DE69206963T2

DE69206963T2 - Verfahren und Gerät zur Bohrlochmessung mit ringförmigen und azimuthalen Elektroden

Info

Publication number: DE69206963T2
Application number: DE69206963T
Authority: DE
Inventors: Bronislaw Seeman
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 1991-11-28
Filing date: 1992-11-25
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: EG19716A; MY109509A; JP3133845B2; FR2684453B1; JPH06273537A; NO924600D0; NO303418B1; US5396175A; ATE131937T1; OA09624A; FR2684453A1; NO924600L; DE69206963D1; DK0544583T3; AU2969892A; ZA929226B; EP0544583B1; AU664395B2; DZ1635A1; EP0544583A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Bohrloch-Untersuchung für das Abschätzen des spezifischen Widerstandes von Erdformationen, durch die ein Bohrloch verläuft, und insbesondere auf ein elektrisches Logverfahren und eine elektrische Logvorrichtung unter Verwendung von Elektroden.
Eine Bohrloch-Logvorrichtung mit Elektroden, die im Handel über lange Jahre erhältlich gewesen ist und bekannt ist unter dem Namen "Dual-Laterolog", ist im US-Patent 3 772 589 (Scholberg) beschrieben. Diese Vorrichtung umfaßt eine Matrix von ringförmigen Elektroden, verwendet für das Aussenden von elektrischen Meßströmen in die Formationen zwecks Messung von deren spezifischem Widerstand. Die Meßströme werden in einer ringförmigen Zone mit der Form einer Scheibe senkrecht zu der Bohrlochachse mittels Hilfsströmen fokussiert, die von überwachungselektroden emittiert werden. Jene Vorrichtung umfaßt die Messung des spezifischen Tiefenwiderstandes der Erdformationen (LLd-Modus) und die Messung des flacheren spezifischen Widerstandes der Erdformationen (LLs- Modus) durch Emittieren von Strömen bei unterschiedlichen Frequenzen, typischerweise 35 Hz und 280 Hz.
Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist, daß ihre Längsauflösung (d.h. in der Längsrichtung des Bohrlochs) schlecht ist, nämlich etwa ein Meter. Zusätzlich umfaßt in einigen Fällen und insbesondere bei Bohrlöchern, die abgeknickt oder horizontal sind, die von der Vorrichtung rings um das Bohrloch abgetastete Zone unterschiedliche Schichten von Erdformation und liefert eine mittlere Messung, die wenig Aussagekraft hat. Es ist deshalb wünschenswert, Messungen des spezifischen Widerstandes in einer Mehrzahl von azimuthalen Richtungen rings um das Bohrloch zu gewinnen.
Logvorrichtungen sind bekannt, die den spezifischen Widerstand von Formationen in einer Mehrzahl von azimuthalen Richtungen rings um die Achse des Bohrlochs erfassen. Jene Komponenten suchen, Information über Frakturen oder über die Schräglage von Formationen zu gewinnen. Beispielsweise beschreibt das britische Patent 928 583 (British Petroleum Company Limited) eine Matrix von azimuthalen Meßelektroden, die in Umfangsrichtung rings um die Peripherie einer Logsonde verteilt sind. Eine Überwachungselektrode, welche die Meßelektroden umschließt, ermöglicht, einen Hilfsstrom für das Fokussieren der von jeder der Meßelektroden emittierten Ströme zu emittieren.
Eine Schwierigkeit mit jenen Vorrichtungen ist das Gewinnen einer effektiven Fokussierung der azimuthalen Meßströme.
Die radiale Untersuchungstiefe, gewonnen mit azimuthalen Elektroden, ist generell kleiner als jene, die man mit einer Tieflaterolog- Vorrichtung vom bekannten Typ erhält. Es ist deshalb wünschenswert, konventionelle Tiefenlaterologmessungen zusätzlich zu azimuthalen Messungen des spezifischen Widerstandes zu gewinnen.
Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Technik des Loggens mit Elektroden vorzuschlagen, die konventionelle Tiefenmessungen des spezifischen Widerstandes ermöglicht gleichzeitig mit azimuthalen Messungen des spezifischen Widerstandes.
Eine solche Kombination von Messungen wirft verschiedene Probleme auf. Zum ersten ist es wünschenswert, die Charakteristiken von konventionellen Tiefenmeßvorrichtungen des spezifischen Widerstandes beizubehalten. Zusätzlich sollte der Einfluß jedes Typs von Messung auf den anderen so gering wie möglich reduziert sein. Während schließlich die Qualität der Fokussierung bei der Tiefenmessung beibehalten wird, ist es wichtig, eine wirksame Fokussierung für azimuthale Messungen zu erhalten.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Kombination von Tiefenmessungen des spezifischen Widerstandes und azimuthalen Messungen des spezifischen Widerstandes zu schaffen, was die Lösung der obigen Probleme ermöglicht.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer Technik des Loggens mit Elektroden, die Messungen des spezifischen Widerstandes mit hoher Auflösung liefert.
Unter einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Abschätzen des spezifischen Widerstandes von Erdformationen mit einem durch sie verlaufenden Bohrloch die Schritte: Emittieren eines ersten elektrischen Meßstromes in die Formationen über eine ringförmige Stromelektrode, die auf einem langgestreckten Korpus angeordnet ist, der längs des Bohrlochs beweglich ist; Fokussieren des ersten Meßstromes mittels elektrischer Hilfsströme, die von Überwachungselektroden emittiert werden, welche in Längsrichtung auf dem Korpus auf einander abgekehrten Seiten der ringförmigen Stromelektrode angeordnet sind, wobei eine ausgewählte der Überwachungselektroden zwei längs beabstandete Abschnitte aufweist; Erzeugen eines ersten Ausgangssignals, das repräsentativ ist für den spezifischen Widerstand der Formationen in Reaktion auf den ersten Meßstrom; Emittieren zweiter elektrischer Meßströme in die Formationen über eine Matrix von azimuthalen Stromelektroden, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und auf dem Korpus zwischen den beiden Abschnitten der ausgewählten Überwachungselektrode angeordnet sind; Fokussieren der zweiten Meßströme in Längsrichtung mittels Hilfselektrodenströmen, emittiert von den beiden Abschnitten der ausgewählten Überwachungselektrode; und Erzeugen zweiter Ausgangssignale, die repräsentativ sind für den spezifischen Widerstand der Formationen in einer Mehrzahl von Richtungen rings um das Bohrloch in Reaktion auf die zweiten Meßströme.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Ausgangssignal ein Tiefensignal (Ra) des spezifischen Widerstandes, repräsentativ für das Verhältnis des Potentials (Vo), erfaßt an der ringförmigen Überwachungselektrode, dividiert durch den Strom (Io), emittiert von der ringförmigen Stromelektrode. Die zweiten Ausgangssignale sind azimuthale spezifische Widerstandssignale (Razi), von denen jedes repräsentativ ist für das Verhältnis des Potentials (Vazi), erfaßt an einer überwachungselektrode, dividiert durch den Strom (Iazi), emittiert von einer azimuthalen Stromelektrode. Zusätzlich wird ein zusätzliches Ausgangssignal (Rhr) erzeugt, das eine Funktion der Summe der azimuthalen Ströme (Iazi) ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung für das Abschätzen des spezifischen Widerstandes von Erdformationen, durch die ein Bohrloch verläuft: einen langgestreckten, längs des Bohrlochs verlagerbaren Korpus; eine ringförmige, auf dem Korpus angeordnete Stromelektrode; Überwachungselektroden, die auf dem Korpus auf einander abgekehrten Seiten der ringförmigen Stromelektrode angeordnet sind; Mittel für das Emittieren eines ersten elektrischen Meßstromes über die Stromelektrode; Mittel für das Emittieren von elektrischen Fokussierungsströmen über die Überwachungselektroden; und Mittel, die auf den ersten Meßstrom reagieren zum Erzeugen eines ersten Ausgangssignals, das repräsentativ für den spezifischen Widerstand der Formationen ist. Eine ausgewählte der Überwachungselektroden umfaßt zwei längs beabstandete Abschnitte und eine Matrix von azimuthalen Stromelektroden, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und zwischen den beiden Abschnitten der ausgewählten Elektrode angeordnet sind. Zusätzlich umfaßt die Vorrichtung Mittel für das Emittieren zweiter elektrischer Meßströme von den azimuthalen Stromelektroden, und Mittel, die auf die zweiten Meßströme reagieren zum Erzeugen zweiter Ausgangssignale, die für den spezifischen Widerstand der Formationen in einer Mehrzahl von Richtungen rings um das Bohrloch repräsentativ sind.
Die Überwachungselektroden umfassen vorzugsweise erste (A1, A'1) und zweite (A2, A'2) Paare von ringförmigen Elektroden, wobei das zweite Paar von Überwachungselektroden auf einander abgekehrten Seiten des ersten Paares angeordnet ist. Die ausgewählte Überwachungselektrode ist dann eine der Elektroden in dem zweiten Paar (A2, A'2). Da beide Abschnitte der ausgewählten Überwachungselektrode sich über eine relativ große Distanz auf einander abgekehrten Seiten der azimuthalen Elektroden erstrecken, erhält man eine effektive Fokussierung der Azimuthalströme.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung eines nicht als beschränkend zu verstehenden Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
Figur 1 eine Logvorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Elektrodensonde, aufgehängt in einem Bohrloch, zeigt;
Figur 2 eine Konfiguration von azimuthalen Elektroden, verwendet bei der Sonde nach Figur 1, zeigt; und
Figuren 3A und 3B Schaltungsdiagramme sind der untertägigen Schaltkreise bzw. der übertägigen Schaltkreise in der Logvorrichtung nach Figur 1.
Gemäß Figur 1 umfaßt eine Logvorrichtung für das Abschätzen des spezifischen Widerstandes von Erdformationen 10, durch die ein Bohrloch 11 verläuft, eine Sonde 12, die in dem Bohrloch am Ende eines Mehrleiterkabels 13 aufgehangen ist. Das Kabel 13 läuft über eine Leitrolle 14 und wird auf eine Winde 15 aufgewickelt, um die Sonde 12 längs des Bohrlochs zu bewegen. Die Winde 15 bildet einen Teil einer übertägigen Einheit 16.
Die Sonde 12 hat vier endseitig aneinander befestigte Abschnitte, um so einen langgestreckten Korpus 17 zu bilden. Der obere Abschnitt 20 ist ein abgedichtetes Metallgehäuse, das elektrische Schaltkreise enthält, welche weiter unten in größeren Einzelheiten beschrieben werden. Ein erster Zwischenabschnitt 21 umfaßt einen rohrförmigen Korpus 22, der eine Matrix 23 von azimuthalen Elektroden trägt, die im Umfangsabstand entfernt voneinander angeordnet sind. Ein zweiter Zwischenabschnitt 24, befestigt am Boden des ersten Zwischenabschnitts 21, trägt ringförmige Elektroden, verwendet für die konventionellen Messungen vom Laterologtyp. Ein unterer Abschnitt 25 umfaßt einen Metallkorpus 26 mit vier Zentralisierschuhen 27, die ausgebildet sind, um an der Wandung des Bohrlochs 11 unter der Antriebswirkung von Blattfedern 28 anzuliegen. Ein Meßschuh 30, angelenkt an das bodenseitige Ende eines der Zentralisierschuhe 27, wird von einer individuellen Feder 31 gegen die Bohrlochwandung gedrückt. Dieser Meßschuh 30 ist mit konventionellen Elektroden versehen, um konventionelle, sphärisch fokussierte Mikromessungen des spezifischen Widerstandes auszuführen.
Die Sonde 12 umfaßt eine erste Matrix von ringförmigen Elektroden für die Ausführung der Dual-Laterologtechnik, beschrieben in US- Patent 3 772 589 (Scholberg). Wie in jenem Patent beschrieben, trägt der Zwischenabschnitt 24 eine zentrale Elektrode Ao, ein erstes Paar von Monitorelektroden M1, M'1, die miteinander verbunden sind und auf einander abgekehrten Seiten der Elektrode Ao angeordnet sind, ein zweites Paar von Monitorelektroden M2, M'2, die auf einander abgekehrten Seiten des Paares M1, M'1 angeordnet sind, und ein erstes Paar von Überwachungselektroden A1, A'1, die miteinander verbunden sind und auf einander abgekehrten Seiten des Paares M2, M'2 angeordnet sind. Die Sonde umfaßt auch ein zweites Paar von Überwachungselektroden A2, A'2, die miteinander verbunden sind, wobei die Überwachungselektrode A2 durch den Korpus 22 des Zwischenabschnitts 21 gebildet ist, während die überwachungselektrode A'2 von dem Korpus 26 des unteren Abschnitts 25 gebildet wird.
In der Dual-Laterologtechnik wird der spezifische Widerstand der Formationen bei zwei unterschiedlichen radialen Untersuchungstiefen gemessen durch Aussenden elektrischer Ströme bei zwei unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2. Für die flache Messung (LLs-Modus) wird ein Meßwechselstrom bei einer ersten Frequenz f1 (beispielsweise 280 Hz) von der Zentralelektrode Ao emittiert, welcher Meßstrom fokussiert wird durch einen Hilfsstrom, ausgesandt zwischen dem Paar von Elektroden A1, A'1 und dem Paar von Elektroden A2, A'2. Bezüglich weiterer Details wird Bezug genommen auf das oben erwähnte Scholberg-Patent.
Für die Tiefenmessung im LLd-Modus wird ein Wechselstrom bei einer niedrigen Frequenz f2 (beispielsweise 35 Hz) verwendet, ebenfalls von der Elektrode Ao emittiert. Dieser Meßstrom wird fokussiert durch Hilfsströme gleicher Frequenz, emittiert von den Elektroden A1, A'1 und A2, A'2. Die Hilfsströme werden gesteuert durch eine Rückkopplungsschleifenschaltung, die die Potentialdifferenz zwischen den beiden Paaren von Elektroden M1, M'1 und M2, M'2 im wesentlichen bei Null hält. Der Meßstrom wird demgemäß in einer Zone gehalten, die scheibenförmig ist und senkrecht zu der Achse des Bohrlochs. Diese vorbekannte Technik wird durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet zum Gewinnen von Meßsignalen vom LLd-Typ. Ein Abschnitt der in Figuren 3A und 3B gezeigten Schaltungen führt die für solche LLd-Modusmessung erforderlichen Funktionen aus.
Zusätzlich zu den Elektroden, die ihr ermöglichen, die konventionellen Messungen im LLd- und LLs-Modus auszuführen, umfaßt die Vorrichtung der Figur 1 eine Matrix 23 von azimuthalen Elektroden und anderen Elektroden, die in größeren Einzelheiten in Figur 2 gezeigt sind.
Figur 2 zeigt den Zwischenabschnitt 21 der Sonde. Der rohrförmige, metallische Korpus 22 dieses Abschnitts bildet eine Elektrode A2, die einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt hat. Zwischen den beiden Abschnitten der Elektrode A2 trägt ein isolierter zentraler Abschnitt ein Paar von ringförmigen Monitorelektroden M3 und M4, die elektrisch miteinander verbunden sind. Zwischen den beiden ringförmigen Elektroden M3 und M4 befindet sich eine Matrix 23 von zwölf azimuthalen Stromelektroden Aazi, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind, wobei i ein Index im Bereich 1 bis 12 ist. Jede der azimuthalen Stromelektroden ist im wesentlichen rechteckig geformt und langgestreckt in Längsrichtung, isoliert von dem Korpus und umschließt eine azimuthale Monitorelektrode Mazi. Jede azimuthale Monitorelektrode Mazi ist sowohl relativ zu dem Korpus als auch relativ zu der Elektrode Aazi isoliert, welche sie umschließt. Außerdem ist sie im wesentlichen in der Form eines Rechtecks und sie erstreckt sich über nahezu die gesamte Länge der zugeordneten Stromelektrode.
In der beschriebenen Ausführungsform befinden sich die ringförmigen Monitorelektroden M3 und M4 zwischen den Abschnitten der Elektrode A2 und der Matrix 23 azimuthaler Elektroden. Diese Monitorelektroden könnten auch innerhalb jedes Abschnitts der Elektrode A2 angeordnet sein, so daß der obere Abschnitt der Elektrode A2 sich unterhalb der Elektrode M4 erstreckt und der bodenseitige Abschnitt der Elektrode A2 sich über der Elektrode M3 erstreckt.
Um Messungen des spezifischen Widerstandes in einer Mehrzahl von Richtungen rings um das Bohrloch zu erzielen, werden elektrische Ströme in die Formationen von den azimuthalen Stromelektroden Aazi emittiert. Diese Ströme werden in Längsrichtung und azimuthaler Richtung fokussiert mittels eines aktiven Rückkopplungsschleifensystems oder Regelsystems, das die azimuthale Monitorelektrode Mazi, die ringförmigen Monitorelektroden M3 und M4 und die beiden Abschnitte der Überwachungselektrode A2 umfaßt. Für Längsfokussierung wird ein Hilfsstrom von der Elektrode A2 emittiert. Zusätzlich bewirkt das System für die Regelung der azimuthalen Meßströme gegenseitige azimuthale Fokussierung zwischen den Strömen.
Es hat sich erwiesen, daß die passive Fokussierung von Vorrichtungen nach dem Stand der Technik erheblich gestört werden kann durch die Differenzen in der Elektrodenkontaktimpedanz. In früher beschriebenen Vorrichtungen, in denen azimuthale Elektroden verwendet wurden, werden die Suchstromelektroden und die Überwachungselektroden auf demselben Potential gehalten, um die Meßströme zu fokussieren. Wenn die Elektroden in das Fluid des Bohrlochs eingetaucht sind, wird beobachtet, daß die Kontaktimpedanzen dieser Elektroden untereinander sehr unterschiedlich sein können. Während der Strom emittiert wird, ist das Potential einer Stromelektrode nicht mehr gleich dem Potential des Bohrlochfluids ihr gegenüber, sondern ist auf einem Potential, das einen Fehler enthält, der eine Funktion des Produkts des emittierten Stromes, multipliziert mit der Kontaktimpedanz, ist. Dieser Fehler im Potential der Stromelektrode kann die Fokussierung des Meßstromes verschlechtern.
Dieses Phänomen ist besonders störend mit einer Mehrzahl von Meßströmen, die in Umfangsrichtung rings um die Bohrlochachse gerichtet sind.
Bei der Vorrichtung nach Figuren 1 und 2 wird die Emission der azimuthalen Meßströme Iazi so gesteuert, daß die Potentialdifferenz zwischen jeder azimuthalen Monitorelektrode Mazi und dem Satz von elektrisch miteinander verbundenen ringförmigen Monitorelektroden M3, M4 bei im wesentlichen Null liegt. Die azimuthalen Messungen des spezifischen Widerstandes werden erhalten durch Verwenden der Verhältnisse Vazi/Iazi des Potentials Vazi einer der ringförmigen Monitorelektroden M3, M4, dividiert durch die azimuthalen Meßströme Iazi. In dem allgemeinen Falle ist jede azimuthale Messung des spezifischen Widerstandes eine Funktion des Verhältnisses des Potentials, erfaßt an einer azimuthalen Monitorelektrode Mazi, dividiert durch den Strom, emittiert durch die zugeordnete azimuthale Stromelektrode Aazi. In dem beschriebenen Beispiel kann das Potential (Vazi) bei irgendeiner der Monitorelektroden Mazi, M3 oder M4 erfaßt werden.
Die untertägigen und übertägigen Schaltungen der Vorrichtung sind diagrammartig in Figuren 3A und 3B gezeigt.
Wie in Figur 3A gezeigt, befinden sich die untertägigen Schaltkreise in den Abschnitten 20 und 21. Die oben beschriebenen Elektroden sind diagrammartig rechts in der Figur wiedergegeben mit nur einer Elektrode Mazi und nur einer Elektrode Aazi, um die Beschreibung zu vereinfachen.
Ein Wechselstrom It mit einer Frequenz von 35 Hz wird über einen oder mehrere Leiter 40 des Kabels 13 von über Tage zur untertägigen Sonde gesandt. Dieser Gesamtstrom It wird unter Tage mittels eines Serienwiderstandes 41 niedrigen Widerstandswertes erfaßt, dessen Klemmen mit einem Verstärker 42 verbunden sind, gefolgt von einem Bandpaßfilter 43, das auf die Frequenz von 35 Hz zentriert ist. Die Phase des Gesamtstromes It wird ebenfalls erfaßt mittels eines Phasendetektorkreises 44. Untertägige Messung des Gesamtstromes It und Erfassung seiner Phase machen es möglich, irgendwelche Verzerrungen zu ignorieren, die durch die Übertragung längs des Kabels 13 eingeschleppt worden sein könnten. Ein Teil des Gesamtstromes wird über einen Leiter 45 an die Elektroden A2 und A'2 angelegt, die elektrisch miteinander verbunden sind über Kupferstäbe 46 sehr niedrigen Widerstandswertes. Wie unten erläutert, fließt der Gesamtstrom zwischen den Stromelektroden und einer entfernten Elektrode B, die sich über Tage befindet.
Die Vorrichtung umfaßt Schaltkreise, verwendet für den Betrieb im LLs-Modus, mit einem Wechselstrom bei 280 Hz. Diese Schaltkreise sind in Figur 3A nicht gezeigt, um die Beschreibung zu vereinfachen. Fachleute werden keine Schwierigkeit haben, solche Schaltkreise zu Figuren 3A und 3B hinzuzufügen unter Berücksichtigung der detaillierten Beschreibung derselben in dem oben erwähnten Scholberg-Patent. In konventioneller Weise leifern diese Schaltkreise ein Signal flachen spezifischen Widerstandes, das über Tage als eine Funktion der Tiefe aufgezeichnet wird. Die vorliegende Beschreibung wird deshalb beschränkt auf die Beschreibung der Schaltkreise, die im Niederfrequenzmodus bei 35 Hz arbeiten.
Ein Teil der in Figur 3A gezeigten Schaltkreise ist der konventionellen Messung im LLd-Modus zugeteilt.
Eine Rückkopplungsschleife hält die Potentialdifferenz zwischen den Paaren von Monitorelektroden M1, M'1 und M2, M'2 im wesentlichen bei Null, um so den von der Elektrode Ao emittierten Meßstrom zu fokussieren. Die Monitorelektroden M1 und M2 sind mit einer ersten Primärwindung eines Differentialtransformators 50 verbunden und die Monitorelektroden M'1 und M'2 sind mit einer zweiten Primärwicklung desselben Transformators verbunden. Die Sekundärwicklung des Transformators 50 ist mit den Eingängen eines Breitbandfilterkreises 51 verbunden, das einen hohen Verstärkungsfaktor aufweist und mit seinem Ausgang angelegt ist an die Primärwicklung eines Transformators 52. Ein Ende der Sekundärwicklung des Transformators 52 ist mit der Elektrode Ao verbunden und das andere Ende derselben ist mit einem Ende der Primärwicklung eines Meßtransformators 53 verbunden, deren anderes Ende mit den überwachungselektroden A1, A'1 verbunden ist, die untereinander über einen Kupferstab 54 kurzgeschlossen sind. Die Sekundärseite des Meßtransformators 53 ist mit einem Verstärker 55 verbunden, dessen Ausgang an ein Bandpaßfilter, zentriert auf die Frequenz von 35 Hz, angelegt ist. Der Ausgang des Filters 56 liefert ein Wechselsignal, das den Strom 10, emittiert von der Elektrode Ao, repräsentiert.
Eine andere Rückkopplungsschleife schließt die Überwachungselektroden A1, A'1 und A2, A'2 bei der Frequenz von 35 Hz kurz. Ein Paar von miteinander verbundenen Monitorelektroden A1*, A'1* ist in der Nähe der Überwachungselektroden A1, A'1 angeordnet. Ein anderes Paar von miteinander verbundenen Monitorelektroden ist in der Nähe der Überwachungselektroden A2, A'2 angeordnet. Diese beiden Paare von Elektroden sind mit dem Eingang eines hochverstärkenden Differentialverstärkerkreises 60 verbunden einschließlich einer Filterfunktion bei der Frequenz von 35 Hz und mit dem Ausgang angelegt an die Primärwicklung eines Transformators 61. Die Sekundärwicklung des Transformators 61 ist zwischen die Überwachungselektrode A'1 und die Überwachungselektrode A'2 gelegt.
Eine der Monitorelektroden M1 oder M2, in diesem Falle M2, ist mit dem Eingang eines Meßverstärkers 62 verbunden, dessen anderer Eingang mit der Armierung des Kabels verbunden ist, die als eine entfernte Referenzelektrode N dient. Der Ausgang des Verstärkers 62 wird angelegt an ein Bandpaßfilter 63, zentriert auf die Frequenz von 35 Hz, dessen Ausgang ein Wechselsignal liefert entsprechend der Potentialdifferenz Vo zwischen der Elektrode M2 und der Elektrode N.
Die oben beschriebenen Schaltkreise führen die Funktionen aus, erforderlich für den LLd-Betriebsmodus, wie in dem Scholberg-Patent beschrieben.
Die Vorrichtung, die in Figur 3A gezeigt ist, umfaßt auch Schaltkreise für das Erzeugen eines azimuthalen Signals des spezifischen Widerstandes. Die kurzgeschlossenen ringförmigen Monitorelektroden M3 und M4 sind verbunden mit dem Eingang eines Meßverstärkers 64, dessen anderer Eingang mit der Referenzelektrode N auf der Kabelarmierung verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 64 wird an ein Bandpaßfilter, zentriert auf die Frequenz von 35 Hz, angelegt, das ein Wechselsignal Vazi liefert, das repräsentativ ist für die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden M3, M4 und der Referenzelektrode N.
Jede azimuthale Monitorelektrode Mazi ist verbunden mit dem Eingang eines hochverstärkenden Differentialverstärkerkreises 68i, der auch eine Filterfunktion bei 35 Hz besitzt. Der andere Eingang jeder Schaltung 68. ist mit den ringförmigen Monitorelektroden M3, M4 verbunden und ihr Ausgang wird an eine Stromquelle 69i angelegt, gebildet von einem Spannungsstromumsetzer. Der Ausgangsstrom von der Quelle 69i wird zwischen der Überwachungselektrode A2 und der azimuthalen Stromelektrode Aazi entsprechend der in Rede stehenden Monitorelektrode Mazi angelegt. Diese Schleife steuert jeden der azimuthalen Ströme Iazi derart, daß die Potentialdifferenz zwischen M3, M4 und der entsprechenden azimuthalen Monitorelektrode bei Null gehalten wird.
Das Ausgangssignal von dem Schaltkreis 68i wird ferner angelegt an einen Meßverstärker 70i, gefolgt von einem Bandpaßfilter 71i, das auf die Frequenz von 35 Hz zentriert ist, um so ein Wechselsignal Iazi zu liefern, welches repräsentativ ist für den von der azimuthalen Elektrode Aazi emittierten Meßstrom. Wie in gestrichelten Linien in Figur 3A angedeutet, hat die Vorrichtung zwölf identische Kanäle, welche die Meßströme Iazi liefern.
Die Signale Io, Vo, Vazi, lt und die zwölf Signale Iazi werden an einen Multiplexer 73 angelegt, dessen Ausgang an einem Verstärker 74 variabler Verstärkung liegt, und dann an einen Analog-Digital-Umsetzer 75. Die digitalen Ausgänge vom Umsetzer 75 werden an einen Digitalverarbeitungsschaltkreis 76 angelegt, gebildet von einem Digitalsignalprozessor (DSP), der programmiert ist, um eine phasenempfindliche Detektorfunktion (PSD) und eine Tiefpaßfilterfunktion zu erfüllen. Die Phasenreferenz, die erforderlich ist für die Detektorfunktion, kommt vom Schaltkreis 44, um so mit dem untertägigen Gesamtstrom It synchronisiert zu werden. Die Prozessorschaltung 76 liefert auch ein Steuersignal für den Verstärker 74 variablen Verstärkungsfaktors, um so den Dynamikbereich der Eingangssignale zu dem Analog-Digital-Umsetzer 75 zu reduzieren.
Die multiplexierten Digitalsignale, welche die Amplituden der Ströme oder Spannungen Io, Vo, Vazi, It und Iazi repräsentieren, werden an Fernmeßschaltkreise 77 angelegt für die Modulation und Übertragung der Signale zur Oberfläche über das Kabel 13.
Wie in Figur 3B gezeigt, werden die untertägigen Signale empfangen und demoduliert über Tage von dem Fernmeßkreis 80, und sie werden dann in einen Computer 81 eingegeben, bei dem es sich um einen Microvax-Mikrocomputer handeln kann, verkauft von Digital Equipment Corporation beispielsweise. Der Computer 81 demultiplexiert die Signale Io, Vo, Vazi, It und Iazi und berechnet spezifische Formationswiderstandssignale Ra, Rs, Razi und Rhr unter Verwendung der folgenden Gleichunen:
Ra = k&sub1;.Vo/Io
Rs = k&sub2;.Vo/It
Razi = k&sub3;.Vazi/Iazi
Rhr = k&sub4;.Vazi/ΣIazi
worin k&sub1;, k&sub2;, k&sub3; und k&sub4; vorbestimmte Konstanten sind die von der Geometrie der untertägigen Sonde abhängen. Ra ist die Tiefenmessung des spezifischen Widerstandes vom LLd-Typ; Rs ist die Messung des spezifischen Widerstandes der umgebenden Formationen; Razi sind zwölf azimuthale Messungen des spezifischen Widerstandes rings um das Bohrloch; und Rhr, was dem Mittelwert der Leitfähigkeit 1/Rhzi entspricht, ist eine Messung des spezifischen Widerstandes der Formation mit hoher Längsauflösung.
Diese verschiedenen Signale des spezifischen Widerstandes werden als eine Funktion der Tiefe in einem Aufzeichnungsgerät 82 aufgezeichnet, das einen optischen und einen magnetischen Recorder umfassen kann. Vor der Aufzeichnung werden die Signale Razi und Rhr tiefenkorngiert in konventioneller Weise zur Berücksichtigung der Tatsache, daß sie auf der untertägigen Sonde bei einer unterschiedlichen Tiefe von dem Signal Ra und Rs gewonnen wurden.
Eine 35 Hz Stromquelle 83 liefert den Gesamtstrom It über einen oder mehrere Leiter des Kabels 13 und eine Rückführelektrode B, die über Tage plaziert ist. Der Strom lt wird geregelt mittels eines Verstärkers variabler Verstärkung, der ein Steuersignal von dem Computer 81 erhält. Das Steuersignal ist ausgelegt zum Minimieren des Dynamikbereichs der Meßsignale. Ein Beispiel der Minimierung ist in dem Scholberg-Patent gegeben, wo das Produkt Vo.Io konstant gehalten wird.
Die oben beschriebene Ausführungsform kann natürlich verändert oder verbessert werden auf zahlreiche Weise, während sie innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung bleibt, wie durch die folgenden Ansprüche definiert. Insbesondere kann die Matrix der azimuthalen Elektroden mit anderen Logvorrichtungen kombiniert werden, fokussiert durch ringförmige Elektroden, wie beispielsweise ein Laterolog 3, ein Laterolog 9 oder eine Vorrichtung vom sphärischen Fokussiertyp.

Claims

1. Ein Verfahren zum Abschätzen des spezifischen Widerstandes von Erdformationen mit einem durch sie verlaufenden Bohrloch, welches Verfahren die Schritte umfaßt:

Emittieren eines ersten elektrischen Meßstromes (Io) in die Formationen über eine ringförmige Stromelektrode (Ao), die auf einem langgestreckten Korpus angeordnet ist, der längs des Bohrlochs beweglich ist;

Fokussieren des ersten Meßstromes mittels elektrischer Hilfsströme, die von Überwachungselektroden (A2, A'2) emittiert werden, welche in Längsrichtung auf dem Korpus auf einander abgekehrten Seiten der ringförmigen Stromelektrode angeordnet sind, wobei eine ausgewählte der Überwachungselektroden (A2) zwei längs beabstandete Abschnitte aufweist;

Erzeugen eines ersten Ausgangssignals, das repräsentativ ist für den spezifischen Widerstand der Formationen in Reaktion auf den ersten Meßstrom (Io);

Emittieren zweiter elektrischer Meßströme (Iazi) in die Formationen über eine Matrix von azimuthalen Stromelektroden (Aazi), die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und auf dem Korpus zwischen den beiden Abschnitten der ausgewählten Überwachungselektrode (A2) angeordnet sind;

Fokussieren der zweiten Meßströme (Iazi) in Längsrichtung mittels Hilfselektrodenströmen, emittiert von den beiden Abschnitten der ausgewählten Überwachungselektrode (A2); und

Erzeugen zweiter Ausgangssignale, die repräsentativ sind für den spezifischen Widerstand der Formationen in einer Mehrzahl von Richtungen rings um das Bohrloch in Reaktion auf die zweiten Meßströme (Iazi).

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Fokussierens des ersten Meßstromes das Emittieren von elektrischen Hilfsströmen über ein erstes Paar (A1, A'1) und ein zweites Paar (A2, A'2) von Überwachungselektroden umfaßt, wobei das zweite Paar von Überwachungselektroden auf einander abgekehrten Seiten des ersten Paares angeordnet ist, und bei dem die ausgwählte Uberwachungslektrode eine der Elektroden (A2) des zweiten Paares ist.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Fokussierens des ersten Meßstromes die Schritte umfaßt:

Erfassen der Potentialdifferenz, die zwischen einem ersten Paar (M1, M'1) und einem zweiten Paar (M2, M'2) von ringförmigen Monitorelektroden erscheint, die auf dem Korpus zwischen der ringförmigen Stromelektrode (Ao) und den Überwachungselektroden angeordnet sind; und Steuern der Emission von Hilfsströmen derart, daß die erfaßte Potentialdifferenz im wesentlichen bei Null gehalten wird.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt des Erzeugens des ersten Ausgangssignals das Erzeugen eines tiefen spezifischen Widerstandssignals (Ra) als eine Funktion des Verhältnisses (Vo/Io) des Potentials (Vo), erfaßt über einer ringförmigen Monitorelektrode (M1, M'1, M2, M'2), dividiert durch den Strom (Io), emittiert von der ringförmigen Stromelektrode, umfaßt.

5. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schritt der Erzeugung der zweiten Ausgangssignale das Erzeugen eines azimuthalen spezifischen Widerstandssignals (Razi) für jede azimuthale Stromelektrode (Aazi) umfaßt, wobei jedes azimuthale spezifische Widerstandssignal eine Funktion des Verhältnisses (Vaz/Iazi) des Potentials (Vaz), erfaßt auf einer Monitorelektrode (M3, M4), dividiert durch den Strom (Iazi), emittiert von einer der azimuthalen Stromelektroden, ist.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend den Schritt des Erzeugens eines zusätzlichen Ausgangssignals (Rhr) als eine Funktion der Summe der Strömne (Iazi), emittiert von den azimuthalen Elektroden.

7. Vorrichtung für das Abschätzen des spezifischen Widerstandes von Erdformationen, durch die ein Bohrloch (11) verläuft, welche Vorrichtung umfaßt:

einen langgestreckten, längs des Bohrlochs verlagerbaren Korpus (17);

eine ringförmige, auf dem Korpus angeordnete Stromelektrode (Ao);

Überwachungselektroden (A2, A'2), die auf dem Korpus auf einander abgekehrten Seiten der ringförmigen Stromelektrode (Ao) angeordnet sind;

Mittel (50, 51, 52) für das Emittieren eines ersten elektrischen Meßstromes (10) über die Stromelektrode (Ao);

Mittel (60, 61) für das Emittieren von elektrischen Fokussierungsströmen über die Überwachungselektroden (A2, A'2); und

Mittel (81), die auf den ersten Meßstrom (10) reagieren zum Erzeugen eines ersten Ausgangssignals, das repräsentativ für den spezifischen Widerstand der Formationen ist;

welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß eine ausgewählte der Überwachungselektroden (A2) zwei längs beabstandete Abschnitte umfaßt, und daß die Vorrichtung umfaßt:

eine Matrix (23) von azimuthalen Stromelektroden (Aazi), die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und zwischen den beiden Abschnitten der ausgewählten Elektrode (A2) angeordnet sind;

Mittel (68i, 69i) für das Emittieren zweiter elektrischer Meßströme (Iazi) von den azimuthalen Stromelektroden (Aazi); und

Mittel (81), die auf die zweiten Meßströme (Iazi) reagieren zum Erzeugen zweiter Ausgangssignale, die für den spezifischen Widerstand der Formationen in einer Mehrzahl von Richtungen rings um das Bohrloch repräsentativ sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein erstes Paar (A1, A'1) und ein zweites Paar (A2, A'2) von Überwachungselektroden umfaßt, wobei das zweite Paar von überwachungselektroden auf einander abgekehrten Seiten des ersten Paares angeordnet ist, wobei die ausgewählte Überwachungselektrode eine der Elektroden (A2) des zweiten Paares ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Überwachungselektrode die obere Elektrode (A2) des zweiten Paares ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für das Emittieren der Fokussierströme umfassen:

ein erstes Paar (M1, M'1) und ein zweites Paar (M2, M'2) von ringförmigen Monitorelektroden, die auf dem Korpus zwischen der ringförmigen Stromelektrode (Ao) und den Überwachungselektroden angeordnet sind; und

Mittel (50, 51, 52) für das Halten der Potentialdifferenz, erfaßt zwischen dem ersten Paar (M1, M'1) und dem zweiten Paar (M2, M'2) von Monitorelektroden bei im wesentlichen Null.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für das Erzeugen des ersten Ausgangssignals umfassen:

Mittel (62, 63) für das Erfassen des Potentials (Vo) auf einer der ringförmigen Monitorelektroden (M1, M'1, M2, M'2);

Mittel (53, 55, 56) für das Erfassen des von der ringförmigen Stromelektrode (Ao) emittierten Stromes (Io); und

Mittel (81) für das Erzeugen eines tiefen spezifischen Widerstandssignals (Ra) als eine Funktion des Verhältnisses (Vo/Io) des erfaßten Potentials (Vo), dividiert durch den erfaßten Strom (Io).

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für das Erzeugen der zweiten Ausgangssignale umfassen:

Mittel (64, 65) für das Erfassen des Potentials (Vazi), das über einer Monitorelektrode (M3, M4) erscheint;

Mittel (70i, 71i) für das Erfassen der Ströme (Iazi), die von jeder azimuthalen Stromelektrode (Aazi) emittiert werden; und

Mittel (81) für das Erzeugen azimuthaler spezifischer Widerstandsignale (Razi), von denen jedes eine Funktion des Verhältnisses (Vazi/Iazi) des erfaßten Potentials (Vazi), dividiert durch den erfaßten azimuthalen Strom (Iazi), ist, emittiert von einer der azimuthalen Stromelektroden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Mittel (81) für das Erzeugen eines zusätzlichen Ausgangssignals (Rhr) als eine Funktion der Summe der erfaßten azimuthalen Ströme (Iazi) umfaßt.