(57)【要約】  電磁エネルギーのパルスを放出するための電磁エネルギー源は、第２セクションと軸方向に整列し、かつ、第２セクションと離間する、第１セクションを有するゾンデアセンブリを含む。エネルギー蓄積キャパシタは、ゾンデアセンブリの第１セクションおよび第２セクションのそれぞれに取り付けられ、電界を生成するように動作可能な、電極を含む。容量性電荷蓄積媒体は、ゾンデアセンブリの第１セクションおよび第２セクションのそれぞれに取り付けられ、各電極を取り囲み、ここで容量性電荷蓄積媒体は巨大誘電体および巨大透磁率フェライトである。速閉スイッチは、ゾンデアセンブリの第１セクションと第２セクションの間に配置される。
2021504685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁エネルギーのパルスを放出するための電磁エネルギー源であって、
第２セクションと軸方向に整列し、かつ、第２セクションと離間する、第１セクションを含むゾンデアセンブリと、
エネルギー蓄積キャパシタであって、
前記ゾンデアセンブリの前記第１セクションおよび前記第２セクションのそれぞれに取り付けられ、電界を発生するように動作可能な電極と、
前記ゾンデアセンブリの前記第１セクションおよび前記第２セクションのそれぞれに取り付けられ、各電極を取り囲む、容量性電荷蓄積媒体であって、前記容量性電荷蓄積媒体は巨大誘電体および巨大透磁率フェライトである、容量性電荷蓄積媒体と、
を含む、エネルギー蓄積キャパシタと、
前記ゾンデアセンブリの前記第１セクションおよび前記第２セクションの間に配置される速閉スイッチと、
を含む、電磁エネルギー源。
【請求項２】
前記ゾンデアセンブリの前記第１セクションと前記第２セクションとの間に接続された高電圧電源をさらに含む、請求項１に記載の電磁エネルギー源。
【請求項３】
前記速閉スイッチと前記高電圧電源が、前記電極間に接続される、請求項２に記載の電磁エネルギー源。
【請求項４】
前記高電圧電源と前記電極との間に配置された限流抵抗器をさらに含む、請求項２に記載の電磁エネルギー源。
【請求項５】
前記電磁エネルギー源はさらに、地下炭化水素貯留層を通過するように電磁エネルギーのパルスを放出する複数の電磁エネルギー源を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電磁エネルギー源。
【請求項６】
前記電磁エネルギー源は、地下炭化水素貯留層を通過するために、一連の位置で電磁エネルギーのパルスを放出するために、井戸ボアホール内の前記一連の位置に移動可能である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電磁エネルギー源。
【請求項７】
前記ゾンデアセンブリは、第１の導体として機能する導体部材を有し、前記電極は、第２の導体として機能する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電磁エネルギー源。
【請求項８】
前記容量性電荷蓄積媒体は、前記導体部材と前記電極との間に配置される、請求項７に記載の電磁エネルギー源。
【請求項９】
前記導体部材は、前記容量性電荷蓄積媒体によって前記電極から電気的に絶縁されている、請求項７に記載の電磁エネルギー源。
【請求項１０】
電磁エネルギーのパルスを放出して、地下炭化水素貯留層の電磁イメージングのために地下炭化水素貯留層を通過するための供給源であって、ゾンデアセンブリと、井戸ボアホール内を目的の深度まで移動するためのワイヤラインに取り付けられた請求項１に記載の速閉スイッチとを備える、供給源。
【請求項１１】
地下炭化水素貯留層の電磁イメージング形成のために電磁エネルギーのパルスを使用するためのシステムであって、
少なくとも１つの電磁エネルギー源であって、各電磁エネルギー源が、
井戸ボアホール内を目的の深度まで移動するためのワイヤラインに取り付けられたゾンデアセンブリであって、第２セクションと軸方向に整列され、かつ、第２セクションと離間する、第１セクションを含む、ゾンデアセンブリと、
前記ゾンデアセンブリの前記第１セクションおよび前記第２セクションのそれぞれに取り付けられ、電界を生成するように動作可能な電極と、前記ゾンデアセンブリの前記第１セクションおよび前記第２セクションのそれぞれに取り付けられ、各電極を取り囲む容量性電荷蓄積媒体を含む、エネルギー蓄積キャパシタであって、前記容量性電荷蓄積媒体が巨大誘電体および巨大透磁率フェライトである、エネルギー蓄積キャパシタと、
前記ゾンデアセンブリの前記第１セクションおよび前記第２セクションの間に配置される速閉スイッチと、を含む、電磁エネルギー源と、
前記電磁エネルギー源からの結果として生じる信号の強度を形成する複数の電磁センサと、
を含む、システム。
【請求項１２】
前記複数の電磁センサは、前記地下炭化水素貯留層内のセンサボア内に降下された井戸ツール内に取り付けられる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記複数の電磁センサは、前記地下炭化水素貯留層の上方の地表面上にアレイ状に配置される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記複数の電磁センサによって受信された結果として生じる信号に関する情報を記憶し、前記結果として生じる信号のコンピュータ化された分析を実行するためのシステム制御ユニットをさらに備える、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
電磁エネルギー源を有する電磁エネルギーのパルスを放出するための方法であって、
前記電磁エネルギー源を提供することであって、
第２セクションと軸方向に整列し、かつ、第２セクションと離間する、第１セクションを含むゾンデアセンブリと、
前記ゾンデアセンブリの前記第１セクションおよび前記第２セクションのそれぞれに取り付けられた電極と、前記ゾンデアセンブリの前記第１セクションおよび前記第２セクションのそれぞれに取り付けられ、前記電極を取り囲む容量性電荷蓄積媒体とを含む、エネルギー蓄積キャパシタであって、前記容量性電荷蓄積媒体が巨大誘電体および巨大透磁率フェライトである、エネルギー蓄積キャパシタと、
前記第１セクションおよび前記第２セクションの電極の間に配置された速閉スイッチと、を有する、提供することと、
前記エネルギー蓄積キャパシタを充電することであって、前記速閉スイッチを閉鎖して、電磁エネルギーのパルスを前記電磁エネルギー源から放出させる、充電することと、
を含む方法。
【請求項１６】
前記電磁エネルギー源が、ゾンデアセンブリの前記第１セクションの電極および前記第２セクションの電極に接続された高電圧電源をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記電磁エネルギー源は、前記高電圧電源と、前記第１セクションの電極および前記第２セクションの電極の両方との間に配置された限流抵抗器をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
井戸ボアホール内のワイヤライン上の電磁エネルギー源を地下炭化水素貯留層内の目的の深度まで降下させることをさらに含む、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記電磁エネルギー源を、地下炭化水素貯留層を通過するために、井戸ボアホール内の一連の位置に移動させて、前記一連の位置で前記電磁エネルギーのパルスを放出することをさらに含む、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
地下炭化水素貯留層内のセンサボアを通して複数の電磁センサを降下させることをさらに含む、請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
地下炭化水素貯留層の上方の地表面上に複数の電磁センサをアレイ状に配置することをさらに含む、請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
請求項１５〜２１のいずれか一項に記載の方法であって、
前記電磁エネルギー源から放出された電磁エネルギーのパルスを、地下炭化水素貯留層を通過するように向けることと、
複数の電磁センサにおける電磁エネルギーのパルスの到着時間データの測度を形成することと、
複数の電磁センサからの到着時間データの測度を分析して、前記地下炭化水素貯留層の地下特徴の表現を形成することと、
地下炭化水素貯留層の地下特徴の表現のイメージを形成することと、
をさらに含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は地下構造、特に、炭化水素貯留層内の炭化水素貯留層および流体のイメージングに関し、より詳細には、地下構造の電磁探査のための電磁エネルギー源に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球物理学で使用されるいくつかの電磁（ＥＭ）探査システムは、地下炭化水素貯留層の電磁イメージングのために、地下炭化水素貯留層を通過するための電磁エネルギーを提供する。複数の供給源および受信機を、地下炭化水素貯留層まで延在するボア内、または地下炭化水素貯留層の上方の地表面内のいずれかに配置することができる。このようにして、注入された流体の方向、速度、および飽和（例えば、水攻法の間）を監視することができる。また、このシステムを使用して、通過した油の位置を特定し、高導電率ゾーン（破砕通路やスーパーｋゾーンなど）を検出して、漏水の警告を早期に提供することができる。このような操作は、貯留層管理を最適化し、オイルバイパスを防止して、容積掃引効率および生産速度の改善を促進することができる。
【０００３】
多くの現在の低速波アンテナモデルは、１０メガヘルツ（ＭＨｚ）〜３００ＭＨｚの範囲の高周波（ＨＦ）または超高周波（ＶＨＦ）電磁波を対象としている。地球物理学における現在のＥＭシステムの中には、小さなアンテナの中から、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲の周波数を有するアプリケーションなど、適度に低い周波数の信号を発生させることができるようにするために、過度に大きなアンテナを含んでいるものがある。アンテナの見かけ上の「開口部」（波長とアンテナサイズの比）は問題になることがある。現在のＥＭシステムの中には、伝送効率を高めるために、システムのインピーダンスを地質マトリックスに容易に整合させることができないものがある。現在のＥＭシステムの中には、ＥＭ送信機に電力を供給するために大電流ケーブルを使用しているものがある。しかしながら、これらのシステムは、電源からの鋭い高電流パルスを低損失ケーブルに伝送し、次いでそのパルスをアンテナに整合させることが困難であることが示されている。さらに、大電流ケーブル配線も信号を伝送することができるため、結果として生じる測定値が不明瞭になる。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の実施形態は、低速波アンテナを、エネルギー蓄積およびパルス形成要素と組み合わせて、地下炭化水素貯留層の電磁イメージングなどのダウンホール電磁インタロゲーション技術に理想的に適した、高出力の小開口送信アンテナを実現する。本開示に記載されるシステムおよび方法は、コンパクトで、瞬時電力出力が高く、クリーンな信号を生成する送信機を提供する。本明細書で使用されるように、「高電力（ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ）」は、数キロワットから数メガワットの範囲の電力であると考えられる。
【０００５】
本開示の実施形態は、いくつかの現在利用可能なアンテナよりも短いダイポールアンテナを提供する。なぜなら、電磁インパルスアンテナのクラッド材料は巨大誘電体および巨大透磁率フェライトと呼ばれるハイブリッド材料を含み、それは、アンテナが１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ範囲の周波数を有するアプリケーションなどの低周波数範囲でのダウンホール使用に対して取り扱い可能であるように、物理アンテナ長の短縮を可能にするからである。本明細書で使用されるように、「ＥＭＵ」アンテナは、電気誘電率（Ｅ）、および透磁率（ＭＵ）を有するアンテナの頭字語である。
【０００６】
さらに、本開示の実施形態のアンテナ素子は、ダイポールの各半分が互いに対して最初は高電圧に保持された状態で、容量性エネルギー蓄積素子として使用される。電圧は、回路の容量およびインピーダンス、ならびにアンテナの寸法に依存し、アンテナの動作周波数によって変化するであろう。ダイポールの半分の電圧は電圧と等しく、逆であり、各半分の最外端は、したがって、電圧の大きさが最も大きい。本明細書で使用されるように、他方に対するダイポールの各半分の「高電圧（ｈｉｇｈ  ｖｏｌｔａｇｅ）」は、１０００ボルト（Ｖ）以上の範囲とすることができる。
【０００７】
トリガースパークギャップのような速閉スイッチが、このようなアンテナの対の間に設けられ、パルス送信を開始する。一対のアンテナは、大きな電圧によってバイアス印加され、その結果、構造は単一の大電流パルスで放電することができ、非常に高い電力過渡無線周波数信号を放出することができる。電流の大きさはアンテナの電力および抵抗、ならびに電圧に依存し、これは同様に、本明細書で使用されるように、周波数に依存するが、「大電流（ｍａｓｓｉｖｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ）」は１００〜１０００アンペア（Ａ）の範囲の電流であると考えられる。したがって、本開示のシステムおよび方法は、エネルギー蓄積、パルス形成および放射素子を単一構造に結合し、別々の分散構成要素間のそれぞれの機能のためのインピーダンス整合の必要性を排除する。
【０００８】
本開示のシステムおよび方法は、電源、ケーブル、または伝送線とアンテナとの間の負荷整合の問題を排除する。送信アンテナ素子内部のエネルギー蓄積素子とスイッチにより、二つの間のケーブルが除去され、システム内の反射と損失が最小化される。
【０００９】
本開示の一実施形態では、電磁エネルギーのパルスを放出するための電磁エネルギー源は、第２セクションと軸方向に整列し、かつ第２セクションと離間する、第１セクションを含むゾンデアセンブリを含む。エネルギー蓄積キャパシタは、ゾンデアセンブリの第１セクションおよび第２セクションのそれぞれに取り付けられ、電界を生成するように動作可能な電極を含む。容量性電荷蓄積媒体は、ゾンデアセンブリの第１セクションおよび第２セクションのそれぞれに取り付けられ、各電極を取り囲み、ここで、容量性電荷蓄積媒体は巨大誘電体および巨大透磁率フェライトである。速閉スイッチは、ゾンデアセンブリの第１セクションと第２セクションの間に配置される。
【００１０】
代替の実施形態では、電磁エネルギー源は、ゾンデアセンブリの第１セクションと第２セクションとの間に接続された高電圧電源をさらに含むことができる。速閉スイッチと高電圧電源は、電極間に接続することができる。限流抵抗器は、高電圧電源と電極との間に配置することができる。
【００１１】
他の代替実施形態では、電磁エネルギー源は、地下炭化水素貯留層を通過するように電磁エネルギーのパルスを放出する複数の電磁エネルギー源をさらに含むことができる。電磁エネルギー源は、地下炭化水素貯留層を通過するために、連続した位置で電磁エネルギーのパルスを放出するための井戸ボアホール内の連続した位置に移動可能であることができる。ゾンデアセンブリは第１の導体として機能する導体部材を有することができ、電極は、第２の導体として機能する。容量性電荷蓄積媒体は、導体部材と電極との間に配置することができる。導体部材は、容量性電荷蓄積媒体と共に電極から電気的に絶縁される。
【００１２】
本開示の代替実施形態では、地下炭化水素貯留層の電磁イメージングのために地下炭化水素貯留層を通過するために電磁エネルギーのパルスを放射するための供給源は、ゾンデアセンブリと、目的の深度まで井戸ボアホール内を移動するためのワイヤラインに取り付けられた速閉スイッチとを含む。
【００１３】
本開示のさらに別の代替の実施形態では、地下炭化水素貯留層の電磁イメージングのために電磁エネルギーのパルスを使用するシステムは、少なくとも１つの電磁エネルギー源を含み、各電磁エネルギー源は、目的の深度まで井戸ボアホール内を移動するためのワイヤラインに取り付けられたゾンデアセンブリを含み、ゾンデアセンブリは、第２セクションと軸方向に整列し、かつ、第２セクションと離間する、第１セクションを含む。エネルギー蓄積キャパシタは、ゾンデアセンブリの第１セクションおよび第２セクションのそれぞれに取り付けられ、電界を生成するように動作可能な電極と、ゾンデアセンブリの第１セクションおよび第２セクションのそれぞれに取り付けられ、各電極を取り囲む容量性電荷蓄積媒体とを含み、容量性電荷蓄積媒体は巨大誘電体および巨大透磁率フェライトである。速閉スイッチは、ゾンデアセンブリの第１セクションと第２セクションの間に配置される。複数の電磁センサは、電磁エネルギー源からの結果として生じる信号の強度を形成する。
【００１４】
代替の実施形態では、複数の電磁センサは、地下炭化水素貯留層内のセンサボア内に降下された井戸ツール内に取り付けることができる。複数の電磁センサは、地下炭化水素貯留層の上方の地表面上にアレイ状に配置することができる。システム制御ユニットは、複数の電磁センサによって受信された結果として生じる信号に関する情報を記憶し、結果として生じる信号のコンピュータ化された分析を実行するために、使用することができる。
【００１５】
本開示のさらに別の代替の実施形態では、電磁エネルギー源と共に電磁エネルギーのパルスを放射するための方法は、第２セクションと軸方向に整列し、かつ、第２セクションと離間する、第１セクションを含むゾンデアセンブリを有する電磁エネルギー源を提供することを含む。エネルギー蓄積キャパシタはゾンデアセンブリの第１セクションおよび第２セクションのそれぞれに取り付けられた電極と、ゾンデアセンブリの第１セクションおよび第２セクションのそれぞれに取り付けられ、電極を取り囲む、容量性電荷蓄積媒体とを含み、容量性電荷蓄積媒体は巨大誘電体および巨大透磁率フェライトである。速閉スイッチは、第１セクションの電極と第２セクションの電極との間に配置される。エネルギー蓄積キャパシタは、充電されて、速閉スイッチを閉鎖し、電磁エネルギーのパルスを電磁エネルギー源から放出させる。
【００１６】
代替の実施形態では、電磁エネルギー源は、ゾンデアセンブリの第１セクションの電極および第２セクションの電極に接続された高電圧電源をさらに含むことができる。電磁エネルギー源はさらに、高電圧電源と、第１セクションの電極および第２セクションの電極の両方との間に位置する限流抵抗器を含むことができる。この方法は、井戸ボアホール内のワイヤライン上の電磁エネルギー源を、地下炭化水素貯留層内の目的の深度まで降下させるステップをさらに含むことができる。電磁エネルギー源は、地下炭化水素貯留層を通過するために、井戸ボアホール内の一連の位置に移動させて、一連の位置で電磁エネルギーのパルスを放出することができる。
【００１７】
他の代替実施形態では、複数の電磁センサを、地下炭化水素貯留層内のセンサボアを通して降下させることができる。複数の電磁センサは、地下炭化水素貯留層の上方の地表面上にアレイ状に配置することができる。電磁エネルギー源から放出される電磁エネルギーのパルスは、地下炭化水素貯留層を通過するように向けることができ、複数の電磁センサにおける電磁エネルギーのパルスの到着時間データの測度を形成することができ、複数の電磁センサからの到着時間データの測度を分析して、地下炭化水素貯留層の地下特徴の表現を形成することができ、地下炭化水素貯留層の地下特徴の表現のイメージを形成することができる。
【００１８】
本開示の列挙された特徴、態様、および利点、ならびに明らかになるのであろう他のものが達成され、詳細に理解され得るように、本明細書の一部を形成する図面に示される実施形態を参照することによって、先に簡単に要約された本開示の実施形態のより具体的な説明を行うことができる。しかしながら、添付の図面は本開示の特定の実施形態のみを示し、したがって、本開示は、他の等しく有効な実施形態を認めることができるので、本開示の範囲を限定すると考えられるべきではないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本開示の一実施形態による、ボアホール−ボアホール電磁探査のための送信機−受信機アレイの概略断面図である。
【００２０】
【図２】本開示の一実施形態による、電磁エネルギー源および蓄積キャパシタの概略断面図である。
【００２１】
【図３】図２の電磁エネルギー源の概略断面図である。
【００２２】
【図４】図２の電磁エネルギー源の概略断面図である。
【００２３】
【図５】本開示の一実施形態による、電磁エネルギー源の概略断面図である。
【００２４】
【図６】図５の電磁エネルギー源の概略断面図である。
【００２５】
【図７】本開示の一実施形態による、電磁エネルギー源の概略断面図である。
【００２６】
【図８】図７の電磁エネルギー源の概略断面図である。
【００２７】
【図９】図７の電磁エネルギー源の回路図である。
【００２８】
【図１０】本開示の一実施形態による、電磁エネルギー源および蓄積キャパシタの概略断面図である。
【００２９】
【図１１】図１０の電磁エネルギー源の同軸ケーブルの概略断面図である。
【００３０】
【図１２】図１０の電磁エネルギー源の回路図である。
【００３１】
【図１３】巨大フェライトＦｅＭｎ（ＺｎＯ）の周波数別の比透磁率を示すグラフである。
【００３２】
【図１４】巨大フェライトＦｅＭｎ（ＺｎＯ）の周波数別の誘電率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１を見ると、ボアホールからボアホールへの電磁探査のための送信機／受信機アレイの配置例が示されている。送信機は、電磁エネルギー源１０とすることができる。電磁エネルギー源１０は、井戸ボアホール１２内に配置することができる。井戸ボアホール１２は、地下炭化水素貯留層１４を通って延びることができる。電磁エネルギー源１０は、電磁エネルギーのパルスを放出して、地下炭化水素貯留層１４の電磁イメージングを行うために、地下炭化水素貯留層１４を通過することができる。
【００３４】
１つの電磁エネルギー源１０が図１の例に示されているが、代替の実施形態では複数の電磁エネルギー源１０を井戸ボアホール１２内に配置することができる。代替的に、１つまたは複数の電磁エネルギー源１０は、地下炭化水素貯留層の上方の地表面１５に配置することができる。図１の例では、一連の電磁センサ１６がセンサボア１８内に配置されている。センサボア１８は、地下炭化水素貯留層１４を通って延び、井戸ボアホール１２から離間したボアホールとすることができる。代替実施形態では、電磁センサ１６は、地下炭化水素貯留層１４の上方の地表面１５上にアレイ状に配置することができる（図示せず）。電磁エネルギー源１０が井戸ボアホール１２内に配置され、電磁センサ１６が地表面１５上に配置される場合、その配置は、ボアホール−地表アレイとして知られる。一般に、電磁エネルギー源１０および電磁センサ１６のいずれかまたは両方は、ＥＭ信号が電磁エネルギー源１０から電磁センサ１６に移動するときに地下炭化水素貯留層１４を通過するように、ボアホール内に配置される。電磁センサ１６は、地下炭化水素貯留層１４のイメージングのために、電磁エネルギー源１０からの放出パルスの到達時間の測度を形成することができる。
【００３５】
図１から分かるように、地下炭化水素貯留層１４を含む地下特徴の様々な部分を様々な方向からサンプリングするために、送信機位置２０と受信機位置２２との様々な組み合わせを用いて、多数のＥＭエネルギー測定を実行することができる。電磁エネルギー源１０および電磁センサ１６の両方はダウンホールツールの一部であってもよく、またはツール内に配置されてもよく、送信機位置２０と受信機位置２２との間のように、連続した位置の間に移動可能であり得る。
【００３６】
電磁エネルギー源１０は、井戸ボアホール１２内を目的の深度まで移動するために供給源ワイヤライン２４に取り付けることができる。図１の例では、供給源ワイヤライン２４が地表で車両２６から延びている。システム制御ユニット２８は、車両２６に対応付けることができ、電磁エネルギー源１０によって放射されるパルスを制御するために使用することができる。第２の車両３０は、電磁センサ１６に取り付けるため、およびセンサボア１８内で電磁センサ１６を移動させるための受信機ワイヤライン３２を有することができる。電磁エネルギー源１０は、四分の一波長ダイポールアンテナを含むことができる。
【００３７】
図２〜３を見ると、電磁エネルギー源１０はゾンデアセンブリ３４を含む。ゾンデアセンブリ３４は２つの主要部分を有しており、第１セクション３４ａは第２セクション３４ｂと軸方向に整列し、かつ、離間している。電磁エネルギー源１０はまた、容量性電荷蓄積媒体４４を備えたエネルギー蓄積キャパシタ４０を含む。
【００３８】
電極４２は、ゾンデアセンブリ３４の第１セクション３４ａおよび第２セクション３４ｂのそれぞれに取り付けられている。第１電極４２ａは第１セクション３４ａに位置し、第２電極４２ｂは第２セクション３４ｂに位置する。電極４２は細長い部材であり、管状形状を有することができる。電極４２は銅で形成することができ、代替実施形態では、銀、アルミニウム、金、または十分な導電性、耐食性、および電極として使用するのに適した硬度を有する他の材料で形成することができる。
【００３９】
容量性電荷蓄積媒体４４は、ゾンデアセンブリ３４の第１セクション３４ａおよび第２セクション３４ｂのそれぞれに取り付けられる。容量性電荷記憶媒体４４は、巨大誘電体および巨大透磁率フェライトを含むことができ、その利点は、本開示で論じられる。図２〜図３の例示的な実施形態では、電界が各電極４２から、およびエネルギー蓄積キャパシタ４０を形成する付近の容量性電荷蓄積媒体４４を通して放射することができる。
【００４０】
図４を見ると、電磁エネルギー源１０は、第１セクション３４ａおよび第２セクション３４ｂのそれぞれ第１電極４２ａおよび第２電極４２ｂの間に位置する速閉スイッチ４６をさらに含むことができる。速閉スイッチ４６は例えば、スパークギャップとすることができる。スパークギャップが破壊される場合のように、速閉スイッチが閉じられる場合、電磁エネルギー源１０は電磁パルスを発生することになる。一例として、第１電極４２ａと第２電極４２ｂとの間の電位差がギャップ内のガスの絶縁破壊電圧を超えると、第１電極４２ａと第２電極４２ｂとの間を電気スパークが通過できる。別の実施形態では、速閉スイッチ４６がアバランシェトランジスタ、サイラトロン、イグニトロン、シリコン制御整流器、および特にトリガーされたスパークギャップを含むことができる。速閉スイッチ４６は、ピーク電流、ピーク電圧、有用なショット数、ジッタ、複雑性、および、電磁エネルギー源１０が使用される環境、条件、および性能基準に適合する幾何学的形状に関する性能測定基準を有するように選択することができる。
【００４１】
また、電磁エネルギー源１０は、第１電極４２ａと第２電極４２ｂとの間に接続された高電圧電源４８を有することができる。高電圧電源４８は例えば、１,５００ボルトを超える電圧を有することができる。一対の高抵抗リード線を有する電磁エネルギー源１０の外部から高電圧電源４８に電力を供給することができる。高インピーダンス直流（ＤＣ）接続は、ゾンデアセンブリ３４が放電するときに電極４２を通る高電流パルスによって接続部に発生する誘導電流の量を減少させるであろう。
【００４２】
図２〜４の例示的な実施形態では、容量性電荷蓄積媒体４４は接地として作用する。このような実施形態では、電極４２に近接する容量性電荷蓄積媒体４４がエネルギー蓄積キャパシタ４０を形成し、容量性電荷蓄積媒体４４の外径に近接する容量性電荷蓄積媒体４４は接地として作用するであろう。
【００４３】
限流抵抗器５０は、高電圧電源４８と、第１セクション３４ａの第１電極４２ａと第２セクション３４ｂの第２電極４２ｂの両方との間に配置することができる。限流抵抗器５０は、高電流パルスが供給ワイヤを高電圧電源４８に向かって戻るのを阻止することができる。これは、電磁パルスが放出されている間、アンテナシステムを高電圧電源４８から絶縁することになる。
【００４４】
各例示的な実施形態において、高電圧電源４８は速閉スイッチ４６と同じ構成要素の間に配置され、高電圧電源４８に直接接続されていない構成要素は接地として働くことができることに留意されたい。
【００４５】
図２〜３の例示的な実施形態では、ゾンデアセンブリ３４の各セクション３４ａ、３４ｂは、軸Ａｘを中心とする中心ボアを有する細長い管状部材を含むことができる。電極４２は、ゾンデアセンブリ３４の第１セクション３４ａおよび第２セクション３４ｂのそれぞれの軸Ａｘに沿って中心を合わせられる。電極４２は、容量性電荷蓄積媒体４４が電極４２を取り囲むように、容量性電荷蓄積媒体４４内に収められる。エネルギー蓄積キャパシタ４０は、電極４２から放射され、近くの容量性電荷蓄積媒体４４を通る電界によって形成される。蓄積されるエネルギーの量は、電界の二乗によって変化する。電極４２が小さな直径を有する場合には、電界電位降下のほとんど全てが容量性電荷蓄積媒体４４の内部で生じることになる。
【００４６】
図５〜６の例示的な実施形態では、ゾンデアセンブリ３４の導体部材３３は、第１の導体として役割を果たし、容量性電荷蓄積媒体４４は、導体部材３３と電極４２との間に位置する。容量性電荷蓄積媒体４４は、電極４２から導体部材３３を電気的に絶縁する。このような実施形態では、導体部材３３および電極４２が共に、中実ロッドまたはワイヤとすることができる細長い部材として示されている。
【００４７】
図５〜６の実施形態では、速閉スイッチ４６が第１の導体部材３３ａおよび第２の導体部材３３ｂの間に接続され、高電圧電源４８もまた、導体部材３３の第１の導体部材３３ａおよび第２の導体部材３３ｂの間に接続される。この例示的な実施形態では、第１電極４２ａおよび第２電極４２ｂが接地として役割を果たす。限流抵抗器５０は、高電圧電源４８と、第１セクション３４ａの第１の導体部材３３ａと第２セクション３４ｂの第２の導体部材３３ｂの両方との間に位置することができる。
【００４８】
図５〜６の例示的な実施例では、導体部材３３がゾンデアセンブリ３４の各セクション３４ａ、３４ｂを通って延びるワイヤとすることができる。導体部材３３は、容量性電荷蓄積媒体４４内に収められる。電極４２はまた、ゾンデアセンブリ３４の各セクション３４ａ、３４ｂを通って延びるワイヤであってもよい。また、電極４２は、容量性電荷蓄積媒体４４内に収められる。エネルギー蓄積キャパシタ４０は一対のワイヤによって形成され、これらのワイヤは、それらの間に大きな電位電圧を有することができる電極４２および導体部材３３である。電極４２と導体部材３３との間の容量性電荷蓄積媒体４４は、電極４２と導体部材３３の相互容量を増加させる。導体部材３３および電極４２は、エネルギー蓄積キャパシタ４０の導体素子として、および電磁パルスを放出するための電磁エネルギー源１０の送信素子の一部としての両方の役割を果たす。
【００４９】
図７〜９の例示的な実施形態では、ゾンデアセンブリ３４の導体部材３３は第１の導体として役割を果たし、容量性電荷蓄積媒体４４は導体部材３３と電極４２との間に位置する。容量性電荷蓄積媒体４４は、電極４２から導体部材３３を電気的に絶縁する。このような実施形態では、導体部材３３が容量性電荷蓄積媒体４４を取り囲む外側本体である。電極４２は、中実ロッドまたはワイヤとすることができる細長い部材として示されている。ゾンデアセンブリ３４の各セクション３４ａ、３４ｂは、絶縁材料で形成された端部キャップ３９を有することができる。第１セクション３４ａおよび第２セクション３４ｂのキャップされた端部は、互いに向かい合うことができる。電極４２はゾンデアセンブリ３４の端部キャップ３９を通して突出することができる。
【００５０】
図７〜９の実施形態では、速閉スイッチ４６は第１の導体部材３３ａと第２の導体部材３３ｂとの間に接続されており、また、高電圧電源４８は導体部材３３の第１の導体部材３３ａと第２の導体部材３３ｂとの間に接続されている。この例示的な実施形態では、第１電極４２ａおよび第２電極４２ｂが接地として働く。限流抵抗器５０は、高電圧電源４８と、第１セクション３４ａの第１の導体部材３３ａと第２セクション３４ｂの第２の導体部材３３ｂの両方との間に位置することができる。
【００５１】
図７〜８の例では、導体部材３３はゾンデアセンブリ３４の外側金属体とすることができる。ゾンデアセンブリ３４の各セクション３４ａ、３４ｂは、一端が閉鎖され、反対側の端部に端部キャップ３９を有する、金属体などの細長い管状部材を有することができる。ゾンデアセンブリ３４は軸Ａｘを中心とする中心ボアを有することができる。電極４２は、ゾンデアセンブリ３４の第１セクション３４ａおよび第２セクション３４ｂのそれぞれの軸Ａｘに沿って中心を合わせられる。電極４２は細長い部材とすることができ、中実ロッドとすることができる。導体部材３３および電極４２は、エネルギー蓄積キャパシタ４０の導体素子として、および電磁パルスを放出するための電磁エネルギー源１０の送信素子の一部としての両方の役割を果たす。
【００５２】
図１０〜１２の例示的な実施形態では、ゾンデアセンブリ３４は、コア部材５４に巻き付けられた同軸ケーブル５２を含む。コア部材５４は、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）パイプ、またはゾンデアセンブリ３４の性能を妨害することなく同軸ケーブル５２のための十分な支持を提供する他の利用可能な適切なコア部材であり得る。同軸ケーブル５２が、自立するのに十分な剛性および強度を有する場合、コア部材は必要とされない。同軸ケーブル５２は、同軸ケーブル５２内に延びるワイヤとすることができる電極４２を含む。同軸ケーブル５２の容量性電荷蓄積媒体４４は、電極４２を取り囲んでいる。
【００５３】
図１０〜１２の実施形態では、速閉スイッチ４６は、第１電極４２ａと第２電極４２ｂとの間に接続され、高電圧電源４８もまた、第１電極４２ａと第２電極４２ｂとの間に接続される。この例では、第１セクション３４ａおよび第２セクション３４ｂの容量性電荷蓄積媒体４４は直列に接続されている。限流抵抗器５０は、高電圧電源４８と、第１セクション３４ａの第１電極４２ａと第２セクション３４ｂの第２電極４２ｂの両方との間に配置することができる。同軸ケーブル５２のブレイド５６は、第１電極４２ａと第２電極４２ｂとを二次抵抗器５８を介して一緒に接続する。二次抵抗器５８は、キャパシタが放電されると、最大電圧がスパークギャップ４６に導かれるように、電流を反射する。
【００５４】
図１０〜１２の例示的な実施形態では、第１電極４２ａおよび第２電極４２ｂはそれぞれゾンデアセンブリ３４の各セクション３４ａ、３４ｂを通って延びるワイヤとすることができる。容量性電荷蓄積媒体４４が電極４２を取り囲むように、各電極４２は容量性電荷蓄積媒体４４内に収められる。エネルギー蓄積キャパシタ４０は、電極４２から放射され、近くの容量性電荷蓄積媒体４４を通る電界によって形成される。コイル状の同軸ケーブルを使用することによって、アンテナの容量は、コア部材５４の周囲に同軸ケーブルの必要な長さをコイル状にすることによって設定することができる。このようにして、アンテナの全長を変えることなく、アンテナの容量を変調することができる。
【００５５】
各例示的な実施形態において、容量性電荷蓄積媒体４４は、巨大誘電体および巨大透磁率フェライトを含むことができる。所望の周波数に応じて、巨大誘電体および巨大透磁率フェライトを使用することにより、アンテナの長さを、１０キロヘルツ（ｋＨｚ）〜１ＭＨｚの範囲の周波数に対して、０．１０メートル（Ｍ）〜２Ｍの範囲の長さに減少させることができる。巨大誘電体と巨大透磁率フェライトは、１０４〜１０５の誘電率と１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲で６００以上の比透磁率を持つフェライトを有する、特殊なクラスの材料である。これらの材料でＥＭＵインパルスアンテナをクラッディングすることにより、従来の高誘電体材料や高透磁率材料に比べてアンテナの物理的長さを桁違いに最大高さ減少させることが可能となり、遅波アンテナを構成する際の共通問題である、クラッディングを厚くする必要がなくなる。
【００５６】
遅波とは、構造物に沿って進行するＥＭ波の群速度を指す。誘導構造の電磁特性または、特にガイドワイヤ周囲のクラッディングを式に従って変化させることにより、群速度をより遅くすることができる: 
2021504685.tif 000003
ここで、Ｖ=波速、εｒは誘電率、μｒは比透磁率である。
【００５７】
ＥＭ波のより遅い群速度は、アンテナの物理的長さの比例的減少を可能にし、これは、例えば、クラッディングされていないアンテナの共振波長の１／４に相当するアンテナの長さが数百メートルである等の、非常に大きな波長を有する、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲の周波数を有する用途のような、より低い周波数の用途にとって特に重要である。
【００５８】
遅波アンテナの低背化係数（Ｎ）は、クラッディングされたアンテナの電気長とクラッディングされていないアンテナの電気長の比である。したがって、最大低背化係数は、次式に直接関係する。
2021504685.tif 000004
または簡単に言えば、ＥＭ波の速度が遅くなればなるほど、ダイポールアンテナの物理的な長さを減少させることができる。
【００５９】
従来の高誘電体およびフェライト材料では、クラッディングの厚さは周波数の減少と共に増加する。約１００ＭＨｚにおいて、クラッディングの厚さを決定する方程式は、その厚さが非実用的に大きく、不均一になることを示す。波長が数百メートル、例えば７５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲であるような用途では、パルスダイポールアンテナのためにこれらの材料を使用すると、ダウンホール作業のための非実用的に厚いクラッディングまたは非実用的に長いアンテナ、あるいはその両方がもたらされる。
【００６０】
巨大誘電体材料は、チタン酸銅カルシウム（ＣＣＴＯ）、Ａ−Ｃｕ３Ｔｉ４Ｏ１２化合物（ここで、Ａは三価希土類またはＢｉ）のファミリー、ドープされた酸化ニッケル、ドープされた酸化第二銅、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスストロンチウム、およびマンガン、亜鉛およびニッケルベースの化合物と組み合わされた鉄を含む他の材料を含むが、これらに限定されない。ドープされた金属とは、金属の電気的特性を変化させるための意図的な不純物を有する金属であることに留意されたい。
【００６１】
一例として、図１３に巨大フェライトＦｅＭｎ（ＺｎＯ）の周波数別比透磁率を示す。図１３を見ると、実験室での試験で使用された分光計は、１ＭＨｚ〜１ギガヘルツ（ＧＨｚ）の範囲の高周波を検出した。周波数が１０ＭＨｚ以下の場合、比透磁率は指数関数的に上昇する。そのような試験の外挿は、１００ｋＨｚで１０００に近いかまたはそれを超える比透磁率をもたらす。図１４を見ると、同じ材料、ＦｅＭｎ（ＺｎＯ）の誘電率が周波数によって示されている。１００Ｈｚにおいて、この材料のアンテナ低背化係数は、１０００であろう。
【００６２】
本明細書で使用されるように、アンテナ低背化係数（ｎ）は、以下によって定義される。
2021504685.tif 000005
【００６３】
ここで、εｒは比誘電率（誘電率としても知られる）であり、μｒはアンテナクラッディング材料の比透磁率である。そこで、この低背化係数値ｎは、εｒおよびμｒが共に１に等しい材料を使用した仮想アンテナの長さを乗じて、クラッディングの電気的および磁気的特性を増大させることによって、本発明のアンテナの高さがどれだけ減少したかを決定することができる。
【００６４】
図１を見ると、動作の一例では、地下炭化水素貯留層１４の電磁イメージを形成するために、電磁エネルギー源１０は井戸ツールに、またはその一部に取り付けられ、井戸ボアホール１２内のワイヤライン上で目的の深度まで降下させることができる。
【００６５】
電磁エネルギー源１０に関連するダウンホールツールは、ワイヤラインに取り付ける機械的コネクタ、電源接続、および同期信号接続を備えた上部を有することができる。このような上部および接続は、公知の電流ダウンホールワイヤラインツールのように配向することができる。ダウンホールツールの下部はゾンデアセンブリ３４を収容することができる。電磁エネルギー源１０は、構造的完全性を提供する一方で、電磁信号の伝送も可能にするために、強力で絶縁性の高分子材料内に収容することができる。
【００６６】
図１の例に示すように、単一の電磁エネルギー源１０を利用することができる。あるいは、複数の電磁エネルギー源１０を井戸ボアホール１２内で降下することができる。電磁エネルギーのパルスは、単一の電磁エネルギー源１０から、または適宜、複数の電磁エネルギー源１０の各々において放出され、地下炭化水素貯留層１４を通過し、結果として生じる信号は、電磁センサ１６によって受信されることができる。既知の特徴を有する電磁パルスは、地下炭化水素貯留層１４内またはその近傍の位置から、高出力のパルス電磁エネルギー源１０から発生される。電磁パルスを発生させるために、高電圧電源４８は、速閉スイッチ４６が閉じるまで、限流抵抗器５０を通してエネルギー蓄積キャパシタ４０を充電する。速閉スイッチを閉じると、電磁エネルギー源１０は、電磁エネルギーのパルスを放出する。電磁パルスが放出された後、高電圧電源４８は、エネルギー蓄積キャパシタ４０を再充電することができる。
【００６７】
エネルギー蓄積、パルス形成および放射素子を単一構造に結合することにより、電磁探査システムの別々の分散構成要素間のそれぞれの機能に必要なインピーダンス整合の問題を排除した。したがって、本開示のシステムおよび方法は、電源、ケーブル、または伝送線、およびアンテナの間の負荷整合の問題を排除する。エネルギー蓄積キャパシタ４０および速閉スイッチ４６のエネルギー蓄積素子が共に開示された一対の自己電力インパルスアンテナの送信アンテナ素子の内部にある場合、電源と送信素子との間のケーブルの必要性がなくなり、システム内の反射および損失が最小限に抑えられる。
【００６８】
複数の電磁センサ１６は井戸ツールに、または井戸ツールの一部に取り付けられ、地下炭化水素貯留層１４を通って延びるセンサボア１８内で降下させることができる。あるいは、複数の電磁センサ１６は、地下炭化水素貯留層１４の上方の地表面１５上にアレイ状に配置することができる。放出されたパルスＥＭ信号は、地下炭化水素貯留層１４を通って伝送され、井戸ボアホール１２およびセンサボア１８を取り囲む地下層を通過した後、１つまたは複数の電磁センサ１６で記録される。電磁センサ１６によって記録されるＥＭ信号は、時間、振幅、パワースペクトルなどの特徴、および介在媒体（貯留層など）の特性およびそれらの特性の空間的変動などの特徴において、電磁エネルギー源１０によって放射されるパルス信号とは異なる。
【００６９】
電磁エネルギー源１０は、井戸ボアホール１２内の送信機位置２０のような一連の位置の間で移動させることができ、このような位置で電磁エネルギーのパルスを放出して、地下炭化水素貯留層１４を通過することができる。同様に、電磁センサ１６は、受信機位置２２のような一連の位置の間を移動させることができ、このような一連の位置で結果として生じる信号を受信することができる。このようにして、より完全な電磁イメージを地下炭化水素貯留層１４から形成することができる。
【００７０】
地表のシステム制御ユニット２８に関連付けられた記録および処理計器は、電磁センサ１６によって受信された結果として生じる信号に関する情報を受信し、記憶することができる。システム制御ユニット２８はまた、結果として生じる信号のコンピュータ化された分析のような付加的な機能を実行し、結果として生じる信号から導出されたある結果を表示し、結果として生じる信号およびコンピュータ化された分析を更なる処理およびコンピュータ化された分析のためにコンピュータ上に記憶することができる。システム制御ユニット２８は一例として、複数の電磁センサでの放出パルスの到達時間の測度を形成し、複数の電磁センサからの到達時間データの測度を分析するために使用することができる。この情報から、地下炭化水素貯留層の地下特徴の表現、および地下炭化水素貯留層の地下特徴の表現のイメージを形成することができる。
【００７１】
したがって、本開示の実施形態は、炭化水素貯留層内の流体の空間分布および組成に関する情報を生成する。操作は一例として、水攻法のような注入された流体の方向、速度および飽和を決定するために、または時間の関数として修正された貯留層容積を可視化するために、周期的に繰り返され得る。これは、貯留層管理を最適化し、オイルバイパスを防止し、それによって体積掃引効率および生産速度を改善するのを助けることができる。
【００７２】
巨大誘電体／フェライト材料を使用することによって、１００ｋＨｚで送信するアンテナは、クラッディングされていないアンテナでは３０００ｍから、従来の高誘電率フェライト材料を有するアンテナでは約３０ｍに、巨大誘電体フェライト材料でクラッディングされたアンテナでは０．２５ｍに低減される。
【００７３】
本開示の実施形態は、当業者が本開示で言及された結果を再現し、取得することができるように十分に説明されてきた。それにもかかわらず、本開示の主題である技術分野の当業者が本開示に記載されていない修正を実行し、これらの修正を決定された構造に適用し、またはその製造プロセスに適用することができ、そのような結果として得られる構造は、本開示の範囲内に含まれるものとする。
【００７４】
本開示の範囲から逸脱することなく、本開示において詳細に説明される本実施形態の改善および修正がなされ得ることに留意され、理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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