DE10306035A1

DE10306035A1 - Verfahren und Vorrichtung für einen Kernresonanzsensor mit einem Ringspaltresonator

Info

Publication number: DE10306035A1
Application number: DE10306035A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kruspe; Martin Blanz; Peter Rottengatter
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2003-10-30
Also published as: US6984980B2; CA2418771C; CA2418771A1; FR2837236A1; US20030151408A1; GB0303496D0; GB2390165B; GB2390165A

Abstract

Ein Ringspaltresonator stellt einen Erregungsimpuls in einer Kernmagnetresonanz-(NMR)-Vorrichtung in einem Bohrloch bereit, um einen interessierenden Parameter in einer an das Bohrloch angrenzenden Formation zu bestimmen. Der Ringspaltresonator ist so aufgebaut, dass er eine oder mehrere kapazitive Spalten hat, die in einem nicht magnetischen leitenden Ring ausgebildet sind. Der Ringspaltresonator kann im Bohrloch in einer während des Bohrens messenden MWD-Ausgestaltung oder in einer Drahtseilausgestaltung eingesetzt werden. Die MWD-Ausgestaltung kann eine nicht drehende Hülse nutzen, die bezüglich der Drehbewegung dem Bohrrohrstrang zugeordnet ist.

Description

Querreferenz zu verwandten Anmeldungen

Die folgende Anmeldung ist eine teilweise Fortsetzungsanmeldung der US-Anmeldung 60/356,695 mit dem Titel "Verfahren und Vorrichtung für einen NMR-Sensor mit einem Ringspaltresonator" von Kruspe et al., eingereicht am 14. Februar 2002, deren Priorität beansprucht wird und die hier in ihrer Gänze als Bezug eingeschlossen sein soll. Diese Anmeldung bezieht sich auf das US-Patent 6,163,153 von Reiderman et al. mit dem Titel "Kernmagnetische Resonanzimpulssequenz für ein Optimierungsgerät für den elektrischen Leistungseinsatz", das hier als Referenz in seiner Gesamtheit eingeschlossen wird.

Hintergrund der Erfindung

Bereich der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine NMR-Vorrichtung (NMR = Nuclear Magnetic Resonance = Kernmagnetische Resonanz bzw. Kernspin- oder Kernresonanz), die einen Ringspaltresonator- Sensor für eine Hochfrequenzerzeugung und den Empfang von NMR-Signalen in einer interessierenden Zone in einer Kohlenwasserstoff tragenden Formation angrenzend an ein Bohrloch während einer Messung während des Bohrens (MWD) oder während Drahtseiloperationen im Bohrloch beinhaltet.

Beschreibung des Standes der Technik

Zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen, wie Öl und Gas, wird eine Bohranordnung (auf die auch als "Bohrlochsohlenanordnung" oder "BHA" Bezug genommen wird), die sohlenseitig einen Bohrkopf trägt, in den Bohrschacht oder in das Bohrloch eingebracht. Die Bohranordnung wird gewöhnlich in das Bohrloch durch ein abgewinkeltes Steigrohr oder ein Gestängerohr befördert. Im Falle des abgewinkelten Steigrohrs wird der Bohrkopf von einem Bohrmo- tor oder "Schlammmotor" in Drehung versetzt, der die Drehkraft bereitstellt, wenn ein Bohrfluid von der Oberfläche in das abgewickelte Steigrohr gepumpt wird. Im Falle des Bohrgestänges wird dieses von einer an der Oberfläche befindlichen Kraftquelle (gewöhnlich ein Elektromotor) in Drehung versetzt, die das Gestängerohr und somit den Bohrkopf dreht.
Bohrlochsohlenanordnungen ("BHA") haben gewöhnlich mehrere Formationsbewertungssensoren zur Bestimmung verschiedener Parameter der die BHA umgebenden Formation während des Bohrens des Bohrlochs. Auf solche Sensoren wird gewöhnlich als während des Bohrens messende ("MWD"-)Sensoren Bezug genommen. Sensoren werden auch eingesetzt, nachdem das Bohren des Bohrlochs abgeschlossen worden ist. Solche Operationen werden von einer Sensorvorrichtung ausgeführt, die nach unten ins Bohrloch über ein Drahtseil hängt.
Solche Sensoren, entweder MWD- oder Drahtseilsensoren, haben bisher die elektromagnetische Ausbreitung nutzende Sensoren zum Messen des spezifischen Widerstands, der Dielektrizitätskonstanten, der Wassersättigung der Formation, Kernresonanzsensoren zur Bestimmung der Porosität der Formation und akustische Sensoren zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und der Porosität der Formation verwendet. Zu anderen im Bohrloch eingesetzten Sensoren, die verwendet wurden, gehören Sensoren zur Bestimmung der Dichte und der Durchlässigkeit der Formation. Zu den Bohrlochanordnungen gehören auch Vorrichtungen zur Bestimmung der BHA-Neigung und des BHA-Azimuts sowie Drucksensoren, Temperatursensoren, Gammastrahleneinrichtungen und Einrichtungen, die die Ausrichtung des Bohrkopfs in eine spezielle Richtung und zur Änderung der Bohrrichtung unterstützen. Zur Bestimmung von Schichtgrenzen um den Bohrkopf herum und in manchen Fällen vor dem Bohrkopf wurden Einrichtungen vorgeschlagen, die auf akustischer Basis und auf der Basis des spezifischen Widerstands wirken. Neuerdings haben Kernresonanz-("NMR"-)Sensoren als MWD-Sensoren sowie als Drahtseilsensoren große Bedeutung erlangt, da NMR-Sensoren eine direkte Messung für eine Wassersättigungsporosität und indirekte Messungen für die Permeabilität und andere interessierenden Formationsparameter ermöglichen.
NMR-Sensoren verwenden Permanentmagneten zur Erzeugung eines statischen Magnetfelds B0 in einer das Bohrloch umgebenden Formation, in der die MWD- oder Drahtseileinrichtung verwendet wird. Gewöhnlich wird eine Hochfrequenz-(HF-)Magnetspule zwischen den Permanentmagneten oder um die Magneten herum angeordnet, um ein HF-Magnetfeld in der Formation zu induzieren. Die Magneten und die HF-Wicklungen sind so angeordnet, dass das statische Magnetfeld B₀ und das HF-Feld auf wenigstens einem Teil der Formation senkrecht zueinander sind, die das Bohrloch und die NMR-Vorrichtung umgibt. In diesem interessierenden oder zu untersuchenden Bereich werden NMR-Messungen ausgeführt, um die interessierenden Parameter der umgebenden Formation zu bestimmen.
Bei MWD-Operationen können NMR-Sensoren innerhalb oder außerhalb einer Bohrmuffe bzw. Schwerstange zur Ausführung von Messungen an der Formation und ihres Fluidgehalts angeordnet werden. Eine herkömmliche MWD-Schwerstange hat einen metallischen Aufbau, der das für den Bohrvorgang erforderliche Drehmoment überträgt. Darüber hinaus stellt die Schwerstange einen hohlen zentralen Abschnitt bereit, der eine Leitung für das Bohrfluid oder den Bohrschlamm bildet, der zum Schmieren des Bohrkopfs und zum Transport des Bohrkleins vom Bohrloch zur Oberfläche verwendet wird. Da nieder- und hochfrequente elektromagnetische Felder den Metallkörper nicht durchdringen, müssen die Elektromagnetfeldsensoren außerhalb der metallischen Schwerstange angeordnet werden. Da sich diese Sensoren auf der Außenseite der Schwerstange befinden, sind sie dem abrasiven Gestein in der Formation während der Bohrvorgänge ausgesetzt und somit einem Abrieb und Verschleiß unterworfen, der von den Teilchen in dem Bohrschlamm und dem Stoßen des Sensors gegen die Erdformation während des Bohrens herrührt.
In manchen Fällen hat man Abschirmungen oder Schutzüberzüge an der Schwerstange als Versuch verwendet, diese externen Sensoren zu schützen. Häufig wurden Verschleißbänder an der Schwerstange verwendet, um einen Abstand zwischen den Sensoren und der Formation zu erhalten und so zu versuchen, den Abrieb durch die Erdformation zu reduzieren oder auszuschließen, die an dem Sensor während der Bohrvorgänge reibt.
Eine typische MWD-Vorrichtung ist in der EP-A-0581666 (Kleinberg) beschrieben. Die MWD-Vorrichtung hat eine rohrförmige Schwerstange, einen an einem axialen Ende der Bohrstange angeordneten Bohrkopf und einen NMR-Sensor. Der NMR-Sensor hat ein Paar von rohrförmigen Hauptmagneten, die ein statisches Magnetfeld (B₀) erzeugen, von denen sich jedes in einer inneren Aussparung der Schwerstange befindet. Die Kleinberg-Vorrichtung bildet eine HF-Antenne, die sich in einer externen Aussparung in der Schwerstange zwischen den Hauptmagneten befindet. Die HF-Antennenaussparung ist wahlweise mit einem magnetisch weichen Ferrit gefüllt, um den Wirkungsgrad der Antenne zu verbessern.
Ein typisches NMR-Bohrlochvermessungssystem ist in dem US-Patent 4,629,986 (Clow et al.) beschrieben. Bei der NMR-Vorrichtung nach Clow ist jeder Magnet eines Paars von Hauptpermanentmagneten durch einen Spalt getrennt, in dem eine Solenoid-HF-Antenne symmetrisch angeordnet ist. Die symmetrische Solenoidantenne hat einen Kern mit einem ferromagnetischen Material hoher Permeabilität (weiches Ferrit).
Bekannte bohrlochseitige NMR-Vorrichtungen verwenden Resonanzantennen zum Abstrahlen von elektromagnetischen HF-NMR-Impulsen und/oder zum Empfangen von Wechselmagnetfeldern bei der Resonanzfrequenz der messenden NMR. Gewöhnlich ist eine NMR- Antenne eine einfache Solenoidspule in Kombination mit einem daran befestigten Kondensator zur Bildung eines Schwingkreises. Die hohe Impedanz der üblichen NMR-Antenne hebt die Spannungsamplitude bei der typischen Antenne an, wodurch die Gefahr eines elektrischen Hochspannungsdurchschlags aufgrund einer Lichtbogenbildung in der Antenne und in den Antennenverbindungskabeln ansteigt. Die typische Solenoidantenne ist auch einem Verschleiß und einer Verschlechterung oder einem Ausfall aufgrund von abrasiven Effekten an der Antenne aufgrund dessen ausgesetzt, dass sie gegenüber der Formation während der Bohrvorgänge freiliegt. Es besteht deshalb ein Bedürfnis für eine Antenne mit niedrigerer Impedanz, die die Antennenspannung absenkt und die zugehörige Gefahr einer Beschädigung aufgrund einer Lichtbogenbildung verringert. Es besteht ferner ein Bedürfnis für eine zusätzliche mechanische Robustheit verglichen mit der, die die übliche Resonanz-Solenoidantenne bildet, wodurch die Stabilität der NMR-Vorrichtungen und insbesondere des Resonanzelements der Vorrichtung in der Umgebung unten im Bohrloch verbessert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung überwinden die Nachteile der bekannten Bohrloch-NMR-Vorrichtungen. Die vorliegende Erfindung stellt einen überbrückten Ringspaltresonator für das Senden und Empfangen von NMR-Signalen in einer Bohrlochumgebung entweder während MWD-Vorgängen oder Drahtseilfunktionen bereit. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen NMR-Ringspaltresonator, der einen langgestreckten rohrförmigen Aufbau mit einem Längsspalt hat, der durch wenigstens einen Kondensator überbrückt ist. Bei einer anderen Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Schlitzen oder Spalten in dem Ringspaltresonator ausgebildet, um das Spannungspotenzial und die Induktivität über dem Spalt zu verringern. Die vorliegende Erfindung stellt einen Ringspaltresonator bereit, der eine Impedanz hat, die relativ niedriger ist als die bei einer typischen Solenoidantenne aufgrund der niedrigen Induktivität der einzigen Wicklung in dem Ringspaltresonator. Der Ringspaltresonator kann in einer MWD-Umgebung in einer Vorrichtung eingesetzt werden, die an dem Bohrstrang festgelegt oder drehbar an dem Bohrstrang an einer nicht drehenden Hülse festgelegt ist, die den Bohrstrang umgibt. Die vorliegende Erfindung kann auch in einem Bohrloch über ein Drahtseil arbeiten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung lässt sich besser verstehen und ihre zahlreichen Ziele, Merkmale und Vorteile werden für den Fachmann offensichtlich durch Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt ein MWD-Bohrsystem mit einer NMR-Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung in einem Bohrloch.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Ringspaltresonators, der bei einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Fig. 3 ist ein Teilschnitt einer MWD-NMR-Vorrichtung mit einer Antenne, die einen überbrückten Ringspaltresonator gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung aufweist.

Fig. 4 ist eine dreidimensionale Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung des durch die vorliegende Erfindung bereitgestellten Ringspaltresonators.

Fig. 5 ist ein Querschnitt einer MWD-NMR-Vorrichtung und des überbrückten Ringspaltresonators von Fig. 3.

Die Verwendung der gleichen Bezugssymbole in unterschiedlichen Zeichnungen bedeutet ähnliche oder identische Gegenstände.

Ins Einzelne gehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung hat gegenüber den Solenoidantennen, die gewöhnlich für NMR- Werkzeuge verwendet werden, mehrere Vorteile. Der Ringspaltresonator der vorliegenden Erfindung hat einen höheren Antennenqualitätsfaktor "Q" aufgrund der großen Querschnittsfläche des Ringspaltleiters. Der Ringspaltresonator der vorliegenden Erfindung stellt einen höheren Grad an Homogenität als eine Solenoidspulenantenne bereit, da die Flusslinien den Ringspaltresonator mit Ausnahme am Ende eines Resonatorabschnitts nicht verlassen. Der Ringspaltresonator der vorliegenden Erfindung hat eine Impedanz, die niedriger ist als bei einer üblichen NMR-Solenoidantenne aufgrund der niedrigen Induktivität der äquivalenten Einzelwicklung des Ringspaltresonators. Der Ringspaltresonator ist der typischen NMR- Solenoidantenne auch mechanisch überlegen, sowie stabiler und robuster als diese.

Der Ringspaltresonator der vorliegenden Erfindung hat eine niedrigere Parallelimpedanz. Für Sendezwecke hat die niedrigere Parallelimpedanz des Ringspaltresonators gegenüber einer typischen NMR-Solenoidspule einen besonderen Vorteil. Die niedrigere Impedanz des Ringspaltresonators senkt die Spannungsamplitudenanforderung des Resonators ab, wodurch die Gefahr eines elektrischen Spannungsdurchschlags (Lichtbogen) in dem Resonator oder den an dem Resonator befestigten Drähten verringert wird.

Bei MWD-Operationen kann der NMR-Ringspaltresonator an einer nicht drehenden Hülse befestigt werden, die drehbar an einem drehenden Bohrrohrstrang befestigt ist. Die nicht drehende Hülse kann in dem Bohrloch dadurch fest positioniert werden, dass sich Kissen oder andere ausfahrbare Elemente von der nicht drehenden Hülse zu der Innenfläche des Bohrlochs erstrecken. Die Kissen fixieren die nicht drehende Hülse und den darin sitzenden Ringspaltresonator bezüglich der Bohrlochwand, während der Bohrrohrstrang sich frei drehen und in das Bohrloch abgesenkt werden kann. Alternativ kann die Ringspaltresonator-NMR-Antenne an dem sich drehenden Bohrrohrstrang bei MWD-Einsätzen befestigt werden oder an einem Drahtseil in das Bohrloch hängen.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines MWD-Bohrsystems 10 mit einem Bohrrohrstrang 20, der eine Bohranordnung 90 trägt (auf die auch als Bohrlochsohlenanordnung oder "BHA" Bezug genommen wird), die in einen "Bohrschacht" oder ein "Bohrloch" 26 für dessen Bohrung eingeführt ist. Das Bohrsystem 10 hat einen auf einem Boden 12 aufgerichteten herkömmlichen Bohrturm 11, der einen Drehtisch 14 trägt, der von einem Hauptantrieb, wie einem Elektromotor (nicht gezeigt), mit der gewünschten Drehzahl gedreht wird. Der Bohrrohrstrang 20 hat ein Steigrohr, beispielsweise ein Gestängerohr 22, oder ein aufgewickeltes Steigrohr, das sich von der Oberfläche in das Bohrloch 26 nach unten erstreckt. Der Bohrstrang 20 wird in das Bohrloch 26 geschoben, wenn als Steigrohr ein Gestängerohr 22 verwendet wird. Bei Verwendung eines aufgewickelten Steigrohrs wird jedoch ein Steigrohrinjektor (nicht gezeigt) verwendet, um das Steigrohr von einem Vorrat, beispielsweise einer Trommel (nicht gezeigt), zum Bohrloch 26 zu bewegen. Das am Ende des Bohrrohrstrangs befestigte Bohrwerkzeug 50 bricht die geologischen Formationen auf, wenn er zum Bohren des Bohrlochs 26 gedreht wird. Bei Verwendung eines Gestängerohrs 22 ist der Bohrrohrstrang 20 mit einem Hebewerk 30 über eine Kelly-Verbindung 21, einem Drehwirbel 28 und ein um eine Scheibe 23 geführtes Seil 29 verbunden. Während der Bohrvorgänge wird das Hebewerk 30 so betätigt, dass es das Gewicht auf das Bohrwerkzeug steuert, das ein wesentlicher Parameter ist, der die Vordringgeschwindigkeit beeinflusst. Die Arbeitsweise des Hebewerks ist Stand der Technik und wird deshalb hier im Einzelnen nicht beschrieben.
Während des Bohrens wird ausgehend von einem Spülflüssigkeitsbehälter (Quelle) 32 ein geeignetes Bohrfluid 31 durch eine Spülflüssigkeitspumpe 34 mit Druck durch einen Kanal in dem Bohrrohrstrang 20 umlaufen gelassen. Das Bohrfluid gelangt von der Spülflüssigkeitspumpe 34 in den Bohrrohrstrang 20 über einen Ausgleichsbehälter 36, eine Fluidleitung 38 und eine Kelly-Verbindung 21. Das Bohrfluid 31 wird an der Bohrlochsohle 51 durch eine Öffnung in dem Bohrkopf 50 abgegeben. Das Bohrfluid 31 zirkuliert durch den Ringraum 27 zwischen dem Bohrstrang 20 und dem Bohrloch 26 nach oben und kehrt zu dem Spülflüssigkeitsbehälter 32 über eine Rückführleitung 35 zurück. Das Bohrfluid wirkt so, dass es das Bohrwerkzeug 50 schmiert und Bohrklein oder -späne vom Bohrwerkzeug 50 wegtransportiert. Ein vorzugsweise in der Leitung 38 angeordneter Sensor S₁ gibt Informationen bezüglich des Fluiddurchsatzes. Ein Oberflächen-Drehmomentsensor S₂ und dem Bohrstrang 20 zugeordneter Sensor S₃ liefern jeweils Informationen bezüglich des Drehmoments der Drehzahl des Bohrstrangs. Zusätzlich wird ein mit einer Leitung 29 zugeordneter Sensor (nicht gezeigt) dazu verwendet, die Hakenbelastung des Bohrstrangs 20 zu vermitteln.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Bohrwerkzeug 50 nur durch die Drehbewegung des Gestängerohrs 22 gedreht. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein Bohrlochmotor 55 (Schlammmotor) in der Anordnung 90 angeordnet, um das Bohrwerkzeug 50 zu drehen, während das Gestängerohr 22 gewöhnlich gedreht wird, um die Drehleistung, falls erforderlich, zu ergänzen und um Änderungen der Drehrichtung zu bewirken.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung von Fig. 1 ist der Schlammmotor 55 mit dem Bohrwerkzeug 50 über eine Antriebswelle (nicht gezeigt) gekoppelt, die in einer Lageranordnung 57 angeordnet ist. Der Schlammmotor dreht das Bohrwerkzeug 50, wenn Bohrfluid 31 durch den Schlammmotor 55 mit Druck hindurchgeführt wird. Die Lageranordnung 57 nimmt die Radial- und Axialkräfte des Bohrkopfs auf. Ein mit der Lageranordnung 57 gekoppelter Stabilisator 58 wirkt als Zentriereinrichtung für den untersten Abschnitt der Schlammmotoranordnung.
In der Nähe des Bohrwerkzeugs 50 ist ein Bohrsensormodul 59 angeordnet. Das Bohrsensormodul enthält Sensoren, die Schalttechnik, eine Verarbeitungssoftware und Algorithmen bezüglich der dynamischen Bohrparameter. Zu diesen Parametern gehören der Bohrkopfrückprall, das Ruckgleiten der Bohranordnung, die Rückwärtsdrehung, das Drehmoment, Stöße, Bohrloch- und Ringraumdruck, Beschleunigungsmessungen und andere Messungen des Bohrkopfzustands. Wie gezeigt, hat die Bohranordnung 90 eine geeignete Baugruppe 72 für Telemetrie oder Kommunikation, beispielsweise für eine Zwei-Wege-Telemetrie. Das Bohrsensormodul verarbeitet die Sensorinformationen und sendet sie an die Steuereinheit 40 an der Oberfläche über das Telemetriesystem 72.
In dem Bohrrohrstrang 20 sind in Reihe die Kommunikationsbaugruppe 72, eine Leistungseinheit 78 und eine MWD-Vorrichtung 79 zusammengeschlossen. In Verbindung mit der MWD-Vorrichtung 79 werden beispielsweise flexible Baugruppen eingesetzt. Solche Baugruppen und Vorrichtungen bilden die bohrsohlenseitige Bohranordnung 90 zwischen dem Bohrstrang 20 und dem Bohrwerkzeug 50. Die Bohranordnung 90 führt verschiedene Messungen aus, zu denen gepulste Kernmagnet-Resonanzmessungen während des Bohrens des Bohrlochs 26 gehören. Die Kommunikationsbaugruppe 72 empfängt die Signale und Messungen und überträgt die Signale unter Verwendung beispielsweise der Zwei-Wege-Telemetrie zur Verarbeitung an der Oberfläche. Alternativ können die Signale unter Verwendung eines in der Bohranordnung 90 befindlichen Bohrlochprozessors verarbeitet werden.
Die an der Oberfläche befindliche Steuer- oder Verarbeitungseinrichtung 40 empfängt auch Signale von anderen Bohrlochsensoren und -einrichtungen sowie Signale von den Sensoren S₁ bis S₃ und anderen Sensoren, die in dem System 10 verwendet werden, und verarbeitet solche Signale entsprechend den programmierten Instruktionen, die der Oberflächensteuereinheit 40 eingegeben sind. Die Oberflächensteuereinheit 40 zeigt gewünschte Bohrparameter und andere Informationen auf einer Anzeige/einem Monitor 42 an, die/der von einer Bedienungsperson zur Steuerung der Bohrvorgänge benutzt wird. Die Oberflächensteuereinheit 40 hat vorzugsweise einen Rechner und ein Verarbeitungssystem auf Mikroprozessorbasis, einen Speicher zum Speichern von Programmen oder Modellen und Daten, ein Aufzeichnungsgerät zum Aufzeichnen von Daten sowie andere Zusatzgeräte. Die Steuereinheit 40 ist vorzugsweise so angepasst, dass sie Alarme 44 veranlassen kann, wenn bestimmte unsichere oder unerwünschte Betriebsbedingungen auftreten.
Fig. 2 zeigt einen Ringspaltresonator 101. Fig. 2 zeigt insbesondere einen Ringspaltresonator mit zwei Spalten. Der Ringspaltresonator 101, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist in Resonanz bei einer Hochfrequenz, die durch seine Geometrie bestimmt wird. Der Ringspaltresonator 101 hat Abmessungen, die viel kleiner sind als die Wellenlänge des Hochfrequenzsignals, bei welchem er mitschwingt. Die kapazitiven und induktiven Elemente sind identifizierbar, und das elektromagnetische Feld schwingt zwischen einem Magnetfeld, das von dem induktiven Element erzeugt wird, und einem elektrischen Feld, das von dem kapazitiven Element erzeugt wird.
Das induktive Element in dem Resonator 101 ist die Schleife oder der Ring, der von zwei metallischen Teilen 102 und 103 gebildet wird, während das kapazitive Element die Längsspalte 104 und 105 aufweist, die an der Verbindung der beiden Teile 102 und 103 gebildet werden. Das von dem Resonator 101 erzeugte Magnetfeld ist längs einer zentralen Achse 106 konzentriert, während das elektrische Feld in den Spalten 104 und 105 konzentriert ist. Der Magnetfluss geht durch die von dem Ring gebildete Öffnung und krümmt sich radial nach außen an jedem seiner Enden und entlang der Außenseite des Rings zur Bildung eines geschlossenen Flusswegs. Die Resonanzfrequenz des Resonators 101 wird hauptsächlich durch seine Geometrie bestimmt, und er kann so gebaut werden, dass er über einen weiten Bereich von interessierenden Frequenzen arbeitet. Wenn der Abstand t in den Spalten 104 und 105 viel kleiner als ihre Breite w ist, lautet die Resonanzfrequenz eines Ringspaltresonators wie folgt:

wobei

sind und
∈ = die Dielektrizitätskonstante des Materials in den Spalten,
µ = die Permeabilität des freien Raums
n = die Anzahl der Spalte, von denen jeder die Abmessungen t_m und W_m hat, und
z = die Länge des Resonators 101 in der Richtung der zentralen Achse 106.
Es gibt eine Anzahl von Charakteristika des Ringspaltresonators, die wesentlich sind, wenn er in der Praxis eingesetzt wird. Zunächst hat die Länge z tatsächlich keinen Einfluss auf die Resonanzfrequenz. Dann können ein Spalt oder mehrere Spalte verwendet werden, die keine gleichen Abmessungen oder eine gleiche Kapazität zu haben brauchen. Mehrere Spalte in dem Ringspaltresonator reduzieren das Spannungspotenzial über jedem Spalt und verringern die Stärke des sich ergebenden elektrischen Felds. Eine Vergrößerung der Länge des Ringspaltresonators erhöht diesen Stärkereduzierungseffekt. Die zusätzlichen Spalte machen die Antenne wirksamer, da über den Spalten eine geringere Stromleckage auftritt.
Der Ring braucht nicht kreisförmig zu sein, obwohl es bei einem kreisförmigen Aufbau häufig Vorteile gibt, die nachstehend im Einzelnen beschrieben werden. Da der Bohrrohrstrang und die Schwerstange gewöhnlich kreisförmig sind, erleichtert ein kreisförmiger Querschnitt bei dem Ringspaltresonator die mechanische Kompatibilität zwischen der Bohranordnung und dem Ringspaltresonator. Schließlich kann dem Ringspaltresonator auf einem von zwei Wegen Energie zu und von ihm abgeführt werden. Die Energie wird in den Resonator oder aus ihm heraus durch eine konduktive Schleife eingekoppelt, die den Magnetfluss umschließt, der durch den Ring hindurchgeht, der mit dem Ende einer Übertragungsleitung verbunden ist. Alternativ kann in den Ringspaltresonator und aus ihm heraus Energie kapazitiv oder galvanisch eingekoppelt werden, indem die Übertragungsleitung mit den Platten eines der kapazitiven Elemente des Ringspaltresonators über ein Impedanzanpassungsnetzwerk verbunden wird. Bei einer bevorzugten Ausführung sind die Spalte 104 und 105 des Ringspaltresonators mit einem dielektrischen Material oder Kondensatoren gefüllt, die die Resonanzfrequenz für den Ringspaltresonator bestimmen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden der Ring und das kapazitive Element, die den Resonanzkreis bilden, von einem HF-Signal erregt. Das bevorzugte HF-Signal weist ein moduliertes HF-Signal und insbesondere eine modifizierte CPMG-Sequenz auf, wie sie in dem US-Patent 6,163,153 von Reiderman beschrieben ist.
Der Ringspaltresonator-Zylinder kann die Außenfläche des NMR-Sensors unabhängig von der Anbringung an einer rotierenden Schwerstange, an dem Bohrrohrstrang oder einem Drahtseil bilden, da die Außenfläche bei jeder dieser Konfigurationen in Kontakt mit der leitenden Bohrspülflüssigkeit steht, die das Bohrloch füllt. Bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Ringspaltresonator-Oberfläche, die der Bohrspülflüssigkeit ausgesetzt ist, mit einem isolierenden Material bedeckt, um die Wirkungen des Kontakts mit dem leitenden Bohrschlamm aufzuheben. Bei einer Ausführungsform ist das isolierende Material nur in der Nähe des Spaltes vorgesehen. Der Ringspaltresonator hat einen stabilen Aufbau, der den empfindlichen Teil des NMR-Sensors schützt. Die Spalte 104 und 105 sind mit dielektrischem Material gefüllt, die die Kapazität für den Resonanzkreis bereitstellen. Die Zylinderaußenfläche des Ringspaltresonators kann mit einer zusätzlichen Schicht aus Isoliermaterial abgedeckt sein, um den Ringspaltresonator-Zylinder gegenüber dem leitenden Bohrschlamm zu isolieren.
Zur Reduzierung des Spannungspotenzials, das über jeden einzelnen Spalt bei dem Ringspaltresonator erzeugt wird, können mehrere Spalte vorgesehen werden. Die Spalte werden vorzugsweise mit Kondensatoren überbrückt, können jedoch ohne eine Überbrückungsisolation oder dielektrisches Material vorgesehen und eingesetzt werden. Der Ringspaltresonator ist das theoretische Äquivalent zu einem Einwicklungssolenoid mit einem Kondensator in dem Spalt. Bekannte Bohrloch-NMR-Vorrichtungen verwenden eine Solenoidantenne und eine Kondensatorbank, die in der elektronischen Schaltung zur Bildung eines Resonanzkreises vorgesehen sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das kapazitive Element für den Ringspaltresonator als ein Isolationselement vorgesehen, das in die Spalte des Ringspaltresonators eingesetzt ist. Bei einer alternativen Ausgestaltung ist ein Kondensator in der elektronischen Schaltung vorgesehen, die an dem Spalt in dem Ringspaltresonator über ein Kabel befestigt ist. Eine bevorzugte Ausgestaltung stellt den Kondensator in der Spaltausgestaltung bereit, die aufgrund der hohen Ströme wirksamer ist, die in die Kabel fließen würden, die bei der alternativen Ausgestaltung des Resonanzkreises zu dem Kondensator gehen. Die Kabel bilden eine zusätzliche Induktivität und einen zusätzlichen Ohmschen Widerstand und speichern so Energie und verursachen einen Leistungsverlust, wodurch der Wirkungsgrad des Resonanzkreises verringert wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sendet der Ringspaltresonator NMR-Erregungsimpulse und empfängt NMR-Signale von der interessierenden Zone. Bei der bevorzugten Ausgestaltung ist der Ringspaltgenerator zwischen die Empfangs- und Sendeelektronik für einen Mehrkanalbetrieb angeschlossen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung bildet ein Ringspaltresonator mit einem einzigen Spalt ein Äquivalent zu einer Einzelwicklungsspule, es kann jedoch eine Vielzahl von Spalten vorgesehen werden, um die Spannung an jedem einzelnen Spalt zu verringern. Es kann ein Ringspaltresonator mit zwei oder mehreren Spalten verwendet werden. Aufgrund der reduzierten Selbstinduktivität der gebildeten Ringfraktionen sind die Spannungen an den Spalten niedriger als mit einem einzigen Spalt, während der Strom durch die Ringe der gleiche bleibt.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt ist, die ein induktives Längselement mit einem Luftspalt hat, der mit einem Isolator oder einem Kondensator gefüllt sein kann, kann jede Form für ein induktives Element verwendet werden, das in Resonanz gesetzt werden kann. Darüber hinaus kann der Spalt ein Hohlraum, wie ein Luftspalt, oder einfach eine Diskontinuität in dem induktiven Element sein, d. h. ein Abschnitt in dem induktiven Element, der eine elektrische Eigenschaft hat, die anders ist als die des das induktive Element bildenden Abschnitts.
Wie oben erörtert, ist der leitende Bohrschlamm ein Auslegungskriterium bei der Ausgestaltung des Ringspaltresonators. Die Außenfläche des Ringspaltresonators steht mit dem leitenden Bohrschlamm in Kontakt, der das Potenzial zum Kurzschließen von Ringspaltresonator- Abschnitten bietet, indem Strom in dem leitenden Schlamm zwischen den Ringspaltresonator- Abschnitten fließen gelassen wird. Im Extremfall wird ein Isoliermaterial auf der Außenfläche des Ringspaltresonators angeordnet, um einen Kontakt zwischen dem leitenden Schlamm und dem Ringspaltresonator auszuschließen und Kurzschlüsse oder Lichtbogen über den Spalten zwischen den Ringspaltresonator-Elementen auszuschließen oder wesentlich zu reduzieren. Die bevorzugte Ausgestaltung des Ringspaltresonators erzeugt ein in hohem Maße homogenes Feld innen und in geringerem Ausmaß auch außen. Die Homogenität ergibt sich aus der Physik des Ringspaltresonators. Die Magnetflusslinien können aus dem Ringspaltresonator nicht entweichen, bis der Magnetfluss aus einem Ende des Ringspaltresonators austritt, durch die Formation durchgeht und am anderen Ende des Ringspaltresonators eintritt. Dies ist nicht der Fall bei der typischen Solenoid-NMR-Antenne, die eine Vielzahl von Windungen hat, wobei der Fluss gewöhnlich aus den Spalten zwischen den Windungen des Solenoids austritt und in sie eintritt. Der Ringspaltresonator hat jedoch ein massives Längselement aus Metall, gewöhnlich eine Hülse oder einen Zylinder, so dass der Fluss nicht durch das Längselement austreten kann.
Eine NMR-Sensorantenne mit einem Ringspaltresonator, dessen Symmetrieachse zur Bohrlochachse kolinear ist, ist in Kombination mit einer statischen bipolaren Magnetkonfiguration ebenfalls vorteilhaft, wo das statische Magnetfeld in einer Ebene senkrecht zum Bohrstrang liegt [beispielsweise NUMAR-Drahtleitung-NMR-Vorrichtungen].
Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht der vorliegenden Erfindung, die an einer MWD- NMR-Vorrichtungsausführung installiert ist, welche eine nicht drehende Hülse hat. Unter dem Ringspaltresonator-Zylinder ist eine Schicht 216 aus Fett oder aus einem anderen, den Magnetfluss leitenden Material vorgesehen, um den Magnetfluss längs des den Fluss leitenden Materials zu leiten und ihn von der leitenden Oberfläche der nicht drehenden Hülse 102 wegzuhalten. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist das den Fluss leitende Material ein pulverförmiges Eisen gemischt mit Epoxid auf, die miteinander zur Bildung eines weichen Magnetmaterials verbunden sind. Dieses weiche Magnetmaterial stellt den Fluss führende und magnetische Eigenschaften bereit, die Ferrit überlegen sind. Zusätzlich können als den Fluss leitendes Material andere Materialien verwendet werden, wie ein dünnes ferromagnetisches Material oder Metallbleche oder amorphes Metall. Das den Fluss führende Material innerhalb des Ringspaltresonators verringert Verluste aufgrund von Hochfrequenz-Wirbelströmen und reduziert gespeicherte magnetische Energie.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist der NMR-Ringspaltresonator 200 in einer nicht drehenden Hülse an einer drehenden Schwerstange befestigt. Die NMR-Vorrichtung hat Permanentmagneten 100 und einen Ringspaltresonator, der an der nicht drehenden Hülse 102 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung angebracht ist. Gemäß Fig. 3 nimmt die nicht drehende Hülse 102 Permanentmagnete 100 und eine Klemmrippe 110 auf. Die Klemmrippe 110 legen die Permanentmagneten 100 und die nicht drehenden Hülse 102 bezüglich der Formation in Drehrichtung fest, wenn sie durch einen Klemmkolben 105 herausgedrückt wird, während sich die Schwerstange 106 des Bohrrohrstrangs frei drehen kann. Der Klemmkolben wird durch eine Klemmhydraulik entsprechend der Zeitabstimmung für die Messung ausgefahren und zurückgezogen. Die Festlegung der Magneten 100 und der nicht drehenden Hülse 102 bezüglich des Bohrlochs und der angrenzenden Formation entkoppelt die nicht drehende Hülse 102 und die Magneten 100 in wirksamer Weise von einer seitlichen Bewegung der Schwerstange 106 und zwingt den NMR-Sensor in eine Ruhestellung während der Bohrvorgänge. Lager 103 und Stoßabsorber, wie Kautschukblöcke, sorgen für eine wirksame Entkopplung der nicht drehenden Hülse. Der Ringspaltresonator 200 sowie eine Feinabstimm- und Anpasselektronik 108 sind an der nicht drehenden Hülse 102 vorgesehen.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, befinden sich die Permanentmagneten 100 in einer nicht drehenden Hülse 102, die auch als NMR-MWD-Vorrichtungskörper wirkt. Die nicht drehende Hülse/der Vorrichtungskörper 102 ist aus Stahl oder irgendeinem anderen Material hergestellt, das in hohem Maße leitend und nicht magnetisch ist. Die nicht leitende Flussführung 216 trennt die nicht drehende Hülse/den Vorrichtungskörper 102 von dem Ringspaltresonator 200.
Fig. 4 zeigt in einer dreidimensionalen Ansicht einen bevorzugten Ringspaltresonator. Der bevorzugte Ringspaltresonator 200 von Fig. 4 ist aus einem Ring 201 aus einem leitenden Material aufgebaut, der wenigstens einen kapazitiven Schlitz 208 hat, der in dem Ring 201 so ausgebildet ist, dass die Rohrform des Rings 201 auf der gesamten Länge des Rings durch den Schlitz 208 unterbrochen ist. Der Schlitz 208 ist durch wenigstens einen und vorzugsweise durch eine Vielzahl von Kondensatoren 204 überbrückt, die längs des Schlitzes 208 ausgerichtet sind. Durch Drähte 214 fließt ein Strom zu den Kondensatoren 204, um den Ring 201 in Resonanzschwingung zu versetzen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der elektrisch leitende Ring 201 des Ringspaltresonators 200 mit einem nicht leitenden Isoliermaterial 220 bedeckt, um den Ringspaltresonator gegenüber dem elektrisch leitenden Bohrschlamm zu schützen, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Diese Isolation verhindert, dass der elektrisch leitende Schlamm den Ringspaltresonator überbrückt, was ihn effektiv kurzschließen würde.
In Fig. 5 ist ein Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Ringspaltresonators 200 nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Über dem Kondensator 204 ist ein nicht leitendes Distanzstück 206 ausgebildet. Ein elektrisch nicht leitendes weichmagnetisches Material 216 trennt den leitenden Ringspaltresonator 201 von dem Vorrichtungskörper 218. Wahlweise ist eine Isolierlage 220 vorgesehen, um den Ringspaltresonator vor dem leitenden, in dem Bohrloch vorhandenen Bohrschlamm zu isolieren. In der Mitte der Vorrichtung befindet sich ein zentraler Hohlraum 202 zur Durchführung von Bohrschlamm durch die MWD- Ausgestaltung und für ein Einkapseln der Elektronik in einer Drahtseilausführung.
Obwohl bevorzugte Ausgestaltungen gezeigt und beschrieben sind, können verschiedene Modifizierungen und Substitutionen ausgeführt werden, ohne vom Wesen und vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Deshalb ist klar, dass die vorliegende Erfindung beschrieben wurde, um sie zu veranschaulichen, und nicht, um sie zu beschränken.

Claims

1. Kernmagnetresonanz-(NMR-)Vorrichtung zur Bestimmung eines interessierenden Parameters einer das Bohrloch umgebenden Formation, mit einem der NMR- Vorrichtung zugeordneten Ringspaltresonator für wenigstens eine der Funktionen:
Senden eines HF-Magnetfelds in einen interessierenden Bereich in der Formation und Empfangen eines NMR-Signals aus der Formation.

2. NMR-Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin wenigstens einen Kondensator zum Überbrücken des wenigstens einen Spalts des Ringspaltresonators aufweist.

3. NMR-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Ringspaltresonator aus einem leitenden, nicht magnetischen Material hergestellt ist.

4. NMR-Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin ein nicht leitendes Isoliermaterial aufweist, das die Oberfläche des Ringspaltresonators abdeckt, um den Ringspaltresonator gegenüber einem leitenden Fluid in dem Bohrloch zu isolieren.

5. NMR-Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin eine Vielzahl von Spalten aufweist, die in dem Ringspaltresonator ausgebildet sind und über die ganze Länge des Ringspaltresonators hindurchgehen.

6. NMR-Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin ein Paar von elektrisch isolierten Drähten aufweist, die an einen Kondensator zwischen gegenüberliegenden Rändern des Spalts in dem Ringspaltresonator angeschlossen sind.

7. NMR-Vorrichtung nach Anspruch 6, welche weiterhin einen variablen Kondensator aufweist, der quer über den Drähten angeschlossen ist, so dass er eingestellt werden kann, um die Resonanzfrequenz des Ringspaltresonators zu ändern.

8. NMR-Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin eine Koppelungsspule aufweist, die quer über eine Übertragungsleitung angeschlossen und angrenzend an den Ringspaltresonator angeordnet ist, um ein Signal an der Übertragungsleitung zu erzeugen, das auf die Spin-Echosignale anspricht, die in dem interessierenden Bereich erzeugt werden.

9. NMR-Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin eine Koppelung aufweist, die angrenzend an das in Resonanz befindliche Element angeordnet ist, um von dem Ringspaltresonator gemessene Signale in die Empfangselektronik einzukoppeln.

10. NMR-Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin ein weichmagnetisches, den Fluss leitendes Material in dem Ringspaltresonator aufweist.

11. NMR-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Signal zur Erzeugung eines HF- Impulses in dem interessierenden Bereich in der Formation weiterhin eine HF- Modulation aufweist.

12. NMR-Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welchem das Signal weiterhin eine modifizierte CPMG-Sequenz aufweist.

13. Verfahren zum Bestimmen eines interessierenden Parameters einer ein Bohrloch umgebenden Formation, bei welchem ein in der Formation ausgebildetes Bohrloch mit einer Kernmagnetresonanz-(NMR-)Vorrichtung durchquert wird, wobei die Vorrichtung einen Ringspaltresonator für wenigstens eine der Funktionen hat: Senden eines HF-Magnetfelds in den interessierenden Bereich der Formation und Empfangen eines NMR-Signals aus der Formation.

14. Verfahren nach Anspruch 13, welches weiterhin das Überbrücken wenigstens eines Spalts des Ringspaltresonators mit einem oder mehreren Kondensatoren aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem der Ringspaltresonator aus einem leitenden, nicht magnetischen Material hergestellt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, welches weiterhin das Abdecken der Oberfläche des Ringspaltresonators mit einem nicht leitenden Isolatormaterial aufweist, um den Ringspaltresonator gegenüber einem leitenden Fluid in dem Bohrloch zu isolieren.

17. Verfahren nach Anspruch 13, welches weiterhin das Hindurchführen einer Vielzahl von Schlitzen über der gesamten Länge des Ringspaltresonators aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 13, welches weiterhin das Anschließen eines Kondensators zwischen dem Längsspalt in dem Längsspaltelement mit einem Paar von elektrisch isolierten Drähten aufweist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem der Kondensator einen variablen Kondensator aufweist, der quer über die Drähte so angeschlossen ist, dass der variable Kondensator eingestellt werden kann, um die Resonanzfrequenz des Ringspaltresonators zu ändern.

20. Verfahren nach Anspruch 13, welches weiterhin das Anschließen einer Koppelungsspule quer über eine Übertragungsleitung und angrenzend an den Ringspaltresonator aufweist, um ein Signal an der Übertragungsleitung zu erzeugen, das auf Spin- Echosignale anspricht, die in dem interessierenden Bereich erzeugt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 13, welches weiterhin ein weichmagnetisches, den Fluss führendes Material in dem Ringspaltresonator aufweist.

22. Verfahren nach Anspruch 13, welches weiterhin das Einkoppeln von von dem Ringspaltresonator gemessenen Signalen in eine Empfangselektronik aufweist.

23. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem das Signal zur Erzeugung eines HF- Impulses in dem interessierenden Bereich in der Formation weiterhin eine HF- Modulation aufweist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem das Signal zur Erzeugung eines HF- Impulses in dem interessierenden Bereich in der Formation weiterhin eine modifizierte CPMG-Sequenz aufweist.