DE2808851A1

DE2808851A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des mit wasser gefuellten porenvolumenanteils von formationen

Info

Publication number: DE2808851A1
Application number: DE19782808851
Authority: DE
Inventors: George R Coates
Original assignee: Societe de Prospection Electrique Schlumberger SA
Current assignee: Services Petroliers Schlumberger SA
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1978-03-01
Publication date: 1978-09-07
Also published as: CA1096939A; MX144027A; FR2382705A1; US4092583A; IT1092949B; AU518033B2; GB1597321A; EG14074A; AU3357078A; TR20174A; MY8500197A; IT7820796A0; FR2382705B1; NO780578L

Description

zum Patentgesuch

der Sbeiete de Prospection Electrique Schlumberger, 42, rue Saint-Dominique, Paris/Frankreich

betreffend:

"Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteils von Formationen"

Die Erfindung betrifft die Bestimmung von Parametern von unterirdischen Formationen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteils von Formationen, die ein Bohrloch umgeben.

Eine Anzahl von Techniken existieren derzeit zum Bestimmen der Porosität von unterirdischen Formationen. Typischerweise werden elektrisch, mit Schall- und/oder Nuklearstrahlung arbeitende Meßeinrichtungen in ein Bohrloch abgesenkt und Informationen von einer oder mehreren dieser Einrichtungen dazu verwendet, eine Messung der Porosität der unterirdischen Formationen zu erhalten. Typischerweise werden Meßwerte oder Beispiele, die für andere unterirdische Parameter indikativ sind, bäspielsweise Lithologie und Sättigung mit Fluids, ebenfalls bestimmt, wobei die Bestimmung der Porosität unter Ver-

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wendung einer Kombination der verfügbaren Information durchgeführt wird.

Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Porositätsparametern, wobei es im allgemeinen zweckmäßig ist, über jeden einzelnen, falls möglich, Informationen zu erhalten. Die Gesamtporosität, mit φ bezeichnet, bedeutet den Gesamtanteil am Einheitsvolumen der Formation, der von Porenräumen oder Zwischenräumen eingenommen wird. Der mit Wasser gefüllte Porenvolumenanteil, der mit φ bezeichnet wird, ist der Anteil des Einheitsvolumens der Formation, der von Wasser eingenommen wird, während die Kohlenwasserstoffporosität, die mit φ, bezeichnet wird, der Anteil des Einheitsvolumens der Formation ist, der von Kohlenwasserstoff eingenommen wird. Im allgemeinen ist jz$_t gleich der Summe von φ und φ, . Es ist offensichtlich, daß dann, wenn zwei dieser drei Porositätsparameter mit genügender Zuverlässigkeit bekannt sind, wertvolle Rückschlüsse auf die Natur der unterirdischen Formationen gezogen werden können, die untersucht werden. Es ist ferner bekannt, daß der Vergleich von Porositätsbestimmungen von verschiedenen Meßeinrichtungen, selbst solchen, die angeblich Informationen bezüglich des gleichen Porositätsparameters liefern, sehr zweckmäßig bei der Bestimmung der Natur der unterirdischen Formationensein können. Dementsprechend wäre es zweckmäßig, eine zusätzliche verläßliche Messung eines Porositätsparameters, etwa von φ , zu haben, die im Zusammenhang mit anderen Meßinformationen verwendet wird, um die gesamte Natur der unterirdischen Formationen, die von dem Bohrloch durchquert werden, sichtbar zu machen.

Aus der US-PS 3 944 91 ο ist eine Vorrichtung zum Shicken von elektromagnetischer Mikrowellenenergie in unterirdische Formationen, um Eigenschaften der Formationen zu bestimmen. Unter anderem ist dort eine Methode zum Bestimmen der verlustkorrigierten Geschwindigkeit (wo die Geschwindigkeit in umge-

- 3-

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kehrter Beziehung zur Laufzeit besteht) der elektromagnetischen Mikrowellenenergie beschrieben, die sich durch die unterirdischen Formationen ausbreitet. Für verlustlose Medien ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Enagie umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstanten. Eine Geschwindigkeitskorrektur wird jedoch im allgemeinen gemacht, wenn das Ausbreitungsmedium zu Verlusten führt.

Es wurde vorgeschlagen, daß der mit Wasser gefüllte Porenvolumenanteil einer unterirdischen Formation, bestehend aus Wasser in einer Matrix, bestimmt werden kann, indem die verlustkorrigierte Geschwindigkeit der Formation bestimmt und dann eine Zeitmittelbeziehung verwendet wird, um den mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteil zu bestimmen. Inbesondere wurde folgende Beziehung angesetzt:

= (1 - 0 )~K + Φ Ii^ (D

corr ^{v 1}W' \ m *w γ wo

wobei die verlustkorrigierte Dielektrizitätskonstante der Formationen darstellt, während *£- die Dielektrizitätskonstante

wo

des verlustfreien Wassers und €- die Dielektrizitätskonstante der Formationsmatrix ist. <x_ kann erhalten werden,indem man die in der US-PS 3 9 44 91o beschriebenen Methoden verwendet. *c. ist für eine bestimmte Frequenz und Temperatur experimentell im Labor bestimmbar. Wenn die Lithologie bekannt ist, ist i- der Matrix, das allgemein als verlustlos angenommen wird, ebenfalls bekannt. Die Quadratwurzel einer Dielektrizitätskonstante ist umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit, so daß die Beziehung (1) in einer Zeitmittelform vorliegt. Die Beziehung (1) gibt an, daß die zusammengesetzte Geschwindigkeit als ein Mittelwert der Geschwindigkeit im Wasser, multipliziert mit dem Teilvolumen des Wassers plus der Geschwindigkeit in der Matrix, multipliziert mit dem Teilvolumen der Matrix ausgedrückt wird. Alle Ausdrücke in der Beziehung (1) berücksichtigen, daß

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verschiedene Ausbreitungsmedien (Matrix, Fluid und Mischung) als verlustlos, wobei in Betracht gezogen wird, daß die gemes sene Dielektrizitätskonstante in diesem Ausdruck verlustkorri giert wurde. Auflösung nach φ liefert:

corr -N m (2)

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen der mit Wasser gefüllte Porenvolumenanteil bestimmt werden kann, was eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik, wie er etwa durch den Ausdruck (2) dargestellt wird, liefert.

Es wurde gefunden, daß ein möglicher Nachteil des Standes der Technik, wie er vorstehend beschrieben wurde, darin besteht, daß die Verlustkorrektur, die verwendet wird, um ein Messung der verlustkorrigierten Geschwindigkeit oder Laufzeit in dem zusammengesetzten Material zu erhalten, unerwünschte Ungenauigkeiten einführen kann. Es wird angenommen, daß ein Grund für diese Ungenauigkeiten darin besteht, daß die Korrektur nicht die Tatsache in Betracht zieht, daß eine Komponente des gemessenen Wertes (der korrigiert wird, um t zu erhalten) dem Matrixteil der Formationen zuschreibbar ist, wobei die Matrix allgemein ein scheinbar verlustloses Material darstellt. Demgemäß wird durch die Korrektur zum Erhalten von ^- eine Gesamt-

co rr

Verlustkorrektur bezüglich eines Wertes vorgenommen, obwohl wenigstens ein Teil des Wertes tatsächlich keine Verlustkorrektur erfordert. Die Erfindung verwendet eine andere Näherung, in der nicht versucht wird, die verlustkorrigierte Geschwindigkeit oder Ausbreitungszeit durch die zusammengesetzte Formationert zu bestimmen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteils von

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Formationen, die ein Bohrloch umgeben. Es wird angenommen, daß die Formationen eine Matrix bilden, die aus irgendeinem unterirdischen festen Material besteht, wobei ein Fluid in der Matrix, etwa in Poren- oder Zwischenräumen hiervon, enthalten ist. Mit dem mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteil ist der Anteil des gesamten FormationsVolumens (Matrix plus Fluid) gemeint, dir von Wasser eingenommen wird. Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung werden Mittel zum Bestimmen einer ersten Größe vorgesehen, die ein Maß für die Laufzeit von elektromagnetischer Mikrowellenenergie darstellt, die sich über eine vorbestimmte Distanz in den Formationen ausbreitet, wobei diese erste Größe als t , bezeichnet wird. Elektromagnetische Mikrowellenenergie ist hierin definiert als elektromagnetische Energie im Frequenzbereich von etwa 3oo MegaHertz bis 3oo GHz. Ferner sind Mittel zum Bestimmen einer zweiten Größe vorgesehen, die ein Maß für die Dämpfung der elektromagnetischen Mikrowellenenergie darstellt, die sich über einen vorbestimmten Abstaad in den Formationen ausbreitet, wobei die zweite Größe die Dämpfungskonstante (X_ in der vorliegenden Ausführungsform ist. Weiterhin sind Mittel zum Erzeugen einer dritten Größe, die als t -, bezeichnet wird, vorgesehen, wobei die Mittel auf die zweite Größe ansprechen, während die dritte Größe repräsentativ bezüglich der Laufzeit der elektromagnetischen Mikrowellenenergie ist, die sich über einen vorbestimmten Abstand in Wasser ausbreitet und eine Verlustbehaftung aufweist, die von der zweiten Größe bestimmt wird. Schließlich sind auf die erste und dritte Größe ansprechende Mittel vorgesehen zum Erzeugen einer porositätsindikativen Größe, die als φ bezeichnet wird, und eine Funtkion der ersten und dritten Größe darstellt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform sind Mittel zum Liefern einer vierten Größe, die als t bezeichnet wird, vorgesehen, die repräsentativ bezüglich der Laufzeit der elektromagnetischen Mikrowellenenergie ist, die sich über einen vorbe-

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- fr -

stimmten Abstand in der Formationsmatrix ausbreitet. Bei dieser Ausführungsform ist das Mittel zum Erzeugen einer porositätsindikativen Größe ebenfalls abhängig von der vierten Größe zum Erzeugen der porositätsindikativen Größe als eine Funktion der ersten, dritten und vierten Größe. Insbesondere wird die porösität sin dikative Größe jz5 entsprechend folgender Beziehung

Λ t , - t

t - t pwl m

bestimmt. Ferner wird bei dieser Ausführungsform das Mittel zum Erzeugen der dritten Größe t , zusätzlich abhängig von einer fünften Größe, die als t bezeichnet wird und die Laufzeit der elektromagnetischen Mikrowellenenergie darstellt, die sich über einen vorbestimmten Abstand in im wesentlichen verlustlosen Wasser ausbreitet. Insbesondere wird die dritte Größe entsprechend folgender Beziehung

bestimmt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dernachfolgenden, detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Abbildungen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung, teilweise

in Blockform, einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 zeigt vereinfacht die Ausbreitung einer elektromagnetischen Mikrowellenoberflächenwelle in Formationen,

Fig. 3 zeigt Blockdiagramm eines Ämplitudenkomparators von Fig. 1,

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Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines Auswertungsmoduls von Fig. 1.

Vor der Beschreibung der Erfindung im einzelnen ist es hilfreich/ wenn zunächst auf die eingangs genannte ÜS-PS 3 944 91o eingegangen wird.

Es sei eine ebene elektromagnetische Welle betrachtet, die sich in einem verlustlosen dielektrischen Medium ausbreitet. Die Welle breitet sich mit einer Geschwindigkeit

aus, worin ρ die magnetische Permeabilität und <c_ die Dielektri zitätskonstante des Mediums ist. Wenn die Art des betrachteten Materials allgemein nicht magnetisch ist, kann μ als eine bekannte Konstante betrachtet und *2_ aus der Beziehung

^= — (4)

Y v²

bestimmt werden. Als nächstes seien zwei Punkte in fester Abstandsbeziehung längs der Ausbreitungsrichtung der Welle betrachtet. Für eine gegebene Winkelfrequenz to ist die Phasendifferenz der Welle zwischen den beiden Punkten

Φ =-^ψ— = £l (5)

wobei L der Abstand ist, der die beiden Punkte voneinander trennt, während ψ die Phasenkonstante der Welle, definiert durch fo = ^- ist. Durch Substitution von Gleichung (5) ist ersichtlich, daß nach Bestimmung der Phasenkonstante aus der Beziehung ^> =^ ||iials

■«.- ^l (6,

erhalten werden kann. Ausgedrückt bezüglich der Phasen, gemessen

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zwischen zwei Punkten, ist der entsprechende Ausdruck

v- -4-2— <⁷>

Die vorstehende Beziehung ist für ein verlusteloses Material gültig, jedoch besitzen unterirdische Medien, die von Interesse sind, im allgemeinen einen merklichen Verlust. Die Aus breitungskonstante γ einer ebenen, elektromangetischen Welle, die sich in einem mit Verlust behafteten Medium ausbreitet, ist eine komplexe Größe der Form

(8) to ^,

in der die Leitfähigkeit des Mediums ist. In dem Fall, in dem

<TNull oder sehr klein ist, kann der "Verlusttangenten"-Ausdruck -^c- vernachlässigt werden, und man erhält γ = @* = \ fiL , was in Übereinstimmung mit Gleichung (6) für den verlustlosen Fall steht. WEnn <3~ wesentlich ist, kann der Verlusttangententerm relativ klein gehalten werden, wenn u> sehr groß ist. In diesem Falle ist die Gleichung (6) ebenfalls näherungsweise wieder gültig Beispielsweise liefert dann, wenn -übej? ^ = o.2 ist, eine Berechnung von £_ gemäß Gleichung (4) nur einen Fehler von etwa o,5% verglichen mit dem Fall, in dem -—p— gleich Null ist.

Wie in dem genannten Patent dargelegt wurde, bestehen praktische Grenzen in bezug darauf, wie hoch eine Frequenz sein kann, um aussagekräftige Messungen in einem Bohrloch vornehmen zu können. Bei Formationen mit beträchtlicher Leitfähigkeit kann die Verwendung der höchsten praktikablen Frequenzen noch eine beträchtliche Verlusttangente liefern, die, falls sie ignoriert wird, zu Fehlern in der Messung des scheinbaren Wertes der Dielektrizitätskonstanten führt. In dem genannten Patent werden die Messungen der Dielektrizitätskonstanten bezüglich der Verlusttangente korrigiert, um beispielsweise die Größe t- zu erhalten, die vorstehend erwähnt wurde.

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Um die erfindungsgemäß verwendete Methode besser zu verstehen, ist es hilfreich, anfänglich den reellen und den imaginären Teil der Ausbreitungskonstante V in bezug auf Ss bzw. O^ darzustellen, so daß man

(9)

erhält, wobei O. der Wellendämpfung oder dem Verlust zugeordnet

ist. (Beachte, daß die Ausbreitungskonstante in der wohl bekannten Wellengleichung in der Form e · verwendet wird, so daß der reelle Teil der Ausbreitungskonstante der imaginäre Teil des Exponenten und umgekehrt wird). Qtalrieren der Gleichungen (8) und (9) und Gleichsetzen der reellen Teile von jeder ergibt:

(X2 = η— _(1o)

oder £> = Ίρΐ.«Λ^Ζ + C*i (11).

Auf die Gleichung (11) wird nachfolgend Bezug genommen.

Es wurde entdeckt, daß eine verbesserte Bestimmung des mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteils von Formationen, die ein Bohr loch umgeben, erhalten werden kann, indem eine Zeitmittelbeziehung verwendet wird, in der die gemessene Laufzeit der elektromagnetischen Mikrowellenenergie durch die zusammengesetzte Formation nicht selbst korrigiert wird. Stattdessen wird der Term oder das Signal, das die Laufzeit der Energie (nur) in Wasser darstellt, korrigiert. Dies wird vorgenommen, indem ein gemessener Dämpfungswert verwendet wird, um eine Größe zu erhalten, die die Laufzeit der Energie in Wasser darstellt, das einen entsprechenden Grad an Verlustbehaftung aufweist. Insbesondere wird folgende Beziehung angesetzt:

wobei φ der mit Wasser gefüllte Porenvolumenanteil der Formationen w

t , die gemessene Laufzeit der elektromagnetischen Mikrowellen-

- 1o -

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\0

energie (unkorrigiert), t die Ausbreitungszeitdurch die Matrix, (allgemein als verlustlos betrachtet) und t , die Ausbreitungszeit durch Wasser ist, das die Verlustbehaftung des Formations-

s iricL
wassers aufweist- In allen Fällen die Ausbreitungszeiten für einen bestimmten Abstand in der Formation durch den Abstand zwischen einem Paar von Empfängern bestimmt. Das Lösen von Gleichung (12) für jzS_w liefert

(13)

pwl pm

In der vorliegenden Ausführungsform wird die Größe t -, bestimmt durch die Beziehung

+ Ko^² (14)

in der t die Laufzeit der elektromagnetischen Mikrowellenpwo ³

energie durch verlustloses Wasser ist, die für eine besondere Frequenz und Temperatur in einem Labor bestimmbar ist, während <X_-die gemessene Dämpfungskonsiante und K eine Konstante ist. Die Beziehung (14) ist von der Form der Gleichung (11) und zeigt an, daß die Ausbreitungszeit durch ein verlustbehaftetes Fluid größer als die Ausbreitungszeit durch ein äquivalentes verlustfreies Fluid ist, wobei der Betrag von OL_ abhängt. Eine relativ genaue Bestimmung von φ wird auf diese Weise dadurch erreicht, daß nur die Größe, der die Verlustbehaftung vollständig zuzuschreiben ist, verlustkorrigiert wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Gleichung (12)0 = φ, betrachtet, indem von einer Zeitmittelbeziehung ausgegangen wird, d.h. irgendein Kohlenwasserstoffgehalt wird als Teil der Matrix vom Standpunkt der Ausbreitungszeitbestimmung aus betrachtet.

Es sei bemerkt, daß die Beziehung (14), die oben aufgestellt und von der gefunden wurde, daß sie effektiv verwendbar ist, von der erwarteten Theorie in einer Beziehung abweicht, was

- 11 -

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wie folgt beschrieben werden kann: Angenommen, daß die gemessene Dämpfung der Mas sen format ion mit C-«_ bezeichnet ist und ausgedrückt werden kann als

_c = 0_WO-_W + (1"^)⁰S_n (15)

in der C/- die Dämpfung ist, die dem Formationswasser zuaordnen w

ist, während O·^ die Dämpfung ist, die der Fcrmationsmatrix zuzuordnen ist. Da c*— nahe bei Null liegt, reduziert sich Gleichung (15) zu

= K ⁰H, ⁽¹⁶⁾

0
W

wodurch lediglich ausgedrückt wird, daß die Massenformationsverluste volumetrisch (durch einen Faktor φ ) nachgeregelt wurden, um die Tatsache in Betracht zu ziehen, daß der Verlust im wesentlichen nur in dem Teil der Formation auftritt, der von Wasser eingenommen wird. Unter Verwendung der allgemeinen Form von Gleichung (11) könnte man für einen geeigneten Ausdruck für t , erwarten, daß dieser

2 2

-pwl - \ ¹^pWO ^{+ K} w ⁽¹⁸⁾

ist, wobei jeder der Terme auf das Wasservolumen bezogen ist, d.h. t , und t ebenso wie O^- für irgendein übereinstimmendes Wasservolumen gegeben sind, durch das sich die Energie ausgebreitet hat. Da das gemessene Q^. der Energie zugeordnet ist, die sich durch die Formationsmasse (Matrix wie auch Fluid) ausgebreitet hat, würde Grund dafür bestehen, daß die Gleichung (17) Verwendung finden könnte, um ein volumetrisch konsistentes 0^- zu erhalten. Substitution in Gleichung (18) liefert die erwartete Beziehung:

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t²

pwo φ 2

wie jedoch ausgeführt wurde, wurde gefunden, daß die Beziehung (14), die die Division des zweiten Terms unter der Wurzel durch

2
den Faktor φ_τ and ausschließt, effektive und genaue Ergebnisse liefert.

In Fig. 1 ist eine repräsentative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Untersuchung unterirdischer Formationen 31 dargestellt, die von einem Bohrloch 32 durchsetzt werden. Das Bohrloch 32 ist typischerweise mit einer Bohrflüssigkeit oder Schlamm gefüllt, der fein verteilte Feststoffe in Suspension enthält. Die Meßeinrichtung 3o wird in das Bohrloch 32 an ein armiertes Kabel 33 gehängt, dessen Länge die relative Tiefe der Einrichtung 3o im wesentlichen bestimmt. Die Kabellänge wird durch geeignete Mittel an der Erdoberfläche, etwa eine Tromme- und Windeneinrichtung (nicht gezeigt) gesteuert.

Die Meßeinrichtung 3o umfaßt einen langgestreckten zylindrischen Trägerteil 34, dessen Innenteil ein fluiddichtes Gehäuse besitzt, das den Hauptteil der in dem Bohrloch befindlichen Elektronik enthält. An dem Trägerteil 34 ist ein Paar von Federn 35 und 36 angeordnet. An der Feder 35 ist ein Futterteil 37 angeordnet, das unter anderem eine übertragungsantenne T und mit vertikalem Abstand angeordnete Empfangsantennen R₁ und R„ aufweist. An der Feder 36 ist ein zweites Futterteil 38 befestigt, das inaktiv sein kann und lediglich eine weiche vertikale Bewegung der Einrichtung 3o durch das Bohrloch erleichtert. Falls gewünscht, kann jedoch das Futterteil 38 Elektroden oder ähnliche zusätzliche Mittel zum Untersuchen der umgebenden Formationen enthalten. Elektronische Signale, die bezüglich der durch die Meßeinrichtung aufgenommenen Information indikativ sind, werden durch das Kabel 32 zu einem Auswertungsmodul 85 und einem Schreiber 95 gegeben, die oberhalb der Erdoberfläche sind. Die besonderen in Fig. 1 dargestellten Mittel, die dazu

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dienen, die Antennen in Eingriff mit der Bohrlochwandung zu halten, sind dargestellt, wobei jedoch darauf hinzuweisen ist, daß auch andere geeignete Mittel zu diesem Zweck, etwa hydraulische Mittel, Verwendung finden können.

Fig. 2 zeigt in vereinfachter Form die Art der Ausbreitung der elektromagnetischen Welle, die mit der Vorrichtung von Fig. 1 zu messen ist. (Bezüglich einer detaillierteren Beschreibung der Wellenausbreitung sei auf die US-PS 3 944 91 ο hingewiesen. )In Fig. 2 ist das Futterteil 37 sich an die Seite des Bohrlochs 32 anlehnend, dargestellt, das - wie oben ausgeführt wurde - mit einem Bohrschlamm gefüllt ist. Im allgemeinen ist der Fluiddruck in dem Formationen, die durch ein Bohrloch durchsetzt werden, geringer als der hydrostatische Druck der Schlammsäule in dem Bohrloch, so daß der Schlamm und Schlammfiltrat etwas in die Formationen fließen. Die Formationen neigen dazu, die in dem Schlamm suspendierten kleinen Teilchen auszusieben, so daß ein Schlammkuchen auf den Wänden des Bohrlochs gebildet wird. Die Dicke des Schlammkuchens variiert mit den Formationsparametern, wie Permeabilität, jedoch ist wenigstens ein sehr dünner Schlammkuchen gewöhnlich auf der Bohrlochwandung vorhanden. Gemäß Fig. 2 berührt das Futterteil 37 einen Schlammkuchen 4o, der mit übertriebener Dicke aus zeichnerischen Gründen dargestellt ist.

Die Sendeantenne T strahlt elektromagnetische Mikrowellenergie in die Formation, wie durch den Pfeil A dargesieLlt ist. Eine resultierende Seitenwelle, die sich in der Formation ausbreitet, ist durch den Pfeil B und ihre Ausdehnung durch den Pfeil C dargestellt. Die Seitenwelle liefert Energie zurück in das verlustreichere Medium (den Schlammkuchen) und die Teile der Energie, die zu den benachbarten Stellen der Empfänger R₁ .und R geliefert werden, sind durch die Pfeile D bzw. E dargestellt. Wenn die durch die Pfeile D und E dargestellten Weg-

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längen ä.s im wesentlichen gleich angenommen werden, ist ersichtlich, daß die Differenz der Weglänge zwischen der Energie, die bei R₁ empfangen wird, (über den Weg A-B-D) und der Energie, die bei R- empfangen wird (über den Weg A-B-C-E), der Abstand ist, der durch den Pfeil C dargestellt wird, d.h. der Abstand zwischen den Empfängern. Dementsprechend ermöglicht eine Differentialempfängeranordnung eine Untersuchung des Teils der Formation, der nahezu gegenüber von dem Abstand zwischen R₁ und R„ liegt. Typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, wird die Untersuchungsformation die "gespülte" oder die "Eindring-" Zone sein, die den Schlammkuchen in dem Bohrloch umgibt und Flüssigkeiten aus dem Schlamm enthält, die durch den Schlammkuchen gefiltert sind.

Gemäß Fig. 1 ist die Bohrlochelektronik, die in dem Teil 34 enthalten ist, aus Darstellungsgründen an der Seite des Bohrlochs dargestellt. Ein Festkörperoszillator 45 liefert Ausgangsenergie im Mikrowellenbereich des Spektrums. Der Mikrowellenbereich ist hierbei definiert als der Bareich, der Frequenzen zwischen etwa 3oo MHz und 3oo GHz umfaßt. Der Oszillator 45 kann

9 bei einer geeigneten Frequenz von 1,1 GHz, d.h. mit 1,1 . 1o Schwingungen pro Sekunde darbeiten. Der Ausgang des Oszillators 45 ist über einen Isolator 46 mit der Sendeantenne T gekoppelt. Mikrowellenergie wird den umgebenden Formationen zugeführt und breitet sich durch die Formationen in der vorstehend beschriebenen Weise aus. Die Energie, die an den Empfangsantennen R₁ und R„ empfangen wird, ist entsprechenden! t Eingangsklemmen von Mischstufen 47 und 48 gekoppelt. Die Signale, die von R₁ und R„ empfangen werden, sind in Bezug zueinander um einen Betrag phasenverschoben, der von der Phasenkonstanten % abhängt, und besitzen ein Amplitudenverhältnis, das von der Dämpfungskonstanten Q^ abhängt. Zwei Eingangsklemmen der Mischstufen werden mit Mikrowellenenergie einer Frequenz versorgt, die von der Sendefrequenz durch eine relativ niedrige Frequenz getrennt ist,

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die typischerweise im Radiofrequenzbereich liegt. In der dargestellten Ausführungsform liefert ein Festkörperoszillator 49 Mikrowellenenergie zu den Mischstufen 47 und 48 von einer Frequenz von 1,1oo1 GHz oder 1oo KHz oberhalb der Sendefrequenz. Die Ausgangssignale 47A und 48A der Mischstufen 47 und 48 enthalten daher die Differenz frequenz von 1oo KHz. Die Signale 47A und 48A behalten die Phasen- und Amplitudenbeziehung der Signale von R-, und R„ bei, wobei jedoch die Arbeit der Phasenbestimmung bei der niedrigeren Frequenz der gemischten Signale wesentlich erleichtert wird. Um sicherzustellen, daß die Differenzfrequenz zwischen den Ausgängen der Oszillatoren 45 und 49 1oo KHz bleibt, werden die Oszillatorausgänge abgetastet und einer Mischstufe zugeführt. Der Ausgang der Mischstufe wird von einem Frequenzstabilisierungskreis 51 aufgenommen, der Abweichungen von dem 1oo KC-Standard feststellt und ein Korrektursignal 51A erzeugt, das den Oszillator 49 in Form einer üblichen phasenstarren Schleife steuert.

Die Signale 47A und 48 werden einem Phasendetektorkreis 53 und einem Amplitudenkomparator 54 zugeführt. Der Ausgang des Phasendetektors 53 besteht in einer Signalhöhe, die proportional zu der Phasendifferenz φ zwischen den Signalen ist, die bei R₁ und R„ empfangen wurden, und die daher proportionial zu ρ in Übereinstimmung mit ^> = φ/ϊ, ist, wobei L der Abstand ist, der die beiden Empfänger voneinander trennt. Für eine bestimmte Betriebs frequenz tv£> ist die Phasendifferenz φ auch proportional zu der Laufzeit durch die Formationen über den Abstand L in Übereinstimmungmit t , =5^3 / wobei t , die Laufzeit ist. Der Ausgang des Amplxtudenkomparators 54 ist eine Signalhöhe, die proportional zu der Dämpfungskonstanten O^~ ist. Ein geeigneter Schaltkreis 54 zum Erhalten eines Ausgangssignals proportional zu CO ist in Fig. 3 gezeigt. Die Signale 47 A und 48A werden logarithmischen Verstärkern 55 bzw. 56 zugeführt, deren Ausgänge auf einen Differenzverstärker 5 7 gegeben werden. Der Ausgang des Differenzverwstärkers 57 ist ein Signal mit

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einer Höhe proportional zuO— Dies kann durch Darstellen der Amplitude der Wellenenergie verdeutlicht werden, die bei R als

— c>£—ζ
Ae empfangen wird, wobei A eine Amplitudenkonstante und ζ der Abstand zwischen T und R₁ ist. Es folgt, daß die Amplitude der Wellenergie, die bei R„ empfangen wid, gleich Ae ist, wobei L der Absfend zwischen den Empfängern R₁ und R„ist. Das Verhältnis der Wälenamplituden der beiden Empfänger ist daher

Ae

Der Logarithmus des Verhältnisses der Wellenamplituden ist daher proportional zu OC . Es sei darauf hingewiesen, daß der Schaltkreis 54 von Fig. 3 das gleiche mathematische Resultat liefert, indem er die Differenz zwischen den Logarithmen der Wellenamplituden bildet.

Der Ausgang entsprechend t , und O^— wird zur Oberfläche über ein Leiterpaar 53a und 54a gesendet, die in Wirklichkeit durch das armierte Kabel 33 verlaufen. Typischerweise können diese Signale Gleichstrompegel enthalten, die durch Verstärken vor dem Senden zur Oberfläche auftransformiert werden. An der Oberfläche der Erde werden die Signale von den Leitungen 53a und 5 4a auf einen Auswertungsmodul 85 gegeben, der den mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteil φ der Formationen entsprechend den Beziehungen (13) und (14) berechnet. Der berechnete Porenvolumenanteil wird von einem Schreiber 95 wiedergegeben, der in üblicher Weise als Funktion der Bohrlochtiefe durch mechanische Kopplung mit einem drehbaren Rad 96 angetrieben wird. Das Rad 96 ist mit dem Kabel 33 gekoppelt und dreht sich in Synchronisation hiermit, so daß es sichals Funktion der Bohrlochtiefe bewegt. Damit wird der mit Waser gefüllte Porenvolumenantex1 als Funktion der Bohrlochtiefe durch den Schreiben 95 wiedergegeben.

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Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm des Auswertungsmoduls 85, der die Signale von den Leitungen 53a und 54a empfängt, die indikativ für die gmessenen Werte von t -, bzw. <X- sind. Das bezüglich

C^- repräsentative Signal wird auf einen quadrierenden Kreis und das bezüglich t , repräsentative Signal auf die positive Eingangsklemme eines Differenzverstärkers 95 gegeben. Der Ausgang des quadrierenden Kreises 91, der repräsentativ bezüglich 0^— ist, wird auf einen Eingang eines Vervielfacherkreises 92 gegeben, dessen anderer Eingang ein einstellbares Signal entsprechend einer Konstanten K aufnimmt. Der Ausgang des Kreises

2 92, der ein Signal darstellt, das einen Wert entsprechend KOk^ besitzt, wird auf einen Eingang eines Summierkreises 93 gegeben.

Der andere Eingang des Summierkreises ist ein Signal mit einer

2
Höhe entsprechend dem Wert von t . Wie vorstehend ausgeführt

wurde, ist t die Laufzeit der elektromagnetischen Mikrowellenpwo

energie der Frequenz Oo in im wesentlichen verlustfreiem Wasser über die Distanz L. Dieser Wert ist in einem Labor bestimmbar, beispielsweise 28,3 Nanosekunden pro Meter bei 1,1 GHz bei 37.8°C.

Der Ausgang des Summierkreises 93 stellt ein Signal dar, das re-

präsentativ für t 2 + KOC ist, wobei dieses Signal auf einen Schaltkreis 94 zum Wurzelziehen gegeben wird, dessen Ausgang ein Signal ist, das repräsentativ für t , in Übereinstimmung mit der Beziehung (14) ist. Der Ausgang des Schaltkreises 94 ist mit der positiven Eingangsklemme eines Differenzverstärkers 96 gekoppelt. Die negative Eingangsklemme jedes der Differenzverstärker 95 und 96 nimmt ein Signal auf, das repräsentativ für t ist, d.h. repräsentativ bezüglich der Laufzeit der elektromagnetischen Mikrowellenenergie der Frequenz ¹^ über die Distanz L für die besondere Matrix. Es wird angenommen, daß die Lithologie aus anderen Meß- oder Kernbohrinformationen bekannt ist. Ein Beispiel eines typischen Wertes für t für die interessierende Frequenz ist 8 Nanosekunden/m. Die Ausgaänge der Differenzverstärker 95 und 96 sind mit einem Schaltkreis 97 zum Bilden eines Verhältnisses gekoppelt, der ein Ausgangssignal

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liefert, das repräsentativ zu φ entsprechend der Beziehlang (13) ist.

Die Erfindung wurde vorstehend in bezug auf eine spezielle Ausfuhrungsform beschrieben, jedoch können Abweichungen im Rahmen des Erfindungsgedankens vorgenommen werden. Während beispielsweise eine Schaltungsanordnungzur Erzeugung von Analogsignalen entsprechend den gewünschten Größen beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, daß ein allgemein verwendbarer Digitalcomputer ohne weiteres programmiert werden kann, um die vorstehend beschriebenen Methoden zu verwirklichen. Ferner sei bemerkt, daß die vorteilhaften Prinzipien der bekannten Bohrlochkompensationstechniken und/oder der redundanten Verarbeitungskanäle, wie sie in der US-PS 3 849 721 beschrieben sind, gewünschten falls zusammen mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Ferner können die gemessenen Werte gewünschtenfalls bezüglich des Schlammkucheneffektes, Streuung oder Temperaturänderungen in bekannter Weise korrigiert werden. Schließlich können, obwohl in der dargestellten Ausführungsform die verschiedenen Größen direkt von einer Meßeinrichtung gelagert wurden, diese alternativ von einem Speicher abgerufen werden oder von einer Meßstelle mitgeteilt werden.

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eerse ι t e

Claims

Patentansprüche

Λ J Verfahren zum Bestimmen des mit Wasser gefüllten Porenvalumenanteils von Formationen, die ein Bohrloch umgeben, wobei die Formationen ein Fluid in einer Matrix enthalten, wobei ein erstes Signal abgeleitet wird, das ein Maß für die Laufzeit von elektromagnetischer Mikrowellenenergie darstellt, die sich über eine vorbestimmte Distanz in den Formationen ausbreitet, und wobei ein zweites Signal abgeleitet wird, das ein Maß für die Dämpfung dieser elektromagnetischen Mikrowellenenergie darstellt, die sich überdie vorbestimmte Distanz in den Formationen ausbreitet, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Signal erzeugt wird, das eine Funktion des zweiten Signals ist und indikativ für Verluste der elektromagnetischen Mikrowellenenergie ist, die der Anwesenheit von Fluid in den Formationen zuschreibbar ist, wobei das erste und das dritte Signal miteinander kombiniert werden, um eine Angabe bezüglich des mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteils zu liefern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Signal repräsentativ bezüglich der Laufzeit der elektromagnetischen Mikrowellenenergie ist, die sich über die vorbestimmte Distanz in Wasser ausbreitet, das mit einem Verlust behaftet ist, der von dem zweiten Signal bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal entsprechend dem mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteil als Funktion des ersten und dritten Signals erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein viertes Signal abgeleitet wird, das bezüglich der Laufzeit der Mikrowellenenergie, die sich über die vorbestimmte Distanz in der Matrix ausbreitet, repräsentativ ist, wobei das Signal bezüglich des Porenvolumenanteils als Funktion des ersten,

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dritten und vierten Signals erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen eines Signals entsprechend dem Porenvolumenanteil ein Verhältnis der Differenz zwischen dem ersten und vierten Signal und der Differenaz zwischen dem dritten und vierten Signal gebildet wird.
6· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Signal als Funktion eines fünften Signals verwendet wird, wobei das fünfte Signal repräsentativ zur Laufzeit der elektromagnetischen Mikrowellenenergie ist, die sich über die vorbestimmte Distanz in im wesentlichen verlustlosen Wasser ausbreitet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Signal als Punktion der Quadratwurzel einer Größe erzeugt wird, die das Quadrat des fünften Signals plus dem Quadrat des zweiten Signals ist.
8. Vorrichtung zum Bestimmen des mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteils von Formationen, die ein Bohrloch umgeben, wobei die Formationen Fluid in einer Matrix enthalten, mit Mitteln zum Ableiten eines ersten Signals, das ein Maß für die Laufzeit von elektromagnetischer Mikrowellenenergie ist, die sich über eine vorbestimmte Distanz in den Formationen ausbreitet, und Mittel zum Ableiten eines zweiten Signals, das ein Maß für die Dämpfung der elektromagnetischen Mikrowellenenergie ist, die sich über die vorbestimmte Distanz in den Formationen ausbreitet, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Erzeugen eines dritten Signals vorgesehen sind, das indikativ für Verluste der elektromagnetischen Mikrowellenenergie ist, die einem Fluid in den Formationen zuzuordnen ist, und in Kombination mit dem ersten Signal zum Liefern einer Anzeige für den mit Wasser gefüllten

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Porenvolumenanteil dient.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Signal repräsentativ bezüglich der Laufzeit von elektromagnetischer Mikrowellenenergie ist, die sich über die vorbestimmte Distanz in Wasser ausbreitet, das einen Verlust besitzt, der durch das zweite Signal bestimmt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die auf das erste und dritte Signal ansprechen, um ein Signal entsprechend dem mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteil als Funktion des ersten und dritten Signals zu erzeugen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gkennzeichnet, daß Mittel aim Ableiten eines vierten Signals vorgesehen sind, das repräsentativ bezüglich der Laufzeit der Mikrowellenenergie ist, die sich über die vorbestimmte Distanz in der Matrix ausbreitet, wobei die Mittel zum Erzeugen eines Signals, das indikativ bezüglich des mit Wasser gefüllten PorenvolumenanteiIs ist, wobei die Mittel zum Erzeugen des Signals entsprechend dem mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteil auf das vierte Signal ansprechend sind, um ein Signal als Funktion des ersten, dritten und vierten Signals indikativ bezüglich des Porenvolumenanteils zu erzeugen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eines Signals, das indikativ bezüglich des mit Wasser gefüllten Porenvolumenanteils ist, ein Signal als Verhältnis der Differenz zwischen dem ersten und vierten Signal und der Differenz zwischen dem dritten und vierten Signal erzeugt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des dritten Signals

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auf ein fünftes Signal ansprechend sind, wobei das fünfte Signal repräsentativ bezüglich der Laufzeit der elektromagnetischen Mikrowellenenergie ist, die sich über die vorbestimmte Distanz in im wesentlichen verlustfreiem Wasser ausbreitet.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des dritten Signals zum Erzeugen desselben eine Funktion der Wuezel einer Größe bilden, die das Quadrat des fünften Signals plus Quadrat des zweiten Signals ist.

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