NO20100870L

NO20100870L - Demping av elektromagnetiske signaler som passerer gjennom ledende materiale

Info

Publication number: NO20100870L
Application number: NO20100870A
Authority: NO
Inventors: David Alumbaugh; Hong Zhang; Guozhong Gao; H Frank Morrison; Richard A Rosthal; Cyrille Levesque
Original assignee: Schlumberger Technology Bv
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2010-12-20
Also published as: GB2471170B; US8614578B2; DE102010024248A1; GB2471170A; US20100321023A1; GB201009556D0; BRPI1002394A2

Abstract

Oppfinnelsen angår bestemmelse av dempningen av et elektromagnetisk signal som passerer gjennom et ledende materiale. En antenne er tilveiebrakt og plassert forholdsvis nært det ledende materiale. En vekselstrøm blir ført gjennom antennen og impedansen til antennen blir målt. Dempningen blir bestemt ved å bruke den målte impedansen. En måling ved en enkelt frekvens kan tas, eller flere målinger ved å bruke forskjellige frekvenser kan gjøres. Grupperte parametere basert på egenskaper ved materialet og frekvensen til strømmen blir brukt for å relatere antenneimpedansen til dempningen. En strømfrekvens for hvilken forholdet mellom antennens resistive del av impedansen og vinkelfrekvensen til strømmen er hovedsakelig ufølsom for minst en av parametrene, blir foretrukket.

Description

Teknisk Område

[0002]Den foreliggende oppfinnelse angår generelt det område som gjelder elektromagnetisk logging, og spesielt elektromagnetisk logging i nærvær av ledende materiale, slik som foringsrør.

Teknisk bakgrunn

[0003] I oljeindustrien blir elektromagnetiske (EM) induksjonsundersøkelser brukt til å kartlegge elektrisk konduktivitet i geologiske formasjoner mellom borehull og/eller radialt bort fra et enkelt brønnhull. Sistnevnte, som vanligvis refereres til som induksjonslogging, har vært i rutinemessig bruk i over 50 år. Disse under-søkelsene blir utført i åpne hull; dvs. hull som ikke er blitt foret med et (typisk metall) foringsrør.

[0004]Konseptene med induksjonslogging har nylig blitt utvidet til undersøkelser mellom uforede brønner og mellom brønner foret med ledende foringsrør. Det er også interesse for bruk av logging mellom overflate- og brønnhullssensorer, og inne i enkeltbrønner som er foret med ledende forlengelsesrør (foringsrør) introduserer flere problemer. Signalet fra senderen til mottakeren blir for eksempel alvorlig dempet ved passering gjennom det ledende foringsrøret på grunn av foringsrørets høye konduktivitet og, vanligvis, høye magnetiske permeabilitet (høy-my eller høy-fa). Konduktiviteten, permeabiliteten og tykkelsen til foringsrørveggen kan variere langs lengden av foringen. Sendere i disse undersøkelsene er vanligvis en spole med flere vindinger som har en kjerne med høy magnetisk permeabilitet. Ved høye strømnivåer i spolen blir permeabiliteten til kjerne-materiale og til selve den omgivende foringen, drevet til et ikke-lineært regime. Under disse omstendighetene er strømmen i spolen ikke proporsjonal med det utstrålte feltet. (Mottakere kan også bruke spolekjerner med høy-my, men fordi de opererer ved de høye feltnivåene hvor slike ikke-lineære effekter opptrer, er dette ikke noe problem for dem i praksis.)

[0005]De forskjellige typer har vanligvis mange fellestrekk. En sender, vanligvis en spole med flere trådvinninger, fører en vekselstrøm med frekvens co (radianer/sek). Dette skaper et tidsvarierende magnetisk felt i den omgivende formasjonen som igjen ifølge Faradays lov induserer en elektromotorisk kraft (emf). Denne EMF driver strømmer i formasjonen som hovedsakelig er propor- sjonale med formasjonens konduktivitet. En mottaker er tilslutt posisjonert enten i det samme hullet som senderen, i et annet hull eller på overflaten, og måler det magnetiske feltet som oppstår fra senderen og de sekundære eller induserte strømmene i formasjonen. Konvensjonell induksjonslogging benytter alltid en kombinasjon av flere mottakere og/eller flere sendere som er koblet i serie for å kansellere det gjensidige signalet i luft. Generelt blir en teoretisk modell for et loggesystem innbakt i en formasjon med vilkårlig resistivitet brukt til å sammen-ligne eller tolke de mottatte signalene. I noen anvendelser er verdien av den gjennomsnittlige formasjonsresistiviteten ikke så viktig som evnen til å kartlegge variasjoner i resistivitet inne i formasjonen. For å bestemme denne rommessige variasjonen til formasjonsresistiviteten innebærer undersøkelsene typisk å plassere senderen ved flere posisjoner i hullet og måle feltene ved flere mottakerposisjoner for hver senderposisjon. Ved krysshullsundersøkelser gir dette et datasett lik de som fremskaffes fra tomografi.

[0006]Det er et "vindu" med frekvenser i hvilket slike undersøkelser er praktiske. Under en viss frekvens er de sekundære feltene fra formasjonen ganske enkelt for små til å bli detektert med praktiske mottakere. Over en viss frekvens utsletter foringsrørdempningen formasjonsresponsen. Frekvensvinduet avhenger i sterk grad av den type foring som brukes. Foringer av karbonstål har generelt en konduktivitet (a) lik omkring fem millioner S/m og en relativ permeabilitet {\ ir) på omkring 100. Foringsrør av krom er hovedsakelig ikke-magnetiske (^r er lik eller nær 1) og har en konduktivitet på omkring en million S/m. Foringsrør av krom er følgelig å foretrekke fordi de demper EM-signalet meget mindre enn karbonstålet ved samme frekvens. For praktiske feltsystemer med kromforede borehull kan derfor dette vinduet være opptil flere hundre Hz, mens borehull foret med karbonstål har en frekvens begrenset grovt opptil et hundre Hz.

[0007]Husk imidlertid at selv i disse frekvensvinduene er foringsrørets egenskaper (dvs. konduktivitet (<r), relativ permeabilitet (^r), tykkelse (t) og indre/ytre diameter) ikke konstant langs lengden av foringsrøret. Siden dempningen i foringsrøret er så sterk, frembringer små variasjoner i foringsrørets egenskaper variasjoner i feltene sett av en mottaker, som er store sammenlignet med variasjonene som er ventet fra ønskede formasjonsvariasjoner. Et ytterligere problem er at styrken til senderen, kjent som dens moment, må være kjent slik at momentvariasjoner ikke blir feiltolket som variasjoner i formasjonskonduktiviteten.

[0008]Det er tidligere forsøkt å eliminere eller korrigere for disse foringsrør-variasjonene. Fjerning av foringsrøreffektene fra målingene gir svært store fordeler i avbildningskvaliteten til en EM-invertering/avbildning. Betrakt rutinene for en kryssbrønnundersøkelse (figur 1). Senderen Ti frembringer et felt By ved mottaker Rj, som er produktet av:

De ovenfor nevnte faktorene innbefatter momentet (eller styrken), Mi, til senderen T, og et rent geometrisk ledd, gy. Disse to faktorene blir kombinert for å frembringe Gy. Den ønskede formasjonsresponsen som er responsen fra de induserte strømmene, hvis ikke noe foringsrør var tilstede, er representert ved kfy. Foringsrørdempingen ved senderen er representert ved ki, og foringsrørdemp-ningen ved mottakeren er representert ved kj. Det er blitt vist at leddene ki og kj for foringsrørdempningen i virkeligheten er multiplikative for enkeltvise (ideelt punktvise) sendere og mottakere som opererer i et homogent foringsrør.

[0009]En forsøkt løsning på problemet med foringsrøret er å bruke forhold mellom mottatte felt for å eliminere ki og kj. Som et illustrerende eksempel på denne fremgangsmåten kan det antas at borehullet hvor mottakeren befinner seg, ikke er foret, slik kj er lik en. For en fast posisjon av senderen kan man ta forholdet mellom feltene ved to forskjellige mottakerposisjoner A & B:

Under disse forholdene kanselleres foringsrørdempingen ki. Verdiene av Gy er kjent, slik at det fullstendige forholdet gir et formasjonsresponsforhold som er uavhengig av foringsrøret. Slike responsforhold kan tilpasses modeller av formasjonen akkurat lite lett som selve responsene. Denne fremgangsmåten kan lett ut-vides til dobbeltforhold hvis begge borehull er foret.

[0010]Denne fremgangsmåten har imidlertid to prinsipielle problemer: (1) forholdene er meget følsomme for støy i de målte feltene; og (2) i modellerings- eller inverteringsprosessen reduserer bruken av forholdsdata sensitiviteten for variasjoner i formasjonsresistiviteten nær borehullene (f.eks. nær sender-borehullet i eksempelet ovenfor).

[0011]En alternativ løsning på anvendelsen av forhold som er beskrevet ovenfor, kan redusere effektene av støy ved invertering av faktorene for foringsrørdemp-ning og formasjonsegenskaper samtidig. En slik løsning reduserer imidlertid også sensitiviteten for variasjon i formasjonsresistivitet nær borehullene, noe som reduserer oppløsningen av resistivitets/konduktivitets-bilde som er fremskaffet fra EM-inverteringen/avbildningen. Påføring av passende begrensninger og forings-dempningsfaktorene kan fremheve inverteringen.

[0012]En annen løsning, i det minste for operasjonen med kryssborehull, er å plassere en ekstra mottaker i nærheten av senderen (eller en ekstra sender i nærheten av mottakeren). Det vises til fig. 2 for det tilfelle hvor det er ønsket å finne foringsrørkorreksjonen for senderen når mottakeren Rj er i et åpent hull. Feltet ved den ekstra mottakeren Biker: fordi avstanden mellom senderen og den ekstra mottakeren er for liten til en formasjonsrespons. Feltet ved den fjerntliggende mottakeren er:

Hvis den ekstra mottakeren Rker tilstrekkelig langt fra senderen Ti, hvis Rkog Ti har samme kobling til foringsrøret (dvs. samme spolelengde, samme kjerne- og viklingsutforming, osv.), og hvis foringsrøret er uniformt langs sin lengde, så blir ki = kkog dermed:

Da blir By = Gy K<f>y {Bik/ Gik}<1/2>og dette kan lett løses for den ønskede formasjonsresponsen Kfy.

[0013]Denne fremgangsmåten er blitt brukt til felttester, men noen problemer gjenstår. Variasjoner i foringsrøregenskaper kan for eksempel inntreffe i en skala som er liten sammenlignet med avstanden mellom senderen og den ekstra mottakeren, det kan være upraktisk å gjøre den ekstra spolen identisk med sender-spolen, eller senderen kan operere på en ikke-lineær måte.

[0014]En annen fremgangsmåte for å kombinere flere ekstra mottakere/sendere med forholdsideen er blitt forsøkt. Denne fremgangsmåten bruker en ekstra sender og mottaker som vist på fig. 3.1 dette tilfellet kan mottakeren Rj også brukes som en sender Tjog dens signal detektert av mottakeren Rk. Feltet ved Rj fra hovedsenderen Ti er derved gitt ved: og feltet Bikved mottakeren Rker gitt ved:

Tilslutt er feltet Bjkved Rkpå grunn av senderen Tjgitt ved:

Siden alle B-ene og G-ene er kjent, er det tre ligninger med tre ukjente: ki, kj og kk. Man kan løse med hensyn på ki siden feltet ved det fjerntliggende stedet, nå be-tegnet med subindeks A, er gitt ved:

og med ki kjent, kan man bestemme den ønskede kV-

[0015]Det sistnevnte systemet med flere hjelpesendere eller mottakere har et enkelt konsept, men er komplisert å implementere i et praktisk system fordi verktøyet som i virkeligheten er senket ned i hullet, er langt og tungt. Det har imidlertid fordelen ved at ikke-lineære effekter ved senderen er inkludert i faktoren ki for foringsrørdempningen.

[0016]En beslektet fremgangsmåte benytter det som er kjent som fjernfelts virvelstrøm-prinsippet (RFEC-prinsippet) til å bestemme den indre diameteren og/eller forholdet mellom magnetisk permeabilitet og elektrisk konduktivitet for et rør. Fremgangsmåten måler den innbyrdes impedansen til to induksjonsspoler (med luftkjerne) separert med en viss avstand og plassert inne i røret. Det er et grunnlag for ikke-destruktiv undersøkelse av det ledende røret som er vidt utbredt i oljeindustrien. Fremgangsmåten tillater imidlertid bare en vurdering av innsiden av røret, og resultatene er meget følsomme for variasjonene i den magnetiske permeabiliteten til røret, som kan være betydelig. Fremgangsmåten kan generelt ikke brukes til å utlede EM-signaldempningen gjennom røret på grunn av begrensninger i forbindelse med de parametrene som kan måles.

[0017]En fremgangsmåte er blitt utviklet for bruk i forbindelse med ikke-magnetiske foringsrør hvor måling av impedansen til en sendende (eller motagende) spole ved en viss frekvens kan brukes til å forutsi dempningen av feltet ved hjelp av det omgivende foringsrøret, som sett ved en fjerntliggende mottaker (eller fra en fjerntliggende sender). Fremgangsmåten tillater bruk av en hvilken som helst frekvens uansett konduktiviteten til foringsrøret eller tykkelsen av foringsrørveggen for foringsrør som har en gitt indre/ytre diameter. Fremgangsmåten er også anvendbar uansett formasjonens konduktivitet.

[0018]I tillegg ble det utviklet en fremgangsmåte for å forutsi foringsrørdempnin-gen som er invariant med små endringer i foringsrørets indre diameter. Et viktig funn er at både foringsrørdempningen og impedansen er enkle funksjoner av produktet av den elektriske konduktiviteten, tykkelsen av foringsrøret og EM-arbeidsfrekvensen, som gjør det mulig å utlede dempningsfaktoren for foringsrøret direkte fra impedansmålingene.

Oppsummering

[0019]Foreliggende oppfinnelse vedrører bestemmelse av dempningen til et elektromagnetisk signal som passerer gjennom et ledende materiale som har en magnetisk permeabilitet større enn en. En antenne er tilveiebrakt og plassert i forholdsvis tett nærhet til det ledende materiale. En vekselstrøm blir ført gjennom antennen, og impedansen til antennen blir målt. Dempningen blir bestemt ved å bruke den målte impedansen. En enkelt frekvensmåling kan tas, eller flere målinger ved å bruke forskjellige frekvenser kan tas. Parametere basert på egenskaper ved materiale, for eksempel foringsrøret, og frekvensen til strømmen blir brukt til å bestemme dempningen. En målefrekvens er fortrinnsvis innenfor et frekvensområde hvor forholdet mellom antennens resistans og vinkelfrekvensen til strømmen er hovedsakelig ufølsom for minst en av parametrene.

Kort beskrivelse av figurene

[0020]Figur 1 er en skjematisk oversikt over et tidligere kjent system for kryss-brønnundersøkelser hvor en sender Ti frembringer et felt By ved en mottaker Rj (Rj er vist ved to posisjoner, A og B).

[0021]Figur 2 er en skjematisk skisse av et tidligere kjent system for kryssbrønn-undersøkelser hvor en sender T-, frembringer et felt By ved en mottaker Rj og et felt Bikved en mottaker Rk.

[0022]Figur 3 er en skjematisk skisse av et tidligere kjent system for kryssbrønn-undersøkelser hvor en sender Ti frembringer et felt By ved en mottaker Rj, et felt Bikved en mottaker Rk, og et felt BiA ved en mottaker RA. I tillegg benytter det en ekstra sender Tjsamlokalisert med mottakeren Rj.

[0023]Figur 4A og 4B viser to diagrammer hvor dempningsfaktoren til foringsrøret er plottet som en funksjon av a og (3, idet figur 4A svarer til amplituden og fig. 4B svarer til fasen.

[0024]Figurene 5A og 5B viser to diagrammer hvor Z/co er plottet som en funksjon av a og p, fig. 5A svarer til R/co og fig. 5B svarer til spoleinduktansen L.

[0025]Figurene 6A og 6B viser plottinger av Z/co som funksjon av p for alle a-verdiene på en plotting, der fig. 6A viser R/co og fig. 6B viser L.

[0026]Figurene 7A og 7B viser plottinger av Z/co som funksjon av a for alle p-verdiene på en plotting, idet fig. 7A viser R/co og fig. 7B viser L.

[0027]Figurene 8A og 8B viser plottinger av dempningsfaktoren for foringsrøret som en funksjon av R/co og L, idet fig. 8A viser den reelle delen av den komplekse dempningsfaktoren for foringsrøret og fig. 8B viser den imaginære delen av den komplekse dempningsfaktoren for foringsrøret.

[0028]Figur 9 er et flytskjema som viser et eksempel på en utførelsesform for å bestemme dempningen av et elektromagnetisk signal som passerer gjennom et ledende materiale med magnetisk permeabilitet større enn en, i samsvar med foreliggende oppfinnelse.

[0029]Det skal bemerkes at tegningene kun skal brukes for illustrerende formål, og ikke er ment å begrense omfanget av de vedføyde patentkrav.

Detaljert beskrivelse

[0030]Spesielle utførelsesformer vil nå bli beskrevet under henvisning til figurene. Like elementer på de forskjellige figurene vil bli referert til med like henvisningstall for å opprettholde konsistensen. I den følgende beskrivelse er det angitt mange detaljer for å gi en forståelse av foreliggende oppfinnelse. Fagkyndige på området vil imidlertid forstå at foreliggende oppfinnelse kan praktiseres uten mange av disse detaljene og at mange variasjoner eller modifikasjoner i forhold til de beskrevne utførelsesformene er mulige.

[0031]Foreliggende oppfinnelse angår for eksempel logging på tvers av borehull, logging på overflaten og/eller marin overflate/borehull-logging, eller logging i borehull ved hjelp av elektroniske midler når hullene er foret med ledende foringsrør. Bilderesultater av slik logging kan forbedres ved å eliminere eller korrigere for den variable dempningen til felter overført eller mottatt gjennom foringsrøret, som har iboende variasjoner med hensyn til konduktivitet, magnetisk permeabilitet og tykkelse. For å korrigere for foringsrørdempning når et EM-signal forplantes gjennom et ledende foringsrør, kan målinger tas på en solenoid (spole) for å forutsi dempningsfaktoren til foringsrøret ved spolen med en magnetisk permeabel kjerne. Med magnetiske stålforinger blir fysikken på grunn av innføringen av magnetisk permeabilitet i foringsrøret, mer komplisert enn den for ikke-magnetiske foringer. Selv om foringsrørparametere blir koblet sammen på en komplisert måte, kan dempningsfaktoren til foringsrøret uttrykkes som en funksjon av to fysiske parametere, hvorav en representerer den magnetiske egenskapen til foringsrøret, og den andre representerer den elektriske egenskapen til foringsrøret. Impedansen til spolen er også en funksjon av de samme to parametrene. Forskjellige utførelsesformer kan brukes for å bestemme foringsrørparametrene og foringsrørdempningen i konduktive foringsrør ved å bruke en eller flere frekvensimpedansmålinger.

[0032]Som antydet ovenfor er foringsrørdempningen en funksjon av to fysiske parametere som er produkter av foringsrøregenskaper og EM-frekvensen. I tillegg er impedansen til sender- eller mottakerspolen også en funksjon av de samme to parametrene. Følgelig blir det beskrevet flere utførelsesformer hvor måling av impedansen for en sender- (eller mottaker-) spole ved en eller et antall frekvenser blir brukt til å forutsi dempning av det magnetiske feltet av den omgivende foringen, som man kan se ved en fjerntliggende mottaker (eller fra en fjerntliggende sender). Impedansmåling ved en enkelt frekvens kan være tilstrekkelig til å forutsi foringsrørets dempningsfaktor for enhver frekvens, hvis impedansmålingen er nesten perfekt eller har et ekstremt lavt støynivå. I tillegg til dempningsproduktene i forbindelse med egenskapene til foringsrøret (f.eks. produktet av konduktivitet og tykkelse, eller produktet av magnetisk permeabilitet og tykkelse) for en gitt ytre diameter (OD) for foringsrøret, kan bestemmes. Noen utførelsesformer er uavhengige av frekvensspredning eller radiale variasjoner av den magnetiske permeabiliteten til foringsrøret. Mange utførelsesformer for å bestemme de magnetiske (og/eller ikke-magnetiske) foringsrørparametrene og dempningsfaktoren for foringsrøret fra målinger av impedansen til sender- eller mottakerspolen, ved en eller flere av frekvensene, er mulig.

[0033] Det er velkjent av EM-dempningen som skyldes ledende foringsrør er avhengig av EM-frekvensen og egenskapene til foringsrøret (f.eks. elektrisk konduktivitet a, magnetisk permeabilitet \ i, foringsrørtykkelse t og foringsrørets ytre diameter OD (outer diameter)). Det viste seg også at mange forskjellige utførelsesformer av foringsrørets egenskaper kan frembringe den samme dempningen. Hvordan foringsrørets egenskaper skal kombineres for en spesiell situasjon, forblir imidlertid uløst. Det er følgelig vanskelig på en entydig måte å bestemme de individuelle egenskapene ved foringsrøret. Hvis det imidlertid finnes et sett med parametere som EM-dempningen er unikt avhengig av, kan dempningen i foringsrøret lett fremskaffes.

[0034]Dempningsfaktoren i foringsrøret kan uttrykkes som en funksjon av to parametere. Disse parametrene representerer forskjellige kombinasjoner av foringsrøregenskapene og EM-frekvensen. Relasjonen er gitt ved: hvor C er foringsrørets dempningsfaktor (forholdet mellom EM-signalets forplant-ning gjennom foringsrøret og forplantningen uten foringsrøret), og

hvor co = 2Ttf er vinkelfrekvensen, og f er frekvensen i Hz.

[0035]De relasjonene som er gitt i ligningene 11, 12 og 13 oppviser en betydelig forenkling med hensyn til beskrivelsen av et kompleks fysisk problem. Alpha (a) representerer den magnetiske induksjonen i foringsrøret (tø - no) • t har enheten til den magnetiske induktansen, dvs. henry), mens p representerer den elektriske ledningsevnen i foringsrøret (a • t har enheten for elektrisk konduktans, dvs. siemens). Legg merke til at vinkelfrekvensfaktoren i p gjør at p har en enhet som den inverse verdien av induktansen (dvs. 1/henry).

[0036]Den ovenfor angitte utviklingen er i overensstemmelse med den for ikke-magnetiske foringsrør. I ikke-magnetiske foringer blir den relative magnetiske permeabiliteten 1, noe som gjør at dempningsfaktoren i foringsrøret bare blir en funksjon av p for en ytre diameterforing siden a er lik null.

[0037]Legg merke til at den at den relasjonen som er gitt i ligning 11 gjelder uansett om spolen har en magnetisk kjerne eller ganske enkelt er en enkelsløyfe-antenne. Simulering for et foringsrør med en ytre diameter på 7 tommer med en DeepLook™ EM-mottakerspole inne i foringsrøret, ble utført ved å bruke et endelig elementdataprogram under antagelse av en aksial symmetri i materialegenskaper. Simuleringen ble utført over et bredt område av konduktivitetsverdier for forings-røret, magnetisk permeabilitet, tykkelse og EM-frekvens. Spolen ble modellert med en magnetisk kjerne med høy permeabilitet. Figurene 4A og 4B gir de resulterende plottingene av dempningsfaktoren for foringsrøret som en to-dimensjonal funksjon av a og p, hvor fig. 4A viser amplituden og fig. 4B viser fasen (i grader). Figurene 4A og 4B viser at dempningsfaktoren til foringsrøret er en veltilpasset funksjon av a og p. De relasjonene som er vist på fig. 4A og 4B er gyldige for en hvilken som helst spole forutsatt at korrekte spoleparametere er matet inn i programmet. For en kompleks spole kan laboratorieeksperimenter utføres for å fremskaffe det korrekte forholdet mellom dempningsfaktoren til foringsrøret og (a,p) for spolen.

[0038]Impedansen til spolen, forholdet mellom drivspenningen (V) og strømmen (I) som flyter gjennom den, er summen av dens resistans R, og dens induktive reaktans, L [dl/dt], hvor L er spolens selvinduktans. For et sinusformet drivsignal på spolen med vinkelfrekvens co, kan generelt den komplekse impedansen Z uttrykkes som:

Ved å dividere med to på begge sider, får man:

R/co blir betraktet som en mer signifikant fysisk parameter enn R selv. R/co har samme enhet som L, som er henry.

[0039]Et eksempel på en praktisk sender eller mottaker er en lang solenoid eller spole viklet omkring en magnetisk permeabel kjerne. Laminerte my-metallkjerner for mottakerspolene og silisiumstålkjernen for senderne blir foretrukket fordi, med en meget magnetisk permeabel kjerne blir koblingen mellom spolen og forings-røret når dette er tilstede, sterkt forbedret og tilsvarende blir sensitiviteten til målingene i forhold til foringsrørparametrene meget høyere. Induktansen og resistan-sen til en slik spole kan beregnes med og uten en permeabel kjerne, og i nærvær av en foring og i fravær av en foring. Når en slik spole er innsatt i foringsrøret, kan de induserte strømmene i foringen frembringe et sekundært felt som trenger gjennom spolen og induserer hva som er kjent som en "tilbakevirkende EM F", Denne tilbakevirkende EMF erfasedreid i forhold til drivspenningen. Dens i-fase-komponent adderer resistans til spolen, og dens ute-av-fase-komponent endret induktansen til spolen. Spoleimpedansen blir dermed endret av sin kobling til foringsrøret, og endringene avhenger av egenskapene til foringsrøret. Den impedansen som brukes, er ikke begrenset til selvimpedansen i hovedviklingen, som beskrevet ovenfor. Men kan være en hvilken som helst impedans som har sensitivitet overfor foringsrøret, slik som trans-impedansen mellom to vindinger i en mottakerspole.

[0040]Forholdet mellom impedansen og vinkelfrekvensen kan uttrykkes som en funksjon av de samme to parametrene som dempningsfaktoren for foringsrøret, og er gitt ved:

[0041]I likhet med det som er angitt ovenfor, ble det utført simuleringer for et foringsrør med ytre diameter på 7 tommer ved bruk av et dataprogram med endelige elementer, under antagelse av aksial symmetri i materialegenskaper. Simuleringen ble utført over et bredt område av foringsrørkonduktiviteter, magnetiske permeabiliteter, tykkelser og EM-frekvenser. Spolen ble modellert med en magnetisk kjerne med høy magnetisk permeabilitet. Figurene 5A og 5B gir de resulterende plottingene av Z/co som en 2D-funksjon av a og p, hvor figur 5A viser den reelle delen, R/co, og fig. 5B viser den imaginære delen, L. Figurene 5A og 5B viser at Z/co er en velegnet funksjon for a og p. I likhet med det som er angitt ovenfor, er de relasjonene som er vist på fig. 5A og 5B gyldige for en hvilken som helst spole forutsett at de korrekte spoleparametrene blir innmatet i programmet. For en kompleks spole kan laboratorieforsøk utføres for å fremskaffe den korrekte relasjonen mellom Z/co og (a,p) for vedkommende spole.

[0042]Dette er i overensstemmelse med tilfellet med et ikke-magnetisk foringsrør.

I tilfellet med ikke-magnetiske foringsrør blir den relative magnetiske permeabiliteten lik 1, som hovedsakelig gjør Z/co bare til en funksjon av p.

[0043]Det er imidlertid verdt å bemerke at i tillegg til a og p som er gitt i ligningene 12 og 13, kan andre par med parametere også forenkle problemet. Dempningsfaktoren til foringsrøret og impedansen til induksjonsspolen er også glatte funksjoner av (coa/n)<1/2>og t(coa^)<1/2.>Selv om de utførelsesformene som er beskrevet her, er basert på den a og p som er gitt i ligningene 12 og 13, på grunn av deres enkelhet og fysiske tydelighet, er dette ingen begrensning av omfanget.

[0044]Ligningene 11 og 16 viser at både dempningsfaktoren for foringsrøret og Z/co er funksjoner av a og (3, noe som antyder at måling av impedans kan brukes til å bestemme dempningsfaktoren i foringsrøret. Det antyder også at en enkelt frekvensmåling av impedansen kan være nok til å estimere foringsrørfaktoren hvis impedansmålingen er nesten perfekt. Fordi impedansmålinger nesten alltid inneholder et visst støynivå, blir imidlertid multi-frekvente målinger fortrinnsvis brukt til å fremskaffe nøyaktige estimater av dempningsfunksjonen til foringsrøret. Basert på ligningene 11 og 16 er mange forskjellige utførelsesformer mulige.

[0045]Et utførelseseksempel for å bestemme dempningen av et elektromagnetisk signal som passerer gjennom et ledende materiale som har en magnetisk permeabilitet større enn 1, blir bestemt ved å utføre de følgende trinn (se fig. 9). En antenne er tilveiebrakt og plassert forholdsvis nært det ledende materialet (trinn 100). En vekselstrøm blir ført gjennom antennen (trinn 102) og impedansen til antennen blir målt (trinn 104). Dempningen blir bestemt ved å bruke den målte impedansen (trinn 106).

[0046]For å tilveiebringe en rik utforming blir fem mulige direkte utførelser av foringsrørkorreksjoner beskrevet her, D-1 til D-5, selv om disse ikke er ment å være begrensende. Direkte utførelsesformer D-1 til D-4 er avhengige av ny plotting av fig. 5A og 5B på en annen måte, som vist på fig. 6A, 6B og fig. 7A, 7B. Figurene 6A og 6B viser plottingen av Z/co som funksjon av p for alle a-verdiene på en plotting, mens fig. 6A viser R/co og fig. 6B viser L. Figurene 7A og 7B viser plottingen av Z/co som funksjon av a for alle p-verdier på en plotting, hvor fig. 7A viser R/co, og fig. 7B viser L. Fra fig. 6A og 6B kan man observere at det er et område med lave p-verdier (tilsvarende et lavt frekvensområde) hvor R/co er nesten ufølsom for a. For dette området av p-verdier og under antagelse av en nominell konduktivitet på 4 millioner S/m og en foringsrørveggtykkelse på 0,36 tommer, faller de tilsvarende frekvensene grovt mellom 1 og 2 Hz for et foringsrør med ytre diameter på 7 tommer. Dette antyder at målingen av impedansen (R/co) ved frekvenser mellom 1 og 2 Hz gjør det mulig å bestemme verdien av p. Deretter kan a fremskaffes fra fig. 7A eller 7B ved å bruke R/co eller L forden tidligere bestemte verdien av p. Endelig kan dempningsfaktoren for foringsrøret lett fremskaffes via den relasjonen som er gitt ved ligning 11, basert på de estimerte a- og p-verdiene. Forskjellige utførelsesformer kan anvendes avhengig av hvor mange og hvilke frekvenser som blir brukt i forbindelse med impedansmålingene.

[0047]For en gitt ytre diameter for et foringsrør og induksjonsspoleparametere, kan numerisk modellering brukes til å bestemme (det lave) frekvensområde hvor R/co er ufølsom for a, som vist på fig. 6A og 6B. Ved en spesiell lav frekvens, coi, som er innenfor det frekvensområde hvor R/co er ufølsom for a, blir impedansen målt. Det er imidlertid ofte tilfelle at dempningsfaktoren C til foringsrøret er ønsket ved en annen (vanligvis høyere) frekvens©2, for eksempel den som er brukt i hovedundersøkelsen. For å bestemme denne verdien av dempningsfaktoren C til foringsrøret, kan følgende trinn utføres: (1) p(coi) blir fremskaffet fra R/coi ved å bruke interpolering eller kurvetilpasning (fig. 6A); (2) ved den bestemte verdi av p(coi) blir a(coi) fremskaffet fra L(coi) (fig. 7B); (3) p(coi) blir skalert til p(co2) ved enkel frekvensskalering: p(©2) = P(coi) • CO2/CO1; og (4) dempningsfaktoren til foringsrøret blir fremskaffet fra (a,p) ved ©2 ved å bruke ligning 11, som vist på fig. 4A og 4B. Hvis derfor både a og p blir bestemt fra impedansmålingen ved en enkelt frekvens coi, så kan dempningsfaktoren til foringsrøret ved en hvilken som helst annen frekvens deretter utledes.

[0048]Utførelsesformen D-1 er tiltrekkende fordi impedansmåling ved en enkelt frekvens kan brukes til å estimere foringsrørdempningen ved en hvilken som helst annen frekvens. Målingen er imidlertid ikke perfekt (f.eks. på grunn av støy), idet målestøy vil forspenne de forutsagte verdiene for foringsrørdempningen. For å ta hensyn til dette problemet, blir en flerfrekvensversjon D-2 av utførelsesformen D-1 brukt. For å redusere virkningene av støy i impedansmålingene, blir en liste over lavfrekvenser,©i (i=1 til N>1), som er innenfor det frekvensområde hvor R/co er ufølsom for a, utviklet. Impedansmålinger blir innhentet ved disse frekvensene. Husk imidlertid at dempningsfaktoren C til foringsrøret kan være ønsket ved en annen (normalt høyere) frekvens, ©2. For å bestemme denne verdien av dempningsfaktoren C til foringsrøret, kan følgende trinn utføres: (1) p(coi) blir fremskaffet fra R/coived interpolering eller kurvetilpasning (fig. 6A) for alle frekvensene i den lavfrekvente listen; (2) et gjennomsnitt for p(coi)/coiblir tatt for å fremskaffe det beste estimatet av <r • t og ut fra dette, kan de beste estimatene av p(coi) utledes;

(3) ved hvert bestemte beste estimat av p(a>i), blir a(coi) fremskaffet fra L(coi)

(fig. 7B); (4) et gjennomsnitt av a(coi) blir tatt for å få det beste estimatet av a; (5) det bestemte beste estimatet av (a,p) ved ©2 blir fremskaffet ved enkel frekvensskalering; og (6) dempningsfaktoren for foringsrøret blir fremskaffet ved å bruke ligning 11, som illustrert på fig. 4A og 4B.

[0049] Den en-dimensjonale eller to-dimensjonale utførelsesformen benytter en impedansmåling ved en frekvens eller flere frekvenser i det nedre frekvensområde til å finne (a,p). I alternative tre-dimensjonale eller fire-dimensjonale utførelses-former frembringes a og p separat fra impedansmålinger ved to forskjellige frekvenser eller flere frekvenser i to frekvensområder. For den tre-dimensjonale utførelsesformen blir det en spesiell lav frekvens coisom er innenfor det frekvensområde hvor R/co er ufølsom for a, og ved en spesiell høy frekvens, ©2, impedansmålingene innsamlet. I dette eksempelet blir dempningsfaktoren C til foringen ønsket ved nok en annen frekvens,003(selv om ©3 kan være den samme som02). For å bestemme denne verdien av dempningsfaktoren C til foringen, kan følgende trinn utføres: (1) p(coi) blir fremskaffet fra R/coifra interpolering eller kurvetilpasning (fig. 6A); (2) p(coi) blir skalert til p(co2> ved enkel frekvensskalering: P(co2) = P(coi) •©2/(01; (3) ved den bestemte p(a>2) blir a(a>2) fremskaffet fra R/0J2 eller L(co2) eller en kombinasjon av disse, nemlig Z/a>2(fig- 7 A og 7B); (4) p(©2) blir skalert til P(co3); og (5) dempningsfaktoren for foringen ved©3blir fremskaffet fra de bestemte (a,p) ved å bruke ligning 11.

[0050]Det er verdt å nevne at for den tre-dimensjonale utførelsesformen kan den fremskaffede a være mer nøyaktig på grunn av den høyfrekvente målingen. Ved en høy frekvens er impedansen mer følsom for a, som man kan se på fig. 6A og 6B, og flere valg av målinger blant R/C02, L(co2) eller Z/C02kan brukes til å bestemme a. Utførelsesformen D-3 er også uavhengig av frekvensspredningen og/eller den radiale spredningen av den magnetiske permeabiliteten (hvis den finnes) hvis©2er valgt til å være målfrekvensen for dempningsfaktoren til foringen.

[0051]Utførelsesformen D-4 er en flerfrekvent variasjon av utførelsesformen D-3. Hvis impedansmålingene ikke er perfekte, vil støyen i målingene forspenne dempningsforutsigelsene som er utledet fra utførelsesformen D-3. For å redusere virkningene av støy på nøyaktigheten av de forutsagte dempningsfaktorene for foringen, kan flerfrekvente impedansmålinger brukes i både de lavfrekvente og høyfrekvente områdene. En lavfrekvensliste, con (i=1 til Ni, Ni > 1) som er innenfor det frekvensområde hvor R/co er følsom for a, og en høyfrekvent liste cohj0=1 til Nh, Nh > 1) blir utviklet. Impedansmålingene blir innhentet ved disse frekvensene. Dempningsfaktoren C for foringen er ønsket for en annen frekvens©2(kan være en av frekvensene i den høyfrekvente listen). For å bestemme denne verdien av dempningsfaktoren C for foringen, kan følgende trinn utføres: (1) p(coii) blir fremskaffet fra R/conved hjelp av interpolering eller kurvetilpasning (fig. 6A) for alle frekvensene i den lavfrekvente listen; (2) et gjennomsnitt for P((Oii)/a>iiblir tatt for å finne det laveste estimatet for <r • t og de beste estimatene for P(cohj) blir utledet ved enkel frekvensskalering; (3) for hver bestemt P(cohj) blir a(røhj) fremskaffet fra R/cohjeller L(cohj) eller en kombinasjon av begge, nemlig Z/cohj(fig. 7A og 7B); (4) et gjennomsnitt av a(cohj) blir tatt for å finne det beste estimatet for a; (5) den beste (a,p) vedC02blir fremskaffet ved enkel frekvensskalering; og (6) dempningsfaktoren for foringen ved C02 blir fremskaffet ved å bruke ligning 11. Det er ventet at utførelsesformen D-4 vil virke best hvis antall frekvenser eller valgte målinger gjør støymønstre i dataene statisk tilfeldig.

[0052]Legg merke til at for å bruke utførelsesformene D-1 til D-4 må impedansmålingene ved de frekvenser for hvilke R/co er ufølsom for a, innhentes, noe som gjør det nødvendig å bestemme den korrekte frekvenslisten for impedansmålingene. For å gjøre dette, kan en grenseverdi for R/co som vist på fig. 6A, brukes til å bestemme om de frekvensene som er valgt, er korrekte eller ikke.

[0053]En rekke syntetiske undersøkelser er blitt utført for å teste ytelsen til de direkte utførelsesformene D-1 til D-4 som er nevnt ovenfor. Generelt for støvfrie data er en lavfrekvent impedansmåling nok til å estimere foringsrørfaktoren innenfor 1% feil i amplitude og 1 grad i fase. For virkelige data er flere lavfrekvente målinger og noen få høyfrekvente målinger nødvendige for å sikre at støy-mønsteret er tilstrekkelig tilfeldig til å undertrykke effektene av støyen. Utførelses-formene er enkle, stabile og effektive.

[0054]Fordi både foringsrørdempningen og impedansen er funksjoner av de samme to parametrene, a og p, kan fig. 4A, 4B, 5A og 5B kombineres for å frembringe fig. 8A og 8B for å avspeile det direkte forholdet mellom den

(komplekse) dempningsfaktoren for foringen og impedansmålingene (utførelses-form D-5). Dempningsfaktoren for foringsrøret for en spesiell frekvens kan enkelt fremskaffes ved hjelp av impedansmålingen (R/co og L) for vedkommende frekvens. Figurene 8A og 8B antyder at: (1) R/co og L-par er begrenset til en viss avstand; (2) overflaten er vridd og det er en overgangssone fra lav frekvens til høy frekvens; og (3) en del av overflaten er ganske bratt, noe som gjør den estimerte dempningsfaktoren for foringsrøret meget følsom for støy i målingene.

[0055]Utførelsesformen D-5 er følsom for støy, mens utførelsesformene D-1 til D-4 behøver en impedansmåling ved en frekvens for hvilken R/co er ufølsom for a. Det kan være situasjoner hvor det ikke er noen målefrekvens som faller innenfor frekvensområdet hvor R/co er ufølsom for a. Hvis denne situasjonen inntreffer, kan en invertering utføres. For å bidra til å sikre at inverteringen er stabil og for å redusere virkningene av støy, kan flerfrekvente impedansmålinger foretrekkes selv om enkeltfrekvens-målinger kan brukes. Tidligere informasjon kan også inkorpo-reres i inverteringen. Tilgjengelige inverteringsløsninger kan være derivasjonsfrie, slik som Nelder Mead-metoden (en flerdimensjonal simpleks metode), en invertering som innebærer utledninger slik som Gauss-Newton-metoden, eller en global søkemetode, slik som genetiske algoritmer.

[0056]Den grunnleggende ideen er å invertere med hensyn på to ønskede parametere: det leddet som representerer den magnetiske induksjonen til foringsrøret (tø - no) • t), og det leddet som representerer den elektriske ledningsevnen til for-ingsrøret (<r • t). Dette blir gjort ved å minimalisere en kostnadsfunksjon konstruert ved en norm for differanser mellom de målte impedansene og de simulerte impedansene. Dempningsfaktoren for foringsrøret kan bestemmes ved en hvilken som helst frekvens fra den inverterte verdien tø - no) • t og a • t • co via ligning 11. De simulerte impedansverdiene blir beregnet via to-dimensjonal interpolering fra forhåndsberegnede eller laboratoriemålte data (f.eks. lagret på en harddisk) for (a, p) og impedans. Inverteringen kan begrenses hvis det er god kunnskap om egenskapene til foringsrøret.

[0057]En rekke syntetiske øvelser er blitt gjort for å teste ytelsen til Nelder Mead-metoden og Gauss-Newton-løsningen. Generelt virker invertering rimelig bra med resultater som kan sammenlignes med de direkte metodene (D-1 - D-5). Inverteringsutførelsesformene tar lengre tid å kjøre enn de direkte metodene, men inverteringsmetodene kan brukes når direkte metoder ikke kan brukes (f.eks. når det ikke er noen målefrekvens som faller i det frekvensområde hvor R/co er ufølsom for a).

[0058]Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet i forbindelse med et begrenset antall utførelsesformer, vil fagkyndige på området som har hatt fordelen ved å sette seg inn i denne beskrivelsen, forstå at andre utførelsesformer kan tenkes som ikke av-viker fra rammen for oppfinnelsen slik den er beskrevet her. Omfanget av oppfinnelsen skal følgelig bare begrenses av de vedføyde patentkravene.

Claims

1. Fremgangsmåte for å bestemme dempningen av et elektromagnetisk signal som passerer gjennom et ledende materiale som har en magnetisk permeabilitet større enn en, omfattende: å tilveiebringe en antenne anordnet i nærheten av materialet; å føre en vekselstrøm gjennom antennen; å måle impedansen til antennen; og å bestemme dempningen ved å bruke den målte impedansen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor antennen innbefatter en kjerne som har høy magnetisk permeabilitet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor forholdet mellom antennens resistans og vinkelfrekvensen til strømmen er hovedsakelig ufølsom for en parameter basert på egenskaper ved materialet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, videre omfattende å bruke impedansmålinger ved flere frekvenser for å minimalisere effektene av støy i impedansmålingen på dempningen.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor bestemmelse av dempningen omfatter å bruke to parametere basert på egenskaper ved materialet og frekvensen til strømmen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, hvor egenskapene til materialet innbefatter dets magnetiske permeabilitet, elektrisk konduktivitet og tykkelse.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor bestemmelse av dempningen omfatter å bestemme en kompleks dempningsfaktor.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor forholdet mellom antennens resistive del av impedansen og vinkelfrekvensen til strømmen er hovedsakelig ufølsom for en parameter basert på egenskaper ved materialet, og hvor den bestemte dempningen er for et signal som har en signalfrekvens som er forskjellig fra frekvensen til strømmen.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor bestemmelse av dempningen omfatter å bruke de reelle og imaginære delene av en kompleks dempningsfaktor.

10. Fremgangsmåte for å bestemme dempningen av et elektromagnetisk signal som passerer gjennom et ledende materiale som har en magnetisk permeabilitet større enn en, omfattende: å tilveiebringe en antenne anordnet i nærheten av materialet; å føre en vekselstrøm gjennom antennen for et antall strømfrekvenser; å måle impedansen til antennen for antallet strømfrekvenser; og å bestemme dempningen ved å bruke impedansmålingene.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvor, for hver strømfrekvens, forholdet mellom antennens resistive del av impedansen og vinkelfrekvensen til strømmen er hovedsakelig ufølsom for en parameter basert på egenskaper ved materialet, og videre omfattende å minimalisere effekten av støy på dempningen ved å bruke impedansmålingene ved flere frekvenser.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvor bestemmelse av dempningen omfatter å bruke to parametere basert på egenskaper ved materialet og frekvensene til strømmen.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, hvor egenskapene til materialet innbefatter dets magnetiske permeabilitet, elektriske konduktivitet og tykkelse.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvor, for hver strømfrekvens, forholdet mellom antennens resistive del av impedansen og vinkelfrekvensen til strømmen er hovedsakelig ufølsom for en parameter basert på egenskaper ved materialet, og den bestemte dempningen er for et eller flere signaler, der hvert signal har en signalfrekvens som er forskjellig fra strømfrekvensene.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvor: for en første strømfrekvens blant antallet frekvenser, er forholdet mellom antennens resistive del av impedansen og vinkelfrekvensen som svarer til den første strømfrekvensen, hovedsakelig ufølsom for en første parameter basert på egenskaper ved materialet, slik at en annen parameter kan bestemmes ved den første strømfrekvensen; og for en annen strømfrekvens blant antallet frekvenser, er forholdet mellom antennens resistive del av impedansen og vinkelfrekvensen som svarer til den andre strømfrekvensen og den induktive delen av impedansen, følsomme for den første parameteren slik at den første parameteren kan bestemmes fra en annen parameterverdi ved den andre strømfrekvensen ved å bruke den andre parameterverdien ved den første strømfrekvensen.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, hvor den bestemte dempningen er for et eller flere signaler der hvert signal har en signalfrekvens som er forskjellig fra den første strømfrekvensen.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvor: for et første sett med strømfrekvenser blant antallet frekvenser, er forholdet mellom antennens resistive del av impedansen og vinkelfrekvensen for hver frekvens i det første settet med strømfrekvenser hovedsakelig ufølsomt for en første parameter basert på egenskaper ved materialet, slik at en annen parameter kan bestemmes; og for et annet sett med strømfrekvenser blant antallet frekvenser, er forholdet mellom antennens resistive del av impedansen og vinkelfrekvensen og den induktive delen av impedansen for hver frekvens i den andre settet med strøm-frekvenser følsomme for den første parameteren, slik at den første parameteren kan bestemmes fra en annen parameterverdi ved den andre strømfrekvensen ved å bruke den andre parameterverdien ved den første strømfrekvensen.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, hvor den bestemte dempningen er for et eller flere signaler, hvor hvert signal har en signalfrekvens som er forskjellig fra frekvensene i det første settet med strømfrekvenser.

19. Fremgangsmåte for å bestemme den komplekse dempningen av et elektromagnetisk signal som passerer gjennom et ledende materiale, som en funksjon av den komplekse impedansen til en antenne, omfattende: å tilveiebringe og anbringe antennen i nærheten av materialet; å føre en vekselstrøm gjennom antennen; å måle impedansen til antennen; å bestemme den komplekse dempningsfaktoren som en første funksjon av en første parameter og en annen parameter ved å bruke den målte impedansen; å bestemme den komplekse impedansen som en annen funksjon av den første parameteren og den andre parameteren ved å bruke den målte impedansen; og å bestemme den komplekse dempningen som en funksjon av den komplekse impedansen ved å bruke den første funksjonen og den andre funksjonen.

20. Fremgangsmåte for å bestemme dempningen til et elektromagnetisk signal som passerer gjennom et ledende materiale, omfattende: å tilveiebringe en antenne anordnet i nærheten av materialet; å føre en vekselstrøm gjennom antennen; å måle impedansen til antennen; og å utføre en invertering for å bestemme dempningen.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 20, hvor utførelse av inverteringen omfatter å bestemme to parametere basert på egenskaper ved materiale og frekvensen til strømmen.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 20, hvor utførelse av inverteringen omfatter å minimalisere en kostnadsfunksjon basert på en norm for differansen mellom den målte impedansen og den simulerte impedansen.