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Einrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften, Abmessungen und Lage der durch ein Bohrloch geschnittenen geologischen Schichten
Ein wichtiges Erfordernis in der geologischen Erkundung ist die Bestimmung der Richtung und der Neigung der Schichten, die durch ein Bohrloch geschnitten werden. Bei üblichen Verfahren des Erkundungs- Kembohrens kann man zwar an den Kernen den Winkel zwischen der Schichtebene und der Bohrlochachse messen, jedoch muss die Orientierung des Kernes gegenüber den Himmelsrichtungen unter Verwendung verschiedener mechanischer Einrichtungen sehr mühevoll und langwierig ermittelt werden. Bei verkrümmten Bohrlöchern ist dieser Vorgang besonders umständlicn.
Die bekannte Tatsache, dass sich einzelne Gesteine durch elektrische Eigenschaften (wie z. B. elektrischer Widerstand oder elektrochemische, selbständig entstehende Potentiale) unterscheiden, wird seit Jahrzehnten zur elektrischen Untersuchung von Tiefbohrlöchern verwendet. Dabei ist u. a. auch ein Verfahren bekannt, nach welchem nicht nur ein geologisches Profil längs des Bohrloches, sondern auch die Schichtenneigung zur Bohrlochachse festgestellt werden kann. Dabei wird eine Messsonde (Fig. 1) benutzt, bestehend aus drei Elektroden 1, 2, 3, die inner zur Bohrlochachse senkrechten Ebene um diese Achse regelmässig angeordnet und gegen die Wand der Bohrung angedrückt sind.
Diese dreipolige Elektrodenanordnung wird längs der Bohrung bewegt (herausgezogen) und an drei Registriergeräten obertags, die durch drei Adern des Sonden-Aufhängekabels mit den drei Elektroden 1, 2, 3 verbunden sind, werden z. B. die elektrochemischen Potentiale der Gesteine, die vor allem an Stellen des Kontaktes des Gesteines mit der im Bohrloch enthaltenen Flüssigkeit entstehen, an den einzelnen Elektroden in Abhängigkeit von der Beweggung der Sonde aufgezeichnet ;
alle drei Stromkreise sind dabei durch Erdung der Registriergeräte geschlossen oder man kann unter Einschaltung einer Stromquelle, deren Spannung viel grösser ist als die selbständig entstehenden elektrochemischen Potentiale, die längs des Bohrloches variierenden Erdungswiderstände registrieren, die als Mass des spezifischen Widerstandes der einzelnen'Schichten und damit zu deren Identifizierung dienen können.
Aus Fig. 1 geht hervor, dass die drei registrierten Kurven in der Tiefe verschoben werden, falls die Schichten nicht senkrecht das Bohrloch schneiden. Aus den Tiefendifferenzen der einen Schicht oder Schichtengrenze zugehörigen Anomalien an den drei registrierten Kurven lässt sich der Neigungswinkel der Schicht oder Schichtengrenze und die Richtung der Schicht oder Schichtengrenze in bezug auf die Lage einer der drei Elektroden feststellen.
Durch die erfindungsgemässe Kombination dieser Einrichtung mit einem Inklinometer ergeben sich bedeutende Vorteile, da sich noch weitere Winkelkoordinaten feststellen lassen, u. zw. der Neigungswinkel der Bohrlochachse gegenüber der Lotrechten, der Azimut der die Bohrlochachse enthaltenden vertikalen Ebene und der Winkel R, den die die Bohrlochachse und eine der drei Elektroden enthaltende Ebene mit einer zweiten, die Bohrlochachse und eine waagrechte, festorientierte Gerade (z. B. Nord-Süd) enthaltende Ebene einschliesst.
Einrichtungen zur Bestimmung des Verlaufes von Bohrlöchern sind zwar bereits in verschiedenen Ausführungen bekanntgeworden, wobei auch schon vorgeschlagen wurde, zur Azimutmessung an Stelle einer Magnetnadel ein Gyroskop zu verwenden, um eine Messung auch bei magnetischen Gesteinsarten zu ermöglichen.
Durch die erfindungsgemässe Kombination lassen sich demgegenüber folgende Messergebnisse ermitteln :
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1. Drei praktisch identische, jedoch im allgemeinen in der Tiefe verschobene Bohrlochmessdiagramme, aus welchen man die eine oder andere elektrische Eigenschaft der durchfahrenen Gesteine ersehen und daraus auf die geologischen Formationen längs des Bohrloches schliessen kann.
2. Die Winkelkoordinaten Z (Zenitwinkel) und A (Azimut) der einzelnen Punkte der Bohrlochachse, aus welchen man unter Heranziehung der Tiefe der einzelnen Messpunkte den räumlichen Verlauf des ganzen Bohrloches konstruieren kann.
3. Die Differenzen in Tiefenkoordinaten hl und h2 der drei genannten Bohrlochmessdiagramme und die Winkelkoordinate R, aus welchen man die Richtung und Neigung der durchtieften Schichten rechnerisch oder graphisch feststellen kann.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften, Abmessungen und Lage der durch ein Bohrloch geschnittenen geologischen Schichten, bestehend aus einer zylindrischen, durch ein dreiadriges Kabel mit dem Ablesegerät obertags verbundenen Sonde mit drei in der Bohrlochachse senkrechten Ebene um diese Achse regelmässig angeordneten Elektroden, in welcher Sonde eine inklinometrische Messeinrichtung, d. i.
ein Zenitwinkelgeber, ein Azimutgeber und ein Widerstandsgeber zur Feststellung der relativen Winkellage einer der Elektroden gegenüber der Projektion der Bohrlochachse in die horizontale Ebene und ein Kreisel als Meridiananzeiger eingebaut ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Kabeladern im Inneren der Sonde ein polarisiertes Relais eingeschaltet ist, welches mit seinen Kontakten wahlweise ein Einkontaktrelais, ein Zweikontaktrelais und ein Umschaltkontaktrelais derart betätigt, dass das Einkontaktrelais mit seinem Kontakt den Schleifkontakt des Zenitwinkelgebers an die dritte Kabelader und das Zweikontaktrelais mit seinen Kontakten die Schleifkontakte des Azimutgebers bzw. des Widerstandsgebers an die dritte Kabelader wahlweise anschalten, wobei das wahlweise Anschalten der Schleifkontakte des Azimutgebers bzw.
des Widerstandsgebers durch das Umschaltkontaktrelais bewirkt wird, welches erst bei einer gewissen Stromstärke anzieht, und schliesslich, dass zwischen zwei Kabeladern ein Anschaltrelais zum Anschalten der drei Elektroden an die drei Kabeladern sowie zum Einschalten von Symmetrierwiderständen zwischen je zwei Kabeladern eingebaut ist.
Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass man mit einem nur dreiadrigen, üblichen Bohrlochmesskabel das Auslangen findet. Ausserdem sind in der Messsonde (die ja im Bohrloch immer verschiedenen Havarien oder einer Verlustgefahr ausgesetzt ist) nur relativ billige Bestandteile eingebaut. Als Orientierungsmittel wird ein Kreisel verwendet, damit die Messungen auch in magnetischen Gesteinen verlässliche Resultate ergeben. Alle gemessenen Winkelkoordinaten werden aus den einzelnen Positionen der Messsonde durch dieselben drei Kabeladern zum Ablesegerät über Tage übertragen, die auch den Drehstrom zum Antrieb des Kreisels führen und ausserdem eine leitende Verbindung zwischen den drei Bohrlochmesselektroden und dem dreifachen Registriergerät bilden.
Ein Beispiel der Schaltung der erfindungsgemässen Einrichtung zeigt die Fig. 2 der Zeichnung. Die Messsonde 6 enthält die eigentliche inklinometrische Einrichtung, bestehend aus einem Potentiometer mit Pendelgewicht 7 zur Bestimmung der Neigung, einem kardanisch aufgehängten Kreisel 10 und zwei parallelgeschalteten Potentiometern 8 und 9, deren Schleifer um die Sondenachse drehbar sind, wobei der Schleifer des Potentiometers 8 mechanisch mit dem äusseren Aufhängerahmen des Kreisels und der Schleifer des Potentiometers 9 mechanisch mit dem Sòndenkörper verbunden ist.
Weiters befinden sich in der Sonde 6 ein polarisiertes Relais 18 und weitere Gleichstromrelais (Einkontaktrelais 19, Zweikontaktrelais 20, Umschaltkontaktrelais 21, Ausschaltrelais 22) sowie Symmetrierwiderstände 23 und 24. Am Eingang des dreiadrigen Aufhängekabels 25 ist in der Sonde 6 ein LC-Filter, bestehend aus drei Konden- satoren 12, 13, 14 und drei Induktivitäten 15, 16, 17 angebracht ; am untern Ende der Sonde sind die drei Messelektroden 1, 2, 3 vom Sondenkörper 6 isoliert herausgeführt und in bekannter Weise an die Bohrlochwand angedrückt.
Diese Messsonde wird, aufgehängt auf einem Bohrlochmesskabel 25, mit den Adern A, M, B in das Bohrloch hinabgelassen. Obertags sind am oberen Ende des Kabels 25 folgende Bestandteile angeschlossen : Ein zweites LC-Filter, bestehend aus drei Kondensatoren 26, 27, 28 und drei Induktivitäten 29, 30, 31, ein mit einem Gleichstrommotor 32 gekuppelter Drehstromgenerator 31a, ein sechspoliger Hauptschalter 33 mit vier Stellungen, eine Registriereinrichtung mit drei Registriergalvanometem 34, 35, 36 für dreifache Registrierung der elektrochemischen Potentiale der Elektroden 1, 2, 3, ein Null-Galvanometer 37, ein Strommesser 38, eine Gleichstromquelle 39, drei Potentiometer mit linear geteilten Skalen 40, 41, 42,
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Die beschriebene Einrichtung arbeitet wie folgt : Die Messsonde 6 wird in die gewünschte Tiefe des Bohrloches hinabgelassen und der Kreisel 10 durch Einschaltung der Stromquelle 39 mittels des Schalters 55 in Gang gesetzt. Der Hauptschalter 33 ist hiebei in der Stellung"K" ; das Galvanometer 37 samt Widerstand 52 sind dabei kurz geschlossen. Während des Herausziehens der Sonde wird eine dreifache Registrierung der über die Berührungsstellen der Elektroden 1, 2, 3 mit der Bohrlochwand fliessenden elektrochemischen Erdströme mittels der Registriergalvanometer 34, 35, 36 auf einem gemeinsamen Film- oder Registrierpapierstreifen vorgenommen. Die Bewegung der Sonde wird an den gewünschten Stellen (an welchen z.
B. der Beobachter eine Anomalie an den registrierten Kurven festgestellt hat) unterbrochen und eine Messung der Lage und der Richtungen vorgenommen.
Zu diesem Zwecke wird der Schalter 33 zuerst in die Stellung"Z"umgestellt. Hiedurch wird die Batterie 39 einerseits an das Potentiometer 40 (mit Justierspannungsteilern 43, 44 und dem Widerstand 49) und anderseits an die Kabeladern A, B angeschlossen, u. zw. derart, dass die Ader A mit dem Pluspol verbunden ist. Das polarisierte Relais 18 wird so erregt, dass sein Anker nach links kippt, wodurch das Einkontaktrelais 19 mit den Adern A, B verbunden wird. Das Einkontaktrelais 19 schaltet mit seinem Kontakt den Pendelschleifer des Potentiometers 7 an die Kabelader M, die über die Induktivitäten 16,30, das Nullgalvanometer 37 und den Begrenzungswiderstand 52 mittels des Schalters 33 an den Schleifer des geeichten Potentiometers 40 angeschlossen wird.
Gleichzeitig wird die Wicklung des Ausschaltrelais 22 erregt, so dass durch Anziehen seines Ankers die Elektroden 1, 2, 3 sowie die Symmetrierwiderstände 23, 24 von den Kabeladern abgeschaltet werden.
Die Einrichtung in der Sonde 6 ist mechanisch eine derartige, dass der Schleifer des Potentiometers 7 immer in lotrechter Ebene ausschwingen kann, so dass die Lage des Schleifers unmittelbar die Neigung der Bohrlochachse (bzw. der Sondenachse) gegenüber der Lotrechten bestimmt. Das eigentliche Messen wird auf Grund einer Brückenmethode durchgeführt, wobei zwei Äste der Brücke durch das Potentiometer 7 (mit parallelgeschalteten Widerständen der weiteren Potentiometer 8, 9 und Relais 18, 19, 22 sowie mit in Serie geschalteten Widerständen der Kabeladern A, B und der Induktivitäten 15, 17, 29, 31) gebildet werden, während die andern zwei Brückenäste durch das Potentiometer 40 mit den angeschlossenen Hilfsspannungsteilern 43,44 und dem Widerstand 49 gebildet werden.
Nebenbei sei bemerkt, dass die ebenfalls an die Batterie 39 angeschlossenen Potentiometer 41, 42 mit den Hilfsspannungsteilern 45-48 und den Wider- ständen 50, 51 bei dieser Hauptschalterstellung n Z nicht als Teile der Brückenschaltung wirken, da die Schleifer der Potentiometer 41, 42 nirgends angeschlossen sind.
Die Diagonale der Messbrücke wird durch den Gewichtspendelschleifer des Potentiometers 7 gebildet, von welchem der Strom über den geschlossenen Kontakt des Einkontaktrelais 19 und die Induktivität 16 durch die Kabelader M und die Induktivität 30 zum Galvanometer 37 fliesst und von hier über den Begrenzungswiderstand 52 und den Hauptschalterkontakt Z zum Schleifer des geeichten Potentiometers 40 läuft.
Beim Umstellen des Schalters 33 in die Stellung"Z"wird allgemein die Verstimmung der Brücke angezeigt ; durch Einstellen des Potentiometers 40 lässt sich jedoch das Gleichgewicht der Brücke wieder herstellen, welches Gleichgewicht durch den Null-Ausschlag des Galvanometers 37 angezeigt wird ; an der dem Potentiometer 40 zugehörigen Skala lässt sich dabei unmittelbar der Neigungswinkel der Sonden- (d. h. Bohrloch-) Achse ablesen.
Der Regelwiderstand 52 dient zur Begrenzung der unter Umständen grossen Ausschläge des Nullgalvanometers 37 ; mit dem Regelwiderstand 53 wird am Anfang der Messung der nötige Strom zur Speisung der Brücke eingestellt, was durch den Strommesser 38 kontrolliert werden kann.
Durch Umstellen des Hauptschalters 33 in. die Stellung"A"wird die Stromquelle 39 an die Kabeladern A, B mit umgekehrter Polarität als bei der vorstehend beschriebenen Messung angeschlossen ; dadurch wird das polarisierte Relais 18 in entgegengesetzter Richtung erregt und sein Anker wird nach rechts gekippt, wodurch das Zweikontaktrelais 20 und das Umschaltkontaktrelais 21 angeschlossen werden. Der Speisestrom der Brücke wird jedoch durch den Widerstand 54 derart begrenzt, dass das Umschaltkontaktrelais21 seinen Anker nicht anzieht und dass daher an die Kabelader M der Schleifer des Azimutpotentiometers 8 angeschlossen wird.
Der Schleifer des Potentiometers 8 ist mechanisch mit dem äusseren Rahmen des Kreisels fest verbunden und bestimmt so den Azimutwinkel der Orientierung der geneigten Sonde gegenüber der Kreiselachse, die während des ganzen Messvorganges ihre Lage beibehält. Die Diagonale der Messbrücke beginnt jetzt am Schleifer des Azimutpotentiometers 8 und führt über die Kontakte der Relais 21 und 20, die Induktivität 16, die Kabelader M und die Induktivität 30 zum Nullgalvanometer 37 und von hier über den Widerstand 52 und den Hauptschalterkontakt zum Schleifer des geeichten Potentiometers 41, welcher jetzt mit den Hilfsspannungsteilern 45,46 und dem Widerstand 50 das zweite Ästepaar der Brücke bildet.
Das Gleichgewicht der Messbrücke wird jetzt durch Einstellen des Potentiometers 41
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erzielt und es kann dann an der zugehörigen Skala die Richtung der Bohrlochachsenprojektion auf die horizontale Ebene abgelesen werden.
Durch weiteres Umstellen des Hauptschalters 33 in die Lage"R"wird der Widerstand 54 ausgeschaltet, so dass der Strom durch das Relais 21 sich vergrössert und der Anker des Umschaltkontaktrelais 21 angezogen wird. Hiedurch wird die Kabelader M vom, Schleifer des Potentiometers 8 abgeschaltet und an den Schleifer des Potentiometers 9 geschaltet, welcher mechanisch mit dem Sondenkörper verbunden ist und es bestimmt demnach seine Lage die relative Stellung des Sondenkörpers und hiedurch auch die Stellung der Elektroden 1, 2, 3 gegenüber der Grundlage der Kreiselachse. Analog wie früher geht jetzt die Diagonale der Messbrücke zum Schleifer des dritten geeichten Potentiometers 42, welcher jetzt mit den Hilfsspannungsteilern 47, 48 und dem Widerstand 51 das zweite Ästepaar der Brücke bildet.
Nach dem Einstellen des Potentiometers 42 kann an der zugehörigen Skala der gesuchte Winkel R abgelesen werden.
Nach Beendigung der drei beschriebenen Messschritte wird der Hauptschalter 33 zurück in die Stellung "K"gebracht, wodurch die Verbindung der drei Elektroden 1, 2, 3 mit den Registriergalvanometem 34, 35, 36 wieder hergestellt wird. Daraufhin wird mit der neuerlichen Registrierung der drei Bohrlochmessdiagramme bis zu jener Stelle fortgesetzt, wo die Bewegung der Sonde 6 wieder eingestellt wird und wo man eine weitere Messung der Lage usw. vornimmt. Auf diese Weise wird das ganze Bohrloch oder nur jener Teil desselben, der für die geologische Erkundung von Bedeutung ist, gemessen. Sobald die Sonde aus der Bohrlochmündung herausgezogen wird, wird sie mit ihrem Unterteil in bestimmter Richtung (z. B. nach Norden) geneigt und der in dieser Lage ermittelte Wert der Azimutskala dient als Ausgangspunkt für weitere Berechnungen.
Es sei noch bemerkt, dass die beiden Potentiometer 8 und 9 ohne weiteres durch einen einzigen Widerstandskörper mit zwei Schleifern ersetzt werden können.
Die zwei erwähnten Winkelgrössen A und R (Azimut der Sonde und Relativlage einer der Elektroden 1, 2, 3) werden, wie schon gesagt, in einer zur Bohrlochachse senkrechten Ebene gemessen, also nicht in der horizontalen Ebene. Diese konstruktive Vereinfachung bringt einerseits eine bedeutende Verbilligung in der Herstellung der Sonde, anderseits aber eine Komplizierung der weiteren graphischen oder numerischen Auswertungen mit sich. Es lässt sich beweisen, dass z.
B. der wirkliche Azimutwinkel a mit dem gemessenen Winkel A über eine einfache Gleichung
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in Beziehung steht, in der Z die Abweichung der Sondenachse von der Lotrechten bedeutet, so dass die Berechnung der Azimut-Korrektur verhältnismässig einfach ist, wobei man bei einer kleinen Abweichung Z (bis Z = ca. 180) den Einfluss des Faktors cos Z vernachlässigen und a = A setzen kann, so dass die Korrektur überhaupt wegfällt.
Ganz analog wird auch bei der Berechnung der Korrektur des Elekttodenlagenwinkels R verfahren.
Die Widerstände 23 und 24 dienen zur Symmetrierung der Widerstandbelastung der Elektroden, da zwischen den Leitern A und B bzw. den Elektroden., 1 und 3 eine dauernde Parallelverbindung durch die Widerstände der Potentiometer 7, 8, 9 und der Relais 18, 19 oder 20 und 22 besteht. Die Hilfspotentiometer 43 - 48 und die Widerstände 49 - 51 haben den Zweck, die Einstellung der Skalenenden der Potentiometer 40 - 42 bei der ersten Justierung bzw. einem Austausch des Kabels 25 zu ermöglichen.
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