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Einrichtung zur Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit von
Erdformationen
Die Erfindung betrifft die elektromagnetischeuntersuchung der von einem Bohrloch durchteuften Bodenschichten, insbesondere eine Induktionsuntersuchungseinrichtung zur Erzielung von Anzeigen über die elektrische Leitfähigkeit der verschiedenen Erdformationen, durch die das Bohrloch hindurchgeht.
Bei der Erschliessung von Erdöl ist es üblich, die elektrische Leitfähigkeit der von einem Bohrloch durchteuftenErdschichten dadurch zu bestimmen, dass man ein Spulensystem durch das Bohrloch hindurchführt, das durch Wechselstrom erregte Sendespulen und in festen Beziehungen dazu stehende Empfangsspulen aufweist, die mit ersteren induktiv gekoppelt sind, und dass man die Grösse einer Signalkomponente in der Abgabe der Empfangsspulen beobachtet, die die gleiche Phase hat wie der Erregerstrom. Diese Systeme haben sich als äusserst wirksam erwiesen, besonders für die in denU SA-Patentschriften Nr. 2,582, 314 und Nr. 2,582, 315 beschriebenen Anwendungen.
Für eine genaue Arbeit im Bohrloch ist es gewöhnlich notwendig, eine druckfeste Ausbildung für das Spulensystem vorzusehen. Diese Ausbildung muss sehr sorgfältig erstellt sein, so dass sie fest und widerstandsfähig ist und den äusserst schweren, bei Bohrlocharbeiten vorherrschenden Bedingungen hoher Temperatur und hohen Druckes, des Platzmangels und der räumlichenEntfernung der an der Erdoberfläche angeordneten Steuer- und Registriereinrichtung genügt.
Die erfindungsgemässe Induktions-Bohrloch-Untersuchungseinrichtung der eingangs erwähnten Art ist in ihrem Aufbau einfacher und weniger strengen Festigkeitserfordemissen unterworfen als die bisher verwendeten ; trotzdem ist sie in der Lage, genaue Anzeigen über die elektrische Leitfähigkeit der Schichten zu geben.
Gemäss der Erfindung ist eine Einrichtung zur Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit von Erdformationen mit einer wechselstromgespeisten Sendespule, die in der Nähe der Formationen beweglich gelagert ist, und einer mit der Sendespule fest verbundenen Empfangsspule, die mit der Sendespule derart induktiv gekoppelt ist, dass sich das Phasenverhältnis zwischen dem Erregerstrom der Sendespule und der in der Empfangsspule induzierten Spannung als Funktion der elektrischen Leitfähigkeit der benachbarten Erdformationen ändert, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgängen der Sende- und der Empfangsspule ein Verstärker und ein Phasenschieber hintereinander derart eingeschaltet sind, dass sie eine geschlossene Schleife bilden, wobei der Verstärker eine Rückkopplungsverstärkung bewirkt und der Phasenschieber geeignet ist,
eine durch die mit den Erdformationen gekoppelten Spulen in die geschlossene Schleife eingeführte Phasenverschiebung zu kompensieren, wobei die Vorrichtung ferner einen Frequenzmesser aufweist, der auf eine Veränderung der Frequenz des in der geschlossenen Schleife erzeugten Signals ansprichtund dadurch eine Veränderung in der Leitfähigkeit der untersuchtenErdformationen anzeigt.
Wo starke Temperaturschwankungen in dem Bohrloch Änderungen in den Charakteristiken der elek- trischen Kreise und dadurch unerwünschte Frequenzänderungen verursachen können, die Fehler in die Messungen der Leitfähigkeit hineinbringen würden, können diese Fehler gemäss weiteren Merkmalen der Erfindung ausgeschaltet werden, die im folgenden noch zu erkennen sein werden.
Die Zeichnungen stellen beispielsweise mehrereAusführungsformen der Erfindung dar. Es zeigt Fig. 1
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der in Fig. 2 gezeigten Ausführung verwendet werden kann, Fig. 3 eine graphische Darstellung einer typischen Beziehung zwischen Phasenverschiebung und Frequenz für die Phasenverschiebungsvorrichtung 34 in Fig. 2.
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, Fig. 4A eine abgeänderte Form der in Fig. 4 gezeigten Ausführung, Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeit des in Fig. 4 gezeigten elektrischenMesskreises, Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführung der Erfindung, die besonders für fokussierende Spulensysteme entsprechend den angeführten USA-Patentschriften geeignet ist und Fig. 7 eine abgeänderte Form der in Fig. 6 gezeigten Ausführung für eine andere Art eines fokussierenden Spulensystems.
Gemäss Fig. 1 wird eine typische Induktions-Untersuchungsanordnung 10 mittels eines üblichen elektrischen Kabels 13 durch ein die Erdschichten 12 durchquerendes Bohrloch 11 herabgelassen. Das Bohrloch 11 kann trocken sein oder eine verhältnismässig leitfähige oder eine nicht leitende Bohrspülung 9 enthalten. Die Induktions-Untersuchungseinrichtung 10 weist ein nicht leitendes, unmagnetisches Gehäuse 14 auf, um das eine Anzahl elektrostatisch abgeschirmter Spulen 15 gewickelt ist. Mit dem Spulengehäuse 14 ist eine druckfeste Patrone 16 starr vereinigt, die den in dem Bohrloch unterzubringenden Teil der elektrischen Ausrüstung enthält, der für die Arbeit des Untersuchungssystems erforderlich ist.
An der Erdoberfläche wird das Kabel 13 mittels einer üblichen Rolle 17 und einer Winde 18 in das Bohrloch 11 hinabgelassen und heraufgezogen. Die elektrischen Leiter im Kabel 13 können durch Schleifbürsten 19 und einen Leiter 20 mit dem Steuerungsaggregat 21 verbunden sein. Die elektrischen Geräte obertags und in der Patrone 16 sowie das Spulensystem 15 können von einer Stromquelle 22 an der Erdoberfläche gespeist werden. Die im Bohrloch erhaltenen elektrischen Anzeigen können auch an der Ober- fläche durch eine Registriervorrichtung. 23 üblicher Art registriert werden, die elektrisch mit dem Steuerungsaggregat 21 verbunden ist und mechanisch von der Rolle 17 angetrieben wird, so dass die Messungen als Funktion der Tiefe registriert werden.
Bei der vereinfachten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2 ist um das Spulengehäuse 14 eine Sendespule 24 und eine Empfangsspule 25 gewickelt. Vorzugsweise soll eine verhältnismässig feste gegenseitige Kopplung zwischen den Sendespulen- und Empfangsspulenkreisen bestehen. Die Sendespule 24 ist durch die Leiter 30 und 31 qnd die Klemmen 26 und 27 mit dem Ausgang eines Verstärkers 35 mit hohem Verstärkungsgrad verbunden. Die Empfangsspule 25 ist durch die Leiter 32 und 33, die Klemmen 28 und 29 und durch einen Phasenschieber 34 mit dem Eingang des Verstärkers verbunden. Das Spulensystem und der Phasenschieber 34 bilden einen Rückkopplungsweg zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Verstärkers 35.
Zur Anfachung einer Schwingung mit einer bestimmten Frequenz muss die Phasenverschiebung durch den Rückkopplungsweg (d. h. die Summe der Phasenverschiebungen in dem Spulensystem und in dem Phasenschieber 34) gleich und entgegengesetzt zur Phasenverschiebung durch den Verstärker sein. Zusätzlich soll die Phasenverschiebung durch den Verstärker 35 über den interessierenden Frequenzbereich etwa konstant sein, während die Phasenverschiebung, die durch den Phasenschieber 34 hervorgerufen wird, eine bestimmte Funktion der Frequenz sein soll. Unter diesen Umständen rufen Veränderungen in der Phase der Abgabe der Empfangsspule 25 gegenüber dem Strom in der Sendespule 24, die durch Veränderungen der Eigenschaften der anliegenden Erdschichten verursacht werden, entsprechende Änderungen der Schwingungsfrequenz des Systemes hervor.
Bei der praktischen Ausführung kann die Phasenverschiebung zwischen der Eingangsspannung des Verstär- kers35 und seinem Ausgangsstrom über einen bestimmten Frequenzbereich (z. B. von 19kHz bis 21kHz) bei Null liegen. In diesem F alle muss der Phasenschieber 34 so eingerichtet sein, dass bei einer Frequenz von beispielsweise 20kHz eine nacheilende Phasenverschiebung um 900 hervorgerufen wird, um die Vorwärtsphasenverschiebung um 900 zwischen dem Strom in der Sendespule 24 und der Ausgangsspannung der Empfangsspule 25 auszugleichen, wenn nur eine induktive Verbindung zwischen den Spulen besteht.
Der Phasenschieber 34 könnte auch so eingerichtet sein, dass eine Frequenzänderung von beispielsweise eine Phasenverschiebung von einem Grad hervorruft, wobei das Verhältnis, wie in Fig. 3 dargestellt, linear ist.
Es sei angenommen, dass das Spulensystem zuerst frei in der Luft hängt, so dass nur eine induktive Kopplung zwischen der Sendespule 24 und der Empfangsspule 25 besteht. Wenn nun der Verstärker 35 erregt wird, kommt das ganze System mit einer Frequenz von 20kHz in Schwingung. Unter diesen Umständen wird die voreilende Phasenverschiebung um 900. die durch das Spulensystem hervorgerufen wird, durch die um 900 nacheilende Phasenverschiebung durch den Phasenschieber 34 ausgeglichen, so dass die Gesamtphasenverschiebung durch den Rückkopplungsweg gleich und entgegengesetzt zur Phasenverschiebung durch den Verstärker 35 (Null) ist, wie es erforderlich ist, um das System bei einer Frequenz von 20kHz in Schwingung zu halten.
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Ein Anschluss der Primärwicklung 57 ist mit der Erde und der andere mit dem festen Kontakt 53b des Umschalters 53 verbunden. Ein Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators 55 ist ebenfalls mit der Erde und der andere mit dem festen Kontakt 51b des Umschalters 51 verbunden.
Wenn die Umschalter 51 bzw. 53 so eingestellt sind, dass ihre beweglichen Kontakte 51c bzw. 53c mit den festen Kontakten 51b bzw. 53b in Eingriff kommen, wird der Ausgang des Verstärkers 35 über den Phasen- schieber 55 und den Phasenschieber 34 seinem Eingang zugeleitet, und das System schwingt mit einer be-
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Derin der Folge"Scheinspulensystem"genannt werden soll, und ist vorzugsweise so eingerichtet, dass es etwa die gleichen gegenseitigenImpedanzcharakteristiken hat wie dasUntersuchungsspulensystem oder das Untersuchungsspulensystem mit den zusätzlichen gegenseitigen Kopplungsmitteln nach Fig. 2A.
Die Umschalter 51 und 53 können durch geeignete Mittel, beispielsweise einen mechanischen, durch
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synchron betätigt werden. Eine geeignete Periodizität für die Umschalter kann beispielsweise 15 Perioden pro Sekunde betragen. Der Ausgang des Verstärkers 35 kann durch einen isolierten Leiter 58 zur Erdoberfläche auf eine Messvorrichtung 59 übertragen werden, die Anzeigen des Unterschiedes zwischen der Frequenz f1 des Oszillators im Kreis des Untersuchungsspulensystems und der Frequenz f des Oszillators im Kreis des Scheinspulensystems & 5 ergibt.
Die MessvorrichtuÌ1g 59 ist vorzugsweise phasenempfindlich. Sie kann beispielsweise einen üblichen Frequenzdiskriminator 60 aufweisen, deren Ausgang einem Phasendetektor 61 zugeleitet wird, der von bekannter Art sein kann.
Der Phasendetektor 61arbeitetsynchronmitdemMotor87, indemer so angeschlossen wird, dass er eine Bezugsspannung von der Quelle 72 erhält. Es können Registriermittel 75 vorgesehen sein, um den Ausgang des Detektors 61 zu registrieren.
Die Arbeitsweise des in Fig. 4 gezeigten Systems lässt sich besser aus Fig. 5 verstehen, in der graphische Darstellungen der verschiedenen Vorgänge und Spannungen bezogen auf die Zeit aufgetragen sind.
Die graphische Darstellung A ist eine Aufzeichnung der Schaltzeiten der Umschalter 51 und 53, die eine verhältnismässig niedrige Frequenz, z. B. 15 Perioden pro Sekunde, haben können. Während der ersten halben Periode ist dasUntersuchungsspulensystem in dem Oszillatorkreis eingeschaltet, und die Frequenz fi wird, wie in der graphischen Darstellung B gezeigt, zur Erdoberfläche übertragen. Während der nächsten halben Periode schalten die Umschalter 51 und 53 das Scheinspulensystem 55 in dem Oszillatorkreis, und die Schwingungsfrequenz f wird zurErdoberfl1iche übertragen. Wenn dasUntersuchungsspulensystem durch das Bohrloch herabgelassen wird, werden daher abwechselnd Signale der Frequenz f1 und f zur Erdoberfläche übermittelt.
Wenn sich das Scheinspulensystem'55 in dem Rückkopplungsweg des Verstärkers befindet, ist die Schwingungsfrequenz f etwa konstant, es sei denn, dass eine unerwünschte Änderung in der Phasenverschiebung des Verstärkers 35 auftritt und eine entsprechende Frequenzänderung hervorruft. Wenn sich anderseits dasUntersuchungsspulensystem in dem Rückkopplungsweg des Verstärkers befindet, ist die Schwingungsfrequenz f1 eine Funktion sowohl der Leitfähigkeit der Bodenschichten als auch der unerwünschten Phasenverschiebung in dem Verstärker 35. Der Frequenzunterschied f.-f ist aber im wesentlichen nur eine Funktion der Leitfähigkeit des das Untersuchungsspulensystem umgebenden Stoffes.
Die Signale mit den Frequenzen f1 und f werden dem Frequenzdiskriminator 60 zugeleitet, der einen Ausgang bildet, dessen allgemeiner Charakter durch die Kurve C in Fig. 5 dargestellt ist, und bei dem die Amplituden während der aufeinanderfolgenden halben Perioden den Frequenzen f1 bzw. f2 proportional sind. Dieser Ausgang wird dann dem Phasendetektor 61 zugeleitet, der einen dem Amplitudenunterschied zwischen Spitzen- und Mindestwerten der Welle C proportionalen Gleichstrom erzeugt. Dieser Amplitudenunterschied, der durch die Registriervorrichtung 75 registriert wird, ist proportional dem Unterschied zwischen den Frequenzen f1 und f2, der seinerseits proportional der Leitfähigkeit der das Untersuchungsspulensystem umgebenden Masse ist.
So ist in Fig. 4 ein einfacher Kreis gezeigt, der ein Minimum an Ausrüstung in dem Bohrloch erfordert und durch die widrigen, gewöhnlich bei Bohrlocharbeiten vorkommenden Verhältnisse ziemlich unbeeinflusst bleibt.
Gegebenenfalls kann die Primärwicklung 57 des Scheinspulensystems 55 ständig in Reihe mit der Sendespule 24 (Fig. 4A) geschaltet bleiben. Dadurch wird es möglich, den Umschalter 53 fortzulassen. Der Umschalter 51 (Fig. 4) verbindet dann abwechselnd die Empfangsspulenanschlüsse 28 und 29 und die Sekundärwicklung 56 des Scheinspulensystems 55 mit dem Eingangskreis des Phasenschiebers 34.
Bei fokussierenden Spulensystemen der in den erwähnten USA-Patentschriften beschriebenen Art wird der Betrag der Signale eines oder mehrerer Zweispulensysteme selbsttätig innerhalb des Spulensystems von dem Betrag der Signale eines oder mehrerer anderer Zweispulensysteme abgezogen. Entsprechend der
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in Fig. 6 gezeigten Form der Erfindung kann dieses Abziehen ausserhalb des Spulensystems durch die elektrische Messvorrichtung vorgenommen werden, mit dem weiteren Vorteil, dass das Scheinspulensystem von Fig. 4 und Fig. 4A fortgelassen werden kann. Zum Zwecke der Erläuterung ist in Fig. 6 ein typisches fokussierendes Spulensystem gezeigt, das eine Anzahl von Empfangsspulen 64 und 65 aufweist, die in fester Beziehung zu einer Anzahl von inAbständen voneinander liegenden Sendespulen 61,62 und 63 angeordnet sind.
Um eine Fokussierung gewünschter Art zu erzielen, müssen die Signale, die in der Empfangsspule 64 von den Sendespulen 61, 62 und 63 induziert werden, von den Signalen abgezogen werden, die in der Empfangsspule 65 von den gleichen Sendespulen induziert wurden.
Gemäss der Erfindung sind die Sendespulen 61,62 und 63 ständig an den Ausgang des Verstärkers 35 angeschlossen. Der Eingangskreis des Phasenschiebers 34 wird mittels eines Umschalters 68 in geeigneter Aufeinanderfolge auf die Empfangsspule 64 und auf die Empfangsspule 65 umgeschaltet. Der Umschalter wird durch den Motor 87 angetrieben, der von der Wechselstromquelle 72 gespeist ist. So schwingt das System mit zwei Frequenzen entsprechend den beiden Stellungen des Schalters 68, wobei die eine eine
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Um die gewünschte Fokussierung nach den Lehren der vorerwähnten USA-Patentschriften zu erzielen, kann es notwendig sein, dass die Leitfähigkeitsangabe des Spulensystems II in einem homogenen Medium beispielsweise X10 der Leitfähigkeitsabgaben des Spulensystems I beträgt. Da die Phasenverschiebung zwischen dem die Sendespulen erregenden Strom und der in den Empfangsspulen induzierten Spannung eine Funktion des Spulenabstandes und der Leitfähigkeit des umgebenden Mediums ist, kann die Frequenzabweichung der Leitfähigkeit, die sich aus dem Spulensystem Il in dem Rückkopplungsweg ergibt, nicht X10 derjenigen betragen, die erzeugt wird, wenn das Spulensystem I in den Rückkopplungsweg eingeschaltet ist.
Das richtige Verhältnis kann dadurch hergestellt werden, dass zusätzlich in den Kreis. der Empfangsspule 65 ein Signal gebracht wird, das dem Sendespulenstrom um 900 voreilt und die richtige Grösse hat, um das Erreichen des gewünschten Phasenverhältnisses zu gewährleisten. Ein für diesen Zweck geeignetes Signal kann beispielsweise durch einen Transformator 85 geliefert werden, der von dem Sendespulenkreis erregt ist und eine einstellbare Kopplung zwischen seinen Primär-und Sekundärwicklungen besitzt. Auch kann ein Signal, das beispielsweise von einer nicht gezeigten, durch den Sendespulenkreis erregten Kapazität herrührt, in den Kreis der Empfangsspule 64 eingeführt und abgezogen werden.
Wie in Verbindung. mit Fig. 4 ausgeführt, ist es wünschenswert, dass die gegenseitigen Signale von den beiden Spulensystemen etwa die gleiche Stärke haben. In Fig. 6 kann dies dadurch erreicht werden, dass die Zahl der Wicklungen der Spulen in den Spulensystemen I und II richtig gewählt und die Kopplung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators 85 richtig eingestellt wird. Auf diese Weise ist derUnterschied zwischen den Frequenzen bei Einschaltung der Empfangsspulen 64 und 65 in den Ruckkopplungsweg ständig gleich dem gewünschten Unterschied des Signals der beiden Spulensysteme, und dieser Unterschied kann etwa in der gleichen Weise ermittelt werden, wie oben in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben.
InFig. 7 ist ein Spulensystem gezeigt, bei dem die Sendespule 81 und die Empfangsspule 82 durch die Umschalter 69 und 70 während einer Schaltperiode in den Rückkopplungsweg eingeschaltet sind, und eine Schwingungsfrequenz erhalten wird. Während der nächsten halben Periode ist die Sendespule 83 hinter der Empfangsspule 84 in den Kreis eingeschaltet und ergibt eine zweite Frequenz proportional zu den Stgnalen dieses zweiten Spulensystems. Der in den Frequenzen an der Erdoberfläche gemessene Unterschied gibt so das gewünschte Ergebnis. Obwohl es in Fig. 7 nicht gezeigt ist, müssen die gegenseitigen Signale in der in Verbindung mit Fig. 6 beschriebenen Weise richtig eingestellt sein.
Aus dem Vorangegangenen geht hervor,'dass die Erfindung neue und äusserst wirksame InduktionUntersuchungssysteme zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeiten der von einem Bohrloch durchteuften Erdformationen ergibt. Bei Verwendung eines Oszillators mit einer Untersuchungsspule, die in einem Rückkopplungsweg eines Verstärkers mit hohem Verstärkergrad angeordnet ist, um eine Frequenz, die sich mit der Leitfähigkeit der Bodenschichten ändert, zu erzeugen, wird die Vorrichtung in ihrer BauArt einfach und in ihrer Arbeit genau.
Die verschiedenen beschriebenen Ausführungen dienen nur als Beispiel und können im Rahmen der Erfindung abgeändert werden. Es können beispielsweise andere Spulenformen und Systeme als die gezeigten verwendet werden, um Induktions-Untersuchungen der physikalischen Charakteristiken der von einem Bohrloch durchteuftenErdformationen vorzunehmen. Ferner könnendie in Verbindung mit den verschiede-
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ter verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit von Erdformationen. mit einer wechselstromgespeisten Sendespule, die in der Nähe der Formationen beweglich gelagert ist, und einer mit der Sendespule fest verbundenen Empfangsspule, die mit der Sendespule derart induktiv gekoppelt ist, dass sich das Phasenverhältnis zwischen dem Erregerstrom der Sendespule und der in der Empfangsspule induzierten Spannung als Funktion der elektrischen Leitfähigkeit der benachbarten Erdformationen ändert, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgängen der Sende- und der Empfangsspule ein Verstärker und ein Phasenschieber hintereinander derart eingeschaltet sind, dass sie eine geschlossene Schleife bilden, wobei der Verstärker eine Rückkopplungsverstärkung bewirkt und der Phasenschieber geeignet ist,
eine durch die mit den Erdformationen gekoppelten Spulen In die geschlossene Schleife eingeführte Phasenverschiebung zu kompensieren, wobei die Vorrichtung ferner einen Frequenzmesser aufweist, der auf eine Veränderung der Frequenz des in der geschlossenen Schleife erzeugten Signals anspricht und dadurch eine Veränderung in der Leitfähigkeit der untersuchten Erdformationen anzeigt.