NO850296L - Fall-maaleapparat for borehull - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et fall-måleapparat for borehull for bestemmelse av fallet til undergrunnsformasjoner som gjennomtrenges av et borehull. Mer spesielt angår oppfinnelsen et fall-måleapparat for borehull som benytter elektromagnetisk energi til å bestemme fallet til undergrunnsformasjoner som gjennomtrenges av et borehull.

En diskusjon om bestemmelse av fallet til undergrunnsformasjoner og av fall-måleapparater finnes i "Formation Evaluation" av Edward J. Lynch, Harper&Row Publishers, New York, Evanston og London, fra side 341. Det påpekes der at problemet ved å bestemme formasjonsfall utvikler seg til å lokalisere tre punkter i et avsetningslag under henvisning til et horisontalplan slik at planet er definert av de tre punktene, og fallvinkelen er vinkelen mellom dette planet og horisontal-planet. Det er blitt brukt instrumenter som kan registrere tre elektriske logger riktig adskilt og orientert i et enkelt borehull for å bestemme fallet til undergrunnsformasjoner som gjennomtrenges av borehullet. Disse instrumentene krever en nøy-aktig retningsmåling av borehullet. Fall-måleapparater som henger i en kabel, og er vanlig brukt for dette formål, må tilveiebringe tre grunnleggende målinger. Den første er målingen av fallet til formasjonen i forhold til borehullet. Dette er blitt gjort ved å anordne identiske sett med elektroder adskilt 120° og alle i det samme plan perpendikulært til sondens akse.

Den andre er en måling av retningen og helningsvinkelen til borehullet, og den tredje er en måling av sondens orientering i forhold til magnetisk nord.

Tidlige fall-måleapparater brukt til tre SP-kurver (selv-potensial-kurver) for å tilveiebringe fallet i forhold til hullets akse og benyttet et fotoklinometer til å bestemme hullets helning og retning. Senere ble det innført et fall-måleapparat av kontinuerlig type som benyttet tre mikrologganordninger til å frembringe de tre nødvendige elektriske logger. Mikro-anordningene blir alltid presset mot borehullets vegg og får dermed avstanden mellom dem til å forandre seg ettersom borehullets dimensjon forandres. Dette nødvendiggjør registrering av borehullets dimensjon.

I U.S. patent nr. 3.388.323 er det blitt beskrevet en teknikk som er blitt kjent som "induksjonslogging" for bestem- meise av fallet til undergrunnsformasjoner. To uavhengige parametre som indikerer magnetisk susceptibilitet og elektrisk -konduktivitet eller resistivitet blir utledet fra magnetiske feltmålinger som utføres ved tre vinkelmessige posisjoner i nærheten av borehullsveggen. Tre spoler blir benyttet for å utføre borehullsmålingene. Disse spolene blir energisert for å generere magnetiske felt ved tre vinkelmessige områder omkring borehullsveggen, og utgangene fra disse blir faseseparert i magnetisk susceptibilitet og resistivitetsmålinger. En titusen hertz oscillator og en tusen hertz oscillator blir benyttet til energisering av spolene. Disse høy- og lav-frekvente oscillator-ene blir benyttet til å øke spolens følsomhet overfor foran-dringer i elektrisk konduktivitet og magnetisk susceptibilitet.

I en artikkel med titel "Electromagnetic Propagation ...

A New Dimension in Logging" av Thomas J. Calvert, Rama N. Rau

og Larry E. Wells, tilrettelagt for presentasjon på the 1977 47th Annual California Regional Meeting of the Society of Petro-leum Engineers of AIME i Bakersfield, California, 13. - 15. april 1977, er beskrevet virkemåten til et brønn-loggeapparat som mål-er fasedreiningen og dempningen av mikrobølge-frekvent energi

som har forplantet seg gjennom formasjonene nær et borehull.

Det er også beskrevet en tolkningsmetode hvorfra disse måling-ene å utlede verdiene av porøsitet og vannmetning i grunnformasjoner. Det blir påpekt at dette apparatet er meget nøyaktig i ferskvann. Det påpekes videre på side 15 i artikkelen at apparatet er konstruert for anvendelser med ferskt slam og at sig-nalnivåene kan bli for lave i salte slam og signalene er ikke pålitelige i olje- eller gass-fylte borehull.

Loggeteknikker som benytter elektromagnetisk energi, er beskrevet i U.S. patentene 3.849.721, 3.944.910, 4.107.597, 3.944.910 og 4.383.220.

I det siste av disse U.S. patentene er det beskrevet en borehullssonde som er tilpasset for å bli beveget gjennom borehullet og som har minst tre antennegrupper anordnet tilnærmet symmetrisk om sondens langsgående akse. Hver antennegruppe har en senderantenne og en mottagerantenne i langsgående avstand fra hverandre. Sonden er anordnet for å understøtte og anbringe antennegruppene mot veggen i borehullet. Sonden omfatter videre en anordning for samtidig tilførsel av elektromagnetisk energi til hver av senderantennene for utsendelse av elektromagnetisk mikrobølgeenergi inn i grunnformasjonene. Dessuten er det tilveiebragt anordninger koblet til hver av mottagerantennene for å detektere det signal som mottas av hver antenne.

Ifølge oppfinnelsen er det anordnet et elektromagnetisk mikrobølge-fallmåleapparat for bruk til bestemmelse av fallet til undergrunnsformasjoner som omgir et borehull, omfattende en borehulls-loggesonde anordnet for bevegelse gjennom et borehull, i det minste tre mikrobølgeantenner adskilt fra og anordnet tilnærmet symmetrisk omkring sondens langsgående akse,

en kilde for pulset mikrobølgeenergi, mikrobølge senderanordninger for tilførsel av pulset mikrobølgeenergi til antennene under en rekke senderperioder for bestråling av formasjonene som omgir borehullet, mikrobølge mottageranordninger, koblingsanordninger for å forhindre mikrobølgeenergi som tilføres antennene under senderperiodene fra også å bli tilført mikrobølge mottageranordningene, og for å muliggjøre at mikrobølgeenergi som mottas av antennene fra formasjonene i løpet av en rekke mikrobølge-mottagerperioder blir tilført mottageranordningene, og en anordning koblet til mikrobølge-mottageranordningen for å benytte den mikrobølgeenergi som mottas av antennene til bestemmelse av fallet på formasjonene som omgir borehullet.

Borehulls-loggesonden er anordnet for bevegelse gjennom et borehull og omfatter minst tre mikrobølgeantenner anordnet i avstand fra sondens langsgående akse og hovedsakelig symmetrisk omkring den langsgående akse. Antennene blir drevet slik at de alternerende sender mikrobølge-energi inn i formasjonene som omgir borehullet og mottar mikrobølge-energi som vender tilbake til borehullet fra disse formasjonene. Mikrobølge senderanordninger leverer pulset mikrobølge-energi til mikrobølgeantennene i løpet av en rekke senderperioder. Koblingsanordninger forhindrer mikrobølge-energi som tilføres antennene under senderperiodene fra også å bli tilført mottageranordningene, og muliggjør at mikrobølge-energi som mottas av antennene i løpet av rekken med mottagerperioder, å bli tilført mottageranordningene. Amplitydene og fasene til de mottatte mikrobølgesignaler blir målt ved hjelp av mottageranordningene for bruk ved bestemmelse av fallet til formasjonen som omgir borehullet.

Mer spesielt omfatter koblingsanordningene et par høyfre- kvensdioder som er koblet i motsatt retning og parallelt over inngangen til mottageranordningen. De utsendte mikrobølge-signalene med høy energi forårsaker gjennomslag i disse diodene og kortslutter inngangen til mottageranordningen under senderperiodene. Det lavere energinivået til de mottatte mikrobølge-signalene forårsaker ikke gjennomslag i diodene, og de mottatte signaler blir derfor tilført mottageranordningen under mottagerperioden.

Det generelle utseendet av den elektromagnetiske fall-måleanordningen ifølge oppfinnelsen er ganske lik konvensjonelle fall-måleapparater. Det er tilveiebragt en langstrakt borehullssonde som er tilpasset for bevegelse gjennom borehullet. En flerleder loggerkabel som inneholder elektriske ledere for over-føring av elektriske signaler mellom jordoverflaten og sonden,

er forbundet med sonden og sørger for senkning og hevning av sonden i borehullet. Under drift strekker loggekabelen seg til en anordning slik som en spole, for senkning og hevning av sonden i borehullet. Sonden omfatter minst tre antennegrupper an-bragt i avstand fra sondens langsgående akse og adskilt hovedsakelig symmetrisk om aksen, omkring 120° fra hverandre. Mer enn tre antennegrupper kan være innbefattet, men tre er vanlig-vis tilstrekkelig. Sonden er anordnet for å bære og posisjonere de tre antennegruppene mot veggen i borehullet. En anordning er tilveiebragt for samtidig levering av elektromagnetisk mikro-bølge-energi ved en frekvens på 1,0 til 3,0 GHz til hver av antennene for utsendelse av mikrobølge-energi inn i grunnformasjonene. Slik mikrobølge-energi kan være pulset eller ha en annen type periodisk utsendelse. Antennene er koblet til anordninger for detektering av mikrobølgesignaler som mottas av antennene mellom de pulsede eller periodiske utsendelser. Slike anordninger omfatter en anordning for bestemmelse av både amplitydene av de mottatte signaler og for bestemmelse av fasene til de mottatte signaler sammenlignet med de utsendte signaler.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert ved hjelp

av et eksempel under henvisning til de vedføyde tegninger, hvor: Figur 1 er en skjematisk illustrasjon av et fall-måleapparat i henhold til oppfinnelsen; Figurene 2A og 2B er skjematiske skisser over en sideveggpute som rommer hver av antennene i fall-måleapparatet på figur 1;

og

Figur 3 er et blokkskjema som illustrerer sender- og mottager-systemene som er tilordnet hver av antennene.

Det vises til figur 1 på tegningene hvor et elektromagnetisk fall-måleapparat 1 er opphengt i et borehull 3 ved hjelp av en flerleder loggekabel 5 som strekker seg fra fall-måleapparatet 1 til jordoverflaten 7. Flerlederkabelen 5 er vist tilkoblet en registreringsanordning 11 for registrering av signaler som mottas av fall-måleapparatet 1. Fall-måleapparatet 1 omfatter minst tre antenneputer 13 som er anordnet hovedsakelig symmetrisk omkring fall-måleapparatets 1 langsgående akse. Sideveggputene ligger fortrinnsvis i et plan som er normalt til fall-måleapparatets 1 langsgående akse. Sideveggputene 13 er understøttet av fall-måleapparatet 1 og kan anbringes mot veggen i borehullet 3. Bæreanordninger 13 kan være tilveiebragt for å understøtte sideveggputene 13. Fall-måleapparatet 1 omfatter også andre konvensjonelle anordninger for bestemmelse og overføring til jordoverflaten av slik in-formasjon som dimensjonen eller diameteren av borehullet, borehullets avvik fra vertikalen, den relative retning av borehullet i forhold til sideveggputene og sideveggputenes kompass-retning eller azimut.

Antennene 13 kan være av en hvilken som helst type som er egnet for utsendelse og mottagelse av elektromagnetiske mikro-bølger. Imidlertid benyttes fortrinnsvis en antenne som vanlig-vis kalles en slissantenne, som en bølgeleder for mikrobølge-energi. En slik slissantenne er vist på figurene 2A og 2B som henholdsvis er et oppriss og et sideriss i tverrsnitt av en sideveggpute 13 som inneholder slissantennen. Det er ønskelig at sideveggputene 13 har en forholdsvis liten dimensjon. Dette minsker den variansen som ellers vil forårsakes av borehullets rugositet. Det øker også den vertikale oppløsning. Generelt kan de totale dimensjoner av sideveggputene 13 være i området omkring 75 mm bredde, 125 mm lengde og 38 mm tykkelse. Antennen 17 har fortrinnsvis en horisontal bredde på omkring halvparten av bølgelengden til den mikrobølgeenergi som skal brukes. På figur 2B er det i tverrsnitt vist en skisse av sideveggputen 13 langs linjen A-A. Det er vist en koaksialkabel 21 som strekker seg fra senderdelen av fall-måleapparatet, som vist på figur 3, til antennen 17. Det er også vist en koaksialkabel 22 som strekker seg fra antennen 17 til mottagerdelen av fall-måleapparatet, som vist på figur 3. Slissen som utgjør antennen 17, strekker seg fra frontflaten av antennen inn i materialet i sideveggputen 13 over en avstand på omkring 1/4 av bølgelengden på den mikrobølge-energi som skal brukes.

Det vises nå til figur 3 hvor det er vist et elektronisk kretsskjema over sender- og mottager-systemene som er tilordnet hver av antennetutene 13 på fall-måleapparatet. I dette skje-maet er det vist tre slike sender- og mottager-systemer som er betegnet som antenne-systemer 13A, 13B og 13C. Som nevnt kan fall-måleapparatet omfatte mer enn tre antenner, men tre antenner er tilstrekkelig til å oppnå data som indikerer'fallet til undergrunnsformasjonene som gjennomtrenges av borehullet. En pulset kilde 25 for generering av valgte mikrobølgefrekvenser innenfor frekvensområdet 1 til 3 GHz blir brukt i dette mikro-bølge fall-måleapparatet. Slike oscillatorer er tidligere blitt brukt i borehullsutstyr som vist i U.S. 3.944.910 og 4.092.583 som angår undersøkelse av grunnformasjoner som omgir et borehull og bestemmelse av vannfyllingsporøsiteten til formasjoner som omgir et borehull. En pulset kilde 25 er tilstrekkelig i det foreliggende fall-måleapparat. Denne mikrobølge-energien fra den pulsede kilden 25 blir tilført hver av de tre antennesystemene 13A-13C. Siden sender- og mottager-kretsene som er tilordnet hver av disse antennesystemene, er identisk, er bare de kretsene som er tilordnet antennesystemet 13A vist detaljert og vil bli diskutert i forbindelse med figur 3.

I løpet av sendeperioden blir kilden 25 pulset for å generere mikrobølge-energi av en valgt frekvens innenfor området 1 til 3 GHz og fortrinnsvis med en frekvens på omkring 2 GHz. Dette frekvensområdet er blitt valgt for å minimalisere signal-tap i formasjonen ved høyere mikrobølgefrekvenser og for å minimalisere antennedimensjonen i forhold til hva som ville være nødvendig ved lavere mikrobølgefrekvenser. Denne mikrobølge-energien blir overført til en avstemt kraftforsterker 27 og så gjennom en koaksial senderledning 21 til antennen 13. Den elektromagnetiske energi blir utsendt via antennen 13 inn i undergrunnsformasjonene som gjennomtrenges av borehullet. I løpet av mottagerperioden fører den mottagende koaksialledningen 22 elektromagnetiske energisignaler som er mottatt av antennen 13, gjennom motstanden 30, dioden 31 og dioden 3 2 til den avstemte forsterker 29. Signalene fra den avstemte forsterker 29 blir så ført til amplitydedetektoren 33 for frembringelse av et signal som er proporsjonalt med amplityden av de mikro-bølge-energier som mottas av antennen 13. Dette signalet som er proporsjonalt til den mottatte signalamplityde, kan så sendes opp over flerlederkabelen til jordoverflaten og regi-streres. Signalet fra den avstemte forsterker 29 blir også sendt til fasedetektoren 34 som bestemmer fasen av de signaler som er mottatt av antennen 13, sammenlignet med fasen av de signaler som frembringes av den pulsede kilde 25. Fasen av det mottatte signal kan så sendes opp over loggekabelen til jordoverflaten for registrering. På overflaten blir amplitydene av de mottatte signaler fra hver av antennene 13 sammenlignet med hverandre på en måte som er lik den som brukes i forbindelse med konvensjonelle induksjons fall-måleapparater eller elektriske fall-måleapparater til å bestemme fallet på de under-grunnsf ormas joner som gjennomtrenges av borehullet. Likeledes kan fasen av de mottatte signaler sammenlignes den ene med den andre for å bestemme fallet på undergrunnsformasjonene. Ved logging av borehull kan bedre resultater oppnås enkelte ganger hvis det brukes amplitydesammenligning, mens bedre resultater andre ganger kan oppnås ved å bruke fasesammenligningene. Av denne grunn kan det være ønskelig å innbefatte begge disse muligheter i fall-måleapparatet for borehullet. En slik frem-gangsmåte for bestemmelse av fall fra amplityde- eller fase-målinger er beskrevet i "Formation Evaluation" av Edward J. Lynch, som er nevnt ovenfor. Selv om det ikke er vist, vil man forstå at borehullssonden innbefatter anordninger for måling og overføring til jordoverflaten av retningen og helningsvinkelen til borehullet, for måling av sondens orientering i forhold til magnetisk nord og dimensjonen av borehullet.

I en foretrukket driftsmåte blir kilden 25 pulset i stør-relsesorden 20 ganger pr. sekund. I løpet av senderperioden er den utsendte elektromagnetiske energi tilstrekkelig til å forårsake spenningsoverslag i diodeparet 31 og 32, for derved å kortslutte inngangen til den avstemte forsterker 29. Diodene er koblet i motsatt retning og i parallell slik at diode 31 får gjennomslag under positivt gående perioder med høyt energinivå av mikrobølgesignalene, mens diode 33 får gjennomslag under negativt gående perioder -med høyt energinivå av mikro-bølgesignalene. På denne måten kan den elektronvagnétLske energi som overføres gjennom den sendende koaksialledning 21 ikke tas opp av den mottagende koaksialledning 22 og tilføres inngangen til den avstengte forsterker 29 i antennesystemets mottagerdel under sendeperioden. Under mottagelsesperioden er den elektromagnetiske energi som mottas fra formasjonene omkring borehullet meget lavere og er ikke tilstrekkelig til å forårsake spennings-gjennomslag i diodene 31 og 32, noe som tillater mottatt energi å bli tilført inngangen på den avstemte forsterker 29. Disse diodene kan fortrinnsvis være Hewlett-Packard 5082-HSCH-5017 høyfrekvens-dioder med gjennomslagsspenning på omkring 300 millivolt. Det fremgår derfor at diodeparet 31 og 32 virker som en elektronisk bryter som reagerer på den høye energien i de elektromagnetiske sendersignalene ved å koble fra inngangen til mottagerkretsen under sendeperioden, og reagerer på den lave energien i de mottatte elektromagnetiske signaler fra grunnformasjonene for å koble inn inngangen til mottagerkretsen under mottagelsesperioden.

Claims (5)

1. Mikrofrekvent elektromagnetisk fall-måleapparat for borehull til bestemmelse av fallet på undergrunnsformasjoner som omgir et borehull, karakterisert ved : (a) en borehulls-loggesonde anordnet for bevegelse gjennom et borehull, minst tre mikrobølgeantenner adskilt fra og anordnet tilnærmet symmetrisk omkring sondens langsgående akse; (b) en kilde for pulset mikrobølge-energi; (c) mikrobølge senderanordninger for levering av pulset mikrobølge-energi til antennene i løpet av en rekke sende-perioder for bestråling av formasjonene som omgir borehullet; (d) mikrobølge mottageranordninger; (e) koblingsanordninger for å hindre mikrobølge-energi som tilføres antennene i løpet av sendeperiodene, fra også å bli tilført mikrobølge-mottageranordningene, og for å mulig-gjøre tilførsel av mikrobølge-energi som mottas av antennene fra formasjonene i løpet av en rekke mottagelses-perioder, til mottageranordningene; og (f) anordninger koblet til mottageranordningene for å ut-nytte den mikrobølge-energi som mottas av antennene til bestemmelse av fallet på de formasjoner som omgir borehullet.

2. Fall-måleapparat ifølge krav 1, karakterisert ved at koblingsanordningene reagerer på energinivået til den utsendte mikrobølge-energi for å koble ut mottageranordningene under sendeperiodene, og som reagerer på det lavere energinivået til den mottatte mikrobølge-energi ved å gjøre det mulig for den mottatte energi å bli tilført mottageranordningene i løpet av mottagelsesperiodene.

3. Fall-måleapparat ifølge krav 2, karakterisert ved at koblingsanordningene omfatter et par høyfrekvente dio-der koblet i motsatt retning og i parallell over inngangen til mottageranordningene slik at en første diode i paret får gjennomslag ved energinivået til den utsendte mikrobølge-energi for å virke som en kortslutning for positivt gående mikrobølge- signaler i løpet av sendeperiodene, og ikke for gjennomslag ved energinivået for den mottatte mikrobølge-energi for å virke som en åpen krets for mikrobølge-signaler under mottagelsesperiodene, mens en annen diode i paret får gjennomslag ved energinivået til den utsendte mikrobølge-energi slik at den virker som en kortslutning for negativt gående mikrobølge-signaler i løpet av senderperiodene, og ikke for gjennomslag ved energinivået for den mottatte mikrobølge-energi, slik at den virker som en åpen krets for mikrobølge-signaler i løpet av mottagelsesperiodene.

4. Fåll-måleapparat ifølge krav 3, karakterisert ved at gjennomslagsspenningen for hver høyfrekvent diode er i størrelsesorden 300 millivolt.

5. Fall-måleapparat ifølge noen av kravene 1 til 4, karakterisert ved at mikrobølge-energien har en frekvens på fra 1,0 til 3,0 GHz.