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Sonde zur Messung des elektrischen Widerstandes von ein Bohrloch umgebenden Gesteinen in einem gerichteten Stromfeld, sowie Einrichtung für den Betrieb der Sonde
Eine der wichtigsten Aufgaben der Tiefbohrungsgeophysik ist die Bestimmung des elektrischen Einheitswiderstandes von unterirdischen Schichten. Zur Lösung dieser Aufgabe werden verschiedene Methoden der Widerstandsmessung in Bohrlöchern verwendet. Diese Methoden bestehen im Wesen darin, dass ein Strom bekannter Stärke über ins Bohrloch niedergelassene Speiseelektroden in die Erde gesandt und an im Bohrloch untergebrachten Messelektroden das Potential des entstehenden Stromfeldes gemessen wird. Die gemessenen Potentialwerte stehen mit den geometrischen und spezifischen Widerstandsverhältnissen in den das Bohrloch umgebenden Gesteinen in Zusammenhang.
Werden die Messwerte als Funktion der Tiefe kontinuierlich aufgenommen, so kann man auf Grund der erhaltenen Messkurve auf die Dicke der Schichten und auf den elektrischen Einheitswiderstand schliessen.
Die Messergebnisse werden ausser durch die genannten Faktoren noch grundlegend durch die Eindringungstiefe und den Einheitswiderstand der durch den Bohrschlamm infiltrierten Zone beeinflusst, die sich in der Umgebung der Bohrlochwand ausbildet.
Die bisher bekanntgewordenen Widerstandsmessverfahren lassen die Grenzen nicht allzu dünner Schichten von etwa 50 cm feststellen, wobei sie auch über den Einheitswiderstand dieser Schichten ein qualitatives Bild darbieten. Ein grosser Fortschritt gegenüber den klassischen Verfahren ist die sogenannte latrologe Messmethode, die bereits zur Feststellung der Grenzen ganz dünner Schichten von etwa 5-10 cm geeignet ist. Bei dieser Methode wird ein in die zu untersuchende Bodenschicht seitlicheindringendes Kraftfeld erzeugt.
Diese Methode, bei welcher zum ersten Male ein Lenkstromspeiseelektrodenpaar eingeführt wurde, gab Informationen über die Umgebung der Bohrlochachse, sowie auch über weiter liegende Raumteile.
Neuerdings hat man diese Messmethode mit der sogenannten pseudolaterologen Messmethode kombiniert, bei welcher das Kraftfeld zwar in die Infiltrationszone eindringt, aber durch die jenseits dieser Zone befindlichen Erdbodenteile praktisch nicht beeinflusst wird. Die pseudolaterologe Sonde lieferte somit eine Information lediglich über Raumteile in der Nähe der Bohrlochachse. Die erwähnte Kombination beider Arten von Messsonden wird gewöhnlich beim Vorliegen von überschwemmten Zonen mit hohem Widerstand verwendet, da aus einem Vergleich ihrer Messangaben genauere Informationen als beim Gebrauch einer laterologen Sonde allein gewonnen werden.
Bei der pseudolaterologen Sonde wurde das geringe Eindringen des Kraftfeldes dadurch erreicht, dass man die Lenkstromrückleitungselektroden, die früher an der Erdoberfläche oder in fernliegendenPunkten des Bohrloches angebracht waren, nahe zum erwähnten Lenkstromspeiseelektrodenpaar anordnete.
Für die quantitative Auswertung der klassischen Widerstandsmessung stehen Nomogramme lediglich in gewissen Sonderfällen zur Vcrgügung :
1. Eine Schicht endlicher Dicke ohne Überschwemmung, in unendlich dickem Lagermaterial.
2. Unendlich dicke, überschwemmte Schicht.
Diese Sonderfälle erscheinen in der Praxis nur sehr selten, so dass die klassischen Messwerte bloss bei
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dicken Schichten von mehr als 6 m quantitativ zuverlässig ausgewertet werden können.
Auch zur quantitativen Auswertung der laterologen Messwerte hat man bisher Auswertungsnomogramme nur in sehr geringer Menge abgeleitet, und auch diese nur für dicke Schichten.
Die Ableitung von Auswertungsnomogrammen in für die Praxis ausreichender Menge ist entweder auf äusserst schwierigem exakt-mathematischen Wege oder durch Modellbau möglich. Beide Wege bedürfen eines grossen materiellen Aufwandes und langjähriger Arbeit.
Zweck der Erfindung ist eine einfache und schnelle, also weniger aufwendige Ableitung eines vollständigen Auswertungsnomogrammaterials für Schichten über 2-5 m Dicke mit Hilfe eines modifizierten laterologpseudolaterologen Messverfahrens.
Der Hauptgrund der Berechnungsschwierigkeiten liegt darin, dass sich das Stromfeld in unhomogenen Medien gewöhnlich'verformt. Für solche Stromfelder ist zur Berechnung des wirklichen Widerstandes folgende Formel bekannt :
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schwemmten Zone, ir inh (r) die Funktion der Komponente der Stromdichte in Richtung r im unhomogenen Feld, Ri den Widerstand der überschwemmten Zone und Rt den wirklichen Widerstand.
Die erwähnte riesenhafte Berechnungsarbeit liegt in der fallweisen Bestimmung der Funktion ir, inh und des Zahlwertes ro, inh'
Die Verformung des Stromfeldes im unhomogenen Raum äussert sich insbesondere in den Berechnungen der Stromlinien an denUnhomogenitäts-Grenzflächen. Die Brechung der Stromlinien an diesen Grenzflächen ist bei gegebener Verteilung der Stromlinien umso grösser, je grösser der Einfallwinkel der Stromlinien, d. h. der Winkel zwischen der Normale der Grenzfläche und der Tangente der Stromlinie im Einfallpunkt ist. Wenn man es erreichen könnte, dass der Einfallwinkel der Stromlinien an den den Unhomogenitäts-Grenzflächen entsprechenden geometrischen Stellen überall Null beträgt, so würde ein derart ausgestaltetes Stromfeld keine Verformung erleiden.
Nun wurde gefunden, dass dieser günstige Zustand durch Abänderung der für das Stromfeld gültigen bekannten Zwangsbedingungen grundsätzlich mit beliebiger Genauigkeit verwirklicht werden kann.
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wobei die Glieder der verschiedenen Elektrodenpaare untereinander kurzgeschlossen und in bezug auf die Hauptmessstromspeiseelektrode symmetrisch angeordnet sind.
Die Anzahl der Zwangsbedingungen wird hiebei durch Einschaltung weiterer Stromzuleitungspunkte erhöht und ihre Beschaffenheit durch Modifikation der Stärke der an den einzelnen Punkten zugeleiteten Ströme abgeändert.
Anzahl und Anordnung der Speiseelektroden wird also in der Weise gewählt, dass an den besagten Unhomogenitätsgrenzen der Einfallwinkel der Stromlinien einen Minimalwert annimmt. So kann erreicht werden, dass sich die oben angegebene verwickelte, schwierig berechenbare Formel (1) auf die folgende, mathematisch ableitbare, wesentlich einfachere Form reduziert :
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wo a an einer gegebenen Messstelle - bei gegebenem D - eine Konstante der Messsonde bedeutet, für die folgende Formel gilt :
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wo U an einer durch die Koordinaten r und z definierten Stelle des Homogenfeldes das Potential, die Koordinate z die Höhe, gemessen von der Hauptmessstromspeiseelektrode, und Sl die Bezeichnung einer Messelektrode bedeuten.
Da die Formel (2) zwei Veränderliche, u. zw. D und Rt enthält, stellt man zur Berechnung der Formel an jeder Messstelle zwei Messungen mit je einer Messsonde an, die verschiedene Konstanten a aufweisen.
Auf Grund der so gewonnenen Messwerte kann man die Formel (2) in jedem Fall leicht in einigen Minuten berechnen und daraus auch Nomogramme leicht anfertigen.
Das Wesen der Erfindung besteht also darin, dass Anz. l und Anordnung der Elektroden der laterologen und der pseudolaterologen Messsonde so gewählt werden, dass sich die Geometrie des bei unendlich dicker überschwemmter Schicht auftretenden Stromfeldes in bezug auf ein Stromfeld inhomogenerumgebung weniger ändert, als bei den gewöhnlichen laterologen und pseudolaterologen Messmethoden.
Diese Erscheinung kann damit erklärt werden, dass sich die Stromlinien von der bisher verwendeten einzigen Messstromspeiseelektrode bis zur geschlossenen Durchdringungskurve erstrecken, die vom Zusammentreffen der Unhomogenitätsgrenzfläche und der Messstrombündel-Konturfläche herrührt. Demgegenüber drängen sich bei der Messsonde nach der Erfindung die aus jeder der hier verwendeten mehreren Messstromspeiseelektroden ausgehenden Stromlinien auf einen engeren Raum bzw. schliessen die äusseren Stromlinien jedes btromlinienbündels miteinander kleinere Winkel als bisher ein. Demzufolge treffen die Stromlinien eines solchen Bündels nur einen Bruchteil der Punkte innerhalb der erwähnten geschlossenen Kurve und gelangen dadurch zur Grenzfläche unter geringeren Einfallswinkeln.
Die Wirkung der auch früher verwendeten Lenkstromspeiseelektroden äusserte sich darin, dass der ge- wünsche annähernd senkrechte Einfall in einem einzigen Punkte des Bereiches 0, 25 < r < 6, im allgemeinen in der Nähe des Wertes r = 0, 25 erreicht wurde. Demgegenüber gewährleisten die nach der Erfindung verwendeten zusätzlichen Lenkstromspeiseelektroden den beinahe senkrechten Einfall in allen Punkten des besagten Bereiches.
Auf Grund dieser Eigenschaft des Stromfeldes wurde ein annähernder, einfacher Zusammenhang zwischen den Messanzeigen und den Merkmalen der besagten unhomogenen Umgebung abgeleitet, wodurch Auswertungsnomogramme durch einfache Mittel rasch und in beliebiger Menge erhältlich sind.
Die laterologen Messsonden umfassen ausser der bekannten Messstromspeiseelektrode und den symmetrisch dazu entlang der Messsondenlängsachse angeordneten Lenkstromspeiseelektroden auch weitere Mess- und Lenkstromspeiseelektrodenpaare, die in bezug auf die weiter unten als Hauptmessstromspeiseelektrode bezeichnete, zentral liegende Elektrode gleichfalls symmetrisch entlang der Messsondenlängs- achse untergebracht sind. Falls zweckmässig auch pseudolaterologe Messsonden vorgesehen werden, so unterscheidet sich die Elektrodenanordnung von der beschriebenen darin, dass die zusätzlichen Lenkstromspeiseelektroden durch Mess- und Lenkstromrückleitungselektrodenpaare ersetzt sind. In beiden Fällen sind die Glieder der Elektrodenpaare untereinander kurzgeschlossen.
Nach der bercchnungsmässigen Vorbestimmung der günstigsten Lage der Elektrodenpaare hat auch die Stärke des ihnen zuzuleitenden Stromes jeweils einen bestimmtem Wert. Die einzelnen Messsonden werden in an sich bekannter Weise mit der elektronischen Messanlage am Tage verbunden.
Die Zeichnungen veranschaulichen den Aufbau der Messsonde nach der Erfindung an Hand eines Beispieles, sowie zwei Kennbilder. Dabei zeigen Fig. 1 die Elektrodenanordnung in einer laterologen Messsonde, Fig. 2 dieselbe in einer pseudolaterologen Messsonde, Fig. 3 und 4 die erwähnten Kennbilder.
Bei der laterologen Messsonde nach Fig. 1 bezeichnen Ao die übliche Hauptmessstromspeiseelektrode,
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denpaar, SundS'sowieSundS'die bekannten Messelektrodenpaare, Al und A das übliche Lenkstromspeiseelektrodenpaar, schliesslich A und A 2t das nach der Erfindung verwendete zusätzliche Lenkstromspeiseelektrodenpaar. Alle Speiseelektroden sind direkt geerdet. Den Messstromspeiseelektroden und den zusätzlichen Lenkstromspeiseelektroden wird ein Strom konstanter Stärke und den üblichen Lenkstromspeiseelektroden ein Strom veränderlicher Stärke zugeführt.
Der für alle Elektroden gemeinsame Rückleitungspunkt liegt am Tage. Die einzelnen Elektrodenpaare sind in der gezeichneten Weise kurzgeschlossen. Die Kurzschlusskreise enthalten bei der Messstromzuführung und bei der zusätzlichen Lenkstromzuführung die gezeigten konstanten Stabilisierungswiderstände, die über gemeinsame Kabel an die Messanlage am Tage angeschlossen sind.
10 bezeichnet die Stärke des der Hauptstromspeiseelektrode Ao zugeleiteten Stromes und a, b, c sind verschiedene Multiplikationskonstanten. In der Zeichnung ist auch die auf der vertikalen Achse z aufgenommene Längeneinheit gezeigt. Diese ist nämlich eine vertikale Strecke, die die Elektrode Ao mit dem
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Bohrlochwand (r = 0,25). Rechts ist die Abhängigkeit des Verhältnisses Jr/Io zu z dargestellt. Bei Vergleich der beiden Diagramme ist ersichtlich, dass bei einem Einfallwinkel von über 200 Jr/Io klein ist, so dass an dieser Stelle auch ein verhältnismässig grosser Einfallwinkel nur einen verminderten, vernachlässigbaren Einfluss auf das Messergebnis hat.
Fig. 4 zeigt die Konturkurve des Stromlinienbündels in der Funktion des von der Längsachse der Messsonde gemessenen Abstandes r und der Koordinate z. Die angegebenen Zahlen sind Mehrfache der inFig. l definierten Einheit z = 1. Wie man sieht, weicht die Konturkurve bei zunehmendem r zunächst gar nicht und später auch nur wenig von der Horizontalen ab, was bedeutet, dass der Einfallwinkel der Stromlinien an den Unhomogenitäts-Grenzflächen (r = 6) kaum von Null abweicht (nach obigen eine Vorbedingung für die einfachere Berechnung). Über dem Wert r = 6 hat der Anstieg der Konturkurve nach Fig. 4 keine Bedeutung, da dort keine Unhomogenitätsgrenzfläche mehr vorhanden ist, also auch keine Stromlinienbrechung.
Der Lenkstrom bIo (Fig. 1) musste in den bekannten Einrichtungen phasengleich mit 10 sein, so dass sein geringster Wert auch Null betragen konnte, was für die Messung notwendig ist. Im Falle der Erfindung, wo nach Fig. 1 ein zusätzlicher Lenkstrom cIo konstanter Stärke zugeführt wird, muss man dafür sorgen, dass der Erzeuger des geregelten Lenkstromes bIo auch Strom in Gegenphase liefern kann. Da man bisher eines Generators dieser Art nicht bedurfte, enthielt die Messanlage am Tage keinen Phasenumwand- ler. Nach der Erfindung wird nun in der Messanlage am Tage der Lenkstromerzeuger in an sich bekannter Weise so eingerichtet, dass er eine Phasenumwandlung ermöglicht.
Die Messsonden nach der Erfindung sind vorteilhaft durch Stabelektroden gebildet, deren Durchmesser den kleinsten vorkommenden Bohrlochdurchmesser annähert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Sonde zur Messung des elektrischen Widerstandes von ein Bohrloch umgebenden Gesteinen in
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Glieder der verschiedenen Elektrodenpaare untereinander kurzgeschlossen und in bezug auf die Hauptmessstromspeiseelektrode symmetrisch angeordnet sind.