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Elektrische Widerstandsmessungen
Messverfahren: aktive, elektrische Messungen in Bohrungen,
Physikalisches Prinzip: Messung des OHMschen Übergangswiderstandes bzw. des scheinbaren (apparent) spezifischen Widerstandes ,
Maßeinheit:
Quelle: Galvanische Einspeisung eines niederfrequenten Wechselstromes I (mA) mittels Elektroden (A, B),
Empfänger: Spannungsmessung (mV) mittels Elektroden (M, N),
Einsatzbedingungen: offene Bohrung, elektrisch leitender Bohrlochinhalt (Spülung),
Korrekturen: Bohrlochkorrektur (Kaliber), geringe Schichtmächtigkeiten,
Interpretation: Lithologie, Kluftbereiche, Porositäts- und Sättigungsbestimmung.
ÜRaR
, mΩ Ω ⋅
U∆
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A
B
B
Zweielektroden-Messungsingle-point-resistivity SPRRÜ = dU/I in OhmÜbergangswiderstandan der SPR(A)-Elektrode
Elektrische Widerstandsmessungen in Bohrungen
Isolie
rung
A
B
MN
Vierelektroden-Messungz. B. GradientsondeRa = (dU/I)k in ohmmscheinbarer spez. Widerstand
A0
B
MN
A1'
A1
Fokussierte MessungLaterologRa = (dU/I)k' in ohmmscheinbarer spez. Widerstand
A
B
M
N
MikromessungenMicrologRa = (dU/I)k'' in ohmmscheinbarer spez. Widerstand
k - Geometrie(Sonden)faktor
B B B
Spülung
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4 – Elektrodenanordnungen
Geber: A,B - Stromelektroden, niederfrequenter Wechselstrom I (mA),
Empfänger: M,N - Spannungselektroden, Spannungsdifferenz (mV),
- spezifischer elektrischer Widerstand des homogenen Vollraumes (t – true = „wahr“),
- Elektrodenabstände,
k - Sondenfaktor (Geometriefaktor).
4
1 1 1 1MN MN
tAB AB
U UR k
I IAM AN BM BN
π∆ ∆= =
− − +
( m)tR Ω⋅
, , ,AM AN BM BN
U∆
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Bohrloch
Messung des spezifischen elektrischen Widerstandes in inhomogener Umgebung (Bohrloch, Schichtgrenzen, Infiltrationszone).
Die spezifischen Widerstände der Teilbereiche gehen in Abhängigkeit von der Elektrodengeometrie gewichtet in das Messergebnis ein.
Inhomogenes Medium: scheinbarer spezifischer Widerstand (apparent specific resistivity).
t aR R→
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, , , , , , , , , ,...,
, , ,
m mc xo j t mc i ja a
hang lieg
R R R R R d d d d hR R
R R Sondengeometrie Elektrodenabstände
=
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Ziel der Messwertbearbeitung
Bestimmung des wahren Formationswiderstandes aus :
Lösung der direkten Aufgabe: Analytische Verfahren für einfache, zylindersymmetrische Fälle, Abweichungs- oder Korrekturdiagramme (departure curves) für bestimmte Elektroden-Anordnungen,
Lösung der inversen Aufgabe (iterative Algorithmen):
( , )t WR f S= Φ aR
Numerische Methoden (FD, FE) zur Modellierung der Widerstandsverteilung aus Messwerten von Sonden mit unterschiedlicher geometrischer Charakteristik (seitliche Bohrlochsondierung) für komplizierte lithologische Verhältnisse (endliche Schichtmächtigkeiten, variable Infiltration).
Oder: Entwicklung neuer Messmethoden, Fokussierende elektrische Widerstandsmessungen.
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4 - Elektroden-Widerstandsmessung
N1
B
A
M
N
blankesKabel
0LA
M
N0
L
Potentialsonde Normale
Gradientsonden Inverse
Oberkante (OK) Unterkante (UK)
0 - SondenbezugspunktL - Spacing (radiale Auflösung)
AM < MN MN < AMGeometriebedingung
Sondenfaktork = 4π AM k = 4π AM*AN/MN
B
A
M
N0
L
B
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Potential- und Gradientsonde
Praktikum Bohrlochmessung mit der elektrischen Sonde ELGG, Robertson Geologging, Simulation von elektrischen Bohrlochmessungen am Modelltrog.
Potentialsonde
Elektrodenanordnungen
Kleine Normale: L = AM = 0.25 m; ELGG: SHNO – short normal, L = 16“ = 0.4 m. Große Normale: L = AM = 1.0 m; ELGG: LONO – long normal, L = 64“ = 1.6 m,
Laterale Wirkungstiefe = f (R, L).
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Potentialsonde Verhalten an Schichtgrenzen und Einfluss der Schichtmächtigkeit h auf die Kurvenbilder:
Symmetrische Kurven für Schichtmächtigkeiten , Schichtgrenzenbestimmung hochohmige Schichten: Schichtgrenzen liegen um außerhalb
der Wendepunkte, gutleitende Schichten: Schichtgrenzen innerhalb der
Wendepunkte.
Verfälschte Widerstandswerte für , Umkehr des Widerstandsbildes für .
5h L>
/ 2L+
/ 2L−
5h L<
h L<
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Gradientsonden
Elektrodenanordnungen Oberkante OK = Unterkante UK: A 2.5 m M 0.5 m N, L = 2.75 m,
Verhalten an Schichtgrenzen und Einfluss der Schichtmächtigkeit h auf die Kurvenbilder:
Asymmetrische Kurven, maximale Indikation an der Oberkante bzw. Unterkante einer Schicht,
Wendepunkte markieren direkt die Schichtgrenzen.
Kombination beider Gradientsonden ermöglicht die Bestimmung der Schichtmächtigkeit h,
Geringmächtige Schichten : geringere Verfälschung von
gegenüber durch liegend und hangend Schichten als bei der Potentialsonde,
Keine Widerstandsumkehr.
tRaR5h L<
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OK
UK
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Abweichdiagramme (departure curves, Modellkurven)
Bestimmung des wahren Formationswiderstandesaus dem gemessenen scheinbaren spezifischen Widerstand für eine bestimmte Elektroden-Anordnung (Potential- bzw. Gradientsonde). x – Achse: geometrische Größen y – Achse: elektrische Größen Kurvenparameter: Formations- / Spülungswiderstand
Einfacher Fall: unendliche Schichtmächtigkeit , keine Infiltration, Zylindersymmetrie.Anwendung
Korrektur von Spülungs- und Kalibereinfluß, Bestimmung von aus für verschiedene Spacings L (kleine und große Normale), Bewertung der Infiltrationsverhältnisse.
aRtR
/L d/a mR R
5h L≥
/t mR R
tR ( )aR f L=
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Bohrung FG-3
z = 37.0 md = 3.14“ = 0.08 mL = 64“ = 1.63 mRa(LONO) = 4372 ohmmRm = 36.3 ohmmL / d = 20.4Ra(LONO) / Rm = 120.5Rt / Rm = 90Rt = 3267 ohmm
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0 2000 4000 6000 8000Ra in ohmm
48
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
z in
m
SHNO
LONO
Bohrung FG-3Lithologie, Kennwert KL? SHNO > LONO
z = 37.0 md = 3.14“ = 0.08 mL = 64“ = 1.63 mRa(LONO) = 4372 ohmmRm = 36.3 ohmmL / d = 20.4Ra(LONO) / Rm = 120.5Rt / Rm = 90Rt = 3267 ohmmRw = 13.5 ohmKL(LONO) = 1.5 %KL(Rt) = 1.1%
h = 7 mh / L = 4.5
L/2 = 0.8m
WP?
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Fokussierende elektrische Widerstandsmessungen
Probleme bei 4 – Elektrodenanordnungen (Potential- und Gradientsonde)
Verfälschung der Messkurven bei geringmächtigen Schichten, Unsicherheit bei Festlegung von Schichtgrenzen (Potentialsonde), Starke Beeinflussung durch das Bohrloch (Kaliber, Spülung, Infiltration) und Liegend- bzw. Hangendschichten.
Fokussierende Messanordnungen durch zusätzliche Steuerströme wird der Messstrom seitlich (lateral) in Form einer „Stromplatte“ in die Formation gezwungen (Laterolog).
Vorteile
Höhere vertikale Schichtauflösung; Lithologie, Messwert entspricht näherungsweise dem wahren
Schichtwiderstand , Rückschluss auf Gesteinskennwerte .,a LLR
, ,W TS VΦtR
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7 – Elektroden Laterolog
Messstrom , Steuerströme , phasengleich zu , Regelung der Steuerströme, Fokussierbedingung: Stromplatte mit .
Laterolog – 3 (FEL – Fokussiertes Elektrolog, Guardlog)
Stabförmige Steuerelektroden , Staboberflächen U = const (Äquipotentialfläche), kein Stromfluss
entlang der Bohrlochachse, Regelung der Steuerströme, Fokussierbedingung: Stromplatte mit .
Dual – Laterolog (1 Sonde; Schlumberger)
tief eindringendes Strombündel: Laterolog deep (LLd ), flach eindringendes Strombündel: Laterolog shallow (LLs), laterale Widerstandsänderungen (Infiltration).
0A0I
1 2,A A1 2;I I 0I
1 1 2 ´2;M M M MU U U U= =
0I
1 2,A A
0 1 2( ) ( ) ( )U A U A U A= =
0I
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Geometriefaktor (Pseudogeometrischer Faktor)
Fokussierte Stromplatte: infiltrierter + nichtinfiltrierter radialer Bereich Reihenschaltung unter Beachtung des pseudogeometrischen Faktor:
, 0( ) 1 ( )a LL i X i tR J d R J d R= + −
- Integraler pseudogeometrischer Faktor der infiltrierten Zone = Beitrag des von der Infiltrationstiefe abhängigen Widerstandes am Gesamtwiderstand, - Beitrag der nichtinfiltrierten Formation,
große Eindringtiefe: klein, kleine Eindringtiefe: groß.
( )iJ d
1 ( )iJ d−
( )iJ d
id
A0
A2
A1
infiltrierteZone RX0
nichtinfiltrierteZone Rt
di
J (di ) 1- J (di )
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Mikrowiderstandsmessungen
Mechanischer Andruck einer Platte (Pad, Schuh) mit montierten Elektroden an die Bohrlochwand, direkter Kontakt der Elektroden mit dem Gebirge bzw. dem Filterkuchen.
Ungünstige Bedingungen: raue Bohrlochwand, Ausbrüche. Elektrodenabstände im cm – Bereich: Sehr hohes vertikales Auflösungsvermögen: 2 ... 5cm, Sehr geringe radiale Wirkungstiefe: 3 ... 5cm.
Infiltration: Messwert wird wesentlich vom Widerstand des Filterkuchens und der infiltrierten Zone bestimmt.
mcR
0XR
Anwendungen Lokalisierung und Charakterisierung permeabler, infiltrierter Schichten, Lokalisierung und Charakterisierung geringmächtiger Strukturen (Kluftzonen, Einzelklüfte).
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Mikrowiderstandsanordnungen
Klassisches Mikrolog: Mikronormale + Mikroinverse Unterschiedliche radiale Charakteristik, Radiale Wirkungstiefe: Mikronormale > Mikroinverse, In permeablen infiltrierten Schichten: Separation („Auseinanderlaufen“) der Messkurven, In impermeablen Schichten näherungsweise gleicher Widerstand. Fokussierende Mikrosysteme mit unterschiedlicher radialer
Wirkungstiefe bis maximal 10 cm MSFL – Microspherically Focused Log, PL – Proximity Log, MLL – Microlaterolog.
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A0
A1
M0
B0, N0, B1
Steuerelektroden
A
MN
B; N
M
guard electrode
A0
A1
MN
B0, B1
A0
Bohrloch
Pad
Microlog ML
A1
B0, B1
Elektrodenpads (schematisch)
Microlaterolog MLL
Micro SFL
Proximity
control electrode
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Mikrowiderstandsmessungen Besondere Anwendungen
Elektrische Schichtneigungsmessungen, Diplog DIP, Elektrische Bohrlochwand-Scannerverfahren.
Elektrische Schichtneigungsmessungen
Lokalisierung von Schichtgrenzen, Kluftzonen und kleinräumigen Strukturelementen in ihrer räumlichen Lage (Neigung und Richtung) mit hoher vertikaler Auflösung.
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Dipsonde
3, 4 bis 8 angedrückte, azimutal versetzte Pads: 90° bei 4 Systemen,
Pad
Mikrowiderstandsanordnungen mit kleinen Elektrodenabständen und geringer radialer Eindringtiefe:
Mikropotentialsonde (Mikronormale): A 5cm M, Mikrogradientsonde (Mikroinverse): A 3.5cm M 1.5cm N,
Fokussierende Mikrologs:
01 20 0A B ( )A , µA, A AI→ →
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Messeinrichtungen zur Bestimmung von Neigung und Azimut der Bohrung bzw. zur Orientierung der Sonde (Azimut gegen magn. N),
Kalibermessung: Spreizung der Andruckarme mit den Elektrodenpads,
Vertikale Abtastung (sampling rate): ∆z < 5 mm,
Vertikales Bohrloch und horizontale Schichtung:
Widerstandsindikationen liegen exakt in der gleichen Tiefe für alle Spuren (Pads), sonst versetzt.
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BN Pad 1
CUR1Pad 2CUR2
Pad 3CUR3
1 3
3-Arm-Diplogmesskurven horizontale und geneigte Schichtgrenzevertikales Bohrloch
A
MN
A0
120°1
2
3
Ra , RÜ
z
OrientierunssystemReferenz: Pad 1
A2
A1 M
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Auswertung von Dip-Messungen (software)
Bestimmung der Tiefenverschiebung von Widerstandsindikationen in den Messkurven, Anwendung der Kreuzkorrelationsfunktion KKF auf die Messkurven
CUR 1, CUR 2, CUR 3. Parameter:
Tiefenfensters ∆Z (window size) zur Berechnung der KKF,
Schrittweite ∆Z (s) (step size) im Bohrlochverlauf, Überlappung der Tiefenfenster,
Festlegung des Suchwinkels m (search angle).
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n – Anzahl der Verschiebungsschritte im Tiefenfenster ∆Z, m – Anzahl der Berechnungsschritte für maximaler Verschiebungsbetrag, search angle.
τ
1
1 21
( ) ( ) ( )n m
ix i x iτ τ
+ −
=∑Ψ = ⋅ +
Berechnung der KKF zwischen CUR 1/ CUR 2; CUR 1 / CUR 3; CUR 2 / CUR 3 im Tiefenfensters ∆Z bei schrittweiser Verschiebung der Messkurven um den Verschiebungsbetrag (vertikaler Punktabstand).
Numerische Berechnung der KKF:
zτ = ∆
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0 2 4 6 8 10R in ohmm
13.5
13
12.5
12
11.5
11
10.5
10
9.5
9z
in m
Pad x1
Pad x2
0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5τ dz (m)
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Φ
(τ)
τ = 0
dz = 10cm
τ = dz
Amplitude: sicher; unsicher
Kreuzkorrelationsfunktion KKF: Φ (τ)
τ = 2 dz τ = 3 dz τ = 4 dz τ = 5 dz
dZ = 200cm
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Maxima der KKF = CORR = optimale Verschiebungsbeträge (CUR 1, CUR 2), , ,
Messung der azimutalen Orientierung von CUR 1 (Azimut von Pad 1), Raumorientierung der 3 Verschiebungspunkte + mittleres Bohrlochkaliber
= scheinbares Schichteinfallen (Einfallswinkel und -richtung),
Scheinbares Schichteinfallen (apparent dip) in Bezug auf das Koordinatensystem der Bohrung,
Mit Bohrlochneigung und -azimut, Koordinatentransformation: wahres Schichteinfallen (true dip),
Wiederholung des Auswerteprozesses im nächsten Tiefenfensters mit der Verschiebung .
12h13h 23h
d
( )Z s∆Z∆
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Wahl der Bearbeitungsparameter
Window size: Tiefenfenster, Auflösung (Feinheit)
Übersichtsbearbeitung: = 2 m, Detailbearbeitung: = 1 m.
Step size: Überlappung der Tiefenfenster ( )
zu klein: Indikationen werden mehrfach erfasst, mathematical dips, zu groß: „übersehen“ von Indikationen.
Search angle: Anpassung des Suchwinkels an die erwarteten Schichtneigungen.
Z∆Z∆
( ) / 2Z s Z∆ ≈ ∆
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15
14.5
14
13.5
13
12.5
12
11.5
11
10.5
10
9.5
9
z in
m
0 2 4 6 8 10
R (x1) in ohmm
0 2 4 6 8 10
R (x2) in ohmm
Tadpole - Darstellungvertikales Bohrloch, Bezugselektrode x1, Kaliber d = 25cm = const.
tan ϕ = h12 / d
ϕ1 = 50,2°
ϕ2 = 38.7°
0 30 60 90
Tadpoleϕ in °
Tadpole
h12 = 30cm
h12 = 20cm
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Window size: 1.0m, Step size : 0.5m, Search angle: 60°, Max. KKF: CORR > 45%, sicher
Tadpole = schwarz CORR < 35%, unsicher
Tadpole = weiß
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Elektrische Bohrlochwand – Scannerverfahren
Weiterentwicklung des Diplogs
Formation MicroScanner (FMS), Formation MicroImager (FMI), Electrical Micro Imaging tool (EMI).
Messgröße: Ohmscher Übergangswiderstand an jeder Einzelelektrode, Zweielektrodenanordnung:
Qualitatives Abbild zu den elektrischen Eigenschaften der Bohrlochwand
0 ,; ( )consti Ü i
i
UA B R
I
∆→ = Ω
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Aufbau 4 und mehr Elektrodenträger (Pads), Hydraulischer Andruck an die Bohrlochwand (Kaliber), Auf den Pads: große Anzahl von gegenseitig versetzten Einzelelektroden
(buttons, n = 27) montiert, Unterschied zum Diplog, Streifenabtastung (Scanning) der Bohrlochwand, Farbimage.
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Isolator
Return-elektrode B
6 azimutale Pads
Stromfluß IdU = const.
Pad
Buttons
Fokussier-elektrode(guard)
Meßstrom
Fokussier-strom
FormationleitendeSpülung
Filter-kuchen
guard-Elektrode = MetallgehäuseUbutton = Uguard kein Stromfluss zwischen den Elektroden
Pad
Infiltrations- zone
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Messwertdarstellung
Kurvendarstellung; Spur, Farbcodierung; Image: Maxima gelb: kompakte Bereiche, Sande, Minima braun: Kluftbereiche, Tone, Schluffe,
Räumliche Zuordnung der MessdatenOrientierungssystem: Neigung und Richtung der Bohrung,
Azimut des Referenzpads,
Kalibermessung.
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Beispiel: 6 – Arm EMI (Haliburton),25 buttons pro pad; Button-Durchmesser = 0.16“ = 4 mm.
Geringmächtige, horizontale Sand-Schluff-Sedimentationssequenz.
30 cm
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Bohrlochachse
Inklinations-vektor
I A
0°N
I - Inklination (Einfallen)A - Azimut (Richtung)
I
270°
0°(N)
90°(E)
180°
I
0 60 120 180 240 300 360
z
0 60 120 180 240 300 360
z
"aufgerolltes"Bohrlochimage
Horizontale und einfallende Schichtenvertikales Bohrloch
0 60 120 180 240 300 360
z
N E
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Hydraulisch induzierte Risse, akustischer und elektrischer Bohrlochscanner.
Abplatzung
Ebene, einfallende Schichtung