DE60018765T2

DE60018765T2 - Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands mehrfrequenter elektromagnetischer Wellen mit verbesserter Kalibriermessung

Info

Publication number: DE60018765T2
Application number: DE60018765T
Authority: DE
Inventors: Michael Bittar; Roger Bartel
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2020-08-04
Also published as: NO339690B1; NO335409B1; EP1206713B1; NO20020503D0; US6218842B1; CA2380938C; NO20141159A1; EP1206713A4; EP1206713A1; WO2001011390A1; DE60018765D1; AR025216A1; CA2380938A1; NO20020503L

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Messgerät zum Messen während des Bohrens (LWD-Messgerät), das den spezifischen Widerstand von Formationen misst, die benachbart zu dem Bohrloch liegen. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein LWD-Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands mit mehreren Sendern, die mit multiplen Frequenzen in einer asymmetrischen Konfiguration betrieben werden, um eine Untersuchung verschiedener Tiefen zu ermöglichen. Noch genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein LWD-Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands, das einen Kalibrierungssender beinhaltet, der es ermöglicht es, dass Phasenwinkel- und Dämpfungskorrekturen für die während Bohrvorgängen erfolgten Messungen des spezifischen Widerstands berechnet werden können.
Hintergrund der Erfindung
Bohrlöcher werden gebohrt, um Petroleum und andere Kohlenwasserstoffe in unterirdischen Formationen zu erreichen und zu gewinnen. Moderne Bohrvorgänge benötigen eine große Informationsmenge, die sich auf die im Bohrloch auftretenden Parameter und Bedingungen bezieht, damit der die Bohrung Durchführende die Bohrrichtung ändern kann, um Formationen, die ausreichende Mengen an Kohlenwasserstoffen beinhalten, zu finden oder in selbigen zu verbleiben. Derartige Informationen beinhalten typischerweise Charakteristika der Erdformationen, die das Bohrloch durchläuft, zusätzlich zu Daten, die sich auf die Größe und die Konfiguration des Bohrlochs selbst beziehen. Die Sammlung von Informationen, die sich auf die Bedingungen im Bohrloch bezieht, wird allgemein als eine "Bohrlochmessung" bezeichnet, und sie kann mittels verschiedener Verfahren durchgeführt werden.
Die Bohrlochmessung ist in der Industrie seit vielen Jahren als eine Technik zur Bereitstellung von Informationen über die jeweilige Erdformation, in der gerade gebohrt wird, bekannt. In der konventionellen Drahtseilmessung in Ölbohrlöchern wird ein Messfühler oder eine "Sonde" in das Bohrloch abgesenkt, nachdem das gesamte Bohrloch oder ein Teil davon gebohrt worden ist, und sie wird zur Bestimmung von gewissen Charakteristika der Formationen verwendet, die das Bohrloch durchlaufen hat. Die Sonde kann einen oder mehrere Sensoren beinhalten, um Bohrlochparameter zu messen, und sie ist typischerweise als ein hermetisch abgedichteter Stahlzylinder aufgebaut, der die Sensoren beherbergt und der am Ende eines langen Kabels oder "Drahtseils" hängt. Das Kabel oder Drahtseil verleiht der Sonde eine mechanische Abstützung und stellt ebenfalls eine elektrische Verbindung zwischen den Sensoren und dem zugeordneten Instrumentarium innerhalb der Sonde und der elektrischen Ausrüstung bereit, die an der Oberfläche des Bohrlochs angeordnet ist. Normalerweise führt das Kabel der Sonde Betriebsener gie zu und es wird als ein elektrischer Leiter zum Übertragen von Informationssignalen von der Sonde zu der Oberfläche und von Steuersignalen von der Oberfläche zu der Sonde benutzt. Gemäß konventioneller Techniken werden verschiedene Parameter der Erdformationen gemessen und mit der Position der Sonde in dem Bohrloch korreliert, wenn die Sonde nach oben hochgezogen wird.
Obgleich sich die Drahtseilmessung bei der Assimilation von Informationen über Formationen am Bohrloch als nützlich erweist, hat sie dennoch bestimmte Nachteile. Bevor zum Beispiel das über Drahtseil geführte Messgerät in dem Bohrloch betrieben werden kann, müssen zuerst der Bohrstrang und die Bohrlochbaugruppe von dem Bohrloch entfernt oder "gelöst" werden, was zu beträchtlichen Kosten und einem Verlust von Bohrzeit für den Bohrenden führt (der typischerweise Tagesgebühren für die Miete der Bohrausrüstung bezahlt). Da weiterhin über Drahtseil geführte Messgeräte während des tatsächlichen Bohrvorgangs keine Daten sammeln können, muss die Bohrgesellschaft zu bestimmten Zeitpunkten Entscheidungen fällen (z.B. über die Bohrrichtung usw.), ohne dass möglicherweise genügend Informationen vorhanden sind, oder zusätzliche Kosten zum Lösen des Bohrstrangs auf sich nehmen, damit ein Messgerät betrieben werden kann, um weitere Informationen bezüglich der Bedingungen im Bohrloch zu gewinnen. Da eine Drahtseilmessung weiterhin relativ lange nach der Bohrung eines Bohrlochs vollzogen wird, kann die Genauigkeit der Drahtseilmessung beeinträchtigt werden. Wie sich für den Fachmann versteht, tendieren die Bedingungen im Bohrloch dazu sich zu verschlechtern, da Bohrfluide in die Formation in der Nähe des Bohrlochs eindringen. Folglich kann ein Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands, das einen oder mehrere Tage nach der Bohrung eines Bohrlochabschnitts benutzt wird, Messungen erzeugen, die durch den spezifischen Widerstand des in die Formation eingetretenen Schlamms beeinflusst werden. Zusätzlich kann die Form des Bohrlochs zu erodieren beginnen, was die Genauigkeit der Messungen verringert. Somit gilt im Allgemeinen, dass je früher die Bedingungen in der Formation gemessen werden können, eine umso genauere Ablesung wahrscheinlich ist. Darüber hinaus können in bestimmten Bohrlöchern wie z.B. horizontalen Bohrlöchern über Drahtseil geführte Messgeräte nicht betrieben werden.
Aufgrund dieser mit der Drahtseilmessung in Zusammenhang stehenden Begrenzungen besteht eine steigende Schwerpunktsetzung auf der Entwicklung von Messgeräten, die Daten während des Bohrvorgangs selbst sammeln können. Indem Daten gesammelt, verarbeitet, und in Echtzeit an die Oberfläche übertragen werden, während zugleich gebohrt wird, kann nun der die Bohrung Durchführende die umgebende Formation genauer analysieren und je nach Notwendigkeit Modifizierungen oder Korrekturen durchführen, um die Bohrleistung zu optimieren. Mit einem steuerbaren System kann der die Bohrung Durchführende die Richtung verändern, mit der der Bohrer geführt wird. Durch die Erfassung benachbarter Schichtgrenzen können Einstellungen erfolgen, um den Bohrer in einer ölhaltigen Lage oder Region zu halten. Darüber hinaus erhöht die Messung von Parametern der Formation während des Bohrens und hoffentlich vor dem Einbruch der Formation die Nützlichkeit der gemessenen Daten. Weiterhin kann die Erhebung von Formations- und Bohrlochmessungen während des Bohrens die zusätzliche Bohrzeit einsparen, die andernfalls zum Betrieb eines über ein Drahtseil geführten Messgeräts notwendig wäre.
Entwürfe zum gleichzeitigen Messen der Bedingungen im Bohrloch, der Bewegung und der Anordnung der Bohrbaugruppe zusammen mit dem Bohren im Bohrloch sind als Techniken zum "Messen während des Bohrens" bzw. als "MWD" bekannt geworden. Ähnliche Techniken, die sich jedoch mehr auf die Messung von Formationsparametern mit über Drahtseil geführten Messgeräten konzentriert haben, sind allgemein als Techniken zum "Aufzeichnen während des Bohrens" bzw. als "LWD-Techniken" bezeichnet worden. Obgleich Unterscheidungen zwischen MWD und LWD vorliegen können, werden die Begriffe MWD und LWD häufig als untereinander austauschbar verwendet. Für die Zwecke dieser Beschreibung wird der Begriff LWD allgemein mit dem Hintergrund benutzt, dass dieser Begriff Systeme einschließt, die Informationsparameter der Formationen entweder alleine oder in Kombination mit der Sammlung von Informationen sammeln, die sich auf die Lage der Bohrbaugruppe beziehen.
Gewöhnlich wird ein Bohrloch über mindestens einen Teil seiner abschließenden Tiefe hinweg vertikal gebohrt. Die Lagen oder Schichten, die die Erdkruste darstellen, verlaufen allgemein im Wesentlichen horizontal. Während des vertikalen Bohrens ist das Bohrloch daher im Wesentlichen lotrecht zu den geologischen Formationen, durch die es verläuft. Jedoch ist es in bestimmten Anwendungen, z.B. bei der Bohrung von einer Offshore-Plattform aus oder bei einer Bohrung durch Formationen, in denen sich die Grenzen der Lagerstätten horizontal erstrecken, das Bohren von Bohrlöchern erwünscht, die eher waagerecht ausgerichtet sind. Wenn waagerecht gebohrt wird, ist es erwünscht, das Bohrloch so lange wie möglich in der Zielzone (der Formation, die Kohlenwasserstoffe enthält) zu halten, um die Gewinnung zu maximieren. Dies kann sich als schwierig erweisen, da sich Formationen absenken oder verzweigen können. Wenn daher versucht wird, zu bohren und das Bohrloch innerhalb einer bestimmten Formation zu halten, kann sich der Bohrer an eine Schichtgrenze annähern. In der Industrie ist häufig die Erwünschtheit eines LWD-Systems erwähnt worden, das insbesondere zur Detektion von Schichtgrenzen und zur Bereitstellung von Echzeitdaten verwendet werden könnte, damit der die Bohrung Durchführende Richtungskorrekturen durchführen kann, um in der Zielzone zu verbleiben. Wahlweise könnte das LWD-System als Teil eines "intelligenten" Systems zum automatischen Beibehalten des Bohrers in der Zielzone verwendet werden, siehe z.B. das den gleichen Inhaber wie der vorliegenden Anmeldung aufweisenden Patent US-5 332 048. Die Verwendung eines LWD-Systems mit diesen anderen Systemen ermöglicht es, dass zumindest bestimmte Teile des Bohrvorgangs automatisch durchgeführt werden können.
Die Messung von Eigenschaften der Formation während des Bohrens des Bohrlochs durch LWD-Systeme verbessert daher die Rechtzeitigkeit der Messdaten und erhöht folglich die Effizienz von Bohrvorgängen. Typischerweise werden LWD-Messungen dazu verwendet, Informationen betreffs derjenigen Formation bereitzustellen, durch die das Bohrloch verläuft. Derzeit beinhalten Messsensoren oder -geräte, die allgemein als Teil entweder eines Drahtseil- oder eines LWD-Systems benutzt werden, Messgeräte zur Messung des spezifischen Widerstands. Damit eine Formation Kohlenwasserstoffe enthalten kann und Kohlenwasserstoffe durch sie hindurchfließen können, muss das die Formation aufweisende Gestein bestimmte wohlbekannte physikalische Charakteristika aufweisen. Ein Charakteristikum besteht darin, dass die Formation über einen bestimmten messbaren spezifischen Widerstand verfügt (das Gegenteil zu der spezifischen Leitfähigkeit), der durch eine elektromagnetische Welle bestimmt werden kann, die sich mit einer bestimmten Frequenz durch die Formation bewegt. Wie sich für den Fachmann versteht wird eine Welle, die sich von Punkt A zu Punkt B bewegt, abgeschwächt und ihre Phase wird proportional zu der spezifischen Leitfähigkeit der Medien, in denen sie sich bewegt, verschoben. Eine Analyse dieser Dämpfung und Phasenverschiebung gibt den spezifischen Widerstand der Formation an, die das Mess gerät zur Messung des spezifischen Widerstands umgibt, und dieser kann anschließend in Kombination mit anderen Messungen dazu verwendet werden, vorherzusagen, ob die Formation Kohlenwasserstoffe erzeugt. Eine plötzliche gemessene Veränderung im spezifischen Widerstand an der Grenze zwischen Schichten aus Schiefer und Sandstein kann zur Lokalisierung dieser Grenzen verwendet werden. Beim horizontalen Bohren kann der Bohrer dann vorzugsweise gesteuert werden, um diese Grenze zu vermeiden und das Bohrloch innerhalb der Öl erzeugenden Schicht zu halten. Um diese Detektion jedoch verlässlich ausfallen zu lassen, ist eine große Datenmenge von dem Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands erforderlich.
Allgemein gesagt ist es für das Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands erwünscht, dass dieses Messungen in mehreren Tiefen in der Formation um das Bohrloch zwischen dem Sender und den beiden Empfängern herum vornimmt. Auf 1 Bezug nehmend ist der erste und engste Untersuchungsdurchmesser relativ zu dem Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands das Gebiet innerhalb des Bohrlochs, durch das der Bohrschlamm zurück an die Oberfläche fließt. Wenn der spezifische Widerstand dieses Gebiets innerhalb des Bohrlochs (um das Messgerät selbst herum) gemessen wird, wird ein spezifischer Widerstandswert erhalten, der im Allgemeinen dem spezifischen Widerstand des Bohrschlamms R_m ungefähr entspricht. Dieser Untersuchungsdurchmesser kann als D_m bezeichnet werden, um anzugeben dass dies diejenige Untersuchungstiefe ist, die einen solchen Auslesewert des spezifischen Widerstands des Bohrschlamms erzeugt. Das nächste allgemeine Untersuchungsgebiet ist der Bereich innerhalb der umgebenden Formation, der von dem Bohrschlamm überflutet worden ist. Dieser Untersuchungsdurchmesser kann als D_i bezeichnet werden, da eine Messung des spezifischen Widerstands in diesem Gebiet einen spezifischen Widerstandswert von ungefähr R_xo erzeugt, welcher der spezifische Widerstand der überfluteten Zone ist. Der dritte Untersuchungsbereich für ein Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands besteht in derjenigen Formation, die nicht durch Bohrschlamm überflutet worden ist. Eine Messung des spezifischen Widerstands dieses Gebiets ergibt den wahren spezifischen Widerstandswert der Formation R_i. Wie sich für den Fachmann versteht variieren die Untersuchungsdurchmesser D_m und D_i in Abhängigkeit von vielen Faktoren einschließlich der Position des Messgeräts in dem Bohrloch, den Charakteristika der Formation und des Bohrschlamms, dem Zeitraum, der seit der Bohrung des Bohrlochs verstrichen ist, und ähnlichem. Obgleich Informationen bezüglich R_m und R_xo für Auswertungszwecke nützlich sind, besteht eines der Ziele des Messgeräts zur Messung des spezifischen Widerstands in einer Messung des wahren spezifischen Widerstands R; der Formation. Daher ist es wichtig, das Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands dahingehend zu entwerfen, dass es über eine ausreichende Untersuchungstiefe verfügt, um diesen spezifischen Widerstand messen zu können.
Messgeräte zur Messung des spezifischen Widerstands haben einen wesentlichen Entwicklungsprozess durchlaufen, um mehr Daten hinsichtlich des spezifischen Widerstands erbringen zu können. 2 zeigt ein Messgerät vom Stand der Technik zur Messung des spezifischen Widerstands, das einen Teil einer Bohrlochbaugruppe bildet. Über der Bohrlochbaugruppe verkoppelt ein Bohrstrang die Bohrlochbaugruppe mit der Struktur an der Oberfläche des Bohrlochs. Die Bohrlochbaugruppe beinhaltet einen in die Formation bohrenden Bohrer. Ein Sensorbaugruppe ist an einer gewissen Stelle über dem Bohrer angeordnet und misst verschiedene Informationen bezüglich der Formation und der Position der Bohrlochbau gruppe. Der Sensorbaugruppe beinhaltet typischerweise ein Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands, das den spezifischen Widerstand in dem Bereich um das Bohrloch herum messen kann. Das Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands beinhaltet eine Übertragungsschleifenantenne T_x, die elektromagnetische Signale in die Formation sendet. Ebenfalls beinhaltet das Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands ein Paar Schleifenantennen R₁ und R₂, die in einem vorbestimmten Abstand von dem Sender entfernt angeordnet sind. Der Sender T_x generiert eine elektromagnetische Welle (EM-Welle) mit einer ausgewählten Frequenz, die nach dem Durchgang durch die Formation von den Empfängern R₁ und R₂ empfangen wird.
Die Anordnung der Sender mit Bezug auf den Empfänger und die für die EM-Welle ausgewählte Frequenz hängt von bestimmten Kriterien ab. Wenn der Sender T andererseits von den beiden Empfängern R₁ und R₂ weiter entfernt angeordnet wird, fällt die Dämpfung der gesendeten Welle stärker aus. Für eine Kompensation muss der Sender möglicherweise mehr Energie verwenden, um ein stärkeres Signal zu generieren, dass von den beiden Empfängern detektiert werden kann. Da niedrigere Frequenzsignale langsamer abgeschwächt werden als hohe Frequenzsignale, kann die Verwendung von niedrigeren Frequenzsignalen die Dämpfung des Signals reduzieren. Unglücklicherweise stellen niedrigere Frequenzsignale eine geringere Auflösung bezüglich der Schichtgrenzen der Formation als hohe Frequenzsignale bereit. Noch ein weiterer Gesichtspunkt besteht darin, dass niedrigere Frequenzsignale dazu tendieren, weiter in die Formation hineinzureichen, wodurch eine potenziell größere Untersuchungstiefe für die Messung des spezifischen Widerstands bereitgestellt wird. Wenn der Sender T_x andererseits näher zu den beiden Empfängern R₁ und R₂ angeordnet wird, werden die Phasenverschiebung und die Dämpfung schwieriger zu detektieren. Ein höheres Frequenzsignal erleichtert diese Detektion. Somit besteht im Allgemeinen eine Tendenz zur Bevorzugung niedrigerer Frequenzsignale, wenn der Abstand zwischen dem Sender und beiden Empfängern zunimmt, und eine Tendenz dazu, höhere Frequenzsignale zu verwenden, wenn der Abstand zwischen dem Sender und den beiden Empfängern kleiner wird.
Die an den beiden Empfängern R₁ und R₂ detektierten Signale unterscheiden sich natürlich, da der Abstand zwischen R₂ und dem Sender T_x größer als der Abstand zwischen R₁ und dem Sender T_x ist. Wie sich für den Fachmann versteht, kann daher das Verhältnis der bei von R₁ und R₂ empfangenen Spannungen dazu verwendet werden, das Dämpfungsverhältnis und die Phasenverschiebungsdifferenz der gesendeten EM-Welle auszubilden, die sich durch die fragliche Formation bewegt. Dies erzeugt auf effektive Weise eine Messung an der Stelle in der Mitte der beiden Empfänger. Das an dem Empfänger R₁ empfangene Signal kann als A₁e^jϕ1 ausgedrückt werden, wobei A₁ die Amplitude des an dem Empfänger R₁ empfangenen Signals und ϕ₁ die Phase repräsentiert. Ähnlich dazu kann das an dem Empfänger R₂ empfangene Signal als A₂e^jϕ2 ausgedrückt werden, wobei A₂ die Amplitude des an dem Empfänger R₂ empfangenen Signals und ϕ₂ die Phase repräsentiert. Das Verhältnis der Spannung, R₂/R₁ ist A₂/A₁e^(jϕ2-ϕ1) wobei A₂/A₁ das Dämpfungsverhältnis und (ϕ₂ – ϕ₁) die Phasendifferenz ist. Auf der Basis der Dämpfungs- und Phasenverschiebungsmessungen kann ein Schätzwert des spezifischen Widerstands erstellt werden.
Über die Jahre hinweg schon sind Verbesserungen dieses relativ einfachen Entwurfs erfolgt, um mehr Daten bezüglich der Formation zu erzeugen und um die Qualität der daraus abgeleiteten Daten zu verbessern. 3 stellt beispielsweise ein Messgerät vom Stand der Technik zur Messung des spezifischen Widerstands mit drei Sendern T₁, T₂, und T₃ zusätzlich zu den beiden Empfängern R₁ und R₂ dar. Der Einschluss zweier zusätzlicher Sender stellt mehr Daten des spezifischen Widerstands zur Verfügung. Weiterhin tendieren aufgrund der unterschiedlichen Abstandsanordnung der Sender bezüglich der Empfänger die von jedem der Sender generierten Signale dazu, einen unterschiedlichen Weg zu den beiden Empfängern zurückzulegen. Der Endeffekt dieser Abstandsanordnung besteht daher darin, dass das von dem Sender, der von den beiden Empfängern am weitesten entfernt ist, übertragene Signal dazu tendiert, sich tiefer in die Formation hineinzubewegen. Somit erzeugen die verschiedenen Sender unterschiedliche Untersuchungstiefen der Formation. Die Sender werden in einer Multiplexweise aktiviert, sodass jeder Sender individuell aktiviert wird, wodurch die Empfänger die Quelle des EM-Signals identifizieren können. Daher wird im Betrieb ein einzelner Sender wie z.B. der Sender T₁ aktiviert und sendet eine EM-Welle mit einer bestimmten Frequenz in die Formation. Anschließend wird die Welle an den Empfängern R₁ und R₂ empfangen und es können für diesen Sender eine Dämpfungs- und Phasenverschiebungsmessung bestimmt werden. Dann wird der Sender T₂ mit der gleichen Frequenz aktiviert und es wird eine Dämpfung und Phasenverschiebung für diesen Sender gemessen. Schließlich wird der Sender T₃ aktiviert und eine Dämpfungs- und Phasenverschiebungsmessung wird mit Bezug auf diesen Sender erstellt. Jede Aktivierung führt zu Ablesungen an den beiden Empfängern R₁ und R₂. Multiple Ablesungen an den Empfängern bewirken mehrfache Messungen der Phasenverschiebung und der Dämpfung der Signale. Folglich kann ein genaueres Profil des spezifischen Widerstands mit mehreren Untersuchungstiefen erhalten werden.
4 zeigt ein Messgerät vom Stand der Technik zur Messung des spezifischen Widerstands mit vier Sendern T₁, T₂, T₃, und T₄ zusätzlich zu den beiden Empfängern R₁ und R₂; siehe M. S. Bittar, et al, "A True Multiple Depth of Investigation Electromagnetic Wave Resistivity Sensor: Theory, Experiment and Prototype Field Test Results," präsentiert an der "66^th Annual Technical Conference and Exhibition of the Society of Petroleum Engineers" vom 06.–09.10.1991; und S. Ball et al., "Formation Evaluation Utilizing a New MWD Multiple Depth of Investigation Resistivity Sensor," präsentiert am "15. European Formation Evaluation Symposium" vom 05.–07.05.1993. Wie oben erwähnt ist umso größer der Abstand zwischen einem Sender und zwei Empfängern ist, die Untersuchungstiefe in der Formation umso größer. Somit führt die Hinzufügung eines vierten Senders dazu, dass mehr Daten an den Empfängern empfangen werden, und dass ein genaueres Profil des spezifischen Widerstands um das Bohrloch herum vorliegt. Wie bei dem in 3 dargestellten Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands wird jeder Sender sequenziell aktiviert, wobei die Dämpfungs- und Phasenverschiebungsmessungen auf der Basis der Amplitude und der Zeit der von den beiden Empfängern empfangenen Signale erfolgen. Da der Sender T₄ von den beiden Empfängern R₁ und R₂ weiter entfernt angeordnet ist, hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, diesen Sender bei einer niedrigeren Frequenz als die anderen Sender T₁, T₂, T₃ zu aktivieren. Ein niedrigeres Frequenzsignal von dem Sender geht weiter (oder tiefer) in die Formation als ein vergleichbares höheres Frequenzsignal hinein, führt aber auch zu einer geringeren vertikalen Auflösung. Diese geringere Auflösung kann beispielsweise dann ein Problem darstellen, wenn versucht wird, das Vorhandensein einer dünnen Schicht zu ermitteln. Somit ist in diesem Entwurf die Verwendung zweier unterschiedlicher Frequenzen für die vier Sender vorteilhaft (eine Frequenz für T₁, T₂, T₃ und eine niedrigere Frequenz für T₄). Umso kleiner darüber hinaus der Abstand zwischen einem Sender und zwei Empfängern ist, umso weniger groß ist die Untersuchungstiefe in der Formation. Daher führt die Hinzufügung eines vierten Senders dazu, dass mehr Daten an den Empfängern empfangen werden, und dass ein genaueres Profil des spezifischen Widerstands um das Bohrloch herum vorliegt.
Eines der Probleme bei der Verwendung der in den 2, 3 und 4 dargestellten Entwürfe von Messgeräten zur Messung des spezifischen Widerstands besteht darin, dass die von dem Empfänger abgeleiteten Messungen einige Fehlerkomponenten beinhalten. Einige dieser Fehler sind auf die Weise zurückzuführen, mit der die Empfängerschaltung auf die in dem Bohrloch vorherrschenden hohen Temperaturen reagiert. Die hohen Temperaturen und andere in dem Bohrloch auftretende umweltbedingte Widrigkeiten können eine thermische Drift der Elektronik in den Empfängern bewirken. Wie sich für den Fachmann versteht, beeinflusst die hohe Temperatur das Ansprechverhalten der Schaltung (z.B. Widerstände, Kondensatoren) in dem Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands. Einfach gesagt bedeutet dies, dass die beiden Empfänger wegen der hohen Temperaturen, in denen sie arbeiten, verschiedene Reaktionen erzeugen können. Folglich muss jedes Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands auf eine gewisse Weise bezüglich der thermischen Drift korrigiert werden, um die Genauigkeit der Messungen des spezifischen Widerstands sicherzustellen. Es sind verschiedene Korrekturtechniken entwickelt worden, um dieses Problem der thermischen Drift anzugehen. Eine Technik besteht in der Konfigurierung des Messgeräts zur Messung des spezifischen Widerstands in einem kompensierten Entwurf der auf jeder Seite der beiden Empfänger eine Sendergruppe beinhaltet, um kompensierte Empfängerwerte zu erzeugen. Eine zweite Technik besteht in der Verwendung eines asymmetrischen Senderentwurfes (der beispielsweise in den 2–4 dargestellt ist) zusammen mit abgespeicherten Kalibrierungswerten, um die Empfängermessungen bezüglich der thermischen Drift zu korrigieren.
5 zeigt ein Messgerät vom Stand der Technik zur Messung des spezifischen Widerstands mit Kompensation. Das Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands in 5 beinhaltet zwei Empfänger R₁ und R₂ sowie vier Sender T₁, T'₁, T₂ und T'₂. Im Unterschied zu dem in 4 dargestellten Messgerät beinhaltet das kompensierte Messgerät von 5 ein symmetrisches Senderpaar, das an beiden Seiten der Empfänger R₁ und R₂ angeordnet ist. Die Sender T₁ und T₂ unter den Empfängern sind mit dem gleichen Abstand entfernt von den Empfängern angeordnet wie die Sender T₁ und T₂ über den Empfängern vorgesehen sind und weisen somit die gleiche Untersuchungstiefe in der Formation auf. Die Ergebnisse von den korrespondierenden Senderpaaren (T₁/T_1' und T₂/T_2') kann "gemittelt" werden, um die Effekte der Reaktion der elektronischen Komponenten aufgrund von Temperaturvariationen zu verringern. Ein Problem mit dieser Anordnung besteht jedoch darin, dass nur zwei Untersuchungstiefen eingenommen werden können, da tatsächlich nur zwei Sender bereitgestellt sind. Für eine Erhöhung der Anzahl an Messungen und Untersuchungstiefen wird jeder Sender mit zwei verschiedenen Frequenzen aktiviert. Zusätzlich zu einer Frequenz von 2 Megahertz (MHz) können die Sender dieses Entwurfs zum Beispiel mit 400 kHz aktiviert werden. Dies ermöglicht vier unterschiedliche Untersuchungstiefen in der umgebenden Formation. Zur Bereitstellung zusätzlicher Untersuchungstiefen müssen mehr Sender hinzugefügt werden, was die Länge des Messgeräts erhöht.
6 stellt ein Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands dar, das versucht, zusätzliche Messungen mittels einer "Pseudokompensation" (siehe US-A-5 594 343) bereitzustellen. Das Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands von 6 beinhaltet zwei Empfänger R₁ und R₂ und eine Gruppe von Sendern T₁, T₂, T₃, T₄ und T₅. In diesem Entwurf sind nur zwei Sender T₂ und T₄ unter den beiden Empfängern angeordnet, während drei Sender T₁, T₃ und T₅ über den beiden Empfängern vorgesehen sind. Die Anordnung jedes Senders unter den beiden Empfängern wird dadurch bestimmt, dass jeder Sender in der Mitte zwischen den Stellen der Positionssender angeordnet wird, die für ein vollständig kompensiertes Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands verwendet werden würden. Ein Vorteil dieses Entwurfs besteht darin, dass mehrere Untersuchungstiefen als bei einem vollständig kompensierten Messgerät möglich sind. Zugleich bewerkstelligt dieser Entwurf auch einen gewissen Kompensationspegel, obwohl eine Kalibrierung bezüglich der thermischen Drift bis zu einem gewissen Ausmaß immer noch notwendig ist. Allerdings setzen sich die Fachleute bis heute darüber auseinander, ob die Vorzüge dieses Entwurfs denjenigen Fehler kompensiert, der durch das Vorliegen einer asymmetrischen Konfiguration erzeugt wird.
Im Vergleich zu diesen kompensieren oder pseudokompensierten Entwürfen, die in den 5 und 6 dargestellt sind, besteht die zweite Korrekturtechnik in der Kalibrierung der asymmetrischen Entwürfe von in den 3 und 4 gezeigten Messgeräten zur Messung des spezifischen Widerstands zwecks einer Korrektur der thermischen Drift. Diese Entwürfe weisen den Vorteil auf, dass sie mehrere Untersuchungstiefen bereitstellen, da jeder Sender eine unterschiedliche Untersuchungstiefe zur Verfügung stellt. Somit misst der Entwurf mit vier Sendern aus 4 beispielsweise vier Untersuchungstiefen. In Systemen wie z.B. dem in 4 dargestellten System werden die Empfänger kalibriert, um die thermische Drift der Empfänger zu bestimmen, bevor das Messgerät in einem LWD-Betrieb verwendet wird. In diesem Kalibrierungsverfahren wird das Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands auf verschiedene Temperaturen erwärmt und das Ansprechen des Empfängers wird bewertet. Anschließend wird eine Nachschlagtabelle im Speicher aufgebaut, um die thermische Drift der Empfänger bei jeder Temperatur zu identifizieren. Wird das Messgerät nachfolgend in einem LWD-Betrieb benutzt, wird die Temperatur in der Nähe der Empfänger gemessen und das System bestimmt einen Korrekturwert der thermischen Drift für die gemessenen spezifischen Widerstandswerte, indem es auf die Kalibrierungsnachschlagtabelle zugreift. Obgleich diese Vorrichtung das Problem mit der thermischen Drift überwinden kann, ist es hier notwendig, dass die Empfänger regelmäßig kalibriert werden müssen, bevor sie in dem Loch für eine thermische Drift verwendet werden. Dies erfordert ein langwieriges Kalibrierungsverfahren, bei dem das Messgerät erwärmt und die thermische Drift über einen Bereich von Temperaturen gemessen wird. Weiterhin ist die Simulation der in einem Bohrloch auftretenden Bedingungen schwierig und somit kann das Kalibrierungsverfahren die tatsächlichen Bedingungen, auf die das Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands in dem Bohrloch trifft, möglicherweise nicht adäquat widerspiegeln. US 5 869 968 offenbart eine Technik zur Eliminierung von unerwünschten Effekten der Phasenverschiebung durch die hohe Bohrlochtemperatur.
Es wäre erwünscht, wenn ein Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands entwickelt werden könnte, das eine ausreichende Anzahl an Tiefengraden untersuchen könnte, während die Korrekturwerte für die thermische Drift in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit berechnet werden könnten. Trotz der offensichtlichen Vorteile, die ein derartiges System bieten würde, ist bis jetzt kein solches System erfolgreich vorgestellt worden.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die oben aufgeführten Probleme werden größtenteils durch ein Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gelöst, das einen Kalibrierungssender beinhaltet, der zur Messung der thermischen Drift der Empfänger verwendet werden kann, während sich das Messgerät während Bohrvorgängen im Bohrloch befindet. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird der Kalibrierungssender in der Mitte zwischen den Empfängern angeordnet. Während Bohrvorgängen generiert der Kalibrierungssender periodisch eine elektromagnetische Welle (EM-Welle), die von jedem Empfänger detektiert wird. Der Unterschied in der Dämpfung und die an den beiden Empfängern detektierte Phasenverschiebung zwischen den Signalen werden dazu benutzt, die Empfänger der thermischen Drift zu kalibrieren. Folglich können die Dämpfungs- und Phasenverschiebungsmessungen für jeden Sender hinsichtlich der thermischen Drift auf der Basis eines Kalibrierungsverfahrens korrigiert werden, das vollzogen wird, während sich das Messgerät in dem Bohrloch befindet.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Sendergruppe fünf Sender, die in gleichmäßigem Abstand zu zwei Empfängern angeordnet sind. Somit stellen die Sender Messungen an fünf unterschiedlichen Untersuchungstiefen bereit. Um die Informationen betreffs der Formation weiter zu ergänzen, kann jeder der Sender in der Sendergruppe vorzugsweise mit mehreren Frequenzen betrieben werden. Daher kann zum Beispiel jeder der fünf Sender in der Gruppe EM-Wellen (oder Signale) bei sowohl 2 MHz und 500 kHz erzeugen, um die Informationsmenge, die erhalten werden kann, zu erhöhen. Diese gesteigerte Informationsmenge macht es möglich, eine größere Untersuchungstiefe zu bewerkstelligen, während zugleich eine adäquate vertikale Auflösung sichergestellt wird. Indem weiterhin die Messungen miteinander verglichen werden, können Informationen bezüglich der dielektrischen Konstante der Formation und anderer Eigenschaften der Formation in Erfahrung gebracht werden. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird ein Kalibrierungssender zwischen den Empfängern angeordnet, um zwei voneinander getrennte und unabhängige Funktionen auszuführen. Erstens kann der Kalibrierungssender in einem Kalibrierungsmodus verwendet werden, um die Empfänger bezüglich der thermischen Drift zu kalibrieren, während das Messgerät Messungen des spezifischen Widerstands erstellt. Anschließend können die Korrekturen bezüglich der thermischen Drift zur Kompensierung der von der Sendergruppe erhaltenen Dämpfungs- und Phasenverschiebungsmessungen verwendet werden. Zweitens kann der Kalibrierungssender in einem Messmodus dazu benutzt werden, auf Grund der engen Abstandsanordnung der Kalibrierungssender zu den Empfängern den spezifischen Widerstand des Bohrschlamms zu messen. In dem Messmodus wird das von dem Kalibrierungssender übermittelte Signal als ein Referenzsignal verwendet und wird mit der Phase von einem der Empfänger verglichen. Auf diese Weise kann die absolute Phase des Bohrschlamms bestimmt werden, um den spezifischen Widerstand des Bohrschlamms anzugeben.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Zusammenhang mit den Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für eine ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, in welchen:
1 die bei verschiedenen Untersuchungstiefen erhaltenen Messungen des spezifischen Widerstands illustriert;
2 ein gemäß des Stands der Technik beschaffenes Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands mit einem einzelnen Sender und zwei Empfängern darstellt;
3 ein Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands von Stand der Technik zeigt, das drei Sender beinhaltet, die zusammen mit zwei Empfängern benutzt werden;
4 ein Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands vom Stand der Technik darstellt, das vier Sender beinhaltet, die zusammen mit zwei Empfängern verwendet werden;
5 ein kompensiertes Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands vom Stand der Technik zeigt, das passende Sendergruppen beinhaltet;
6 ein pseudokompensiertes Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands darstellt, das asymmetrische Sendergruppen an beiden Seiten der beiden Empfänger beinhaltet;
7 eine Illustration eines Bohrlochs ist, das gemäß typischer Bohrpraktiken durch unterirdische Formationen gebohrt wird;
8 eine schematische Illustration eines LWD-Messgeräts zur Messung des spezifischen Widerstands ist, das gemäß der bevorzugten Ausführungsform aufgebaut ist;
9A ein Schaltschema gemäß der bevorzugten Ausführungsform der in dem Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands von 8 verwendeten Antenne ist;
9B ein Schaltschema einer alternativen Antennenanordnung zur Verwendung in dem Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands von 8 ist;
10A eine grafische Darstellung ist und die Impedanz der Antenne von 9A als eine Funktion der Frequenz darstellt; und
10B eine grafische Darstellung ist und die Impedanz der Antenne von 9B als eine Funktion der Frequenz illustriert;
Bezeichnungen und Nomenklatur
Im Verlauf der obigen und folgenden Beschreibung werden die Begriffe "über und "unter" dazu verwendet, die relative Position von bestimmten Komponenten mit Bezug auf die Richtung des Durchflusses des eintretenden Bohrschlamms anzugeben. Wenn somit ein Objekt als über einem anderen Objekt liegend beschrieben ist, ist die Bezeichnung desjenigen Umstands beabsichtigt, dass der Bohrschlamm zuerst durch die erste Komponente fließt, bevor er die zweite Komponente durchströmt. Wie sich für den Fachmann versteht werden diese und weitere Begriffe dazu benutzt, die relative Position von Komponenten in der Bohrlochbaugruppe (bzw. der BHA) bezüglich des Abstands zu der Oberfläche des Bohrlochs, gemessen entlang des Bohrlochverlaufs anzugeben.
Ebenfalls bezeichnen die Begriffe "koppeln" oder "verkoppeln" entweder eine indirekte oder eine direkte elektrische Verbindung. Wenn somit eine erste Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung gekoppelt ist, kann diese Verbindung entweder durch eine direkte elektrische Verbindung oder durch eine indirekte elektrische Verbindung über weitere Vorrichtungen und Verbindungen erfolgen.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nun auf 7 Bezug nehmend beinhaltet eine Bohrinstallation ein Bohrgestell 10 an einer Oberfläche 12 eines Bohrlochs, das einen Bohrstrang 14 abstützt. Der Bohrstrang 14 durchdringt einen Drehtisch 16 und erstreckt sich in ein Bohrloch 18, das durch Erdformationen 20 und 21 gebohrt wird. Der Bohrstrang 14 beinhaltet an seinem oberen Ende eine Mitnehmerstange 22, ein mit der Mitnehmerstange 22 gekoppeltes Gestängerohr 24, sowie eine an das unteren Ende des Gestängerohrs 24 verkoppelte Bohrlochbaugruppe 26, die allgemein und im folgenden als eine "BHA" bezeichnet wird. Wahlweise kann der Bohrstrang einen Abschnitt der Rohrwendel anstatt des Gestängerohrs oder zusätzlich zu diesem aufweisen. Die BHA 26 kann einen Bohrer 32, einen Bohrmotor 40, einen oder mehrere Meißelschafte 28, ein in einem Schaftabschnitt 55 angeordnetes Messgerät 100 zur Messung des spezifischen Widerstands, in einem nicht magnetischen Abschnitt 60 vorgesehene Richtungssensoren, und einen oder mehrere (nicht dargestellte) Stabilisatoren zum Durchdringen von Erdformationen aufweisen, um das Bohrloch 18 zu erzeugen. Im Betrieb werden die Mitnehmerstange 22, das Gestängerohr (bzw. die Rohrwendel) 24 und die BHA 26 durch den Drehtisch 16 gedreht. Die Meißelschafte 28, die auch nicht magnetisch beschaffen sein können, um die LWD-Messungen nicht zu beeinträchtigen, werden gemäß konventioneller Techniken verwendet, um dem Bohrer 32 ein Gewicht zuzufügen und die BHA 26 steifer zu machen, wodurch die BHA 26 ein Gewicht zu dem Bohrer 32 ohne Einknicken übertragen kann. Das durch die Meißelschafte 28 zu dem Bohrer 32 zugeführte Gewicht ermöglicht es dem Bohrer, unterirdische Formationen zu durchdringen.
Im Betrieb des Bohrers 32 wird Bohrfluid oder -schlamm von einem Schlammgraben 34 an der Oberfläche durch den Schlauch 37 der Mitnehmerstange in das Gestängerohr (bzw. die Rohrwendel) 24 zu dem Bohrer 32 gepumpt. Nachdem der Bohrschlamm durch den Bohrer 32 geflossen ist, steigt er durch den ringförmigen Bereich zwischen dem Gestängerohr 24 und dem Bohrloch 18 zurück zur Oberfläche auf, wo er gesammelt und für eine Filterung zu dem Schlammgraben 34 zurückgeführt wird. Der Bohrschlamm wird zum Schmieren des Bohrers 32 und zur Entfernung des ausgebohrten Materials von dem Bohrloch 18 benutzt. Der Bohrschlamm kann auch eine Anzahl weiterer Funktionen ausüben, die eine Zufuhr von Betriebsenergie zu dem Bohrmotor oder zu anderen Komponenten im Bohrloch beinhalten könnten. Wie sich für den Fachmann versteht kann der Bohrmotor bzw. die Turbine 40 im Bohrloch zur Drehung des Bohrers 32 als eine Alternative oder zusätzlich zu der Drehung des Bohrstrangs von der Oberfläche verwendet werden. Wie in 7 dargestellt ist die BHA 26 typischerweise als sämtliche Komponenten im Bohrloch definiert, die von der Oberseite der Meißelschafte 28 hinunter zu dem Bohrer 32 einschließlich des Bohrmotors 40 reichen. Wie sich für den Fachmann versteht ist der Bohrmotor 40 eine optionale Komponente, die auf Wunsch von der BHA 26 weggelassen werden kann.
Wie beim Stand der Technik bekannt beinhaltet der nicht magnetische Abschnitt 60 typischerweise Richtungssensoren und Bohrparametersensoren wie z.B. "Weight-on-bit" (WOB)-, "Torque-on-bit" (JOB)-, Erschütterungs-, Vibrationssensoren usw.. In einer Ausführungsform sind in der BHA 26 Richtungssensoren vorgesehen, um eine Anzeige für den horizontalen Winkel, den Neigungs- und den Drehwinkel (d.h. den "Messgerätsstirnwinkel") der BHA 26 bereitzustellen. Gemäß bekannter Techniken können Bohrlochrichtungsmessungen erstellt werden.
Das LWD-Messgerät 55 ist vorzugsweise nahe an dem Bohrer 32 angeordnet, um eine Untersuchung derjenigen Formation erleichtern zu können, die so nahe wie möglich um den Bohrer herum vorliegt. Wie sich für den Fachmann versteht könnte das LWD-Messgerät 55 auch weiter oben an der BHA 26 von dem Bohrer 32 entfernt vorgesehen werden, ohne von den Prinzipien der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus kann das LWD-Messgerät 55 tatsächlich mehrere Schaftabschnitte aufweisen, sollte sich dies als notwendig erweisen, um weitere LWD-Sensoren zu beherbergen. Die LWD-Formationssensoren beinhalten vorzugsweise das Messgerät 100 zur Messung des spezifischen Widerstands, das im Zusammenhang mit 8 ausführlicher beschrieben werden wird. Auf Wunsche können auch weitere LWD-Formationssensoren bereitgestellt werden, die beispielsweise Gamma-, Akustik-, Dichte- und Neutronensensoren beinhalten. In dem LWD-Messgerät 55 kann ein Batteriesatz, eine Kommunikationsbaugruppe oder eine andere Stromquelle eingeschlossen werden oder wahlweise an jeder geeigneten Position angeordnet werden, um die verschiedenen elektrischen Baugruppen in der BHA mit Energie zu versorgen.
Immer noch auf 7 Bezug nehmend kann auch eine Bohrloch-Signalgebereinheit 35 als Teil der BHA 26 vorgesehen und dazu verwendet werden, erfasste Werte mittels eines Schlammimpulssignals zu einem Oberflächenempfänger zu übertragen. Der Bohrschlamm kann als ein Übertragungsmedium zwischen dem Steuergerät und den an der Oberfläche des Bohrlochs befindlichen Komponenten fungieren. Mittels einer Änderung des Durchflusses des Bohrschlamms durch das Innere des Bohrstrangs (bzw. der Rohrwendel) können Druckimpulse in der Bohrschlammsäule generiert werden. Indem die Druckimpulse durch die Verwendung eines Schlammimpulsgebers in der Schlammsignalgebereinheit 35 selektiv variiert werden, können kodierte binäre Druckimpulssignale erzeugt werden, um Informationen hinsichtlich verschiedener Bohrlochparameter zwecks einer sofortigen Analyse zu der Oberfläche zu führen. Weiterhin kann das Bohrlochsystem über die Fähigkeit verfügen, Schlammimpulssignale von der Oberfläche zu empfangen, um den Betrieb oder die Aktivierung von bestimmten LWD-Sensoren oder anderen Komponenten im Bohrloch zu steuern. Alternativ dazu könnte ein Verbundbohrstrang mit integrierten Leitungen zum Übertragen von Daten an die Oberfläche verwendet oder die Daten könnten im Bohrloch gespeichert werden.
Ein (nicht dargestelltes) Bohrlochsteuergerät kann den Betrieb der Signalgebereinheit 35 steuern und den Betrieb der LWD-Sensoren und anderer BHA-Komponenten bestimmen. Das Steuergerät kann in einer Baugruppe 60 oder an einer anderen Stelle in der BHA 26 angeordnet werden. Ebenfalls kann das Steuergerät auf der Basis der verarbeiteten Daten Entscheidungen fällen.
Ein oder mehrere Stabilisatoren können als Teil der Bohrlochbaugruppe bereitgestellt werden. Der/die Stabilisator/en könnte/n einstellbare Flügel gemäß den Offenbarungen in den den gleichen Inhaber wie der vorliegenden Anmeldung aufweisenden Patenten US-5 318 137 und US-5 318 138 aufweisen. Wie in diesen Erfindungen offenbart kann die Neigung der Bohrlochbaugruppe dadurch verändert werden, dass die Ausdehnung der Stabilisatorflügel selektiv variiert wird. Wie der Fachmann unmittelbar erkennt kann der Ablauf der BHA 26 auch gemäß anderer Techniken verändert werden, z.B. indem ein Bohrmotor selektiv ein- und ausgeschaltet, der Krümmungswinkel in einem Biegemotorgehäuse eingestellt, oder das "Weight-on-bit" des Systems verändert wird. Die hier offenbarte Verwendung einer derartigen einstellbaren Komponente im Bohrloch in Zusammenhang mit einem LWD-System ermöglicht den Entwurf eines "intelligenten Systems" zum automatischen Bohren bestimmter Teile des Bohrlochs. Alternativ dazu kann jedes andere geeignete System oder jede geeignete Baugruppe zum Bohren in bestimmten Richtungen benutzt werden, ohne von dem hiesigen Rahmen der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise und wie oben erwähnt kann die Rohrwendel in dem Bohrsystem zusammen mit einer gewissen Art von Motor oder Laufkettenvorrichtung benutzt werden. Für den Fachmann versteht sich daher, dass das hier offenbarte LWD-System in jedem Bohrsystem oder bei jedem Bohrvorgang verwendet werden kann, bei dem es erwünscht ist, Formationen und Schichtgrenzen unabhängig von der verwendeten Bohrlochbaugruppe und den benutzten Bohrstrangkomponenten zu detektieren und zu lokalisieren.
Nun auf 8 Bezug nehmend weist das Messgerät 100 zur Messung des spezifischen Widerstands, das gemäß der bevorzugten Ausführungsform aufgebaut ist, allgemein eine Sendergruppe 150, eine Empfängergruppe 125, einen Kalibrierungssender 135 und eine assoziierte Elektronik zur Steuerung der Übertragung, des Empfangs und der Verarbeitung von elektromagnetischen (EM)-Signalen durch die Sender- und Empfängergruppen auf. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Sendergruppe 150 fünf Sender T₁, T₂, T₃, T₄ und T₅, die entlang der Länge des Messgeräts 100 zur Messung des spezifischen Widerstands unter einem Abstand voneinander angeordnet sind. Gemäß der gängigen Praxis beinhaltet die Empfängergruppe 125 vorzugsweise zwei Empfänger R₁ und R₂, die benachbart zu der Sendergruppe 150 angeordnet sind. Der Kalibrierungssender 135 weist vorzugsweise einen einzelnen Sender T_c auf, der an der Mitte zwischen den beiden Empfängern R₁ und R₂ vorgesehen ist.
Wie in 8 dargestellt sind die Sender T₁, T₂, T₃, T₄ und T₅ unter verschiedenen Abständen zu der Empfängergruppe 125 angeordnet, wodurch fünf unterschiedliche Untersuchungstiefen bereitgestellt werden. Weiterhin kann jeder der Sender T₁, T₂, T₃, T₄ und T₅ vorzugsweise mit mehreren Frequenzen arbeiten, wodurch die Anzahl an Messungen, die mit dem Messgerät 100 zur Messung des spezifischen Widerstands erhältlich sind, erhöht wird. Daher kann jeder Sender T₁, T₂, T₃, T₄ und T₅ in der Sendergruppe 150 vorzugsweise EM-Signale (oder -Wellen) mit mindestens zwei verschiedenen Frequenzen generieren, um zu ermöglichen, dass 20 verschiedene Messungen bezüglich der Formation erhalten werden (2 Frequenzen × 5 Sender = 10 Messungen der Phase, und analog dazu 10 Messungen der Amplitude). Dieses Phänomen ist deshalb möglich, weil EM-Signale bei unterschiedlichen Frequenzen dazu tendieren, unterschiedlich zu reagieren. Im Allgemeinen neigen niedrigere Frequenzsignale dazu, eine größere Untersuchungstiefe zu erzeugen, während die vertikale Auflösung beeinträchtigt wird. Ebenso tendieren die niedrigeren Frequenzsignale dazu, gegenüber den dielektrischen Effekten der Formation relativ immun zu sein. Höhere Frequenzsignale stellen umgekehrt dazu eine höhere vertikale Auflösung bereit, während sie eine flachere Untersuchungstiefe erzeugen. Die höheren Frequenzsignale sind den dielektrischen Eigenschaften der Formation vermehrt ausgesetzt. In der bevorzugten Ausführungsform können die Sender T₁, T₂, T₃, T₄ und T₅ EM-Signale mit sowohl 500 kHz wie mit 2 MHz generieren. Für den Fachmann versteht sich, dass weitere Signale mit anderen Frequenzen als ein Ersatz für die Signale dieser Frequenzen oder zusätzlich zu diesen verwendet werden können. In der bevorzugten Konfiguration der Sendergruppe 150 sind die Sender gleich weit voneinander angeordnet. Somit sind in der bevorzugten Konstruktion des Messgeräts 100 zur Messung des spezifischen Widerstands die Sender T₁, T₂, T₃, T₄ und T₅ beispielsweise jeweils ungefähr 8 inch voneinander entfernt vorgesehen. Ähnlich dazu ist in der bevorzugten Ausführungsform der Sender T₁ ungefähr 8 inch von dem Empfänger R₂ entfernt angeordnet.
Die Sender- und Empfängerantennen sind vorzugsweise identisch aufgebaut und in Schlitzen in dem Messgerät 100 zur Messung des spezifischen Widerstands befestigt.
Ebenfalls sind die Empfänger R₁ und R₂ vorzugsweise ungefähr 8 inch voneinander entfernt angeordnet. Wie in 8 gezeigt sind die Empfänger R₁ und R₂ in der bevorzugten Ausführungsform über der Sendergruppe 150 vorgesehen. Für den Fachmann versteht sich jedoch, das die Empfängergruppe 125 auch unter der Sendergruppe angeordnet werden kann, falls dies erwünscht wird. Immer noch auf 8 Bezug nehmend wird der als T_c bezeichnete Kalibrierungssender 135 vorzugsweise zwischen den beiden Empfängern R₁ und R₂ angeordnet. Somit ist der Kalibrierungssender T_c in der bevorzugten Ausführungsform ungefähr 4 inch von sowohl R₁ wie von R₂ entfernt vorgesehen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform führt der Kalibrierungssender T_c zwei getrennte und unabhängige Funktionen aus. Als erstes generiert der Kalibrierungssender T_c EM-Signale, die für eine Kalibrierung der Empfänger R₁ und R₂ bezüglich der thermischen Drift verwendet werden, während das Messgerät 100 zur Messung des spezifischen Widerstands im Bohrloch benutzt wird. Zweitens ermöglicht der Kalibrierungssender T_c eine Messung des spezifischen Widerstands des Bohrschlamms aufgrund der sehr flachen Untersuchungstiefe, die sich aus der engen Abstandsanordnung des Kalibrierungssenders T_c zu den beiden Empfängern R₁ und R₂ ergibt.
Das Messgerät 100 zur Messung des spezifischen Widerstands beinhaltet eine assoziierte Schaltung zum Steuern der Übertragung von EM-Impulsen durch die Sendergruppe 150 und den Kalibrierungssender 135. Ebenfalls verarbeitet die Schaltung die von der Empfängergruppe 125 empfangenen EM-Signale, um für jeden Sender (und jede Senderfrequenz) Phasenverschiebungsmessungen und Dämpfungsverhältnisse zu erhalten. Immer noch auf 8 Bezug nehmend beinhaltet das Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands somit einen Mikroprozessor 175, eine Senderlogik 185 und eine Empfängerlogik 195. In der bevorzugten Ausführungsform sind der Mikroprozessor 175 und die Empfängerlogik 195 in einem Abschnitt über der Empfängergruppe 125 beherbergt, während die Senderlogik in einem Abschnitt unter der Sendergruppe 150 beherbergt ist. Für den Fachmann versteht sich jedoch, dass der Mikroprozessor 175, die Senderlogik 185 und die Empfängerlogik 195 je nach Wunsch irgendwo in der Bohrlochbaugruppe oder an einer anderen geeigneten Stelle angeordnet werden können. In dieser bevorzugten Ausführungsform verkoppelt ein leitendes Kabel 179 den Mikroprozessor 175 mit der Senderlogik 185. Das Kabel kann entweder ein serielles Kabel sein oder es kann einen Bus mit parallelen Leitungen aufweisen, der gleichzeitig mehrere digitale Signale übertragen kann. Weiterhin ist der Mikroprozessor 175 durch einen Bus 157 an eine Kommunikationsschnittstelle 155 gekoppelt. Der Mikroprozessor 175 überträgt die von der Empfängerschaltung erhaltenen Ergebnisse des spezifischen Widerstands zu einem Sender im Bohrloch, damit dieser diese Ergebnisse an die Oberfläche des Bohrlochs weitervermittelt. Somit kann die Kommunikationsschnittstelle 155 an einen Impulsgeber im Bohrloch oder an eine andere Kommunikationsvorrichtung zum Übertragen der Informationen an die Oberfläche des Bohrlochs gekoppelt sein. Wahlweise kann der Mikroprozessor 175 einige oder alle Ergebnisse des spezifischen Widerstands im Bohrloch für eine spätere Abfrage in einem Speicher abspeichern.
Die Senderlogik 185 beinhaltet vorzugsweise eine Oszillatorauswahllogik 181, einen Funkfrequenzverstärker 187 und eine Senderauswahllogik 183. Die Oszillatorauswahllogik 181 empfängt Steuersignale von dem Mikroprozessor an einem Kabel 179. Die Oszillatorauswahllogik 181 empfängt vorzugsweise zwei oder mehrere unterschiedliche Eingangsfrequenzsignale. In der bevorzugten Ausführungsform empfängt die Oszillatorauswahllogik 181 ein separates 560 kHz-Signal und ein 2 MHz-Signal von geeigneten Quellen. Weiterhin kann die Oszillatorauswahl ein geerdetes Eingangssignal beinhalten, das während Zeiträumen, in denen kein Sender aktiviert werden soll, ausgewählt werden kann. Die Oszillatorauswahllogik 181 weist vorzugsweise einen Multiplexer auf, der eines der Eingangsfrequenzsignale (oder das geerdete Eingangssignal) auf der Basis der von dem Mikroprozessor 175 empfangenen Steuersignale auswählt. Die Oszillatorauswahllogik 181 beinhaltet einen Ausgangsanschluss, an dem das gewählte Frequenzsignal gesendet wird. Der Funkfrequenzverstärker 187 ist vorzugsweise elektrisch mit dem Ausgangsanschluss der Oszillatorauswahllogik 181 verbunden. Der Funkfrequenzverstärker 187 verstärkt das ausgewählte Frequenzsignal von der Oszillatorauswahllogik 181, um gemäß der gängigen Praxis ein verstärktes Signal zu erzeugen. Die Senderauswahllogik 183 beinhaltet einen Eingangsanschluss, der elektrisch mit dem Ausgang des Funkfrequenzverstärkers 187 verbunden ist. Ebenfalls beinhaltet die Senderauswahllogik 183 einen oder mehrere Steuerungseingangsanschlüsse, die über das Kabel 179 mit dem Mikroprozessor 175 verkoppelt sind. Die Ausgangsanschlüsse der Senderauswahllogik 183 sind elektrisch mit jedem der Sender in der Sendergruppe 150 gekoppelt. Somit ist in der bevorzugten Ausführungsform die Senderauswahllogik 183 über verschiedene Übertragungsleitungen mit jedem der Sender T₁, T₂, T₃, T₄ und T₅ verkoppelt. Die Senderauswahllogik 183 empfängt Steuersignale von dem Mikroprozessor 175, welche die Senderauswahllogik zur Auswahl der jeweiligen Sender verwendet, die das verstärkte Frequenzsignal von der Oszillatorauswahllogik 181 und dem Funkfrequenzverstärker 187 empfangen. Falls erwünscht könnte die Senderauswahllogik 183 auch eine geerdete Ausgangsleitung aufweisen, die ausgewählt werden würde, sollte keiner der Sender aktiviert werden. Der Mikroprozessor 175 steuert daher den Sender, der durch zu der Senderauswahllogik 183 übermittelte Steuersignale aktiviert wird, sowie die Frequenz, mit der der Sender aktiviert wird, und zwar durch Steuersignale, die zu der Oszillatorauswahllogik 181 gesendet werden. Die Steuersignale können entweder in analoger oder in digitaler Form kodiert werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein analoges Kodierungsschema benutzt, bei dem der Sender und die Frequenz auf der Basis der Spannung ausgewählt werden, die von dem Mikroprozessor 175 über das Kabel 179 übertragen wird. Somit werden in der bevorzugten Ausführungsform mindestens zehn verschiedene Spannungsbereiche verwendet, um den Sender und die auszuwählende Frequenz zu kennzeichnen. Somit würde zum Beispiel ein Spannungspegel von 1,0 Volt–2,0 Volt anzeigen, dass die Sender mit 500 kHz aktiviert werden sollten, während ein Spannungspegel von 2,0 Volt bis 3,0 Volt angibt, dass die Sender mit 2 MHz aktiviert werden sollten. Jedem Sender würde anschließend ein Unterbereich innerhalb jedes dieser Bereiche zugewiesen werden. Daher wird beispielsweise der Sender T₃ ausgewählt, wenn das Steuersignal von dem Mikroprozessor 175 zwischen 1,0 und 1,2 Volt oder zwischen 2,0 und 2,2 Volt liegt. Wie sich für den Fachmann versteht, könnten auch viele andere Kodierschemata zur Auswahl des Senders und der Frequenz des Senders benutzt werden.
Immer noch auf 8 Bezug nehmend beinhaltet die Empfängerlogik 195 vorzugsweise eine Empfängerauswahllogik 191, eine Referenzoszillator-Auswahllogik 198, Funkfrequenzverstärker 192, 194, eine Phasendetektorschaltung 165, Amplitudendetektoren 171, 172, und einen Multiplexer 168. Wie in 8 dargestellt ist die Schleifenantenne des Empfängers R₁ mit einem Funkfrequenzverstärker 192 verkoppelt, der wiederum an einen Mischer 158 gekoppelt ist. Die Schleifenantenne des Empfängers R₂ ist mit der Empfängerauswahllogik 191 verkoppelt, die entweder das durch den Empfänger R₂ empfangene Signal oder eine Referenzwellenform von der Kalibrierungssenderschaltung T_c auswählt. Wenn der Mikroprozessor 175 in einem Kalibrierungsmodus verwendet wird, weist er die Empfängerauswahllogik 191 an, das an dem Empfänger R₁ empfangene Signal auszuwählen. Der Ausgang der Empfängerauswahllogik 191 ist mit dem Funkfrequenzverstärker 194 verbunden, der wiederum mit einem Mischer 159 verkoppelt ist. Jeder der Mischer 158, 159 empfängt ein Signal von der Referenzoszillator-Auswahllogik 198. Die Frequenz des Signals von der Referenzoszillator-Auswahllogik 198 wird durch ein Steuersignal von dem Mikroprozessor 175 ausgewählt. Somit wählt in der bevorzugten Ausführungsform der Mikroprozessor entweder ein Frequenzsignal von 1,998 MHz oder von 498 kHz aus, das jeweils den Mischern 158 und 159 zugeführt wird, und zwar auf der Grundlage, welche jeweilige Frequenz für das gesendete EM-Signal verwendet wurde. Jeder der Mischer 158, 159 kombiniert das Signal von den Funkfrequenzverstärkern mit dem von der Oszillatorauswahllogik 198 erhaltenen Referenzsignal. Dies erzeugt die Summe und die Differenz der oben erwähnten Signale, von denen normalerweise die Differenzfrequenz (die IF-Frequenz) von Interesse ist. Der Ausgang der Mischer 158, 159 ist mit Amplitudenmessschaltungen 171 bzw. 172, und mit Zwischenfrequenz-(IF)-Schaltungen 174, 176 verbunden. Die IF-Schaltungen 174, 176 weisen vorzugsweise Verstärker und Bandpassfilter auf. Die Bandpassfilter sind auf 2 kHz eingestellt, um Rauschen und andere Seitenbänder von den vermischten Signalen zu entfernen.
Für den Fachmann versteht sich, dass die Amplitudendetektorschaltung 171 die Amplitude der empfangenen EM-Welle an dem Empfänger R₁ misst, während die Amplitudendetektorschaltung 172 die Amplitude der empfangenen EM-Welle an dem Empfänger R₂ misst. Unterdessen misst die Phasendetektorschaltung 165 vorzugsweise die Phasendifferenz zwischen der an den Empfängern R₁ und R₂ detektierten EM-Welle. Die Ausgangswerte des Amplitudendetektors 171, des Amplitudendetektors 172 und des Phasendetektors 165 werden wiederum dem Multiplexer 168 zugeführt. Der Multiplexer 168 bestimmt, welcher der Amplitudendetektoren 171, 172 oder des Phasendetektors 165 zu dem Analog-Digital-Wandler 167 gesendet wird. Wie sich für den Fachmann versteht wählt der Multiplexer 168 das zu sendende Signal auf der Basis der Signale von dem Mikroprozessor aus. Der durch den Multiplexer 168 ausgewählte Eingangskanal wird anschließend durch einen Analog-Digital-Wandler 167 vom Stand der Technik in einen digitalen Wert umgewandelt. Der digitale Wert von entweder dem Amplitudendetektor 171, dem Amplitudendetektor 172 oder von dem Phasendetektor 165 wird anschließend von dem Mikroprozessor 175 abgerufen. Dann berechnet der Mikroprozessor 175 die Dämpfung der von den beiden Empfängern empfangenen Signale unter Verwendung der obigen Formel (1). Diese Dämpfung und Phasenverschiebung kann anschließend von dem Mikroprozessor weiter verarbeitet werden, um die Drift in der Empfängerschaltung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu korrigieren.
In der bevorzugten Ausführungsform ist auch eine Schaltung zur Steuerung der Generierung von EM-Signalen durch den Kalibrierungssender T bereitgestellt. Diese Schaltung ist vorzugsweise in der Empfängerschaltung 195 beherbergt, obgleich sich für den Fachmann versteht, dass die Schaltung für den Kalibrierungssender auch mit der Schaltung für die anderen Sender angeordnet oder getrennt innerhalb des Messgeräts 100 zur Messung des spezifischen Widerstands beherbergt werden kann. Immer noch auf 8 Bezug nehmend beinhaltet die Kalibrierungssenderschaltung vorzugsweise eine Oszillatorauswahlschaltung 161 und einen Funkfrequenzverstärker 163. Die Oszillatorauswahlschaltung 161 ist zwecks der Generierung von Signalen mit einer oder mehreren Frequenzen mit einer oder mehreren geeigneten Taktquellen verkoppelt. Ebenfalls ist die Oszillatorauswahlschaltung 161 an den Mikroprozessor 175 gekoppelt, um ein Steuersignal aufzunehmen, das bestimmt, welches der Signale zu dem Kalibrierungssender T_c übermittelt wird. In der bevorzugten Ausführungsform wählt die Oszillatorauswahlschaltung 161 Frequenzen von 500 kHz und 2 MHz aus, obgleich auch andere Frequenzen verwendet werden könnten, wenn dies erwünscht ist. Weiterhin kann die Oszillatorauswahl auch mit einem geerdeten Signal verbunden werden, das ausgewählt wird, wenn keine Übertragung erwünscht wird. Der Ausgangsanschluss der Oszillatorauswahlschaltung 161 ist elektrisch mit einem Funkfrequenzverstärker 163 verbunden, der das gewählte Frequenzsignal auf eine geeignete Amplitude verstärkt. Anschließend wird das verstärkte Frequenzsignal in den Kalibrierungssender T_c eingespeist.
In der bevorzugten Ausführungsform wird das Messgerät 100 zur Messung des spezifischen Widerstands periodisch mit einem "Lufthängetest" getestet, bevor es in einem LWD-System verwendet wird. Dieser Test bestimmt den Grundlinien-Offset zwischen den Empfängern, wenn die Empfänger bei Raumtemperatur betrieben werden. Daher wird in dem Lufthängetest jeder der Sender aktiviert und anschließend werden die Signale von den beiden Empfängern empfangen. Danach wird das Verhältnis der Amplitude der empfangenen Signale von dem Mikroprozessor 175 berechnet, um den Dämpfungsoffset der Empfänger zu bestimmen. Wären die Empfänger perfekt kalibriert, würde dieser Test ein Dämpfungsverhältnis von 1,00 erzeugen (Amplitude = 20log₁₀(A) = 20log₁₀(I) = 0 dB). Jede Abweichung von 1,00 für diesen Lufthängetest wird anschließend in einem dem Mikroprozessor zugeordneten Speicher als die Grundliniendrift der Empfänger abgespeichert. Ähnlich dazu werden die Phasen der empfangenen Signale während des Lufthängetests verglichen und ebenfalls wird ein Grundlinienoffset für die Phasenverschiebung bestimmt und im Speicher basierend auf den Phasendifferenzen zwischen den detektierten Wellen abgespeichert.
Wenn das Messgerät 100 zur Messung des spezifischen Widerstands in dem Bohrloch verwendet wird, generiert der Mikroprozessor 175 periodisch ein Steuersignal für die Oszillatorauswahlschaltung 161, was dazu führt, dass der Kalibrierungssender T_c ein EM-Signal mit einer ausgewählten Frequenz aktiviert. Auf der Basis dieses EM-Signals wird eine Phasenverschiebung zwischen den Empfängern sowie ein Dämpfungsverhältnis bestimmt. Die von dem Kalibrierungssender T erhaltenen Phasenverschiebungs- und Dämpfungsverhältnisse werden anschließend als Werte der thermischen Drift benutzt und werden auf die Driftwerte des Lufthängetests angewendet, um einen Korrekturwert für die Dämpfung und Phasenverschiebung für jede der von den Sendern T₁, T₂, T₃, T₄ und T₅ verwendeten Frequenzen zu erhalten.
Gemäß der gängigen Praxis werden während Messintervallen die Sender T₁, T₂, T₃, T₄ und T₅ wechselweise aktiviert und die empfangenen Signale werden in der Empfängerschaltung verarbeitet und anschließend zu dem Mikroprozessor 175 gesendet. Auf der Basis der Amplitude und der von den beiden Empfängern detektierten Phasenverschiebung berechnet der Mikroprozessor eine Dämpfung und eine Phasenverschiebung für jeden Sender für sämtliche Frequenzwerte, während sich das Messgerät in dem Messintervall befindet. Die Amplitude für jede Senderfrequenz kann wie folgt definiert werden: Gemessene Dämpfung (dB) = Dämpfung der Formation (dB) – Lufthängeoffset (dB) – thermische Drift (dB)
Indem der von dem Lufthängeoffset verursachte Fehler und die von dem Kalibrierungssender T_c erhaltene thermische Drift entfernt werden, kann der Mikroprozessor 175 eine sehr genaue Messung der Dämpfung darstellen, die durch die Formation für jeden Sender und für jede Senderfrequenz verursacht wird.
Ähnlich dazu kann die Phasenverschiebung für jede Senderfrequenz wie folgt definiert werden: Gemessene Phasenverschiebung (Grad) = Phasenverschiebung der Formation – Lufthängeoffset – thermische Drift
Indem der von dem Lufthängeoffset verursachte Fehler und die von dem Kalibrierungssender T_c erhaltene thermische Drift entfernt werden, kann der Mikroprozessor 175 eine sehr genaue Messung der Phasenverschiebung darstellen, die durch die Formation für jeden Sender und für jede Senderfrequenz verursacht wird. Anschließend werden die Dämpfungs- und Phasenverschiebungswerte der Formation unter Verwendung von beim Stand der Technik wohlbekannten Techniken dazu verwendet, den spezifischen Widerstand der Formation zu bestimmen.
Wie oben erwähnt kann der Kalibrierungssender auch dazu verwendet werden, eine Messung des spezifischen Widerstands des Bohrschlamms R_m zu erstellen. Für die Kalibrierung wird die Phasendifferenz zwischen R₁ und R₂ gemessen und als der Wert der thermischen Drift aufgezeichnet. Als ein Messinstrument des spezifischen Widerstands des Schlamms wird die absolute Phase zwischen T_c und R₁ gemessen. Wie in 8 dargestellt erfolgt diese Messung dadurch, dass eine Referenzwellenform von dem Funkfrequenzverstärker 163 bereitgestellt wird, die ebenfalls zur Generierung des EM-Signals an dem Kalibrierungssender T_c benutzt wird. Wenn eine Messung des spezifischen Widerstands des Schlamms erwünscht ist, führt der Mikroprozessor der Empfängerauswahllogik 191 ein geeignetes Steuersignal zu. Das Steuersignal von dem Mikroprozessor 175 bewirkt es, dass die Referenzwellenform von der Oszillatorauswahlschaltung 161 und dem Funkfrequenzverstärker 163 von der Empfängerauswahllogik 191 ausgewählt wird. Anschließend läuft die Referenzwellenform zusammen mit der an dem Empfänger R₁ empfangenen Wellenform zu der Phasendetektorschaltung 165. Somit vergleicht der Phasendetektor 165 die an dem Empfänger R₁ empfangene Wellenform mit derjenigen Referenzwellenform, die durch die Empfängerauswahlschaltung 191 übertragen und durch sie hindurch geleitet wurde. Da der Abstand zwischen R₁ und T_c sehr kurz ist (vorzugsweise etwa 4 inch), wird eine sehr flache Untersuchungstiefe erhalten, die in den meisten Fällen als eine Messung des spezifischen Widerstands des Schlamms verwendet werden kann.
Nun auf die 9A und 9B Bezug nehmend beinhalten in der bevorzugten Ausführungsform die Sender und Empfänger eine Antenne, die Signale mit den erwünschten multiplen Frequenzen übertragen (oder empfangen) kann. Die Antennenentwürfe in den 9A und 9B verstehen sich als zwei alternative Beispiele von Antennenentwürfen, die zur Erzeugung dualer Frequenzen benutzt werden können. Zunächst auf 9A Bezug nehmend kann ein Entwurf mit einer einzelnen Antenne dazu verwendet werden, mit zwei verschiedenen Frequenzen wie z.B. 500 kHz und 2 MHz in Resonanz zu treten. Die Schaltung von 9A beinhaltet zwei zusammenpassende Schaltungen. Die Resonanz der ersten Schaltung wird durch die Werte von C5 und L5 bestimmt, während die Resonanz der zweiten Schaltung durch die Werte von C5, L5, CC5 und CC2 bestimmt wird. Daher kann zum Beispiel C5 und L5 ausgewählt werden, um bei 500 kHz in Resonanz zu treten. Bei Resonanz ist die Impedanz einer LC-Schaltung Null und erzeugt einen elektrischen Kurzschluss. Somit wird die Antenne bei 500 kHz durch die Auswahl von CC2 und CC5 in Resonanz versetzt, da C5 und L5 bei 500 kHz kurzgeschlossen werden. Bei 2 MHz wird die Antenne durch die Auswahl von C5, L5, CC5 und CC2 in Resonanz versetzt, wie sich für den Fachmann versteht. 10A ist ein Graph, der die Impedanz der Antenne von 9A für verschiedene Frequenzen darstellt.
Nun auf 9B Bezug nehmend kann der Antennenentwurf entweder mit einer einzelnen Antenne oder mit einer Zweifachantenne verwendet werden. Um die Antennen bei 2 MHz in Resonanz zu bringen, werden die Werte von C2 und L2 so ausgewählt, dass sie bei 2 MHz in Resonanz treten. Dies schließt die Antenne 2 kurz und L5, C5 und CC2 können anschließend so gewählt werden, dass die Antenne 1 bei 2 MHz in Resonanz kommt. Um die Antenne 2 bei 500 kHz in Resonanz treten zu lassen, werden die Werte von C5 und L5 so ausgewählt, dass sie bei 500 kHz in Resonanz tritt, wodurch die Antenne 1 kurzgeschlossen wird. Anschließend werden L2, C2 und CC5 so ausgewählt, dass die Antenne 2 bei 500 kHz in Resonanz kommt. 10B ist ein Graph, der die Impedanz der Antenne von 9B für verschiedene Frequenzen darstellt.
Es versteht, dass die oben beschriebene Erfindung im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifiziert werden kann.

Claims

Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands mit einer Sendergruppe, die eine Mehrzahl von Sendern aufweist, welche sequentiell elektromagnetische Signale in die Formation senden, einer Empfängergruppe, welche oberhalb oder unterhalb der Sendergruppe positioniert ist, wobei die Empfängergruppe zwei Empfänger aufweist, welche die gesendeten elektromagnetischen Signale detektieren und welche die Phasenverschiebung und Dämpfung für die Signale, die von den beiden Empfängern empfangen werden, darstellen, einem Kalibrierungssender, der zwischen den beiden Empfängern positioniert ist, wobei der Kalibrierungssender in der Lage ist, ein elektromagnetisches Signal zu produzieren, welches von der Empfängergruppe detektiert wird, sowie (a) einem Phasendetektor, der mit der Empfängergruppe gekoppelt ist, wobei der Phasendetektor Phasendifferenzen zwischen den Empfängern misst, welche einer thermischen Drift zugeordnet werden können, und/oder (b) einer Amplitudendetektorlogik, welche mit der Empfängergruppe gekoppelt ist und ein Ausgangssignal generiert, das die Amplitude des Signals, welches von jedem der beiden Empfänger empfangen wird, angibt, sowie einem Mikroprozessor, der mit der Amplitudendetektorlogik gekoppelt ist, um die Dämpfung zwischen den Signalen, die am ersten und zweiten Empfänger empfangen werden, zu bestimmen, wobei die Dämpfung einer thermischen Drift zuordenbar ist.
Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gemäß Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Sendern in der Sendergruppe dazu geeignet ist, elektromagnetische Signale bei zwei verschiedenen Frequenzen zu generieren.
Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gemäß Anspruch 2, wobei der Kalibrierungssender in der Lage ist, elektromagnetische Signale bei diesen zwei verschiedenen Frequenzen zu generieren.
Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Sendergruppe fünf Sender aufweist, die sich entlang einer Seite der Empfängergruppe erstrecken.
Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gemäß einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, wobei der Kalibrierungssender in der Lage ist, elektromagnetische Signale zu generieren, um den spezifischen Widerstand des Bohrschlamms um die Außenseite des Messgeräts herum zu messen.
Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sendergruppe einen ersten Multiplexer, welcher die Frequenz des elektromagnetischen Signals auswählt, und ferner optional einen zweiten Multiplexer aufweist, welcher den Sender auswählt, der das elektromagnetische Signal aussendet.
Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gemäß Anspruch 6, welches ferner, falls nicht bereits vorhanden, einen Mikroprozessor aufweist, der mit dem ersten und zweiten Multiplexer gekoppelt ist, wobei der Mikroprozessor ein Steuersignal an den ersten und zweiten Multiplexer ausgibt, um die Frequenz des elektromagnetischen Signals und den auszuwählenden Sender anzugeben.
Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Empfängergruppe einen ersten und einen zweiten Empfänger aufweist, die in einem Abstand von ungefähr 8 Zoll zueinander angeordnet sind, und wobei der Kalibrierungssender ungefähr 4 Zoll vom ersten und zweiten Empfänger entfernt positioniert ist und/oder wobei die Sender in der Sendergruppe gleiche Abstände zueinander aufweisen und/oder wobei die Sender in einem Abstand von ungefähr 8 Zoll zueinander angeordnet sind und die Empfänger in einem Abstand von ungefähr 8 Zoll zueinander angeordnet sind.
Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messgerät ferner einen Multiplexer aufweist, der die Frequenz des elektromagnetischen Signals, welches von dem Kalibrierungssender ausgesendet wird, auswählt und wobei dieser oder ein Mikroprozessor mit dem Multiplexer gekoppelt ist und dem Multiplexer ein Steuersignal zur Verfügung stellt, um die auszuwählende Frequenz anzuzeigen.
Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gemäß Anspruch 9, wobei die Empfängergruppe einen ersten und zweiten Empfänger und ferner eine Empfängerauswahllogik aufweist, welche mit dem zweiten Empfänger und dem Multiplexer gekoppelt ist, und wobei der Mikroprozessor mit der Empfängerauswahllogik verbunden ist, um entweder das Signal, welches von dem zweiten Empfänger detektiert wird, oder das Referenzfrequenzsignal von dem Multiplexer auszuwählen, je nachdem ob sich der Kalibrierungssender in einem Kalibrierungsmodus oder in einem Modus zur Messung des spezifischen Widerstands des Bohrschlamms befindet.
Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Sender und Empfänger eine Schleifenantenne und eine mit dieser verbundene Schaltung aufweist, welche dazu geeignet ist, bei zwei verschiedenen Frequenzen in Resonanz zu treten.
Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Phasendetektor ein Signal liefert, welches die Phasenverschiebung anzeigt, die der thermischen Drift zu dem Mikroprozessor zugeordnet werden kann.
Messgerät zur Messung des spezifischen Widerstands gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfängergruppe eine Dämpfungs- und eine Phasenverschiebungsmessung für jeden Sender liefert, und wobei der Mikroprozessor die Dämpfungs- und die Phasenverschiebungsmessung entsprechend dem Dämpfungs- und dem Phasenverschiebungswert, der der thermischen Drift zugeordnet werden kann, korrigiert.
Messgerät gemäß Anspruch 1, welches den spezifischen Widerstand einer Formation, durch die ein Bohrloch gebohrt wurde, misst, wobei der Kalibrierungssender in der Lage ist, in einem ersten Modus zu arbeiten, um die zwei Empfänger bezüglich der thermischen Drift zu kalibrieren, oder in einem zweiten Modus zu arbeiten, um den spezifischen Widerstand des Bohrschlamms im Bohrloch zu messen, und wobei das Messgerät weiterhin optional einen Frequenzgenerator, der mit dem Kalibrierungssender gekoppelt ist, wobei der Frequenzgenerator ein Signal produziert, welches der Kalibrierungssender aussendet, sowie eine Empfängerauswahllogik aufweist, die mit einem der beiden Empfänger und dem Frequenzgenerator gekoppelt ist, wobei die Empfängerauswahllogik in der Lage ist, ein Signal von entweder dem Empfänger oder dem Frequenzgenerator basierend auf einem Steuereingangssignal auszuwählen, und wobei der Mikroprozessor mit der Empfängerauswahllogik gekoppelt ist, und der Mikroprozessor das Steuersignal zur Auswahl des Signals von dem Empfänger generiert, wenn der Kalibrierungssender in einem Kalibrierungsmodus arbeiten soll, und der Mikroprozessor das Signal von dem Frequenzgenerator auswählt, wenn der Kalibrierungssender in einem Messmodus arbeiten soll.
Messgerät zum Messen während des Bohrens gemäß Anspruch 14, wobei der Kalibrierungssender in der Lage ist, ein elektromagnetisches Signal bei mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen auszusenden, um die Empfängergruppe zu kalibrieren und so die thermische Drift der Empfänger bei jeder der beiden Frequenzen zu korrigieren.
Messgerät zum Messen während des Bohrens gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei mindestens einer der Mehrzahl von Sendern in der Sendergruppe dazu geeignet ist, elektromagnetische Signale bei verschiedenen Frequenzen zu generieren und die Empfänger in der Lage sind, Signale bei den verschiedenen Frequenzen zu detektieren.
Messgerät zum Messen während des Bohrens gemäß Anspruch 14, 15 oder 16, wobei der Kalibrierungssender auch in der Lage ist, elektromagnetische Signale bei den verschiedenen Frequenzen zu generieren.
Messgerät zum Messen während des Bohrens gemäß Anspruch 17, wobei die Frequenzen ungefähr 500 kHz und 2 MHz beinhalten und der Kalibrierungssender bei 2 MHz aussendet, wenn er in einem Messmodus arbeitet.
Messgerät zum Messen während des Bohrens gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die Sendergruppe fünf Sender beinhaltet, die sich auf einer Seite der Sendergruppe erstrecken und wobei jeder dieser Sender in der Lage ist, ein elektromagnetisches Signal bei zwei unterschiedlichen Frequenzen auszusenden.
Messgerät zum Messen während des Bohrens gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die Sendergruppe einen ersten Multiplexer, der die Frequenz des elektromagnetischen Signals auswählt, einen zweiten Multiplexer aufweist, der den Sender, der das elektromagnetische Signal aussendet, auswählt, wobei der Mikroprozessor mit dem ersten und zweiten Multiplexer gekoppelt ist und der Mikroprozessor ein Steuersignal an den ersten und zweiten Multiplexer ausgibt, um die Frequenz des elektromagnetischen Signals und den auszuwählenden Sender anzugeben.
Messgerät zum Messen während des Bohrens gemäß einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei die zwei Empfänger in einem Abstand von ungefähr 8 Zoll zueinander angeordnet sind und der Kalibrierungssender ungefähr in der Mitte zwischen den beiden Empfängern angebracht ist und/oder die Sender in der Sendergruppe in gleichem Abstand angeordnet sind.