NO175547B - Apparat for måling av formasjonsparametre rundt et borehull - Google Patents

Description

1. Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat for måling av en formasjonsparameter rundt et borehull som gjennomtrenger en jordformasjon og omfatter borefluidum, omfattende: et rørformet, elektrisk ledende husorgan med en langsgående akse derigjennom,

organer for utsendelse av elektromagnetisk energi inn i den formasjon som omgir husorganet, idet senderorganene er plassert rundt det ytre av husorganet,

organer for å motta elektromagnetisk energi fra nevnte formasjon, idet mottakerorganene er plassert rundt det ytre av husorganet.

2. Omtale av oppfinnelsens bakgrunn

Av mange grunner er det ønskelig å overføre elektriske signaler gjennom bakken brukt som overføringsmedium, og å motta signalene på et sted som ligger på avstand fra senderen. Et slikt signaloverføringssystem, eller signal-utbredelsessystem, blir f.eks. benyttet både for bestem-melse av forskjellige parametre som har tilknytning til utbredelsesmediet og for kommunikasjonsformål. Disse systemer blir ofte benyttet i forbindelse med undersøkel-ser av miljøet som omgir et borehull, og spesielt de omgivende formasjoner. Forskjellige typer av borehullog-gesystemer er tilgjengelige for å utføre disse undersøk-elser. En viss type av disse systemer gjør bruk av det elektromagnetiske feltfenomen for å oppnå data fra de omgivelser som omslutter borehullet. En type tidligere kjent logging går ut på elektrodelogging som benytter seg av et elektrisk felt i den omgivende formasjon for å fremskaffe et mål av formasjonens konduktivitet. For å kunne bruke dette systemet riktig er det nødvendig med et ledende slam, noe som gjør systemet ubrukelig i forbindelse med oljebaserte slammer. Induktiv logging utgjør en annen type av tidligere kjent elektromagnetisk logging, som benytter et tidsvarierende magnetfelt i formasjonen for fremskaffelse av en sekundær strømvandring i formasjonen. Den sekundære strømvandring setter opp et annet magnetfelt som induserer strøm i mottakerspoler som er plassert i borehullet, samtidig som den induserte strøm i mottakerspolen eller -spolene er proporsjonal med sekundær- strømvandr ingen i formasjonen, og er således direkte proporsjonal med konduktiviteten eller omvendt proporsjonal med motstanden i den omgivende formasjon. Elektromagnetisk bølgeutbredning for undersøkelse av omgivelsene rundt et borehull utgjør realiteten ved den foreliggende oppfinnelse.

Et elektromagnetisk loggesystem av bølgeutbredelsestypen er omtalt i US-patentskrift 3.551.797 (Gouilloud et al), som herved innlemmes som referanse. Denne patentpublika-sjon beskriver et vaierlinesystem med en sender og mottakere for måling av formasjonsparametre, samtidig som der utnyttes fasesammenligning og amplitude. Imidlertid er vaierlinesystemet i henhold til US-patentskrift 3.551.797 ikke spesielt anvendelig i forbindelse med måling under boring (heretter kalt "MWD", "measuring while drilling"). Nevnte US-patentskrift omtaler en ikke-ledende sonde av utilstrekkelig styrke for å kunne operere i en borestreng som er kjennetegnet ved massivt stål og spesielt borekrager i nærheten av borkronen og måle-apparatet. US-patentskrift 4.107.597 og 4.185.238 omtaler også systemer basert på utbredelse av elektromagnetiske bølger for utnyttelse i et vaierlineapparat. US-patent-skrif t 4.107.597 omtaler f.eks. at vaierlinesonden skal være konstruert av et ikke-ledende materiale, noe som er vanlig i forbindelse med slike innretninger for å kunne tilpasses bruken av elektromagnetiske sender- og mottak-erapparater .

US-patentskrift 3.079.550 omtaler et induksjonsloggesys-tem for måling av lignende formasjonsparametre, idet der utnyttes lavfrekvenser og idet der kreves en ledende slam i borehullet.

En forbedring like overfor de ovenfor omtalte elektromagnetiske loggesystemer er omtalt i US-patentsøknad nr. 036.170, innlevert 6. april 1987 og overdratt til inne-haveren av den foreliggende patentsøknad. Denne foreliggende søknad innebærer en forbedring like overfor de fremgangsmåter og det apparat som er omtalt i nevnte US-patentsøknad nr. 036.170.

Et av hovedproblemene som har tilknytning til nedhulls-loggeverktøyer, enten disse er av typen vaierline eller MWD, går ut på å takle borehullvirkningene. En annen feilmodus som har tilknytning til elektromagnetisk bølge-utbredelse går ut på skade på antennene.

GB 2.146.126 (Meador et al.) svarende til US 4.785.247, omhandler den kjente teknikk som er anskueliggjort på figurene 1 og 2 i den foreliggende patentsøknad, og som er ytterligere omtalt i nevnte som US patentsøknad nr. 036 170. Med andre ord omhandler GB 2.146.126 den kjente teknikk at den uttagning som omgir sløyfeantennen, bør være meget stor for å unngå å forstyrre de utsendte og mottatte signaler, f.eks. som beskrevet under henvisning til figur 2B i nevnte GB 2.146.126.

US 4.553.097 (Clark) omhandler en toroid-formet solenoid-antenne i et ringformet spor i huset, anordnet for å generere elektromagnetisk energi med primært en tverrgående magnetisk moduskomponent.

Imidlertid blir det ikke i noen av disse publikasjoner antydet noen kombinasjon av de respektive teknikker. Dersom man kunne tenke seg å anordne en sløyfeantenne i det ringformede spor ifølge US 4.552.097, ville det kjente apparat bli fullstendig ødelagt hva angår sitt til-tenkte formål, i og med det har primært en tverrgående magnetisk moduskomponent som føres langs den rørformede leder. Heller ikke gis det noen anvisning på for en fagmann med kjennskap til teknikken, ifølge US 4.553.097 å omgi sløyfeantennen ifølge GB 2.146.126 med den ringformede uttagning i henhold til US 4.553.097.

Søkeren gir ved den foreliggende oppfinnelse anvisning på et apparat hvor en sløyfeantenne blir plassert i en smal uttagning i et ledende hus, hvilket representerer et teknisk fremskritt i forhold til den kjente teknikk.

Som kjent teknikk skal det også vises til US patentskrift 4.651.101 (Barber et al.), men selv om det herfra er kjent uttagninger som kan være parallelle eller anordnet på skrå, så gir heller ikke teknikken ifølge denne publi-kasjon en anvisning på det essensielle ved den foreliggende oppfinnelse.

Heller ikke en kombinasjon av US 4.553.097 (Clark) og det nevnte US 4.651.101 (Barber et al.) ville kunne lede en fagmann til den foreliggende oppfinnelse, idet US 4.553.097 vedrører, som anført tidligere, bruken av en flerhet av toroid-formede solenoidantenner for generering og mottakelse av signalkomponenter med tverrgående magnetisk modus.

I skarp kontrast til dette er den foreliggende oppfinnelse rettet på bruken av en flerhet av strømsløyfeantenner som hverken produserer eller mottar slike tverrgående komponenter med magnetisk modus.

Fra GB 2.156.527 (Buckman) er det kjent et verktøy som vedrører spesifikt vertikale aperturer, eller vinduer, anordnet i siden av verktøyet. I skarp kontrast til dette vedrører den foreliggende oppfinnelse ringformede uttagninger rundt omkretsen av verktøyet. GB 2.156.527 har dessuten å gjøre med en meget begrenset klasse av antenner, som befinner seg parallelt med veggene av vinduene for å kunne indusere en strøm i vinduets vegger. De kjente antenner er innrettet langs den langsgående akse av verktøyet. Også i skarp kontrast til dette forløper plan-ene for de antenner som er fremskaffet i henhold til den foreliggende oppfinnelse, perpendikulært i forhold til verktøyets lengdeakse og er anordnet koaksialt med nevnte .

Med den foreliggende oppfinnelse skaffes det således et nytt og forbedret elektromagnetisk bølgeutbredelsesverk-tøy som har en betydelig forbedret immunitet overfor borehullvirkninger.

Ytterligere skaffer oppfinnelsen et apparat eller verktøy som reduserer følsomheten hos de elektromagnetiske bølge-utbredelsesantenner med hensyn til skade under nedhulls-drift.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Oppfinnelsen lar seg realisere ved et apparat av den innledningsvis angitte art, som er karakterisert ved at senderorganene omfatter en første strømsløyfeantenne plassert i en første uttagning av det ledende husorgan med en lengde i størrelsesorden fra 1-4 tommer (25,4-100 mm), målt langs lengdeaksen, idet den første uttagning er ringformet rundt det ytre av det rørformede husorgan og anordnet koaksialt i forhold til lengdeaksen, og ved at organene for å motta elektromagnetisk energi omfatter en andre strømsløyfeantenne i en andre uttagning av det ledende husorgan med en lengde på 1-4 tommer (25,4-100 mm), målt langs nevnte lengdeakse, samtidig som den andre uttagning er ringformet rundt det ytre av det ringformede husorgan og anordnet koaksialt i forhold til nevnte langsgående akse.

Et ytterligere trekk ved oppfinnelsen går ut på at det omfatter en tredje strømsløyfeantenne plassert i en tredje uttagning av det ledende husorgan med en lengde på 1-4 tommer (25,4-100 mm) målt langs lengdeaksen, idet den tredje uttagning er ringformet om det ytre av det ringformede husorgan anordnet koaksialt i forhold til nevnte lengdeakse.

Enda et ytterligere trekk ved oppfinnelsen går ut på at hver av uttagningene har en dybde målt på tvers av lengdeaksen på 0,25-1,0 tommer (6,25-25,4 mm).

Ved bruken av et slikt apparat eller verktøy ifølge oppfinnelsen blir den elektromagnetiske nærfeltrespons optimalisert samtidig som man minimerer den mekaniske påkjenning som er involvert ved bruken av elektromagnetiske antenner i uttagninger som er avstandsorientert langs verktøyspindelens utstrekning.

Kort omtale av teqningsfiqurene

Figur 1 er et oppriss av et tidligere kjent MWD-verktøy som befinner seg i et jordborehull som en del av en borestreng. Figur 2 er et oppriss av MWD-verktøyet vist på figur 1, før der plasseres ikke-ledende deksler over sender- og mottakerseksjonene. Figur 3 er et oppriss delvis i snitt, av et utsnitt av en spindel med en første seksjon for montering av senderen og en annen seksjon for montering av dobbeltmottakerne. Figur 4 er et oppriss delvis i snitt av et utsnitt av spindelen vist på figur 3, idet sender og mottakere er montert derpå i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Figur 5 er et tverrsnitt tatt etter linjene 5-5 på figur 4. Figur 6 er et tverrsnitt tatt etter linjene 6-6 på figur 4. Figur 7 er et oppriss delvis i tverrsnitt, av sender-helmetalldekslet i henhold til den foreliggende oppfinnelse . Figur 8 er et oppriss delvis i snitt av mottaker-helmetalldekslet i henhold til oppfinnelsen. Figur 9 er et oppriss av sender-helmetalldekslet, tatt etter linjene 9-9 på figur 7. Figur 10 er et oppriss av sender-helmetalldekslet, tatt etter linjene 10-10 på figur 7. Figur 11 er et oppriss av mottaker-helmetalldekslet, tatt langs linjene 11-11 på figur 8. Figur 12 er et oppriss av mottaker-helmetalldekslet, tatt langs linjene 12-12 på figur 8. Figur 13 er et oppriss av mottaker-helmetalldekslet, tatt langs linjene 13-13 på figur 8. Figur 14 er i større målestokk et oppriss delvis i snitt av en elektrisk gjennommatning vist på figur 4. Figur 15 er et oppriss delvis i snitt av et MWD-verktøy med sender- og mottakeruttagninger i henhold til oppfinnelsen tildannet som integrerte deler av spindelen. Figur 16 viser i større målestokk og delvis i snitt en av uttagningene vist på figur 15. Figur 17 er et oppriss delvis i snitt av et MWD-verktøy med sender- og mottakeruttagningene tildannet i en alternativ utførelsesform for oppfinnelsen. Figur 18 er i større målestokk et oppriss delvis i snitt av en av uttagningene vist på figur 17. Figur 19 er en skjematisk sammenligning av nærfelt-bølge-mottakermønstrene for helmetall-dekselfølere i henhold til oppfinnelsen og vanlige følere. Figur 20 er et blokkdiagram over kretsen som benyttes i forbindelse med loggeverktøyer tildannet i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Figur 21 er et skjematisk diagram over den geometriske utførelse av de uttagninger som benyttes i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Figur 22 er et oppriss av et vaierline-loggeverktøy tildannet i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 23 er et oppriss, delvis i snitt, av en uttagning i henhold til den foreliggende oppfinnelse, idet antennen er plassert inne i en uttagning med divergerende veggfla-ter. Figur 24 er et oppriss delvis i snitt av en uttagning i henhold ti'l den foreliggende oppfinnelse, idet antennen er plassert inne i en uttagning med konvergerende vegg-flater.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Figurene 1 og 2 anskueliggjør det system i henhold til kjent teknikk som er kjennetegnende for nevnte US-patent-søknad nr. 036.170. Et loggeverktøy 10 er anordnet i et jordborehull 12 på en streng av et borerør 14 fra jordens overflate, innbefattende en eller flere borekrager 11, idet borehullet 12 er uttatt i jordformasjonen 13. En senderseksjon 16 og en dobbelmottakerseksjon 18 er inn-lemmet i loggeverktøyet 10. Seksjonene 16 og 18 er dekket med et ikke-ledende materiale slik det er vist på figur 1. Figur 2 viser verktøyet 10 i dettes tidlige fremstill-ingsfase før det ikke-ledende materiale påføres sender-seks jonen 16 og mottakerseksjonen 18. Det skal forstås at hoveddelen 20 av verktøyet 10 vanligvis er tildannet av stål. Mellom punktene 22 og 24 er hoveddelen av verktøyet 20 utført med et parti med redusert diameter, med en forholdsvis stor effektiv avrundet konkav flate. Antenne-spolen 26 er montert på eller nær midtpunktet mellom punktene 22 og 24.

På lignende måte har mottakerseksjonen 18 to mottakerspo-leantenner 28 og 30 montert på det indre av et parti med en redusert diameter mellom punktene 32 og 34 på hoveddelen 20. Det skal forstås at utførelsesformen vist på figur 2 svarer til apparatet vist på figurene 2a og 2b i nevnte US-patentsøknad 036.170, og at apparatet ifølge figur 1 og 2 er vist hovedsakelig for å anskueliggjøre den store effektive avrundede flate som skråner innover fra den ytre omkrets av verktøyhoveddelen, hvilket er i likhet med tidligere kjent teknikk, både når det gjelder sender- og mottakerseksjonen.

Figur 19 anskueliggjør skjematisk en sammenligning av nærfelt-mottakermønstrene i henhold til apparatene brukt i henhold til den foreliggende oppfinnelse, og den for det kjente apparat vist på figurene 1 og 2. Ved det kjente bølgemønster er verktøyhoveddelen 140 anskueliggjort med det kjente uttagningsparti, vist ved den stiplede linje 141, som på sin side har et nærfelt-mottakermønster vist ved den stiplede linje 142. I henhold til systemet ifølge den foreliggende oppfinnelse, er antennen plassert inne i en meget smal uttagning 143 rundt antennen 144.

Det skal forstås for sammenligningens skyld, at antennen 144 er plassert likt med hensyn til både uttagningen 141 og uttagningen 143. Ved bruk av uttagningen 143 blir der fremskaffet et nærfelt-mottakermønster 145. Således skal det forstås at der foreligger et vesentlig forbedret nærfelt-mottakermønster ved bruken av uttagning 143 rundt antennen 144.

I et forsøk på å forklare driftsteorien bak apparatet som blir omtalt heri, skal det forstås at man bruker uttrykket "full metal jacket", eller "helmetall-deksel" når man henviser til de påsneppbare sammenstillinger vist på figurene 4-13, som innbefatter uttagningene med redusert lengde. Imidlertid vil teorien være den samme i tilfellet da de smale uttagninger er tildannet i et med verktøyhov-eddelen. Det følgende vil forhåpentligvis skaffe et inn-syn i de grunnleggende fysikalske betingelser som er involvert ved bruken av helmetall-dekselantennesystemet.

I stedet for å begynne med en omtale av elektromagnetiske bølger, skal der først gjøres rede for analoge fenomener i forbindelse med fluidumbølger. La oss anta at en ubevegelig barriere spenner over et meget stort og dypt vann, og strekker seg over overflaten av vannet ned til bunnen av det medium som rommer vannet. Plane bølger blir påtrykket barrieren fra venstre. Imidlertid, fordi barrieren er stiv og strekker seg til bunnen av beholderen, blir ingen bølger overført til høyre for barrieren.

Imidlertid, dersom man modifiserer barrierer og enten tillater den å bevege seg sammen med bølgene, eller tillater at bølgene får komme over eller under barrieren, vil der overføres plane bølger til høyre.

En annen mulig måte for modifikasjon av barrieren går ut på å skjære ut en spalte i denne. Dersom barrieren er ubevegelig, vil der spre seg ut sirkulære bølger fra

spaltene.

Sluttelig, dersom barrieren inneholder en spalte og får også anledning til å bevege seg sammen med bølgene, vil der bli som resultat et mer komplekst mønster av utsendte og spredte bølger. Betingelsene som leder til det kom-plekse mønster er meget lik dem som fremskaffer sprede-mønsteret hos en utbredende bølgetype fra elektromagnetisk følger.

Man skal nå konsentrere seg om en omtale av elektromagnetiske bølgemønstre. Det kan ofte etterprøves at sprede-mønsteret fra en antenne (intensitetsmønsteret blir fremskaffet under sending) er lik mottakermønsteret for den innkommende stråling. For denne forklarings skyld vil man anta at denne reseprositet gjelder. Dette bevis kan man vise ikke gjelder i dette tilfelle, fordi de resultater som har interesse, foreligger i nærfeltet hos mottakerantennen, og fordi verktøyhoveddelen virker som en mottaker. Imidlertid er denne tilnærmelse tilstrekkelig gyldig for å kunne bidra til å skaffe en forståelse av driften ved helmetall-dekselantennen.

Generelt vil de bølger som er av interesse i en utbredende bølge fra en elektromagnetisk føler ikke bare bre seg ut på tvers av føleren, men også langs følerens akse. Fasebetraktninger ved de induserte strømmer blir derfor viktige. Ved overflaten av føleren vil dessuten bølgeutb-redelsesretningen bli tvunget til å være vinkelrett i forhold til følerhoveddelen, på grunn av følerhoveddelens høye ledeevne. Bølgelengden for strålingen eller utbredelsen er generelt mye lenger enn hoveddelens diameter. Under slike forhold vil det parti av bølgen som brer seg ut normalt i forhold til verktøyhoveddelen bare bli spredd rundt hoveddelen. Ved fremskaffelse av en uttagning i verktøyet for mottakerantennen vil imidlertid uttagningen virke som en spredeåpning, og således utvide strålingsmønsteret. Ved styring av parametrene for uttagningen kan man således styre utstrålings- (eller mottaker-) mønsteret hos en antenne som er plassert i uttagningen. Ved uttrykket "uttagning" skal man forstå å inn-lemme ikke bare tilfellet for fjernet metall ved hjelp av forskjellige kjente fremgangsmåter, f.eks. sliping, drei-ning, bearbeiding, sponfraskilling og lignende, men også innbefatte en hvilken som helst form for uttagning uten hensyn til hvordan den er fremskaffet.

Det synes imidlertid at i fall der ikke forekommer noen uttagning i det hele tatt, vil strålemønsteret begrense seg slik som tilfellet er ved en enkel dipolantenne. Dette er i vesentlig grad forskjellig fra den situasjon som er omtalt tidligere i forbindelse med fluidumbølger. Grunnene for dette er ikke fullstendig forstått på dette tidspunkt, men de er underbygget ved numeriske analyser. Uten tvil vil det forhold at man har å gjøre med bølger som beveger seg både parallelt med og ortogonalt i forhold til verktøyaksen, spille en markert rolle ved frem-skaffelsen av dette mønster. I tillegg skal det noteres at ved overflaten av verktøyet, der hvor bølgene beveger seg vinkelrett i forhold til verktøyet, vil hverken amplitude eller fase være konstant langs verktøyet: disse overflatebølger blir drevet ved hjelp av bølgen i borehullet. Det synes derfor at ved variasjon av spaltedia-meter D2, og spaltebredde T, slik det i det følgende vil bli omtalt i forbindelse med figur 21, er det mulig å fremskaffe et utstrålings- eller mottakermønster som er like smalt som dipolfeltet for en énstrømssløyfe.

Før den detaljerte beskrivelse av verktøyet vist på figur 3, så skal det gjøres oppmerksom på at basisspindelen ifølge det tidligere kjente verktøy 10 kan brukes til å utøve den foreliggende oppfinnelse ved bruken av påsneppbare undersammenstillinger som vil bli beskrevet i detalj i det følgende. Således ses det av figur 3 at det rør-formede, elektrisk ledende hus 40 svarer hovedsakelig til hoveddelen 10 vist på figur 2, omfattende en første uttagningsseksjon 42 med en stor effektiv radius, samt en annen uttagningsseksjon 44 med en stor effektiv radius eller avbøyning. Som vist på figur 3, foreligger der ingen mottaker- eller senderantenner på dette punkt ved fremstillingsprosessen.

Slik det fremgår av figur 4, er undersammenstillingene 46 og 48 her vist i påsneppet posisjon hvoretter de er boltet sammen på hoveddelen 40. Påsneppingssammenstillingen 46 har en elektromagnetisk bølgeutbredelsesantenne 50, mens påsneppingsapparatet 48 omfatter et par mottakerantenner 52 og 53. Hoveddelen 40 er gjengeforsynt ved sine ender 54 og 55 for derved å tillate en gjengeforbindelse i forhold til borestrengen, over borkronen (ikke vist). Antennene 50, 52 og 53 er elektrisk isolert fra det ledende hus ved hjelp av lagene henholdsvis 56, 57 og 58, som er konstruert av plast eller et annet ikke-ledende materiale. Figur 5 representerer et tverrsnitt tatt etter linjene 5-5 på figur 4, og anskueliggjør sendersløyfeantennen 50. Hoveddelen 40 har en sentral boring 51 gjennom hvilken der strømmer borefluidum for å tillate at borestrengen kan bore på vanlig måte, samtidig som der benyttes verk-tøyet ifølge den foreliggende oppfinnelse i borestrengen under boreoperasjonen. Figur 6 er tverrsnitt tatt etter linjene 6-6 på figur 4. Påsneppingssammenstillingen 48 har i virkeligheten to halve sirkelseksjoner 60 og 62 som snepper sammen rundt omkretsen av uttagningsseksjonen 44 vist på figur 3, hvoretter de er boltet sammen ved hjelp av et par bolter 64 og 66. Figur 7 er et oppriss av undersammenstillingen 46 innrettet til å fastspennes på hoveddelen 40 og til å romme antennen 50 (ikke vist) i uttagningen 70. Figur 9 er et annet riss av undersammenstillingen 46 tatt etter linjene 9-9 på figur 7. Figur 10 er nok et snitt gjennom sammen-stillingen 46 tatt etter linjene 10-10 på figur 7. Figur 8 er et lengdesnitt gjennom undersammenstillingen 48 som er innrettet til å sneppes på og boltes sammen med hoveddelen 44 for å romme mottakerantennene 52 og 54 (ikke vist) i uttagningsseksjonene 72 og 74. Figur 11 er et oppriss av undersammenstillingen 48 sett i retning for linjene 11-11 på figur 8. Figur 12 er et annet oppriss av undersammenstillingen 48 tatt langs linjene 12-12 på figur 8. Figur 13 er nok et riss av undersammenstillingen sett i retning for linjene 13-13 på figur 8. Figur 14 representerer i større målestokk et utsnitt som vedrører den elektriske forbindelsesgjennomgang 80 vist i mindre detalj på figur 4.

Som tidligere omtalt med hensyn til figur 19, vil der ved bruken av den reduserte uttagning for sender- og mottakerantennene fremskaffes et betydelig forbedret nærfelt-mottakermønster. Ved bruk av de undersammenstillinger 46 og 48 som er påsneppet og boltet i forhold til uttag-ningsområdene 42 og 44 på figur 3, vil verktøyet således ha en redusert uttagningsseksjon for senderantennen 50 og mottakerantennene 52 og 54, slik det er vist på figur 4. Således er det meningen ifølge oppfinnelsen at man skal bruke den tidligere kjente spindel som vist på figurene 2 og 3 i forbindelse med påsneppingen av dekslene 46 og 48 for å frembringe det forbedrede nærfelt-mottakermønster vist på figur 19. Imidlertid vi fagfolk på området gjen-kjenne at et verktøy kan konstrueres slik at den reduserte uttagning for antennene er en integrert del av verk-tøyet .

På figur 15 har f.eks. verktøyet 90 et første redusert uttagningsparti 92 (vist i større detalj på figur 16) for å romme senderantennen (ikke vist) og omfatter to ytterligere reduserte uttagningspartier 94 og 95 for å romme de to ikke-viste mottakerantenner. Således skal det forstås at et verktøy kan fremstilles med enten utgangspunkt i større effektive radiusuttagninger enn det som er prak-tisert i henhold til kjent teknikk, samtidig som de er modifisert for å fremskaffe de reduserte uttagninger for forbedrede nærfelt-mottakermønstre ved bruk av metalldeksler, eller alternativt ved reduserte uttagninger som kan bygges rett inn i spindelen, slik det er vist på figur 15 og 16.

Figurene 17 og 18 anskueliggjør et alternativt utførel-seseksempel på den foreliggende oppfinnelse, idet de reduserte antenneuttagninger kan være fremstilt i form av trappetrinn for endring av påkjenningsparametrene på verktøyet, dersom det måtte være ønsket. Slik det beste fremgår av figur 18 vil således senderantenneuttagningen 96 omfatte en rekkefølge med trinn for å påvirke noe av den mekaniske påkjenning som ellers ville være til stede, mens der samtidig fremskaffes et nærfelt-mottakermønster som er hovedsakelig likt med det som ikke omfatter noen trinn, f.eks. som vist på figurene 15 og 16. Mottakeruttagningene 97 og 98 bruker også trinnene til å påvirke de mekaniske påkjenninger. En av fordelene ved å bruke me-talldekselløsningen vist på figur 4, til forskjell fra den integrerte utførelsesform ifølge figur 15, går ut på å få mindre mekanisk påkjenning.

På figur 20 av tegningen er der vist et skjematisk blokkdiagram som fremskaffer et system som kan utføre forma-sjonsmotstandsmålinger under bruk av det apparat som er omtalt hittil. Kretsen kan plasseres i borekragen eller

-hylsen 11 vist på figur 1, eller kan være plassert i loggeverktøyet 40 på figur 3. Utsignalet fra kretsen vist

på figur 20 kan opptegnes i den elektroniske seksjon eller den kan mates ved hjelp av et telemetrisystem (ikke vist) til overflaten for samtidig behandling og utlesning ved overflaten. I et hvert tilfelle vil senderen 148 bli drevet med en kraftforsyning 150 ved en frekvens som hensiktsmessig befinner seg i området fra 500 KHz til 10 MHz for å fremskaffe et elektromagnet-bølgesignal fra senderantennespolen 50. Denne bølge vil bre seg gjennom omgivelsene, innbefattet jordformasjonene 13 som omgir borehullet, og ankomme mottakerantennespolene 52 og 54 i henholdsvis mottaker 152 og 154, som er plassert på avstand i lengderetningen langs verktøyet. Mottakerantennespolene er koblet til respektive elektronikkmottakerkom-ponenter som drives av en lokal oscillator 156 som oper-erer ved en frekvens innenfor flere KHz av den utsendte frekvens for fremskaffelse av utgangssignaler med lavere frekvens, som kan håndteres mye lettere under bruk av superhetrodyn-teknikk NL. F.eks. er senderen 148 anskueliggjort til å operere ved 2 MHz og oscillatoren 156 kan drives ved 1998 MHz. Utgangssignalene fra mottakerne 152 og 154 blir deretter matet til en fasekomparator 158 og/eller amplitudemålekretser 160 og 162 som på sin side er koblet til en forholdskrets 164 for måling av signal-faseskift og dempning, alt i henhold til de nevnte tidligere kjente patentskrifters lære.

Slik det fremgår av figur 21, er der her anskueliggjort skjematisk en seksjon av et loggeverktøy, tildannet i henhold til den foreliggende oppfinnelse, og inndelt i tre regioner 200, 300 og 400. For den følgende analyse er de vertikale lengder av regioner 200 og 400 målt langs lengdeaksen 600 uten betydning så lenge som de er å be-trakte som lenger enn den vertikale lengde av området 300. Regionene 200 og 400 har en felles diameter, D1, selv om de for det generelle aspekt er betegnet som henholdsvis D1 og D3. Regionen 300 har en diameter som er betegnet D2, som er mindre enn D1 og D3. Region 300 har en vertikal utstrekning som er betegnet med T, som på sin side definerer lengden av uttagningen. Sløyfeantennen 500 har en diameter som er betegnet med D4, og omgir regionen 300. Antennen 500 er fortrinnsvis koaksial i forhold til lengdeaksen 600. Selv om den foretrukne utførelsesform innebærer bruken av en sløyfeantenne, skal det forstås at også andre typer antenner kan benyttes.

Generelt vil optimalisering av antennekonstruksjonen for et loggeverktøy med utbredende elektromagnetisk bølge innebærer at der utføres en sammenlignbar analyse blant parametrene D1, D2, D3 (vanligvis satt lik D1), D4 og T. Den prosedyre som hittil er benyttet innen denne teknikk med hensyn til å maksimere denne konstruksjon, har gått ut på å maksimere T og maksimere forskjellen mellom D4 og D2 i henhold til de mekaniske begrensninger som er lagt på konstruksjonen av føleren. Dette blir gjort for å sikre at det størst mulige signal blir mottatt av antennen 500, og generelt vil man ved reduksjon av forskjellen mellom D4 og D2, eller reduksjon av størrelsen av T, ville få en reduksjon av størrelsen av det signal som blir mottatt av 500 fordi den ledende hoveddel av verk-tøyet har en tendens til ("short out") "kortslutte" (eller riktigere spre) det mottatte signal.

Imidlertid viser det seg at andre parametre er viktige ved konfigurasjonen av følerens respons. Spesielt må en slik føler logge gjennom både et borehull og en invadert sone og fremdeles skaffe en nøyaktig måling av en sann formasjonsparameter. Den foreliggende oppfinnelse vedrør-er et apparat for optimalisering av responsen hos en føler for utbredende elektromagnetisk bølge for en gitt borhullradius (eller invadert sone). Dersom avstandsfor-holdet mellom kilden for elektromagnetiske bølger (i føleren) og mottakeren er fiksert, foreligger der en grense med hensyn til hvor langt føleren kan "se" inn i formasjonen, og som en tommelregel vil denne være ca. to ganger avstanden mellom sender og mottaker. Dette vil heretter bli betegnet som "den geometriske grense" ("the geometrical limit"). Den geometriske grense oppnår man først når borehullet, den invaderte sone, og formasjonen bare gir en liten motstand like overfor utbredelsen av elektromagnetiske bølger. Når borehullet, den invaderte sone, eller formasjonen gir betydelig motstand like overfor utbredelsen av elektromagnetiske bølger, vil den geometriske grense typisk ikke kunne oppnås. I henhold til tidligere kjent teknikks optimaliseringsprosedyre som angitt ovenfor, vil responsen ville ligge adskillig til-bake for den geometriske grense. Ved den teknikk som er omtalt her, vil imidlertid så lenge som borehullet eller diameteren for den invaderte sone er mindre enn den geometriske grense, innebære at følerresponsen kan gjøres tilnærmet lik det som kan oppnås i forbindelse med den geometriske grense.

Bruken av apparatet i henhold til den foreliggende oppfinnelse omfatter de følgende trinn, idet rekkefølgen av trinn 4-9 er av mindre interesse: 1. Å bestemme den største borehulldiameter som man vanligvis vil bli stilt overfor under normal drift. Denne bør være i overensstemmelse med den ovenfor angitte geometriske grense.

2. Å etablere et testområde slik at

a) borehullene kan simuleres idet der fremskaffes et område for motstander som spenner seg over

hele det området av slammotstander som man kan forvente innen kommersiell drift.

b) Formasjonsmotstander kan simuleres over det området av motstander som kan forventes i kommersiell drift. 3. Å fastsette diameteren av borehullet i testfa-silitetene til diameteren bestemt under trinn 1 . 4. Å holde D1, D2, D3 og D4 konstant, mens T vari-

eres samtidig som man undersøker responsen av føleren over hele området av slam- og formasjonsmotstander som man kan forvente under kommersiell drift.

5. Å forme en teststatistikk fra de data som frem-kommer under trinn 4 for å undersøke hvordan borehullsensitiviteten varierer med T. F.eks., dersom føleren er konstruert til å måle motstand, og den aktuelle variable blir målt med hensyn til fase (0), la

Øo (T,RbRf) = observert fase ved tykkelse T med bore-hullmotstand Rb og formasjonsmotstand Rf

Øf (Rf) = forventet fase fra en ideell føler som

måler en formasjon med motstand Rf

Da vil passende teststatistikk kunne uttrykkes som

S = | øo( T, Rb maksimum, Rf) - Øf( Rt)| + | øo( T, Rb, Rf) - Øf( Rf)|

Øf (Rf)

Noter at 0 også er en variabel av D1, D2, D3 og D4, selv om denne avhengighet ikke er skrevet eksplisitt ut i ovennevnte ligning, fordi disse variable ble holdt konstant ved den angitte prosedyre.

Det skal også noteres at i dette tilfelle er

det bare nødvendig å gjøre målinger av S ved den minimale og maksimale slammotstand som man kan forvente under kommersiell drift (de mest ekstreme borehullvirkninger vil alltid bli er-fart ved en av disse verdier).

Sluttelig skal det noteres at S blir konstruert til å være minimum når borehullvirkningene blir minimalisert. Generelt er S en funksjon av T,

D1, D2, D3 og D4.

Det skal også noteres at verdiene av S kan be-stemmes analytisk, f.eks. ved fremgangsmåter omfattende "finite elements"; idet der ikke foreligger noen a priori grunn til å ty til eksperimenter, selv om en hvilken som helst god matematisk modell bør kunne kalibreres opp mot

eksperimenter.

6. Å fiksere variablene T, D2, D3 og D4 og variere D1, samtidig som statistikkene beregnes som ved

trinn 4.

7. Å fiksere de variable T, D1, D3 og D4 og variere D2, idet de samme statistikker beregnes som

ved trinn 4.

8. Å fiksere de variable T, D1, D2 og D4 og variere D3, idet der beregnes de samme statistikker

som ved trinn 4.

9. Å fiksere de variable T, D1, D2, D3 og variere D4, idet der beregnes de samme statistikker som

ved trinn 4.

10. Prosedyren gitt ved trinnene 4-9 bør repeteres med forskjellige verdier av de "fikserte" parametre inntil tilstrekkelig av variasjonen i S er definert for å lokalisere det absolutte minimum i S med hensyn til de variable T, D1, D2, D3 og D4, overensstemmende med hvilke som helst andre begrensninger som pålegges ved konstruksjonen (som f.eks. D1=D3, og D1 bestemt ved verktøystyrkebetingelser).

Analytiske funksjoner kan konstrueres ved et hvilket som helst trinn i den ovenfor angitte prosedyre, enten ved å ty til "finite element-metoder og Maxwell<1>s ligninger, eller ved mul-tidimensjonal kurvetilpasningsteknikker.

11. Å lokalisere det absolutte minimum av S. I ek-semplet som hittil er fulgt, er S(T, D1 , D2, D3, D4) en femdimensjonal flate. En flerhet av standard teknikker er tilgjengelige for lokali-sering av dette minimum. For illustrasjonens skyld skal det antas at vi er begrenset til

D1=D3 og man har ytterligere notert at S er for alle praktiske formål uavhengig av D4 og D2. Da har vi S=S(T,D1). Man trenger således bare å minimalisere S som en funksjon av to parametre, enten ved eksperiment eller ved teori.

Man vil ofte finne at det resulterende minimum er meget forskjellig fra hva "god" antennekonstruksjon i prinsipp-et ville diktere. I praksis har man funnet at: Ved 2 MHz og under måling av formasjonsmotstand ved bruk av fase, kan T være meget liten - i størrelsesorden én eller to tommer (25,4-50,8 mm) når D1 er av størrelsesorden 7 tommer (178 mm) .

D1 og D4 kan være nesten like uten at man fullstendig kansellerer det mottatte signal. Vanlig konstruksjonsmetodikk vil separere D1 og D4 så mye som fysisk mulig for å maksimere mottatt signalamplitude.

Imidlertid, vil dette bare øke borehullfølsom-heten hos en føler.

Den ovenfor angitte prosedyre skaffer også en optimalisering av den beskyttelse som blir tilbudt antennene hos et verktøy som er innrettet for formasjonsevaluering ved utbredende elektromagnetisk bølge, fordi de mekaniske begrensninger kan innlemmes i optimaliseringen.

De prosesser og det apparat som hittil er beskrevet, tar til følge bestemmelsen av T (lengden av uttagningen som vist på figur 21) basert på flere faktorer. Imidlertid, i forbindelse med bruken av både 7" og 8" loggeverktøyer, vil den foreliggende analyse resultere i optimalisert ytelse når der brukes en T-lengde på tilnærmet to tommer (50 mm), idet det foretrukne område av lengder for T ligger i størrelsesorden 1-4 tommer (25,4-100 mm). Den foretrukne forskjell mellom D1 og D2 er tilnærmet 1-1/4"

(25,4-6,3 mm), og således vil dybden av uttagningen fortrinnsvis utgjøre 5/8" (15,875 mm). Imidlertid bør dybden av uttagningen (Dl-D2)/2 ligge i området mellom 1/4"

(6,350 mm) og 1,0" (25,4 mm).

Ved konstruksjonen av T og dybden av uttagningen er det funnet at med hensyn til mekanisk integritet bør lengden T fortrinnsvis ikke være mye kortere enn 2" (50 mm) i enten et 7" eller 8" verktøy. På lignende måte med hensyn til mekanisk integritet, bør dybden ikke være større enn 1" (25,4 mm), fortrinnsvis mindre. Med hensyn til fore-trukket elektromagnetisk bølgemønster bør dybden være minst 0,25 tommer (6,350 mm), fortrinnsvis 5/8" (15,875 mm), og lengden T bør være 4" (100 mm) eller mindre, fortrinnsvis 2" (50 mm).

Slik det fremgår av figur 22 er der her vist et vaierli-neverktøy 201 som omfatter den foreliggende oppfinnelse, idet dette verktøy er opphengt i et jordborehull 202 ved hjelp av en loggekabel 203 fra jordens overflate. Logge-kabelen er forbundet med overflateelektronikk 204 på vanlig måte. En antenne 205 for utbredelse av elektromagnetiske bølger, er plassert inne i uttagningsseksjonen 206. Et par mottakerantenner 207 og 208 er plassert inne i uttagningsseksjonene og 209 og 210 i henhold til den foreliggende oppfinnelses lære. Eventuelt kan en vanlig ikkeledende reservesko (ikke vist) brukes for å holde loggeverktøyet 201 mot borehullveggen. Det skal forstås at under fremstillingen av verktøyet 201 vil uttagnings-partiene 206, 209 og 210 konstrueres under bruk av de samme geometriske anvisninger som ble benyttet ved konstruksjonen av MWD-verktøyene, slik dette er omtalt tidligere .

Slik det fremgår av figur 23, er der her anskueliggjort en alternativ utførelsesform for den foreliggende oppfinnelse hvori antennen 304 er plassert inne i en uttagning 301, hvori veggene av uttagningen, slik disse er vist ved de stiplede linjer 302 og 303, innebærer en divergering for å fremskaffe et noe forskjellig antennemønster sam-menlignet med det som er vist på figur 16, hvor f.eks. veggene av uttagningen var parallelle.

Figur 24 anskueliggjør enda en annen utførelsesform for den foreliggende oppfinnelse hvor antennen 311 er plassert inne i uttagningen 308 med konvergerende vegger, slik dette er anskueliggjort ved de stiplede linjer 309 og 310. Således skal det forstås at oppfinnelsen kan utøves med uttagninger med parallelle vegger, divergerende vegger og konvergerende vegger, såvel som med uttagninger med trappetrinnsvegger som vist på figur 18. Videre, selv om trappetrinnsveggene ifølge figur 18 er vist å være divergerende, så skal det forstås at fagfolk på området vil innse at trappetrinnsveggene ifølge figur 18 også vil kunne konvergere.

Claims (16)

1. Apparat for måling av en formasjonsparameter rundt et borehull som gjennomtrenger en jordformasjon og omfatter borefluidum, omfattende: et rørformet, elektrisk ledende husorgan (40) med en langsgående akse (600) derigjennom, organer for utsendelse av elektromagnetisk energi inn i den formasjon som omgir husorganet, idet senderorganene er plassert rundt det ytre av husorganet, organer for å motta elektromagnetisk energi fra nevnte formasjon, idet mottakerorganene er plassert rundt det ytre av husorganet, karakterisert ved at senderorganene omfatter en første strømsløyfe-antenne (50; 205) plassert i en første uttagning (70; 92;

76) av det ledende husorgan med en lengde i størrelsesor-den fra 1-4 tommer (25,4-100 mm), målt langs lengdeaksen, idet den første uttagning er ringformet rundt det ytre av det rørformede husorgan og anordnet koaksialt i forhold til lengdeaksen, og ved at organene for å motta elektromagnetisk energi omfatter en andre strømsløyfeantenne (52; 207) i en andre uttagning (72; 209; 94) av det ledende husorgan med en lengde på 1-4 tommer (25,4-100 mm), målt langs nevnte lengdeakse, samtidig som den andre uttagning er ringformet rundt det ytre av det ringformede husorgan og anordnet koaksialt i forhold til nevnte langsgående akse.

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at det omfatter en tredje strømsløyfeantenne (54; 208) plassert i en tredje uttagning (74; 210; 95) av det ledende husorgan med en lengde på 1-4 tommer (25,4-100 mm) målt langs lengdeaksen, idet den tredje uttagning er ringformet om det ytre av det ringformede husorgan anordnet koaksialt i forhold til nevnte lengdeakse.

3. Apparat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver av uttagningene har en dybde målt på tvers av lengdeaksen på 0,25-1,0 tommer (6,25-25,4 mm).

4. Apparatet som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver av uttagningene har en lengde på tilnærmet 2.0 tommer (50,8 mm) og en dybde på tilnærmet 5/8 tommer (15,8 mm).

5. Apparat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver av uttgningene (92) omfatter parallelle vegger.

6. Apparat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver av uttagningene omfatter et sett av divergerende vegger (302), idet hvert sett av divergerende vegger har størst avstandsforhold der hvor settet av vegger krysser ytterflaten av det ledende husorgan.

7. Apparat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver av uttagningene omfatter et sett av konvergerende vegger (309), idet hvert sett av konvergerende vegger har minst avstandsforhold der hvor settet av vegger krysser ytterflaten av det ledende husorgan.

8. Apparat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver av uttagningene (96) omfatter trappetrinnsvegger.

9. Apparat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at i det minste én av nevnte uttagninger omfatter parallelle vegger.

10. Apparat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at i det minste én av nevnte uttagninger omfatter et sett av divergerende vegger, idet hvert sett av divergerende vegger har størst avstandsforhold der hvor nevnte sett av vegger krysser ytterflaten av nevnte ledende husorgan.

11. Apparat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at i det minste én av nevnte uttagninger omfatter et sett av konvergerende vegger, idet hvert sett av konvergerende vegger har minst avstandsforhold der hvor veggsettet krysser ytterflaten av det ledende husorgan.

12. Apparat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at i det minste én av nevnte uttagninger omfatter trappetrinnsvegger.

13. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at apparatet omfatter: et første metalldeksel (46) som i det minste delvis dekker en første større uttagning (42) i nevnte husorgan med en lengde som er større enn 4 tommer (100 mm) målt langs lengdeaksen, idet det første metalldeksel omfatter en første uttagning og en senderantenne som er plassert i nevnte uttagning i dette første metalldeksel, og et andre metalldeksel (48) som i det minste delvis dekker en andre større uttagning (44) i husorganet, anordnet på avstand fra den første større uttagning (42) og med en lengde større enn 4 tommer (100 mm) målt langs lengdeaksen, idet det andre metalldeksel (48) er utført med en første uttagning og en mottakerantenne plassert i denne uttagning i det andre metalldeksel (48), idet uttagningene i nevnte første metalldeksel (46) og nevnte andre metalldeksel (48) hver har en lengde som ikke er større enn 4 tommer (100 mm) målt langs lengdeaksen.

14. Apparat som angitt i krav 13, karakterisert ved at det andre metalldeksel omfatter første og andre uttagninger samt andre mottakerantenner plassert i henholdsvis første og andre uttagninger i det andre metalldeksel, samtidig som uttagningene i det andre metalldeksel har en lengde som ikke er større enn 4 tommer (100 mm) målt langs lengdeaksen.

15. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at apparatet som omfatter en mottaker, er opphengt i et jordborehull (202) ved hjelp av en loggekabel (203) fra jordens overflate.

16. Apparat som angitt i krav 2, karakterisert ved at apparatet som omfatter to mottakere, er opphengt i et jordborehull (202) ved hjelp av en loggekabel (203) fra jordens overflate.