NO331402B1

NO331402B1 - Bronnloggeverktoy med skrastilte antenneelementer

Info

Publication number: NO331402B1
Application number: NO20013707A
Authority: NO
Inventors: Michael S Bittar
Original assignee: Halliburton Energy Serv Inc
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2011-12-19
Also published as: WO2000045195A8; EP1155343A1; US20110199088A1; WO2000045195A1; NO334192B1; CA2359371C; EP2110687A2; US20080258733A1; EP2108981B1; EP1155343B2; EP2110687B2; CA2359371A1; US8085049B2; EP1155343B1; US20100123462A1; ATE520998T1; US7557580B2; US6163155A; EP2110687A3; US20080278169A1

Abstract

Boreloggeverktøy (10) og tilhørende fremgangsmåte for samtidig bestemmelse av anisotropiske grunnformasjoners spesifikke motstand i horisontal og vertikal retning samt den relative inklinasjons- ellerdipvinkel. Bestemmelsen utføres ved hjelp av antenne-elementer (TI - Tn, Ri, R2) på henholdsvis en sender- og en mottakerside, og særlig ligger et eller flere sendeantenne-elementer i plan som danner en vinkel med de plan to mottakerantenne- elementer (R], R2) ligger i. På denne måte oppnås at ikke den spesifikke motstand i vertikalretningen er koplet til inklinasjonsvinkelen. Mottakerantenne- elementene (Ri, R2) kan fortrinnsvis begge være skråstilte, mens det ene eller hvert senderantenne- element (Ti - Tn) ligger i et normalplan på loggeverktøyets (10) langsgående midtakse. Verktøyet er særlig egnet for måling eller logging mens boring foregår i et borehull. Alternativt kan loggeverktøyet (10) senkes ned ovenfra når det ikke bores.

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

1. Oppfinnelsens tekniske område

Denne oppfinnelse gjelder generelt et verktøy og en fremgangsmåte for å bestemme parametere for et borehull i en elektrisk anisotropisk grunnformasjon, og spesielt parameterne den spesifikke elektriske motstand (resistiviteten) i horisontal og vertikal retning og den relative fall- eller helningsvinkel (dipvinkelen 6). Nærmere bestemt gjelder oppfinnelsen en induksjonsteknikk for påtrykk av elektromagnetiske bølger og deretter måling av resistiviteten ved hjelp av et logge-verktøy hvis antenneelementer eller enkelte av dem er skråstilte, det vil si skråstilte i forhold til et plan normalt på loggeverktøyets sentrale lengdeakse.

2. Gjennomgåelse av den kjente teknikk

Innenfor petroleumbrønnboring og logging brukes ofte motstandssensorer for å gi en indikasjon på den spesifikke elektriske motstand i grunnformasjoner som omslutter et borehull nede i grunnen, ved hjelp av elektromagnetisk påtrykk (induksjonslogging). Den informasjon som gjelder motstanden i formasjonen brukes deretter til å finne ut om denne inneholder hydrokarboner eller ikke. En typisk induksjonslogg omfatter en sender og en mottaker, begge utrustet med antenner og holdt i en viss avstand fra hverandre langs loggeverktøyets lengdeakse. Et eller flere antenneelementer i senderantennen brukes til å påtrykke elektromagnetiske bølger i formasjonen rundt verktøyet, og påtrykket av et magnetisk vekselfelt i denne vil indusere en elektrisk tilsvarende vekselspenning i mottakerantennen, idet denne gjerne har flere antenneelementer. Som følge av geometrisk spredning og absorbsjon i formasjonen rundt borehullet og loggeverk-tøyet nedsenket i dette får de induserte vekselspenninger i to antenneelementer forskjellig fase og amplitude. Eksperimenter har vist at faseforskjellen (3>) og amplitudeforholdet (dempningen, A) av de induserte vekselspenninger i mottakerens antenneelementer nettopp vil gi en indikasjon på formasjonens spesifikke motstand eller resistivitet (R). Det punkt eller område i formasjonen (bestemt av den radiale avstand fra verktøymidtaksen) som motstandsmålingen skal gjelde for vil være en funksjon av senderfrekvensen og avstanden fra senderen til midt-punktet mellom de i dette tilfelle to antenneelementer. Følgelig kan man få en rekke radiale avstander eller måledybder for den spesifikke elektriske motstand, enten ved å ha flere antenneelementer med forskjellige avstand fra mottakerelementene eller ved å ha et enkelt antenneelement, men påtrykke sendersignalene ved forskjellige frekvenser.

Er en formasjon elektrisk isotrop vil motstandene som måles ved forskjellige måledybder ved hjelp av et slikt induksjonsverktøy være de samme, men dersom de er forskjellige indikerer forskjellene at formasjonen som måles er elektrisk anisotrop. I slike anisotrope formasjoner skyldes generelt denne egenskap meget fine lag som ble dannet ved den sedimentære utvikling av formasjonen. I et formasjonskoordinatsystem som legges slik at xy-planet går parallelt med formasjonslagene, mens z-aksen står normalt på disse vil den spesifikke elektriske motstand Rx og Ry i henholdsvis x- og y-retningen være den samme, mens motstanden Rzi z-retningen vil være forskjellig fra dem. Følgelig blir motstanden i en retning parallelt med formasjonsplanet (det vil si xy-planet) være kjent som den horisontale spesifikke motstand eller resistivitet Rh, mens motstanden i retningen normalt på formasjonsplanet (del vil si z-retningen) kalles den vertikale resistivitet Rv. Den faktor som bestemmer anisotropien kalles anisotropifaktoren a og kan uttrykkes som a = [Rv/Rh]<1/2>-

Den allerede omtalte relative inklinasjonsvinkel (dipvinkelen) 6 er vinkelen mellom borehullets og boreloggeverktøyets langsgående midtakse og normalen på formasjonsplanet. Er aksen for et induksjonsverktøy som bruker elektromagnetiske bølger normal på planet for en anisotrop formasjon (det vil si 6 = 0°) vil både fasedreiningen og amplitudedempningen ved målingen bare reflektere den spesifikke motstand i horisontalplanet. Skråstilles imidlertid verktøyaksen i forhold til normalen på formasjonsplanet (det vil si for inklinasjonsvinkler som ikke er lik 0) vil formasjonens anisotropi påvirke motstandsresultatet som utledes fra fase-dreiningsmålingene (fasedreiningsresistiviteten Re) på annen måte enn denne anisotropi påvirker motstanden som utledes fra amplitudedempningsmålingene (amplitudedempningsresistiviteten Ra). For mindre inklinasjonsvinkler (så som 6 mindre enn omkring 45°) vil imidlertid forskjellen mellom de motstandsverdier som fremkommer ved fasedreinings- og amplitudedempningsmålingene være relativt liten, men denne forskjell blir etter hvert betydelig for relative inklinasjonsvinkler over omkring 50°, og forskjellen er stor for horisontale borehull (det vil si 6 = 90°).

I tiden før denne oppfinnelse har ekspertene innenfor borehullmåling brukt forskjellige teknikker for å bestemme grunnformasjoners anisotropi, og de fleste av disse teknikker har vært basert på bruken av spoleantennerfor å måle resistivitet. Målingene har imidlertid lidd av forskjellige ulemper. Som et eksempel skal vises til US patent 4 980 643 fra 1990 hvor det beskrives bruk av flere mottakerspoler som er gitt forskjellig orientering (ikke koaksiale) i forhold til konvensjonelle mottakerspoler, i den hensikt å kunne registrere forskyvningssignaler som blir indusert ved forskyvninger i det magnetiske feltmønster som dannes i asymmetriske grunnformasjoner. Hovedaksen for slike ytterligere mottakerspoler foreslås lagt ortogonalt i forhold til de konvensjonelle spolene, idet disse er koaksiale med verktøyaksen. Slike ortogonale spoler i en mottakerantennekonfigurasjon er imidlertid ikke praktiske under måling mens boring utføres (MWD) eller samtidig logging (LWD), siden tilstedeværelsen av en spole i det indre av verktøyet krever en ikke-konvensjonell slamstrømningsbane og reduserer dessuten styrken av verktøyet. Hvis en tilleggs-spole på den annen side anordnes utvendig i forhold til verktøyet vil den være ut-satt for skade fra borekaks og partikler generelt i returslamstrømmen.

Tilsvarende vises US patent 5 329 448 fra 1994 hvordan horisontal og vertikal resistivitet i en grunnformasjon søkes bestemt ved å bruke en teknikk for å re-dusere en målefeil gradvis. Man bruker et konvensjonelt antennesystem hvor sender- og mottakerspoler ligger på rekke og koaksialt i loggeverktøyet, og man har derved ingen mulighet til å bestemme inklinasjonsvinkelen. I stedet må denne utledes fra andre målekilder eller fra tidligere kjennskap til formasjonen. Fra US patent 5 656 930 fra 1997 kjennes videre måter å bestemme grunnformasjoners anisotropi på ved å bruke induksjonsloggeverktøy, men for formasjoner med fine lag av sand og leireskifer kreves også at man finner inklinasjons- eller dipvinkelen fra andre målinger.

EP 0814349 beskriver et apparat og en fremgangsmåte for å bestemme egenskaper i anisotrope jordformasjoner. Horisontal resistivitet, vertikal resistivitet, og fallvinkelen til formasjoner som omgir et borehull bestemmes ved bruk av et flertall EM-sendere og mottakere. WO 95/31736 beskriver et elektromagnetisk propageringsverktøy som benytter magnetiske dipolantenner.

I artikkelen "A New Method to Determine Horizontal Resistivity in Anisotropic Formations Without Prior Knowledge of Relative Dip" fra SPWLA, det 37. årlige loggesymposium, New Orleans, 16.-19. juni 1996, forfatter Hagiwara, beskrives videre en fremgangsmåte for å bestemme den horisontale resistivitet i avviksborehull eller fallformasjoner, ved hjelp av to konvensjonelle måleserier basert på induksjonslogging. Den relative inklinasjonsvinkel finnes imidlertid ikke, og for å komme frem til den må formasjonens anisotropi være kjent. Det vises i artikkelen videre til at man for konvensjonelle induksjonslogger (hvor sender- og mottakerantennene er anordnet koaksialt i forhold til verktøyet) ikke kan komme frem til samtlige tre parametere (horisontal og vertikal resistivitet samt den relative inklinasjonsvinkel) samtidig, og grunnen til dette når man bruker konvensjonelle induksjonslogger er at de to siste av disse tre parametere er innbyrdes avhengige.

I patentskriftet EP 97118854.5 fra 1998 beskrives en fremgangsmåte og et apparat for å bestemme disse tre parametere under boring, og den beskrevne teknikk involveres etableringen av forhold mellom formasjonens dielektrisitets-konstanter og antisotropiske ledningsevner dersom inklinasjonsvinkelen er ukjent. Dielektrisitetskonstantene er imidlertid antatte størrelser, og deres bidrag til fasedreiningsresistiviteten er minimal. Selv om de hadde vært helt kjente vil derfor den vertikale resistivitet og den relative inklinasjonsvinkel fremdeles være koplet innbyrdes og hindre en simultanløsning.

På denne bakgrunn vil man anta at man kan bringe teknikken fremover et godt stykke ved å komme frem til en pålitelig måte til simultanbestemmelse av disse tre størrelser mens boring foregår, og dette er oppfinnelsens oppgave.

Kort gjennomgåelse av oppfinnelsen

I et første aspekt tilveiebringer oppfinnelsen et formasjonsresistivitets-loggeverktøy konfigurert til å evaluere resistiviteten i en jordformasjon under en boreoperasjon, omfattende: et verktøylegeme som har en langsgående verktøy-akse, i det verktøylegemet er konfigurert for innkopling i en borestreng; senderkrets støttet av verktøylegemet; en første senderantenne som omgir verktøy-legemet og er orientert i en første vinkel i forhold til verktøyaksen, i det den første senderantennen er driftsklart koplet til senderkretsen og konfigurert til å sende en elektromagnetisk bølge inn i en jordformasjon; en første mottakerantenne som omgir den ytre overflaten av verktøylegemet og er orientert i en andre vinkel i forhold til verktøyaksen, i det den første mottakerantennen er konfigurert til å motta en elektromagnetisk bølge fra jordformasjonen som er et resultat av den elektromagnetiske bølgen fra den første senderantennen og for å tilveiebringe et første antenneutgangssignal som svar på dette, og hvor den første vinkelen er forskjellig fra den andre vinkelen; og prosesseringskrets driftsklart koplet til den første mottakerantennen for å motta det første antenneutgangssignalet, idet prosesseringskretsen er konfigurert til å bestemme minst én formasjonsegenskap i det minste delvis som svar på det første antenneutgangssignalet.

Foretrukkede utførelsesformer av formasjonsresistivitets-loggeverktøyet er angitt i de uselvstendige krav 2-11.

I et andre aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for evaluering av resistiviteten til en jordformasjon under en boreoperasjon gjennom bruk av en borestreng: omfattende handlingene;

å tilveiebringe et resistivitetsloggeverktøy for innlemming i borestrengen, idet resistivitetsloggeverktøyet omfatter, et verktøylegeme som har en lengdeakse, første og andre senderantenner som strekker seg rundt verktøylegemet, første og andre mottakerantenner som strekker seg rundt verktøylegemet, og prosesseringskrets som inkluderer en mikroprosessor, og hvor hver av de nevnte første og andre mottakerantenner har et respektivt magnetisk moment som er skråstilt i forhold til lengdeaksen til verktøylegemet ved en vinkel som er forskjellig fra et magnetisk moment til i det minste ett av nevnte senderantenner;

under boreoperasjonen, å sende en første elektromagnetisk bølge inn i jordformasjonen gjennom bruk av minst den første senderantennen, og å motta elektromagnetisk energi fra jordformasjonen som er et resultat av at nevnte elektromagnetiske bølge har blitt sendt inn i jordformasjonen gjennom bruk av den minst første mottakerantennen;

også under boreoperasjonen, å sende en andre elektromagnetisk bølge inn i formasjonen gjennom bruk av den andre senderantennen, og å motta elektromagnetisk energi fra jordformasjonen som er et resultat av at den andre elektromagnetiske bølge har blitt sendt inn i jordformasjonen gjennom bruk av minst den andre mottakerantennen;

å bruke nevnte prosesseringskrets for å evaluere en parameter av jordformasjonen som svar på den mottatte elektromagnetiske energi i de første og andre mottakerantenner.

Foretrukkede utførelsesformer av fremgangsmåten er angitt i de uselvstendige krav 13-21.

Således er det beskrevet en fremgangsmåte og et apparat som på antatt bedre måte samtidig kan bestemme dens spesifikke elektriske motstand informasjon i horisontalplanet og i vertikalplanet, sammen med den relative inklinasjons-eller dipvinkel for anisotropiske grunnformasjoner. Dette mål nås ved å bruke en antennekonfigurasjon hvor en senders og en mottakers antenneelementer er anordnet i antiparallelle plan slik at motstanden i vertikal retning og inklinasjonsvinkelen ikke lenger er innbyrdes koplet. Fortrinnsvis monteres derved enten senderens eller mottakerens antenneelementer konvensjonelt i et første plan som er normalt på boreloggeverktøyets langsgående midtakse, mens mottakerens eller senderens antenne elementer skråstilles slik at deres hovedplan sammenfaller med et andre plan som ikke er parallelt med det første normalplan. Selv om oppfinnelsen primært er ment å dekke måling eller logging under boring (MWD eller LWD) gjelder den også såkalte "wireline applications", nemlig målinger som ut-føres når det ikke bores, ved at loggeverktøyet senkes ned med line i borehullet.

Kort gjennomgåelse av tegningene

Oppfinnelsen vil bli forklart i nærmere detalj nedenfor, og samtidig vises til tegningene, hvor

fig. 1 skjematisk viser et boreloggeverktøy av induksjonstypen hvor elektromagnetiske bølger sendes ut i en formasjon og fanges opp igjen, her med parallelle eller koaksiale antenneelementer både på sender- og mottakersiden,

fig. 2 viser skjematisk oppfinnelsens prinsipp ved at i dette tilfelle mottakerens antenneelementer i form av spoler er skråstilt i forhold til de tilsvarende antenneelementer på sendesiden, og hvor en typisk kretsløsning for senderen og mottakeren er vist,

fig. 3 og 4 viser pulsdiagrammer for sendersignalaktiveringen for et slikt loggeverktøy,

fig. 5 viser skjematisk en sender- og en mottakerantenne i en konvensjonell løsning med parallelle antenner, begge normalt på loggeverktøyets hovedakse,

fig. 6 viser samme, men i samsvar med oppfinnelsen og hvor mottakerantennen i form av et enkelt antenneelement er skråstilt,

fig. 7 viser skjematisk forskjellige løsninger med et eller flere skråstilte antenneelementer, enten på sender- eller på mottakersiden,

fig. 8 viser et flytskjema for hvordan man med et slikt loggeverktøy kan ut-lede de tre aktuelle parametere, her i form av den relative inklinasjonsvinkel og den inverse av resistiviteten, nemlig den spesifikke ledningsevne eller konduktivitet i en henholdsvis horisontal og vertikal retning,

fig. 9 viser skjematisk et kartesisk koordinatsystem i forhold til en sedimen-tær grunnformasjon,

fig. 10 viser et diagram over sammenhengen mellom amplitudedempningen og resistiviteten for en typisk grunnformasjon,

fig. 11 viser en tilsvarende sammenheng mellom fasedreiningen og resistiviteten,

fig. 12 viser et diagram over den tilsynelatende resistivitet som funksjon av den relative inklinasjons- eller dipvinkel for en typisk grunnformasjon og hvor målingen utføres ved hjelp av et enkelt sender/mottaker-par,

fig. 13 viser den tilsvarende sammenheng hvor man bruker tre sender/mottaker-par, ved en enkelt målefrekvens, og

fig. 14 viser den tilsvarende sammenheng med et enkelt sender/mottaker-par ved tre forskjellige målefrekvenser.

Detalj beskrivelse av en foretrukket utførelse

Fig. 1 viser et boreloggeverktøy 10 i samsvar med oppfinnelsen og senket ned i et borehull 12 som går gjennom en grunnformasjon 13, idet verktøyet er montert nederst på en borerørstreng 14 med et eller flere vektrør 11. En elektromagnetisk giver eller sender med en antenne med flere antenneelementer 16, 18, 20 (også kalt sendere Ti, T2 og T3) som er anordnet i innbyrdes avstand langs verktøyet 10 og i en avstand fra tilsvarende antenneelementer 22, 24 som hører til en mottaker (og som iblant også kalles mottakere Ri og R2), utgjør de aktive elementer i loggeverktøyet 10, idet dette er av induksjonstypen. Elementene 16-24 på henholdsvis sender- og mottakersiden er utført som spoler som omslutter verktøyet 10 (slik det er illustrert på fig. 2) og er lagt inn i omløpende ringspor i dette og er tildekket med en masse av elektrisk ikke-ledende materiale (ikke vist), på samme måte som i den konvensjonelle teknikk. Dersom en sender skal arbeide ved mer enn én senderfrekvens, f.eks. ved to frekvenser (fi = 1 MHz og f2= 2 MHz) kan det være flere mottakere, og hver av dem kan omfatte et par mot-takerantenneelementer i form av spoler, med en første spole avstemt til frekvensene fi og en andre spole avstemt til frekvensene f2.1 tillegg kan man ha hvert slikt elementpar montert ved siden av hverandre rundt omkretsen av verktøyet 10 eller konsentrisk fordelt. Antenneelementene kan være fremstilt slik det er beskrevet i vårt US patent 4 940 943, og hoveddelen av verktøyet 10 er gjerne stål for å hindre at dette verktøy blir et svakt ledd i borerørstrengen 14. Typisk og på vel-kjent måte er det montert ett eller flere vektrør 11 i den nedre ende av verktøyet 10 også, ved at disse rør er skrudd på plass, og for å kunne utføre boring med verk-tøyet 10 innsatt i borerørstrengen monteres nederst et boreverktøy (ikke vist) ved påskruing nederst på det nederste av vektrørene 11.

Særlig foretrekker man at loggeverktøyet 10 også innbefatter den nødven-dige elektronikk (vist på fig. 2) som brukes for signalbehandling av de signaler som fanges opp av mottakeren og dennes antenneelementer 22, 24, slik at man kan ut-lede et loggeresultat eller en annen indikasjon på formasjonens spesifikke elektriske motstand eller ledningsevne. Det foretrekkes også at signalene etter signal-behandlingen kan registreres inn i elektronikken i verktøyet eller kan overføres ved hjelp av et konvensjonelt telemetrisystem (her ikke vist) til overflaten for samtidig prosessering og utskrift/presentasjon der. Et typisk telemetrisystem vil frembringe slampulser som kan registreres på bakken og kan indikere de behandlede signaler.

Det vises nå til fig. 2 hvor et typisk boreloggeverktøy 10 ifølge oppfinnelsen illustreres i nærmere detalj. Øverst er en rekke sendere Ti - Tnsom utgjør en senders separate antenneelementer, lagt inn i omløpende spor. Selv om en foretrukket utførelse av loggeverktøyet bare vil bruke tre sendere eller elementer vil naturligvis oppfinnelsen også gjelde færre eller flere. Elementene er her vist med samme innbyrdes avstand, og de har en annen avstand til tilsvarende mottaker-antenneelementer (eller mottakere Ri og R2, her vist som 2 i et par) og tilhørende en mottaker som også innbefatter elektronikken vist til høyre på tegningen. Avstanden mellom mottakerelementene Ri og R2som tjener som elektromagnetiske opptakere av de signaler som sendes ut fra senderelementene som altså tjener som givere, kan fortrinnsvis være 6" (150 mm) langs verktøyets 10 lengdeakse. Avstanden mellom mottaker- og senderelementene kan variere etter behovet og dette vil forklares nærmere nedenfor. En foretrukket konfigurasjon har en fri-avstand mellom den nederste senderantenneelement Ti og antenneelementparet Ri, R2på 12718" (300/460 mm), en avstand mellom T2og Ri, R2på 600/750 mm og en avstand mellom T3 og Ri, R2på 910/1070 mm. De to avstander som er nevnt sammen betyr her avstanden ned til det øverste mottakerelement Ri henholdsvis det nederste, R2, og i eksemplene enn altså avstanden mellom disse to elementer 150 mm. Innen faget, hvor USA-terminologi går igjen benevnes ofte en slik logg med tommeavstandene, slik at loggen i eksempelet kan kalles en 12/18-logg.

På sendersiden er hvert antenneelement T koplet til sin respektive utgangs-forsterker A og blir på sin side drevet av sin respektive og oscillator F. Disses arbeidsfrekvens kan gjerne ligge mellom 0,5 og 4 MHz. Siden signaldempningen blir større jo lenger ned i borehullet målingene skal foregå, lar man gjerne oscillatorene ha forskjellig frekvens og stadig høyere nedover langs loggeverktøyet: Fi > F2> F3...FN, idet F i dette tilfellet indikerer hvilken arbeidsfrekvens oscillatorene Fi, F2, F3...FNhar. Oscillatorene styres av en tilkoplingskrets 30 som arbeider sammen med en mikroprosessor 32 og en kommunikasjonskrets 34, så vel som et grensesnitt mot mottakerkretsene, nemlig en analog/digital-omvandler 36. Kretsen 34 er konvensjonell og danner grensesnitt mellom datamaskiner (ikke vist), et internt lager (heller ikke vist), en slampulsgiver (heller ikke vist), den allerede nevnte mikroprosessor 32, og operatører eller maskinenheter på bakken (jordover-flaten, heller ikke vist), etter at verktøyet 10 er trukket opp fra borehullet og opp dit.

Antenneelementene Ri og R2på mottakersiden og som er koplet for differ-ensialopptak av signaler går til hver sin inngangsforsterker 40, 42 som forsterker de mottatte signaler og viderefører dem til sin respektive blander 44 og 46. Oscillatorer Fi', F2', F3'...FN' er også anordnet på mottakersiden og er koplet til en oscilla-torvelger 48 hvis utgang er ført til en felles inngang på blanderne 44 og 46. Oscil- latorvelgeren 48 styres av mikroprosessoren 32 som gjelder både for senderen og mottakeren.

Fra blanderne 44 og 46 føres transponerte signaler via et filter 50, 52 i hver gren til en amplitudemålekrets 54 henholdsvis 56. Utgangen fra disse kretser går til en felles multiplekskrets 60, mens inngangen på målekretsene også er koplet til en felles fasemålekrets 62 som måler den relative fase mellom utgangssignalene fra filtrene. Utgangen fra fasemålekretsen går også til multiplekskretsen. Under driften av dette boreloggeverktøy 10 med sender og mottaker, slik den er vist på fig. 2 fremgår at man bruker mellomfrekvenssignaler i måledelen, heller enn de nominelle signaler som sendes ut fra senderen og tas imot av mottakeren via elementene Ri og R2anordnet i et par. Følgelig arbeider oscillatorene F' nær i frekvens til oscillatorene F på sendersiden. Som et eksempel kan FN arbeider ved oscillatorfrekvensen 1,998 MHz, mens FN' arbeider ved 2,0 MHz, slik at man får forskjellen som en mellomfrekvens fra blanderne 44 og 46 ved frekvensen 2 kHz. Tilsvarende kan F2', F3' settes til 1,998 henholdsvis 0,998 MHz. De eneste signaler som derved passerer filtrene 50 og 52 vil derfor være signaler ved mellomfrekven-sen, ved blanding av frekvensene F med frekvensene F' fra hvert sett oscillatorer, idet filtrene er lavpassfiltere. Det innses at målekretsen 54 måler amplituden av signalene som mottas via det første antenneelement Ri, mens kretsen 56 måler amplituden av signalene som mottas av det andre element R2i paret. Tilsvarende gir fasemålekretsen 62 en indikasjon på faseforskjellen mellom signalene som mottas i disse to mottakerkanaler. Som kjent vil både amplitudemålingene (dempningen A) og målingene av faseforskjellen 3> begge indikerer formasjonens resistivitet. Slike målinger kan brukes til å sette opp diagrammer så som de som er vist på figurene 12-14 for en typisk grunnformasjon med horisontal spesifikk motstand på 1ohm m og vertikal tilsvarende motstand på 4 ohm-m. Fig. 12 viser amplitudedempningsresistiviteten og fasedreiningsresistiviteten som en funksjon av den relative inklinasjonsvinkel når man bruker et enkelt antenneelementpar på sender-og mottakersiden og lar loggeverktøyet arbeide ved en enkelt frekvens. Fig. 13 viser fasedreiningsresistiviteten som funksjon av inklinasjonsvinkelen ved tre sender/mottaker par og ved en og samme frekvens, mens fig. 14 viser samme verdi som funksjon av samme vinkel når man bruker et enkelt sender/mottaker par og lar dette parsett arbeide ved tre forskjellige frekvenser.

Frekvensene Fi - Fn kan være en og samme frekvens, med unntak av de praktiske konsekvenser dette har ved effekttap i formasjonen ved den økede avstand signalene må gjennomløpe i formasjonen. Den konvensjonelle multiplekskrets 60 som er vist på fig. 2 tillater imidlertid tidsseparasjon mellom fortløpende pulser av sendersignalene fra de enkelte sendere Ti - TN. Som vist på fig. 3 kan for eksempel en sender Ti sendes en puls som varer et sekund, etterfulgt av en pause som også varer et sekund, deretter følger sender 2 som sender et sekund og etterfølges av en pause på et sekund, deretter sender sender 3 en puls på et sekund etc. Det er klart at varigheten av pulsene for hver av senderne kan varieres, så vel som oppholdet mellom dem, for eksempel slik det er illustrert på fig. 4. Det vil verdsettes at man går med på at uttrykket "tidsseparasjon" mellom pulsene innbefatter den foretrukne utførelse hvor man har en puls som starter umiddelbart etter avslutningen av den foregående sendte puls. Som ønsket kan varigheten av pulsene som styrer senderen Ti variere ut fra varigheten av pulsene av senderen T2, og dette kan igjen styres av varigheten av pulsene for senderen T3etc, slik at man får en slags signatur for de mottatte pulser i mottakerne Ri og R2for bedre å kunne identifisere senderne og således den dybde man i øyeblikket undersøker når de bestemte pulser mottas. Følgelig utføres målingene ved forskjellige dybder i formasjonen ved å aktivere hver sender med et forskjellig tidspunkt slik at bare en sender er aktiv ved et bestemt tidspunkt og ved å registrere eller å telemetrioverføre den mottatte og målte faseforskjell og/amplitudene (amplitudeforholdet) som tilsvarer hvert sendt signal. Alternativt kan alle senderne Ti -TNarbeide ved forskjellig frekvens og kan pulsstyres samtidig, med signal-separasjonen som en funksjon av frekvensforskjellen i stedet for en tidsseparasjon i samsvar med en foretrukket utførelse av denne oppfinnelse. Imidlertid er det innlysende at samtidig sending fra samtlige sendere vanligvis vil kreve ytterligere filtrering og prosesskretser for å kunne skille riktig måte mellom de enkelte signaler ved de forskjellige frekvenser, i måleelektronikken.

Som gjennomgått ovenfor og grunnet den iboende natur for sedimentær-formasjoner vil fagfolk gjerne bruke uttrykket horisontal for å angi formasjonsplanet (det vil si xy-planet vist på fig. 9), og likeledes uttrykket vertikal for å angi retningen normalt på dette formasjonsplan (det vil si z-retningen på fig. 9, idet dette er den retning sedimentærlagene er bygget opp langs). For hensiktsmessighetens skyld for å skille mellom disse uttrykk og de ordinære retninger som gjelder i forhold til jordens tyngdefelt brukes i fig. 5 og 6 følgende uttrykk: "sann vertikal" for å indikere retningen av jordens gravitasjonsfelt, "sann horisontal" for retningen normalt på dette felt, "formasjonsnormal" for retningen normal på formasjonsplanet, og

"formasjonshorisontal" for selve formasjonsplanet. I denne beskrivelse menes med horisontal og vertikal disse to sistnevnte uttrykk i omvendt rekkefølge. På fig. 5 og 6 betyr 5 borehullavviksvinkelen (vinkelen mellom borehullets/boreloggeverktøyets 10 langsgående midtakse og den sanne vertikalretning), mens y angir det som på engelsk er kalt "bed dip angle" og her er kalt laginklinasjonsvinkelen (vinkelen mellom formasjonslagplanet og den sanne horisontal).

På fig. 5 vises en senderspole (et antenneelement) med et magnetisk moment MT, og dette element kan anses å være en sammensetning av en horisontal magnetisk dipol (HMD) og en vertikal magnetisk dipol (VMD) med sin respektive horisontale og vertikale magnetiske momentkomponent Mm og Mtv, idet disse uttrykk er gitt av likningene:

hvor

It = strømmen i senderspolen (senderantenneelementet),

At= tverrsnittet av denne spole, og

6 =den relative inklinasjonsvinkel (dipvinkelen mellom verktøyets sentrale

lengdeakse og normalen på formasjonen).

Som beskrevet i en artikkel av M.G. Luling, "Processing and Modeling 2-MHz Resistivity Tools in Dipping, Laminated, Anisotropic Formations" SPWLA ved 35. årlige loggesymposium, 19.-22. juni, 1994 vil den horisontale magnetiske dipol HMD frembringe magnetfeltene HhXog HhZ, mens den vertikale VMD vil frembringe magnetfeltene Hvxog Hvz, slik det er gitt av likningene:

kh = det komplekse bølgeantall i horisontalretningen kv = det komplekse bølgeantall i vertikalretningen co = vinkelfrekvensen (radianer/sekund) for senderspolen ( = 27if)

f = senderspolens drivfrekvens (Hz)

H = formasjonens magnetiske permeabilitet (det antas at ^ = mUft= 1) ah = formasjonens horisontale spesifikke ledningsevne av = formasjonens vertikale spesifikke ledningsevne8h = den dielektriske konstant i horisontal retning (antatt verdi)

8V = den dielektriske konstant i vertikal retning (antall verdi)

L = avstanden mellom sender- og mottakerspolen

Dersom en mottaker (det vil si et mottakerantenneelement) er stilt parallelt med en sender (et tilsvarende senderantenneelement), slik det er i den konvensjonelle konfigurasjon som er vist på fig. 5 og hvor den helningsvinkel %t = %r som er vist på fig. 5 og angir helningen av antenneelementet på sender- henholdsvis mottakersiden i forhold til lengdeaksen gjennom loggeverktøyet, er like og lik 90°, vil Hz-feltet i mottakersløyfen være gitt ved likningen: og den induserte spenning i denne sløyfe vil da bli hvor Ar som før er mottakerantenneelementets tverrsnittsareal. Setter man likningene 3-7 inn i likning 8 får man uttrykket:

Likning 9 viser at den induserte spenning V vil være avhengig av størrel-sene kh og størrelsen (3 (ikke definert, men kan finnes i artikkelen nevnt ovenfor), og videre vil kh være avhengig av ah, mens p vil være avhengig av ah, av og 6. Disse sammenhenger indikerer at størrelsene av og 6 er avhengige av hverandre, og denne avhengighet vil hindre konvergens av en simultanløsning for størrelsene ah, av og 6, slik det er gjennomgått ovenfor.

For å bryte denne avhengighet og for å komme frem til en løsning for disse tre størrelser har man i og med oppfinnelsen oppdaget at enten sender- eller mot-takerantenneelementet kan skråstilles i forhold til lengdeaksen gjennom logge-verktøyet, slik at helningsvinkelen t, avviker fra en rett vinkel. Dette er illustrert på fig. 6 hvor senderelementet ikke er skrådd, men mottakerelementet er skrådd slik at £r < 90°. Hz-beltet i mottakersløyfen gis da av likningen

Innsetting av likningene 3-6 og 10 i likning 8 gir da:

Likning 11 viser at den induserte spenning V vil være avhengig av kh, (3, 6 og 6', og så lenge 6 er forskjellig fra 6' kan den første av disse størrelser beregnes ut fra tre målinger ved hjelp av et induksjonslagverktøy som bruker flere forskjellige avstander og/eller flere frekvenser. Ved enten å skråstille mottakerens antenneelementer eller senderens i en slik induksjonslogg (det vil si ved å gjøre vinkelen 6 forskjellig fra 0') blir størrelsene av og 6 frikoplet fra hverandre, hvilket gjør det mulig å løse likningene for disse størrelser samt ah. Selv omformelverket gjelder normalstående senderantenneelementer og skråstilte mottakerelementer tilsier resiprositetregelen at det samme også vil gjelde for det motsatte. Naturligvis kan også skråstilling utføres både på sender- og mottakersiden, men endings-vinkelen bør ikke være den samme: £t * £r- For det generelle tilfelle hvor begge sider er skråstilt vil likningene 1-11 fremdeles gjelde, bare med erstatning av 6 med 6", idet 6" = 6 + £r - 90°. Fig. 7 viser forskjellige kombinasjoner som kan tenkes for sender- og mottakerside, idet sendersiden bare har ett antenneelement, mens mottakersiden har to anordnet i et par. Alle disse konfigurasjoner på fig. 7 hører hjemme i oppfinnelsen.

Fig. 8 viser prosessen for å oppnå resistivitet i horisontal og vertikal retning samt den relative inklinasjonsvinkel for en grunnformasjon, det hele i samsvar med oppfinnelsen. Selv om det som vises på fig. 8 viser horisontal og vertikal spesifikk ledningsevne (konduktivitet), nemlig den inverse størrelse av resistivitet, blir det det samme. Løsningen starter ved å legge inn de tre parametere som en løsning søkes for, nemlig ah, av og 6. De to første kan altså erstatte de målte spesifikke motstandsverdier, for eksempel oppnådd fra to av de tre sender/mottakerkombina-sjoner og i samsvar med velkjente metoder. Særlig vil senderen sende signalpul-ser for hver slik kombinasjon, og det er faseforskjellen 3> og amplitudedempningen A som måles for paret mottakerelementer. Ved å bruke de innlagte data i den form som er presentert på fig. 10 og 11 får man amplitudedempningsresistiviteten henholdsvis fasedreiningsresistiviteten, idet den siste gir foretrukne førsteestimater for størrelsene ah og av, selv om amplitudedempningsresistiviteten også kunne inn-gått. Tilsvarende får man et hensiktsmessig førsteestimat for 6 = 60°, godt innenfor området hvor anisotropi typisk er åpenbar. Fagfolk vil innse at slike foretrukne verdier for de innsatte parameterestimater gjør det hensiktsmessig å bedre kon-vergensen mot en løsning. Disse spesielle verdier er imidlertid ikke vesentlige for oppfinnelsens gjennomførelse, og de innledende parameterestimater kan naturligvis være vilkårlige.

Med fortsatt referanse til fig. 8 fremgår at parameterene etter innsettingen brukes til å beregne teoretiske "induserte" spenninger Vi og V2i mottakerantenne-elementene Ri henholdsvis R2, for hver sender (hvert senderantenneelement), i henhold til likning 11. Deretter brukes de beregnede spenninger til å komme frem til spesifikke motstandsverdier Rei, Rc2 og Rc3(en beregnet logg) tilsvarende hver kombinasjon av senderens og mottakerens antenneelementer. Igjen fremkommer disse beregnede verdier ut fra måter som er velkjente innenfor faget, og ved å bruke data slik det er illustrert på fig. 10 og 11. Fasedreiningsresistivitetsverdiene foretrekkes fremfor de tilsvarende amplitudeverdier. De beregnede resistiviteter sammenlignes deretter med de målte, og forskjellen brukes for å etablere en pas-sende feilstørrelse. Er denne størrelse mindre eller lik en tillatt feilmargin Eavil de aktuelle verdier for størrelsene ah, av og 6 gi den ønskede løsning, men ellers inkrementeres disse verdier i en iterativ optimaliseringsprosess inntil feilstørrelsen kommer ned under den oppsatte terskelverdi. Forskjellige egnede optimaliserings-rutiner kan brukes, f.eks. minstekvadratmetoden. En foretrukket slik optimaliser-ingsmetode er den som ble utviklet av Levenberg og Marquardt og som er gjen nomgått i artikkelen av Tianfei Zhu og Larry D. Brown: "Two-dimensional Velocity Inversion and Synthetic Seismogram Computation", geofysikks vo. 52 nr.1, januar 1987, side 37-50, og innholdet i denne artikkelen tas her med som referanse-materiale.

Selv om de enkelte detaljer i beskrivelsen gjelder en foretrukket utførelse av oppfinnelsens brønnloggeverktøy vil det lett innses at visse endringer kan inn-føres, uten at dette går ut over oppfinnelsens ramme, idet denne er gitt av patent-kravene nedenfor.

Claims

1. Formasjonsresistivitets-loggeverktøy konfigurert til å evaluere resistiviteten i en jordformasjon under en boreoperasjon, omfattende: et verktøylegeme som har en langsgående verktøyakse, i det verktøy-legemet er konfigurert for innkopling i en borestreng; senderkrets støttet av verktøylegemet; en første senderantenne som omgir verktøylegemet og er orientert i en første vinkel i forhold til verktøyaksen, i det den første senderantennen er driftsklart koplet til senderkretsen og konfigurert til å sende en elektromagnetisk bølge inn i en jordformasjon; en første mottakerantenne som omgir den ytre overflaten av verktøy-legemet og er orientert i en andre vinkel i forhold til verktøyaksen, i det den første mottakerantennen er konfigurert til å motta en elektromagnetisk bølge fra jordformasjonen som er et resultat av den elektromagnetiske bølgen fra den første senderantennen og for å tilveiebringe et første antenneutgangssignal som svar på dette, og hvor den første vinkelen er forskjellig fra den andre vinkelen; og prosesseringskrets driftsklart koplet til den første mottakerantennen for å motta det første antenneutgangssignalet, idet prosesseringskretsen er konfigurert til å bestemme minst én formasjonsegenskap i det minste delvis som svar på det første antenneutgangssignalet.

2. Formasjonsresistivitets-loggeverktøy ifølge krav 1, videre omfattende: en andre senderantenne som omgir verktøylegemet og er orientert i en første vinkel i forhold til verktøyaksen, idet den første senderantennen er driftsklart koplet til senderkretsen og konfigurert til å sende en elektromagnetisk bølge inn i en jordformasjon; en andre mottakerantenne som omgir den ytre overflaten av verktøy-legemet og er orientert i en tredje vinkel i forhold til verktøyaksen, i den andre mottakerantennen er konfigurert til å motta et elektromagnetisk signal fra jordformasjonen som er et resultat av den elektromagnetiske bølgen fra den andre senderantennen og å tilveiebringe et andre antenneutgangssignal som svar på dette, og hvor den andre mottakerantennen er i et ikke-parallelt forhold til den første mottakerantennen.

3. Formasjonsresistivitets-loggeverktøy i følge krav 2, hvor prosesseringskretsen videre er driftsklart koplet til den andre mottakerantennen for å motta det andre antenneutgangssignalet, og er videre konfigurert til å bestemme nevnte minst ene formasjonsegenskap delvis som svar på det andre antenneutgangssignalet.

4. Formasjonsresistivitets-loggeverktøy i følge krav 1, hvor prosesseringskretsen omfatter en mikroprosessor.

5. Verktøy i følge krav 1, hvor den minst ene formasjonsegenskap omfatter en relativ orientering av en undergrunnsformasjonsgrense til borehullet.

6. Verktøy i følge krav 5, hvor den relative orienteringen av en undergrunnsformasjonsgrense til borehullet omfatter en relativ fallvinkel.

7. Verktøy i følge krav 1, videre omfattende: en beskyttende tildekning over den første senderantennen; og en beskyttende tildekning over den første mottakerantennen.

8. Verktøy i følge krav 2, hvor de første og andre senderne drives ved forskjellige frekvenser.

9. Verktøy i følge krav 1, hvor den minst ene formasjonsmåling omfatter minst en av en kompleks spenning, et amplitudeforhold, og en fasedifferanse.

10. Verktøy i følge krav 1, hvor formasjonsmålingen er bestemt med hensyn til den elektromagnetiske bølge fra senderantennen.

11. Verktøy i følge krav 1, hvor prosessoren beregner vertikal og horisontal resistivitet til formasjonen.

12. En fremgangsmåte for evaluering av resistiviteten til en jordformasjon under en boreoperasjon gjennom bruk av en borestreng: omfattende handlingene; å tilveiebringe et resistivitetsloggeverktøy for innlemming i borestrengen, idet resistivitetsloggeverktøyet omfatter, et verktøylegeme som har en lengdeakse, første og andre senderantenner som strekker seg rundt verktøy-legemet, første og andre mottakerantenner som strekker seg rundt verktøy-legemet, og prosesseringskrets som inkluderer en mikroprosessor, og hvor hver av de nevnte første og andre mottakerantenner har et respektivt magnetisk moment som er skråstilt i forhold til lengdeaksen til verktøylege-met ved en vinkel som er forskjellig fra et magnetisk moment til i det minste ett av nevnte senderantenner; under boreoperasjonen, å sende en første elektromagnetisk bølge inn i jordformasjonen gjennom bruk av minst den første senderantennen, og å motta elektromagnetisk energi fra jordformasjonen som er et resultat av at nevnte elektromagnetiske bølge har blitt sendt inn i jordformasjonen gjennom bruk av den minst første mottakerantennen; også under boreoperasjonen, å sende en andre elektromagnetisk bølge inn i formasjonen gjennom bruk av den andre senderantennen, og å motta elektromagnetisk energi fra jordformasjonen som er et resultat av at den andre elektromagnetiske bølge har blitt sendt inn i jordformasjonen gjennom bruk av minst den andre mottakerantennen; å bruke nevnte prosseseringskrets for å evaluere en parameter av jordformasjonen som svar på den mottatte elektromagnetiske energi i de første og andre mottakerantenner.

13. Fremgangsmåte i følge krav 12, hvor nevnte magnetiske momenter til hver av nevnte første og andre mottakerantenner er skråstilt i forskjellige vinkler i forhold til lengdeaksen til verktøylegemet.

14. Fremgangsmåte i følge krav 12, hvor den evaluerte parameter til jordformasjonen omfatter nærheten til en laggrense gjennom hvilken borehullet strekker seg.

15. Fremgangsmåte i følge krav 12, hvor resistivitetsloggeverktøyet videre omfatter tredje og fjerde senderantenner som strekker seg rundt verktøylegemet.

16. Fremgangsmåte i følge krav 12, hvor den minst ene parameter av jordformasjonen omfatter en relativ orientering av en undergrunnsformasjonsgrense til borehullet.

17. Fremgangsmåte i følge krav 16, hvor den relative orienteringen av en undergrunnsformasjonsgrense til borehullet omfatter en relativ fallvinkel.

18. Fremgangsmåte i følge krav 12, hvor parameteren av jordformasjonen omfatter en måling av faseresistivitet.

19. Fremgangsmåte i følge krav 12, hvor parameteren av jordformasjonen omfatter en måling av amplituderesistivitet.

20. Fremgangsmåte i følge krav 12, hvor parameteren av jordformasjonen evalueres gjennom målinger av faseforskyvningsresponser.

21. Fremgangsmåte i følge krav 12, hvor parameteren av jordformasjonen evalueres gjennom målinger av amplitudesvekningsresponser.