터의 측정을 형성하는 단계;
상기 지하 탄화수소 저장소의 지하 특징의 표현을 형성하기 위해 상기 복수의 전자기 센서로부터의 도달 시간 데이터의 측정을 분석하는 단계; 및
상기 지하 탄화수소 저장소의 지하 특징의 표면의 이미지를 형성하는 단계;를 포함하는, 전자기 에너지 펄스 방출 방법.
A method of emitting a pulse of electromagnetic energy with an electromagnetic energy source, comprising:
providing the electromagnetic energy source, wherein the electromagnetic energy source comprises:
a sonde assembly including a first section axially aligned with the second section and spaced apart from the second section;
an energy storage capacitor comprising an electrode mounted to each of the first and second sections of the sonde assembly and a capacitive charge storage medium mounted to each of the first and second sections of the sonde assembly and surrounding the electrode; The capacitive charge storage medium is CCTO (calcium copper titanate), a family of A-Cu3Ti4O12 compounds (where A is trivalent rare earth or Bi), doped nickel oxide, doped cupric oxide, barium titanate, bismuth strontium large dielectric and large magnetic permeability ferrites selected from titanates and other materials including iron in combination with manganese, zinc and nickel-based compounds; and
a fast closing switch selected from an avalanche transistor, a thyratron, an igniter, a silicon controlled rectifier, and a triggered spark gap, wherein the fast closing switch is positioned between the electrode of the first section and the electrode of the second section;
lowering an electromagnetic energy source on a wireline in a well borehole in an underground hydrocarbon reservoir to a depth of interest;
charging the energy storage capacitor such that the fast closing switch closes and a pulse of electromagnetic energy is emitted from the electromagnetic energy source;
directing a pulse of electromagnetic energy emitted from the electromagnetic energy source to travel through an underground hydrocarbon reservoir;
forming measurements of time-of-arrival data of pulses of electromagnetic energy at the plurality of electromagnetic sensors;
analyzing measurements of time-of-arrival data from the plurality of electromagnetic sensors to form a representation of subterranean features of the subterranean hydrocarbon reservoir; and
forming an image of a surface of a subterranean feature of the subterranean hydrocarbon reservoir;
청구항 15에 있어서,
상기 전자기 에너지 소스는 상기 손드 조립체의 제 1 섹션의 전극 및 제 2 섹션의 전극에 연결된 고 전압 파워 서플라이를 더욱 포함하는, 전자기 에너지 펄스 방출 방법.
16. The method of claim 15,
wherein the electromagnetic energy source further comprises a high voltage power supply coupled to the electrode of the first section and the electrode of the second section of the sonde assembly.
청구항 16에 있어서,
상기 전자기 에너지 소스는 상기 고 전압 파워 서플라이와, 상기 제 1 섹션의 전극 및 상기 제 2 섹션의 전극 둘 다 사이에 위치된 전류 제한 저항기를 더욱 포함하는, 전자기 에너지 펄스 방출 방법.
17. The method of claim 16,
wherein the electromagnetic energy source further comprises a current limiting resistor positioned between the high voltage power supply and both the electrode of the first section and the electrode of the second section.
삭제delete 청구항 15에 있어서,
지하 탄화수소 저장소를 통해 이동하는 연속적인 위치에서 전자기 에너지의 펄스를 방출하기 위해 웰 보어홀에서 상기 연속적인 위치로 상기 전자기 에너지 소스를 움직이는 단계를 더욱 포함하는, 전자기 에너지 펄스 방출 방법.
16. The method of claim 15,
and moving the electromagnetic energy source from a well borehole to the continuous location to emit a pulse of electromagnetic energy at a continuous location traveling through the subterranean hydrocarbon reservoir.
청구항 15에 있어서,
지하 탄화수소 저장소에서 센서 보어를 통해 복수의 전자기 센서를 내리는 단계를 더욱 포함하는, 전자기 에너지 펄스 방출 방법.
16. The method of claim 15,
and unloading the plurality of electromagnetic sensors through the sensor bore in the subterranean hydrocarbon reservoir.
청구항 15에 있어서,
지하 탄화수소 저장소 위의 지표면 상의 어레이에 복수의 전자기 센서를 위치시키는 단계를 더욱 포함하는, 전자기 에너지 펄스 방출 방법.
16. The method of claim 15,
and positioning the plurality of electromagnetic sensors in an array on a surface above the subterranean hydrocarbon reservoir.
삭제delete
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