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Verfahren und Vorrichtung zum elektrischen Erkennen der von einem Bohrloch durchschlagenen
Erdschichten.
Bekanntlich ist es möglich, durch elektrische Messungen die Beschaffenheit der verschiedenen von einem Bohrloch durehschlagenen Erdsehichten in dessen noch nicht verrohrtem Teil festzustellen, indem man nacheinander den spezifischen elektrischen Widerstand dieser verschiedenen Erdschichten mittels einer geeigneten Vorrichtung misst, die an dem Ende eines eine bestimmte Anzahl von isolierten elektrischen Leitungen enthaltenden Kabels auf deren Niveau herabgesenkt wird. Dies kann insbesondere in der Weise erfolgen, wie es in dem französischen Patent Nr. 678113 oder dem amerikanischen Patent Nr. 1826961 angegeben ist.
Nach letzterem wird in das Bohrloch lotrecht zu den zu untersuchenden Erdschichten mittels eines Kabels mit vier isolierten Leitungen eine Messvorrichtung mit vier Elektroden herabgesenkt, von denen jede mit je einer der vier Leitungen des Kabels in elektrischer Verbindung steht und so ausgeführt ist, dass sie mit der Erdschicht beispielsweise durch die Vermittlung des das Bohrloch bis zu der betrachteten Höhe anfüllenden Wassers in Kontakt kommen kann. Mittels zwei der Elektroden, die man als Stromaussendeelektroden bezeichnet, sendet man in den Boden einen Strom von der Stärke i, der von einer Stromquelle herkommt, die beispielsweise an der Erdoberfläche angeordnet ist. Der Strom dringt durch die eine dieser Elektroden in den Boden ein und tritt durch die andere wieder aus.
Dadurch, dass der Strom durch den Boden hindurchgeht, ruft er infolge des Ohmschen Spannungsabfalls Potentialdifferenzen hervor, und man misst dann insbesondere die Potentialdifferenz E, die so zwischen den beiden andern Elektroden, den sogenannten Messelektroden, erzeugt wird. Es ist bekannt, dass unter diesen Bedingungen der spezifische elektrische Widerstand des Bodens in der Nachbarschaft der Messvorrichtung durch die Formel
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gegeben ist, wobei K ein Koeffizient ist, der nur von den geometrischen Dimensionen der verwendeten Vorrichtung abhängt.
Wenn A die Elektrode ist, durch die der Strom in den Boden eindringt, B diejenige, durch die der Strom aus dem Boden austritt, M und die Elektroden sind, zwischen denen man die Potentialdifferenz misst, und E das Potential von M gegenüber N darstellt, so ergibt sieh
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wobei AM, AN, BM und BN die Abstände jeder der Stromaussendeelektroden von jeder der Messelektroden darstellen.
Die Erfahrung hat gelehrt, dass im allgemeinen eine bestimmte Störpotentialdifferenz e zwischen den Messelektroden existiert, selbst wenn man keinen Strom in den Boden sendet. Diese Potentialdifferenz beruht auf dem Auftreten von elektromotorischen Kräften bei der Berührung der Elektroden mit dem Wasser im Bohrloch oder mit dem Boden und elektrischen Phänomenen, die in dem Boden infolge der porösen Schichten auftreten, wenn das Bohrloch mit Wasser augefüllt ist. Diese Phänomene sind unter dem Namen Elektrofiltration und Elektro-Osmose bekannt und insbesondere in dem französischen Patent Nr. 723592 und in dem Zusatz zu diesem Patent Nr. 42952 beschrieben.
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Um die Potentialdifferenz zu erhalten, mittels der man den spezifischen elektrischen Widerstand des Bodens durch die vorstehend angegebene Formel berechnen kann, muss man also den Einfluss der spontanen Störpotentialdifferenz e aussehalten.
Man konnte natürlich in jeder Tiefe zu Beginn die Störpotentialdifferenz e messen oder sie mittels eines Potentiometers ausgleichen, dann in den Boden einen Gleichstrom durch die Stromaussendeelektroden schicken und die Vergrösserung der Potentialdifferenz zwischen den Messelektroden messen, die sich aus dieser Stromsendung ergibt. Ein derartiges Verfahren eignet sich indessen schlecht zu einer fortlaufenden Aufzeichnung der Potentialdifferenz E über die ganze nicht verrohrte Höhe des Bohrloches, die jedoch das einzige Mittel ist, um schnell und auf eine praktische Weise das Diagramm des spezifischen Widerstandes der Bodenschichten in Abhängigkeit von der Tiefe zu erhalten.
Bei dem heutigen Stand der Technik kann man den Einfluss der spontanen Störpotentialdifferenz e ausschalten und infolgedessen bequem die fortlaufende Registrierung der Potentialdifferenz E in Funktion der Tiefe erzielen, indem man in den Boden durch die Stromaussendeelektroden einen Strom schickt, der periodisch, beispielsweise mittels eines umlaufenden Kommutators, umgekehrt wird, wobei die Anschlüsse der Messvorrichtung für die Potentiale selbst periodisch mittels eines zweiten Kommutators, der in Synchronismus mit dem ersten arbeitet, umgepolt werden.
Unter diesen Bedingungen wird die Potentialdifferenz, die durch den Durchtritt des Stroms hervorgerufen ist, immer in demselben Sinn auf den Messapparat einwirken und kann infolgedessen durch diesen gemessen werden, während die spontane Störpotentialdifferenz, die man ausschalten will, die Messvorrichtung die Hälfte der Zeit in dem einen Sinn, die andere Hälfte in dem andern Sinn beeinflusst, derart, dass im ganzen ihre Wirkung auf die Vorrichtung Null ist.
Wenn die Messvorrichtung beispielsweise ein Millivoltmeter ist, ruft die zu messende Potentialdifferenz E unter diesen Bedingungen fortlaufend einen Ausschlag dieses Instruments hervor, der der Potentialdifferenz E proportional ist, während die spontane Störpotentialdifferenz lediglich ein Zittern des Zeigers um seine Ausgleichsstellung hervorruft, das aber im allgemeinen sehr schwach und ohne Bedeutung ist, wenn nur die Geschwindigkeit der Kommutierung genügend gross ist.
Wenn man einen registrierenden Messapparat verwendet und den Registrierfilm proportional mit der Tiefe der 1Iessvorrichtung verschiebt, kann man also in fortlaufender Weise die Veränderung der Potentialdifferenz E in Funktion der Tiefe der Messvorriehtung in dem Bohrloch registrieren, d. h. das Diagramm des spezifischen Widerstandes erhalten.
Die Erfindung hat eine Vorrichtung zum Gegenstand, die es ermöglicht, in fortlaufender Weise das Diagramm des spezifischen Widerstandes der von einem Bohrloeh durchschlagenen Bodenschichten in Abhängigkeit von der Tiefe aufzuzeichnen, ohne dass man zu dem ! 1ittel der Stromumkehrung greift, sondern indem man lediglich Gleichstrom verwendet.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die spontane Störpotentialdifferenz e in der grossen Mehrzahl der Fälle nicht ein zehntel Volt überschreitet. Da die Potentialdifferenz E durch die Formel
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nachlässigt werden kann und infolgedessen die Potentialdifferenz E-e für die Belange der Praxis an die Stelle der Potentialdifferenz 2 ? gesetzt werden kann, die theoretisch allein gemessen werden sollte.
Es genügt also, dauernd durch die Stromaussendeelektroden J und ss einen Gleichstrom erhöhter Stromstärke ;'in den Boden zu senden und mittels irgendeiner bekannten Vorrichtung fortlaufend die gesamte Potentialdifferenz E + e zwischen den Messelektroden M und N zu registrieren.
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Diagramm des spezifischen Widerstandes zu erhalten.
Es wird bemerkt, dass die gemäss der Erfindung verwendete Stromstärke 1 Amp. oder darüber
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wobei die eine oder die andere der Elektroden N'und B oder gegebenenfalls beide Elektroden gleichzeitig sogar an der Oberfläche des Bohrloches angeordnet werden können, was die Verwendung eines nur zwei isolierte Leitungen enthaltenden Kabels ermöglicht.
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Auf der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt.
Fig. 1 ist ein Schema einer Anlage für die praktische Verwirklichung der Erfindung, Fig. 2 zeigt eine andere Anordnung der Elektroden.
In der Fig. 1 ist ein mit Wasser angefülltes Bohrloch 1 dargestellt, in das die Stromaussende- , elektroden A und B eingetaucht sind, die elektrisch mit den isolierten Leitungen 2 und. 3 des Kabels verbunden sind. Die Messelektroden 1 und N sind mit den Leitungen 4 und 5 des Kabels elektrisch verbunden. Bei 6 ist eine Gleich Stromquelle dargestellt, die beispielsweise aus einer Akkumulatoren- batterie bestehen kann. 7 ist ein Instrument, mit dem die Stärke des Gleichstroms gemessen werden kann. 8 ist ein Apparat, mit dem die Potentialdifferenz zwischen den Leitungen 4 und 5, d. h. zwischen den Messelektroden M und N, mit denen diese Leitungen verbunden sind, gemessen werden kann.
Wenn der Messapparat für die Potentiale ein Potentiometer ist, hat der Widerstand der Leitungen 4 und 5 keine Bedeutung. Wenn dieser Apparat dagegen ein Millivoltmeter ist, ist es notwendig, dass sein innerer Widerstand gegenüber dem der Leitungen 4 und 5 und dem Kontaktwiderstand der Elektroden. 11 und N mit dem Wasser des Bohrloches gross ist. In der Praxis wird man zweckmässig als Messapparat 8 für die Potentiale ein registrierendes Millivoltmeter, beispielsweise mit photographischer Registrierung, oder ein registrierendes Potentiometer verwenden.
Wenn man beispielsweise eine Messanlage ähnlich wie die in Fig. l dargestellte verwendet, jedoch eine der Fig. 2 ähnliche Anordnung der Elektroden trifft, bei der AM = MV = 2V. B 0'25 m ist, wird die die Potentialdifferenz B ergebende Formel
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wobei E in Volt, i in Amperes und der spezifische Widerstand 'in Ohm mVm auszudrücken ist. Wenn unter diesen Bedingungen der verwendete Strom eine Stromstärke von a Amp. hat und der spezifische Widerstand des Bodens gleich 2 Ohm mym ist, was unter den Werten liegt, die als niedrigste in petroleumhaltigen Erdschichten festgestellt worden sind, ist die zu messende Potentialdifferenz ungefähr gleich 3-2 Volt.
Es ist infolgedessen vom Gesichtspunkt der Praxis eine Überlagerung einer spontanen Störpotentialdifferenz, die immer unter ein zehntel Volt bleibt, ohne jede Bedeutung.
Die Anordnungen der Elektroden gemäss der Erfindung haben ausserdem den Vorteil, sehr lokale Messungen der spezifischen Widerstände zu ergeben, d. h. Messungen, die fast ausschliesslich den in
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und B (Anordnung gemäss Fig. 2) entsprechen, wodurch es möglich ist, eine im einzelnen sehr genaue Darstellung des Schnittes der Bodenschichten zu erhalten. Die Verwendung eines Gleichstroms erhöhter Stromstärke ist fernerhin in gleicher Weise möglich, wenn die Stromquelle, die beispielsweise aus einer Akkumulatorenbatterie bestehen kann, an dem Ende des Kabels in der Nähe der Elektroden angebracht ist und gleichzeitig mit diesen in das Bohrloch hinabgesenkt wird.
In diesem Falle werden die beiden Stromaussendeelektroden unmittelbar mit der Stromquelle durch verhältnismässig kurze Leitungen verbunden, und das Kabel kann nur zwei isolierte Leitungen enthalten, mit denen die beiden Messelektroden elektrisch verbunden sind, oder sogar nur eine einzige isolierte Leitung, wenn die eine der Messelektroden an der Erdoberfläche angeordnet wird. Diese Anordnung hat dieselben Vorteile wie die, bei der man eine Stromquelle an der Erdoberfläche verwendet, jedoch ermöglicht sie darüber hinaus, ein Kabel zu verwenden, das eine weniger grosse Anzahl von isolierten Leitungen enthält.
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Verfahren zum elektrisehen Untersuchen der von einem Bohrloch durehschlagenen Bodenschichten in dessen noch unverrohrtem. aber mit Flüssigkeit gefülltem Teil, wobei die Potentialdifferenz zwischen einer im Bohrloch in der Höhe der nach ihrer Beschaffen) eit zu untersuchenden Schicht eingehängten und einer in dem das Bohrloch umgebenden Gelände angeordneten, mit Gleichstrom gespeisten Elektrode gemessen und aus dem Messwert und dem Wert des Stroms der spezifische Widerstand der nach ihrer Beschaffenheit zu untersuchenden Schicht abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet. dass der Strom zur Erzeugung der Potentialdifferenz zwischen den Messpunkten genügend gross gewählt ist, so dass er immer im Verhältnis zu der spontanen Störpotentialdifferenz zwischen den genannten Punkten einen grossen Wert besitzt.