Induktive elektrische Messverfahren

Induktionslog (induction log), aktives Messverfahren

Induktive Einspeisung und Messung von elektromagnetischen Feldern mit Spulen, Induktive Messung der Gesteinsleitfähigkeit in mS/cm.

Widerstandsmessung: Galvanische Einspeisung und Messung elektrischer Felder mit Edelstahlelektroden.

Anwendung Bohrungen mit elektrisch nichtleitender Spülung: Trockene Bohrungen, Bohrungen mit Ölspülung, Bohrungen mit nichtleitendem Ausbau (Plastikliner).

σ

Grundprinzip des Induktionslog (EM - 38)

Sendespule S Wechselstrom in der Sendespule ,

Einspeisung eines elektromagnetisches Primärfeld im Frequenzbereich von 20 kHz in die Formation,

Induktion eines „Ringstrom“ in der elektrisch leitenden Formation und Ausbildung eines magnetischen Sekundärfeldes ,

Überlagerung zum resultierenden elektromagnetischen Wechselfeld

Empfangsspule E Messung des resultierenden elektromagnetischen Feldes, Stromfluss in

der Empfangsspule

f ≈

( )PI t

( )PH t

( ) ( ) ( ),R P SH t H t H t= +

( )SI t( )SH t

( ) ( )P SH t t>> Η

( ) ( )R RH t I t→

L

IP

σ1 > σ0

σ0

HR = HP + HS

InduktionRingstrom

Bohrloch Formation

IS

Logσa in mS/cmRa in ohmm

z

σ0 R0

Zweispulen-Induktionslogsonde

IR

E

HP

S

Ausbau

L - Spacing (Abstand S - E) Laterale Wirkungstiefe

Das elektromagnetische Sekundärfeld enthält Informationen über

die Induktionsverhältnisse, die spezifische Leitfähigkeit bzw. dem spezifischen Widerstand

Nichtleitfähige Formation: keine Induktionsströme in der Formation

Leitfähige Formation: Induktionsströme und elektromagnetisches Sekundärfeld,

Komplexe elektrische Leitfähigkeit.

SH

0 0,SIσ = → =

0S R PH H H= → =

0σ > →

1/R σ=σ

Bestimmung der in-phase Komponente: Realteil Re ( ), Induktionsverhältnisse, Bestimmung der Quadrature-Komponente: Imaginärteil Im ( ),

ohmscher Ladungsträgertransport, scheinbare spezifische Leitfähigkeit:

- magnetische Permeabilität des Vakuums (magnetische Feldkonstante), L - Abstand Sende- und Empfangsspule, f - Frequenz.

/S PH H

20

4Im( / )

2a S PH H

f Lσ

π µ=

0µ

Komplexe elektrische Leitfähigkeit

/S PH H

Korrekturen

Bohrloch-Kaliberkorrektur, Skinneffekt-Korrektur bei gutleitenden Schichten mit spezifischen

Leitfähigkeiten

Dämpfung des Messsignals durch starke magnetische Wechselfelder mit anderer Phasenlage bei starken Induktionsringströmen.

1S/m; 1 mRσ > < Ω⋅

AIT (Schlumberger) Array Induction Imager Tool

AT10" = 25,4cm

AT20"

AT30"

AT60"

AT90" = 228.6cm E5

2 FrequenzenL1

rdi

E4

E3

E2

E1

S

RX0 Rt

InfitrationRX0 < Rt

Radiale Wirkungstiefe abhängig von:

Abstand Sender-Empfängerspule L (Spacing), Spezifische Leitfähigkeit von Spülung, Infiltrationszone und Formation.

Mittlere radiale Wirkungstiefe (median depth of investigation): 50% - Punkt des integralen pseudogeometrischen Faktors G(r)

(integrated radial response function).

Bohrloch mit Infiltration

- scheinbare spezifische Leitfähigkeit, - spezifische Leitfähigkeit der infiltrierten Zone, - spezifische Leitfähigkeit der Formation, - integraler, geometrischer der infiltrierten Zone, - Tiefe der Infiltrationszone.

0( ) 1 ( )a i X i tG d G dσ σ σ= + −

aσ

id( )iG d

Beispiel:

A: Tiefe Infiltration, gutleitende Spülung, schlechtleitende Formation

= 40“ = 1m; = 0.5 mS/cm, = 20 ohmm,

= 0.005 mS/cm, = 2000 ohmm.

B: Flache Infiltration, schlechtleitende Spülung und Formation

= 15“ = 0.38m; = 0.01 mS/cm, = 1000 ohmm,

= 0.005 mS/cm, = 2000 ohmm.

id

tσ

0XR

tR

tσ

0Xσ

0Xσ

tσ

id 0Xσ 0XR

tR

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100r in inch

10

100

1000

10000R

a in

oh

mm

AT90"

Inversion: 3 - Parametermodell

Rt

di

RX0

gutleitende Spülungtiefe Infiltration

Ölspülungflache Infiltration

Variation von di ; RX0 ; Rt

RX0 meist bekannt

Berechnung von Modellkurven Ra (Modell) = f (r)

Messkurven Ra = f (r)

Optimale Übereinstimmung Ra ≅ Ra(Modell)

AT10"

A

B

Vergleich Mess- und Modellkurven

Modell Infiltrationszone Kennwerte di ; RX0 Rt = f (Φ ; SW)

Zusammenfassung Widerstands- und Induktionsverfahren

Faktoren zur Auswahl von Methoden im Rahmen eines Bohrlochmessprogramms Bohrloch: Spülung, Ausbau,

Geologische Situation, Lithologie: Elektrische Eigenschaften der durchteuften Formationen, Infiltrationsverhältnisse, Schichtmächtigkeiten und vertikales Auflösungsvermögen, Einfluss der

hangend- und liegend Schichten (sholder bed),

Aufgabenstellung Qualitative Aussagen: Lithologie (Schichtgrenzen), Quantitative Aussagen: Kennwerte (Porosität, Sättigung),

Verfügbarkeit der Sonden und Kostenrahmen.

Induktionslog (induktive Ankopplung mit Spulen)

Nichtleitender Bohrlochinhalt Ölspülung, Messung oberhalb Grundwasserspiegel, Plastikverrohrung,

Gutleitendes Gebirge.

Widerstandslog (galvanische Ankopplung mit Elektroden)

Gutleitende Spülung Wasser- und Tonspülung,

Schlechtleitendes Gebirge Kalkstein (Laterolog).

Qualitative Aussagen

Lithologische Gliederung mit konventionellen Vierelektroden- Anordnungen (Potential- und Gradientsonden) bzw. Laterolog- Sonden im Sedimentbereich, Detektion klüftiger Bereiche bzw. kleiner Strukturelemente mit

Mikrowiderstandsmessungen und Scannerverfahren.

Quantitative Aussagen

Widerstands- bzw. Induktionslogsonden mit unterschiedlicher radialer Charakteristik G(r), Permeable infiltrierte Bereiche Untersuchung des bohrlochnahen Bereiches (Filterkuchen,

Infiltrationszone), Ermittlung des wahren Formationswiderstandes.

Aktuelle Entwicklung

Kombination von elektrischen und elektromagnetischen Verfahren mit einer gemeinsamen Auswertung der Messdaten,

Joint inversion - Gemeinsame Inversion von Widerstands- und induktiven Verfahren mit variablen Charakteristiken, Wahres Widerstandsmodell mit hoher vertikaler und radialer

Auflösung.