NO303251B1 - LoggefremgangsmÕte og -apparat for mÕling av jordformasjoners resistivitet - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og et apparat for å måle resistiviteten i formasjoner som har et gjennomgående borehull, og er spesielt anvendelig til den feilbelastede situasjon med å måle resistiviteten i et ledende lag som befinner seg under et lag med høy resistivitet og betydelig tykkelse, hvor den nedre ende eller "skoen" på foringsrøret befinner seg ved bunnen av det tykke laget.

Et konvensjonelt apparat for resistivitetslogging er Schlumbergers Dual Laterolog (DLT) beskrevet i US-patenter nr. 3.772.589 og 4.291.267. Dette apparatet omfatter en sonde som henger fra en elektrisk kabel ved hjelp av en isolerende kabel, hvor sonden har en langstrakt form som egner seg for forskyvning inne i borehull. Sonden omfatter en sentral elektrode A0som emitterer en strøm I0 inn i formasjonen, og fokuseringselektroder ( A1, A1' og A2, A21 ) anbragt symmetrisk på hver side av den sentrale elektroden, og ment for å produsere fokuseringsstrømmer som sikrer at den radielle gjennomtrengning av strømmen I0inn i formasjonen er tilstrekkelig. Sonden omfatter også én eller flere potensial-måleelektroder M plassert mellom elektrodene A0og Ax eller Ai'. I tillegg til sonden omfatter apparatet en referansepotensialelektrode N plassert på isoleringskabelen eller den øvre ende hvor den er forbundet med den elektriske kabel, og strøm-returelektroder B plassert på overflaten.Resistivitetsverdien som frembringes av dette apparat er den tilsynelatende resistivitet:

hvor K er en konstant som kalles den geometriske faktor, VM er sondens potensial som målt ved bruk av elektroder M, VNer referansepotensialet, og I0er strømmen som emitteres av elektroden A0.

I det ovennevnte apparat er den emitterte strøm en vekselstrøm. For å oppnå målinger samtidig ved forskjellige undersøkelsesdybder, bruker man to forskjellige frekvenser: En lav frekvens (35 Hz) for de dypere målingene kalt LLd; og en høyere frekvens (280 Hz) for de grunnere målinger kalt LLs. Denne beskrivelsen angår imidlertid bare de dypere målinger, som er den eneste som krever returelektrode på overflaten.

Under spesielle forhold er målingene av en formasjons-resistivitet utsatt for en feil som er kjent som Groningen-effekten. Det henvises til US-patent nr. 4.335.353 når det gjelder dette. Denne effekten oppstår når et lag med stor tykkelse og høy resistivitet ligger over en mer ledende formasjon hvis resistivitet skal evalueres. Den kan forklares ved to faktorer.

For det første, strøm blir overført mellom formasjonen og den ledende kjerne i kabelen. Ifølge

transmisjonslinjeteorien, finner denne overføringen til kjernen i kabelen sted over en karakteristisk lengde (Lc) gitt ved Lc= (RS/RC)<M>, hvor Rs er resistiviteten i formasjonen rundt kabelkjernen, og Rcer motstanden i kabelen pr. lengdeenhet. Man kan se at den karakteristiske lengde Lcer lang hvis resistiviteten Rs i formasjonen rundt kjernen er høy. I praksis har nærvær av kjernen den effekt at den deformerer ekvipotensiale overflater slik at de istedenfor å være ortogonale til borehullet, skrår mot det. Som følge av dette er potensialet på referanseelektroden N, istedenfor å være lik potensialet for en sone av formasjonen på samme nivå som og i en betydelig avstand fra borehullet i radial retning, i virkeligheten tilsvarende potensialet ved et grunnere nivå

(dvs. et nivå som er nærmere overflaten), forskjøvet ved en lengde Lci forhold til referanseelektrodens nivå.

For det andre, strømlinjer som går mot overflaten blir konsentrert på grunn av skinneffekten til en sylinder sentrert på kabelen. Denne sylinderen er analog med en koaksial kabel, og har en motstand Re pr. lengdeenhet, som er uavhengig av formasjonens resistivitet. Dette resulterer i et spenningsfall pr. lengdeenhet på AV = Re • IT, hvor IT er total strøm emittert av apparatet. Siden lengden som skal tas i betraktning er den ovennevnte karakteristiske lengde Lc, blir feilen i referansepotensialet:

og den resulterende målefeil er ved bruk av typiske verdier for forskjellige parametere, gir dette

Man har observert at feilen kan bli betydelig når resistivi-teten Rs i laget rundt referanseelektroden N er høy.

Feilen er i størrelsesorden 1 ohm-m for en resistivitet Rs i størrelses-orden 10.000 ohm-m. Følgelig, hvis formasjonen ved sonden er ledende (f.eks. hvis dens tilsynelatende resistivitet Ra er i størrelsesorden 1 ohm-m), oppstår en meget stor relativ feil ARa/Ra.

Det ovennevnte US-patent nr. 4.33 5.3 53 beskriver en teknikk for å korrigere denne feil, basert på måling av den komponent av det potensiale som er i kvadratur i forhold til den totale strømmen IT. Denne fremgangsmåten er tilfredsstil-lende så lenge laget med høy resistivitet befinner seg langt borte fra den forede seksjon av borehullet.

Denne fremgangsmåten er imidlertid utilstrekkelig når borehullet omfatter en foret seksjon og foringsrørets sko

(dvs. den nedre ende på foringsrøret) er plassert over grensen mellom det ledende laget og laget med høy resistivitet. Under slike forhold, på grunn av skinneffekten i røret, som generelt er laget av stål og derfor meget ledende, blir strømmen som

emitteres av måleanordningen konsentrert i et tynt lag (noen få mm tykt) av foringsrørveggen, på innsiden av foringsrøret og med høy strømgradient mot foringsrørskoen som da virker som en returelektrode istedenfor elektroden på overflaten. Dette forårsaker en feil i referansepotensialet som kan være 10 til 20 ganger større enn den feilen som ville oppstå uten forings-

rør.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en teknikk som er i stand til å korrigere feil i forbindelse med referansepotensialet også under de vanskelige omstendigheter når foringsrørskoen befinner seg ved bunnen av et lag med høy resistivitet.

US patent nr. 3,660,755 (Janssen) beskriver en fremgangsmåte og et apparat for samtidig å oppnå to fokuserte logger over formasjons-porøsitet med forskjellige undersøkelses-dybder. De to loggene kombineres for å gi en måling bare av formasjonens dypere, uforurensede soner. Undersøkelsesdybden forandres ved å forandre returelektrodens posisjon for fokuseringsstrømmen. Denne teknikken korrigerer imidlertid ikke for feil som angår referansepotensialet.

I samsvar med oppfinnelsen er det tilveiebrakt en loggefremgangsmåte av den type som defineres nøyaktig i det vedføyde patentkrav1.

To relativt uavhengige måleverdier oppnås således for formasjonene under forhold som ellers er identiske, og fra disse målingene er det mulig å bestemme de korreksjoner som må anvendes på referansepotensialet VN.

Oppfinnelsen tilveiebringer også et loggeapparat av den type som defineres nøyaktig i det vedføyde patentkrav 4.

Fortrinnsvis er det tilveiebrakt en øvre, ledende del nær den ende av elektroden A2som er lengst fra den sentrale elektroden A0, hvilken øvre ledende del er forbundet med elektroden A2ved hjelp av en isolerende forbindelse som kan kortsluttes.

Oppfinnelsen kan bedre forstås fra den følgende beskrivelse, under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 er et diagram av et loggesystem av typen Dual Laterolog; fig. 2 viser strømlinjer under forhold som forårsaker Groningen-effekten i nærvær av foringsrøret: fig. 3 viser en første utførelse av loggeapparatet ifølge oppfinnelsen; og

fig. 4 viser en annen utførelse av oppfinnelsen.

Fig. 1 viser et loggesystem som omfatter et apparat av typen Laterolog. Dette apparatet omfatter en sonde 10 som henger fra en kabel 12 i et borehull 14. Sonden er forbundet med kabelen 12 ved et isolerende kabel-"bissel" 18.

Sonden 10 er beskrevet i det ovennevnte US-patent 4.291.267, og det henvises til dette for detaljert informasjon. Sonden omfatter en rekke elektroder som består av ledende ringer anbragt langs en isolerende spindel: en sentral elektrode A0sender under strømmen, to par fokuseringselektroder A1- A1' og A2-A2' anbragt symmetrisk på hver side av sentralelektroden A0, og to par overvåkingselektroder M^M^ og M2-M2' er plassert mellom sentralelektroden A0 og paret av elektroder A^A^ som likeledes er anbragt symmetrisk på hver side av elektroden A0. Elektrodene i hvilket som helst gitt par er sammenkoplet ved elektriske forbindelser. Spenningen mellom fokuseringsparet av elektroder A1-A1' og elektroden A0 reguleres ved hjelp av en styringskrets 20 for å opprettholde spenningen mellom parene av overvåkingselektroder M-l-M^ og M2-M2' nær 0, og i tillegg er elektrodeparet A2-A2' plassert på samme potensial som elektrode-paret A1-A1<l>. Dette tvinger strømmen i I0som emitteres av elektroden A0til å trenge inn i formasjonen i en retning som er perpendikulær med sondens akse, slik at undersøkelsesdybden for strømmen gjør det mulig å nå den ikke-invaderte sone av formasjonen. Strømmene som blir emittert er vekselstrømmer med lav frekvens, mens sonden i praksis opererer med to forskjellige frekvenser som tilsvarer undersøkelsesmodus for forskjellige dybder. For den dype modus er frekvensen lav (35 Hz). Returstrøm finner sted via en elektrode B som er plassert ved overflaten. Grunn modus, som ikke benytter den foreliggende oppfinnelse, finner sted ved en høyere frekvens, med returstrøm via elektrodene A^-A;,<1>, og i dette tilfellet har ikke disse elektrodene samme potensial som elektrodene A^A^.

I dyp modus finner man en resistivitetsverdi som kalles den "tilsynelatende" resistivitet Ra, som beskrevet ovenfor, ved å ta forholdet mellom potensialforskjellen mellom sonden 10 og referanseelektroden N (19) dividert med strømmen I0som blir emittert av sentralelektroden A0:

VM er potensialet tatt fra en overvåkingselektrode så som M2; VNer referansepotensialet tatt fra elektroden N; og

K er en konstant kalt geometrifaktoren, som avhenger av geometrien.

Som beskrevet ovenfor kan referansepotensialet VNvære utsatt for betydelige feil under samme forhold, kalt Groningen-effekten. Fig. 1 illustrerer disse forholdene. Et tykt lag 3 0 med høy resistivitet Rs følger et lag 32 med lav resistivitet. Feilen oppstår når referanseelektroden 19 er nær grensen 31 mellom lagene 30 og 32. Fig. 1 viser hvordan strømlinjen 80 i det resistive laget 30 blir forvrengt, og den effekt dette har på referansepotensialet. Totalt er referansepotensialet utsatt for en feil VNsom er proporsjonal med strømmen IT:

Som en følge av dette blir den verdien man oppnår for den tilsynelatende resistivitet øket med en mengde:

hvor G representerer Groningen-effekten ved vedkommende dybde, og denne effekten er en funksjon av karakteristikkene til apparatet for å logge de formasjoner som borehullet går gjennom, og at selve borehullet (hvorvidt det har eller ikke har foringsrør, og plassen i forhold til foringsrørets sko, og resistiviteten i boreslammet).

I nærvær av et foringsrør som har sin sko plassert over grensen 31 mellom lagene 30 og 32, er strømlinjene konsentrert over den indre vegg i røret på grunn av skinneffekten, som vist på fig. 2, med strømmen konsentrert i et tynt lag (typisk 2,7 mm tykt) av veggen. Som et resultat konvergerer alle strøm-linjene på foringsrørskoen, og denne tar plassen til overflate-elektroden B når det gjelder returstrømmen.

I denne situasjonen kan Groningen-effekten bli 10-20

ganger større enn den ville hvis det ikke var noe foringsrør, og kan bevirke en feil som er av samme størrelsesorden som den resistivitetsverdien som skal måles.

For å evaluere denne effekten når den har vist seg ved undersøkelse av en logg, og for å korrigere

resistivitetsverdiene tilsvarende, utføres det en annen måleserie i den tilsvarende del av borehullet ved hjelp av et loggeapparat som fortsetter å bruke en strømretur på overflaten, men som er modifisert når det gjelder undersøkelsesdybden. Man oppnår således to spesielle resistivitetsmålinger ved hvert nivå, og får derved to forholdsvis uavhengige ligninger med resistiviteten Ra og Groningen-effekten G som ukjente. Resistiviteten Ra kan bestemmes fra disse ligningene, inkludert rettelsene for Groningen-effekten.

I matematiske uttrykk kan fremgangsmåten uttrykkes som følger. Ved bruk av betegnelser som ovenfor, er den tilsynelatende resistivitet:

Feilen på referansepotensialet på grunn av Groningen-ef fekten er:

Den tilsynelatende resistivitet er således utsatt for en feil det vil si ved bruk av konvensjonelle betegnelser:

hvor LLd er den måling som er frembragt ved en Laterolog sonde i dyp modus.

Den andre måleserien finner sted ved bruk av et modifisert apparat med forskjellige verdier for konstanten K angående sondens geometri, og for forholdet IT/I0mellom den totale strøm dividert med den målte strøm. Når det gjelder disse mengdene, kan det observeres at konstanten K er kjent for en sonde med gitt geometri, og forholdet IT/I0bestemmes på basis av målinger i forbindelse med operasjonen av sonden. Hvis verdiene som gjelder den andre serien gis et merket symbol blir:

Endelig, siden de tilsynelatende resistiviteter Ra' og Ra tilsvarer forskjellige undersøkelsesdybder, har de forskjellige verdier under like forhold. Disse verdiene er forbundet med dette forhold:

hvor koeffisienten C finnes ved bruk av et korreksjonskart på basis av målingen LLd og LLs (grunn laterolog) frembragt av sonden, og på basis av en grunn resistivitetsmåling Rxo som f.eks. frembragt av en mikroresistivitetssonde av typen Schlumberger SRT.

Dette gir:

Utregningen utføres ved iterasjon, ved bruk av en første verdi for koeffisienten C som tilsvarer ingen Groningen-ef f ekt, dvs. tilsvarende G = 0.

I en fordelaktig implementering kan undersøkelsesdybden for sonden oppnås ved å endre den effektive lengde av minst én av elektrodene A2.

Fig. 3 viser en utførelse av et loggeapparat som kan oppnå en slik endring. Delen 10 som vist av brakettsymbolet, tilsvarer en sonde av typen Schlumberger Dual Laterolog (DLT) som brukes kommersielt. De skyggede delene er strømelektroder: Den sentrale elektrode A0og fokuseringselektroden A1-A1' og A2-A2' som er isolert fra hverandre. To isolerende forbindelser 100 og 100' er anordnet, fortrinnsvis av en type som tilsvarer Schlumberger referanse AH169, og anbragt nær respektive elektroder A2-A2' på deres sider som er lengst borte fra den sentrale elektrode, og dermed isolere elektrodene A2-A2' fra andre deler av apparatet. Delen 101 som følger den isolerende forbindelsen 100 nær den øverste elektroden A2er elektrisk ledende (i det minste over sin ytre overflate), og er selv isolert ved sin øvre ende ved en isolerende forbindelse 102, fortrinnsvis av den ovennevnte typen AH169. Forbindelsen 100 kan kortsluttes f or å etablere en elektrisk

forbindelse mellom den øverste elektrodenA2og den ledende del101. Hvis forbindelsen 100 er kortsluttet på denne måten, vil delen 101 emittere en strøm lik elektroden A2, og den effektive lengden av fokuselektroden blir øket med lengden av delen 101.

Hvis andre ting er like, blir mengden K • (IT/I0) som definert ovenfor således endret i sammenligning med den situasjon hvor forbindelsen 100 er effektivt isolerende.

Den ledende del 101 kan bestå av en loggesonde av forskjellige typer, som kan virke som en strømelektrode, den kan f.eks. være en Schlumberger SRT mikroresistivitetssonde som konvensjonelt er forbundet med en DLT-sonde i loggeapparater for å frembringe et mål for resistiviteten Rxo i den såkalte "invaderte" sone (målinger utført i en grunn undersøkelsesdybde). I dette spesielle tilfellet blir den effektive lengde av elektroden A2multiplisert med en faktor på omkring 2,5.

I praksis, hvis en unormal tilstand blir detektert etter å ha utført en operasjon ved bruk av en sonde 10 av den ovennevnte type, hvilken unormal tilstand viser seg ved resistivitetsverdier som åpenbart er for høye, blir

forbindelsen 100 kortsluttet og apparatet senkes ned i borehullet igjen for å utføre en logging, i det minste over den del av borehullet som den unormale tilstand gjelder.

Utførelsen på fig. 3 utfører asymmetri i et apparat som normalt er symmetrisk. En variant som vist på fig. 4 reetablerer symmetrien ved å frembringe ledende deler 201 og201'på motsatte sider av elektrodene A2, hvor de ledende delene 201 og 201' strekker seg henholdsvis mellom isolerende forbindelser 200 og 202, og mellom isolerende forbindelser 200' og 2021 .

Oppfinnelsen er ikke begrenset til de utførelser som er beskrevet ovenfor.

Den andre loggen kan således utføres samtidig med den første istedenfor å utføre to suksessive operasjoner. For samtidig utførelse, kan et apparat som det som er vist på fig.3anordnes sammen med en styringsanordning for vekselvis å etablere og avbryte den elektriske forbindelse mellom elektroden A2og den ledende del 101, ved kortslutning av den isolerende forbindelsen 100.

I tillegg er oppfinnelsen anvendelig, ikke bare til de beskrevne utførelser omfattende en returelektrode B på overflaten og en potensial referanseelektrode N ovenfor sonden, men også til den dobbelte disposisjon som omfatter en potensial referanse-elektrode på overflaten og en returelektrode ovenfor sonden.

Claims (7)

1. Loggefremgangsmåte for å måle resistiviteten i en formasjon med et gjennomgående borehull (14), omfattende de følgende trinn: Henging av en loggesonde (10) inne i borehullet ved hjelp av en kabel (12), hvor sonden (10) omfatter en sentral elektrode (A0) , fokuserings-elektroder { Alt A'lf A2, A'2) og overvåkningselektroder (Mx, M'1#M2, M'2), mens det tilveie-bringes en returelektrode (B) og en referanseelektrode (N) som er plassert slik at en av dem er ovenfor sonden (10) og den andre er ved overflaten; injisering av vekselstrømmer i formasjonen, mellom (i) de nevnte sentral- og fokuseringselektrodene (A0, hltA'x, A2, A'2) og (ii) returelektroden (B) ; detektering av potensialforskjellen mellom overvåkningselektrodene (Mx, M'x, M2, M'2) og referanseelektroden (N) ; og generering av første signaler som representerer formasjonens resistivitet, fra en første strøm utsendt av den sentrale elektroden (A0) og en første potensialforskjell detektert mellom sonden (10) og referanseelektroden (N),karakterisert vedde følgende ytterligere trinn: endring av produktet K. (IT/I0) , hvor K er en geometrisk faktor vedrørende sonden, og Ix/I0er forholdet mellom den totale strøm IT utsendt av sonden, og strømmen I0utsendt av den sentrale elektroden A0, uten å endre referanse- og returelektrodene (N, B); etter denne endringen, generering av andre signaler som representerer formasjonens resistivitet, fra en andre strøm utsendt av den sentrale elektroden (A0) og en andre potensialforskjell detektert mellom sonden (10) og referanseelektroden (N); og kombinering av de første og andre signaler for å frembringe resistivitets-utgangssignaler som er korrigert for Groningen-effekten.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat de andre resistivitets-signalene genereres etter endring av lengden av minst en av fokuseringselektrodene (Alf A'1( A2, A'2).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert vedat de andre resistivitets-signalene genereres etter symmetrisk endring av lengden av to fokuseringselektroder (A2, A'2) plassert på hver sin side av strømelektroden.

4.Loggeapparat for måling av resistiviteten i en formasjon med et gjennomgående borehull (14), omfattende: en loggesonde (10) innrettet til å beveges langs borehullet hengende i en elektrisk kabel (12), hvor sonden (10) omfatter en sentral elektrode (A0) , fokuseringselektroder (Ax, A' lt A2, A'2) og overvåkningselektroder (M1#M'lf M2, M'2); en returelektrode (B) og en referanseelektrode (N) anbragt slik at en av dem er ovenfor sonden (10) og den andre er ved overflaten; en anordning for å injisere vekselstrømmer inn i formasjonene mellom (i) sentral- og fokuseringselektrodene (A0, A17A'1#A2, A'2) og (ii) returelektroden (B) ; en anordning for å detektere potensialforskjellen mellom en av overvåkningselektrodene (M1#M'lf M2, M'2) og referanseelektroden (N); og en anordning for å generere første signaler som representerer formasjonens resistivitet, fra strømmen som utsendes av den sentrale elektroden (A0) og potensialforskjellen som detek-teres mellom sonden (10) og referanseelektroden (N),karakterisert veden anordning for å endre produktet K.(IT/I0), hvor K er en geometrisk faktor vedrørende sonden og IT /l0 er forholdet mellom total strøm IT utsendt av sonden, og strømmen I0utsendt av den sentrale elektroden (A0) uten endring av referanse- og returelektrodene (N, B), slik at etter denne endringen, kan andre signaler som representerer formasjonens resistivitet, genereres fra en andre strøm utsendt av den sentrale elektroden (A0) og en andre potensialforskjell detektert mellom sonden (10) og referanseelektroden (N), hvilke andre signaler har en annen følsomhet overfor Groningen-effekten.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert veden anordning for å endre lengden til minst en av f okuseringselektrodene (A17A'1( A2,

A'2) .

6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert vedat anordningen for å forandre lengde innbefatter en ledende del (101, 201, 201') plassert nær fokuseringselektroden (A2, A'2) på den side som er lengst bort fra strømelektroden, og en isolerende forbindelse (100, 200, 200')som kan kortsluttes, og som er plassert mellom fokuseringselektroden (A2, A'2) og den ledende delen (101, 201, 201').

7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert vedat den ledende delen (101) utgjøres av en mikroresistivitets-sonde.