DE1623118C3 - Geophysikalische Bohrlochmeßelnrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine geophysikalische Bohrlochmeßeinrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Eine solche Einrichtung ist aus der US-PS 31 47 429 bzw. der CA-PS 7 21 843 bekannt. Die bekannte Einrichtung ist ein sogenanntes Induktionslog, d. h., sie arbeitet mit Sendefrequenzen, bei denen man das in. den Erdformationen aufgebaute Feld als quasistatisch ansehen kann, in dem Sinne, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Wellen in den Formationen vernachlässigbar groß ist. Man kann mithin davon ausgehen, daß bei den bekannten Induktionslogs selbst dann, wenn sie mehrere Empfangsantennen aufweisen (DE-AS 12 00 971, DE-PS 8 98 642), die Laufzeiten keine Rolle spielen.

Wählt man, etwa beim Induktionslog, höhere Frequenzen, so tritt der bei allen Hochfrequenzanwendungen geläufige Skin-Effekt auf, d. h. die Stromverdrängung infolge Wechselwirkung der Ströme mit dem von ihnen selbst erzeugten Magnetfeld. Die Induktionslog-Meßwerke müssen dann, etwa mit Hilfe von Tabellen, entsprechend korrigiert werden.

ίο Ein Kennwert der Erdformationen, der für eine Bohrlochmessung interessant ist, ist die Leitfähigkeit der sogenannten »Invasionszone« nächst dem Bohrloch, d. h. in dem Bereich der Bohrlochwandung, in dem die Bohrspülung die Formationsflüssigkeit verdrängt hat. Bisher war es üblich, diese Messung mittels einer Elektrodensonde vorzunehmen, bei der die die Elektroden tragenden Polster direkt an der Bohrlochwandung anliegen. Dies ist nicht nur hinderlich bei schnellen Sonderfahrten im Bohrloch, sondern die Messung wird auch beeinflußt von den Strömen, die von einem gleichzeitig mitgeführten Induktionslog induziert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Gattung zu ζ ?'

2^r> schaffen, bei der auch die Leitfähigkeit der Invasionsschicht — wenn auch nicht nur diese — mittels einer Art Induktionslog-Verfahren gemessen werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1,

3() während der Unteranspruch eine Ausgestaltung definiert, deren Bedeutung im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel näher erläutert wird.

Aus dem Hauptanspruch folgt, daß hier mit erheblich höheren Frequenzen gearbeitet wird als bei bekannten Induktionslogs, so daß Phasen- und/oder Amplitudengradienten erfaßt werden können; es sei darauf hingewiesen, daß Feldgradientenmesser an sich bekannt sind, etwa aus der US-PS 29 96 663.
Die nachfolgende Erläuerung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen und Diagramme vermittelt ein vollständiges Bild der Erfindung und der phasikalischen Zusammenhänge. Es zeigt
F i g. 1 ein ins Erdreich niedergebrachtes Bohrloch mit einer graphischen Darstellung von Linien gleicher ,■ Phase, die von elektromagnetischen Wellen bei der V-Ausbreitung durch das Bohrloch und die umgebenden Erdformationen erzeugt worden sind,
Fig. 2 ein sogenanntes »Phasor«- oder Phasendiagramm von Betrag und Phase der elektromagnetischen Felder bei ihrer Ausbreitung durch das Erdreich, F i g. 3 eine Spulenanordnung in einem Bohrloch zusammen mit einer schematischen Darstellung der in Verbindung mit der Spulenanordnung für die Untersuchung von Erdformationen gemäß der Erfindung zur Anwendung gebrachten elektrischen Schaltungstechnik,

F i g. 4 eine graphische Darstellung bestimmter Faktoren, die bei der Bestimmung des sogenannten »Spacings« oder Abstandes zwischen Sender und Empfänger der Anordnung ebenso wie die Betriebsfrequenz der Vorrichtung nach F i g. 4 beachtet werden sollte,

F i g. 5 eine in einem Bohrloch angeordnete Elek-

b5 trodenanordnung oder -gruppe zusammen mit schematischen Darstellungen elektrischer Schaltungsanordnungen, die gemäß der Erfindung zur Anwendung kommen können, und

F i g. 6 eine Vorrichtung in einer Anordnung gemäß .inem anderen Merkmal der Erfindung.

Die Beziehung für die magnetische Feldstärke H₁ oei einer Entfernung ζ von einem Sender oder Geber .<ann für große Werte von ζ in Ableitung von der vlaxwellschen Gleichung ausgedrückt werden als:

/Z₂= H₀ e

ei e gleich 2,718 die Basis des natürlichen Logaithmus ist, H₀ die magnetische Feldstärke an dem iender oder Geber bedeutet,

ind die sogenannte »Skin«-Tiefe ist, die definiert verden kann als

α μ η

/obei in = 2 .τ/ die Kreisfrequenz des Geber- oder ,ondersignals ist, // die magnetische Permeabilität icr in Betracht kommenden Formation bedeutet und ;·η allgemeinen als eine Konstante anzusehen ist und die Konduktivität oder Leitfähigkeit der in Betracht ommenden Formation ist.

Die Gleichung (I) kann umgeschrieben werden ir den Fall der elektrischen Feldstärke durch Sub-'itution von E für H. Die Gleichung (1) drückt aus, iß die Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes eschwächt und phasenverschoben wird mit Zunahme :cs Entfernungswertes z, d. h. mit Ausbreitung der lektromagnetischen Energie durch die Erdformatio- en. Das Maß der Phasenverschiebung wird ausgedrückt durch den Term —~ der Gleichung (I) und as Maß der Schwächung findet seinen Ausdruck in

em Term —^- der Gleichung (1). Somit ist der Term

— (1 +j) definiert als die Ausbreitungskonstante, er Term -^- als die Schwächungskonstante und der

erm —7" — als die Phasenkonstante. Die Gleichung (1) >esagt also, daß eine elektromagnetische Welle um inen Faktor von — pro »Skin«-Tiefe Λ geschwächt

ird und phasenverschoben wird um einen Radianten ir jede »Skin«-Tiefe <) ihres Weges.

Wie oben festgestellt, wird bei den herkömmlichen iiduktionslog- oder Elektrodenlog-Systemen die -rbeits- oder Betriebsfrequenz hinreichend niedrig ehalten, so daß die statische oder quasi statische eldtheorie zur Anwendung kommen kann. Damit ist emeint, daß der Feldaufbau an einer Stelle in den rdformationen durch den Transmitter bzw. Sender der Geber einen vernachlässigbaren Effekt auf das eld an anderen Stellen in der Erdformation hat. Um :iese statische oder quasi statische Feldtheorie zur uiwendung zu bringen, muß jedoch die Arbeitsder Betriebsfrequenz hinreichend niedrig sein, damit ie »Skin«-Tiefe in den Formationen wesentlich größer ist als das Spacing bzw. der Abstand zwischen dem Sender oder Geber und den Empfängern. Dies läßt sich besser erkennen aus der Gleichung (1), wo, wenn die »Skin«-Tiefe Λ wesentlich größer als ζ ist, H₂ im wesentliehen gleich Zf₀ ist für irgendeinen kleinen Wert von z.

Im Gegensatz zu der beim Induktionslog- oder

Elektrodenlog-Verfahren zur Anwendung kommenden statischen oder quasi statischen Feldtheorie hat die vorliegende Erfindung ihre Grundlage auf einer Steigerung der Arbeits- oder Betriebsfrequenz des Bohrloch-Untersuchungssystems bis zu einem Punkt, wo die »Skin«-Tiefe in der Größenordnung des Spacings bzw. Abstandes zwischen dem Sender oder Geber und dem Empfänger liegt und üblicherweise

r> praktisch kleiner als dieses Spacing ist. Aufgrund der wesentlichen Frequenzerhöhung gegenüber der Arbeits- oder Betriebsfrequenz bei den üblichen Induktionslog- oder Elektrodenlog-Verfahren kann die in Verbindung mit diesen bekannten Bohrloch-Untersuchungsverfahren benutzte statische oder quasi statische Feldtheorie nicht mehr langer zur Anwendung kommen. Statt dessen hat der elektromagnetische Feldaufbau an einer Stelle in den Erdformationen einen wesentlichen Einfluß auf das Feld an anderen

>^r> Stellen in der Formation, was Anlaß zu einer elektromagnetischen Raumwelle gibt. Das läßt sich aus Gleichung (1) erkennen, wo, wenn die »Skin«-Tiefe ί> in der Größenordnung oder geringer als die Entfernung ζ ist, die magnetische Feldstärke sich ändert

jo als eine Exponentialfunktion der Entfernung oder des Abstandes z.

In F i g. 1 sind Linien gleicher Phase 10 gezeigt, die erzeugt sind durch ebene elektromagnetische Wellen, die sich durch eine Formation 11 und ein Bohrloch 12 ausbreiten. Eine sehr ähnliche Darstellung würde sich ergeben ausgehend von der Feldschwächung oder -dämpfung. Bei dem in F i g. 1 dargestellten Fall ist der Widerstand R_f der Formation 11 größer als der Widerstand/?,,, der Bohrspülung. Dies gibt einen Anstieg der Linien gleicher Phase in der Spülungssäule bei der Untersuchung derjenigen in der Formation. Diese Linien gleicher Phase sind in einem gegenseitigen Abstand von einer »Skin«-Tiefe dargestellt. Um solche ebenenen Wellen zu erzeugen, muß der Sender oder Geber in einer beträchtlichen Entfernung von den Empfängern R₁ und R₂ angeordnet sein. Der Sender oder Geber und die Empfänger dienen dazu, elektromagnetische Energie auszusenden oder zu empfangen und können somit als Antennen bezeichnet werden. Diese Sende- und Empfangsantennen können entweder von Elektroden oder Spulen gebildet sein.

Da die Spülungssäulc 12 abmessungsmäßig kleiner als die restliche Erdformation ist, wird sich im wesent-

Vi liehen die ganze in das Erdreich ausgesandtc Energie durch die Formation ausbreiten bzw. fortpflanzen statt durch die Spülungssäule, weshalb das Spacing oder der Abstand zwischen den Linien gleicher Phase in der Spülungssäiile gleich dem Spacing oder Ab-

ho stand zwischen den Linien gleicher Phase in der Formation sein wird. Deshalb kann durch Anordnung eines Paares von Empfängern K₁ und R₂ in einem gegenseitigen Abstand I / in dem Bohrloch 12 und durch Vergleich der Phase der von den beiden Etmp-

h^r> fängern R₁ und R₂ empfangenen Signale die »Skin«- Tiefe in dem schraffierten Bereich der Erdformation zwischen den Linien gleicher Phase, die in Verbindung stehen mit den Empfängern R₁ und R₂, gemessen

werden. Das Verhältnis für diese Phasendifferenz I Φ kann dargestellt werden als:

Λ Φ =

Λ =

Δι

ι) '

/10

(3)

(4)

Somit ist aus Gleichung (4) ersichtlich, daß das Ausmaß der Phasendifferenz tatsächlich ein Maß für die »Skin«-Tiefe ö_F der Formation bildet. Diese Phasendifferenz kann auch als Phasengradient bezeichnet werden. Da die »Skin«-Tiefe funktionell auf die Konduktivität bzw. Leitfähigkeit der Formationen durch Gleichung (2) bezogen ist, schafft ein Maß der »Skin«-Tiefe <)_F auch ein Maß für die Konduktivität oder Leitfähigkeit a_F der Formation. Somit ergibt sich durch Einsetzen der Gleichung (2) in die Gleichung (4) und durch Auflösung nach der Konduktivität bzw. Leitfähigkeit a_F:

a_F = K. \Φ² ,
2

(5)

K —

(ι) μ . I /"

Zusätzlich zu der Phasendifferenz zwischen den beiden Empfängern K₁ und K₂ könnte auch der Amplitudengradient gemessen werden, um ein Maß der »Skin«-Ticfe zu schaffen. Dies findet seine Grundlage in der zuvor erwähnten Theorie, daß die elektromagnetische Welle durch einen Faktor — für jede

»Skin«-Tiefc ihres Weges geschwächt oder gedämpft wird. Der untersuchte Formationsteil ist der in F i g. 1 schraffiert dargestellte Abschnitt in gleicher Weise wie für den Fall der Phasenmessung, da die Linien gleicher Phasen von F i g. 1 auch als Linien gleicher Amplitude angesehen werden können. Da es erwünscht sein kann, die Schwächungs- oder Dämpfungskonstante der Formation zu messen, wie vorstehend erwähnt, sollte die Amplitudenmessung normalisiert werden, um die absolute Amplitude als Faktor bei den Messungen auszuschalten. Dies kann erreicht werden, indem man das Verhältnis der von den beiden Empfängern aufgenommenen Amplituden nimmt. Die Beziehung für dieses Amplituden verhältnis A₂/A_x kann geschrieben werden als:

A₁

.—■ η

(6)

solche Dinge wie die Geometrie der Empfänger berücksichtigt sind.

In F i g. 2 der Zeichnung ist ein sogenanntes »Phasor«-Diagramm oder Phasendiagramm der magnetisehen Feldstärke bei Ausbreitung oder Fortpflanzung der elektromagnetischen Wellen durch die Formation dargestellt. Der Feldstärkenvektor Ji₀ stellt die Intensität an einer Stelle über den Empfängern R₁ und R₂ dar (nicht an dem Sender oder Geber). Mit Ausbreitung

ίο oder Fortpflanzung der elektromagnetischen Welle durch das Erdreich wird die Feldstärke durch einen

Faktor — geschwächt oder gedämpft und um einen

Radianten je Skin-Tiefe seines Weges phasenverschoben, wie oben dargelegt. Die Feldstärkenvektoren H_R{ und HR₂ geben die Intensitäten an den Empfängern K₁ und K₂ wieder. In den Empfängern K₁ und K₂ wird ein Signal erzeugt, das diesen Feldstärkenvektoren Hr₁ bzw. H_R2 proportional ist. Durch Ver-

gleich der Phase oder Amplitude dieser beiden Feldstärkenvektoren H_Rlund H_R2, um ein Maß des Phasenoder Amplitudengradienten des magnetischen Feldes in der Nähe der Empfänger zu schaffen, kann die Phasen- oder Dämpfungskonstante der sich ausbreitenden oder fortpflanzenden elektromagnetischen Energie in der Nähe der Empfänger K₁ und K₂ bestimmt werden. Das gibt dann ein Maß der Skin-Tiefe a_F der Formation. Dann kann die Konduktivität (T_f der Formation bestimmt werden aus Gleichung (5)

jo oder (7).

Die durch die Empfänger K₁ und K₂ gemessene Phasen- oder Dämpfungskonstante wird wegen der Differential-Empfängeranordnung, wie oben dargelegt, lediglich durch den in F i g. 1 schraffierten Teil der Formation beeinflußt. Somit wird durch die Differential-Empfangeranordnung der Einfluß der Formationen oberhalb dieses gestrichelten Formationsteils auf die sich ausbreitende elektromagnetische Welle wirkungsvoll ausgeschaltet. Mit anderen Worten wirkt der erste oder obere Empfänger K₁ als Bezugspunkt oder Bezugsgröße für den zweiten oder unteren Empfänger K₂. Dies ist besser ersichtlich aus F i g. 2, wenn man den Vektor H_R als die Bezugsphase und -amplitude für den zweiten Vektor H_R ansieht. Somit versteht sich, daß jeglicher Einfluß auf die elektromagnetische Welle, bevor diese den ersten oder oberen Empfänger K₁ erreicht, im wesentlichen keinen Einfluß auf die Messung an den beiden Empfängern K₁ und K₂ hat.

so Um ein Beispiel dafür zu geben, sei angenommen, daß die Empfänger K₁ und K₂ eine »Skin«-Tiefe 6_F voneinander entfernt sind, wie in F i g. 1 dargestellt.

In diesem Falle ist der Vektor H_Ä gleich — H_R. und

phasenverschoben um einen Radianten von H_R. Das Verhältnis H_RJH_R ist dann gleich

wobei A₂ die Amplitude des von dem Empfänger K₂ empfangenen Signals und A₁ die Amplitude des von dem Empfänger K₁ empfangenen Signals (d. h. der empfangenen Spannung) ist. Durch Auflösung der Gleichung (6) nach der Konduktivität oder Leitfähigkeit a_F ergibt sich:

ω μ (Δ I)²

In²

(7)

wobei K₁ eine Proportionalitälskonstante ist, in der was anzeigt, daß die Empfänger K₁ — K₂ eine »Skin«- Tiefe d_F voneinander entfernt sind. Es sei angenommen, daß eine Formation oberhalb der Empfängergruppe oder -anordnung K₁ — K₂ einen höheren Widerstand hat als ursprünglich angenommen für das Diagramm gemäß Fig. 2. In diebem Falle können die

reldstärkenvektoren die durch die Feldstärkenvektorcn Hr_x und Hr₂ dargestellte Form annehmen. Der Vektor Hr₂ ist dann gleich — H_R]. Somit sind das Amplitudenverhältnis

H'_R

2 _

H'_R

ι _

und die Phasendifferenz immer noch ein Radiant. Die Difierentialempfängeranordnung zeigt somit immer noch an, daß die gemessene »Skin«-Tiefe <)_F gleich dem Spacing oder Abstand /I / zwischen den Empfängern R₁ — K₂ ist.

Die vorstehende Untersuchung ist davon ausgegangen, daß die Formationen homogen sind und daß der Sender-Empfänger-Abstand groß genug ist, um die elektromagnetischen Wellen als ebene Wellen ansehen zu können. Durch diese Annahme wurde die Erläuterung stark vereinfacht. In der Praxis sind die /M messenden Formationen jedoch nicht homogen, und wenn der Sender-Empfänger-Abstand zu groß wäre, so ist es klar, daß aufgrund der hohen Schwächung oder Dämpfung der elektromagnetischen Wellen in den Formationen nur noch sehr wenig Energie, wenn überhaupt welche, an den Empfängern zu messen wäre. Wenn erwünscht, so könnte eine gleichphasige Darstellung der elektromagnetischen Energie für diesen inhomogenen Fall angefertigt werden, wobei dann festgestellt werden könnte, daß die Radialuntersuchung der Formationen ausgewählt werden kann in einer gewünschten Weise durch passende Wahl der Arbeite- oder Betriebsfrequenz und des Sender-Empfänger-Abstandes oder Spacings. Zum Beispiel kann es erwünscht sein, die sogenannte »Invasionszone« oder die »invasionsfreie« oder reine Formationszone zu untersuchen. Diese »invasionsfreie« oder reine Zone ist diejenige Zone, in die die Bohrspülung nicht vorgedrungen ist und die somit die am weitesten entfernte Zone von dem Bohrloch ist.

Vor der Erörterung, wie die Arbeits- oder Betriebsfrequenz und die Sender-Empfänger-Spacings gewählt werden können, sei zunächst ein Gerät oder eine Vorrichtung zum Messen der Phasen- oder Dämpfungskonstante entsprechend der vorstehend abgehandelten Theorie beschrieben. Es sei dabei auf F i g. 3 Bezug genommen, wo ein Bohrlochuntersuchungsgerät 18 gezeigt ist, das am Ende eines armierten Vielleiterkabels 20 in ein Bohrloch 19 zur Untersuchung von Erdinformationen 21 eingehängt ist. Das Kabel 20 wird von einer nicht gezeigten Trommelwinde abgelassen oder gezogen. Das Bohrlochuntersuchungsgerät 18 umfaßt eine Spulenanordnung mit einer Sende- oder Geberspule T und zwei Empfangsspulen R₄ und R₅. Der Mittelpunkt zwischen den Empfangsspulen R₄ und R₅ befindet sich in einem Abstand L₁, von der Sendespule T, und die beiden Empfangsspulen R₄ und K₅ sind in einem Abstand A L voneinander entfernt. Das Untersuchungsgerät 18 umfaßt ferner eine flüssigkeitsdichte elektronische Patrone 22, die die in das Bohrloch mit abgesenkte elektrische Schaltungsanordnung enthält. Diese elektronische Schaltungsanordnung ist in dem seitlich des Bohrloches gestrichelt gezeichneten Kasten 22 dargestellt.

Bei dieser elektronischen Schaltungsanordnung erregt ein frcqucnzvariabler Oszillator 23 den Transmitter oder Sender T, der elektromagnetische Energie für die Ausbreitung durch die Formationen aussendet. An den Empfängern R₄ und K₅ ist eine Spannung induziert, die der Energie dieser elektromagnetischen Raumwelle an den Empfängern in der zuvor abgehandelten Weise proportional ist. Die Empfänger K₄ und K₅ sind an ein Paar elektrisch angepaßter Verstärker 24 und 25 angeschlossen, die die von den

ίο Empfängern K₄ und K₅ aufgenommenen Signale verstärken. Diese Verstärker 24 und 25 sind so angepaßt, daß jegliche Drift in den Verstärkern, beispielsweise bedingt durch einen Temperaturwechsel, einen genau gleichen Einfluß auf beide Verstärker ausübt und somit aufgrund der Differential-Empfänger-Anordnung im wesentlichen entfällt. Die von den Verstärkern 24 und 25 kommenden Signale werden an einen Phasen- oder Amplitudenkomparator bzw. -vergleicher 26 angelegt. Ob das Schaltungselement 26 ein Phasenvergleicher oder ein Amplitudenvergleicher ist, hängt davon ab, ob die Phasen- oder Dämpfungskonstante gemessen wird gemäß Gleichung (4) oder (6) zur Bestimmung der »Skin«-Tiefe δ und somit der Konduktivität oder Leitfähigkeit σ.

Das von dem Vergleicher 26 gegebene Phasenoder Amplitudensignal wird dann über einen zweipoligen oder Doppelschalter 34 an eine übertragungsschaltung 27 zur Weiterleitung zur Erdoberfläche über ein Leiterpaar 28 weitergegeben, das in Wirklichkeit durch das armierte Vielleiterkabel 20 zur Erdoberfläche führt. Wenn der Phasen- oder Amplitudenvergleicher 26 von einer solchen Bauart ist, daß er die angelegten Eingangssignale in ein der verglichenen Phase oder Amplitude proportionales Gleichstromsignal umwandelt, so kann die Ubertragerschaltung 27 lediglich von einem Verstärker gebildet sein. Setzt der Phasen- oder Amplitudenvergleicher 26 die verglichenen Signale nicht in ein Gleichstromsignal um, so kann die Ubertragerschaltung 27 ein geeigneter Stromkreis zur übertragung von Hochfrequenzsignalen über das Leiterpaar 28 zur Erdoberfläche sein, z. B. eine Mischschaltung, um die Ubertragungsfrequenz auf eine innerhalb der Ubertragungsmöglichkeiten des Kabels liegende Frequenz zu reduzieren.

An der Erdoberfläche führt das Leiterpaar 28 das gemessene Phasen- oder Dämpfungssignal zu geeigneten Signalverarbeitungsschaltungen 29 zu, die z. B. für eine geeignete Verstärkung und Verstärkungsregelung sorgen. Ist das durch das Kabel 28 übertragene Signal ein Wechselstromsignal statt eines sich ändernden Gleichstromsignals, so könnte die Signalverarbeitungsschaltung 29 zusätzlich eine geeignete Gleichrichtung der übertragenen Signale bewirken. Da die über die Kabelleiter 28 zur Oberfläche übertragenen Signale repräsentativ sind entweder für die Phasen- oder die Dämpfungskonstante der Fortpflanzungskonstante in Übereinstimmung entweder mit Gleichung (4) oder (6) in diesem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3, werden die Signale von den Signalverarbeitungsschaltungen 29 an einen geeigneten Konduktivitäts- oder Leitfähigkeitsrechner 30 gegeben, um die durch das Bohrlochuntersuchungsgerät gemessene Konduktivität σ gemäß einer der Gleichungen (5) oder (7) zu errechnen. Die sich daraus ergebenden Werte für die Konduktivität σ werden durch ein Aufzeichnungsgerät 31 festgehalten, das in Abhängigkeit von der Bohrlochtiefe über eine mit einem Rad 33 verbundene Welle 32 angetrieben wird.

809 531/H

Das sich drehende Rad 33 steht in Berührung mit dem Kabel 20 und wird entsprechend dessen Auf- und Abbewegung gedreht, so daß der Registrierstreifen des Aufzeichnungsgerätes 31 in Abhängigkeit von der Bohrlochtiefe bewegt wird. Dadurch wird also die Konduktivität oder Leitfähigkeit σ von dem Aufzeichnungsgerät 31 als eine Funktion der Bohrlochtiefe festgehalten. Falls gewünscht, kann bei einer geeigneten Einteilung der Linienführung auf dem Registrierstreifen des Aufzeichnungsgerätes 31 der Leitfdhigkeitsrechner 30 weggelassen werden, oder anders ausgedrückt kann die Phasen-oder Amplitudenfunktion Λ Φ oder AgJA_Ra unmittelbar an dem Aufzeichnungsgerät 31 festgehalten werden.

Im Betriebszustand arbeitet der Transmitter oder Sender T bei einer konstanten Frequenz, sendet eine gleichbleibende elektromagnetische Energie in die umgebenden Medien, welche elektromagnetische Energie durch die Differential-Empfänger-Anordnung kontinuierlich gemessen wird, und ein Phasen- oder Dämpfungssignal wird zur Erdoberfläche übertragen, um mittels des Aufzeichnungsgerätes 31 Leitfähigkeitsanzeigen festzuhalten. Diese Differential-Empfänger-Anordnung umfaßt dann die Empfänger R₄ und R₅ ebenso wie die Verstärker 24 und 25 und den Vergleicher 26.

Zwecks einfacher Erläuterung sei angenommen, daß die ausgesandte elektromagnetische Energie den in F i g. 3 durch die Pfeile dargestellten Weg nimmt. Die von dem Empfänger R₄ empfangene Energie nimmt den Weg T-A-B-R₄. und die von dem Empfänger R₅ empfangene Energie den Weg T— A — B-C-R₅. Es ist zu erkennen, daß die den Weg T—A — B nehmende Energie beiden Empfängern R₄ und R₅ gemeinsam ist. Ebenso kann angenommen werden, daß die Wege B-R₄ und C-R₅ im wesentlichen gleich sind hinsichtlich der Dämpfung und der Phasenverschiebung der sich ausbreitenden elektromagnetischen Energie. Somit entfallen praktisch aufgrund der Differential-Empfänger-Anordnung der gemeinsame Weg T—A — B und die ähnlichen Wege B-R₄ und C-R₅, und die Empfänger R₄ und R₅ messen tatsächlich nur den Weg B-C.

Wie in Verbindung mit F i g. 1 abgehandelt, wird jedoch aufgrund der Bohrlocheinflüsse das senkrechte Meßintervall eher so sein, wie durch den Weg D-E dargestellt. Auf jeden Fall kann gesagt werden, daß ein Erdformationsbereich untersucht wird, der in senkrechter Richtung annähernd das gleiche Ausmaß wie der Empfängerabstand Δ L hat und der im großen und ganzen gegenüber der Empfängeranordnung R₄-R₅ liegt. Es versteht sich, daß diese Darstellung des Energieflusses übermäßig vereinfacht ist, um eine einfache Erläuterung der Meßtechnik zu geben.

Hinsichtlich der Wahl der Frequenz und der Sender-Empfänger-Abstände für die Untersuchung der Invasionszone ist es erforderlich, die passende Arbeitsfrequenz/ und den Abstand L_(r zwischen Sender und Empfänger so zu wählen, daß die Invasionszonenmessungen nicht durch den Spülungswiderstand R_n, oder den Widerstand R, der invasionsfreien Zone beeinflußt werden. Die Empfänger sollten weit genug entfernt von dem Sender angeordnet werden, und zwar derart, daß die sich durch die Spülungssäule fortpflanzende elektromagnetische Welle nicht mehr länger ein Faktor ist, und andererseits jedoch dicht genug zu den Sendern, daß die elektromagnetische Welle nicht in einem solchen Maße in die invasionsfreie Zone ausgebreitet wird, daß dadurch die Konduktivitätsmessungen der Invasionszone beeinflußt werden.

Noch ein anderer Faktor sollte bei der Bestimmung

des Abstandes L,_r zwischen Sender und Empfänger beachtet werden, und zwar die Tatsache, daß die Konduktivität der verschiedenen Formationszonen einen Einfluß auf die »Skin«-Tiefe jeder besonderen Zone hat [siehe Gleichung (1)]. Daher sollten die erwarteten maximalen und minimalen »Skin«-Tiefen-

lü werte bei Bestimmung der Sender-Empfänger-Abstände berücksichtigt werden.

Um sicherzustellen, daß der größte Teil der von den Empfängern empfangenen Energie durch die Invasionszone und nicht durch die Spülungssäule im Bohrloch oder durch die invasionsfreie Zone beeinflußt ist, sollte der Sender-Empfänger-Abstand mindestens das eineinhalbfache des Bohrlochdurchmessers betragen. Außerdem sollte der Sender-Empfänger-Abstand mindestens halb so groß sein wie die erwartete maximale »Skin«-Tiefe der Invasionszone fi_x0 und weniger als annähernd das fünfzehnfache des erwarteten minimalen Wertes von ^₀. Dieser letzte Faktor, d. h. L_tr < (^₀ („„·„), stellt auch sicher, daß die Emp- ,-fänger von für eine Messung ausreichender Energie ν erreicht werden.

Der Abstand .1L zwischen den Empfängern R₄ und R₅ kann innerhalb bestimmter Grenzen liegen. Diese Grenzen betreffen die Messung der Phasenkonstante der Fortpflanzungskonstante, d. h. der Phasendifferenz der beiden Empfänger. Um dies besser zu verstehen, sei auf F i g. 2 zurückgekommen. Wenn dort eine Phasendifferenz zwischen den beiden Vektoren H_Rl und H_R2 von mehr als 180° vorhanden ist, wird es schwierig, diese Phasendifferenz zu messen.

Man kann somit sagen, daß der Empfänger-Abstand . I L geringer sein sollte als dreimal die minimale erwartete »Skin«-Tiefe der Invasionszone, d. h.

,1 L < 3 S_x0

(min) ·

In der Praxis wird dieser Empfänger-Abstand A L bestimmt in Übereinstimmung mit der gewünschten vertikalen Auflösung des Meßsystems, da Δ L die vertikale Auflösung bestimmt, wie in F i g. 1 gezeigt.

Offensichtlich ist der Empfänger-Abstand nicht zu wichtig bei der Messung der Dämpfungskonstante, ausgenommen hinsichtlich der vertikalen Auflösung.

Ein Weg, um in vereinfachter Weise einen Blick

auf diese Invasionszonen-Untersuchung zu werfen,

so besteht darin, sich das elektromagnetische Feld, das die Empfänger erregt, als in einem Bereich konzentriert vorzustellen, der gerade jenseits der letzten Ubergangsfläche zwischen den beiden Zonen mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten liegt, innerhalb eines Zylinders mit einem Radius, der gleich dem Abstand zwischen dem Sender und den Empfängern ist. Somit würde Tür die Untersuchung der Invasionszone diese letzte Ubergangsfläche die Fläche zwischen dem Bohrloch und der Invasionszone sein. Solch eine Ubergangsfläche kann auch angesehen werden als die Wandung einer Wellenführung, die den Sender mit den Empfängern verbindet und die beträchtliche Verluste hat, so daß die sich unmittelbar innerhalb der Wellenführung fortpflanzenden Wellen beträchtlich

es gedämpft werden.

Es scheint wünschenswert, an dieser Stelle den Einfluß des Bohrloches auf die Invasionszonen-Untersuchung aufzuzeigen. F i g. 4 zeigt eine Kurvendar-

stellung des errechneten prozentualen Fehlers Y als Funktion von

den kann, um die »Skin«-Tiefe t)_x0 konstant zu halten und somit die Funktion

für verschiedene Werte von

In F i g. 4 ist zu sehen, daß der Fehler Y ziemlich wesentlich wird für bestimmte Kontraste von

wenn

Rm
Ur

gleich 0,5 ist. Wenn natürlich der Kontrast des Widerstandes R_x0 der Invasionszone zu dem Widerstand R_n, der Spülung ausreichend groß wäre, so würde ein Untersuchungssystem, bei dem der Sender-Empfänger-Abstand L,_r die Hälfte der »Skin«-Tiefe <)_x0 in der Invasionszone beträgt, ausreichend genaue Ergebnisse liefern. Da dieser Widerstandsgegensatz jedoch nicht immer so hoch sein kann, kann es mehr erwünscht sein, das Verhältnis

>xO

gleich 1, 2 oder mehr zu wählen, um den prozentualen Fehler Y niedrig zu halten. Dadurch können hinreichend genaue Resultate erhalten werden für im wesentlichen jeglichen Kontrast oder Gegensatz von

xO

Es sollte hier auch festgestellt werden, daß R_n, leicht an der Bohrstelle bestimmt werden kann, und, da der Bereich der Invasionszonenwiderstände R_x0 für jede gegebene geographische Region im allgemeinen bekannt ist, kann die Arbeitsfrequenz vor dem Einhängen des Untersuchungsgerätes in das Bohrloch von Hand eingestellt werden, um ein Verhältnis von ebenfalls konstant zu halten. Dies ist dargestellt durch Schalten des zweipoligen Doppelschalters 34 in die

ίο Stellung, wo das Signal von dem Phasen- oder Amplitudenvergleicher 26 an einen Eingang eines verhältnismäßig starken Hochleistungsverstärkers 39, d. h. eines Verstärkers mit hohem Verstärkungsfaktor, angelegt wird. Für die vorliegenden Zwecke ist dabei voraus-

i¹) zusetzen, daß das Ausgangssignal des Vergleichers 26 ein sich veränderndes Gleichstromsignal ist. Ein Signal konstanter Spannung proportional dem gewünschten Wert der »Skin«-Tiefe <)_x0 der Invasionszone wird zu dem anderen Eingang des Verstärkers 39 zugeführt. Der Verstärker 39 gibt dann ein Gleichstrom-Steuersignal zu dem frequenzvariablen Oszillator 23 proportional der Differenz zwischen dem gewünschten »Skin«-Tiefenwert fi_x0 (gewünscht) und dem gemessenen »Skin«-Tiefenwert Λ_χ0 (gemessen).

Im Betrieb wirkt diese Gegenkopplungsanordnung dahin, den gemessenen Skin-Tiefenwert <)_x0 im wesentlichen gleich dem gewünschten Skin-Tiefenwert Λ_χ0 zu halten durch Veränderung der Frequenz des frequenzvariablen Oszillators 23. Wenn D_x0 (gemessen)

ίο gleich ^_x0 (gewünscht) ist, hat somit das Ausgangssignal von dem Verstärker 39 eine Amplitude Null. Wenn jedoch <)_x0 (gemessen) von dem gewünschten Wert abweichen sollte, führt der Verstärker 39 dem frequenzvariablen Oszillator 23 eine ausreichende

j5 Signalamplitude zu, um immer die gewünschte Bedingung zustande zu bringen, d. h. <)_χ0 (gemessen) im wesentlichen gleich ö_x0 (gewünscht).

Um ein Maß der Konduktivität oder Leitfähigkeit σ_χ0 zu erhalten, ist es jetzt lediglich erforderlich, die Größe des an den frequenzvariablen Oszillator 23 gegebenen Steuersignals zu wissen. Dieses Steuersignal ist natürlich proportional der Frequenz des frequenzvariablen Oszillators 23, da es die Frequenz des Oszillators steuert. Da Ά_χ0 in diesem Fall konstant gehalten wird, ist es jetzt klar, daß die Gleichung (1) umgeschrieben werden kann als

2 K,

'xO

zu erhalten, das ausreichend groß ist, um den Bohrlocheinflußfehler Y auf annehmbare Werte zu reduzieren. Dies geschieht, wie in F i g. 4 schematisch dargestellt, indem der Oszillator 23, der den Sender T erregt, als ein frequenzvariabler Oszillator ausgebildet ist.

Es sei hier auch bemerkt, daß, anstatt die Frequenz des frequenzvariablen Oszillators 23 vor dem Absenken des Untersuchungsgerätes in das Bohrloch von Hand einzustellen, ein in das Bohrloch mit abzusenkender Rückkopplungsregelkreis verwendet wer- (ü μ

wobei K₂ gleich <5_x0 (gewünscht) ist. Somit kann durch Kenntnis von ω = 2 π j die Konduktivität gefunden werden. Um ein für die Konduktivität oder Leitfähigkeit repräsentatives Signal zur Erdoberfläche zu geben, wird das Steuersignal von dem Verstärker 39 über den Schalter 34 an die übertragungsschaltung 27 angelegt statt des Ausgangssignals von dem Vergleicher 26.
Was die Untersuchung der invasionsfreien Zone

bo betrifft, so kann die für die Untersuchung der Invasionszone beschriebene Verfahrensweise auch für die invasionsfreie Zone zur Anwendung gebracht werden. Es ist jedoch die Skin-Tiefe <\ der invasionsfreien Zone zu beachten statt der Skin-Tiefe δ_χ0 der Invasionszone. Auch der radikale Abstand zwischen der Mittelachse des Bohrlochs und der Grenze zwischen der Invasionszone und der invasionsfreien Zone ist zu beachten anstelle des Bohrlochdurchmessers.

Somit sollte Tür den Fall dieser invasionsfreien Zone der Sender-Empfänger-Abstand mindestens etwa drei Meter betragen und mindestens halb so groß wie die erwartete maximale Skin-Tiefe ti, _{max) der invasionsfreien Zone sein, um eine genaue Messung der Skin-Tiefe l), der invasionsfreien Zone und somit der Konduktivität a, ohne Beeinflussung von der Invasionszone zu ermöglichen. Auch der Sender-Empfänger-Abstand L,_r sollte kurz genug sein, so daß die Empfänger ausreichend Energie vorfinden zum Messen. Da der Sender-Empfänger-Abstand L,_r für die Untersuchung der invasionsfreien Zone größer ist als für die Invasionszone, wird die Frequenz Tür diese invasionsfreic Zone höchstwahrscheinlich geringer sein, um den oben angeregten Verfahrensgängen zu genügen. Die den Empfänger-Abstand .1 L bestimmenden Faktoren sind die gleichen wie im Zusammenhang mit der Invasionszonenuntersuchung dargelegt. Durch Befolgen der oben angeregten Anordnungsregel kann zumindest ein Faktor der Fortpflanzungskonstanten gemessen werden, um ein Maß für die Skin-Tiefe I), der invasionsfreien Zone und somit deren Konduktivität oder elektrischer Leitfähigkeit a, zu erhalten.

Die an den Sender und die Empfänger Tür die Untersuchung der invasionsfreien Zone angeschlossene elektronische Apparatur kann im wesentlichen die gleiche sein wie bei dem in Fi g. 3 gezeigten Gerät für die Untersuchung der Invasionszone mit der Ausnahme, daß die Parameter der Schaltungen aufgrund der verringerten Frequenz etwas unterschiedlich sind. In Blockdiagrammform kann jedoch das Gerät für die Untersuchung der invasionsfreien Zone identisch mit dem Gerät für die Invasionszonenuntersuchung sein.

Es kann erwünscht sein, ein Gerät zu schaffen für die Untersuchung der Invasionszonen und der invasionsfreien Zonen während des gleichen Untersuchungslaufes in dem Bohrloch. Dies kann erreicht werden durch Verwendung zweier getrennter Arbeitsfrequenzen und zweier gesonderter Antenen-Empfänger-Anordnungen. Die Antennenanordnungen für die Untersuchung der invasionsfreien Zone wird dann weiter entfernt sein von dem Sender als diejenige für die Untersuchung der Invasionszone. Dies ist in F i g. 3 dargestellt durch Anordnung eines Paares von Empfängern R₆ und R₁ in einem hinreichenden Abstand unterhalb der Empfänger R₄ und -R₅. Ein gesonderter Oszillator 23a ist an die Sende-Antenne T angeschlossen Tür diese Intersuchung der invasionsfreien Zone. Die Empfänger R₆ und R₁ sind an eine elektronische Schaltung 38 angeschlossen, bestehend aus Verstärkern, einem Komparator oder Vergleicher und einer übertragungsschaltung ähnlich den Verstärkern 24 und 25, dem Phasen- oder Amplitudenvergleicher 26 und der übertragungsschaltung 27, wie sie bereits oben abgehandelt worden sind. Sowohl der Oszillator 23 a als auch die Schaltung 38 sind in gestrichelten Linien dargestellt, um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß diese Doppeluntersuchungsanordnung eine alternative Ausfuhrungsform ist. Das von der elektronischen Schaltung 38 kommende Signal ist repräsentativ für den Widerstand oder die elektrische Leitfähigkeit σ, der invasionsfreien Zone während das von der Ubertragerschaltung 27 zur Erdoberfläche gegebene Signal repräsentativ ist für die Leitfähigkeit σ_χ0 oder den Widerstand R_x0 der Invasionszone, wie oben abgehandelt. Falls gewünscht, kann eine frequenzvariable Anordnung vorgesehen sein für die Untersuchung der invasionsfreien Zone in der gleichen Weise wie für die Untersuchung der Invasionszone. Dies ist dargestellt in F i g. 3 durch den mit dem Hinweis »Steuerfrequenz des frequenzvariablen Oszillators 23a« zu versehenden Leiter 38a, der an einen Verstärker ähnlich dem. Verstärker 39 angeschlossen sein kann.

F i g. 5 der Zeichnung zeigt eine andere Ausfuhrungsform der Erfindung für die Untersuchung unterirdischer Erdformationen durch die Anwendung von sich ausbreitenden elektromagnetischen Wellen. Das Gerät gemäß F i g. 5 zeigt eine in einem Bohrloch 19 angeordnete Elektrodenanordnung. Die mechanischen Teile des Bohrloch-Untersuchungsgerätes sind zwecks kürzerer Darstellung und Beschreibung aus Fig. 5 der Zeichnung weggelassen, doch sind diese Einzelheiten in der Bohrloch-Untersuchungstechnik an sich ganz bekannt. Die Elektroden gemäß F i g. 5 umfassen eine Stromaussendeelektrode A, eine ganz dicht bei dieser angeordnete Stromrückkehrelektrode B und zwei Meßelektroden M₁ undJW₂, die in einem gewünschten Abstand unterhalb der Stromaussende- und -rückkehrelektrode angeordnet sind. Die Stromaussende- und -rückkehrelektroden A und B können als ein elektrischer Dipol angesehen werden.

Somit kann die Kombination der Stromaussende- und -rückkehrelektroden A-B als der Sender für die Aussendung elektromagnetischer Energie in die umgebenden Erdformationen angesehen werden.

Die Meßelcktroden M₁ undM₂ sprechen auf den elektrischen Feldteil der ausgesandten elektromagnetischen Energie in fast der gleichen Weise an wie die Empfängerspule gemäß Fi g. 3 auf den magnetischen Teil der sich fortpflanzenden elektromagnetischen Energie ansprach. Somit kann man die Meßelektroden M₁ undM₂ als Empfänger ansehen und der Abstand zwischen den Sendeelektroden A-B und den Empfangselektroden M₁-M₂ ist somit das sogenannte Sender-Empfänger-Spacing oder der Sender-Empfänger-Abstand L,_r. Die zuvor abgehandelte Theorie paßt ebenso gut auf die Elektrodenanordnung von F i g. 5 wie auf die Spulenanordnung nach F i g. 3.

Die durch die Meßelektroden M₁ undM₂ aufgenommene Spannung, die dem elektrischen Feldteil der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle an den Empfängern proportional ist, wird angelegt an ein Paar elektrisch angepaßter Verstärker 40 und 41. Die Ausgangssignale der Verstärker 40 und 41 werden zugleich an einen Phasenkomparator oder -vergleicher 38 als auch an einen Amplitudenvergleicher 39 gegeben. Da die Phasendifferenz oder das Amplitudenverhältnis der an die Verstärker 40 und 41 angelegten Signale gemessen wird, ist es klar, daß der Masseanschluß für die im Bohrloch befindliche elektronische Schaltung in F i g. 5 an die umhüllende Patrone erfolgen kann, wie dargestellt. Das bedeutet, daß jeglicher Fehler in diesem geerdeten Bezugspotential einen sehr geringen, wenn überhaupt einen Einfluß auf die Messungen haben wird.
Was den Phasenvergleicher 38 angeht, so werden die Ausgangssignale von den Verstärkern 40 und 41 jedes für sich angelegt an ein Paar von Spannungsbegrenzern 42 und 43, die dazu dienen, die Spannungshöhe der von den Verstärkern 40 und 41 kommenden Signale bei einer gewünschten gleichbleibenden Spannung zu halten. Die Ausgangssignale von den Spannungsbegrenzern 42 und 43 werden einem phasenempfindlichen Detektor 44 zugeführt, wobei das Signal von einem der Spannungsbegrenzer als Bezugsphase

für das andere Signal wirkt. Da die Spannungsbegrenzer 42 und 43 Ampliludcnändcrungen von dem zu dem phasenempfindlichen Detektor 44 zugeführten Signalen entfernen, führt der phasenempfindliche Detektor 44 ein sich änderndes Glcichstrom-Ausgangssignal zur Erdoberfläche, das proportional ist der Phasendifferenz I Φ zwischen den beiden von den Meßelektroden Ai₁ und M₂ aufgenommenen Signalen.

Im Amplitudenverglcichcr 39 werden die von den Verstärkern 40 und 41 kommenden Ausgangssignale durch ein Paar von Gleichrichtern 45 und 46 geschickt und dann als gleichgerichtete Ausgangssignalc einer Ratio- oder Verhältnisschaltung 47 zugeführt, die das Verhältnis der beiden eingegebenen Signale nimmt. Das sich daraus ergebende Alisgangssignal der Ratiooder Verhältnisschaltung 47 ist somit ein sich änderndes Glcichstromsignal proportional dem Verhältnis V_MJV_M . Sowohl die Amplituden- als auch die Phascnsignale werden zur Erdoberfläche geführt, um Anzeigen für die elektrische Leitfähigkeit der die Sondenanordnung umgebenden Informationen zu erhalten. Der Vcrgieicher 26 von F i g. 3 kann so aufgebaut sein, wie der Phasen- oder Amplitudcnvcrgleichcr 38 oder 39 von F i g. 5.

Dort ist noch eine andere Sache zu beachten, und zwar der Einfluß der reflektierten Wellen auf die Messungen. Reflektierte Wellen sind an Begrenzungen, wie z. B. Schichtftächengrenzcn, zurückgeworfene elektromagnetische Wellen. Dieses Problem der reflektierten Wellen bereitet besondere Schwierigkeiten in Verbindung mit der Untersuchung der invasionsfreien Zone wegen des längeren Scndcr-Empfänger-Spacings oder -abstandcs L_lr in diesem Falle, was somit Anlaß gibt zu zu lang gemessenen Tiefenabständen, die fehlerhaft sein können. Aber auch bei der Invasionszonenuntersuchung können Schwierigkeiten hinsichtlich reflektierter Wellen auftreten. Dieses Problem der reflektierten Wellen ist in F i g. 1 dargestellt, wo eine einfallende elektromagnetische Welle H, gezeigt ist, die sich gegen eine Schleiffläche 13 ausbreitet, und eine reflektierte Welle J/_r, die sich von der Schichtfläche 13 wieder weg ausbreitet.

Wenn die Formationen homogen sind und unter der Annahme, daß die Antennen Spulen sind, die somit magnetische Felder erzeugen, so kann die Beziehung für die magnetische Feldstärke H. ebener Wellen an einer gegebenen Stelle in der Formation ausgedrückt werden als:

wobei a =

1±L

ist und

(8)

Hi — das einfallende Feld,
H_r = das reflektierte Feld und

z' = die Entfernung von der Schichtflächenebene 13 bedeutet.

Es ist festgestellt worden, daß, wenn die zweite Differenz des magnetischen Feldes gemessen wird, die sich der zweiten Ableitung des Feldes annähert, daß die Messung dann im wesentlichen unempfindlich gegenüber der Reflektionswcllenkomponente von Glei-

chung (8) ist. Die zweite Ableitung von Gleichung (8) ergibt sich zu:

U2IL	H.	lim
άζ2	~ ~f	IZ.->
	=

-2Η.

τ- IZ.)+ 1 Η{;

(1L)²

(9)

Der Term rechts von dem letzten Gleichheitszeichen von Gleichung (9) ist lediglich die näherungsweise Definition einer zweiten Ableitung. Der Gleichung (9) kann entnommen werden, daß die Reflektionswellenkomponcntc des magnetischen Feldes an einer gegebenen Stelle vernachlässigt werden kann durch Anordnung zweier Empfänger mit Werten von jeweils +1 in einer Entfernung 1L von dem Haupt-Zentralempfängcr mit einem Wert von — 2. Um ein gutes Maß dieser zweiten Differenz zu schaffen, sollte das Spacing oder der Abstand IL zwischen den Empfängern verhältnismäßig kurz sein im Verhältnis zu einer Skin-Tiefc. Die Beziehung für die Konduktivität oder elektrische Leitfähigkeit σ ist abgeleitet von der Gleichung (9):

-2H₁ + //(ζ- id+

Während die Gleichungen (9) und (10) für ein homogenes Medium und den Fall ebener Wellen gelten, können die Feldgleichungen für sphärische Wellen und inhomogene Medien in der gleichen Weise geschrieben werden, und die zweite Ableitung einer solchen Gleichung kann zur Bestimmung der Spacings oder Abstände und Werte der verschiedenen Empfänger dienen. Die gleiche Betrachtung gilt auch für die elektrischen Feldgrößen, d. h. die Elektroden.

In F i g. 6 ist ein gemäß den Beziehungen der Gleichungen (9) und (10) konstruiertes Gerät gezeigt. Dieses Gerät umfaßt eine Spulenanordnung mit Spulen R₉, R₁₀ undR_n in einem Bohrloch 50, die gemäß Gleichung (9) angeordnet sind. Die Empfänger R₉ und /?n sind an entgegengesetzten Seiten der zentralen Spule Rk, angeordnet, die doppelt so viel Windungen wie die Spulen R₉ und R₁₁ hat, um die Bewertungsfaktoren 2, 1 und 1 zu schaffen. Die Spulen R₉ und R_u sind in Reihenschaltung und die zentrale Spule R₁₀ in einer Gcgenreihenschallung zu den Spulen R₉ und Rn angeordnet. Somit hat jede der Spulen R₉ und R₁₁ einen Wert von + 1 und die Spule Rj₀ einen Wert von — 2, um Gleichung (9) zu genügen. Die in Reihe geschallcte Spulenanordnung ist an einen Verstärker und Gleichrichter 51 angeschlossen, der ein dem Zähler von Gleichung (10) proportionales Signal gibt. Um ein dem Nenner von Gleichung (10) proportionales Signal zu erhalten, wird die in die mittlere oder zentrale Empfängerspule R₁₀ induzierte Spannung, die proportional ist 2 H₁, an einen Verstärker und Gleichrichter 52 angelegt, der für eine Ausgangsspannung proportional 2 H. sorgt. Dieses Ausgangssignal wird

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dann durch ein Bewertungsnetzwerk 53 mit einem konstanten Faktor

bewertet, um ein Signal proportional dem Nennerterm von Gleichung (10) zu schaffen. Die Ausgänge von der Verstärker- und Gleichrichterschaltung 51 und dem Bewertungsnetzwerk 53 werden einer Ratio - oder Verhältnisschaltung 54 zugeführt, die ein der Konduktivität oder elektrischen Leitfähigkeit n gemäß Gleichung (lO)proportionalesAusgangssignalzur Erdoberfläche gibt. Wenn gewünscht, kann statt der Reihenschaltung der bewerteten Spulen R₉₇R₁₀UiId R_n diese Bewertung elektronisch erreicht werden durch ein Bewertungsnetzwerk. Wenn die Antennen Elektroden sind, kann die Bewertung auch erreicht werden mit geeigneten elektronischen Netzwerken.

Wie somit zu erkennen ist, lehrt die vorliegende Erfindung eine gegenüber dem bekannten Stand der Technik vollständig unterschiedliche Technik für die Untersuchung von Erdformationen. Während die vorliegende Erfindung elektromagnetische Energie für die Untersuchung unterirdischer Erdformationen verwendet, ist sie vollständig verschieden von den früheren statischen oder quasi statischen elektromagnetischen Untersuchungstechniken, und zwar insofern, als die Arbeitsfrequenz erhöht wird bis zu einem Punkt, wo die statische und quasi statische Feldtheorie nach den vorbekannten Induktionslog- und Elck-Irodenlog-Untersuchungssystemen sich nicht langer anwenden läßt. Stattdessen ist die Wellenlänge und -> die Skin-Tiefe der Frequenz bis zu einem Punkt verringert, wo die dynamische Feld theoriezur Anwendung kommt und sich die elektromagnetische Welle durch die Formationen fortpflanzt. Dann kann durch Messung einer oder beider Fortpflanzungskonstanten,

ίο d. h. der Dämpfungskonstante oder der Phasenkonstante, die Skin-Tiefe und somit die Konduktivität oderelcktrische Leitfähigkeit der benachbarten Formationen bestimmt werden.

Durch passende Wahl der Konstanten des Unter-

i^r> suchungssystems, d.h. der Antennen-Spacings- oder -abstände und der Frequenz, können gewünschte radiale und vertikale Lösungen verwirklicht werden, die die Untersuchung jeder interessierenden Formationszone gestatten. In den obigen Beispielen ist ebenso gezeigt, wie die geeigneten Spacings oder Abstände und die Frequenz für die Untersuchung der Invasionszone und der invasionsfreien Zone auszuwählen sind. Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung kann selbstverständlich jegliche andere Zone oder Kombi-

>·> nation von interessierenden Zonen durch geeignete Auswahl der Spacings und der Frequenz in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung untersucht werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Geophysikalische Bohrlochmeßeinrichtung zum Untersuchen bohrlochdurchteufter Erdformationen mit einer durch das Bohrloch bewegbaren Sonde, die eine Sendeantenne und wenigstens zwei voneinander im Abstand liegende Empfangsantennen mit nachgeschalteten Meß- und Auswerteeinrichtungen aufweist, und mit einer Generatoreinrichtung zum Speisen der Sendeantenne mit hochfrequenter elektromagnetischer Energie, die in die umgebenden Erdformationen abgestrahlt wird, wobei eine Frequenz gewählt ist, bei der sich die Strahlungsenergie zumindest in der Invasionszone ausbreitet, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Abstand (L_(r) zwischen Sendeantenne (T) und dem Mittelpunkt des Abstandes (. 1 /) zwischen den Empfangsantennen (R 4, R5) beträgt mindestens das ^fache des Bohrlochdurchmessers und ist mindestens halb so groß wie die maximale »Skin-Tiefe« der Invasionszone;

b) der Abstand (AL) zwischen den Empfangsantennen (R4, RS) ist geringer als das 3fache der minimalen »Skin-Tiefe«;

c) die Meß- und Auswerteeinrichtungen (25 bis 26,51 bis 54) sind solche, die für das Bestimmen von Phasen- und/oder Amplitudengradienten an sich bekannt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Schaltkreise zum Erregen der Sendeantenne (T) mit variabler Frequenz, durch an die Empfangsantenne (R) angeschlossene Schaltkreise zur Messung mindestens eines Faktors der Ausbreitungskonstanten mindestens eines Teils der das Bohrloch (19) umgebenden Erdformation (21) zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals (38 a), durch auf dieses Ausgangssignal ansprechende Schaltkreise (38) zur Erzeugung eines Regelsignals zum Nachregeln der variablen Frequenz derart, daß der gemessene Ausbreitungskonstantenfaktor auf einem gewünschten Wert gehalten wird, und durch auf das Regelsignal ansprechend ausgebildete Schaltkreise (29) zum Erzeugen eines entsprechenden Meßwertes für die Leitfähigkeit der das Bohrloch umgebenden Erdformation.