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Verfahren und Vorrichtung zum elektrischen Erkennen der von einem Bohrloch durchschlagenen
Bodenschichten.
Bekanntlich ist es möglieh, die Beschaffenheit der verschiedenen, von einem Bohrloch durch- schlagenen Erdschichten in dessen noch nicht verrohrtem Teil durch elektrische Messungen festzu- stellen, die in den verschiedenen zu untersuchenden Tiefen vorgenommen werden, u. zw. insbesondere durch Messungen des spezifischen elektrischen Widerstandes dieser Erdschichten. Auf die gleiche ) Art kann man in dem zuvor mit Wasser angefüllten Bohrloch die Potentialdifferenzen messen, die
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von dem Bahrloch durchschlagenen porösen Schichten festzustellen.
Bei der Messung des elektrischen Widerstandes kann man insbesondere so vorgehen, dass man einen Strom mittels zweier, elektrisch mit einer Stromquelle verbundener Elektroden in den Boden sendet und die zwischen zwei andern Elektroden erzeugte Potentialdifferenz misst, wobei die vier
Elektroden zusammen in das Bohrloch in die Höhe der zu untersuchenden Bodenschichten abgesenkt oder die eine der Stromsendeelektroden oder die eine der Messelektroden oder gleichzeitig eine Strom- selldeelektrode und eine Messelektrode auf der Erdoberfläche angeordnet sein können. In der fran- zösischen Patentschrift Nr. 678113 ist z.
B. ein Verfahren beschrieben, nach dem in den nicht verrohrten Teil des Bohrloches eine Elektrode abgesenkt wird, die durch ein isoliertes Kabel mit einer
Stromquelle verbunden ist, deren anderer Pol auf der Erdoberfläche angeordnet ist, worauf dann mittels zweier in das Innere des Bohrloches in verschiedene Höhen hinabgelassener Elektroden in der Nachbar- schaft der Stromlieferungselektrode die Potentialdifferenz zwischen den beiden Stellen, wo die) less- elektroden hinabgelassen sind, gemessen wird.
Es ist bekannt, dass, wenn i die Stärke des Stromes ist.
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Formel führt
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Es ist zu bemerken, dass das Verfahren, auf das hier Bezug genommen wird, den Wert einer Potentialdifferenz ergibt, der der Summe der durch die Sendung des Stromes in den Boden erzeugten Potentialdifferenz E und der spontanen Potentialdifferenz e entspricht. Um den genauen Wert der von der Stromsendung herrührenden Potentialdifferenz E zu erhalten, aus der sieh der Wert des spezi- fischen Widerstandes des Bodens ergibt, kann man in jeder Tiefe zuvor die spontane Potentialdifferenz e messen, indem kein Strom in den Boden gesandt wird, und dann einen Strom in den Boden senden
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In der amerikanischen Patentschrift Nr. 1826961 ist ein Verfahren beschrieben, das ein umllittel- bares Bestimmen der Potentialdifferenz E gestattet und auf der Anwendung von Wechselstrom oder periodisch umgekehrten (kommutierten) Gleichstrom beruht.
In der französischen Patentschrift Nr. 790904 wird in Vorschlag gebracht, eine unmittelbare, sehr angenäherte Feststellung der Potentialdifferenz und demzufolge des elektrischen Widerstandes der Bodenschichten dadurch zu ermöglichen, dass Gleichstrom angewendet, jedoch die Stärke des durch die Elektroden gesandten Stromes in einem solchen Masse vergrössert wird, dass die spontane Potentialdifferenz e gegenüber der Potentialdifferenz E vernachlässigt und somit die Potentialdifferenz E + e für die Belange der Praxis der Potentialdifferenz E, die theoretisch allein gemessen werden sollte, gleichgesetzt werden kann.
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und diefortlanfende Registrierung des spezifischen Widerstandes der durch ein Bohrloch durchschlagenen Bodenschichten in Abhängigkeit von der Tiefe und gegebenenfalls die Messung und Registrierung der
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differenzen zu messen, die zwischen den beiden Messelektroden auftreten, wobei die Werte, die während der Unterbrechung des Stroms erhalten werden, die spontanen Potentialdifferenzen anzeigen, die gesondert gemessen werden können, während die Werte, die den Zeiten der Sendung des Stroms entsprechen, die gesamten vorhandenen Potentialdifferenzen angeben.
Die spontanen Potentialdifferenzen
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Ein derartiges Verfahren hat insbesondere gegenüber dem Verfahren, bei dem Wechsel-oder periodisoh umgekehrter Strom verwendet wird, den Vorteil, dass nur eine sehr einfache Unterbrechervorrichtung nötig ist, bei der das Auftreten störender Erscheinungen, z. B. Funken, viel weniger zu
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ist, die Möglichkeit, die spontane Potentialdifferenz unabhängig von dem spezifischen Widerstand zu registrieren, die bedeutend schwieriger bei einem periodisch umgepolte Strom oder einem Wechselstrom zu messen sind, denn die Periode des angewendeten Wechselstromes müsste sehr vergrössert werden, um eine zusätzliche Phase einschieben zu können, die dem Wert der spontanen Potentialdifferenz entspricht.
Unter zusätzlicher Phase soll ein Zeitabstand verstanden werden, der einer Messzeit ent-
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Bei der Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung kann die Messung der Potentialdifferenzen entweder nach der potentiometrisehen Methode, die unmittelbar die Werte der Potential-
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differenzen erzeugten Stromes ergeben.
Bei Anwendung der potentiometrischen Methode kann man zwei Potentiometer mit Nullpunktgalvanometern verwenden, wobei das eine dieser Potentiometer während der Zeit, in der kein Strom ausgesendet wird, zur Messung der spontanen Potentialdifferenz e, und zur Kompensation dieser Potentialdifferenz und das zweite während der Zeiten der Stromsendung zur Messung der Potential-
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differenz e in diesen Momenten genau durch das erste Potentiometer kompensiert bleibt.
Man kann vorteilhaft so grosse Ströme in den Boden senden, dass die Potentialdifferenz B gegen- über der spontanen Potentialdifferenz. e gross wird. Dadurch wird in dem Nullpunktgalvanometer
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Potentialdifferenz hervorgerufen wird, vermindert.
Bei der vorerwähnten Vorrichtung kann man auch vorteilhaft folgendes ausführen : Während
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bzw. zur Kompensation der Störpotentialdifferenz p vorgesehen ist, ein dieser Störpotentialdifferenz entsprechender geringer Strom fliessen, der z. B. durch eine Batterie, welche einen entgegengesetzt fliessenden Strom erzeugt, kompensiert werden kann. Bei vollständiger Kompensation zeigt dann das zugeordnete Nullpunktgalvanometer Null an. Diesen durch die Störpotentialdifferenz bedingten geringen Strom kann man nun vorteilhafterweise auch dadurch aus dem Endresultat eliminieren, dass man den von der Batterie gelieferten Kompensationsstrom in der nächsten Periode, also bei Sendung des Stromes in den Boden, dem zweiten Galvanometer, welches für die Messung der Potentialdifferenz E vorgesehen ist, in verkehrter Richtung zuführt.
Bei genügender Trägheit des Galvanometers kann dieses infolge kurzer in entgegengesetzter Richtung aufeinanderfolgender Stromstösse nicht ausschlagen ; dadurch ist der Einfluss der Störpotentialdifferenz bzw. der Einfluss eines durch ungenau Kompensation bedingten Reststromes auf das Endresultat E ausgeschaltet.
Man kann auch so vorgehen, dass die nicht kompensierte spontane Potentialdifferenz e während der Zeit, in der kein Strom in den Boden gesandt wird, an den Klemmen des Galvanometer für die Messung von Eumgekehrt angrlegt wird ; d. h. bei der Messung wird in dem Galvanometer, in welchem die Potentialdifferenz E gemessen werden soll, der Anteil infolge der Störpotentialdifferenz dadurch kompensiert, dass dieser Anteil der Störpotentialdifferenz durch den gleichgrossen aber entgegengesetzt gerichteten Strom in der vorhergehenden Periode, in der kein Strom in den Boden gesandt wird, genügende Trägheit des Galvanometers vorausgesetzt, aufgehoben wird.
Wie es vorhin schon angegeben wurde, kann man gemäss der Erfindung die Messungen der Potentialdifferenzen auch durch die galvanometrische Methode bewirken. Wenn man mit M und N die Messelektroden bezeichnet und A V die Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Elektroden ist, ergibt sich die Stärke des in dem die Elektroden M und N mit einem Messgalvanometer verbindenden Stromkreis abgegebenen Stromes durch die Formel
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in der R der gesamte konstante Widerstand des Messstromkreises zwischen den Elektroden M und N ist, während ?' und TN die Widerstände der diese Elektroden umgebenden Räume sind.
Diese Widerstände werden durch Teile von Schlamm im Bohrloch gebildet, die in der unmittelbaren Nähe der Elektroden M und N gelagert sind, wenn diese alle beide in das Bohrloch eingetaucht sind. Wenn nur eine dieser Elektroden in das Bohrloch eingetaucht ist, werden diese Widerstände durch den Teil des Schlammes, der diese Elektrode umgibt und durch das Erdreich zwischen dieser und der auf der Erdoberfläche angeordneten Elektrode gebildet. Diese Widerstände TM und ru sind gegenüber R verhältnismässig klein und noch mehr sind ihre Änderungen verhältnismässig gering und sogar Null für den Fall, in dem die Elektrode auf der Erdoberfläche angeordnet ist. Man kann also den Faktor R + rJM + als konstant ansehen.
Auf der andern Seite werden die Linien gleichen Potentials in
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nennenswerter Weise nicht durch die Gegenwart der Elektroden M und A* und durch den Effekt des verhältnismässig schwachen Stroms geändert, der den Messstromkreis und das Intervall zwischen M und N durchläuft. Man kann also annehmen, dass der durch diese Elektroden in das Messgalvanometer
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also entweder eine dauernde Bedienung oder, wenn die Kompensationsvorrichtung automatisch ist, die Anwendung von genügend kräftigen Verstärkern und genügend schnellen Servomotoren. Diese Einrichtungen haben im allgemeinen eine gewisse Trägheit, die der Geschwindigkeit der Registrierung eine Grenze setzt.
Die galvanometrische Methode dagegen, die in der einfachen Messung eines Stromes
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Potentialdifferenz und der durch den Durchtritt des in den Boden gesandten Stroms erzeugten Potentialdifferenz entspricht. Diese Art der Anwendung gestattet insbesondere, die Stromquelle in das Bohrloch mit den beiden Stromsendeelektroden und einer einzigen der Messelektroden abzusenken und infolgedessen ein Kabel mit einem einzigen Leiter zu verwenden, das die in das Bohrloch abgesenkte Messelektrode mit dem Galvanometer verbindet, oder, wenn die beiden : Messelektroden in das Bohrloch
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zu verwenden.
Man kann dadurch, dass man während der Zeiten der Stromsendung in den Boden erfindungsgemäss einen genügend hohen Widerstand R,'in den Messstromkreis einschaltet und in bekannter Weise die Stärke des Stromes gross erhält, die durch die spontane Potentialdifferenz e bedingte Ablenkung vernachlässigbar gering machen und demzufolge einen unmittelbaren angenäherten Wert der Potentialdifferenz, die durch den Durchtritt des Stroms in den Boden hervorgerufen ist, erhalten, aus dem sich der spezifische Widerstand des Bodens ergibt.
Man kann zwei Schnellgalvanometer verwenden, die die getrennte Registrierung der Potentialdifferenzen ermöglichen, die zwischen den Messelektroden während der stromlosen Zeiten und während der Zeiten der Stromsendung in den Boden auftreten. In diesem Falle kann man auch den Einfluss der spontanen Potentialdifferenz bei der zweiten Registrierung vernachlässigbar gering machen, indem man einerseits einen zusätzlichen Widerstand in den entsprechenden Messstromkreis einfügt, um dadurch
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Galvanometers trotz der Vergrösserung des Widerstandes des Stromkreises hervorruft.
Endlich kann man auch bei Anwendung der galvanometrischen Methode den Einfluss der spontanen Potentialdifferenz dadurch eliminieren, dass man träge Galvanometer verwendet und während der stromlosen Zeiten, d. h. während der Zeiten, in welchen keine Ströme in den Boden ausgesendet werden, den Strom. der infolge der spontanen Potentialdifferenz auftritt, dem Galvanometer in verkehrter Richtung zuführt. Das Galvanometer erhält also in zwei aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten (ein stromloser Abschnitt und ein Zeitabschnitt, in dem Strom gesendet wird) zufolge der Störpotential-
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da infolge der grossen Trägheit des Galvanometers der Zeiger desselben den einzelnen entgegengesetzten kleinen Stromstössen nicht folgen kann. Die Intensität dieser Stromstoss ist deswegen gleich, weil
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Diese Art eignet sich übrigens gut für eine fortlaufende Registrierung.
Auf den Zeichnungen sind schematisch verschiedene Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes beispielsweise dargestellt. Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung unter Anwendung der potentiometrischen Methode. Fig. 2 ist eine ähnliche Darstellung einer zweiten Ausführungsform unter Anwendung der gleichen : Methode. Fig. 3 ist eine ähnliche Darstellung
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Daraus ergibt sich, dass bei der Gruppe b von Kontakten kein Strom durch die Elektroden A und B gesendet wird. Zur gleichen Zeit stehen die Elektroden M und N vermittels des Galvanometers G2 der Kontakte 2 und 1 des Sektors i1 und des Potentiometers P2 in Verbindung, das für die Stellung des Galvanometers G2 auf Null die Potentialdifferenz e kompensiert, misst und gegebenenfalls registriert.
Bei der Gruppe von Kontakten a wird die Stromleitung zwischen den Elektroden A und B hergestellt. Die Elektroden Mund'N sind durch die Kontakte 1 und 3, das Potentiometer ? i das Galvanometer 6*1 und das Potentiometer P2 verbunden, das in dem Messstromkreis bleibt und die Potentialdifferenz e kompensiert. Man erhält so die Kompensation und die Messung der Potentialdiffe, renz E allein durch das Potentiometer ? i, aus deren Wert sich der spezifische Widerstand ergibt.
Im Falle der Fig. 2 bezeichnen dieselben Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Fig. 1. Der Sektor i1 ist in zwei Sektoren i1 und unterteilt, die gegeneinander isoliert sind. Der Kontaktgeber
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Leitung CN verbunden.
Diese Schaltung gestattet einerseits, die spontane Potentialdifferenz zu messen, anderseits sie zu kompensieren, wobei diese Kompensation in der nachfolgenden Schaltung bestehen bleibt.
Bei der Kontaktgruppe a'wird Strom durch die Elektroden A und B gesendet. Gleichzeitig sind die Elektroden Mund N durch den Kreis : Leitung CM, Potentiometer P2, Kontakt 1, Sektor i2, Kontakt 6, Galvanometer Gui, Kontakt 7, Sektor ti, Kontakt 3, Potentiometer Pj, Leitung CW verbunden.
In diesem Fall wird das Nullpunktgalvanometer Gy der spezifischen Widerstände derart gepolt, dass der eventuelle Rückstand der spontanen Potentialdifferenz, der nicht kompensiert ist, in umge- kehrtem Sinn wie bei der vorhergehenden Schaltung wirkt. Die Gesamtwirkung der spontanen Potential- differenz ist Null, wenn man dafür sorgt, dass die den beiden Schaltungen nicht gemeinsamen Stromkreise gleiche Widerstände haben.
Im Falle der Fig. 3 ist die Stromquelle 8 in das Bohrloch mit den Elektroden A und B abgesenkt,
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stellt und aufhebt. Die Elektrode M ist in dem Bohrloch, während sich die Elektrode N auf der Erdoberfläche befindet. Ein Galvanometer G von der Oscillographenart mit einer gegenüber der Periode des unterbrochenen Stroms sehr geringen Einstelldauer ist mittels der Leitungen GM und CN zwischen die beiden letzterwähnten Elektroden eingeschaltet.
Während der Phase, in der kein Strom durch die Elektroden A und B gesandt wird, hat das Galvanometer einen Ausschlag, der proportional ist der spontanen Potentialdifferenz e. Während der Phase der Sendung des Stroms hat es einen Ausschlag, der proportional ist der Summe von E + e. Durch die Registrierung wird man also zwei Kurven erhalten, deren eine e und deren andere B + e entspricht. Um dann den spezifischen Widerstand zu ermitteln, genügt es, die Ordinaten dieser beiden Kurven abzuschneiden. Es ist zu bemerken, dass der Messstromkreis keinen Kontaktgeber enthält was gestattet, die Vorrichtung für die Aussendung des unterbrochenen Stroms in das Bohrloch einzutauchen und eine einzige Leitung zu verwenden.
Im Falle der Fig. 4 bezeichnen dieselben Buchstaben und Ziffern die gleichen Teile wie in der Fig. 1. Es sind keine Potentiometer vorgesehen. Die Messungen werden durch ein Galvanometer G bewirkt, dessen Einstelldauer sehr klein ist. Der Kontaktgeber I stellt nacheinander die nachfolgenden Kontaktgruppen her,
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wobei R der Gesamtwiderstand des Messstromkreises ist.
Bei der Kontaktgruppe d'wird Strom durch die Elektroden A und B gesendet. Die Elek- troden. 11 und N sind dann durch den Kreis: Leitung CM, Galvanometer G, Widerstand R', Kontakt 2, Sektor il, Kontakt 1, Leitung ON verbunden. Während dieser Phase schlägt das Galvanometer proportional dem Strom aus, der es durchläuft, d. h.
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die Gleichheit der Widerstände der Messstromkreise in den beiden Schaltungen sorgt, ist die Gesamtwirkung dieser Impulse Null. Das Galvanometer Gi erhält ausserdem während der Schaltung a'einen Strom, der durch die Potentialdifferenz e hervorgerufen ist. Es registriert also den Mittelwert dieses Stroms, d. h. den spezifischen Widerstand der Bodenschichten.
Bei den in den Fig. 5 und 6 beschriebenen Einrichtungen sind die Registrierungen der zwei Parameter, spontane Potentialdifferenz und spezifischer Widerstand voneinander unabhängig, und man kann natürlich, wenn man es will, nur den einen der Parameter registrieren, indem man das Galvanometer, das dem andern Kreis entspricht, fortlässt.
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nach dem man mittels zwei elektrisch mit einer Stromquelle verbundenen Elektroden einen Strom in den Boden sendet und die zwischen zwei andern Elektroden erzeugte Potentialdifferenz misst, wobei die vier Elektroden zusammen in das Bohrloch in die Höhe der zu untersuchenden Bodenschichten abgesenkt oder eine Stromsendeelektrode und eine Messelektrode bzw.
eine Stromsendeelektrode oder eine Messelektrode auf der Erdoberfläche angeordnet sein können, dadurch gekennzeichnet, dass man in den Boden einen periodisch unterbrochenen Gleichstrom sendet und in den verschiedenen zu untersuchenden Tiefen die zwischen den beiden Messelektroden erzeugte Potentialdifferenz misst, wobei die Werte, die während der Unterbrechungszeiten des Stroms erhalten werden und die die Potentialdifferenzen anzeigen, die spontan in den Erdschichten auftreten, gesondert gemessen werden können, während die Werte, die während der Sendezeiten des Stroms erhalten werden, die gesamtauftretenden Potentialdifferenzen anzeigen, von denen die spontanen Potentialdifferenzen entweder schon bei der Messung oder durch Berechnung eliminiert werden können.