NO853809L - Fremgangsm¨te og anordning for gravitasjonsgradientlogging - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og anordning for logging av gravitasjonsgradienten langs en jordformasjon.

Ved måling av en formasjons gravitasjon er det kun gravitasjonsgradienten som er av interesse siden gradienten er relatert i forhold til romvekten til formasjonen mellom målestasjonene i samsvar med velkjente formler. Ut fra denne romvekten kan vurderinger bli tilveiebrakt med hensyn til porøsiteten og fluidumsmetningen i den porøse bergarten til formasjonen. Denne gravitasjonsgradienten har blitt bestemt ved å måle gravitasjonsforskjellen til enhver to punkter langs formasjonen og så delt av den vertikale avstanden som adskiller de to punktene.

Løpende gravitasjonsteknologi måler gravitasjonen ved diskrete punkter langs en formasjon ved å detektere bevegelsen til en liten testmasse ved et gravitasjonsloggeinstrument når instrumentet forblir stasjonært. Små endringer i gravitasjonsakselerasjonen bevirker at denne massen beveges mot gjenopprettelseskraften til en fjær. Forskjellige metoder for å detektere denne ubetydelige bevegelsen er mulig. En slik metode er vist nærmere i US-patent nr. 4.399.693. Den generelle anordningen av en gravimetrisk undersøkelsesoperasjon så vel som en konvensjonell gravita-sjonsmåler av LaCoste og Romberg typen med massefjærkombinasjon er vist i ovenfornevnte patent. Dette patentet beskriver standardformel for beregning av formasjonens romvekt ut fra gravitasjonsdifferansemålinger. Disse gravitasjonsdifferansemålingene må bli gjort når instrumentet er bevegelsesløst i forhold til formasjonen. Et slikt instrument er ikke praktisk for å utføre kontinuerligé målinger siden der ikke erhoen nøyaktig innretning for å eliminere kraften på testmassen på grunn av instrumentakselerasjonen og følgelig kan ikke nøyaktige gravitasjonsavles-ninger bli gjort med instrumentet i bevegelse. Denne begrensningen krever at gravitasjonsinstrumentet må bli stoppet for en periode på flere minutter ved hvert punkt eller stasjon langs formasjonen ved hvilke gravitasjonsdifferansemålinger er ønskelig. En annen begrensning er at vertikaloppløsningen til instrumentet er kun omkring 30 m.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte og et system for kontinuerlig gravitasjonslogging som direkte måler variasjonen på gravitasjonsgradienten langs en formasjon i stedet for gravitasjonsforskjellen og som er ufølsom mot virkningen av akselerasjonen på grunn av ustabile bevegelser til gravitasjonslogge-instrumentet.

Et trekk ved oppfinnelsen er følgelig en metode for utføring av en gravimetrisk undersøkelse av en jordformasjon innbefattende følgende trinn: a) kontinuerlig traversering av jordf ormas jonen med et gravitasjonsloggeinstrument som har en fluidumssøyle i instrumentet, b) måling av en første trykkdifferanse langs et første intervall innenfor fluidumskolonnen, c) måling av en andre trykkdifferanse langs et andre intervall innenfor fluidumssøylen, d) differensiering av den første og andre trykkdifferansen for å frembringe et utgangssignal representativt for gravitasjonsgradienten

langs jordformasjonen mellom det første og andre intervallet.

Det første intervallet over hvilket den første trykkdifferansen er målt ligger fortrinnsvis innenfor en øvre del av loggeinstrumentet og det andre intervallet over hvilket den andre trykkforskjellen er målt, ligger innenfor en nedre del av loggeinstrumentet. Ved en utførelsesform er det første og andre intervallét anbrakt med ' avstand, mens ved en annen utførelsesform overlappes det første og andre intervallet i det minste langs en del av fluidumskolonnen.

En ytterligere utførelsesform på oppfinnelsen er en anordning for utførelse av gravimetrisk undersøkelse av jordformasjonen, som innbefatter:

a) et gravitasjonsloggeintrument,

b) en fluidumskolonne inne i loggeinstrumentet,

c) første og andre trykksensor anbrakt ved aksiale . med avstand anordnede posisjoner i en øvre del av fluidumskolonnen, d) tredje og fjerde trykksensorer ved posisjoner med aksial avstand fra hverandre innenfor en nedre del av fluidumskolonnen, e) innretning for å differensiere utgangssignalene til det første paret med trykksensorer for å frembringe en første differansetrykkmåling

over et første intervall innenfor fluidumskolonnen,

f) innretning for å differensiere utgangssignalene til et andre par med trykksensorer for å frembringe en andre differansetrykkmåling over

et andre intervall i fluidumskolonnen, og

g) innretning for å differensiere den første og andre differansetrykk-målingen for å frembringe et utgangssignal representativt for en

kontinuerlig seg bevegende gravitasjonsgradient langs jordformasjonen mellom det første og andre intervall.

Ved fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen er således gravitasjonsgradienten målt direkte ved differensiering av utgangssignalene til sensorer anbrakt med avstand fra hverandre som reagerer på total akselerasjon. Sensorene er adskilt med en fast og kjent avstand. Hver sensor reagerer på akselerasjonen på grunn av både gravitasjonsfeltet og instrumentbevegelsen. Sensorene får samme instrumentakselerasjon forutsatt at deres reaksjon er lik hår vertikalavstanden mellom dem er null og der er ingen relativ bevegelse mellom dem, når gravitasjons-målingen utføres. Differansen i sensorutgangssignalene vil derfor annullere virkningen av instrumentakselerasjonen og gi et utgangssignal avhengig kun av, gravitasjonsgradienten for vertikal separasjon mellom sensorene.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser gravitasjonsloggeanordningen ifølge et eksempel på

foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 viser fluidumskolonnen i loggeanordningen på fig. 1.

Fig 3 viser et kraftdiagram av den øvre delen av fluidumskolonnen på

fig. 2.

Med henvisning til tegningene, er gravitasjonsgradientmålinger utført ved hjelp av det seg kontinuerlig bevegende instrument 10 langs formasjonen som er av interesse. Gravitasjonsmålesignalene ble tilført en forsterker 11, et filter 12, differansedetektorene 13-15, og en opptegner 16 for å frembringe en logg over gravitasjonsgradientmålingene som en funksjon av instrumentets posisjon. Jordformasjonen som skal bli logget kan være overflaten til jorden hvor instrumentet 10 og systemkomponentene 11-16 beveger seg over slik overflate mens montert på et seg bevegende fartøy, slik som et fly, helikopter, båt, lastebil eller trailer. Jordformasjonen kan alternativt være en underjordisk formasjon gjennomtrengt av et borehull hvor instrumentet 10 blir fremført gjennom borehullet ved hjelp av en loggekabel. For en overflategravitasjonsundersøkelse blir gravitasjons-målingene koordinert med den grafiske posisjonen til det seg bevegende fartøy, mens for en underjordisk gravitasjonsundersøkelse, blir gravita-sjonsmålingene koordinert med dybden til instrumentet i borehullet.

Gravitasjonsgradientmålingene til loggeinstrumentet 10 blir fullført ved måling av endringer ved trykket utøvd av en fluidumskolonne i loggeinstrumentet når instrumentet går på tvers gjennom formasjon av interesse. Hovedprinsippene ved dette er at trykket i en fluidumskolonne er gitt med uttrykket:

P = (g)(<p>)(h),

hvor p er trykket, g er gravitasjonsakselerasjonen ved målepunktet, p er fluidumstettheten og h er høyden på kolonnen til fluidumet over målepunktet målt langs gravitasjonsvektoren g. Dersom p og h blir holdt konstant, så gjelder:

P = (g)(c),

hvor c er en konstant. Endringer i gravitasjonen er på grunn av endringer i radialavstanden fra jordens senter og til en lokalt varierende komponent på grunn av endringer i tettheten til tilliggende jordfor-masjoner. Endringer i gravitasjonen på grunn av endringer i radialavstanden fra jordens senter er på grunn av såkalte frilufteffekt og er forutsigbart. Et mål på formasjonstettheten kan således bli utledet fra slike målinger siden frilufteffekten er kjent. Siden gravitasjonen brakt i forhold til formasjonstettheten er liten, er det fordelaktig å måle differansen ved trykket mellom to vertikalt med avstand anbrakte punkter innenfor instrumentet for å øke følsomheten til målingene.

Ved kontinuerlig gravitasjonslogging vil uunngåelige ustabile bevegelser til loggeinstrumentet frembringe akselerasjoner som kan være større enn gravitasjonen. Fjerning av slike uekte akselerasjon fra målingene blir ved foreliggende oppfinnelse tilveiebrakt ved å utføre i det minste to trykkdifferansemålinger Ap ved med avstand anbrakte punkter innenfor instrumentet og kombinering av disse målingene slik at virkningen av akselerasjonen på grunn av ustabil instrumentbevegelse blir eliminert.

Dette skal beskrives nærmere med henvisning til fig. 2. En første trykkdifferansemåling aPj2blir gjort mellom første med avstand anbrakte aksiale posisjoner Pj og P2langs intervallet Lj i den øvre delen av fluidumskolonnen 21 inneholdt av sylinderen 20. Denne trykkdifferansen aPj2blir bestemt av differansedetektoren 13. I det minste en andre trykkdifferansemålingAP34er gjort mellom andre med avstand aksialt anbrakte posisjoner P3og P4langs'intervallet L2i den nedre delen av fluidumskolonnen. Denne trykkdifferansenAP34blir bestemt av differansedetektoren 14. Midtpunktet mellom det første paret med posisjoner Pj og P2er adskilt fra senterpunktet mellom det andre paret med posisjoner P3og P4ved hjelp av avstanden indikert som h. Punktene merket med forskjellig P-uttrykk er trykksensorposisjoner i fluidumskolonnen. Dersom avstanden I4og L2er tilstrekkelig liten slik at gravitasjonsakselerasjonen kan bli antatt å være konstant over intervallet, så er trykkdifferansen betegnet og definert av:

a<P>12<=>P2- Pl (D

som funksjoner av romvekten, den lokale og antatt konstante gravitasjonsakselerasjonen ved hvert intervall, akselerasjonen på grunn , av instrumentbevegelsen, og den vertikale avstanden som adskiller trykksen-sorene hvor vertikal betyr radialt mot jordens senter.

Et isolert element i fluidumskolonnen som inneholder øvre intervall L\er vist på fig. 3 som viser krefter og akselerasjoner som virker på legemet. Elementet er antatt å være en jevn sylinder av tverrsnittsareal A hellet ved vinkelen 0 fra en radial retning mot jordens senter. Fluidumstettheten p\ 2 er gjennomsnittlig tetthet for fluidumet over intervallet, g\er gravitasjonsakselerasjonen antatt konstant over det lille intervallet Lj og a er akselerasjonen til elementet antatt rettet langs sylinderaksen 22.

Summering av kreftene langs sylinde rak sene gir følgende:

Utføring av samme operasjoner for et lignende differensialelement i det nedre intervallet L2gir ligningen:

hvorP34er gjennomsnittlig fluidumstetthet over det nedre intervallet og g2er gjennomsnittlig gravitasjonsakselerasjon.

Differensiering av ligningene (4) og (5) gir:

Undersøkelse av ligningen (6) viser at dersom fluidumskolonnen er opprettholdt slik at fluidumstettheten er en konstant verdi og da med satt inn i ligningen (6), blir differansen ved differensialtrykkene:

Det skal bemerkes at konstant fluidumstetthet medfører i annullering av uttrykkene relatert til instrumentakselerasjonen a. Målingen av gravitasjonsgradienten kan derfor tilveiebringes fra et seg bevegende instrument og ligningen for gradienten er:

Denne gradienten blir bestemt av differansedetektoren 15 fra forskjellene i trykkene aP^ ogAP34med nøyaktig numerisk vurdering som krever en nøyaktig kunnskap om trykkforskjellene, hellingsvinkelen 0 fra fluidumskolonnen i forhold til vertikalplanet og avstanden h og Lj og L/?som er kjent.

Analysen ovenfor som fører til ligningen 10 basert på elementære prinsip-per er korrekt, men en mer detaljert analyse som begynner med diffe-ranseligningen som angår trykkgradienten til fluidumstetthet og akselera sjoner leder til sterkere resultater med avslapning av antagelsen om konstant gravitasjonsakselerasjon over kortere intervall og fører til en alternativ konstruksjon for intervallene over hvilke trykkdifferensial-målingene blir tatt.

Denne ligningen:

er et begrenset tilfelle for enten ligningen (4) eller (5) og har det riktige fortegnet for et koordinatsystem ved hvilke 1-aksen passerer gjennom senteret til antatt sylindrisk fluidumskolonne og er positivt nedover.

Integrasjonen av ligningen (11) over ethvert intervall [la, 1^]gir:

og nærmere bestemt

Ved det første gjennomsnittlige verditeoremet finnes der noen 1j2ve(3 [li,<I>2] slik at:

Dersom g er en lineær funksjon av 1, så gjelder dessuten hvor gi er verdien for g ved midtpunktet mellom lj og I2og lignende resultater holder for det nedre intervallet for hvilket:

hvor g2er verdien for g midt mellom I3og I4.

Den ovenfor viste enkle utvidelsen av den tidligere analysen eliminerer den konstante g antagelsen som fører til ligningen (4) og (5). Den alternative konstruksjonen kan bli utledet ved anvendelse av ligningen (12) som følgende: hvor integralene ved hvert av ovenforviste uttrykk er den høyre siden av ligningen (12). Ved å anvende den høyre siden på ligningen (12), blir resultater av ligningen (17):

Betydning av ligningen (19) betyr fysisk at trykkmålingene kan bli gjort over lange intervaller forbundet med P2og P4og med Pj og P3til fig. 2 og samme teoretiske resultater blir tilveiebrakt som ved trykkmålinger over korte intervaller forbundet med Pj og P2og med P3og P4.

Konklusjonen av analysen ovenfor er at to trykkmålinger nødvendig for bestemmelsen av Ag kan bli tilveiebrakt ved å anvende to klart forskjellige metoder, idet den første fører til ligningen (9) over korte intervaller og den andre fører til ligningen (19) over mye lengre intervaller.

Ut fra skillet mellom de to tilfellene er det mulig å gjøre to forskjellige konstruksjoner med gunstig valg, er den som fysisk frembringer de mest nøyaktige målingene. Dette er naturligvis mulig for å tilveiebringe et system konstruert for å behandle alle fire trykkmålingene slik at både ligningen (9) og (19) kan bli anvendt for å frembringe to estimat av Ag som kunne så bli gjennomsnittsberegnet.

Systemet ifølge oppfinnelsen kan anvende en trykksensor av hvilken som helst type som har tilstrekkelig følsomhet for å detektere forskjellen i trykk ved to med avstand anbrakte punkter i en fluidumskolonne bevirket av endringer i tettheten til fjellformasjonene tilliggende borehullet. En egnet trykksensor er en piezoelektrisk krystallstyrt høyfrekvensoscillator av den typen anvendt ved kommersielle trykkmålere, slik som kvartskrystalltrykkmåleren fremstilt av Hewlett-Packard Company. Ved denne trykkmåleren blir et målekrystall hvis resonansfrek-vens reagerer på trykk utsatt for trykk i fluidumet og en lignende krystall blir ikke utsatt for fluidumstrykket og blir begge eksitert og deres resonansefrekvenser sammenlignet. Differansen i disse frekvensene er et mål på trykkforskjellen mellom de to krystallene. Ved foreliggende oppfinnelse blir ingen referansekrystall anvendt. Resonansefrekvensen til et par med avstand anbrakte krystaller utsatt for trykket utøvd av en fluidumskolonne blir sammenlignet med trykkforskjellen mellom krystall-posisjonene den er utledet fra. Andre egnede trykksensorer kan også bli anvendt, slik som de fremstilt av ParoScientific Company.

Ved en praktisk utførelsesform er eh ParoScientific 5006-D aP transduser koplet med en Hewlett-Packard HP-5370B tidsintervallteller for å tilveiebringe ønsket frekvensoppløsning. Hver tidsintervallteller er koplet med en Hewlett-Packard HP-85 mikrodatamaskin som bestemmer trykkforskjellen mellom trykktransdusorstedene.

Ethvert fluidum kan i prinsippet bli anvendt. For å tilveiebringe høy følsomhet og relativ frihet fra omgivelsesvirkninger, kunne fluidumet være en væske med tetthet, lavt damptrykk ved driftstemperaturen, høy termisk ledeevne, en liten termisk utvidelseskoeffesient og lav vektkompressibili-tet. Kvikksølv og gallium (over dets smeltepunkt) er to slike væsker. Avstanden til intervallene L4og L2skulle fortrinnsvis være minst 20 cm, mens avstanden h mellom midtpunktene til slike intervaller skulle være minst 2,7 m. Et valg av en slik utførelsesform for et slikt system innbefatter en fluidumskolonne av kvikksølv med en tetthet p på omkring 13,5 g/cc, lengde L4og L/?på omkring 30 cm og avstanden h på omkring 225 m. Denne utførelsesformen er innenfor området med konvensjonell kvartskrytsalltrykk transduserteknologi.

Sylinderen 20 kan være et enkelt rør, som er fortrinnsvis lukket og fullstendig fylt med væske. Det er nødvendig og tilstrekkelig at væsken er i trykkommunikasjon gjennom hele dens effektive lengde. Ledeplater kan være tilstede inne i kolonnen for å forhindre termisk driftskonveksjon av lydabsorbere og/eller ledeplater kan være tilstede i kolonnen for å absorbere eller destruktivt interferere med (omvikle) akustiske bølger som kan bli sendt til kolonnen. Kolonnen kan også være dempende montert i instrumentet for å forhindre at akustiske bølger blir eksitert i væsken.

Væskens tetthet i kolonnen må være kjent for å kunne utlede gravita-sjonsverdien eller gravitasjonsforskjellen fra de målte trykkene. Det er foretrukket å opprettholde et relativt konstant trykk og temperatur i fluidumet, men korreksjoner som følge av små endringer i disse faktorene er lett mulig om nødvendig.

Trykket i kolonnen kan bli opprettholdt fortrinnsvis konstant ved å montere det i et trykkhus som er vanligvis anvendt ved loggeinstrumen-ter. Temperaturen kan bli opprettholdt fortrinnsvis konstant ved å varme opp kolonnen til en temperatur større enn ventet i den maksimale borehullstemperaturen. Selv bedre temperaturstyring kan bli tilveiebrakt ved termisk isolering av kolonnen, f.eks. ved å montere kolonnen i en vakuumflaske. Ytterligere temperaturstyring kan bli tilveiebrakt ved å innbefatte en varmeabsorberer ekstern til eller innenfor kolonnen eller begge deler. Et svært effektiv varmeabsorberende materiale er fast gallium som smelter ved omkring 310° C. Ved en kvikksølvkolonne vil dette være en svært praktisk operasjonstemperatur. Dersom gallium er inne i kolonnen vil den måtte bli anbrakt i en forseglet beholder fortrinnsvis dannet i et metall med god varmeledeevne og inert i tilstedeværelsen av kvikksølv, slik som rustfrittstål.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for å utføre en gravitasjonsundersøkelse til en jordformasjon, karakterisert ved : a) kontinuerlig gjennomgang av jordformasjonen med et gravitasjonsloggeinstrument med en kolonne av fluidum i instrumentet, b) måling av den første trykkforskjellen langs et første intervall i fluidumskolonnen, c) måling av den andre trykkdifferansen langs et andre intervall i fluidumskolonnen, d) differensiering av første og andre trykkdifferanse for å frembringe et utgangssignal representativt for gravitasjonsgradienten langs jordformasjonen mellom første og andre intervall.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trykkdifferansen er målt langs det første intervallet og at den andre trykkforskjellen er målt langs det andre intervallet i nedre del av fluidumskolonnen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det første og andre intervallet er anbrakt med avstand langs fluidumskolonnen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at første og andre intervall overlappes langs i det minste en del av fluidumskolonnen.

5. Anordning for utførelse av fremgangsmåten for gravitasjonsundersøkelse av jordformasjonen, karakterisert ved : a) et gravitasjonsloggeinstrument, b) en fluidumskolonne i loggeinstrumentet, c) første og andre trykksensorer anbrakt ved aksiale posisjoner med avstand mellom hverandre innenfor en øvre del av fluidumskolonnen, d) tredje og fjerde trykksensorer anbrakt ved aksiale posisjoner med avstand fra hverandre innenfor en nedre del av fluidumskolonnen, e) innretning for differensiering av utgangssignalet til det første paret med trykksensorer for å frembringe en første trykkdifferansemåling over et første intervall innenfor fluidumskolonnen, f) innretning for differensiering av utgangssignalene til det andre paret med trykksensorer for å frembringe en andre trykkdifferansemåling over et andre intervall innenfor fluidumskolonnen, og g) innretning for differensiering av første og andre trykkdifferansemålinger for å frembringe et utgangssignal representativt for en seg kontinuerlig bevegelig gravitasjonsgradient langs jordformasjonen mellom første og andre intervall.

6. System ifølge krav 5, karakterisert ved at avstanden langs fluidumskolonnen mellom første og andre trykksensor og mellom tredje og fjerde sensor er i det minste 20 cm og at avstanden langs fluidumskolonnen fra midtpunktene mellom første og andre trykksensor og tredje og fjerde trykksensor er i det minste 2,7 m langs fluidumskolonnen.

7. System ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at fluidumet til kolonnen er væskeformet kvikksølv.

8. System ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at fluidumet til kolonnen er væskeformet gallium.