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∆

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

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∆

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→

, , , , , , , , , ,...,

, , ,

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

=

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.

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

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).

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<

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<

OK

UK

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=

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

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?

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

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

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 )

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).

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.

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

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.

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→ →

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.

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

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).

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 = ∆

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

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∆

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∆ ≈ ∆

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

Window size: 1.0m, Step size : 0.5m, Search angle: 60°, Max. KKF: CORR > 45%, sicher

Tadpole = schwarz CORR < 35%, unsicher

Tadpole = weiß

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

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.

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

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.

Beispiel: 6 – Arm EMI (Haliburton),25 buttons pro pad; Button-Durchmesser = 0.16“ = 4 mm.

Geringmächtige, horizontale Sand-Schluff-Sedimentationssequenz.

30 cm

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

Hydraulisch induzierte Risse, akustischer und elektrischer Bohrlochscanner.

Abplatzung

Ebene, einfallende Schichtung