NO327810B1 - Anordning og fremgangsmate for passiv og aktiv kansellering av borehullseffekter ved bronnlogging - Google Patents

Description

1. OPPFINNELSENS BAKGRUNN

1.1 Oppfinnelsens område

Denne oppfinnelse gjelder teknikker for å redusere og/eller korrigere for virkninger fra borehullet på underjordiske målinger. Nærmere bestemt gjelder oppfinnelsen fremgangsmåter, samt anordninger for iverksetting av fremgangsmåt-ene, for det formål å redusere eller korrigere for uønskede elektromagnetiske på-virkninger som har sammenheng med utplassering av antenner med tverrstilte eller skråstilte akser inne i borehullet.

1.2 Beskrivelse av beslektet teknikk

Forskjellige brønnloggingsteknikker er kjent innenfor det område som gjelder leting etter og produksjon av hydrokarboner. Disse teknikker utnytter typisk loggeinstrumenter eller "sonder" som er utstyrt med kilder innrettet for å sende energi gjennom et borehull som gjennomtrenger vedkommende underjordiske formasjon. Denne utsendte energi samvirker med den omgivende formasjon for å frembringe signaler som detekteres og måles av én eller flere sensorer på instrumentet. Ved å behandle de detekterte signaldata kan det utledes en profil av formasjonens egenskaper.

Elektromagnetiske (EM) loggeteknikker som er kjent innenfor området omfatter "ledningskabel"-logging samt logging-under-utboring (LWD). Ledningskabel-logging innebærer nedsenking av vedkommende instrument i borehullet på ytterenden av en elektrisk kabel for derved å kunne utføre underjordiske målinger etter hvert som instrumentene beveges langs borehullet. LWD innebærer feste av instrumentet anordnet i et vektrør i forbindelse med en boresammenstilling mens borehullet utbores gjennom jordformasjoner.

Vanlige ledningskabel- og LWD-instrumenter utføres med antenner som kan drives som kilder og/eller sensorer. Ved ledningskabelanvendelser er antennene vanligvis innelukket i et hylster som er utført i kraftig plastmateriale sammensatt av laminert fiberplastmateriale impregnert med epoksyharpiks. I LWD-anvendelser er antennene vanligvis montert på en bærer av metall for å kunne motstå de krevende omgivelser som opptrer under utboring. Vanlige loggeinstrumenter kan også være utført i termoplastmaterialer. Den sammensatte termoplastkonstruksjon av disse instrumenter utgjør en ikke-ledende struktur for montering av antennene. US-patent nr. 6,084,052 (overdratt til foreliggende innehaver) beskriver utførelser av loggeinstrumenter av sammensatte materialer for bruk i ledningskabel- og LWD-anvendelser.

Både ved ledningskabel- og LWD-anvendelser er antennene montert på bærelegemet og anordnet i aksial avstand fra hverandre i borehullets retning. Disse antenner utgjøres vanligvis av spoler av sylinderformet solenoidtype og består av én eller flere vinninger av isolert ledertråd som vikles rundt bæreren. US-patenter nr. 4.873.488 og 5.235.285 (begge overdratt i foreliggende innehaver), beskriver f .eks. instrumenter utstyrt med antenner anordnet langs en sentral metallisk bærer. I drift blir senderantennen energisert ved hjelp av vekselstrøm til å sende ut EM-energi gjennom borehullsfluidet (her også betegnet som slam) og inn i formasjonen. De signaler som detekteres av mottakerantennen kan vanligvis uttrykkes som et komplekst tall (fase og spenning) og avspeiler signalenes samvirke med slammet og formasjonen.

En EM-loggeteknikk går ut på å undersøke underjordiske formasjoner ved å utlede logger for elektrisk resistivitet eller konduktivitet ved hjelp av "fokuserte" målinger. US-patent nr. 3.452.269 (overdratt til foreliggende innehaver) beskriver et instrument innrettet for å utføre disse fokuserte målinger. Denne teknikk, som er beskrevet i det ovenfor angitte patentskrift med sluttsifre '269, anvender en under-søkelsesstrøm avgitt av en strømavgivende hovedelektrode. Denne undersøkel-sesstrøm er avgrenset til en strømbane hovedsakelig vinkelrett på borehullets akse av fokuseringsstrømmer som avgis fra nærliggende fokuseringselektroder. US-patentskrift nr. 3,305,771 beskriver en fokuseringsteknikk som utnytter et instrument utstyrt med toroidformede spoler. US-patenter nr. 3.772.589, 4.087.740, 4.286.217 (samtlige overdratt til foreliggende innehaver) beskriver andre instrumenter av elektrodetype og som anvendes for underjordiske målinger.

US-patent nr. 5.426.368 (overdratt til foreliggende innehaver) beskriver en loggeteknikk som benytter seg av en rekke strømelektroder som er anordnet på en bærer. Det ovenfor angitte patentskrift med sluttsifre '368 bruker denne elektrodekonfigurasjon for å undersøke vedkommende borehulls geometriske egenskaper og vedkommende borehulls resistivitetsegenskaper. US-patentskrifter nr. 5.235.285 og 5.339.037 (begge overdratt til foreliggende innehaver) beskriver met-alliske instrumenter utstyrt med en toroidformet spole og elektrodeutstyr for å ut-føre resistivitetsmålinger under utboring. De måleteknikker som er beskrevet i de ovenfor angitte patentskrifter med sluttsifre henholdsvis '285 og '037 går ut på å indusere en strøm som vandrer langs en strømbane som omfatter det ledende bærelegeme og formasjonen.

US-patenter nr. 3.388.325 og 3.329.889 (begge overdratt til foreliggende innehaver) beskriver instrumenter utstyrt med en elektrode- og spole-konfigurasjon for å kunne utføre underjordiske målinger. US-patent nr. 3.760.260 (overdratt til foreliggende innehaver) beskriver også et nedhullsinstrument utstyrt med elektroder og spoler. Det ovenfor angitte patentskrift med sluttsifre '260 anvender elektrodekonfigurasjoner som sikrer radial strømføring inn i den formasjon som omgir borehullet. US-patent nr. 4.511.843 (overdratt til foreliggende innehaver) beskriver en loggeteknikk hvorved strømmer avgis fra elektroder for å nullstille en potensial-forskjell mellom andre elektroder på instrumentet. US-patent nr. 4.538.109 (overdratt til foreliggende innehaver) beskriver en loggeteknikk som tar sikte på å korrigere eller oppheve virkninger fra tilfeldige EM-komponenter på nedhulls måle-signaler.

En spole som fører en strøm kan angis som en magnetisk dipol med et magnetisk moment proporsjonalt med spolens strøm og areal. Retning og styrke av det magnetiske moment kan angis ved en vektor vinkelrett på spolens plan. I vanlige induksjons- og forplantningsloggeinstrumenter, er sende- og mottakeran-tennene montert med sine akser langs instrumentets lengdeakse. Disse instrumenter er således utstyrt med antenner med magnetiske dipoler (LMD) rettet i lengderetningen. Når en slik antenne er plassert i et borehull og energiseres for å sende ut EM-energi, vil strømmer flyte rundt i antennen i borehullet samt i den omgivende formasjon. Det vil da ikke foreligge noen strø mf lyt oppover eller nedover i borehullet.

Den kommende teknikk innenfor brønnloggingsfeltet er bruk av instrumenter som omfatter antenner med skråstilte eller tverrstilte spoler, hvilket innebærer at disse spolers akse ikke er rettet parallelt med bæreraksen. Disse instrumenter er således utført med antenner som har en tverrstilt eller skråstilt magnetisk dipol (TMD). Formålet med disse TMD-konfigurasjoner er å kunne utføre EM-målinger med rettet følsomhet og som er følsomme for anisotrope resistivitetsegenskaper i formasjonen. Loggeinstrumenter som er utstyrt med TMD-enheter er beskrevet i US-patentskrifter nr. 4.319.191, 5.508.616, 5.757.191, 5.781.436, 6.044.325, 6.147.496, WO 00/50926, samt i V. F. Mechetin et al., " TEMP- A New Dual Elec-tromagnetic and Laterolog Apparatus- Technological Complex, Thirteenth Euro-<p>ean Formation Evaluation S<y>m<p>osium Transactions, Budapest Chapter, inn-legg K, 1990.

En særlig problemfylt egenskap ved TMD er den ytterst kraftige borehullsvirkning som opptrer i situasjoner med høy kontrast, hvilket vil si når slam i borehullet er meget mer ledende enn vedkommende formasjon. Når et TMD er plassert i midten av et borehull, vil det ikke foreligge noen nettostrøm langs borehullets akse. Når den imidlertid er anordnet eksentrisk i en retning parallelt med retningen av det magnetiske moment, vil situasjonens symmetri sikre at det fremdeles ikke foreligger noen strøm langs borehullets akse. Når imidlertid en TMD-enhet er anordnet eksentrisk i en retning vinkelrett på retningen av det magnetiske moment, vil imidlertid aksiale strømmer bli indusert i borehullet. I situasjoner med høy kontrast kan disse strømmer flyte en meget lang avstand langs borehullet. Når disse strømmer passerer forbi TMD-mottakerne, kan de forårsake uønskede signaler som er mange ganger større enn slike som ville opptre i en homogen formasjon uten et borehull.

US-patent nr. 5,041,975 (overdratt til foreliggende innehaver) beskriver en teknikk for å behandle signaldata som skriver seg fra nedhullsmålinger på en slik måte at det kompenseres for virkningen av eksentrisk dreining på sensoren under utboring. Ingen av disse patenter angår imidlertid TMD-enhetens egenskaper og dens virkninger ved underjordiske målinger.

US 2002/0105332 A1 beskriver en fremgangsmåte og et apparat for å mi-nimalisere eller eliminere uønskede aksiale elektriske strømmer indusert langs et borehull i undergrunnen ved utførelse av en undergrunnsmåling med sender og/eller mottaker-antenner som er hovedsakelig tidsvarierende magnetiske dipoler med deres dipoler innrettet med en vinkel i forhold til boreaksen.

Det foreligger således et behov for forbedrede fremgangsmåter og appara-ter for å redusere eller korrigere for disse strømmer ved bruk av brønnloggings-instrumenter utstyrt med TMD-enheter.

2. SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Oppfinnelsen gjelder et apparat for bruk i et borehull som er ført gjennom en underjordisk formasjon, og som omfatter en langstrakt bærer med en lengdeakse, minst én antenne anordnet slik på bæreren at dens akse er skråstilt eller tverrstilt i forhold til bæreraksen. Idet hver antenne er innrettet for å sende ut eller motta elektromagnetisk energi, samt et par elektroder anordnet på bæreren, hvor disse elektroder står i forbindelse med hverandre for elektromagnetisk samvirke, samt midler for å måle et spenningssignal fra elektrodeparet. Apparatet er kjennetegnet ved at elektrodene i det angitte elektrodepar er innrettet for selektivt å danne en kortsluttet eller åpen krets mellom elektrodene.

Utførelsesformer av apparatet i henhold til oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav 2-8.

Oppfinnelsen gjelder også en fremgangsmåte for å utføre underjordisk måling. Denne fremgangsmåte omfatter utsendelse av elektromagnetisk energi fra en antenne anordnet inne i et underjordisk borehull og med sin aksel skråstilt eller tverrstilt i forhold til borehullsaksen, detektering av en strøm som flyter langs borehullet, hvor denne strøm har sammenheng med den elektromagnetiske energiutsendelsen, med et første par elektroder anordnet inne i borehullet, bestemmelse av et spenningssignal fra det første par av elektroder som har sammenheng med den utsendte energi, idet fremgangsmåten er kjennetegnet ved selektiv aktivering av en bryter mellom det første par av elektroder for å danne en kortsluttet eller åpen krets mellom elektrodene.

Utførelsesformer av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav 10-13.

3. KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Andre aspekter og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå klart ved gjennom-lesing av den følgende detaljerte beskrivelse samt under henvisning til de ved-føyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser en avbildning sett nedover i borehullet og av parallell- og perpendikulær eksentrisk innstilling av en skråstilt eller tverrstilt magnetisk dipol inne i borehullet. Fig. 2 viser en skjematisk skisse av et instrument med en rekkeoppstilt elektrodekonfigurasjon i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 3 er en skjematisk skisse av et instrument med en ringformet elektrodekonfigurasjon i henhold til oppfinnelsen. Fig. 4 viser en skjematisk skisse av et instrument med et ledende segment anordnet på en ikke-ledende bærer i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 5 er en skjematisk skisse som viser de strømbaner som opptrer ved et ledende helmetalls-instrument med en perpendikulær eksentrisk skråstilt eller tverrstilt magnetisk dipol i henhold til forbindelsen. Fig. 6 er en skjemaisk skisse av et instrument med flere elektrodepar konfigurert omkring en antenne i henhold til oppfinnelsen. Fig. 7 viser et flytskjema av en utførelse i henhold til en fremgangsmåte i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 8 er en skjematisk skisse av den induserte aksiale strø mf lyt som opptrer i et borehull med et ikke-ledende instrument utstyrt med en perpendikulær eksentrisk anordnet skråstilt eller tverrstilt magnetisk dipol. Fig. 9 viser den strøm som rettes inn i borehullet fra et instrument utstyrt med elektrodepar omkring en kilde i henhold til oppfinnelsen. Fig. 10 er en skjematisk skisse av den aksiale strøm som flyter omkring et instrument utstyrt med elektrodepar rundt en føler i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 11a er en skjematisk skisse av den aksiale strøm som flyter omkring et instrument utstyrt med en antenne med skråstilt eller tverrstilt akse. Fig. 11b er en skjematisk skisse av den aksiale strøm som flyter rundt et instrument utstyrt med elektrodepar omkring en antenne i henhold til oppfinnelsen. Fig. 12 viser en skjematisk skisse av et instrument med flere strømførende og målende elektrodepar anordnet omkring en antennekonfigurasjon i henhold til oppfinnelsen.

4. DETALJERT BESKRIVELSE AV SPESIFIKKE UTFØRELSER

Før en videre forklaring av oppfinnelsen skal visse teoritiske betraktninger fremføres.

En TMD-enhet kan være eksentrisk anordnet i et borehull i to mulige orien-teringer, som vi da vil kalle parallell og perpendikulær eksentrisk forskyvning, slik som vist i fig. 1. Parallell eksentrisk anordning driver strømmer symmetrisk oppover og nedover i borehullet slik at derfor ingen resultantstrøm genereres. Denne borehullsvirkning er ikke verre enn i et typisk nedhullsinstrument utstyrt med ikke-skråstilte (aksiale) antenner. Perpendikulær eksentrisk anordning blir opphav til en stor aksial borehullsstrøm når det gjelder et isolert instrumentlegeme, som da danner sterk kopling til en transversal mottaker i en viss aksial avstand (ikke vist). Disse to forskyvninger er da ekstreme tilfeller av de som er mulig. I det generelle tilfelle kan den eksentriske forskyvning finne sted i en retning som danner en viss vinkel med sensorenes dipolmoment. I dette tilfelle vil da påvirkningen fra borehullet ligge mellom de to angitte ekstreme tilfeller.

Det er viktig å forstå den grunnleggende forskjell mellom borehullets påvirkning ved en LMD-enhet av vanlig art og borehullsvirkningen i forbindelse med en TMD-enhet. Hvis en hvilken som helst kildetype plasseres i et homogent medium, vil strømmer flyte i baner som omslutter senderen. Når et borehull legges til, vil disse strømbaner bli forstyrret. Disse strømmer induserer en spenning i en mottak-erspole i avstand fra senderen. Denne spenning gir en anvisning om formasjonens resistivitet. Hvis i stedet for et homogent medium det inkluderes et borehull, så vil strømbanene bli forandret og den mottatte spenning vil da være forskjellig fra den som ville blitt målt i fravær av et borehull. Denne forskjell kalles da "borehullsvirkningen". Forskjellen i borehullsvirkning mellom en LMD-enhet og en TMD-enhet har sin grunn i forskjellen mellom strømforstyrrelsene i nærvær av et borehull. Når en LMD-enhet er sentrert eller eksentrisk anordnet i et borehull, vil disse strømmer flyte i borehullet i et område nær senderen. Det er kjent at feltet fra en lokal strøm-fordeling kan representeres ved en flerpolet ekspensjon. Det ledende ledd (dipol-leddet) avtar i samsvar med 1/r<3>, hvor r da er den radiale avstand i en hvilken som helst retning bort fa senderen. Andre ledd vil avta enda raskere.

For en TMD-enhet, eksentrisk anordnet i et borehull i en retning langs dipol-retningen (parallelt) har man en lignende situasjon. Strømmer flyter oppover på den ene side av borehullet og nedover på den andre siden på symmetrisk vis. Det vil da ikke foreligge noen resultantstrøm i borehullet forbi senderen. Denne lokali-serte strøm forårsaker et dipolfelt på samme måte som forbindelse med en LMD-enhet. Når TMD-enheten er eksentrisk anordnet i en retning perpendikulært på dipolmomentets retning, vil disse strømmer ikke lenger være symmetriske og en resultantstrøm vil flyte i borehullet forbi senderen. Denne strøm flyter da oppover i borehullet og returnerer gjennom formasjonen. Når denne strøm passerer gjennom mottakerspolen, vil en spenning bli indusert i denne spole. Denne strøm avtar ikke geometrisk minst like raskt som 1/r<3>, men eksponensielt i samsvar med e"(z/Zo) hvor z0 er proporsjonal med <Pformas>jon, Når borehullet er mer ledende enn formasjonen, vil dette føre til en meget langsom avtagende verdi for denne strøm. Når det gjelder en LMD-enhet, eller et parallelt eksentrisk anordnet TMD-enhet, så vil spenningen i mottakeren skrive seg fra feltene fra den lokalt forstyrrede strøm-fordeling nær senderen. Når det gjelder en perpendikulært eksentrisk anordnet TMD-enhet, vil imidlertid denne spenning skrive seg fra feltet fra en strøm som vandrer i borehullet rett forbi mottakeren. Denne andre virkning er meget større enn den førstnevnte.

Fig. 2 viser en utførelse av oppfinnelsen. Et loggeinstrument med et ikke-ledende instrumentlegeme er vist anordnet i et borehull. Instrumentet er utstyrt med en transversalt rettet (90 graders aksehelning) senderantenne Tx og en transversal mottakerantenne Rx. Instrumentet er også utstyrt med et par elektroder Ei, E2 plassert på hver sin motsatte side av senderantennen Tx. Disse elektroder E-i, E2 kan være utformet som en rekke metallelektroder i innbyrdes asimutal-avstand i omkretsretningen. Fig. 2 viser en elektrodekonfigurasjon sammensatt av en gruppe på seksten diskrete asimutale metallsegmenter 10 montert på en isolerende toroid 12. Alternativt kan elektrodene E1f E2 også være utformet av en ringformet metallelektrode i ett stykke, slik som vist i fig. 3. Hvis en ringformet elektrodekonfigurasjon anvendes, foretrekkes det å etterlate et gap i den åpning langs elektrodens omkrets. Det vil erkjennes av fagfolk på området at forskjellige typer elektrodekonfigurasjoner kan brukes for å iverksette oppfinnelsen og som er kjent innenfor fagområdet, slik som knapp-elektroder.

Elektrodene E1f E2 er kortslutningsforbundet ved hjelp av en leder (f.eks. en tråd, kabel eller metallstrimmel) 14 som fortrinnsvis er lagt langs midtlinjen i senderantennen Tx. Hvis elektrodene Ei, E2 konfigurert som en rekke asimutale elektroder anordnet med innbyrdes avstand i omkretsretningen, vil alle elektrodeseg-mentene i E2 kortsluttes innbyrdes, samtidig som Ei er kortsluttet til E2. Kortslutningen av elektrodene E1 samt kortslutningen av elektrodene E2 utføres fortrinnsvis ved hjelp av tråder som forløper radialt for derved å unngå dannelse av asimutale strømsløyfer. Ved å kortslutte elektrodene Ei, E2 på oversiden og undersiden av senderen Tx, sikrer denne konfigurasjon at det ikke vil foreligge noe resulterende elektrisk felt langs borehullet og det vil da heller ikke foreligge noen netto strømflyt. De ledere som sammenkopler øvre og nedre elektroder, henholdsvis Ei og E2, er ført gjennom senderen Tx og tillater strømmer å flyte gjennom det borehull som skal lukkes. Dette fører til en lokalisert strømfordeling uten de langsrekk-ende aksiale strømmer, som ellers ville foreligge i borehullet. Denne lokale strøm-fordeling har høyst ett dipolmoment som avtar minst like raskt som 1/L<3>, hvor L er avstanden mellom antennene. Denne konfigurasjon kortslutter faktisk de asimutalt varierende induserte aksialstrømmer gjennom senderen Tx, slik at det dannes en lokal magnetisk dipol som er motsatt rettet i forhold tii TMD. Elektrodene Ei, E2 kan være montert på instrumentet ved hjelp av hvilke som helst egnede midler som vil være kjent innenfor fagområdet.

Fig. 4 viser en annen utførelse av oppfinnelsen. Ved å montere TMD omkring et ledende segment 16 som er anordnet langs det ikke-ledende bærelegeme for instrumentet, dannes en lokal indusert strømfordeling. Den strømsløyfe som skapes er sammensatt av borehullet og det ledende segment 16. Det ledende segment 16 kan være utformet som et metallrør eller en hylse montert på den ikke-ledende bærer. Instrumentet kan være utstyrt med flere ledende segmenter og antenner etter ønske. Modelleringen og eksperimentene viser at de strømmer som flyter i borehullet og instrumentets metallseksjon er begrenset i aksial utstrek-ning til noen få ganger borehullets diameter. Lengden av den ledende seksjon er således variabel, men er fortrinnsvis mer enn noen få ganger diameteren av det største borehull hvor instrumentet kan kjøres inn.

Med det ledende segment 16 anordnet i samme retning som en antenne, samt i kontakt med borehullsfluidet, vil den aksiale strøm som induseres i borehullet vende tilbake gjennom instrumentlegemet i nærheten av antennen i stedet for vandre en lengre avstand langs borehullet. Hvis det ledende segment 16 befinner seg rundt mottakerantennen, så vil den aksiale strøm som ellers vil vandre i borehullet i stedet vandre i det ledende segment 16. Den induserte aksiale strømflyt langs borehullet blir således nedsatt ved å opprette en alternativ bane for strøm-men langs instrumentlegemet. En alternativ utførelse utvider det ledende segment 16 til lengden av instrumentet (ikke vist), og består hovedsakelig av en hylse helt i metall langs bæreren.

Vanlige induksjonsloggeinstrumenter, og spesielt ledningskabelinstrumen-ter, omfatter antenner i hylsteret utformet i ikke-ledende materialer, slik som fiber-glassforsterket epoksyharpiks. Fig. 5 viser en annen utførelse i henhold til oppfinnelsen. En TMD-antenne er anordnet på et loggeinstrument 18 bestående av et helmetallslegeme 20. Et lag av elektrisk ledende materiale (f.eks. randallitt, fiberglass-epoksy eller gummi) plasseres mellom antennen og legemet 20. Instrumentet 18 er også utstyrt med en signalgenerator montert inne i legemet (ikke vist) for

å kunne føre en vekselstrøm gjennom antennen. Signalgeneratorens driftsfrek-vens ligger vanligvis mellom 1 kHz og 5 MHz. Alternativt kan strømmen føres frem til antennen gjennom en ledningskabel, slik som kjent innenfor fagområdet.

Som vist i fig. 5, når instrumentet 18 er anordnet eksentrisk i borehullet, så vil metallegemet 20 være utsatt for borehullsfluid slik at en lokalt frembrakt strøm-fordeling dannes langs legemet 20. En skjerm 22 er også montert på legemet 20 for å beskytte TMD-antennen og tillater passasje av særlig ønskede elektromagnetiske energikomponenter. US-patenter nr. 4,949,045 og 4,536,714 (som begge er overdratt til foreliggende innehaver) beskriver ledende metallskjermkonfigura-sjoner som kan anvendes. Fagkyndige på området vil erkjenne at også ytterligere egnede avskjerminger kan anvendes sammen med instrumentet 18. En skjerm kan f.eks. være konfigurert i form av en strimmel (ikke vist), og som også betegnes som en fleks-krets, for derved å opprette fleksibilitet og lett montering.

For effektiv drift av TMD-antennen, bør den resulterende strømflyt ikke indusere en spenning i antennen. Hvis således en ledende skjerm 22 er plassert over antennen slik at strøm flyter i denne i stedet for i borehullsfluidet, vil en null-strøm bli indusert i antennen hvis strømmen i skjermen 22 er asimutalt symmetrisk. Ellers kan spenningen i mottakerantennen være større enn det den ville være hvis strøm skulle flyte ut i slammet. Den ønskede antisymmetriske strømfor-deling kan oppnås ved å anordne et ledende materiale mellom skjermen 22 og legemet 20, slik at en asimutal uniform forbindelse dannes. En ledende metallisk O-ringpakning kan være anordnet ved begge ytterender av skjermen 22 slik at det ikke foreligger noen bruddpartier mellom skjermen 22 og legemet 20 (ikke vist). I forbindelse med den viste utførelse i fig. 4, vil det ledende segment 16 på den ikke-ledende bærer omdirigere den induserte strøm gjennom den leder som er sentrert ved hjelp av TMD, slik at det ikke vil foreligge noen spenning indusert i TMD, innenfor den mekaniske plasseringsnøyaktighet for lederen.

En nullstrøm indusert i TMD-antennen oppnås også ved å isolere den ledende skjerming 22 fra mettallegemet 20. Dette kan oppnås ved montering av skjermingen 22 på legemet 20 på en slik måte at dens ene ende blir fullstendig isolert (ikke vist). Randallitt, fiberglass-harpiks, gummi eller et hvilket som helst egnet ikke-ledende materiale eller forbindelse kan være anordnet mellom skjermen 22 og legemet 20 for å frembringe den ønskede isolasjon. TMD-enheten kan alternativt være avtettet eller sperret inn mot legemet 22 ved hjelp av en gummi-overstøpning eller en hvilken som helst egnet ikke-ledende forbindelse som tillater passasje av EM-energi. Enda en annen utførelse omfatter en skjerm 22 utført i isolerende materiale for å tillate passasje av EM-stråling. Anvendbare materialer omfatter glass av polyeterketoner, slik som beskrevet i US-patenter nr. 4.320.224 og 6,084,052) overdratt til foreliggende innehaver) eller andre egnede harpikser. Victrex USA, Inc. i West Chester, PA fremstiller en type såkalt PEEK. Cytec Fibe-rite, Greene Tweed, og BASF markedsfører andre egnede harpiksmaterialer av termoplast. Et annet egnet isolerende materiale er Tetragonal Phase Zirconia ce-ramic ("TZP"), kan fremstilles av Coors Ceramics of Golden, Colorado.

Fig. 6 viser en annen utførelse av oppfinnelsen. Et loggeinstrument med et ikke-ledende elementlegeme er vist anordnet i en borebrønn. Instrumentet er utstyrt med en transversal senderantenne Tx og en transversal mottakerantenne Rx. Mottakerantennen Rx er plassert mellom et par måleelektroder M, M', som selv er plassert mellom to strømelektroder A, A'. Elektrodene M, M', A, A', kan være utformet som en rekke innbyrdes atskilte metallelektroder i omkretsretningen, eller som en ringformet elektrode av den art som er beskrevet ovenfor.

En utførelse av oppfinnelsen omfatter en prosess som utnytter prinsippet for superposisjonering og en digital fokuseringsmetode. Denne utførelse er vist i form av et flytskjema i fig. 7. Denne teknikk kan iverksettes med utførelsen i fig. 6.1 denne prosess blir senderantennen Tx aktivert ved 100, og spenningssignalet (VR1) ved mottakeren Rx så vel som spenningsforskjellen (AVMi) på måleelektrodene M, M' oppnådd ved 105,110. Senderantennen blir så slått av ved 115 og en strøm drives mellom strømelektrodene A, A' ved 120. Spenningen på måleelektrodene (AVM2) og spenningssignalet (VR2) på mottakerantennen blir atter målt ved 125,130.

Den nødvendige eksitering for å frembringe settet av spenninger (AVMi) på måleelektrodene M, M' blir så beregnet ved 135, mens spenningen på mottakerantennen Rx på grunn av denne eksitering blir beregnet ved 140. Denne spenning blir så subtrahert fra den faktisk målte spenning for derved å frembringe det bore-hullskorrigerte signal ved 145. Matematisk kan dette uttrykkes som:

Denne spenning bør da være lik den spenning som ville opptre på mottakerantennen Rx i det tilfelle den langsgående strøm i borehullet ikke foreligger i en høykontrast-situasjon. Da senderantennen Tx arbeider ved en eller annen endelig frekvens, og samtlige spenningsverdier er komplekse (de omfatter en amplitude-verdi og en faseforskyvning i forhold til senderstrømmen eller elektrodestrøm-mene), til de strømmer som avgis fra elektrodene A, A' er av samme frekvens.

Instrumentene i henhold til oppfinnelsen kan være utstyrt med vanlig elektronikk og kretser for å aktivere vedkommende kilder og sensorer for å det formål å kunne utføre de ønskede målinger, slik det vil være kjent innenfor fagområdet. Så snart de er tatt opp, kan data lagres og/eller behandles nedhulls eller overført til jordoverflaten i sanntid via vanlig telemetriutstyr som ville være kjent innenfor dette fagområde. Fig. 8 angir den induserte aksiale strøm som påtreffes i borehull med typisk ikke-ledende instrument og utstyrt med en TMD-enhet hvor denne enhet er perpendikulært eksentrisk anordnet i et ledende borehull. Fig. 9 viser en annen utfør-else av oppfinnelsen. Denne spesielle utførelse omfatter en tilbakekoplingspro-sess. Utførelsen i fig. 9 er lik den som er angitt i fig. 6. Måleelektrodene M, M' er anordnet for å punktprøve og måle den asimutalt varierende størrelse av det induserte elektriske felt. Strøm blir så drevet inn i borehullet av strømelektrodene A, A' for å motvirke eller kansellere de borehullsstrømmer som omgis av måleelektrodene M, M'. Den strøm som avgis fra strømelektrodene A, A' på en slik måte at det derved frembringes et forhold hvor spenningsforskjellen mellom M og M' er gjort lik null. Det vil si AV = VM - VM- = 0. Fig. 10 viser en annen utførelse av oppfinnelsen. Den utførelse som er vist i fig. 10 er da lik den som er angitt i fig. 9, bortsett fra at elektrodene er anordnet omkring en TMD-mottaker på et typisk ikke-ledende instrument. Ved denne konfigurasjon vil den induserte strøm flyte over i borehullet, trenge inn på strømelektro-den A', vandre oppover langs instrumentet til den andre strømelektrode A, samt derpå fortsett oppover i borehullet. I den umiddelbare nærhet av TMD, vil det ikke foreligge noen strø mf lyt i borehullet. Måleelektrodene M og M' oppretter da en analog tilbakekopling til strømelektrodene A, A' for derved å oppheve påvirkning-ene fra borehullet. Flyten av aksial strøm langs borehullet motvirker således ved injeksjon av en annen strøm som utsendes inne i borehullet.

Den lengde av elektrodene Ei, E2 som er nødvendig for hovedsakelig å av-skjære samtlige borehullsstrømmer øker med diameteren av det borehull hvori instrumentet kjøres inn i utførelser hvor det i henhold til oppfinnelsen anvendes passive elektroder. Dette ønske om en lang elektrode for å kunne redusere borehulls-påvirkningen kommer da i konflikt med ønsket om antennerekker i kort innbyrdes avstand.

Som vist i fig. 5, forholder det seg slik at hvis instrumentlegemet 20 er ledende, så vil borehullsstrømmen flyttes gjennom et legeme og strømmen vil da være lokalisert til i nærheten av TMD. Den avstand hvorover strømmen avtar øker med diameteren av borehullet. Hvis man i stedet for å ha et instrument med fullstendig metallisk instrumentlegeme, har man da bare et ledende segment med endelig lengde omkring TMD og for store borehull vil da bare en viss del av strøm-men returnere til dette ledende segment. Restene vil fortsette forbi ytterenden av det ledende segment, hvilket da fører til fullstendig kansellering av borehullsvirkningen. Denne tilstand er vist i fig. 11a. Som omtalt her, vil en fremgangsmåte for å rette på denne situasjon være å aktivt drive en strøm mellom elektrodene E-i, E2, slik at samtlige borehullsstrømme lukkes på elektrodene.

Fig. 11b viser en annen utførelse av oppfinnelsen. Et par monitorelektroder eller måleelektroder M er anbrakt i tillegg til instrumentets isolerende parti. Hvis en strøm passerer gjennom disse elektroder vil det opprettes en tilordnet spenning AV. Betingelsen for å drive elektrodene E til å eliminere denne reststrøm er da at AV = 0. Tilbakekoplingsprosessen for denne utførelse er av samme art som den angitte i fig. 9.

Andre utførelser av oppfinnelsen utnytter en kombinert aktiv/passiv elektro-deanordning E. Disse elektroder E som omgir senderne eller mottakerne kan da anvendes både i en aktiv og en passiv rolle. I én av slike utførelser blir senderen eksitert uten å drive elektrodene E (passive) hvorpå etter deaktivering av senderen, elektrodene E blir drevet separat (aktive) og en lineær kombinasjon dannes da på følgende måte:

Denne kombinasjon kan da skrives som:

Instrumentmålingen gir da i denne utførelse energiseres elektrodene E uav-'1

hengig av senderen ved bruk av vanlig elektronikk. En passiv/aktiv-utførelse kan også iverksettes ved først å kortslutte sammen elektrodene E mens senderen energiseres, hvorpå elektrodene E energiseres hver for seg etter deaktivering av senderen. Den passive bruk av elektrodene utsletter størstedelen av borehullsig-nalet, slik at det aktive utstyr har mindre å eliminere, hvilket forbedrer anleggets stabilitet.

En annen utførelse anvender også to forskjellige eksiteringer. Den første eksitering energiserer TMD mens elektrodene E er kortsluttet sammen. Dette frembringer i mottakeren en spenning som er hovedsakelig fri for påvirkning fra borehullet. Den andre eksitering energiserer TMD mens elektrodene E danner en åpen krets, slik at ingen strøm kan flyte mellom disse. Dette fører til et signal i mottakeren med full borehullsvirkning. I dette tilfelle har man A\^ « AV2.

Som tidligere, mens i tillegg

og instrumentmålingen gir da — — .

'corr

Denne utførelse krever ingen aktiv krets for å energisere elektrodene E, men den omfatter forbindelsesledd mellom elektrodene som kan veksles mellom åpen og kortsluttet kretstilstand. Dette kan iverksettes ved hjelp av en vanlig om-kopler (f.eks. en MOSFET-bryter) koplet inn i den leder som forbinder elektrodene E (ikke vist). En alternativ utførelse for å frembringe etter valg åpen eller kortsluttet tilstand mellom elektrodene anvender en ferritt- eller mu-metallkjerne (f.eks. en toroid) anordnet på lederen mellom elektrodene (ikke vist). En ledende vikling kan påføres rundt ferritt- eller mu-metallkjernen (ikke vist), slik at når denne vikling åpnes så vil kjernen gjøre tjeneste som en "ferrittvulst", som da innrører en impedans mellom elektrodene E for derved å danne en åpen krets. Med en lukket vikling, vil kjernen gjøre tjeneste som en lavimpedans sekundær vikling for en trans-formator, hvilket i høy grad vil redusere dens impedans og frembringe kortslutning. I hovedsak danner kjernen således en strupespole for å åpne og kortslutte koplingen mellom elektrodene E. Kjernen og viklingene kan opprettes ved bruk av vanlig elektronikk, som vil være kjent innenfor fagområdet.

Fig. 12 viser en annen utførelse av oppfinnelsen. I denne utførelse, er i tillegg en måleelektrode M og en strømelektrode E anordnet på isolerende partier av instrumentet. Som vist i fig. 12, er plasseringen av elektrodene E ikke begrenset til noe spesifikt område av instrumentet. Elektrodene E kan plasseres nær senderen, på oversiden av senderen, omkring senderen eller på undersiden av senderen.

Måleelektrodene M kan også plasseres i forskjellige posisjoner langs instrumentet, f.eks. på midten av mottakerrekken eller nær inntil den rekke som er vist i fig. 12.

En utførelse med elektrodene E plassert på undersiden av senderen og måleelektrodene på oversiden av mottakerne gjør det mulig for hele rekken å befinne seg i et trykkompensert område med en isolasjonshylse (ikke vist). Det vil forstås at ar-rangementet av senderne og mottakerne er vilkårlig. Senderen kan f.eks. befinne seg på oversiden av mottakerne eller flere sendere kan være plassert mellom eller omkring mottakerne, etter ønske.

Aktive elektroder E kan gjøres kortere enn de passive elektroder E for derved å frembringe den ønskede signalkansellering. En annen utførelse anvender korte passive elektroder E som omgir senderen i kombinasjon med et sett av aktive elektroder E nær inntil senderen (ikke vist). På denne måte behøves bare de aktive kretser for å utslette eventuelle reststrømmer langs borehullet, for derved å frembringe stabilisert strømkansellering i en antennegruppe med korte mellomrom.

Det vil erkjennes av fagkyndige på området at borehullsstrømmen avtar i forskjellig grad avhengig av alternative plasseringer av elektrodene E i forhold til senderen. Måling av en spenningsforskjell mellom to målelektroder og innstilling av denne forskjellig fra null i et visst punkt garanterer således ikke at gradienten vil være lik null alle andre steder langs mottakerrekken. Dette forholder seg slik på grunn av at den eksentrisk anordnede magnetiske senderdipol kan tenkes som om den induserer et vertikalt elektrisk dipolmoment. Forsøk på å motvirke strømmene fra denne elektriske dipol med en annen elektrisk dipol i forskjellig stilling fører til en kilde som fremdeles inneholder momenter av høyere orden, således at utslet-ting ikke kan sikres overalt. Det vil også erkjennes at det aktive utstyr i de forskjellige utførelser av oppfinnelsen kan iverksettes enten i maskinvare ved bruk av elektronisk tilbakekoplingskretser, slik det er kjent innenfor fagområdet, eller ved hjelp av programvareberegninger som gjør bruk av superposisjons-prinsippet.

Som det vil være kjent innenfor fagområdet, vil de signaler som måles ved induksjonsfrekvensen være påvirket av direkte kopling mellom sender og mottaker. Derfor kan loggeinstrumentene i henhold til oppfinnelsen også omfatte såkalte "kompensasjons"-antenner for å eliminere eller redusere disse koplingsvirkninger. Det vil også forstås av fagkyndige på området at resiprositetsprinsippet medfører at elektrode- og/eller ledende segment-konfigurasjoner i henhold til oppfinnelsen vil kunne fungere enten de er anordnet omkring senderne eller mottakerne på instrumentet. Avstanden mellom elektrodene og/eller antennene i borehullets retning kan også varieres for effektiv iverksetting av oppfinnelsen. I tillegg kan loggeinstrumentene i henhold til oppfinnelsen utgjøres av "forplantnings"-instrumenter hvori slike størrelser som faseforskyvning eller svekking vil kunne måles mellom mottakerne i mottakerpar.

Claims (13)

1. Apparat for bruk i et borehull som gjennomtrenger en underjordisk formasjon, idet apparatet omfatter: en langstrakt bærer med en lengdeakse, minst én antenne (Tx, Rx) anordnet på bæreren på en slik måte at dens akse er skråstilt eller forløper perpendikulært i forhold til bæreraksen, hvor da hver slik antenne er innrettet for å sende ut eller motta elektromagnetisk energi, og et par elektroder (E) anordnet på bæreren, hvor disse elektroder er forbun-det med hverandre for samlet elektromagnetisk samvirke, og midler for å måle et spenningssignal fra elektrodeparet, karakterisert ved at elektrodene i det angitte elektrodepar er innrettet for selektivt å danne en kortsluttet eller åpen krets mellom elektrodene.

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at elektrodene i det angitte elektrodepar er koplet sammen over en leder (14).

3. Apparat som angitt i krav 2, karakterisert ved at den angitte leder omfatter omkoplingsmidler for å danne en åpen eller kortsluttet krets mellom elektrodene.

4. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at minst én antenne er plassert mellom elektrodene.

5. Apparat som angitt i krav 2, karakterisert ved at lederen omfatter en ledende kjerne anordnet på lederen og innrettet for etter valg å øke impedansen av koplingen mellom elektrodene.

6. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at en elektrode i elektrodeparet er innrettet for å avgi en strøm mellom elektrodene.

7. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at et andre par elektroder (M) er anordnet på bæreren, hvor disse elektroder er innrettet for å detektere en strøm inne i borehullet.

8. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved et andre par av elektroder (E) anordnet på bæreren, hvor disse elektroder er innrettet for å sende en strøm mellom elektrodene.

9. Fremgangsmåte for å utføre en underjordisk måling, idet fremgangsmåten omfatter: a) utsendelse av elektromagnetisk energi fra en antenne (Tx) anordnet inne i et underjordisk borehull med sin akse skråstilt eller tverrstilt i forhold til borehullets akse, b) detektering av en strøm som flyter langs borehullet, hvor denne strøm har sammenheng med energiutsendelsen i trinn (a), med et første par elektroder (E) anordnet inne i borehullet, og c) bestemmelse av et spenningssignal fra det første par av elektroder (E) som har sammenheng med den utsendte energi i trinn (a), karakterisert vedd) selektiv aktivering av en bryter mellom det første par av elektroder (E) for å danne en kortsluttet eller åpen krets mellom elektrodene.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert ved at antennen er posisjonsinnstilt mellom elektrodene i det første elektrodepar langs borehullet.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert ved at en strøm sendes mellom et andre par av elektroder (E) som er anordnet inne i borehullet som respons på det strømflyt som detekteres på det første elektrodepar for det formål å redusere dette strømflyt.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert ved at det anordnes et tredje elektrodepar (E) inne i borehullet, hvor elektrodene i dette elektrodepar er kortsluttet sammen ved hjelp av en leder (14).

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 12, karakterisert ved at antennen er posisjonsinnstilt mellom elektrodene i det tredje elektrodepar og den angitte leder føres gjennom denne antenne. i