AT215172B - Verfahren und Einrichtung zur elektrischen Widerstandsmessung in Bohrlöchern - Google Patents

Description

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    Verfahren und Einrichtung zur elektrischen Widerstandsmessung in Bohrlöchern   
Wie bekannt, erfolgt die Bestimmung verschiedener physikalischer Parameter von Bodenschichten, welche mit Bohrlöchern durchsetzt sind, indirekt durch elektrische Widerstandsmessung. Der elektrische Widerstand der Schichten kann in üblicher Weise so gemessen werden, dass man aus einer Stromquelle durch Anwendung zweier   Stromzuführungselektroden   Strom in das Bohrloch fliessen lässt, u. zw. in der Höhe der zu prüfenden Schichten, und dann zwischen den beiden Messelektroden der unter Einwirkung des zugeführten Stromes auftretende Potentialunterschied gemessen wird.

   Die Messung kann so ausgeführt werden, dass jede der verwendeten vier Elektroden im Bohrloch im Tiefenniveau der zu prüfenden Schichten untergebracht wird oder auch so, dass im Bohrloch nur drei Elektroden angeordnet sind und eine der Messelektroden,   u. zw.   die eine Stromzuführungselektrode, am Tage geerdet wird. Diese Messmethode ist in der franz. Patentschrift   Nr. 678. 113   vom 26. Oktober 1928 beschrieben. 



   Insofern die elektrische Widerstandsmessung durch Verwendung von Gleichstrom erfolgt, lassen sich die in der Höhe der einzelnen Schichten auftretenden sogenannten natürlichen Potentiale von den zu messenden Potentialwerten nicht trennen, so dass sie die Messung stören. Die ungarische Patentschrift   Nr. 116578 erörtert ein solches Widerstandsmessverfahren mit Gleichstrom, wobei die Stärke   des Messstromes so gewählt wird, dass das durch den Messstrom zwischen den Messelektroden zustandegebrachte Potential wenigstens um eine Grössenordnung grösser ist als die natürlichen Potentiale. Das Verfahren nach der ungarischen Patentschrift Nr. 118692 stellt eine Weiterentwicklung des erwähnten Verfahrens dar, wobei der Messgleichstrom periodisch unterbrochen wird und in den Strompausen das natürliche Potential zur Messung und Registrierung kommt.

   Keine dieser Messmethoden hat sich in der Praxis   bewährt,   da bei der Gleichstrom-Widerstandsmessung nicht nur die natürlichen Potentiale, sondern auch die auftretenden erregten elektrochemischen Potentiale die Messung stören. 



   Um die messungsstörende Wirkung der natürlichen und erregten elektrochemischen Potentiale auszuschalten, ist bei der Messung die Anwendung von Wechselstrom erforderlich. Die Verwendung eines sinusoidalen Wechselstromes wird stark durch den Umstand beeinträchtigt, dass der durch die innere Ader des Kabels, mit dem die Messanordnung gespeist wird, fliessende Messstrom in den die Messelektroden mit den oberflächlichen Messkreisen verbindenden Kabeladern eine Störspannung von beim Messen veränderlicher Amplitude auftreten lässt, die das Messergebnis verfälscht. Dadurch ist die Verwendung eines sinusoidalen Messstromes im allgemeinen auf solche Fälle eingeschränkt, bei denen der Messstromgenerator oder ein zur Verstärkung des gemessenen Potentials dienender Messverstärker im Bohrloch, in der Nähe der Elektroden untergebracht ist.

   Eine derartige Ausgestaltung eines Teiles der Messanordnung als in das Bohrloch versenkende Einheit ist vom Gesichtspunkt der praktischen Ausbildung sehr ungünstig, so dass zur Lösung der Aufgabe zumeist die in der USA-Patentschrift   Nr. l, 826, 961   vom Jahre 1928 beschriebene Methode und Einrichtung angewendet wird. Demgemäss geschieht die Messung im allgemeinen durch die Anwendung eines gleichförmigen Messstromes von wechselnder Polarität, welcher durch einen elektromechanischen Umformer aus einer Gleichspannung erzeugt wird. Bei dieser Arbeitsweise entsteht in der Messleitung nur bei Polaritätsumkehr eine induzierte Rauschspannung.

   Die Beseitigung dieser Rauschspannung erfolgt so, dass die Messleitung durch einen synchron mit dem Umformer des Speisestromes umlau- 

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 fenden zweiten Umformer erst nach dem auflaufenden Zweig des Messstromes an den Messstromkreis angeschaltet und noch vor dem Rücklauf davon abgeschaltet wird. Somit liegt der Messkreis nur dann am Kabel, wenn die Intensität des im Kabel fliessenden Messstromes über die Zeit konstant ist und daher keine induzierte Rauschspannung im   Messkreis   erscheint. 



   Auch sind phasenselektive Messverfahren bei der Bohrlochuntersuchung allgemein bekannt in Fällen, wo das gemessene Signal durch die Resultante zweier miteinander im Phasenverhältnis befindlicher Kom- 
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 einzelner Komponenten bewirkt wird. 



   Eine derartige Aufgabe kommt bei der induktiven   Bohrlochuntersuchung   in Betracht, bei welcher die ohmsche Komponente des empfangenen Signals der Leitfähigkeit der Umgebung und die dazu um 900 phasenverschobene Komponente   der magnetischen Suszeptibilität proportional ist. Bei der dielektrischen   Profilierung besteht die Aufgabe gleichfalls in der Trennung der ohmschen und der damit einen Phasenwinkel von 900   einschliessenden kapazitiven   Signalkomponenten. In ähnlicher Weise entsprechen die beiden, einen Winkel von 900 einschliessenden Komponenten bei der akustischen Profilierung dem akustischen Widerstand bzw. der Reaktanz der Schichten. Bei allen diesen Verfahren ist die Aufgabe naturemäss die Trennung der beiden Signalkomponenten und die Registrierung der einen oder beider Komponenten. 



   Im Einklang mit obigen Ausführungen ist allen diesen   Messverfahren gemein,   dass bei der Phasenselektion die unterdrückte Signalkomponente   einen unveränderlichen Phasenwinkel von-900   bzw. +900 mit der gemessenen und registrierten Signalkomponente einschliesst. Dementsprechend haben die einzelnen Einrichtungen die gemeinsame Eigentümlichkeit, dass die Phasenlage des für die Phasenselektion verwendeten Bezugssignals gegenüber der ohmschen Signalkomponente konstant, ist und   00, 900, 1800   oder 2700 beträgt. 



   Das Ziel des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, bei der elektrischen Widerstandsmessung einen Schutz gegen die über das Kabel zugeführten Störungsspannungen zu geben. 



   Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine zur Ausführung desselben geeignete Einrichtung, die es ermöglicht, den Scheinwiderstand von durch ein Bohrloch durchquerten Erdschichten mit einer, zwei oder mehreren Messsonden in Abhängigkeit von der Tiefe, gleichzeitig, fortlaufend zu messen und registrieren, wobei die vollständige Messeinrichtung am Tage angeordnet ist.

   Das erfindungsgemässe Verfahren zum Messen des Widerstandes von Erdschichten ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Einführung eines niederfrequenten sinusförmigen Messstromes von zweckmässig konstanter Stärke zwischen die Strom-   zuleitungs-und-rückleitungspunkte   diejenige ohmsche Spannungskomponente des zwischen den beiden Messpunkten auftretenden Potentials gemessen wird, welche die gleiche Frequenz und Phasenlage wie der Messstrom aufweist, wobei eine höchste Dämpfung gegenüber der Rauschspannungskomponente verwendet wird, welche die gleiche Frequenz wie der Messstrom hat, aber davon in Phase abweicht, wobei die Phasenlage dieser Rauschspannungskomponente in jedem einzelnen Fall durch vorherige   Prüfmessung   bestimmt wird. 



   Das Messverfahren nach der Erfindung bietet zugleich die Möglichkeit, bei Anordnung der gesamten Messeinrichtung am Tage gleichzeitig zwei oder mehrere Widerstandsprofile mit der niedrigsten Kabeladeranzahl aufzunehmen. 



   Das Blockschema einer zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dienenden, zur Aufnahme eines einzigen   Widerstandsprofils   geeigneten Einrichtung ist in Fig. l der Zeichnung dargestellt. 



     Die Speisestromeinheit l der Einrichtung umfasst einen vom Netz, einem Wechselstromgenerator   oder einer sonstigen Stromquelle 14 betätigten Signalgenerator 13, der den sinusoidalen Messstrom von bestimmter Frequenz und zweckmässig niedriger Periodenzahl erzeugt. Der Signalgenerator kann von elek-   tromotorischer oder elektronischer Art sein.   Die eine Ausgangsklemme des Generators kann am Tage durch die Leitung 12 geerdet werden. An der andern Ausgangsklemme liegt über eine Kabelader 11 die Stromzuführungs-   elektrode A, die sich im Bohrloch in der Höhe der zu prüfenden Schichtbefindet.

   Das an   den Messelektroden M und N auftretende Potential wird über je eine weitere Kabelader 21, 22 einem über Tags angeordneten frequenzselektiven Messverstärker 23 zugeführt, der die Netzfrequenz oder sonstigen Rauschfrequenzbänder unterdrückt und die selektive Übertragung der Messfrequenz sichert. Die Ausgangsspannung des Messverstärkers steuert eine an seine Ausgangspunkte geschaltete phasenempfindliche Diskriminatorstufe 24. Die Ausgangsgleichspannung des Diskriminator ist proportional der Spannungskomponente deszwischenden Messelektroden auftretenden Potentials, welches die gleiche Frequenz und Phasenlage, wie der Messstrom besitzt, und enthält nicht die Rauschspannungskomponente gleicher Frequenz und reaktiver Phasenlage. 



  Am Ausgang des phasenempfindlichen Diskriminators liegt ein Registrierkreis 25. 

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   Insofern bei der gewählten Messfrequenz die Reaktanz der Eingangskapazität des verwendeten Karottagekabels den   höchsten   zu messenden Scheinwiderstandswert nicht um wenigstens eine Grössenordnung   übertrifft-wie   in der Mehrzahl der Fälle diese Reaktanz kleiner ist-so wird der Signalgenerator zweckmässig als ein Spannungsgenerator mit regelbarer Ausgangsspannung und niedriger Ausgangsimpedanz ausgebildet, und der für die Herstellung des konstanten Messstromes dienende Reihenwiderstand im Bohrloch in den vor der Stromzuführungselektrode befindlichen Abschnitt der Messstromkabelader eingeschaltet.

   Diese Ausbildung des Signalgenerators macht es nötig, dass der Phasenwinkel zwischen der zwischen den an der Oberfläche befindlichen Enden des Speisestromleitungspaares messbaren Spannung und dem aus den   Stromableitttttgselektroden   austretenden Messstrom im Verlauf der Messung einen bestimmten und praktisch konstanten Wert aufweist. 



   Bei Anwendung des Verfahrens und der Einrichtung nach der Erfindung können gleichzeitig zwei oder mehrere Widerstandsprofile aufgenommen werden. Das Blockschema einer solchen, zur gleichzeitigen Vornahme zweier Widerstandsmessungen geeigneten Einrichtung ist in Fig. 2 veranschaulicht. 



   Die Speisestromeinheit   1,   deren Aufbau und Einzelheiten jener nach Fig. l gleich ist, liefert den sinusoidalen Speisestrom konstanter Intensität für die Stromleitungselektrode A. Die Messelektrodenpaare M, N und M', N'sind durch Trennwiderstände enthaltende isolierte Leitungen 21, 22 und   21',   22'mit den phasenselektiven Messkreisen 2 und 2'verbunden, deren Aufbau der Fig. 1 (Messkreis 2) entnommen werden kann. 



   In   ähnlicher   Weise kann auch eine Einrichtung für die Messung von mehr als zwei Kanälen durch Steigerung der Anzahl der Messleitungspaare und der am Tage angeordneten phasenselektiven Messkreise bewerkstelligt werden. 



   Die Ausbildung einer Einrichtung mit einer grösseren Anzahl Kanäle bei Verwendung einer minimalen Anzahl Kabeladern macht eine Ausführung der Einrichtung nach der Erfindung nötig, bei welcher die einzelnen Messkanäle bei verschiedenen   Messfrequenzen   arbeiten. An Hand der Fig. 3 soll eine Einrichtung mit zwei Frequenzkanälen zur gleichzeitigen Durchführung zweier Messungen beschrieben werden. 



   Für die Stromzuführungselektrode A des einen Elektrodensystems wird ein sinusoidaler Messstrom konstanter Amplitude durch den bei der Messfrequenz f arbeitenden Signalgenerator 1 und für die Stromzuführungselektrode   A'des andern Elektrodensystems   durch einen andern, bei der Frequenz   f'arbeitenden   Signalgenerator l'geliefert. Von den Messelektrodenpaaren M', N'und M, N wird das auftretende Poten- 
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22stärker der phasenselektiven Messkreise sind auf die   Messfrequenzenfbzw. f gestimmt.   So können die beiden gemessenen Potentialwerte, die über ein gemeinsames Leitungspaar auf die Oberfläche geleitet werden, voneinander getrennt werden. 



   In der oben geschilderten Weise lässt sich auch eine Messeinrichtung mit mehr als zwei Kanälen bei der Anwendung einer entsprechenden Anzahl von bei verschiedenen Frequenzen arbeitenden sinusoidalen Signalgeneratoren und   phasenselektiven Messkreisen   verwirklichen, wobei zur Weiterleitung einer der Kanalzahl entsprechenden Anzahl von gemessenen Potentialwerten zu Tage nur ein einziges Leitungspaar erforderlich ist. 



   Selbstverständlich können bei den verschiedenartigen Ausführungsformen der zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dienenden Einrichtungen die einzelnen Einheiten, namentlich der Signalgenerator zur Lieferung des sinusoidalen Stromes, der phasenselektive Messkreis, die Registriervorrichtung oder die Messsonden in irgendeiner geeigneten Art ausgeführt werden. 



   Die technischen Merkmale des Verfahrens und der Einrichtung nach der Erfindung können im folgenden zusammengefasst werden. 



   Das Verfahren ermöglicht infolge der phasenselektiven Potentialmessung die Durchführung der Widerstandsprofilierungen mit sinusoidalen Messströmen bei Anordnung der Einrichtung über Tags, und die gleichzeitige Aufnahme zweier oder mehrerer Widerstandsprofile. 



   Die   Widerstandsprofiliereinrichtung gemäss der   Erfindung beinhaltet keinen Stromumformer und ihre am Tage angeordneten elektrischen bzw. elektronischen Stromkreise arbeiten betriebssicher und vom Gesichtspunkt der Betriebsstabilität sehr günstig. 

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur elektrischen Widerstandsmessung in Bohrlöchern, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einführung eines niederfrequenten, sinusförmigen Messstromes von zweckmässig konstanter Stärke zwischen die Stromzuleitungs-und-rückleitungspunkte diejenige ohmsche Spannungskomponente des zwi- <Desc/Clms Page number 4> sehen den beiden Messpunkten auftretenden Potentials gemessen wird, welche die gleiche Frequenz und Phasenlage wie der Messstrom aufweist, wobei eine höchste Dämpfung gegenüber derjenigen Rauschspannungskomponente verwendet wird, welche die gleiche Frequenz wie der Messstrom hat, aber davon in Phase abweicht, wobei die Phasenlage dieser Rauschspannungskomponente in jedem einzelnen Fall durch vorherige Prüfmessung bestimmt wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig in zwei oder mehreren Punkten verschiedener Höhenlage des Bohrlochs die Spannungskomponente gleicher Frequenz und Phasenlage wie die des sinusoidalen Messstromes gemessen wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bohrloch bei zwei oder mehreren, gleichzeitig vorgenommenen Messungen die Frequenzen der für die einzelnen Messungen verwend eten Messströme untereinander verschieden sind.

   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Scheinwiderstand gleichzeitig auch die im Bohrloch auftretenden natürlichen Potentiale gemessen und registriert werden.

   5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Signalgenerator zur Erzeugung einer sinusoidalen Spannung auf dem Niveau der regelbaren Ausgangsspannung, dessen Ausgang an die Stromzuführungspunkte und einen, die Messfrequenz phasenselektiv messenden Stromkreis, der mit den Messpunkten verbunden ist, angeschlossen ist, sowie einen Registrierkreis, welcher an den Ausgangsklemmen des phasenselektiven Messstromkreises liegt.

   6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Signalgeneratoren zur Erzeugung von sinusoidalen Strömen konstanter Stärke in einer der Anzahl der gleichzeitig durchzuführenden Messungen entsprechenden Anzahl, deren Ausgänge mit den Stromzuleitung punkten verbunden sind und eine den gleichzeitig durchzuführenden Messungen entsprechende Anzahl von phasenselektiven Messstromkreisen, die mit den Messpunkten verbunden sind, sowie eine an den Ausgangsklemmen der phasenselektiven Messkreise liegende Registriervorrichtung.

   7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Ausgangsklemme eines über Tags untergebrachten Signalgenerators zur Erzeugung eines sinusoidalen Stromes konstanter Amplitude an eine im Bohrloch befindliche Stromzuführungselektrode angeschlossen ist, und dass zwei oder mehrere Messpunktpaare, von denen wenigstens eins sich im Bohrloch befindet, über zwei oder mehrere - in einer der vorzunehmenden Messungen entsprechenden Anzahl ver- wendete-phasenselektive Messstromkreise angeschlossen sind.

   8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen der verwendeten Signalgeneratoren unterschiedlich sind und die positiven Ausgangsklemmen der Signalgeneratoren mit den einzelnen Stromzuführungspunkten im Bohrloch verbunden sind, wobei von den einzelnen Messpunktpaaren die Erdmesspunkte alle an eine isolierte Messleitung und die positiven Messpunkte alle an eine andere isolierte Messleitung angeschlossen sind und diese beiden Messleitungen an den Eingangsklemmen der frequenz- und phasenselektiven Messstromkreise liegen, deren Anzahl der gleichzeitig vorzunehmenden Messungen entspricht.

   9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die po- sitivenAusgangsklemmen der sinusoidalen Signalgeneratoren von einander abweichender Frequenz, deren Anzahl den vorzunehmenden Messungen entspricht, alle durch eine einzige Messleitung mit einer Stromzuführungselektrode im Bohrloch verbunden sind und die Messelektrodenpaare, deren Anzahl den vorzunehmenden Messungen entspricht, durch eine einzige Leitung mit den über Tags angeordneten frequenzund phasenselektiven Messstromkreisen verbunden sind.

   10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch einen Gleichspannungs- mess-und-registrierkreis zur Messung von natürlichen Potentialen, die zwischen einem im Bohrloch befindlichen Messpunkt und einem andern, weiter entfernt oder über Tags befindlichen Messpunkt auftre- ten.

   11. Signalgenerator für die Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Einstellung des stabilen Stromwertes dienenden Serienausgangswiderstände mindestens um eine Grössenordnung grösser sind als der grösste zu messende Scheinwiderstandswert und die Periodenzahl des sinusoidalen Ausgangsstroms innerhalb des Tonfrequenzbandes, im unteren Frequenzbereich desselben liegt.

   12. Signalgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Einstellung des konstanten Stromes dienende Serienwiderstand im Bohrloch zweckmässig unmittelbar vor der Stromzuführungselektrode in die speisestromführende Kabelader eingeschaltet ist. <Desc/Clms Page number 5>

   13. Phasenselektiver Messstromkreis für die Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch einen zweckmässig selektiven oder die einzelnen Rauschbänder gedämpft übertragenden Verstärker, der die Übertragung der Messfrequenz sichert und durch eine an dessen Ausgangsklemmen liegende phasenselektive Diskriminatorstufe, deren Übertragungscharakteristik gegenüber der zum Messstrom um 900 oder beinahe 900 phasenverschobenen Spannung die maximale Dämpfung sichert.

   14. Frequenz-und phasenselektiver Messstromkreis für die Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Tonfrequenzverstärker zur Übertragung sämtlicher Messfrequenzen, ferner durch parallel zu dessen Ausgang liegende Filterkreise. von einer den gleichzeitig vorzunehmenden Messungen entsprechenden Anzahl, welche auf die einzelnen Messfrequenzen abgestimmt sind, schliesslich durch am Ausgang der Filterkreise liegende phasenselektive Messstromkreise.