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Verfahren zur Untersuchung akustischer Eigenschaften von ein Bohrloch umgebenden Medien und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen akustischer Eigenschaften von ein Bohrloch um- gebenden Medien mit Hilfe von Schallenergie, die von einer Sonde an verschiedenen Stellen entlang des
Bohrloches abgestrahlt wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Im allgemeinen wird bei Untersuchungen dieser Art ein Schallwellensender und ein oder mehrere
Schallwellenempfänger benutzt, die zusammen an der Sonde angebracht sind, und somit durch eindieErd- formationen durchsetzendes Bohrloch bewegt werden können. Der Sender wird periodisch erregt, so dass Impulse von Schallwellenenergie ausgesendet werden. Jeder Impuls breitet sich durch die Bohrflüssigkeit aus, welche in der Regel das Bohrloch füllt und gelangt so in die anstossenden bzw. benachbarten Erdformationen. Die Schallwellenenergie wandert durch die Formationen und ein Teil dieser Energie wird vom Empfänger bzw. den Empfängern aufgefangen, und die damit festgestellte Schallenergie in elektrische Signale umgewandelt bzw. von diesen abgebildet. Schliesslich werden Anzeigen über die festgestellte Schallenergie hergestellt.
Die vom Sender ausgestrahlte Schallwellenenergie erfährt eine komplexe Ausbreitung, die sich im wesentlichen aus Longitudinalwellen, Schubwellen, Oberflächenwellen und Flüssigkeitswellen zusammensetzt. Die Erfindung soll im Zusammenhang mit Longitudinalwellen erläutert werden ; es sei aber festgehalten, dass die Erfindung nicht ausschliesslich hierauf beschränkt sein muss.
Das von den Empfängern (oder vom Empfänger) erzeugte elektrische Signal, das der LongitudinalAusbreitung zugeordnet ist, besitzt eine Folge von positiven und negativen Halbwellen. Gemäss der Erfindung wird nun bei einem Verfahren der oben beschriebenen Art nur die Amplitude der ersten oder zweiten Halbperiode des elektrischen Signals der empfangenen akustischen Energie für die Anzeige ausgewerbet. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird gleichlaufend mit der Auswertung der Amplitude der ausgewählten Halbperiode auch die Laufzeit der akustischen Energie zwecks Bestimmung ihrer Geschwindigkeit im betreffenden Medium ermittelt.
Sowohl die Bestimmung der Amplitude als auch die der Geschwindigkeit liefert je bestimmte Kriterien für die Bohrlochbeschaffenheit. Aber auch aus beiden zusammen lassen sich weitere Erkenntnisse ableiten. DieAmplitudekann von jedem der Empfänger abgenommen werden, und es ist zur Bestimmung der Laufzeit nicht unbedingt die gleiche Halbwelle zu benutzen wie für die Bestimmung der Amplitude.
Die Erfindung schafft somit ein verbessertes Verfahren zum Erhalten von Angaben innerhalb eines Bohrloches über Risse und gasführende Zonen und über die mit dem Bohrloch verbundene Auskleidung.
Die Erfindung besteht aber auch aus einer verbesserten Vorrichtung zum Messen der Amplitude eines ausgewählten Teiles eines Schallenergie abbildenden elektrischen Signals im Rahmen des erfindungsgemässen Untersuchungsverfahrens, u. zw. enthält diese Vorrichtung ausser dem eingangs genannten SendeEmpfangsaggregat einen auf eine ausgewählte Halbperiode der ersten vollen Schwingung der alternierenden Signale ansprechenden Stromkreis, dessen die Spitzenamplitude der betreffenden Halbwelle darstellender Ausgang dem Anzeigegerät zugeführt ist.
Weiters ist ein gleichzeitig mit dem genannten Strom-
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kreis ansprechender weiterer Stromkreis vorgesehen, welcher den zeitlichen Abstand des Auftretens der Schallenergie an den Empfängern bestimmt und ein der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallenergie in dem das Bohrloch umgebenden Medium proportionales Signal an das Anzeigegerät abgibt.
Die Erfindung und mit ihr zusammenhängende Merkmale sind nachstehend an Hand der in den Zeichnungen dargestelltenAusführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen : Fig. l eine schematischeDarstellung eines akustischen Untersuchungssystems mit erfindungsgemässer Vorrichtung, Fig. 2 ein detailliertes Schaltschema mit einer Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 3 eine detaillierte Schaltanordnung einer andern Ausführungsform.
Die akustischeuntersuchungseinrichtung 10 gemässFig. 1 ist dafür eingerichtet, durch ein Bohrloch 11 (nur teilweise gezeichnet) hindurchbewegt zu werden. Das Bohrloch enthält wie üblich Flüssigkeit 12. Die Wand der Bohrung 11 könnte aber auch mit einer nicht gezeichneten, mit der Bohrlochwand verbundenen Auskleidung versehen sein. Die Vorrichtung 10 wird mit Hilfe eines üblichen Mehrfachleiterkabels 13 und einer an der Erdoberfläche befindlichen Winde durch das Loch bewegt.
Die Vorrichtung 10 besitzt ein oberes druckfestes Gehäuse 22 zur Aufnahme verschiedener elektrischer Baugruppen. Das Gehäuse ist mit einem Gehäuseteil 23 verbunden, welcher einen Sender T und inAchsrichtung im Abstand zueinander die Empfänger R und R2 trägt. Die Sender und Empfänger können magnetostriktiver Bauart sein und sind durch einen Träger in geeignetem Abstand gehalten, der eine wesentlich geringere Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit als diejenige der zu untersuchenden Erd-
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Vorrichtung.
Die elektrischen Baugruppen innerhalb der Gehäuse sind der Einfachheit halber rechts neben der Vorrichtung 10 gezeichnet und besitzen einen Zeitmesskreis 19 zur Ermittlung des Zeitintervalls 6. t zwischen der ersten Ankunft von Sehallenergie am Empfänger R und am Empfänger R sowie eine Spitzenmesseinrichtung 20 zum Messen der Spitzenamplitude eines ausgewählten Teiles des erzeugten Signals. Die Leiter A, B, C, D des Kabels verbinden eine Stromquelle 15 sowie Steuerkreis 16 und 17 zur Einstellung der Empfindlichkeit und fernerAnzeigemittel 18 an der Erdoberfläche mit dem Zeitmesskreis 19 in der Vorrichtung 10. Die Spitzenmesseinrichtung 20 gemäss der Erfindung ist über einen Leiter E mit den an der Erdoberfläche befindlichen Anzeigemitteln verbunden.
Ein üblicher, nicht gezeichneter Netzteil im Messkreis 19 formt einen zugeführten Wechselstrom in Gleichspannung gewünschter Grösse um zum Betreiben der verschiedenen Schaltelemente innerhalb der Vorrichtung.
Der Messkreis 19 ist dafür eingerichtet, periodisch pulsierend den Sender T zu veranlassen,
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welle eine verhältnismässig kleine Spitzenamplitude mit einer gegebenen Polarität relativ zu einem Bezugswert aufweist, gefolgt von einer zweiten, wesentlich grösseren Spitzenamplitude mit umgekehrter Polarität relativ zum Bezugswert. Die darauf folgende Periode des Signals kann eine erheblich grössere Spitzenamplitude als der erste oder zweiteSpitzenwert der erstenperiodeaufweisen, es wurde jedoch erkannt, dass die Amplitude bzw. der Charakter dieser oder nachfolgender Perioden sich in Abhängigkeit komplexer
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erste Periode des elektrischen Signals am aufschlussreichsten und zuverlässigsten.
Die Laufzeitangaben werden im Messkreis 19 durch Auslösen eines Zeitimpulsgenerators erhalten.
Eine beispielsweise Anordnung eines im Sinne der Erfindung eingerichteten Schaltkreises ist in Fig. 1 veranschaulicht, wo der Empfänger R, über den Verstärker 30 mit einem Impulsgenerator 31 gekuppelt ist. Der Vorspannungs-Steuerkreis (nicht gezeichnet) des Impulsgenerators 31 ist über den Leiter C mit einem an der Oberfläche befindlichen Steuerkreis 17 zur Einstellung der Empfindlichkeit verbunden. Der Steuerkreis 17 enthält ein Potentiometer 32, das in Reihe mit einer Batterie 33 geschaltet ist und mit dessen Hilfe somit die Vorspannung am Generator 31 auf übliche Weise derart eingestellt werden kann, dass der Impulsgenerator auf den zweiten Teil der ersten Periode anspricht und nun ein Ausgangssignal erzeugt, das über den Leiter 34 den Zeitmessmitteln (nicht gezeigt) im Messkreis 19 zugeführt wird.
Der erste Teil der ersten Signalperiode hat unter Umständen eine nur kleine
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Amplitude und wird deshalb in der gezeigten Anordnung nicht dazu benutzt, um das erste eintreffende Si- gnal anzuzeigen. weil Rauschsignale mit kleiner Amplitude Fehler verursachen können durch vorzeitiges
Auslösen des Generators 31.
Der Impulsgenerator 31 wird weiter durch einen nicht gezeichneten Torkreis gesteuert, der über den Leiter 35 dem Impulsgenerator ein Steuersignal zuführt, u. zw. gerade vor der frühest möglichen
Signalankunft am Empfänger R, um den Impulsgenerator 31 in Betriebsbereitschaft zu bringen. Der
Impulsgenerator 31 besitzt übliche Bauart und ist so eingerichtet, dass kein Ausgangssignal erzeugt wird, sofern nicht demSteuerkreis einSignal zugeführt wird. Nachdem aisoder Generator 21 einen Ausgangs- impuls erzeugt hat, ist er wieder stillgesetzt und liefert erst dann wieder einen Ausgangsimpuls, wenn dem Steuerkreis ein neuerliches Steuersignal zugeführt wird.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung ist in der Spitzenmesseinrichtung 20 enthalten und weist einen Spitzen- bzw. Höchstwert-Messkreis 40 auf zum selektiven Erzeugen eines Ausgangssignals, das reprä- sentativ für die Spitzenamplitude einer Halbperiode des vom Empfänger R erzeugten Signals ist. Der
Empfänger R, ist über einen Verstärker 41 mit dem Messkreis 40 verbunden, während ein Steuer- kreis im Messkreis 40 mit dem Ausgang eines üblichen Multivibrators 42 verbunden ist. Der Multi- vibrator 42 ist dafür eingerichtet, einen Steuerimpuls mit einem Zeilintervall von geringfügig kleinerer
Dauer als die Hälfte der Signalperiode zu erzeugen und wird betätigt durch den Ausgangsimpuls des Im- pulsgenerators 31.
Obschon der Spitzenmesskreis 40 Signale des Empfängers R empfangen kann, bleibt er damit so lange unwirksam, bis der Impulsgenerator 31 einen Impuls zum Auslösen des Mul- tivibrators 42 erzeugt, der dann einen Steuerimpuls abgibt. Dieser auf den Steuerkreis des Messkrei - ses 40 einwirkende Steuerimpuls ermöglicht, die Amplitude des Signals für Anzeigezwecke während des Zeitintervalls des Steuerimpulses zu erhalten und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das über den Lei- ter E den Anzeigemitteln 18 zugeführt wird.
Die Fig. 2 zeigt Teile der Spitzenwert-Messeinrichtung 20 in grösserem Detail. Der Ausgang des
Verstärkers 41 wird auf das Gitter einer normalerweise leitenden Triodenröhre 44 geleitet, deren
Anode über den Anodenwiderstand 45 mit einem eine positive Gleichspannung führenden Leiter 46 verbunden ist. Die Kathode der Röhre 44 ist über den Kathodenwiderstand 47 an Masse bzw. an das negative Potential im Leiter 48 gelegt. Der Kathodenwiderstand 47 ist von einem Kondensator 49 auf übliche Weise überbrückt.
Der Ausgang der Röhre 44 ist über den Leiter 50 mit einem Kathodenverstärkerkreis 51 ver- bunden, in welchem die Anode einer Triodenröhre 52 direkt mit dem die positive Gleichspannung führenden Leiter 46 verbunden ist ; die Kathode dieser Röhre ist über einen Kathodenwiderstand 53 mit dem Masseleiter 48 verbunden. Aus der geschilderten Anordnung ist ersichtlich, dass bei einem
Signaleingang vom Verstärker 41 ein Spannungssignal der Röhre 44 ein Fliessen von Ausgangsstrom im Kathodenwiderstand 53 bewirkt.
Der Steuersignalkreis für den Kathodenverstärkerkreis 51 weist als Tor wirkende Schaltmittel auf, bestehend aus einer normalerweise leitenden Triode 55. die zwischen denEingangsleiter 50 des Ka- thodenverstärkers und den Masseleiter 48 geschaltet ist, ferner aus einem nur in einer Richtung leiten- den Element 56 mit einem in Reihe den Kathodenwiderstand 53 überbrückenden Kondensator 57.
Das Element 56 kann z. B. eine Röhrendiode oder eine Halbleiterdiode sein und ist so gepolt, dass po- sitive Signale ausreichender Stärke an der Kathode der Röhre 52 das Element zur Leitung bringen. Wirkt also kein Signal auf das Gitter der Röhre 55, wird ein Signal an der Anode der Verstärkerröhre 44 durch die als Tor wirkende Röhre 55 umgeleitet, so dass der vom Kathodenverstärkerkreis 51 erzeugte Ausgang nicht die genügende Grösse aufweist, um die Diode 56 leitend zu machen.
Wird demgegen- über aber ein Torimpuls auf das Gitter der Röhre 55 geleitet, um diese nicht leitend zu machen, so wird das Signal aus der Röhre 44 dem Kathodenverstärkerkreis 51 zugeführt und bewirkt, dass die Diode leitend wird und Strom in den Kondensator 57 fliesst.
Es sei an dieser Stelle daran erinnert, dass der Impulsgenerator 31 einen Ausgang während der zweiten Hälfte der ersten Signalperiode erzeugt und dass dieser Impuls den Multivibrator 42 auslöst, der seinerseits nur für die zweite Hälfte der ersten Periode der Torröhre 55 einen Impuls mit einem genügenden Zeitintervall liefert (diese wird nicht leitend gemacht), womit nur ein Spitzenwert des Signals dem Kathodenverstärkerkreis 51 zugeführt wird.
Ein Widerstand 58 überbrückt den Kondensator 57 und dessen Ausgang wird einem zweiten Kathodenverstärker 59 zugeführt. Der Ausgangskreis des Kathodenverst rkers 59 besitzt einen Katho- denwiderstand 62, der von einer Diode 60 und einem dazu in Reihe liegenden Kondensator 61 überbrückt ist. Der Kondensator 61 wird durch den Widerstand 63 überbrückt. Der Ausgang des Kon-
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Kabelgeführt wird. Der Transistor 83a wirkt als Stromverstärker zum Liefern von Ladestrom für den Konden- sator 86.
Die Arbeitsweise der elektrischen Einrichtungen gemäss der Fig. 2 und 3 ergibt sich ohne weiteres aus der vorstehenden Beschreibung und soll deshalb nicht noch näher erläutert werden. Das gleiche gilt für die allgemeine Betriebsweise der Vorrichtung 10. Die erzielten . t- bzw. Schallgeschwindigkeitsangaben liefern Informationen bezüglich der Art der von der Vorrichtung 10 durchfahrenen Formationen, während das Amplitudenniveau auf die Konsistenz der Formationen schliessen lässt.
Mit andern Worten wird beim Traversieren eines Spaltes oder gasführenden Zonen die Aufzeichnung der Amplitude des Signals an einem Empfänger einen verminderten Amplitudenwert aufzeigen und die relative Distanz, über welche sich das verminderte Amplitudensignal erstreckt, liefert eine das Unterscheiden der Spalten von gasfüh- renden Zonen ermöglichende Anzeige. In einem ausgekleideten Bohrloch wird der aufgezeichnete Amplitudenwert eine Vergrösserung aufweisen, wo die Bindung schlecht ist oder wo die Oberseite der Auskleidung erreicht ist.
Es sei ferner festgehalten, dass die Erfindung die genaue Ermittlung einer Spitzenamplitude im Bohrloch ermöglicht ; so wird nur eine Spannungsgrösse das Kabel hinauf geschickt. Damit werden Messfehler infolge von Kabeleffekten vollständig oder zumindest weitgehend ausgeschaltet.
Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es offensichtlich, dass Änderungen und Abweichungen vorhanden sein können, ohne den Rahmen der Erfindung im weiteren Sinne zu verlassen. Mit den nachfolgenden Ansprüchen wird bezweckt, alle solche Änderungen undAbweichungen zu umfassen, welche unter den Erfindungsgedanken fallen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Untersuchung akustischer Eigenschaften von ein Bohrloch umgebenden Medien, bei welchem Schallenergie an aufeinanderfolgenden Stellen entlang des Bohrloches erzeugt und das Auftreten dieser Schallenergie an einer oder mehreren, mit vorgegebenen Abständen in einer Richtung von der Schallerzeugungsstelle befindlichen Stellen festgestellt wird und ferner die festgestellte Schallcnergie abbildende, elektrische Signale erzeugt und Anzeigen über die festgestellte Schallenergie als Funktion der
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oder zweiten Halbperiode des elektrischen Signals der empfangenen akustischen Energie für die Anzeige ausgewertet wird.