NO162489B - Fremgangsm te ogling av gravitasjonsforsk jeller i borehull. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for å måle gravitasjonskrefter i en brønnboring, og nærmere bestemt en slik anordning som benyttes til å måle gravitasjonsforskjel-len mellom to forskjellige steder i en brønnboring for bruk ved beregning av bulkdensiteten for en underjordisk formasjon.

For geologiske undersøkelser bg hydrokarbonproduksjon er det meget nyttig å kjenne bulkdensiteten av en underjordisk formasjon. For å oppnå bulkdensiteten av formasjonen, blir ofte en gravitasjonsmåler senket ned i en brønnboring og en gravitas jonsmåling foretas på et første sted i brønnboringen nær et parti av formasjonen. Gravitasjonsmåleren senkes ytterligere og stoppes på et andre sted i brønnboringen nær formasjonen. En andre gravitasjonsmåling tas, og de to gravitasjonsmålinger benyttes til å beregne bulkdensiteten av formasjonen .

Bruken av konvensjonelle gravitasjonsmålere for å oppnå en nøyaktig gravitasjonsmåling er vanligvis en tidkrevende og trettende operasjon som krever en velkvalifisert og våken operatør. Operatøren senker først gravitasjonsmåleren i brønn-boringen og "nuller" deretter gravitasjonsmåleren, hvilket be-tyr at en gravitasjonsføleanordning i gravitasjonsmåleren justeres slik at det er balanse mellom deh nedadrettede gravitasjonskraft og en eller flere justerbare utligningskref-ter. For å nulle gravitasjonsmåleren justerer operatøren utligningskreftene ut fra bevegelsen av en skriver ved overflaten, som angir den relative stilling av gravitasjonsføle-anordningen. Så snart gravitasjonsmåleren er nullet, beregner operatøren gravitasjonsavlesningen fra størrelsen av utlig-ningskref tene som er nødvendige for å nulle gravitasjonsmåleren. Deretter heves eller senkes gravitasjonsmåleren til et nytt sted, nivelleres og nulles, og operatøren oppnår en andre gravitasjonsmåling. Operatøren kan deretter beregne bulkdensiteten av formasjonen.

Andre anordninger er konstruert for å benyttes som gravitasjonsmålere, og en slik anordning kalles et akselerometer og består av to adskilte, parallelle og horisontale magneter med samme polaritet, enten Nord eller Syd, inntil hverandre. Mellom magnetene er det anbragt en masse som er hengsleforbundet ved den ene ende til akselerometerets hus for å tillate vertikal bevegelse av massen mellom magnetene. To adskilte, horisontale og parallelle plater er anordnet inntil magnetene og massen. Platene danner en del av en kapasitiv posisjons-indikator-krets (CPI-krets) som benyttes til å føle den relative stilling av massen mellom platene. Bruken av CPI-kretser til å føle posisjonen av massen, såsom i en gravitasjonsmåler, er illustrert i "Linearization and Calibration of Electrostatically Feedback Gravity Meters", Moore and Farrell, Journal of Geophysical Research, bind 75, nr. 5, 1'0. februar 1979 , og "Measurements in the Earth Mode Frequency Range by ^an Electrostatic Sensing and Feedback Gravimeter" Black and Moore, Journal of Geophysical Research, bind 71, nr. 18, 15. september 1966. Det elektriske utgangssignal fra CPI-kretsen benyttes til å generere en kontrollstrøm som tilføres massen for å danne elektromagnetiske krefter for å bevege massen til nullstilling mellom magnetene. Disse elektromagnetiske krefter beveger massen til en sentral stilling hvor massen er i balanse mellom gravitasjonens nedadrettede kraft på massen og de sentrerende elektromagnetiske krefter. En måling av denne kontrollstrøm kan omvandles til en angivelse av gravitasjonen på angjeldende sted i borehullet.

Et alvorlig problem ved bruk av et akselerometer som en gravitas jonsmåler i et borehull, er at utstyret som benyttes til å måle kontrollstrømmen ikke har den nødvendige nøyaktighet til at en måling av denne kontrollstrøm kan konverteres til en angivelse av gravitasjonen med den nøyaktighet som er nød-vendig for undersøkelser av gravitasjon i borehull og bulkdensitet. Ved måling av utgangssignalet fra et akselerometer må f.eks. verdien måles med omtrent ni (9) signifikante sifre, såsom 980 000 101 mikroampere. Imidlertid har utstyr som kan måle utgangssignalet en beste toleranse på -100 mikroampere, hvilket er en for vid toleranse for bruk i gravitasjonsmål-ingsberegninger. I et slikt eksempel må strømmen kunne måles innenfor ^ C,5 mikroampere for bruk ved beregning av gravitasjonsmålinger. For å øke nøyaktigheten av gravitasjonsmål-ingene fra et akselerometer, er det blitt utviklet anordninger som genererer en konstant eller forspennende strøm, såsom en konstant strøm på 980 000 000 mikroampere, som introdu-seres i CPI-kretsen og kontrollstrømmen. Derved vil den re-sulterende kontrollstrøm ikke måtte måles med ni signifikante sifre, men kun med to eller tre. Etter års anstrengelser og bruk av store beløp for å utvikle en slik anordning for å generere forspenningsstrømmen, har imidlertid de anordninger som til nå er utviklet en utgangstoleranse på omtrent -20 mikroampere, hvilket fortsatt er for vidt for bruk ved under-søkelser av gravitasjon og bulkdensitet.

Det foreligger således et behov for en gradiometeranordning som ikke fordrer nivellering og nulling og som gir en meget nøyaktig gravitasjonsdifferansemåling uten de problemer som hefter ved de anordninger som er beskrevet ovenfor.

Foreliggende oppfinnelse er en gradientmåler for gravitasjon

i borehull som overvinner forannevnte ulemper. Gradientmåleren måler differansene i gravitasjonskraft på forskjellige dybder i en brønnboring, og omfatter første og andre gravitas jonsmåleanordninger plassert med innbyrdes vertikal avstand. Kretser er anordnet for å danne en første og andre kontrollstrøm avhengig av gravitasjonskraften som virker på den første, hhv. andre gravitasjonsmåleanordning. Det er inkludert kretser for å addere den første kontrollstrøm til den andre kontrollstrøm i den andre anordning, idet verdien av den andre kontrollstrøm er proporsjonal med forskjellen i gravitasjon følt av den første og andre gravitasjonsmåleanordning .

I en utførelse av foreliggende oppfinnelse er gravitasjonsmåleanordningene akselerometere, som er innesluttet i et langstrakt hus for plassering i en brønnboring. Gravitasjonsmåleanordningene er forbundet via en kabel til en kontrollenhet på overflaten, som kan inneholde en mikroprosessor som benyttes til å beregne bulkdensiteten av en formasjon ut fra målingen av den andre kontrollstrøm.

Til bedre forståelse av oppfinnelsen skal den beskrives nærmere undejr henvisning til det utførelseseksempel som er vist på vedføyjede tegninger. Fig. 1 er en skjematisk fremstilling av to gravitasjonsmåleanordninger med tilhørende kretser ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er en semi-skjematisk fremstilling av foreliggende oppfinnelse med et brønnhullsparti av denne opphengt i en brønn-boring og forbundet via en kabel til en kontrollenhet på overflaten.

Foreliggende oppfinnelse omfatter en gradientmåler for gravitasjon i borehull, hvilken benyttes til å måle forskjellen i gravitasjon på forskjellige steder i en brønnboring. Gradientmåleren ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter en første gravitasjonsmåleanordning som har kretser som danner en første kontrollstrøm i avhengighet av gravitasjonskraften som virker på den første gravitasjonsmåleanordning. En andre gravitasjonsmåleanordning er plassert med vertikal avstand fra den første gravitasjonsmåleanordning og omfatter kretser som danner en andre kontrollstrøm i avhengighet av gravitasjonskraften som virker på den andre gravitasjonsmåleanordning. Elektriske kretser er inkludert for å bevirke at den første kontrollstrøm blir en forspenningsstrøm for den andre kontrollstrøm, slik at målingen av den andre kontrollstrøm er proporsjonal med forskjellen i gravitasjon målt av den første og andre gravitasjonsmåleanordning.

Forskjellen i gravitasjonsmålinger i den første og andre gravitas jonsmåleanordning kan benyttes i bulkdensitetsligningen:

hvor p er lik bulkdensiteten, pe er jordens gjennomsnittlige densitet-, og G er gravitasjonskonstanten.

Dette er slik fordi verdien av 3gz/3z i ligning [1] er lik følgende ligning:

hvor g(z^) er gravitasjonsmålingen fra det første sted i brønnboringen, g(z2) er lik gravitasjonsmålingen på det andre sted i brønnboringen, z-^ er dybden av gravitasjonsmåleanordningen i brønnboringen da g(z^) ble tatt, og z2 er lik dybden i brønnboringen av gravitasjonsmåleanordningen da g(z2^ ble tatt. En diskusjon av viktigheten av disse ligninger vil bli gitt nedenfor.

Gravitasjonsmåleanordningene for bruk i foreliggende oppfinnelse kan være enhver kommersielt tilgjengelig gravitasjonsmåleanordning som benytter en elektrisk strøm til å skape krefter som utligner gravitasjonskreftene. En type av slike foretrukne gravitasjonsmåleanordninger er vanligvis kalt akselerometere, og en type av disse er benevnt M-9 o,g M-ll akselerometere og markedsføres av Bell Aero Space Corporation.

Som vist på fig. 1 og 2, er en første gravitasjonsmåleanordning 10, såsom et akselerometer, og en andre gravitasjonsmåleanordning 12 montert med vertikal innbyrdes avstand, og begge omfatter en øvre magnet 14 og en adskilt og horisontalt paral-lell identisk magnet 16. Magnetene 14 og 16 har begge samme pol, enten Nord eller Syd, vendende mot hverandre slik at

det dannes et felt av magnetisk kraft som virker mot hverandre. Mellom de to magneter 14 og 16 er det anbragt en masse 18 som er forbundet med en stang 20, som er hengsleforbundet ved den ene ende til en understøttelse 22 i huset (ikke vist) for hver av gravitasjonsmåleanordningene 10 og 12. I en ut-førelse kan en forlengelse 24 være forbundet med massen 18 parallelt med stangen 20 og kan fritt bevege seg vertikalt mellom to adskilte, parallelle og horisontale plater 26a og 26b. Platene 26a og 26b inngår i en kapasitiv posisjonsindi-kator-krets (CPI-krets) 28 som omfatter en signalgenerator eller -kilde 28A og en fasedetekterende feilforsterker 28B som benyttes til å føle den relative stilling av forlengelsen 24

massen 18 mellom platene 26a og 26b og å skape krefter som ut-øves på massen 18 for å bevege massen 18 til en sentrert stilling. Videre er det inkludert en CPI-krets 30 for den andre gravitasjonsmåleanordning 12, som omfatter en signalgenerator eller -kilde 30A og en fasedetekterende feilforsterker 30B. I CPI-kretsen 28 for den første gravitasjonsmåleanordning 10 og CPI-kretsen 30 for den andre gravitasjonsmåleanordning 12 påføres platene 26a og 26b en spenning, og den relative kapasitans av platene omdannes til en spenning som er proporsjonal med stillingen av forlengelsen 24 mellom platene 26a og 26b. En vekselspenning utøves på hver av platene 26a og 26b, med denne spenning 180° ut av fase på

hver plate, og stillingen av forlengelsen 24 mellom platene 26a og 26b bevirker en endring i den induserte spenning på forlengelsen 24. Denne endring i indusert spenning fasedetek-teres av CPI-kretsene 28 og 30 og er proporsjonal med den relative stilling av forlengelsen 24 mellom magnetene 14 og 16.

Utgangssignalet eller strømmen av CPI-kretsen 28 føres gjen-nom elektriske kretser 32 til stangen 20 og massen 18. Denne strøm danner elektromagnetiske krefter på massen 18, som virker på samme måte som en dreiespole for å tvinge massen 18

til en stilling som er hovedsakelig halvveis mellom magnetene 14 og 16. Målingen av denne strøm er er. indikasjon på kraf-ten som ex nødvendig' for å bevege massen 18 til en balansert-eller nøytral stilling, meJilom> magnetene' 14 og( 16, og er derved, direkte proporsjonal, med: grav i taiSijons-kr aften som virker-'

på massen: 18:.

Utgangssignalet fra" CPI-kretsen 28 overføres; via' kretsene 32 til stangen 2'G1 ag- massen 18 for å danne de ma~gnetiiske' krefter som er nødvendig for å bevege massen 18 og holde massen i balansert tilstand. Denne strøm som dannes av CPI-kretsen 28 blir i det følgende kalt den første kontrollstrøm. Denne første kontrollstrøm føres via en elektrisk krets 34 til stangen 20 og massen 18 i den andre gravitasjonsmåleanordning 12. På lignende måte som beskrevet ovenfor, føres utgangssignalet fra CPI-kretsen 30 via en elektrisk krets 36 til stangen 20 og massen 18 for å bevege og holde stangen 20 og massen 18 i balansert tilstand mellom magnetene 14 og 16 i den andre gravitasjonsmåleanordning 12.

Nå da funksjonen av gravitasjonsmåleanordningene er blitt for-klart, skal det gis en oversikt over deres viktighet for lig-ningene [lj og [2j. Dersom gravitasjonsmåleanordningene 10 og 12 ble plassert med innbyrdes avstand ved siden av hverandre på nøyaktig samme nivå horisontalt, og forutsatt at gravitasjonsmåleanordningene 10 og 12 var identiske, ville den første kontrollstrøm (målt til 1^) som ble benyttet til å holde massen 18 i gravitasjonsmåleanordningen 10 i balansert tilstand, være identisk med den strøm som var nødvendig for å holde den andre gravitasjonsmåleanordning 12 i balansert stilling. Dersom imidlertid gravitasjonsmåleanordningene 10 og 12 er anbragt med en innbyrdes vertikal avstand A. z og det foreligger en målbar forskjell i gravitasjonskraften som virker på dybden z^ og z2, vil den strøm som er nødvendig for å balan-sere gravitasjonsmåleanordningen 12 være forskjellig fra strømmen ved 1^ med den strøm som måles ved I2. I dette til-felle vil den andre kontrollstrøm som måles ved I2 være direkte proporsjonal med forskjellen i gravitasjon, g(z->) - g(z^) målt overAz, og kan plasseres i ligning Cl} for bruk ved beregning av bulkdensitet.

Ved å påføre den første kontrollstrøm på den andre kontroll-strøm som beskrevet ovenfor, vil målingen av strømmen ved I2 være forskjellen mellom tyngdekraften ved Z-^ og Z2. Siden denne differanse normalt kun vil være omtrent -150 mikroampere, kan det benyttes strømmåleanordninger til å måle denne strøm-men som kun gir tre signifikante sifre istedenfor de ni signifikante sifre som tidligere var nødvendig. Av større viktighet er at slikt utstyr for å måle tre signifikante sifre er lett tilgjengelig og har de nødvendige toleranser for gravitas jonsmålinger , såsom 0,5 mikroampere.

Ved bruk av utførelseseksempelet på gradientmåleren ifølge foreliggende oppfinnelse er gravitasjonsmåleanordningene 10

og 12 innkapslet i et langstrakt rørformet hus 38 eller en sonde, som er opphengt i en brønnboring 40 som er opphengt i

en kabel 42. Til kabelen 42 er det ved overflaten koblet en kontrollenhet 44, som omfatter en krafttilførsel 46 og en displayanordning 48 for utgangssignalet, såsom et katode-strålerør, en plasmautløsningsskjerm, en skriver eller lignende. En flerhet varmeelementer (ikke vist) kan benyttes til å omgi gravitasjonsmåleanordningene 10 og 12 for å holde dem på en forønsket høy temperatur. I en utførelse omfatter kontrollenheten 44 på overflaten en mikroprosessor (CP) 50 som er programmert med bulkdensitetsligningen [li, slik at verdien av den andre kontrollstrøm for gravitasjonsmåleanordningen 12 og Jen kjente avstand mellom enhetene 10 og 12 (Az) kan benyttes til. raskt og nøyaktig å beregne bulkdensiteten av formasjonen hvor gradiometeret er plassert.

Gravitasjonsmålinger ved bruk av foreliggende oppfinnelse gir et nøyaktig bilde av bulkdensiteten av formasjonen for brønn-boringer hvor hellningen er mindre enn omtrent 9-10° i forhold til vertikalen. Dersom brønnboringens hellning er større enn omtrent 9-10°, kan et inklinometer 52 monteres i sonden 38. Utgangssignalet fra inklinometeret 52 sendes til mikroproses-soren CP 50, og ved hjelp av kjente ligninger lagret i CP 50 benyttes dette til å korrigere gravitasjonsres\iltatet fra gravitasjonsmåleanordningene 10 og 12 for borehullets hellning slik at en nøyaktig bulkdensitetsverdi kan oppnås.

Med foreliggende gravitasjonsgradientmåler for brønnboringer har man eliminert nødvendigheten av å nivellere og nulle en borehullsgravitasjonsmåler på ett sted, ta en første gravitasjonsmåling og deretter senke eller heve gravitasjonsmåleren til et annet sted, gjenta nivelleringen og nullingen og så ta en andre gravitasjonsmåling. Videre har man eliminert nødven-digheten av å danne en forspenningsstrøm fra et separat elek-tronisk kretsløp fordi gravitasjonsmåleanordningen 10 virker som en kilde for forspenningsstrømmen for den andre gravitasjonsmåleanordning 12.

Selv om foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet spesielt i forbindelse med vedføyede tegninger, vil det forstås at andre og ytterligere modifikasjoner, bortsett fra de som er vist eller antydet i det foregående, kan utføres innen oppfinnel-sens ramme.

Claims (1)

1. Gravitasjonsgradientmåler for måling av forskjeller i gravitasjon ved forskjellige dybder i en brønnboring, karakterisert ved at den omfatter: (a) en første gravitasjonsmåleinnretning som er anordnet i brønnboringen og som omfatter midler for å danne en første kontrollstrøm i avhengighet av gravitasjonskraften som virker på en første dybde på gravitasjons-måleinnretningen; (b) en andre gravitasjonsmåleinnretning som er anbragt i brønnboringen i avstand fra den første gravitasjonsmåleinnretning og som omfatter midler for å danne en andre kontrollstrøm i avhengighet av gravitasjonskraften som virker på en andre dybde på den andre gravitasjonsmåleinnretning; og (c) kretsløp for å gi førstnevnte kontrollstrøm som en forspenningsstrøm til den andre kontrollstrøm, hvorved den andre kontrollstrøm er proporsjonal med differansen i gravitasjon følt av nevnte første og andre gravitasjonsmåleinnretninger.

2. Gravitas jonsgrcidientmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte første og andre gravitasjonsmåleinnretninger omfatter akselerometere.

3. Gravitasjonsgradientmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte første og andre gravitasjonsmåleinnretninger hver omfatter en forskyvbar masse.

4. Gravitasjonsgradientmåler ifølge krav 3, karakterisert ved at nevnte midler som danner nevnte første og andre kontrollstrømmer hver omfatter: - en følerinnretning for å detektere stillingen av nevnte forskyvbare masse; og - en forskyvningsinnretning for å påføre en elektro- magnetisk kraft på den forskyvbare masse i avhengighet av følerinnretningen for å bevege den forskyvbare masse til en forutbestemt stilling.

5. Gravitasjonsgradientmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte første og andre gravitasjonsmåleinnretninger er vertikalt anordnet i et langstrakt hus for plassering i en brønnboring.

6. Gravitasjonsgradientmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter en1 kontrollenhet på overflaten som står i operativ forbindelse med nevnte første, og andre gravitasjonsmåleinnretninger.

7. Gravitas jonsgradientmåler' ifølge' krav 6, karakterisert ved at kontrollenheten på overflaten omfatter en mikroprosessor for å konvertere verdien av nevnte andre kontrollstrøm til en representasjon av bulkdensiteten i formasjonen hvor gradientmåleren befinner seg.

8. Gravitasjonsgradientmåler ifølge krav 6, karakterisert ved at den omfatter en innretning for å måJje; hellningen av borehullet, hvilken innretning står' i forbindelse med kontrollenheten på overflaten. go Gravitasjonsgradientmåler" ifølge krav 7, karakterisert ved at dem videre omfatter midler for å kompensere angivelsen av formasj,onens bulkdensitet for borehullets hellning.

10. Fremgangsmåte' for å måle graviitasjonsgradienten mellom en første graviitas-jonsmåleinnretning på en. første dybde og en andre gravitas:j;onsmåleinnretning på en and^Ee? dybde i en brønnboring, hvilke; innretninger hver har en fors&yvbar masse, karakterisert ved de trekk å: (a) tilveiebringe en første kontrollstrøm for å holde nevnte forskyvbare masse i den første gravitasjonsmåleinnretning i en forutbestemt stilling; (b) tilføre den første kontrollstrøm til den andre gravitas jonsmåleinnretning for bruk som en forspenningsstrøm i den andre gravitasjonsmåleinnretning; og (c) danne en andre kontrollstrøm i den andre gravitasjonsmåleinnretning som er indikativ av gravitasjonsfor-skjellen på de to dybder i brønnboringen.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at den omfatter å danne et mål for bulkdensiteten av formasjonen fra nevnte andre kontrollstrøm.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at den videre omfatter å kompensere målingen av bulkdensiteten av formasjonen for borehullets hellning.