NO851152L

NO851152L - ANTENNA SYSTEM FOR MEASURING FORMATION PARAMETERS.

Info

Publication number: NO851152L
Application number: NO851152A
Authority: NO
Inventors: Thomas W Buckman
Original assignee: Nl Industries Inc
Priority date: 1984-03-30
Filing date: 1985-03-21
Publication date: 1985-10-01
Also published as: JPS60219581A; GB2156527A; FR2562266A1; GB8504674D0

Description

Foreliggende oppfinnelse angår måling av formasjonsparametreThe present invention relates to the measurement of formation parameters

i løpet av boring i et borehull og nærmere bestemt måling av formasjonsfall ved anvendelse av en slissantenne. during drilling in a borehole and more specifically measurement of formation drop using a slot antenna.

Det er av mange grunner ønskelig å sende elektriske signaler gjennom jorden som er et 'forplantningsmedium og motta signalene ved et sted anbragt i avstand fra senderen. It is desirable for many reasons to send electrical signals through the earth, which is a propagation medium, and to receive the signals at a location located at a distance from the transmitter.

Et slikt signalforplantningssystem er f.eks. anvendt forSuch a signal propagation system is e.g. applied for

å bestemme tidligere parametre forbundet med utbredelses-mediumet og for kommunikasjonsformål. Disse systemene ofte anvendt ved undersøkelse av omgivelsene som omgir et borehull og nærmere bestemt den omgivende jordformasjonen. Forskjellige typer borehullsloggesystemer er tilgjengelig to determine previous parameters associated with the propagation medium and for communication purposes. These systems are often used when investigating the environment surrounding a borehole and more specifically the surrounding soil formation. Different types of borehole logging systems are available

for å utføre disse undersøkelsene. En gruppe av disse systemene anvender elektromagnetiske felteffekter for å tilveiebringe data fra omgivelsen som omgir borehullet. to carry out these surveys. A group of these systems use electromagnetic field effects to provide data from the environment surrounding the borehole.

En type elektromagnetisk logging er elektrodelogging som anvender et elektrisk felt ved den omgivende formasjonen One type of electromagnetic logging is electrode logging which applies an electric field to the surrounding formation

for å frembringe og måle ledeevnen til formasjonen. Et ledende slam er nødvendig for riktig bruk av dette systemet, som således gjør systemet inoperativ med oljebaseslam. Induktiv logging er en annen type elektromagnetisk logging to produce and measure the conductivity of the formation. A conductive mud is required for proper use of this system, thus making the system inoperable with oil base muds. Inductive logging is another type of electromagnetic logging

som anvender et magnetisk felt i formasjonen for å frembringe en sekundær strøm i formasjonen. Den sekundære strømmen setter opp et andre magnetiske felt som induserer strøm i mottagende spoler anbragt i borehullet. Den induserte strømmen i mottagerspolen eller -spolene er proporsjonal which applies a magnetic field in the formation to produce a secondary current in the formation. The secondary current sets up a second magnetic field which induces current in receiving coils placed in the borehole. The induced current in the receiver coil or coils is proportional

med sekundærstrømmen i formasjonen og er således direkte proporsjonal med konduktiviteten eller invers proporsjonal med resistiviteten til den omgivende formasjonen. Elektromagnetisk bølgeforplantning gir et ytterligere loggesystem with the secondary current in the formation and is thus directly proportional to the conductivity or inversely proportional to the resistivity of the surrounding formation. Electromagnetic wave propagation provides an additional logging system

for undersøkelse av omgivelsene rundt et borehull og er beslektet med foreliggende oppfinnelse. Et eksempel på elektromagnetisk loggesystem av bølgeforplantningstypen er beskrevet i US patent nr. 3.551.797. Dette patentet beskriver et ledningslinjesystem som har en sender og et for investigating the surroundings around a borehole and is related to the present invention. An example of an electromagnetic logging system of the wave propagation type is described in US patent no. 3,551,797. This patent describes a wireline system that has a transmitter and a

par mottagere anbragt aksialt langs borehullet. Senderen forplanter elektromagnetisk energi i et felt som er jevnt asimutmessig fordelt rundt borehullet og signalet mottatt av de to aksialt med avstand anbragte mottagende antenner blir analysert med hensyn til amplitude og faseforskjell som kjennetegn for konduktiviteten til formasjonene som omgir borehullet. pair of receivers arranged axially along the borehole. The transmitter propagates electromagnetic energy in a field that is evenly azimuthally distributed around the borehole and the signal received by the two axially spaced receiving antennas is analyzed with regard to amplitude and phase difference as characteristics of the conductivity of the formations surrounding the borehole.

Parametre som er spesielt nyttige ved vurderingen av den underjordiske formasjonens art gjennomtrengt av borehullet, er den til formasjonstykkelsen og formasjonens fall. Fallet til et geologisk lag er generelt sett vinkelen til planet innenfor hvilket grensen til en formasjon av en bestemt type og grensen til tilliggende formasjon danner med et horisontalt referanseplan. Nærmere bestemt blir fallet til en formasjon vurdert ved å bestemme vinkelen med hvilken veggene til et borehull skjærer planet til en formasjons-grense. Problemet med å bestemme formasjonsfallet innebærer generelt lokalisering av tre punkter innenfor et avsetnings-lag med henvisning til et horisontalplan slik at planet definert av tre punkter og fallvinkelen er vinkelen mellom dette planet og horisontalplanet. Parameters that are particularly useful in assessing the nature of the subterranean formation penetrated by the borehole are that of the formation thickness and the dip of the formation. The dip of a geological layer is generally the angle to the plane within which the boundary of a formation of a particular type and the boundary of adjacent formation form with a horizontal reference plane. More specifically, the dip of a formation is assessed by determining the angle at which the walls of a borehole intersect the plane of a formation boundary. The problem of determining formation dip generally involves locating three points within a depositional layer with reference to a horizontal plane so that the plane defined by three points and the dip angle is the angle between this plane and the horizontal plane.

Tidligere kjente ledningslinjeinstrumentering som er "blitt anvendt for å vurdere formasjonslagorienteringen må utføre tre målinger. Den første er en måling av fallet for formasjonen relativt i forhold til borehullet og dette er blitt gjort ved opptegning av tre elektriske logger fortrinnsvis asimutmessig anbragt med avstand og orientert i borehullet og nærmere bestemt innbefattende tre identiske sett med elektroder anbragt på omkretsen med avstand rundt et verktøy ved 120° og alle anbragt på samme plan perpendikulert på aksen til verktøyet. Den andre målingen er en måling av retningen og vinkelen for hellingen av borehullet orientert gjennom måling og orienteringen av aksen til borehullet relativt i forhold til magnetisk nord. Previously known wireline instrumentation that has been used to assess formation layer orientation must perform three measurements. The first is a measurement of the dip of the formation relative to the borehole and this has been done by recording three electrical logs preferably azimuthally spaced and oriented in the borehole and more specifically including three identical sets of electrodes placed on the circumference spaced around a tool at 120° and all placed on the same plane perpendicular to the axis of the tool.The second measurement is a measurement of the direction and angle of inclination of the borehole oriented through measurement and the orientation of the axis of the borehole relative to magnetic north.

Borehullshellingen og asimut er konvensjonelt målt av akselero-meteret og/eller magnetometeret som bruker gravitasjons- Borehole inclination and azimuth are conventionally measured by the accelerometer and/or magnetometer using gravity

og:- magnetiske krefter til jorden som referanseramme. Formasjonsfall krever imidlertid måling av noen karakteristik-ker til formasjonen som omgir borehullet med tilstrekkelig nøyaktighet for å bestemme hvor langs lengden av borehullet en formasjon av en sammensetning ender og en annen begynner. and:- magnetic forces to the earth as reference frame. Formation decline, however, requires measurement of some characteristics of the formation surrounding the borehole with sufficient accuracy to determine where along the length of the borehole a formation of one composition ends and another begins.

En tidligere kjent "fall-måler" anvender tre spontane potensial (SP) kurver for å tilveiebringe formasjonsfallet relativt i forhold til borehullsaksen. Disse anordningene krever elektroder presset mot borehullsveggene og måling av ørsmå elektriske strømmer eller potensialer i formasjonene i forhold til overflatereferansepotensialet. En annen teknikk for å måle formasjonsparametre for å tilveiebringe fallinformasjon er vist i US patent nr. 3.388.323, som beskriver et ledningslinjeinstrument for utførelse av induk-sjonslogging ved sending av elektromagnetisk energi som har en frekvens i størrelsesorden av 10 kHz i borehullsveggen og måling av den elektriske konduktiviteten og magnetiske følsomheten til formasjonen. A previously known "drop meter" uses three spontaneous potential (SP) curves to provide the formation drop relative to the borehole axis. These devices require electrodes pressed against the borehole walls and the measurement of tiny electrical currents or potentials in the formations relative to the surface reference potential. Another technique for measuring formation parameters to provide drop information is shown in US Patent No. 3,388,323, which describes a wireline instrument for performing induction logging by sending electromagnetic energy having a frequency on the order of 10 kHz into the borehole wall and measuring of the electrical conductivity and magnetic susceptibility of the formation.

US patent nr. 4.383.220 beskriver elektromagnetisk mikro-bølge-borehullsfallmåler som innbefatter et ledningslinje-verktøy med flere radialt seg strekkende armer, som hver bærer en pute som er forspent i tett samvirke med borehullsveggen. Hver pute bærer en mikrobølgesenderantenne og en mikrobølgemottagerantenne. Mikrobølgeenergien som har en frekvens i størrelsesorden av 1-3 GHz blir forplantet i formasjonen ved hjelp av sendeantenner og energien mottatt av mottagerantennene blir tatt som en indikasjon på karakteristikken til formasjonen slik at relative variasjoner langs borehullet fra tre asimutmessig med avstand anbragte sensorer definerer formasjonsfallet. US Patent No. 4,383,220 discloses an electromagnetic microwave downhole gauge that includes a wireline tool with multiple radially extending arms, each carrying a pad biased in close engagement with the borehole wall. Each pad carries a microwave transmitter antenna and a microwave receiver antenna. The microwave energy, which has a frequency in the order of 1-3 GHz, is propagated in the formation by means of transmitting antennas and the energy received by the receiving antennas is taken as an indication of the characteristic of the formation so that relative variations along the borehole from three azimuthally spaced sensors define the formation drop.

De tidligere systemene for måling av formasjonsparametreThe previous systems for measuring formation parameters

slik som konduktive elektroder for måling av spontane poten- such as conductive electrodes for measuring spontaneous potentials

sial, induksjonssystemer for måling av konduktivitet og følsomhet så vel som ledningslinjesystemer som anvender mikrobølgeforplantningen har visse ulemper spesielt for anvendelse ved en måling i løpet av boringen. For å inkorpo-rere måleinstrumentene i en borehullsborestreng krever et elektrodesystem isolasjon av stålborekragen fra flere sendere og mottagerelektroder i systemet. Dette krever normalt spesielle isolasjonsbelegg påført stålborestrengen i nærheten av elektrodene som er dyr og det kan stilles spørsmål ved dens pålitelighet. Induksjonsloggesystemer må normalt drives ved en frekvens i størrelsesorden av 10 kHz og krever derfor spoler av stor diameter for å tilveiebringe den nødvendige elektromagnetiske koplingen med formasjonen. Ved en MWD-konfigurasjon og induktive loggespoler blir montert i eller omkring borekragen i borestrengen og den delen av kragen må være ikke-ledende. Ikke-ledende krager er vanskelig å fremstille slik at det opprettholdes konstruksjonsmessig helhet og nødvendig styrke for deres bruk ved borestrengen. Dersom størrelsen på spolene blir redusert, må operasjonsfrekvensen til systemet bli øket for å tilveiebringe en nødvendig kopling mellom de med avstand anbragte spoler. For en antenne av fast størrelse hvor operasjonsfrekvensen blir hevet fra 10 kHz, blir bølge-forplantningen den forutbestemte energioverføringsmekanismen og standard induksjonsmålinger med konvensjonelle antenne-systemer er ikke lengre virksomme. Fallmålere som anvender ledningslinjemikrobølgeforplantningsanordninger, som beskrevet ovenfor, anvender ikke en lydenhet med tilstrekkelig struktur-messig helhet og styrke for å kunne bli inkorporert i en borestreng og det kreves dessuten radial utstrekning, . ekstrautstyr for å samvirke med borehullsveggene og muliggjøre måling av nødvendige parametre som naturligvis er totalt upraktiske for måling i enMWD-omgivelse. sial, induction systems for measuring conductivity and sensitivity as well as wireline systems using microwave propagation have certain disadvantages especially for use in a measurement during drilling. In order to incorporate the measuring instruments into a borehole drill string, an electrode system requires isolation of the steel drill collar from several transmitter and receiver electrodes in the system. This normally requires special insulating coatings applied to the steel drill string near the electrodes which are expensive and its reliability can be questioned. Induction logging systems must normally be operated at a frequency of the order of 10 kHz and therefore require large diameter coils to provide the necessary electromagnetic coupling with the formation. In an MWD configuration and inductive logging coils are mounted in or around the drill collar in the drill string and that part of the collar must be non-conductive. Non-conductive collars are difficult to manufacture in such a way as to maintain structural integrity and the necessary strength for their use with the drill string. If the size of the coils is reduced, the operating frequency of the system must be increased to provide a necessary coupling between the spaced coils. For a fixed size antenna where the operating frequency is raised from 10 kHz, wave propagation becomes the predetermined energy transfer mechanism and standard induction measurements with conventional antenna systems are no longer effective. Fallometers using wireline microwave propagation devices, as described above, do not use a sounding device with sufficient structural integrity and strength to be incorporated into a drill string, and radial extent is also required. additional equipment to interact with the borehole walls and enable the measurement of necessary parameters which are of course totally impractical for measurement in an MWD environment.

Ved bruk av antennekonstruksjoner i borehullsmåleinstrumen-ter er i virkeligheten alt rettet mot generering av elektromagnetiske felt som skal bli forplantet i det omgivende medium. Formålet med foreliggende oppfinnelse er imidlertid å anvende en slissantenne av fluidumsstørrelse som drives ved en tilstrekkelig lav frekvens for å anvende den induktive feltkomponenten, men med en tilstrekkelig høy frekvens for å tillate fokusering av energi på en sterk retningsmessig måte for å undersøke formasjonens art som omgir borehullet, nemlig radiofrekvensområdet som er over induksjons-loggefrekvensene, men under mikrobølgeloggefrekvensene. When antenna structures are used in borehole measuring instruments, in reality everything is aimed at generating electromagnetic fields that are to be propagated in the surrounding medium. However, the object of the present invention is to use a fluid-sized slot antenna operated at a sufficiently low frequency to use the inductive field component, but at a sufficiently high frequency to allow focusing of energy in a highly directional manner to investigate the nature of the formation surrounding the borehole, namely the radio frequency range above the induction logging frequencies but below the microwave logging frequencies.

Slike målinger gir boreoperatøren resistivitets/konduktivitets-verdier som angir endringer i formasjonene og derfor fall i lagene. Hensikten med en måling i løpet av boringen er å forsyne boreoperatøren med en kontinuerlig strøm av nyttige data som angir tilstanden i borehullet. En boreopera-tør kan således forutsi å unngå potensielle farlige situa-sjoner så vel som å være klar over kritiske data nødvendig for å vurdere formasjonene gjennom hvilke borehullet passerer. Antennekonstruksjonene anvendt ved systemet ifølge foreliggende oppfinnelse kan lett tilpasses loggesystemer for måling i løpet av boringen. Such measurements provide the drill operator with resistivity/conductivity values that indicate changes in the formations and therefore dips in the layers. The purpose of a measurement during drilling is to provide the drill operator with a continuous stream of useful data indicating the state of the borehole. A drilling operator can thus predict to avoid potential dangerous situations as well as being aware of critical data necessary to assess the formations through which the borehole passes. The antenna structures used in the system according to the present invention can easily be adapted to logging systems for measurement during drilling.

Systemet ifølge foreliggende oppfinnelse overvinner vanskelig-hetene ved tidligere kjente anordninger ved å anbringe et slissantennesystem inkorporert i en borekragekonstruksjon som kan generere elektromagnetisk energi med en intens H-feltkomponent som er normal på kantene av åpningen for The system of the present invention overcomes the difficulties of prior art devices by providing a slot antenna system incorporated in a drill collar structure that can generate electromagnetic energy with an intense H-field component normal to the edges of the opening for

sterk retningsmessig induksjon av feltet i tilliggende borehullsformasjon for vurdering av karakteristikkene til den formasjonen. strong directional induction of the field in adjacent borehole formation for assessment of the characteristics of that formation.

Oppfinnelsen er rettet mot et system for måling av karakteri-stiske underjordiske formasjoner som et borehull går gjennom. Systemet innbefatter innretninger for å generere elektromagnetisk energi som inneholder et sterkt H-felt i nærfeltet og så kraftig fokusering av dette feltet på en asimutisk smal konfigurasjon og retning av feltet mot formasjonen for å tilveiebringe informasjon med hensyn til formasjonens art og i en bestemt asimutretning. Et borehullsverktøy er anordnet som kan bli inkorporert i borestrengen til en boreanordning og innbefatter tre slissantenneenheter asimutmessig fordelt likt rundt verktøyets lengdeakse. Verktøyet innbefatter også innretning for å ha mottatt The invention is aimed at a system for measuring characteristic underground formations through which a borehole passes. The system includes means for generating electromagnetic energy containing a strong H field in the near field and then strongly focusing this field on an azimuthally narrow configuration and directing the field towards the formation to provide information with respect to the nature of the formation and in a particular azimuth direction. A borehole tool is provided which can be incorporated into the drill string of a drilling device and includes three slot antenna units azimuthally distributed equally around the longitudinal axis of the tool. The tool also includes facility for having received

signal med like slissantenneenheter for å vurdere formasjonens art. signal with equal slot antenna units to assess the nature of the formation.

Oppfinnelsen innbefatter også en fremgangsmåte og anordning for å måle karakteristikken til en jordformasjon tilliggende borehullet ved å anbringe en første slissantenne i borehullet slik at veggene til åpningen ligger i plan som strekker seg parallelt i forhold til borehullets akse. Et elektromagnetisk felt blir generert med en sterk H-komponent i nærfeltet og med en frekvens hvor tverrbegrensningen til slissantennen er liten i forhold til en kvart bølgelengde. Det elektromagnetiske feltet blir delt av slissantennen for å definere en smal ikke-forplantet, indusert feltkomponent for gjennomtrengning av borehullsveggen i en vesentlig lengde inn i omgivende formasjon. Et elektromagnetisk signal blir mottatt som reagerer på inntrengningen i formasjonen av den elektromagnetiske energien rettet gjennom slissantennen som et mål for karakteristikken til formasjonen i en bestemt asimutretning. The invention also includes a method and device for measuring the characteristics of a soil formation adjacent to the borehole by placing a first slot antenna in the borehole so that the walls of the opening lie in a plane that extends parallel to the axis of the borehole. An electromagnetic field is generated with a strong H component in the near field and at a frequency where the transverse limitation of the slot antenna is small compared to a quarter of a wavelength. The electromagnetic field is split by the slot antenna to define a narrow non-propagating induced field component for penetrating the borehole wall for a substantial length into the surrounding formation. An electromagnetic signal is received that responds to the penetration of the formation by the electromagnetic energy directed through the slot antenna as a measure of the characteristic of the formation in a particular azimuth direction.

Oppfinnelsen innbefatter en fremgangsmåte og anordningThe invention includes a method and device

for måling av en karakteristikk av jordformasjonen tilliggende et borehull ved å anbringe en andre slissantenne i borehullet med sideveggene parallelle med den første slissantennen og som mottar det elektromagnetiske signalet som passerer fra formasjonen tilbake gjennom den andre slissantennen som et mål for karakteristikken for formasjonen. Oppfinnelsen beskriver også bruk av et par med avstand anbragte mottagerslissantenner og en måling av faseforskjellen til det elektromagnetiske signalet mottatt av to antenner som et mål på karakteristikken til formasjonen i en bestemt asimutretning. for measuring a characteristic of the soil formation adjacent to a borehole by placing a second slot antenna in the borehole with the side walls parallel to the first slot antenna and which receives the electromagnetic signal passing from the formation back through the second slot antenna as a measure of the characteristic of the formation. The invention also describes the use of a pair of spaced receiver slot antennas and a measurement of the phase difference of the electromagnetic signal received by two antennas as a measure of the characteristic of the formation in a certain azimuth direction.

Oppfinnelsen innbefatter dessuten flere par med sende-The invention also includes several pairs of transmitting

og mottagerslissantenner anbragt med avstand asimutmessig fra hverandre for samtidig å måle formasjonskarakteristikken ved forskjellige asimutretninger. and receiver slot antennas placed azimuthally apart to simultaneously measure the formation characteristic at different azimuth orientations.

Oppfinnelsen innbefatter dessuten en fremgangsmåte og anordning for å måle en karakteristikk for jordformasjonen tilliggende et borehull hvor sideveggene til slissantennen er rektangulære med sin lengste del parallell med borehullsaksen og hvor frekvensen til det elektromagnetiske feltet er i størrelsesorden av 2 MHz og størrelsen på slissantennen er i området 1,2-15,3 cm. The invention also includes a method and device for measuring a characteristic of the soil formation adjacent to a borehole where the side walls of the slot antenna are rectangular with their longest part parallel to the borehole axis and where the frequency of the electromagnetic field is of the order of 2 MHz and the size of the slot antenna is in the range 1.2-15.3 cm.

Et annet trekk ved oppfinnelsen innbefatter et system forAnother feature of the invention includes a system for

å måle fall og lagtykkelsen til en jordformasjon gjennomtrengt av borehull i løpet av boringen som innbefatter en ledende sylindrisk seksjon til borekragen med flere første hulrom dannet i legemet til seksjonen for borekragen ved omkretsmessig med avstand anbragte intervaller rundt seksjonen. Borekragen har også flere første slissantenner dannet i den ytre veggen til seksjonen og i kommunikasjon med respektive av første hulrommene sammen med innretninger montert i hver av de første hulrommene for å generering av et elektromagnetisk felt, idet feltet har en sterk H-feltkomponent og er ved en frekvens ved hvilken bølgelengden er lang i forhold til størrelsen på den første slissantennen for å rette en smal definert lobe med indusert elektromagnetisk energi gjennom slissantennene inn i borehullsveggene i en vesentlig lengde. measuring the dip and layer thickness of a soil formation penetrated by boreholes during drilling which includes a conductive cylindrical section for the drill collar with a plurality of first cavities formed in the body of the section for the drill collar at circumferentially spaced intervals around the section. The drill collar also has a plurality of first slot antennas formed in the outer wall of the section and in communication with respective of the first cavities together with devices mounted in each of the first cavities for generating an electromagnetic field, the field having a strong H-field component and being at a frequency at which the wavelength is long relative to the size of the first slot antenna to direct a narrow defined lobe of induced electromagnetic energy through the slot antennas into the borehole walls for a substantial length.

Borekragen har også flere andre hulrom dannet i legemetThe drill collar also has several other cavities formed in the body

til borekrageseksjonen i.aksial innretting med, men aksialt anbragt i avstand fra respektive første hulrom og flere andre slissantenner dannet i den ytre veggen til seksjonen og i kommunikasjon med respektive andre hulrom. Systemet innbefatter innretninger montert i hver av de andre hulrommene for å motta elektromagnetisk energi fra formasjonen som omgir borehullet som reaksjon på energien rettet gjennom to the drill collar section in axial alignment with, but axially spaced from, the respective first cavity and several other slot antennas formed in the outer wall of the section and in communication with the respective second cavity. The system includes devices mounted in each of the other cavities to receive electromagnetic energy from the formation surrounding the borehole in response to the energy directed through

første slissantenne inn i formasjonen og innretning som reagerer på energien mottatt av mottagerinnretningen for å måle borehullsformasjonsparametre langs en lengde av borehullet og for å bestemme fall og lagtykkelse av formasjonene gjennomtrengt av borehullet. first slot antenna into the formation and means responsive to the energy received by the receiving device to measure borehole formation parameters along a length of the borehole and to determine dip and layer thickness of the formations penetrated by the borehole.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere under henvisningThe invention will now be described in more detail under reference

til tegningen, hvor:to the drawing, where:

Fig. 1 viser et skjematisk riss av en borerigg for elektromagnetisk undersøkelse av formasjoner gjennomtrengt av borehullet. Fig. 1 shows a schematic diagram of a drilling rig for electromagnetic examination of formations penetrated by the borehole.

Fig. 2 viser et forstørret delriss av et borerør som harFig. 2 shows an enlarged partial view of a drill pipe which has

en slissantenne dannet deri for generering av et elektromagnetisk felt. Fig. 3 viser skjematisk en metode for eksitering av en slissantenne for generering av elektromagnetisk energi med H-felt normalt på kantene til slissen. Fig. 4 viser et riss av en slissantennerekke dannet i en borekrage og viser det induserte feltmønsteret sendt ut fra hver sliss. a slot antenna formed therein for generation of an electromagnetic field. Fig. 3 schematically shows a method for exciting a slot antenna for generating electromagnetic energy with H-field normal to the edges of the slot. Fig. 4 shows a view of a slot antenna array formed in a drill collar and shows the induced field pattern emitted from each slot.

Fig. 5 viser et snitt av et verktøy for måling i løpetFig. 5 shows a section of a tool for measuring in the barrel

av boringen for å bestemme fallet til den underjordiske formasjonen langs et borehull innbefattende sliss-antennesystemet ifølge foreliggende oppfinnelse. of the borehole to determine the dip of the underground formation along a borehole incorporating the slot antenna system of the present invention.

Fig. 1 viser en borerigg 11 anbragt på toppen av et borehull 12. En utførelsesform av systemet 10 for å måle fallet til underjordiske formasjoner i løpet av boringen er boret av en underenhet 14 innbefattende en del av borekragen 15 og anbragt i borehullet 12. Systemet 10 er anordnet for måling av parametre med hensyn til geologiske sammenset-ninger av lagene som omgir borehullet og følgelig formasjons-fallene gjennom hvilke borehullet passerer ved målingen i løpet av boringen. Fig. 1 shows a drilling rig 11 placed on top of a borehole 12. An embodiment of the system 10 for measuring the drop of underground formations during drilling is drilled by a sub-unit 14 including part of the drill collar 15 and placed in the borehole 12. The system 10 is arranged for measuring parameters with regard to geological compositions of the layers surrounding the borehole and consequently the formation falls through which the borehole passes during the measurement during drilling.

Med henvisning til fig. 1 er en borekrone 22 anbragt vedWith reference to fig. 1, a drill bit 22 is placed at

den nedre enden a borestrengen 18 og skjærer ut borehulletthe lower end of the drill string 18 and cuts out the drill hole

12 av jordformasjonen 24, mens boreslam 26 blir pumpet fra brønnhodet 28. Metalloverflateforingen 29 er vist anbragt i borehullet 12 over borekronen 22 for å opprettholde helheten ved borehullet 12 nær overflaten. Som beskrevet nedenfor tillater foreliggende oppfinnelse nøyaktig måling av fallvinkelen til formasjonen gjennom hvilket borehulllet passerer ved måling under boring. Ringrommet 16 mellom borestrengen 18 og borehullsveggen 20 danner en teoretisk lukket returslambane. Slammet blir pumpet fra brønnhodet 28 av et pumpesystem 30 gjennom slamtilførsels-linjen 31 forbundet med borestrengen 18. Boreslam er på denne måten tvunget nedover den sentrale aksiale passasjen til borestrengen 18 og trenger ut ved borekronen 22 for å føre borekaksen som innbefatter borede deler av jord, stein og lignende oppover fra borekronen og opp til overflaten. En rørledning 32 blir tilført ved brønnhodet for å kanalisere slammet fra borehullet 18 til en slamdam 34. Boreslammet er håndtert og behandlet av forskjellige anordninger (ikke vist) slik som utgassingsenheter og sirkulasjonstanker for å opprettholde valgt viskositet og konsistens for slammet. Systemet i underenheten 14 muliggjør styrt dirigering av 12 of the soil formation 24, while drilling mud 26 is pumped from the wellhead 28. The metal surface liner 29 is shown placed in the borehole 12 above the drill bit 22 to maintain the integrity of the borehole 12 near the surface. As described below, the present invention allows accurate measurement of the dip angle of the formation through which the borehole passes when measuring during drilling. The annular space 16 between the drill string 18 and the borehole wall 20 forms a theoretically closed return mud path. The mud is pumped from the wellhead 28 by a pump system 30 through the mud supply line 31 connected to the drill string 18. Drilling mud is thus forced down the central axial passage of the drill string 18 and penetrates at the drill bit 22 to carry the drill cuttings which include drilled portions of soil , stone and the like upwards from the drill bit and up to the surface. A pipeline 32 is supplied at the wellhead to channel the mud from the borehole 18 to a mud pond 34. The drilling mud is handled and treated by various devices (not shown) such as degassing units and circulation tanks to maintain selected viscosity and consistency for the mud. The system in the sub-unit 14 enables controlled routing of

R.F. elektromagnetisk energi med en kraftig H-feltkomponentR.F. electromagnetic energy with a strong H-field component

i nærfeltet i formasjonen som omgir borehullet og muliggjør måling av arten og sammensetningen av omgivelsesformasjonen i løpet av pumpingen av borefluidum gjennom borestrengen. in the near field in the formation that surrounds the borehole and enables measurement of the nature and composition of the surrounding formation during the pumping of drilling fluid through the drill string.

Fig. 1 viser videre en underenhet 14 og en borekrage 15Fig. 1 further shows a sub-unit 14 and a drill collar 15

som innbefatter en del av systemet 10 ifølge foreliggende oppfinnelse ved utstyret nede i borehullet. Systemet 10 which includes part of the system 10 according to the present invention at the equipment down in the borehole. The system 10

er konstruert for å generere en rekke med signaler for fjernoverføring til brønnhodet eller for opptegning nede i borehullet av informasjon indikativt for sammensetningen av tilliggende formasjoner og fallvinkelen til formasjons-laget i forhold til borehullsaksen. Denne informasjonen blir tilveiebragt fra den elektromagnetiske antennen og utstyret anbragt i underenheten 14, som vil bli beskrevet nærmere nedenfor. De nødvendige telemetri og analysesystemer is designed to generate a series of signals for remote transmission to the wellhead or for recording down the borehole information indicative of the composition of adjacent formations and the dip angle of the formation layer in relation to the borehole axis. This information is provided from the electromagnetic antenna and equipment located in the sub-unit 14, which will be described in more detail below. The necessary telemetry and analysis systems

er av konvensjonell konstruksjon og ikke spesielt beskrevet nærmere her. Fremgangsmåten og anordningen for formasjons-parametervurderingen er imidlertid beskrevet nærmere nedenfor og er en del av foreliggende oppfinnelse. is of conventional construction and not specifically described in more detail here. However, the method and device for the formation parameter assessment are described in more detail below and are part of the present invention.

De sentrale prinsippene ved systemet ifølge foreliggende oppfinnelse innbefatter en konstruksjon vanligvis kalt en slissantenne. Slissantenner er vanligvis konstruert slik at L = NX/2. Dvs. lengden på antennen er et helt multippel av en halv bølgelengde av den elektromagnetiske strålingen som skal bli behandlet av antennen. Et prinsipielt anliggende er vanligvis energien som blir strålt ut og forplantet til fjernfeltet av slike antenneordninger. The central principles of the system according to the present invention include a construction usually called a slot antenna. Slot antennas are usually designed so that L = NX/2. That is the length of the antenna is an integer multiple of half a wavelength of the electromagnetic radiation to be processed by the antenna. A fundamental concern is usually the energy that is radiated and propagated to the far field by such antenna arrangements.

Ved måling i løpet av boringen er det midlertid totalt upraktisk å konstruere antennekonstruksjonen til slike konstruksjoner som er nøyaktig halve bølgelengden ved lengden på den ønskede operasjonsomgivelsen. Dvs. siden et måle-verktøy nede i borehullet blir operert ved jordformasjoner hvor de angjeldende parametre til transmisjonsmediumet kan endre med endringer av bølgelengden, kan også følgelig avstanden som utgjør en halv bølgelengde variere i høy grad. Det er således umulig å drive en slissantenne ved resonans i de forskjellige seg endrende omgivelsestrans-misjonsmedier. When measuring during the drilling, it is temporarily totally impractical to construct the antenna structure of such structures which are exactly half the wavelength at the length of the desired operating environment. That is since a measuring tool down in the borehole is operated at soil formations where the relevant parameters of the transmission medium can change with changes in the wavelength, the distance that makes up half a wavelength can also vary to a large extent. It is thus impossible to operate a slot antenna by resonance in the various changing ambient transmission media.

Det er således nødvendig for å få en effektiv ytelse med hensyn til asimutdefinerte målinger med elektromagnetisk stråling er at slissantenner blir konstruert som frembringer en sterk retningsmessig og kraftig H-felt i nærfeltomgivelsen. Uttrykket kraftig H-felt betyr her at vektorstørrelsen It is thus necessary to obtain an efficient performance with regard to azimuth-defined measurements with electromagnetic radiation, that slot antennas are constructed which produce a strong directional and powerful H-field in the near-field environment. The term strong H-field means here that the vector magnitude

til H-feltet for den elektromagnetiske strålingen er stor relativt i forhold til vektorstørrelsen E-feltet ved en bestemt avstand fra antennen. Sterke lokale E-felt er likeledes uttrykk som betyr at vektorstørrelsen til E-feltet er større i forhold til vektorstørrelsen på H-feltet. until the H-field for the electromagnetic radiation is relatively large in relation to the vector magnitude E-field at a certain distance from the antenna. Strong local E-fields are likewise expressions which mean that the vector size of the E-field is greater in relation to the vector size of the H-field.

Et sterkt lokalt H-felt er ønskelig på grunn av at detA strong local H-field is desirable because it

er generelt her foreslått antenner som frembringer sterke antennas that produce strong are generally proposed here

lokale H-felt er mer effektive ved indusering av strømmer ved punktavstander fra borehullet uten å bli overliggende følsomme til borehullsgeometrier og lokale betingelser enn antenner som frembringer sterke lokale E-felt. local H-fields are more effective at inducing currents at point distances from the borehole without becoming overly sensitive to borehole geometries and local conditions than antennas that produce strong local E-fields.

Muligheten for å indusere strømmer i jordformasjonen er vesentlige for å kunne påfølgende måle et signal dannet av disse induserte strømmene som er proporsjonalt med parametrene til formasjonen. For å kunne indusere strømmer ved en avstand fra borehullet blir forbistrømmede slamkake-områder og inntrengningssoner en nødvendig del for bestemmelse av parametrene til uforstyrrede formasjoner. Forslaget i foreliggende oppfinnelse innbefatter således en metode for å eksitere en slissantenne på en slik måte at den vil frembringe et kraftig lokalt H-felt og således være effektiv ved indusering av strøm i en avstandsformasjon. The possibility of inducing currents in the soil formation is essential in order to subsequently measure a signal formed by these induced currents which is proportional to the parameters of the formation. In order to be able to induce currents at a distance from the borehole, past flowed mud cake areas and penetration zones become a necessary part for determining the parameters of undisturbed formations. The proposal in the present invention thus includes a method for exciting a slot antenna in such a way that it will produce a strong local H-field and thus be effective when inducing current in a distance formation.

Som vist på fig. 2 må en sliss som kan bli anvendt vedAs shown in fig. 2 must have a slot that can be used by

et ■ slikt målesystem ha en heller generell form og må ikke nødvendigvis innbefatte en spesiell utformet sliss. Som vist på fig. 2 har borekragen 31 dannet deri en åpning 42 hvis ytre parameter danner en uregelmessig omhyllende periferi 33. I legemet til borerøret 41 er et elektromagnetisk felt eksitert for således å danne et H-felt i retning av pilen 44 normalt på kantene 43 til åpningen 42, som danner slissen. Med H-feltet orientert på denne måten vil en strøm bli indusert langs kantene av åpningen og energi bli strålt inn i de ytre omgivelsene i en retning normalt på kantene til åpningen 43. such a measurement system has a rather general shape and does not necessarily have to include a specially designed slot. As shown in fig. 2, the drill collar 31 has formed therein an opening 42 whose outer parameter forms an irregular enclosing periphery 33. In the body of the drill pipe 41 an electromagnetic field is excited so as to form an H-field in the direction of the arrow 44 normally on the edges 43 of the opening 42, which forms the slit. With the H field oriented in this way, a current will be induced along the edges of the opening and energy will be radiated into the external environment in a direction normal to the edges of the opening 43.

Med henvisning til fig. 3 er en rektangulær åpning 45 med generelt lineære sidevegger 46 dannet i veggene til en borehullskrage 47. Umiddelbart tilliggende åpningen 45 With reference to fig. 3 is a rectangular opening 45 with generally linear side walls 46 formed in the walls of a borehole collar 47. Immediately adjacent to the opening 45

til det ytre av borekragen er en sløyfeantenne som kan innbefatte en eller flere vindinger 48 og blir drevet avR.F. energi slik at strømmen i sløyfeantennen flyter i retningen av pilen 49 for således å frembringe et sterkt to the outside of the drill collar is a loop antenna which may include one or more windings 48 and is driven by R.F. energy so that the current in the loop antenna flows in the direction of the arrow 49 to thus produce a strong

lokalt H-felt i retning av pilen 50. For å danne ønsket radial rettet H-felt, er det foretrukket at slissen eller åpningen 45 bli eksitert ved hjelp av R.F. energi som har en frekvens hvor størrelsen på sideveggene 46 i åpningen 45 er liten i forhold til bølgelengdeenergien. Det fremgår således at slissantennen eller åpningsantennen ifølge foreliggende oppfinnelse ikke blir drevet ved eller i nærheten av dens resonansfrekvens for således å forplante energi i den omgivende formasjon, men heller betydelig under dens resonansfrekvens for således å danne et R.F. induksjonsfelt med en sterk H-komponent i nærfeltet som er direkte radialt rettet bort fra åpningen 45. local H-field in the direction of the arrow 50. To form the desired radially directed H-field, it is preferred that the slit or opening 45 be excited by means of R.F. energy that has a frequency where the size of the side walls 46 in the opening 45 is small in relation to the wavelength energy. It thus appears that the slot antenna or aperture antenna according to the present invention is not operated at or near its resonance frequency in order to propagate energy in the surrounding formation, but rather significantly below its resonance frequency in order to thus form an R.F. induction field with a strong H component in the near field which is directly directed radially away from the opening 45.

Som videre vist på fig. 4, er slissantennen anvendt ved foreliggende oppfinnelse konstruert på en slik måte og frekvensen valgt på en slik måte at energien blir rettet inn i formasjonen på en svært selektiv måte. Som vist har borekragen 51 flere slisser 52 dannet ved 90° vinkler i forhold til hverandre og liggende i et felles plan på As further shown in fig. 4, the slot antenna used in the present invention is constructed in such a way and the frequency chosen in such a way that the energy is directed into the formation in a highly selective manner. As shown, the drill collar 51 has several slots 52 formed at 90° angles to each other and lying in a common plane on

tvers av sentralaksen til borekragen 51. Antenneslissene 52 blir eksitert med R.F. energi for således å tilveiebringe en kollumaterende eller fokuserende effekt i horisontalplanet vist ved hjelp av nærfeltmønsteret 53 vist seg strekkende inn i formasjonen 54. Det skal bemerkes at en lignende vertikal fokuserende effekt vil være nødvendig for å gi den vertikaloppløsningstypen nødvendig for å,generere forma-sjonslogger av høy kvalitet fra hvilke fallformasjonene kan bli bestemt. Slissene 52 dannet rundt omkretsperiferien ' til borekragen 51 muliggjøre flere målinger utført samtidig. Det skal imidlertid bemerkes at en enkelt sliss eller sliss-rekke kunne bli anvendt for å tillate målinger ved flere forskjellige retninger og anvendt i forbindelse med en asimutposisjonsovervåkingsanordning for å muliggjøre bestemmelse av formasjonsfallet. Det skal bemerkes at en sekvens av målinger av asimutinformasjon er gjentatt når borestrengen beveges ned borehullet gjennom formasjonen for å tilveiebringe all informasjon nødvendig for å bestemme fallet across the central axis of the drill collar 51. The antenna slots 52 are excited with R.F. energy to thus provide a collimating or focusing effect in the horizontal plane shown by the near-field pattern 53 shown extending into the formation 54. It should be noted that a similar vertical focusing effect will be necessary to provide the type of vertical resolution necessary to generate the formation high-quality sion logs from which the fall formations can be determined. The slits 52 formed around the peripheral periphery of the drill collar 51 enable several measurements to be carried out simultaneously. However, it should be noted that a single slot or series of slots could be used to allow measurements at several different directions and used in conjunction with an azimuth position monitoring device to enable determination of formation dip. It should be noted that a sequence of measurements of azimuth information is repeated as the drill string is moved downhole through the formation to provide all the information necessary to determine the dip

og formasjonen så vel som lagtykkelsen.and the formation as well as the layer thickness.

Det skal også bemerkes at slissantennen anvendt ved under-resonansfrekvenser også kan bli anordnet i senderpar og også i andre sammenstillinger av slissede rekker som danner energimønster som er rettet ned i borehullet. It should also be noted that the slotted antenna used at sub-resonance frequencies can also be arranged in transmitter pairs and also in other combinations of slotted arrays that form an energy pattern that is directed down the borehole.

Forholdet mellom elektriske parametre og fysiske sammenset-ninger av formasjoner tilliggende borehull er kjent å kunne bestemme formasjonsfallaget fra bestemte målte sett med elektriske parametre. Det som er vesentlig ved foreliggende oppfinnelse er således ved hvilke formasjoner elektriske parametre er vurdert for å kunne lett bestemme aksiale og asimutsteder i borehullet ved hvilke disse parametrene endres som en indikasjon på overgangsområdet mellom en formasjon og neste tilliggende formasjon. The relationship between electrical parameters and physical compositions of formations adjacent to boreholes is known to be able to determine the formation fallout from certain measured sets of electrical parameters. What is essential in the present invention is thus at which formations electrical parameters are assessed in order to be able to easily determine axial and azimuth sources in the borehole at which these parameters change as an indication of the transition area between a formation and the next adjacent formation.

På fig. 5 er det vist en tverrsnitt av underenheten 14In fig. 5, a cross-section of the sub-unit 14 is shown

som bærer systemet konstruert ifølge foreliggende oppfinnelse. Underenheten 14 innbefatter fortrinnsvis en borekrage som er koplet mellom borerørseksjonen som innbefatter borestrengen 18 anbragt i borehullet 12. Borehullet 12 går gjennom formasjonen 24 som kan innbefatte et leirskiferlag 61 og et leirelag 62 som har grenser derimellom vist ved 63. Funksjonen ved metoden og systemet ifølge foreliggende oppfinnelse kan bestemme punkter langs borehullsveggen hvor grenselaget 63 skjærer borehullet 12 for således å vurdere fallvinkelen til formasjonsgrenselaget. Det er også klart at fremstillingen av forholdet mellom laget 61 og 62 og grenselaget 63 er kun illustrativt for for-klaringens skyld. De skarpe definisjonene av de viste områdene kommer overgangen av geologiske lag vil være mye mer gradvis i virkeligheten. which carries the system constructed according to the present invention. The sub-assembly 14 preferably includes a drill collar which is connected between the drill pipe section which includes the drill string 18 placed in the drill hole 12. The drill hole 12 passes through the formation 24 which may include a clay shale layer 61 and a clay layer 62 which have boundaries between them shown at 63. The function of the method and system according to present invention can determine points along the borehole wall where the boundary layer 63 intersects the borehole 12 in order to thus assess the dip angle of the formation boundary layer. It is also clear that the representation of the relationship between the layers 61 and 62 and the boundary layer 63 is only illustrative for the sake of explanation. The sharp definitions of the areas shown come the transition of geological layers will be much more gradual in reality.

Underenheten 14 innbefatter et sylindrisk stållegeme 71The sub-unit 14 includes a cylindrical steel body 71

som har en aksial passasje 72 dannet derigjennom. Boringen 72 tillater strømning av borefluidum ned borestrengen og which has an axial passage 72 formed therethrough. The bore 72 allows the flow of drilling fluid down the drill string and

ut borekronen 22 hvor det strømmer tilbake til overflaten gjennom ringområdet 16 mellom sidene av underenheten 14 out the drill bit 22 where it flows back to the surface through the ring area 16 between the sides of the sub-assembly 14

og veggene til borehullet 12. Ringromområdet 16 er således fylt med ledende borefluider. Dannet nær ene enden av den sylindriske borekragen 71 tilliggende boringen 72 er et avtrappet område 73 som danner et instrumenteringsrom 74. Rommet 74 er tettet mot inntrengning av borefluider ved hjelp av en generell sylindrisk innsats 75 med en indre diameter lik den indre diameteren til den aksiale passasjen 72 og en radialt seg utspredende øvre ende 76 for å lukke instrumentrommet 74. and the walls of the borehole 12. The annulus area 16 is thus filled with conductive drilling fluids. Formed near one end of the cylindrical drill collar 71 adjacent the bore 72 is a stepped area 73 which forms an instrumentation space 74. The space 74 is sealed against the ingress of drilling fluids by means of a general cylindrical insert 75 with an inner diameter equal to the inner diameter of the axial the passage 72 and a radially spreading upper end 76 to close the instrument compartment 74.

Instrumentrommet 74 inneholder både radiofrekvenssendereThe instrument compartment 74 contains both radio frequency transmitters

og radiofrekvensmottagere så vel som strømforsyning og både opptegningsinstrumenter og/eller instrumenter for behandling av data for telemetri til overflaten ved hjelp av innretninger ikke vist. and radio frequency receivers as well as power supply and both recording instruments and/or instruments for processing data for telemetry to the surface by means of devices not shown.

Utførelsesformen ifølge foreliggende oppfinnelse vist påThe embodiment according to the present invention shown on

fig. 5 innbefatter tre par med slissantenner montert ved 120° asimutavstand fra hverandre. Senderslissen 81 er rektangulær i form med dets lengde seg strekkende parallelt i forhold til borekragens akse. Senderslissene kan f.eks. være i størrelsesorden av 1,27 cm bred og 10,1 cm til 15,2 cm i lengde. Hver av slissene 81 er anbragt radialt utover-rettet i borekragen fra en antennemonteringsutsparing 82 fig. 5 includes three pairs of slot antennas mounted at 120° azimuth distance from each other. The transmitter slot 81 is rectangular in shape with its length extending parallel to the axis of the drill collar. The transmitter slots can e.g. be on the order of 1.27 cm wide and 10.1 cm to 15.2 cm in length. Each of the slits 81 is arranged radially outwardly in the drill collar from an antenna mounting recess 82

i hvilken er anbragt en oval sløyfesendende antenne 83in which an oval loop transmitting antenna 83 is placed

som har lengderetningen av sløyfen anbragt i samme retning som lengderetningen av slissen 81. Hver sløyfe 83 kan innbefatte en eller flere vindinger med elektriske ledere og dets ender er båret av den rørformede ledningen 84 fra antennemonteringsutsparingen 82 gjennom stållegemet til borekragen 81 til instrumenthulrommet 74 hvor de er forbundet med utgangen til en radiofrekvenssender. Direkte under senderantennen 81 er likeledes anordnet direkte første mottagerslissantenne 91 radialt innover av hvilke er dannet første mottagerantennemonteringshulrom 92. De første sliss- which has the longitudinal direction of the loop arranged in the same direction as the longitudinal direction of the slot 81. Each loop 83 may include one or more turns of electrical conductors and its ends are carried by the tubular wire 84 from the antenna mounting recess 82 through the steel body of the drill collar 81 to the instrument cavity 74 where they is connected to the output of a radio frequency transmitter. Directly below the transmitter antenna 81, the first receiver slot antenna 91 is also arranged radially inwards, which form the first receiver antenna mounting cavity 92. The first slot

mottagerantenner 91 er anbragt med avstand i en størrelses-orden av et par centimeter i aksial retning fra senderantennen 91 og er i aksial innretning derved. Montert i hvert hulrom 92 er en første mottagerantenne 93 av oval-sløyfetypen innbefattende en eller flere vindinger, hvilke ender er båret av en rørformet føring 94 for forbindelse med en mottager anbragt i instrumenthulrommet 74. receiver antennas 91 are placed at a distance in the order of a couple of centimeters in the axial direction from the transmitter antenna 91 and are thereby axially aligned. Mounted in each cavity 92 is a first receiver antenna 93 of the oval-loop type including one or more turns, the ends of which are carried by a tubular guide 94 for connection with a receiver placed in the instrument cavity 74.

Verktøyet ifølge foreliggende oppfinnelse kan også anvendeThe tool according to the present invention can also be used

en rekke med avstand anbragte andre slissantenner 101 direkte under og i aksial innretning med den første mottageråpningsantennen 91. Den andre mottageråpningsantennen 91 er også anbragt med avstand i størrelsesorden av et par cm i aksial retning fra den første antennen 91. Hver av de andre slissantennene 91 er i kommunikasjon med det andre mottagerantenne-monteringshulrommet 102. Montert i hvert hulrom 102 er en andre mottagende antenne 103 av ovalsløyfetypen også innbefattende en eller flere vindinger, hvilke ender er båret av en rørformet føring 104 for forbindelse med en mottager anbragt i instrumenthulrommet 74. a row of spaced apart second slot antennas 101 directly below and in axial alignment with the first receiver aperture antenna 91. The second receiver aperture antenna 91 is also positioned at a distance of the order of a couple of cm in the axial direction from the first antenna 91. Each of the other slot antennas 91 is in communication with the second receiving antenna mounting cavity 102. Mounted in each cavity 102 is a second receiving antenna 103 of the oval loop type also including one or more turns, the ends of which are carried by a tubular guide 104 for connection with a receiver located in the instrument cavity 74.

Det indre av begge antennemonteringshulrommene og slissantennene er fylt med et seigt elastisk isolerende materiale understøttende både sender- og mottagerantennene og beskyt-tende dem fra omgivelsen til borehullet, mens boringen fremskrider så vel som lukker det ytre periferien av borekragen fra inntrengning av fluider og dannelse av en kontinuerlig ytre overflate. The interior of both antenna mounting cavities and slot antennas are filled with a tough elastic insulating material supporting both the transmitter and receiver antennas and protecting them from the borehole environment while drilling progresses as well as sealing the outer periphery of the drill collar from ingress of fluids and formation of a continuous outer surface.

Som beskrevet ovenfor, blir senderantennen 83 drevet vedAs described above, the transmitter antenna 83 is driven by

enR.F. frekvens i størrelsesorden av 2 MHz, mens størrelsen på slissantennen er betydelig mindre enn en kvart eller halv bølgelengde ved denne frekvensen. I stedet for å a R.F. frequency in the order of 2 MHz, while the size of the slot antenna is significantly smaller than a quarter or half a wavelength at this frequency. Instead of to

virke som en resonator for å forplante elektromagnetisk energi i den omgivende formasjonen, virker således slissantennene som "kolumnatorer" for å frembringe et indusert elektromagnetisk felt i formasjonen i både vertikalt og act as a resonator to propagate electromagnetic energy in the surrounding formation, thus the slot antennas act as "columnators" to produce an induced electromagnetic field in the formation in both vertical and

horisontalt smalt definert område. Sløyfeantennen 83 blir operert i en modus hvorved det induserte elektromagnetiske feltmønsteret inneholder en svært kraftig H-feltkomponent i nærfeltet for å maksimalisere inntrengningen og definisjonen av feltet i formasjonen. Slissmottagerantennen 91 tjener til å definere et smalfeltmønster som blir anvendt for å eksitere mottagerantennen 93 av ovalsløyfetypen som reaksjon på det mottatte signalet frembragt av konduktiviteten i formasjonen som oppfører seg som reaksjon på det induserte feltet. horizontally narrowly defined area. The loop antenna 83 is operated in a mode whereby the induced electromagnetic field pattern contains a very strong H-field component in the near field to maximize the penetration and definition of the field in the formation. The slot receiver antenna 91 serves to define a narrow field pattern which is used to excite the oval loop type receiver antenna 93 in response to the received signal produced by the conductivity in the formation which behaves in response to the induced field.

Dersom tre senderantenner 81 således er anbragt på omkretsen rundt borekragen 15 og er samtidig eksitert med et R.F. signal som en kraftig H-feltkomponent i nærfeltet og slissantennene 91 er hver samtidig samplet, mottagersignalene er indikative for konduktiviteten til formasjonen tilliggende hver av de respektive mottagerantenneslissene 91. Dersom borerørfoten 18 deretter blir beveget aksialt ned borehullet og en påfølgende transmisjon er utført fra hver av de tre rundt omkretsen anbragte sliss-senderantenner 81 og det mottatte signalet ved tre med avstand anbragte sliss-mottagerantenner 91 blir sammenlignet med tidligere avles-ninger, er det gitt en indikasjon av på hvilken måte formasjonen som omgir borehullet har endret med avstand langs borehullet. Nærmere bestemt kan denne endringen med hensyn til konduktivitetsinformasjon som en funksjon av både asimut og avstanden i lengderetningen langs borehullet bli behandlet av konvensjonell software for å frembringe en indikasjon av formasjonsfall gjennom hvilke borehullet passerer. If three transmitter antennas 81 are thus placed on the circumference around the drill collar 15 and are simultaneously excited with an R.F. signal as a strong H-field component in the near field and the slot antennas 91 are each simultaneously sampled, the receiver signals are indicative of the conductivity of the formation adjacent to each of the respective receiver antenna slots 91. If the drill pipe leg 18 is then moved axially down the borehole and a subsequent transmission is carried out from each of the three slot transmitter antennas 81 placed around the perimeter and the received signal at three spaced slot receiver antennas 91 are compared with previous readings, an indication is given of how the formation surrounding the borehole has changed with distance along the borehole. More specifically, this change in conductivity information as a function of both azimuth and longitudinal distance along the borehole can be processed by conventional software to produce an indication of formation dips through which the borehole passes.

Ved en annen foretrukket operasjonsmodus blir signalet indusert i formasjonen gjennom sliss-senderantennene 81 mottatt av både rekken med første mottagerslissantenner 91 og rekken med andre mottagerslissantenner 101. Faseforskjellen mellom signalene mottatt av de første antennene In another preferred mode of operation, the signal induced in the formation through the slot transmitter antennas 81 is received by both the row of first receiver slot antennas 91 and the row of second receiver slot antennas 101. The phase difference between the signals received by the first antennas

91 og de andre antennene 101 er indikative for karakteristikken til formasjonen tilliggende borehullet. Denne faseforskjellen blir målt mellom utgangen til de to mottatte signalene av en fasekomparator anordnet i instrumenthulrommet 74 med mottagerne. Bevegelse av verktøyet ned borehullet for flere målte bevegelser av faseforskjellen muliggjør vurdering av formasjonsfallet og lagtykkelsen ved konvensjonell signalanalyseteknikk. 91 and the other antennas 101 are indicative of the characteristics of the formation adjacent to the borehole. This phase difference is measured between the output of the two received signals by a phase comparator arranged in the instrument cavity 74 with the receivers. Moving the tool down the borehole for several measured movements of the phase difference enables assessment of the formation drop and layer thickness by conventional signal analysis techniques.

Det skal bemerkes at et vesentlig trekk ved foreliggende oppfinnelse er bruk av en sliss- eller åpningsantenne i forbindelse med ikke seg utbredende feltkomponenter for den elektromagnetiske energien som har en frekvens i stør-relsesorden 2MHz, dvs. induksjonfeltet for å danne ved underresonansområdet til antennen et ikke-forplantende H-felt med stor amplitude og sterk retningsbestemt som trenger gjennom til en bestemt dypde i formasjonen som omgir borehullsveggen. Den induserte feltmodusen til det eksiterende signalet kan trenge mye dypere utover borehullsveggen enn det som ville vært mulig med et forplantet mikro-bølgesignal av resonanstypen som beskrevet ved tidligere kjente anordninger. It should be noted that an essential feature of the present invention is the use of a slot or aperture antenna in connection with non-propagating field components for the electromagnetic energy which has a frequency of the order of 2MHz, i.e. the induction field to form at the sub-resonance area of the antenna a non-propagating high-amplitude, highly directional H-field that penetrates to a certain depth in the formation surrounding the borehole wall. The induced field mode of the exciting signal can penetrate much deeper beyond the borehole wall than would be possible with a propagated microwave signal of the resonance type as described in previously known devices.

Som det fremgår av beskrivelsen muliggjør systemet og fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse en nøyaktig bestemmelse av verdiene til formasjonsparametrene bestemt ved vertikale og asimutnøyaktighet til borehullet som en del av en måling i løpet av boringen. As appears from the description, the system and method according to the present invention enables an accurate determination of the values of the formation parameters determined by vertical and azimuth accuracy of the borehole as part of a measurement during drilling.

Claims

System for measuring a characteristic of a formation adjacent to a borehole, characterized by:

a conductive cylindrical housing,

a cavity formed in the house,

a slot antenna formed in the outer wall of the housing in communication with the annulus between the housing and the borehole wall and cavity,

device mounted in the cavity to generate an electromagnetic field, the field having a strong H-field component and being at a frequency at which the wavelength is longer relative to the size of the slot antenna to direct a narrowly defined beam of induced electromagnetic energy 1 the borehole wall to a significant extent,

device also mounted in the cavity to receive energy from the formation surrounding the borehole wall in response to transmitted energy, and

device that responds to received energy to determine characteristics of the formation that includes the borehole wall.

2.

System according to claim 1, characterized in that the slot antenna is rectangular and that the size of the opening is much smaller than the entire part of the wavelength of the generated electromagnetic energy.

3.

System according to claim 1, characterized by a second cavity formed in the housing, and

a second slot antenna formed in the housing and in communication with the second cavity and that the signal receiver device is placed inside the second cavity.

4.

System according to claim 3, characterized in that the first and second slot antennas are rectangular in shape with their longitudinal part aligned and parallel to the central axis of the housing and that the two slot antennas are vertically positioned at a distance from each other.

5 .

System according to claim 1, characterized by a device for monitoring the azimuth position of the slot antennas when the measurements have been carried out.

6..

System according to claim 1, characterized in that the electromagnetic field has a frequency in the order of 2 MHz and that the size of the slot antenna is in the size range from 1.27-15.2 cm.

7.

System according to claim 1, characterized in that the cavity and the slot antenna are filled with an insulating material.

8.

System for measuring dip and layer thickness of soil formation penetrated by a borehole in a measurement under drilling conditions,

characterized by

a leading cylindrical section of the drill collar,

multiple first cavities formed in the body of the drill collar section at spaced intervals on the circumference and around the section,

a plurality of first slot antennas formed in the outer wall of the section and in communication with respective first cavities,

devices mounted in each of the first cavities for generating the electromagnetic field, the field having a strong H-field component and being at a frequency at which the wavelength is long relative to the size of the first slot antennas to direct a narrowly defined lobe of induced electromagnetic energy through the slot antenna into the wall of the borehole for a significant length,

a plurality of second cavities formed in the body of the drill string section in axial alignment with, but axially spaced from, respective of the first cavities,

several other slot antennas formed in the outer wall of the section and in communication with respective other cavities,

devices mounted in each of the other cavities for receiving electromagnetic energy from the formation surrounding the borehole in response to energy directed through the first slot antennas into the formation,

device that responds to energy received by the receiving device to measure the borehole formation parameters along a borehole length and determine dip and layer thickness

•of the formation penetrated by the borehole.

9.

System according to claim 8, characterized in that the first and second slot antennas are rectangular in cross-section with their length parallel to the axis of the section for the drill collar.

10.

System according to claim 8, characterized in that the first and second cavities and the first and second slot antennas are filled with a durable elastic insulating material to give the drill collar a closed continuous outer surface.

11.

System according to claim 8, characterized in that the electromagnetic field generating device consists of a loop antenna lying in a plane generally parallel to the plane of the slot antennas and a transmitter connected to the antennas.

12.

System according to claim 8, characterized in that the electromagnetic field has a frequency in the order of 2 MHz and that the size of the slot antennas is in the size range of 1.27-15.2 cm and that the antennas are operated in a non-resonant mode.

13 .

System according to claim 8, characterized in that several third cavities are formed in the body of the drill collar section placed at intervals on the circumference with a distance around the section,

several third slot antennae are formed in the outer wall of the section and in communication with respective third cavities,

means mounted in each of the third cavities for receiving electromagnetic energy from the formation surrounding the borehole in response to the energy directed through the first slot antennas into the formation, and that the received energy responsive means includes means for comparing the phase difference between signals received by the other and third slot antennas for measuring the borehole formation parameters.

14.

Procedure for measuring the characteristics of a soil formation adjacent to a borehole, characterized by

placement of a first slot antenna in the borehole so that the walls of the opening lie in a plane that extends parallel to the axis of the borehole,

generation of the electromagnetic field with a strong H component in the near field and at a frequency where the cross-section of the slot antenna is small compared to a quarter of a wavelength,

directing the electromagnetic field through the slot antenna to define a narrow non-propagating induced field component for penetrating the borehole wall a substantial distance into the surrounding formation, and receiving an electromagnetic signal responsive to penetration into the formation of the electromagnetic energy directed through the slot antenna as a measure of the characteristic of the formation.

15.

Method according to claim 14, characterized in that the receiver step includes

placement of a second slot antenna in the borehole with the sidewalls parallel to the first slot antenna,

receiving the electromagnetic signal passing from the formation back through the second slot antenna as a measure of the characteristic of the formation.

16.

Method according to claim 14, characterized in that the side walls of the slot antenna are rectangular with its length parallel to the axis of the borehole.

17.

Method according to claim 14, characterized in that a frequency of the order of 2 MHz is used as a frequency for the electromagnetic field and that the size of the slot antennas is in the range of 1.27-15.24 cm.

18.

System for measuring a characteristic of a soil formation adjacent to a borehole, characterized by including

device for placing a first slot antenna in the borehole so that the walls of the opening lie in a plane that extends parallel to the axis of the borehole,

device for generating an electromagnetic field with a strong H component in the near field and at a frequency where the cross-section of the slot antenna is small in relation to the long wavelength,

means for directing the electromagnetic field through the slot antenna to define a narrow non-propagating induced field component for penetration into the borehole wall at a substantial depth in the surrounding formation, and means for receiving an electromagnetic signal responsive to penetration of the formation by the electromagnetic energy directed through the slot antenna as a measure of the formation characteristic.

19.

System according to claim 18, characterized in that the receiver step includes

device for placing a second slot antenna in the borehole with side walls parallel to the first slot antenna,

means for receiving the electromagnetic signal passing from the formation back through the second slot antenna as a measure of the characteristics of the formation.

20.

System according to claim 18, characterized in that the side walls of the slot antenna are rectangular with the length parallel to the borehole axis.

21.

System according to claim 18, characterized in that the frequency of the electromagnetic field is in the order of magnitude of 2 MHz and the size of the slot antennas is in the range of 1.27-15.24 cm.