DE102012010428B4

DE102012010428B4 - Vorrichtung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Materials von Bohrlöchern unter Verwendung des Laserflash-Verfahrens bei Messungen im Bohrloch

Info

Publication number: DE102012010428B4
Application number: DE102012010428.6A
Authority: DE
Inventors: David Sauer
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2016-01-28
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: DE102012010428A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Materials von Bohrlöchern unter Verwendung eines Laserflash-Verfahrens, speziell einer Wärmeleitfähigkeitsabtastung bei Messungen im Bohrloch (4) unter Verwendung eines Vergleichskörpers, zumindest umfassend – eine Folie (7), die mit der Bohrlochwand (5) nach pneumatischem Anpressen eine Doppelschicht (23) ausbildet, bei der die eine Schicht – die Folie (7) – von zwei Schichten (7, 4) der Doppelschicht (23) definiert vorgegeben ist, – eine von außen gesteuerte Pneumatikeinrichtung mit einer Pneumatikleitung (8), die für das Verdrängen von Wasser aus dem Bohrloch (4) durch die Folie (7) mittels einer Druckregulierung in der Messkammer (3) über die Pneumatikleitung (8) vorgesehen ist, – ein druck-/feuchtigkeitsresistentes Gehäuse (30) für die im Gehäuse (30) befindliche Messapparatur (2), – zumindest eine Scheibe (15, 16, 17), die teilweise aus wärmestrahlungsdurchlässigem Material besteht und zumindest eine Druckresistenz bis 20 bar und Feuchtigkeitsresistenz aufweist, – einen am Gehäuse (30) an einer Federhalterungseinrichtung (33) befestigten Blattfederring (6) zum elastischen Spannen der Folie (7) mittels Druckluft, – zumindest einen IR-Temperatursensor (13) zur aktiven Temperaturregulierung in der Messkammer (3) über die Pneumatikleitung (8), – ein Modul (14) in Verbindung mit einer der Scheiben (17) zur Entfernungsbestimmung des Erwärmungspunktes/Messbereiches (41) auf der Folie (7) mittels Lichtreflexion an der möglichst nur für eine Frequenz reflektierenden Folie (7), – eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der Temperaturleitfähigkeit aus der Auswertung der erfassten Messwerte der Doppelschicht (23) und Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit (λ) und weiterer Wärmeparameter mittels programmtechnischer Mittel in der Auswerteeinheit, sowie – den Vergleichskörper mit bekannten vorgegebenen thermischen Eigenschaften: der Wärmeleitfähigkeit, der Dichte und der spezifischen Wärmekapazität.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Materials von Bohrlöchern unter Verwendung eines Laserflash-Verfahrens, speziell des Verfahrens zur Wärmeleitfähigkeitsabtastung (engl. Thermal Conductivity Scanning – TCS –), bei Messungen im Bohrloch.
Der instationäre Wärmetransport in Festkörpern wird maßgeblich durch dessen Temperaturleitfähigkeit a bestimmt.
Die Temperaturleitfähigkeit a wird direkt durch das Laserflash-Verfahren erschlossen. Die beim stationären Wärmetransport wichtige Kenngröße der Wärmeleitfähigkeit λ kann ebenfalls mittels des Laserflash-Verfahrens bestimmt werden. Bei bekannter spezifischer Wärmekapazität c_p und Dichte ρ des Materials des festen Probekörpers lässt sich die Wärmleitfähigkeit λ nach λ = a·ρ·c_p ermitteln. Nach dem Verfahren der TCS-Anlage kann die Wärmeleitfähigkeit aber auch direkt über das Verhältnis des Antwortsignals θ eines bekannten Referenzkörpers R zum Antwortsignal des Probekörpers P berechnet werden. Nach λ_P = λ_R·T_R/T_P.
Die Temperaturleitfähigkeit a kann mit dem Laserflash-Verfahren in kurzen Messzeiten und auch bei hohen Temperaturen genau bestimmt werden, wie in der Druckschrift Popov, Pribnow, Sass, Williams, Burghardt: Characterization of rock thermal conductivity by high-resolution optical scanning, Pergamon, Geothermics 28, 1999, Seiten 253–276 beschrieben ist. Ein weiterer Vorteil liegt in der berührungsfreien Ankopplung sowohl der Heizquelle als auch der Temperatursensoren, wodurch eine aufwändige Präparation eines Probenkörpers entfällt.
Das Messprinzip besteht darin, dass beim Laser-Flash-Verfahren die Strahlung des Lasers als Heizquelle dient. Der zu untersuchende Körper wird mit dem Laser an einer Stelle oder an einem Linear erwärmt. Die so in den Körper eingebrachte Energie verteilt sich nach einiger Zeit über den gesamten Körper und führt zu einer Erwärmung an anderen Stellen des Probekörpers, wobei der zeitliche Verlauf durch die Temperaturleitfähigkeit a bestimmt ist. Die Erwärmung des Körpers wird mit einem Infrarot-Detektor gemessen und aufgezeichnet. Führt man diese Messung auch an einem bekannten Referenz(Vergleichs)-Probekörper R durch, so kann über ein Verhältnis der Antwortsignale (Temperaturkurven) der beiden Körper zueinander und mit der bekannten Wärmeleitfähigkeit des Referenzkörpers auf die gesuchte Wärmeleitfähigkeit λ_P = λ_R·T_R/T_p geschlossen werden. Alternativ kann man über mathematische Analyse des gemessenen zeitlichen Temperaturverlaufs mittels numerischer Modelle auf die Temperaturleitfähigkeit a schließen und damit nach Messung der spezifischen Wärmekapazität c_p mittels DDK (Dynamische Differenz Kalorimetrie) und der Messung der Probekörperdichte auf die temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit λ schließen.
Stand der Technik
Einen Überblick über den Stand der Technik zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit gibt ein Bericht von Bohnes, S., Wirtz, S., Scherer, V.: Einflüsse von Belägen in Hochtemperaturprozessen: Simultane Messung der Wärmeleitfähigkeit und der spektralen Emissionskoeffizienten in Abhängigkeit der stofflichen Eigenschaften, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Maschinenbau, Schlussbericht eines IGF-Forschungsvorhabens, 2008.
Demnach gibt es grundsätzliche Wege, um den Zusammenhang der Wärmeleitfähigkeit mit anderen Parametern mathematisch darzustellen.
Der erste basiert auf der exakten Berechnung des Temperaturfeldes durch analytische oder numerische Lösung der Laplace-Gleichung in der Druckschrift VDI-Wärmeatlas, 8. Auflage, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1997.
Bei einem anderen Modelltyp wird der Probenkörper als eine Schaltung von Widerständen betrachtet, wie in der Druckschrift Krischer, O: Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik, Springer-Verlag, 1956 beschrieben ist. Dieses Verfahren ist nur schlecht für genaue Berechnungen geeignet. Für den praktischen Gebrauch werden in erster Linie Modelle benutzt, bei denen eine effektive Wärmeleitfähigkeit einer Einheitszelle ermittelt wird, die als repräsentativ für den gesamten Probenkörper betrachtet wird, wie in den Druckschriften Zehner, P., Schlünder, E. U.: Einfluß der Wärmestrahlung und des Druckes auf den Wärmetransport in nicht durchströmten Schüttungen, Chem.-Ing.-Tech., 44, S. 103 ff, 1972 und Bauer, R., Schlünder, E. U.: Effektive Radial Thermal Conductivity of Packings in Gas flow, Part II: Thermal Conductivity of the Packing Fraction without Gas Flow, Int. Chem. Eng., 18, S. 189–204, 1978 beschrieben ist.
Weiterführende Erläuterungen über die meisten instationären Messverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und der Temperaturleitfähigkeit finden sich in den Druckschriften DeWitt, D. P., Nutter, G. D.: Theory and Practice of Radiation Thermometry, New York, Wiley, 1988 und Tye, R. P.: Thermal Conductivity – Volume 1 und Volume 2, New York, Academic Press, 1969.
Für Messungen in Bohrlöchern wird derzeit mitunter das Heißdrahtverfahren verendet. Das Heißdrahtverfahren ist ein instationäres Messverfahren, bei dem die gemessene zeitliche Temperaturänderung eines Heißdrahtes nach Einschalten des Heizstromes als ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit des Messprobekörpers genutzt wird, wie in den Druckschriften Schulle, W.: Die Eignung der dynamischen Heißdrahtmethode zur Bestimmung der Wärmeleitzahl von feuerfesten Baustoffen bei Raumtemperatur und bei höheren Temperaturen, Dissertation, Bergakademie Freiberg, 1962 und Warnke, K.: Anwendung des Heißdrahtverfahrens zur Messung der Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit an festen Stoffen, Schüttungen und Flüssigkeiten, Dissertation, RWTH Aachen, 1975 beschreiben ist.
In der Druckschrift Vlajcic, T.: Ein instationäres Verfahren zur Bestimmung der Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit von festen Stoffen, Dissertation, Aachen, 1976 wird ein instationäres Verfahren zur gleichzeitigen Bestimmung der Temperatur und Wärmeleitfähigkeit von festen Stoffen präsentiert. Dabei wird die Temperaturleitfähigkeit der Messprobe absolut und die Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe einer Vergleichsprobe bestimmt.
Das Laser-Flash-Verfahren wird in den Druckschriften Dusza, L.: Wärmetransport-Modelle zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit von Werkstoffen mit der instationären Laser-Flash-Methode, Dissertation, Karlsruhe, 1996 und Sölter, H. J.: Das Laserpulsverfahren zur simultanen Bestimmung der Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit von Zweischichtsystemen: Vergleich von Auswerteinformalismen und Untersuchungen an plasmagespritzten Schichten, Dissertation, Stuttgart, 1989 beschrieben. Eine flache, thermisch isolierte Probe, die zu Beginn eine konstante Temperatur hat, wird durch einen kurzen Laserpuls auf der Vorderseite erwärmt. Die Wärmefront wandert daraufhin durch die Probe hindurch bis zur Rückseite. Die Temperatur der Rückseite wird gemessen und aus ihrem zeitlichen Verlauf die Temperaturleitfähigkeit bestimmt.
Im bisher entwickelten Laborverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Gesteinen nach dem „Thermal Conductivity Scanning” (TCS) – Prinzip von Yuri A. Popov, gemäß 11, ist es notwendig, dass Gesteinsproben für Kernuntersuchungen an die Oberfläche geholt werden. Dabei wird eine Probenoberfläche mit einer fokussierten Wärmequelle bestrahlt und kontaktlos eine Temperaturmessung mittels Infrarot-Thermosensoren durchgeführt, was sehr genaue, ortsdiskrete Messungen entlang einer Linearen erlaubt. Bei der Messung wird der fokussierte, mobile und kontinuierlich arbeitende Laser mit konstanter Geschwindigkeit über die Probe hinweg bewegt. Laser und Sensor stehen dabei in festem, bekanntem Abstand zueinander. Die übertragene Wärme breitet sich in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit in der Probe aus (12). Dabei gibt der Infrarotsensor den Temperatur-Wert hinter der Quelle zu einem bestimmten Zeitpunkt wieder (13). Die maximale Temperatur 8, wird von folgender Beziehung gemäß der Druckschrift Popov, Pribnow, Sass, Williams, Burghardt: Characterization of rock thermal conductivity by high-resolution optical scanning, Pergamon, Geothermics 28, 1999, Seiten 253–276, bestimmt θ = Q / 2π·×·λ, wobei Q die vom Laser übertragene Leistung [W], x die Entfernung zwischen Quelle und Sensor und λ die Wärmeleitfähigkeit sind. Wenn Referenzkörper (R) mit bekanntem λ_R und Probekörper (P) mit unbekanntem λ_P in einer Linie liegend, nacheinander gescannt werden, so kann die Wärmeleitfähigkeit λ nach folgender Formel bestimmt werden:
Das Laser-Flash-Verfahren konnte bisher nicht im Bohrloch eingesetzt werden. Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit im Bohrloch werden deshalb Proben an die Oberfläche geholt und im Labor analysiert. Im Labor befindet sich der Probenkörper unter definierten Umweltbedingungen. Bei Laborverfahren wird die Oberfläche mit Graphit wird durch einheitliches Schwärzen vermessen sowie an glatt gesägten oder sogar polierten Oberflächen gemessen, wie in der Druckschrift Popov, Y. A.; Rabe, F., Bangura, A.: Analis adekwatnosti teoretitscheskoi i eksperimentalnoi modelei metoda skanirowania pri ismerenijach teploprowodnosti mineralow, porod, rud – Iswestija Wisschich Utschebnich Sawedenii, Geologia i Raswedka, S. 120–129, Moskau, 1992 beschrieben ist.
Die Nachteile der bekannten, für den Bohrlocheinsatz eingesetzten Vorrichtungen und Verfahren gegenüber den Laserflash-/TCS-Verfahren liegen in einer großen Messzeit und der Notwendigkeit einen direkten Kontakt, also eine Wärmebrücke zum Probekörper errichten zu müssen.
Das Laserflash-/TCS-Verfahren kann Probekörper kontaktfrei erwärmen und das Temperaturabklingverhalten kontaktfrei bestimmen. Darüber hinaus kann der Probekörper punktgenau über einen kurzen Lichtimpuls erwärmt werden, was kurze Messzeiten ermöglicht. Das Verfahren kann jedoch bisher nicht im Bohrloch angewendet werden. Zur Beprobung müssen daher die Probekörper an die Oberfläche geholt und im Labor untersucht werden. Durch Probenmaterialentnahme aus dem Bohrloch wird der Probekörper verändert, was die Messergebnisse verfälscht. Außerdem geht durch die aufwändige Entnahme der Vorteil der kurzen Messzeiten verloren.
Für eine Anwendung des Laserflash-Verfahrens für Vor-Ort-Messungen sind mehrere nachgenannte Probleme zu lösen. Hier wird die Anwendung speziell für Bohrlochmessungen beschrieben, auch andere erschwerte Bedingungen, wie sie z. B. im Offshore-Bereich auftreten, werden nicht ausgeschlossen.
Folgende nachgenannte Probleme spielen für die Ausbildung der Erfindung eine Rolle:
Das im Bohrloch vorliegende Fluid ist wegen seines starken Absorptionsvermögens gegenüber elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich der Wärmestrahlung (3 μm bis 14 μm), für Wärmestrahlung annähernd undurchlässig, wie in der Druckschrift Hale G. M. and Querry, M. R.: Optical constants of water in the 200 nm to 200 μm wavelength region, Appl. Optics 12, S. 555–563, 1973 beschrieben ist.
Das Bohrlochfluid muss daher für die Dauer der Messung aus dem Messbereich entfernt werden.
Da Bohrlochmessungen bis in mehreren hundert Metern Tiefe angestrebt werden, muss die als Messkopf ausgebildete Messvorrichtung bei starken hydrostatischen Drücken arbeiten können.
Beim Laserflash-Verfahren müssen sehr kleine Temperaturveränderungen erfasst werden können. Daher muss die Erwärmung der Messapparatur innerhalb der Messvorrichtung beim Messvorgang ermittelbar und nach Möglichkeit regulierbar sein.
Um beim Laserflash-Verfahren von den erfassten Temperaturverlaufskurven auf Wärmeleitfähigkeiten schließen zu können, ist es notwendig, die vom Laser übertragene Energie zu kennen. Die Energie ist im Normalfall definiert, da die vom Laser emittierte, bekannte Energiemenge von einer schwarzen Wand, wie sie im Labor vorliegt, vollständig absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Die Oberfläche der Bohrlochwand ist jedoch nicht einheitlich schwarz. Ein Teil der Laserstrahlung wird deshalb reflektiert und die übertragene, in Wärme umgewandelte Energiemenge, bleibt unklar.
Die Bohrlochwand kann unterschiedliche Emissionsgrade aufweisen. Für die Bestimmung einer Temperatur aus der Strahlung ist es allerdings notwendig, diesen Emissionsgrad angenähert zu kennen.
Im Labor wird die Messung des Temperaturverlaufes an glatten Oberflächen durchgeführt. Die Bohrlochwand hingegen kann sehr uneben sein, wodurch sich weitere Probleme ergeben:
Die Intensität der Wärmestrahlung, die von einer Fläche ausgeht, verhält sich in Abhängigkeit vom Winkel zur Flächennormale Gauß-verteilt. Parallel zur Flächennormale ist die Intensität am höchsten. Ist die Ausrichtung der Fläche zum Sensor nicht bekannt, so ist eine direkte Bestimmung der Temperatur der Fläche aus der gemessenen Strahlungsintensität nicht möglich. Das bedeutet, dass eine richtungsabhängige Wärmestrahlung vorliegt.
Die Oberflächenstruktur hat einen Einfluss auf die Wärmeausbreitung. Das Verhalten der Wärmestrahlung in Bezug auf Reflexion und Absorption ist eine Eigenschaft, die maßgeblich von der Wärmeleitfähigkeit beeinflusst wird. Für eine Berechnung der Wärmeleitfähigkeit aus den erfassten Temperaturverlaufskurven ist es notwendig, die Wärmeausbreitung ausschließlich von der Wärmeleitfähigkeit abhängen zu lassen, während die übrigen Parameter bekannt und nach Möglichkeit konstant sein müssen. Bekannte, veränderliche Parameter müssen im Wärmeflussmodell, nach dem die Wärmeleitfähigkeit aus den Temperaturverlaufskurven berechnet wird, berücksichtigt und herausgerechnet werden. Im Normalfall werden aus diesem Grunde die Oberfläche und damit das Leitfähigkeitsmodell durch einen Schliff des Materials aus dem Bohrloch vorgegeben. In diesem Falle wird jedoch kein Einfluss auf die Struktur der Oberfläche genommen.
Durch die oberflächenstrukturbedingten Versätze der Wand in z-Richtung (Beobachtungsrichtung) sind die Entfernungen der Positionen der Abtastpunkte – der „beobachteten” Abstrahlpunkte – untereinander nicht mehr durch den Sensorabstand definiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Materials von Bohrlöchern unter Verwendung eines Laserflash-Verfahrens, speziell des TCS-Verfahrens bei Messungen im Bohrloch anzugeben, die derart geeignet ist, die aufgelisteten Probleme zu lösen, so dass das TCS-Verfahren auch auf Vor-Ort-Messungen innerhalb des Bohrlochs eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Vorrichtung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Materials von Bohrlöchern unter Verwendung eines Laserflash-Verfahrens bei Messungen im Bohrloch umfasst zumindest

– eine Folie, die mit der Bohrlochwand nach pneumatischem Anpressen eine Doppelschicht ausbildet, bei der eine Schicht – die Folie – von zwei Schichten der Doppelschicht definiert vorgegeben ist,
– eine von außen gesteuerte Pneumatikeinrichtung mit einer Pneumatikleitung, die für das Verdrängen von Wasser aus dem Bohrloch durch die Folie mittels einer Druckregulierung in der Messkammer über die Pneumatik vorgesehen ist,
– ein druck-/feuchtigkeitsresistentes Gehäuse für die im Gehäuse befindliche Messapparatur,
– drei verschiedene Scheiben, die teilweise aus wärmestrahlungsdurchlässigem Material und zumindest eine Druckresistenz bis 20 bar und Feuchtigkeitsresistenz aufweist,
– eine am Gehäuse an einer Federhalterungseinrichtung befestigten Ring mit Blattfedern (im Folgenden als Blattfederring bezeichnet) zum elastischen Spannen der Folie,
– zumindest ein Temperatursensor zur aktiven Temperaturregulierung in der Messkammer über die Pneumatik,
– ein Modul in Verbindung mit einer der Scheiben zur Entfernungsbestimmung des Erwärmungspunktes/Messbereiches auf der Folie mittels Lichtreflexion an der Folie,
– eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der Temperaturleitfähigkeit aus der Auswertung der erfassten Messwerte der Doppelschicht und Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit λ und weiterer Wärmeparameter mittels programmtechnischer Mittel in der Auswerteeinheit.
– ein Vergleichskörper/Referenzkörper mit bekannten thermischen Eigenschaften: Der Wärmeleitfähigkeit, der Dichte und der spezifischen Wärmekapazität.

Als Laserflash-Verfahren kann das TCS-Verfahren eingesetzt werden.
Zur Verdrängung des Bohrlochfluides im Messbereich ist ein Kissen aus dem Blattfederring und der Folie mit gefüllter Druckluft vorgesehen, wobei das Kissen einem Packer entspricht, der die Vorrichtung an der Bohrlochwand durch Haftreibung haltert.
Die untere Seite der Folie ist an einem Blattfederring an der Blattfeder-Folien-Verbindungsstelle befestigt, wobei der Blattfederring an einer Federhalterungseinrichtung den Kontakt mit der Messapparatur realisiert.
Die Messkammer ist mittels der Folie und dem Blattfederring von der Umgebung abgeschlossen, wodurch ein Eindringen von Bohrlochwasser in die Messkammer unterbunden ist.
Der Blattfederring zieht die Folie von der Bohrlochwand weg und wirkt damit dem pneumatischen Druck entgegen, so dass nur unter pneumatischem Druck ein geschlossener Kontakt zwischen Folie und Bohrlochwand und somit auch eine Doppelschicht vorliegt.
Um in mehreren Richtungen hintereinander messen zu können, ohne das Kissen neu ansetzen zu müssen, ist die Vorrichtung auf der vertikalen Achse rotierbar. Um der bewegten Punktquelle einer TCS-Anlage gerecht zu werden, ist eine Translation der Sensoreinheit auf der z-Achse möglich, wobei durch das vertikale Verstehen die zu fokussierenden Positionen von Laser, Infrarot-Sensor und Modul zur Entfernungsmessung der Reihe nach übereinander zu bringen sind und damit vollständige Daten für einen Messbereich resultieren.
Die Messapparatur kann sich in einem Gehäuse befinden, das dem Umgebungsdruck stand hält und wasserdicht ist.
Als Laser kann ein Diodenlaser eingesetzt werden. Das Licht des Lasers kann über ein Glasfaserkabel in die Messkammer übertragen werden.
Die Vorrichtung kann zumindest ein Ventil aufweisen, das mit einem Druckluftschlauch in Verbindung steht, so dass die Druckluft über das Ventil und/oder über einen Schlauch in die Messkammer gelassen wird, um dass Kissen auszubilden.
Die Farbe der Folie kann derart ausgebildet sein, dass die Folie einen schwarzen Körper darstellt, so dass die Bohrlochwand das auftreffende Licht vollständig unabhängig vom Winkel, mit dem das Laserlicht auftrifft, absorbiert.
Die Folie kann einen einheitlichen Emissionsgrad aufweisen, so dass die Unterschiede in der Emissionsintensität nur noch vom Winkel der Bohrlochwand (Doppelschicht) und der Temperatur abhängen.
Vor Beginn der Bestrahlung kann von einem stationären Zustand der Temperaturverteilung ausgegangen werden, so dass eine Wärmestrahlung bereits messbar ist und die Temperatur für eine Strahlung bekannt ist, wobei über numerische Modelle damit auf Strahlungsverhältnisse für andere Temperaturen geschlussfolgert werden kann und eine exakte Umrechnung der Strahlungsverhältnisse in absolute Temperaturen der Doppelschicht möglich ist.
Das Verfahren zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Materials von Bohrlöchern unter Verwendung eines Laserflash-Verfahrens, speziell des TCS-Verfahrens bei Messungen im Bohrloch weist zumindest folgende wesentliche Schritte auf

– Das pneumatische Anpressen einer Folie an eine Bohrlochwand im vorgesehenen Messbereich als Doppelschicht, wobei die Folie als Schicht mit definierten Parametern vorgegeben ist,
– Das Verdrängen des Wassers aus dem zu vermessenden Teil des Bohrlochs durch Druckluft eines Kissens aus einer Blattfeder und der damit in Verbindung stehenden Folie,
– Die Anwendung eines druck-/feuchtigkeitsresistenten Gehäuses für die Messapparatur,
– Die Verwendung von drei verschiedenen Scheiben, teilweise aus wärmestrahlungsdurchlässigem Material, bei Druck bis 20 bar und Feuchtigkeitsresistenz,
– Die Verwendung von Blattfedern zum elastischen Spannen der Folie, wobei die Folie nicht elastisch sein muss,
– Die aktive Temperaturregulierung und Druckregulierung in der Messkammer über die Pneumatik;
– Die Entfernungsbestimmung mittels Lichtreflexion an einer teilweise reflektierenden Folie,
– Die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit und der Temperaturleitfähigkeit aus der Auswertung der erfassten Messwerte der Doppelschicht mittels programmtechnischer Mittel der Auswerteeinheit.

Dabei wird die erste Scheibe für den Durchlass des Laserlichtstrahlenganges eingesetzt, die zweite Scheibe wird dafür genutzt, die von der Bohrlochwand emittierte Wärmestrahlung zum IR-Sensor durchzulassen, und die dritte Scheibe dient dazu, eine flächenhafte Entfernungsmessung zur zu untersuchenden Bohrlochwand zu ermöglichen.
Falls all diese Aufgaben von nur einer durchgängigen Scheibe erfüllt werden können, so ist es zweckmäßiger, diese zu verwenden, da hierfür weniger Isolierungen nötig sind.
Für die Berücksichtigung von Messungen im trüben Wasser oder im Bohrlochfluid soll für die Dauer der Messung die Erfindung das Wasser zwischen Probekörper und Sensoren verdrängen und einen luftgefüllten Raum schaffen, in dem Wärmestrahlung und Laserlicht nur geringfügig abgedämpft werden.
Bei Berücksichtigung des Drucks wird die empfindliche Messapparatur (Laser und Infrarotsensoren) von der Umgebung über druckresistente Materialien isoliert, während der Kontakt zum Probekörper/der Bohrlochwand über einen Umweg realisiert wird.
Bei Berücksichtigung der Temperaturdrift liegt die Umgebungstemperatur im Bohrloch im Durchschnitt bei 6° bis 20°C. Der Laser, welcher für die punktuelle Erwärmung der Bohrlochwand sorgt, erwärmt jedoch die Messapparatur. Um die Temperatur der gesamten Apparatur konstant zu halten, wird versucht, eine möglichst gute passive Kühlung/Wärmetausch mit der Umgebung zu realisieren. Die Erwärmung der Messapparatur muss dabei geprüft werden. Für den Fall, dass die Temperatur stark ansteigt/die passive Kühlung nicht genügt, muss die Erwärmung im Rechenmodell berücksichtigt werden oder über Messpausen eine weitere Abkühlung ermöglicht werden.
Bei Berücksichtigung von Reflexionen an der Bohrlochwand wird für den Messvorgang die Oberfläche der Bohrlochwand einheitlich geschwärzt. Dieser Vorgang ist reversibel. Die Schwärzung wird nach dem Messvorgang wieder beseitigt.
Bei Berücksichtigung der unterschiedlichen Emissionsgrade des Materials der Bohrlochwand wird im Zusammenhang mit der Schwärzung der Oberfläche der Bohrlochwand auch der Emissionsgrad der Wand vereinheitlicht.
Bei Berücksichtigung der unebenen Bohrlochwand werden die Probleme, die sich hieraus ergeben, von der Erfindung einzeln gelöst:
Bei Berücksichtigung einer richtungsabhängigen Wärmestrahlung soll die Messapparatur die Strahlungsverhältnisse für beliebige Anordnungen der Wand erfassen und über Referenzmessungen eine Umrechnung in absolute Temperaturen der Bohrlochwand ermöglichen.
Die Oberflächenstruktur hat einen Einfluss auf die Wärmeausbreitung, wobei bei Zunahme der Oberflächenstruktur keine perfekte Wärmeausbreitung parallel zur Beobachtungs-/Sensorebene mehr stattfindet. Das genutzte Rechenmodell, zur Berechnung der Temperaturleitfähigkeit aus Temperaturkurven, wird also bei jeder Messung neu angepasst. Dafür wird die Struktur der Oberfläche der Bohrlochwand so genau wie möglich gemessen und als Modell abgebildet.
Bei Berücksichtigung der Positionen der Abtastpunkte können durch die Abbildung des Probekörpers als Modell auch die tatsächlichen Punktabstände der Messpunkte am Probekörper berechnet werden.
Um das Bohrlochfluid zu verdrängen, wird im Messbereich ein Kissen mit Pressluft gefüllt. Das Kissen entspricht einem Packer, mit einigen Abänderungen. Das Material des Kissens ist nach Möglichkeit dünn. Um dabei eine gute Stabilität des Kissens zu gewährleisten, wird hierfür kein elastisches Material verwendet, sondern ein unelastischer Stoff (Folie). Da für ein vollständiges Verdrängen des Fluids ein elastisches Verhalten der Folie benötigt wird, wird die untere Seite der Folie an einem Federarm befestigt, der wiederum den Kontakt mit der Apparatur realisiert. Die Messkammer ist mittels der Folie und dem Federarm von der Umgebung abgeschlossen, wodurch ein Eindringen von Bohrlochwasser in die Messkammer unterbunden wird.
Die Blattfeder zieht die Folie von der Wand weg und wirkt damit dem pneumatischen Druck entgegen, so dass nur unter pneumatischem Druck ein geschlossener Kontakt zwischen Folie und Wand vorliegt. Sieht man von der Struktur der Wand/der Folie ab, so liegt damit angenähert ein Zweischichtfall vor, wie er in der Druckschrift Sölter, H. J.: Das Laserpulsverfahren zur simultanen Bestimmung der Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit von Zweischichtsystemen: Vergleich von Auswerteinformalismen und Untersuchungen an plasmagespritzten Schichten, Dissertation, Stuttgart, 1989 beschrieben wird. In der Messkammer (MK) liegt ein luftgefüllter Raum vor, der die Entfernung zwischen Messapparatur und Wand (plus Folie) überbrückt. Um in mehreren Richtungen hintereinander messen zu können, ohne das Kissen neu ansetzen zu müssen, kann der Bereich der Apparatur mit den Messinstrumenten in der Vertikalen verstellt werden. Das vertikale Verstellen ist auch notwendig, um die zu fokussierenden Positionen von Laser, IR-Sensor und Entfernungsmessung der Reihe nach übereinander zu bringen und damit vollständige Daten für einen Punkt zu bekommen. Dieses Abfahren eines Profils wurde bereits in der Druckschrift Popov, Y. A.; Rabe, F., Bangura, A.: Analis adekwatnosti teoretitscheskoi i eksperimentalnoi modelei metoda skanirowania pri ismerenijach teploprowodnosti mineralow, porod, rud – Iswestija Wisschich Utschebnich Sawedenii, Geologia i Raswedka, S. 120–129, Moskau, 1992 durchgeführt. Für das korrekte Umrechnen der gemessenen Daten in Wärmeleitfähigkeiten nach Popov et al. ist eine konstante Geschwindigkeit der Wärmequelle vonnöten.
Die empfindliche Messapparatur befindet sich in einem Gehäuse, das dem Umgebungsdruck stand hält und wasserdicht ist. Der Kontakt zwischen Messapparatur und Wand wird von hier aus über drei Scheiben realisiert.
Die erste Scheibe muss das Laserlicht hindurchlassen können. Das Laserlicht wird oberirdisch erzeugt und über ein Lichtleiterkabel eingespeist. Dafür käme z. B. Quarzkristallglas in Frage. Durch die begrenzte Lichtdurchlässigkeit von Glasfaserkabeln wird eine mögliche Lichtwellenlänge des Lasers auf maximal 3 μm beschränkt. Als Laser kommt für diesen Fall also ein Diodenlaser in Frage. Will man auf das Lichtleiterkabel verzichten, so könnte man den Laser auch in der Messapparatur installieren, was die Erwärmungsgeschwindigkeit der Apparatur erhöhen könnte. In diesem Fall wäre die Lichtwellenlänge des Lasers nicht durch ein Kabel beschränkt.
Die zweite Scheibe wird dafür genutzt, die von der Wand emittierte Wärmestrahlung zum IR-Sensor durchzulassen. Bei einer Temperatur von 10°C tritt die höchste Strahlungsintensität bei einer Wellenlänge von über 10 μm auf, weshalb hier eine Spezialscheibe genutzt werden muss. Als Kristalle dafür kämen z. B. ZnSe, AgGaSe₂- oder AgGaS₂-Kristalle in Frage, die auch bei Wellenlängen der Wärmestrahlung lichtdurchlässig sind. Der Kristall hat einen Durchmesser von etwa 1 cm, um eine Messung an mehreren Punkten zu ermöglichen.
Die dritte Scheibe wird genutzt, um eine flächenhafte Entfernungsmessung an der zu beprobenden Wand zu ermöglichen. Dadurch wird das Erstellen eines Oberflächenmodells möglich. Das Material der dritten Scheibe ist an die Lichtfrequenz der entsprechenden Messinstrumente angepasst.
Alle drei Scheiben müssen eine ausreichende Stärke haben, um den Druck aus der Messkammer von der Apparatur fernhalten zu können und ein Eindringen von Wasser zu verhindern, falls die Folie einmal reißen sollte.
Durch die Kristalle wird so ein Kontakt zwischen Messapparatur und Folie/Wand realisiert, ohne die Messapparatur den Umgebungsbedingungen (Druck und Feuchtigkeit) auszusetzen.
Um eine Erwärmung möglichst zu verhindern, wird der Laser vorzugsweise oberirdisch betrieben und dort gekühlt. Während der Messungen kann sich die gesamte Apparatur dennoch erwärmen. Um dies weitgehend zu unterbinden, wird die Apparatur so gebaut, dass ein möglichst guter passiver Wärmeaustausch mit dem Bohrlochfluid stattfinden kann.
Beim Einpumpen von Druckluft kann sich auch der Schlauch für die Übertragung des pneumatischen Druckes erwärmen oder, bei Entspannung der Luft entsprechend der Zustandsgleichung realer Gase, sogar unter die Umgebungstemperatur abkühlen. Durch Steuerung dieser Prozesse ist die Temperatur in der Messkammer nach Belieben regulierbar. Wird die komprimierte Luft ohne Abkühlung direkt in die Messkammer gelassen, so erwärmt sich die Messkammer. Die entstandene Temperaturdifferenz zwischen Druckschlauch und dem umgebenden Bohrlochfluid kann jedoch auch über eine gewisse Verweilzeit im Druckschlauch nach Wunsch ausgeglichen werden. Wenn das Gas unter Druckabfall durch das Ventil in die Messkammer entlassen wird, so kühlt es sich ab und kühlt den gesamten Messbereich. Die Endtemperatur in der Messkammer sollte dadurch reguliert werden. Um über diese Regulierung eine konstante Temperatur (Temperatur des umgebenden Wasser) gewährleisten zu können, müssen die Temperaturen im Druckschlauch sowie die in der Messkammer separat bestimmt werden. Das Ventil vor der Messkammer erfüllt noch einen weiteren Zweck. Bei einem möglichen Riss der Folie kann das Ventil einströmendes Wasser aus dem Druckschlauch fernhalten.
Die Farbe der zu bestrahlenden/abstrahlenden Wand ist durch Aufbringen der Folie (Zweischichtfall) mit der Farbe der Folie definiert. Im optimalen Falle sollte die Folie ein „schwarzer Körper” sein. Damit absorbiert die Wand das auftreffende Licht vollständig unabhängig vom Winkel, mit dem das Laserlicht auftrifft.
Die Folie weist einen einheitlichen Emissionsgrad auf. Damit hängen Unterschiede in der Emissionsintensität nur noch vom Winkel der Wand (Doppelschicht) und der Temperatur ab. Die Berücksichtigung des Winkels wird im Folgenden beschrieben.
Sofern durch die Anbringung der Messapparatur (Anpressen der Folie) die Umgebungstemperatur am Probekörper nicht bereits verändert wird, kann vor Beginn der Bestrahlung von einem stationären Zustand der Temperaturverteilung ausgegangen werden. In diesem Zustand kann über Messungen der Umgebungstemperatur auf die Anfangstemperatur des Probekörpers geschlossen werden. Bereits in diesem Zustand ist eine Wärmestrahlung messbar. Dafür wird eine „Nullmessung” vor der Bestrahlung durchgeführt. Damit ist die Temperatur für eine Strahlung bekannt. Über numerische Modelle kann damit auf Strahlungsverhältnisse für andere Temperaturen geschlussfolgert werden. Damit ist eine exakte Umrechnung der Strahlungsverhältnisse in absolute Temperaturen des Probekörpers/der Doppelschicht möglich.
Zur Bestimmung des Oberflächenmodells sind Daten über die Entfernung der Wand vom der Messapparatur notwendig. Diese können nach dem eigentlichen Messschritt, der Messung der Temperaturverlaufskurven, separat bestimmt werden, beispielsweise über Laufzeitkurven oder über ein Interferometer, über Trianulation oder über Confocal-Verfahren. Diese Verfahren sind allerdings nur möglich, wenn Licht von der Wand/Doppelschicht, speziell von der Folie, reflektiert wird. Falls die Folie jedoch ein schwarzer Körper ist, muss diese so modifiziert werden, dass sie in der Lichtfrequenz, die das Enfernungsmessinstrument nutzt, reflektieren kann. Das Licht dieses Testes weist also eine andere Frequenz auf als das Laserlicht, welches zur Erwärmung der Wand genutzt wird. Mit dem Wissen über die Entfernung diskreter Wandpunkte vom Lichtleiterkabel kann über Interpolation ein Modell der Wandoberfläche bestimmt werden, womit ein Wärmeflussmodell für die Wand errechnet werden kann.
Alternativ zur Berechnung eines neuen Wärmeflussmodells für jede Messung kann ein Näherungsverfahren für die Berechnung eines Wärmeflusses verwendet werden. Dieses könnte vorgefertigte Wärmeflussmodelle für repräsentative Wandmodelle verwenden und einer Berechnung der Wärmeleitfähigkeit zugrunde liegen.
Die tatsächlichen Abstände der benachbarten sondierten Wandpunkte können mit dem Modell und den Positionen von Entfernungsmessgerät und Infrarot-Sensor berechnet werden.
Weiterbildungen und besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand von mehreren Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung zur Anwendung des Laser-Flash-Verfahrens bei Vor-Ort-Messungen in einem Bohrloch in einem seitlichen Schnitt der gesamten Messvorrichtung im Bohrloch, wobei die Version nur für Punktmessungen ohne bewegte Wärmequelle vorgesehen ist und damit nicht zum TCS-Verfahren, sondern nur zum Laserflash-Verfahren am Punkt passt.
2 eine schematische Anordnung der Messapparatur innerhalb des stabilen Gehäuses, wobei
2a eine erste Phase zur Ermittlung von Temperaturverlaufskurven und
2b eine zweite Phase zur Ermittlung der Entfernung zwischen Bohrlochwand und Ende des eingesetzten Lichtleiterkabels zeigen,
3 eine schematische Darstellung eines Messarms der Messvorrichtung im Querschnitt an einer Bohrlochwand als Version für eine Punktmessung,
4 eine schematische Darstellung eines Messarms der Messvorrichtung in Frontalansicht als Version für eine Punktmessung,
5 eine schematische Darstellung der Messvorrichtung in einer Großfolien-Einpackung als Version für das TCS-Verfahren (Wärmeleitfähigkeitsabtastung),
6 eine vergrößerte Darstellung des Erfassungsortes gemäß 5,
7 eine perspektivische Darstellung der Messvorrichtung mit liftartig bewegter Messapparatur innerhalb der Messvorrichtung, hier noch ohne Folie und Referenzkörper dargestellt,
8 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der Messapparatur nach 7,
9 eine perspektivische Darstellung des oberen Bereiches der Messvorrichtung und
10 eine perspektivische Darstellung des unteren Bereiches der Messvorrichtung,
11 den Zweischichtfall für die Simulationen,
12 einen Zusammenhang zwischen berechneter Wärmeleitfähigkeit (x-Achse) und tatsächlicher Wärmeleitfähigkeit (y-Achse),
13 die Abhängigkeit des a-Wertes [1] (y-Achse) in Abhängigkeit von der Zeit [s] (x-Achse),
14 die Abhängigkeit des b-Wertes [1] (y-Achse) in Abhängigkeit von der Zeit [s] (x-Achse) und
15 Fitting der Kurven für die Terme a und b, wobei auf der x-Achse die Zeit und auf der y-Achse die Werte für a bzw. b dargestellt sind.
Im Folgenden werden die 1 und 2 gemeinsam betrachtet.
In 1 ist eine Messvorrichtung 1 zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Materials von Bohrlöchern 4 unter Verwendung des Laserflash-Verfahrens bei Vor-Ort-Messungen im Bohrloch dargestellt.
Die in 1 schematisch dargestellte empfindliche Messapparatur 2 befindet sich in einem Gehäuse 27, das dem Umgebungsdruck stand hält und wasserdicht ist.
In 2 ist eine schematische Anordnung der Messapparatur 2 innerhalb des stabilen Gehäuses 27, wobei 2a eine erste Phase und 2b eine zweite Phase zeigen. Die erste Phase dient zur Ermittlung der Temperaturverlaufskurven. Die zweite Phase dient zur Ermittlung der Entfernung Bohrlochwand 5 zum Ende eines eingesetzten Teleskoprohres 31 am Beispiel einer Laufzeitkurvenermittlung mit Lichtblitz, wobei der Modul 14 für die bei einer Entfernungsmessung benötigten Installationen steht, wie auch in 6 und 7 gezeigt ist. Es ist aber nicht unbedingt notwendig, ein Teleskoprohr für den Temperaturerfassungsstrahlengang einzusetzen. Die Temperatur der Doppelschicht 23, insbesondere der Folie 7 kann auch ohne Teleskoprohr 31 gemessen werden.
Die Anordnung ist geeignet, um durch ein und dasselbe Rohr mehrere Strahlengänge zu leiten. Durch die Spiegel kommt es hier allerdings zu Dämpfungen, weshalb für das TCS-Verfahren eine andere Anordnung genutzt wird. Beim TCS ist der Kontakt zur Wand nicht durch ein Rohr eingeschränkt, weshalb Sensoren und Laser parallel nebeneinander angebracht werden können (direkt auf die Wand gerichtet). Die fixierten Punkte der jeweiligen Module werden dann durch die Bewegung der Sensoreinheit übereinander gebracht.
In 3 ist ein Teleskoprohr 31 eines Messarmes dargestellt, wobei die Verbindungsstücke zwischen den Elementen des Teleskoparmes durch eine Folie 38 vor Feuchtigkeit geschützt werden.
Um das Bohrlochfluid zu verdrängen, wird im Messbereich ein Kissen 32 mit Pressluft gefüllt. Das Kissen 32 entspricht einem Packer, mit einigen Abänderungen. Das Material des Kissens 32 ist nach Möglichkeit dünn. Um dabei eine gute Stabilität des Kissens 32 zu gewährleisten, wird hierfür kein elastisches Material verwendet, sondern ein unelastischer Stoff in Form einer Folie 7. Da für ein vollständiges Verdrängen des Fluids ein elastisches Verhalten der Folie 5 benötigt wird, wird die untere Seite der Folie 5 an dem freien Ende, an der Feder-Folien-Verbindungsstelle 35 eines Federrings befestigt, der wiederum den Kontakt mit der Messapparatur realisiert, wie in 3 gezeigt ist. Die Messkammer 3 ist mittels der Folie 7 und dem Federring 6 von der Umgebung abgeschlossen, wodurch ein Eindringen von Bohrlochwasser in die Messkammer 3 unterbunden wird.
In 3 ist die Messapparatur 2, insbesondere über einen Messarm mittels einer elastischen Stelze 39 an der Bohrlochwand gehaltert und es bildet sich zwischen Folie 7 und Bohrlochwand 5 eine Doppelschicht aus. Die 4 zeigt diese Messapparatur 2 in einer Frontalansicht.
Die Blattfeder 6 zieht die Folie 7 von der Bohrlochwand 4 weg und wirkt damit dem pneumatischen Druck entgegen, so dass nur unter pneumatischem Druck ein geschlossener Kontakt zwischen Folie 7 und Bohrlochwand 5 vorliegt. Wird von der Struktur der Wand 5/der Folie 7 abgesehen, so liegt damit angenähert ein Zweischichtfall (eine Doppelschicht 23) vor, wie er in der Druckschrift Sölter, H. J.: Das Laserpulsverfahren zur simultanen Bestimmung der Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit von Zweischichtsystemen: Vergleich von Auswerteinformalismen und Untersuchungen an plasmagespritzten Schichten, Dissertation, Stuttgart, 1989 behandelt wird. In der Messkammer (MK) 3 liegt ein luftgefüllter Raum vor, der die Entfernung zwischen Messapparatur 2 und Wand (plus Folie) 23 überbrückt, wie in 3 gezeigt ist. Um in mehreren Richtungen hintereinander messen zu können, ohne das Kissen 32 neu ansetzen zu müssen, kann der Bereich der Messapparatur 2 mit den Messinstrumenten in der Vertikalen verstellt werden. Das vertikale Verstellen ist auch notwendig, um die zu fokussierenden Positionen von Laser 19, IR-Sensor 13 und Modul 14 zur Entfernungsmessung der Reihe nach übereinander zu bringen und damit vollständige Daten für einen Punkt zu bekommen. Dieses Abfahren eines Profils wurde bereits, wie in der Druckschrift Popov, Y. A.; Rabe, F., Bangura, A.: Analis adekwatnosti teoretitscheskoi i eksperimentalnoi modelei metoda skanirowania pri ismerenijach teploprowodnosti mineralow, porod, rud – Iswestija Wisschich Utschebnich Sawedenii, Geologia i Raswedka, S. 120–129, Moskau, 1992 beschrieben, durchgeführt.
In einer weiteren, in 5 und in einer vergrößerten Zeichnung in 6 schematisch dargestellten Vorrichtung 1, ohne mindestens einen Messarm, wird gezeigt, wie der Kontakt zwischen Messapparatur 2 und Bohrlochwand 5 über drei Scheiben 15, 16, 17 realisiert ist, wie in 5 gezeigt ist.
Die erste Scheibe 15 lässt das Laserlicht des Lasers 19 hindurch. Das Laserlicht kann oberirdisch, also außerhalb des Bohrlochs, erzeugt und über ein Lichtleiterkabel 11 eingespeist werden. Dafür wird als Scheibenmaterial z. B. Quarzkristallglas eingesetzt. Durch die begrenzte Lichtdurchlässigkeit von Glasfaserkabeln 11 wird eine mögliche Lichtwellenlänge des Lasers 19 auf maximal 3 μm beschränkt. Als Laser 19 kommt für diesen Fall also ein Diodenlaser in Frage. Wird auf das Lichtleiterkabel 11 verzichtet, so kann der Laser 19 auch in der Messapparatur 2 installiert sein, was aber die Erwärmungsgeschwindigkeit der Messapparatur 2 erhöht. In diesem Fall ist die Lichtwellenlänge des Lasers 19 nicht durch ein Kabel 11 beschränkt.
Die zweite Scheibe 16 in 5 und 6 wird dafür genutzt, die von der Bohrlochwand 5 emittierte Wärmestrahlung zum IR-Sensor 13 durchzulassen. Bei einer Temperatur von 10°C tritt die höchste Strahlungsintensität bei einer Wellenlänge von über 10 μm auf, weshalb hier als zweite Scheibe 16 eine Spezialscheibe genutzt wird. Als Kristalle dafür kommen z. B. ZnSe, AgGaSe₂- oder AgGaS₂-Kristalle in Frage, die auch bei Wellenlängen der Wärmestrahlung lichtdurchlässig sind. Der Kristall hat einen Durchmesser von etwa 1 cm, um eine Messung an mehreren Wandbereichen zu ermöglichen.
Die dritte Scheibe 17 wird genutzt, um eine flächenhafte Entfernungsmessung an der zu beprobenden Bohrlochwand 5 zu ermöglichen. Dadurch wird das Erstellen eines Oberflächenmodells möglich. Das Material der dritten Scheibe 17 ist an die Lichtfrequenz der entsprechenden Messinstrumente angepasst. Alle drei Scheiben 15, 16, 17 müssen stark genug sein, um den Druck aus der Messkammer 3 von der Messapparatur 2 fernhalten zu können und ein Eindringen von Wasser zu verhindern, falls die Folie 7 reißen sollte.
Durch die Kristalle wird so ein Kontakt zwischen Messapparatur 2 und Folie 7/Bohrlochwand 5 realisiert, ohne die Messapparatur 2 den Umgebungsbedingungen, insbesondere Druck und Feuchtigkeit auszusetzen.
Um eine Erwärmung möglichst zu verhindern, wird der Laser 19 vorzugsweise oberirdisch betrieben und dort gekühlt. Während der Messungen kann sich die gesamte Messapparatur 2 dennoch erwärmen. Um dies weitgehend zu unterbinden, wird die Messapparatur 2 so gebaut, dass ein möglichst guter passiver Wärmeaustausch mit dem Bohrlochfluid stattfinden kann.
Beim Einpumpen von Druckluft kann sich auch der Schlauch 8 für die Übertragung des pneumatischen Druckes erwärmen oder, bei Entspannung der Luft, entsprechend der Zustandsgleichung realer Gase, sogar unter die Umgebungstemperatur abkühlen. Durch Steuerung dieser Prozesse ist die Temperatur in der Messkammer 3 nach Belieben regulierbar. Wird die komprimierte Luft ohne Abkühlung direkt in die Messkammer 3 gelassen, so erwärmt sich die Messkammer 3. Die entstandene Temperaturdifferenz zwischen Druckschlauch 8 und dem umgebenden Bohrlochfluid kann jedoch auch über eine gewisse Verweilzeit im Druckschlauch nach Wunsch ausgeglichen werden. Wenn das Gas unter Druckabfall durch das Ventil 9 und/oder 10 in der Messkammer 3 entlassen wird, so kühlt es sich ab und kühlt den gesamten Messbereich. Die Endtemperatur in der Messkammer 3 kann dadurch reguliert werden. Um über die Regulierung eine konstante Temperatur, d. h. die Temperatur des umgebenden Wasser, gewährleisten zu können, werden Temperaturen im Druckschlauch 8 sowie die Temperatur in der Messkammer 3 separat bestimmt. Das Ventil 9/10 vor der Messkammer 3 erfüllt noch einen weiteren Zweck. Bei einem möglichen Riss der Folie 7 kann das Ventil 9 und/oder 10 einströmendes Wasser aus dem Druckschlauch fernhalten.
Um verfälschende Reflexionen an der Bohrlochwand 5 zu vermeiden, ist die Farbe der zu bestrahlenden/abstrahlenden Bohrlochwand 5 durch Aufbringen der Folie 7, wobei der Fall des Zweischichtfalls-Doppelschicht – gegeben ist, mit der Farbe der Folie 7 definiert. Im angepassten Falle sollte die Folie 7 ein „schwarzer Körper” sein. Damit absorbiert die Bohrlochwand 5 das auftreffende Licht vollständig, unabhängig vom Winkel, mit dem das Laserlicht auftrifft.
Die eingesetzte Folie 7 weist einen einheitlichen Emissionsgrad auf. Damit hängen Unterschiede in der Emissionsintensität der Bohrlochwand 5 nur noch vom Winkel der von der Bohrlochwand 5 geprägten Doppelschicht 23 und der Temperatur ab. Die Berücksichtigung des Winkels wird im Folgenden beschrieben.
Um eine richtungsabhängige Wärmestrahlung zu berücksichtigen, kann, sofern durch die Anbringung der Messapparatur 2 und nach Anpressen der Folie 7 die Umgebungstemperatur am Probekörper nicht bereits verändert wird, vor Beginn der Bestrahlung von einem stationären Zustand der Temperaturverteilung ausgegangen werden. In diesem Zustand kann über Messungen der Umgebungstemperatur auf die Anfangstemperatur des Probekörpers/der Bohrlochwand 5 geschlossen werden. Bereits in diesem Zustand ist eine Wärmestrahlung messbar. Dafür wird eine „Nullmessung” mit dem Probekörper vor der Bestrahlung durchgeführt. Damit ist die Temperatur für eine Strahlung bekannt. Über numerische Modelle kann damit auf Strahlungsverhältnisse für andere Temperaturen geschlussfolgert werden. Damit ist eine exakte Umrechnung der Strahlungsverhältnisse in absolute Temperaturen des Probekörpers/der Doppelschicht 23 möglich.
Da die Oberflächenstruktur einen Einfluss auf die Wärmeausbreitung hat, sind zur Bestimmung des Oberflächenmodells Daten über die Entfernung der Bohrlochwand 5 vom der Messapparatur 3 notwendig. Diese können nach dem eigentlichen Messschritt, der Messung der Temperaturverlaufskurven, separat bestimmt werden, beispielsweise über Laufzeitkurven oder über ein Interferometer, über Triangulation oder über Confocal-Verfahren. Diese Verfahren sind allerdings nur möglich, wenn Licht von der Bohrlochwand 5/Doppelschicht 23, speziell von der Folie 7, reflektiert wird. Da die Folie 7 jedoch möglichst ein schwarzer Körper ist, wird sie so modifiziert, dass sie in der Lichtfrequenz, die das Modul 14 zur Entfernungsmessung nutzt, gut reflektieren kann. Das Licht dieses Testes muss also eine andere Frequenz aufweisen, als das Laserlicht, welches zur Erwärmung der Bohrlochwand 5 genutzt wird.
Mit dem Wissen über die Entfernung diskreter Wandpunkte der Bohrlochwand 5 vom Lichtleiterkabel 19 kann über Interpolation ein Modell der Wandoberfläche bestimmt werden, womit ein Wärmeflussmodell für die Bohrlochwand 5 errechnet werden kann.
Alternativ zur Berechnung eines neuen Wärmeflussmodells für jede Messung kann ein Näherungsverfahren für die Berechnung eines Wärmeflusses verwendet werden. Das Näherungsverfahren kann vorgefertigte Wärmeflussmodelle für repräsentative Wandmodelle verwenden und einer Berechnung der Wärmeleitfähigkeit λ zugrunde liegen.
Die tatsächlichen Abstände-Positionen der Abtastpunkte – der benachbarten sondierten Wandpunkte können mit dem Modell und den Positionen von Entfernungsmessgerät und Infrarotsender berechnet werden.
Oberirdisch ist eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit mittels programmtechnischer Mittel aus den erfassten Messwerten der Doppelschicht 23 vorhanden.
Folgende erfindungsgemäße Verfahrensschritte werden dabei durchgeführt:

– Das pneumatische Anpressen einer Folie 7 als Doppelschicht 23, bei der eine Schicht bekannt ist,
– Das Verdrängen des Wassers durch die Folie 7,
– Die Anwendung eines druck-/feuchtigkeitsresistenten Gehäuses 27 für die Messapparatur 2,
– Die Verwendung von mindestens einer Scheibe, vorzugsweise von drei verschiedenen Scheiben 15, 16, 17, teilweise aus wärmestrahlungsdurchlässigem Material, bei Druck bis 20 bar (200 mm Wassersäule) und Feuchtigkeitsresistenz,
– Die Verwendung von Blattfedern 6 zum elastischen Spannen der Folie 7, wobei die Folie nicht elastisch sein muss,
– Die aktive Temperaturregulierung und Druckregulierung in der Messkammer 3 über die Pneumatik,
– Die Entfernungsbestimmung (die Entfernungsbestimmung ist ein bekanntes Verfahren) mittels Lichtreflexion an einer nur teilweise (für eine Frequenz) reflektierenden Folie 7,
– Die Ermittlung der Temperaturleitfähigkeit aus der Auswertung der erfassten Messwerte der Doppelschicht 23 in einer Auswerteeinheit und Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit λ und weiterer Wärmeparameter mittels programmtechnischer Mittel der Auswerteeinheit.

In 7 ist eine perspektivische Darstellung der Messvorrichtung 1 mit liftartig bewegter Messapparatur 3 innerhalb der Messvorrichtung 1 gezeigt, bei der die Folie 7 (nicht gezeigt) bereits an die Bohrlochwand 5 angepresst ist. Die Folie 7 bildet eine Schicht, die die Bohrlochwand 5 bereits umgibt. Die Messvorrichtung 1 enthält ein stabiles Gerüst 20. Das Sensorgehäuse 27 ist in der Längsachse zwischen dem Gerüst 20 rotierbar. Der Elektromotor dafür sitzt im oberen Bereich 25. Das Sensorgehäuse 27 hängt an zwei Bändern, welche auf Schienen 40 laufen, einem Förderband ähnlich.
Über das Band ist die Messapparatur 2 in der Vertikalen beweglich. Die vertikale Bewegung wird über einen Elektromotor realisiert, der im oberen Bereich von 25 sitzt.
Die Kabel 24 für die Versorgung der Module 13 und 14, die im Sensorgehäuse 27 sitzen, befinden sich in einem Teleskoprohr 21, wobei die Kabel 24 aber auch frei hängen können. Zu den Modulen im Sensorgehäuse 27 gehören das Umlenkprisma 12 für das Laserlicht, der Umlenkspiegel 22 für die Wärmestrahlung (ist bei anderer Anordnung der Sensoren nicht notwendig), die 2D-IR-Sensoreinheit 13, die sowohl vor dem Erwärmungspunkt 41 als auch dahinter misst, und das Modul 14 für die Entfernungsmessung mit Triangulation. In der 8 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung der Messapparatur 2 nach 7 gezeigt.
In der Messvorrichtung 1 wird die Einheit beim Messen aufwärts bewegt. Damit entspricht das Prinzip einer TCS-Messung, wie sie in der Druckschrift Popov, Y. A., Pribnov, D. F. C., Sass J. H., Williams, C. F.; Burghardt, H.: Characterization of rock thermal conductivity by high-resolution optical scanning, Pergamon, Geothermics, 28, 1999, S. 253–276 beschrieben ist.
In 9 ist eine perspektivische Darstellung des oberen Bereiches 25 der Messvorrichtung 1 mit den beiden Kammern 28 gezeigt, die die Motoren für Rotation und Translation enthalten. Außerdem ist die obere Umlenkung von einem der beiden Bänder dargestellt.
In 10 ist eine perspektivische Darstellung des unteren Bereiches 26 der Messvorrichtung 1 gezeigt, wobei sich in der Kammer 29 die Kugellager befinden. Außerdem ist die untere Umlenkung von einem der beiden Bänder dargestellt.
Die Gleichung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit λ mit einer bewegten Punktquelle (Gleichung (I)) aus der Druckschrift Popov, Pribnow, Sass, Williams, Burghardt: Characterization of rock thermal conductivity by high-resolution optical scanning, Pergamon, Geothermics 28, 1999, Seiten 253–276, ist nicht direkt auf einen Zweischichtfall anwendbar:
Liegt ein Zweischichtfall vor, so wurde im bisherigen Verfahren von Popov et al. die Annahme getroffen, dass die hintere der beiden Schichten entweder unendlich- oder gar nicht leitfähig ist.
Im erfindungsgemäßen Fall kann diese Annahme nicht getroffen werden, da die zweite Schicht den Probekörper, d. h. die Bohrlochwand, darstellt, die es zu untersuchen gilt.
Um die Leitfähigkeit der zweiten Schicht bestimmen zu können, ist es notwendig, die Eigenschaften der ersten Schicht (der eingesetzten Folie) zu kennen.
11 zeigt einen Zweischichtfall, wie er in den Simulationen angenommen wurde. Im Zentrum an der Oberfläche befindet sich eine Linie, an der sich die Wärmequelle entlang bewegt. Die obere Fläche stellt die bekannte Schicht-Folie – dar. Ihre Leitfähigkeit ist relativ hoch und liegt bei 5 W/mK. Ihre Dicke der Folie liegt bei einem Millimeter. Die Schicht-Bohrlochwand – darunter ist viel dicker und besitzt eine „unbekannte” Wärmeleitfähigkeit, die es zu ermitteln gilt.
Testberechnungen in Comsol Multiphysics haben ergeben, dass der Zusammenhang zwischen tatsächlicher Wärmeleitfähigkeit und berechneter Wärmeleitfähigkeit (der unteren Schicht) nach dem obigen Fall (11) mit der Gleichung (I) einen linearen Zusammenhang ergibt. Dieser Zusammenhang ist jedoch zeitabhängig (12). Die Zeit ist hier die Zeit, welche die Wärme für das durchdringen des Probekörpers (plus Folie) hat. Also es ist die Zeit, die zwischen dem Vorbeifahren der Wärmequelle und der Messung vergeht.
Die korrigierte und für die Erfindung wesentliche Gleichung (II) für die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit λ hat demnach die folgende Form:
wobei

a(t): eine zeitabhängige Variable-Anstieg,
b(t): eine zeitabhängige Variable-Koordinate,
λ_R: die Wärmeleitfähigkeit eines Vergeichskörpers,
T_R: die Temperatur eines Vergleichskörpers,
T: die Temperatur der Bohrlochwand (als Probekörper),
λ: die gesuchte Wärmeleitfähigkeit der Bohrlochwand (des Probekörpers) sind.

In 12 ist der Kurven-Zusammenhang zwischen berechneter Wärmeleitfähigkeit (x-Achse) und tatsächlicher Wärmeleitfähigkeit (y-Achse) dargestellt. a(t) und b(t) haben dabei die folgende Kurvenform (13 und 14), wobei 13 die Abhängigkeit des a-Wertes [1] (y-Achse) in Abhängigkeit von der Zeit [s] (x-Achse) und 14 die Abhängigkeit des b-Wertes [1] (y-Achse) in Abhängigkeit von der Zeit [s] (x-Achse) zeigt.
Um die Gleichung der beiden Kurven a und b zu bestimmen, liegt ein entwickeltes Skript in Matlab vor, das Kurven, wie sie in den 13 und 14 dargestellt sind, fittet. Das Skript ist im Folgenden aufgeführt:
load 2.0; % Die Test-Werte des Körpers mit Wärmeleitfähigkeit 2.0 werden im Folgenden als Referenz genutzt.
% Die Dateien, welche die Temperaturkurven wiedergeben, werden in Comsol
% Multiphysics berechnet.
Ab 1 Sek. nach dem Durchlauf werden die ”Messwerte” in der Rechnung berücksichtigt.
% Dafür spricht die Ungenauigkeit von Popovs Formel selbst, die in der
% ersten Sekunde auftritt.
Das sind die tatsächlichen Wärmeleitfähigkeiten der Probekörper. Sie müssen hier per Hand eingegeben werden.
clear X2
clear X3
Das Skript fittet/gleicht die Kurven aus den 13 und 14 an und gibt die entsprechende Funktion wieder. Die Fittings der Kurven für die Terme a und b sind in 15 dargestellt. Auf der x-Achse ist die Zelt dargestellt und auf der y-Achse die Werte für a bzw. b. Da die gefitteten Kurven sehr nahe an den zu fittenden Punkten liegen, sind hier scheinbar nur die beiden Funktionen a und b zu sehen.
Für den untersuchten Fall, nämlich einer 1 mm dicken Folie mit Wärmeleitfähigkeit 5 W/mK und den dahinterliegenden Schichten mit Leitfähigkeiten von 2,2; 2,5; 2,7; 3,0 W/mK, lauten die Terme a und b für Gleichung (II) demnach: a = 2.6957 + (–0.1287)·t + 4.7535·exp(–1.4328·t) b = –3.0430 + 0.1954·t – 3.7524/t^2 + 1.0573/t^4
Die Gleichung gilt hier für Zeiten t ab einer Sekunde und wurde für t < 5 s gefittet. Mit dem obigen Skript ist es jedoch möglich, auch weitere Fälle zu berücksichtigen.
Die Gleichung muss für andere Folien jeweils angepasst/neu berechnet werden. Für t > 5 s ist es notwendig, längere Temperaturverlaufskurven (Datensätze in Comsol Multiphysics) zu bestimmen.
Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
Die Erfindung wird primär für die Anwendung im Bohrloch 4 entwickelt. Durch sie können Kosten und Arbeitsaufwand für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit reduziert werden. Das Verfahren kann leicht abgewandelt auch in anderen Gebieten eingesetzt werden. Dazu zählen beispielsweise:
Untersuchungen der Wärmeleitfähigkeit von marinen Böden oder von fluidgefüllten Schächten oder Kavernen bzw. prinzipiell in anderen fluidgefüllten Räumen.
Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

– Die Erfindung ermöglicht die Anwendung des Laserflash-Verfahrens und des TCS-Verfahrens im Bohrloch. Das erspart Zeit und Kosten für eine aufwändige Probenentnahme und Probenaufbereitung.
– Durch Messung innerhalb vom Bohrloch, d. h. am Ursprungsort des Probenmaterials, unter den ursprünglichen Umweltbedingungen, wird der Messwert nicht verfälscht, was die Aussagekraft der Messergebnisse erhöht. Da der Messvorgang beim Laserflash-/TCS-Verfahren nur einige Sekunden betragen muss, wird um ein Vielfaches schneller gemessen als die gängigen Verfahren für das Bohrloch.
– Die herkömmlichen Verfahren messen integral über ganze Tiefenabschnitte im Bohrloch. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dagegen Messungen an kleinen Punkten. Dadurch ist eine differenziertere Zuordnung der gemessenen Leitfähigkeiten möglich.
– Da richtungsabhängig gemessen werden kann, ist auch eine Bestimmung von Anisotropien möglich.

Bezugszeichenliste

1: Messvorrichtung
2: Messapparatur
3: Messkammer (MK)
4: Bohrloch
5: Bohrlochwand
6: Blattfederring
7: Folie
8: Luftleitung/Pneumatikleitung
9: Druckluftventil
10: Druckluftventil
11: Lichtleiterkabel
12: Umlenkprisma
13: Sensor zur Erfassung der Temperatur der Folie
14: Modul zur Entfernungsmessung
15: Erste Scheibe
16: Zweite Scheibe
17: Dritte Scheibe
18: Aufhängungseinheit
19: Laser, z. B. in der Aufhängungseinheit integriert
20: Gerüst
21: Liftteleskop
22: Ablenkspiegel
23: Doppelschicht
24: Kabel für Sensor und Modul
25: Oberer Bereich
26: Unterer Bereich
27: Sensorgehäuse
28: Kammer mit Motoren für Rotation und für Translation sowie für Bänderumlenkung
29: Kammer für Kugellager und Bänderumlenkung
30: Vorrichtungsgehäuse
31: Teleskoprohr
32: Kissen
33: Federhalterungseinrichtung
34: Folienhalterungseinrichtung
35: Blattfeder-Folien-Verbindungsstelle
36: Laserstrahlengang
37: Temperaturerfassungsstrahlengang
38: Isolierfolie gegen Feuchtigkeit
39: Stelze
40: Schienen
41: Ewärmungspunkt/Messbereich

Literaturstellen

1. Sohnes, S., Wirtz, S., Scherer, V.: Einflüsse von Belägen in Hochtemperaturprozessen: Simultane Messung der Wärmeleitfähigkeit und der spektralen Emissionskoeffizienten in Abhängigkeit der stofflichen Eigenschaften, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Maschinenbau, Schlussbericht eines IGF-Forschungsvorhabens, 2008;
2. Popov, Y. A., Pribnov, D. F. C., Sass J. H., Williams, C. F.; Burghardt, H.: Characterization of rock thermal conductivity by high-resolution optical scanning, Pergamon, Geothermics, 28, 1999, S. 253–276;
3. Hale G. M. and Querry, M. R.: Optical constants of water in the 200 nm to 200 μm wavelength region, Appl. Optics 12, S. 555–563, 1973;
4. DeWitt, D. P., Nutter, G. D.: Theory and Practice of Radiation Thermometry, New York, Wiley, 1988;
5. Dusza, L.: Wärmetransport-Modelle zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit von Werkstoffen mit der instationären Laser-Flash-Methode, Dissertation, Karlsruhe, 1996;
6. Krischer, O: Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik, Springer-Verlag, 1956;
7. Schulle, W.: Die Eignung der dynamischen Heißdrahtmethode zur Bestimmung der Wärmeleitzahl von feuerfesten Baustoffen bei Raumtemperatur und bei höheren Temperaturen, Dissertation, Bergakademie Freiberg, 1962;
8. Sölter, H. J.: Das Laserpulsverfahren zur simultanen Bestimmung der Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit von Zweischichtsystemen: Vergleich von Auswerteinformalismen und Untersuchungen an plasmagespritzten Schichten, Dissertation, Stuttgart, 1989;
9. Tye, R. P.: Thermal Conductivity – Volume 1 und Volume 2, New York, Academic Press, 1969;
10. VDI-Wärmeatlas, 8. Auflage, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1997;
11. Vlajcic, T.: Ein instationäres Verfahren zur Bestimmung der Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit von festen Stoffen, Dissertation, Aachen, 1976;
12. Warnke, K.: Anwendung des Heißdrahtverfahrens zur Messung der Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit an festen Stoffen, Schüttungen und Flüssigkeiten, Dissertation, RWTH Aachen, 1975;
13. Zehner, P., Schlünder, E. U.: Einfluß der Wärmestrahlung und des Druckes auf den Wärmetransport in nicht durchströmten Schüttungen, Chem.-Ing.-Tech., 44, S. 103 ff, 1972;
14. Bauer, R., Schlünder, E. U.: Effective Radial Thermal Conductivity of Packings in Gas flow, Part II: Thermal Conductivity of the Packing Fraction without Gas Flow, Int. Chem. Eng., 18, S. 189–204, 1978;
15. Popov, Y. A.; Rabe, F., Bangura, A.: Analis adekwatnosti teoretitscheskoi i eksperimentalnoi modelei metoda skanirowania pri ismerenijach teploprowodnosti mineralow, porod, rud – Iswestija Wisschich Utschebnich Sawedenii, Geologia i Raswedka, S. 120–129, Moskau, 1992.

Claims

Vorrichtung (1) zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Materials von Bohrlöchern unter Verwendung eines Laserflash-Verfahrens, speziell einer Wärmeleitfähigkeitsabtastung bei Messungen im Bohrloch (4) unter Verwendung eines Vergleichskörpers, zumindest umfassend – eine Folie (7), die mit der Bohrlochwand (5) nach pneumatischem Anpressen eine Doppelschicht (23) ausbildet, bei der die eine Schicht – die Folie (7) – von zwei Schichten (7, 4) der Doppelschicht (23) definiert vorgegeben ist, – eine von außen gesteuerte Pneumatikeinrichtung mit einer Pneumatikleitung (8), die für das Verdrängen von Wasser aus dem Bohrloch (4) durch die Folie (7) mittels einer Druckregulierung in der Messkammer (3) über die Pneumatikleitung (8) vorgesehen ist, – ein druck-/feuchtigkeitsresistentes Gehäuse (30) für die im Gehäuse (30) befindliche Messapparatur (2), – zumindest eine Scheibe (15, 16, 17), die teilweise aus wärmestrahlungsdurchlässigem Material besteht und zumindest eine Druckresistenz bis 20 bar und Feuchtigkeitsresistenz aufweist, – einen am Gehäuse (30) an einer Federhalterungseinrichtung (33) befestigten Blattfederring (6) zum elastischen Spannen der Folie (7) mittels Druckluft, – zumindest einen IR-Temperatursensor (13) zur aktiven Temperaturregulierung in der Messkammer (3) über die Pneumatikleitung (8), – ein Modul (14) in Verbindung mit einer der Scheiben (17) zur Entfernungsbestimmung des Erwärmungspunktes/Messbereiches (41) auf der Folie (7) mittels Lichtreflexion an der möglichst nur für eine Frequenz reflektierenden Folie (7), – eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der Temperaturleitfähigkeit aus der Auswertung der erfassten Messwerte der Doppelschicht (23) und Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit (λ) und weiterer Wärmeparameter mittels programmtechnischer Mittel in der Auswerteeinheit, sowie – den Vergleichskörper mit bekannten vorgegebenen thermischen Eigenschaften: der Wärmeleitfähigkeit, der Dichte und der spezifischen Wärmekapazität.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verdrängung des Bohrlochfluid/Wassers im Messbereich (41) ein Kissen (32) aus dem Blattfederring (6) und der Folie (7) mit gefüllter Druckluft vorhanden ist, wobei das Kissen (32) einen Packer darstellt, der die Vorrichtung (1) an der Bohrlochwand (5) durch Haftreibung haltert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Seite der Folie (7) an dem freien Endbereich des Blattfederrings (6) an einer Blattfeder-Folien-Verbindungsstelle (35) befestigt ist, wobei der Blattfederring (6) selbst am anderen Endbereich an einer Federhalterungseinrichtung den Kontakt mit der Messapparatur (2) realisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (3) mittels der Folie (7) und dem Blattfederring (6) von der Umgebung durch das Kissen (32) abgeschlossen ist, wodurch ein Eindringen von Bohrlochwasser in die Messkammer (3) unterbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Blattfederring (6) die Folie (7) von der Bohrlochwand (5) wegzieht und damit dem in die Messkammer (3) eingelassenen pneumatischen Druck entgegenwirkt, so dass nur unter vorgegebenem pneumatischem Druck ein geschlossener Kontakt zwischen Folie (7) und Wand (4) und somit auch eine Doppelschicht (23) vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um in mehreren Richtungen hintereinander an der Bohrlochwand (5) zu messen, ohne das Kissen (32) neu anzusetzen, die Messapparatur (2) um die vertikale Achse rotierbar ist, sowie in der Vertikalen innerhalb des Kissens (32) verstellbar ist, um durch das vertikale Verstellen die zu fokussierenden Positionen von Laser (19), Infrarot-IR-Temperatursensor (13) und Modul (14) zur Entfernungsmessung der Reihe nach übereinander zu bringen und damit vollständige Daten für den Messbereich (41) zu bekommen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messapparatur (2) sich in einem Gehäuse (27) befindet, das dem Umgebungsdruck stand hält und wasserdicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Laser (19) ein Diodenlaser eingesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zumindest ein Ventil (9 und/oder 10) aufweist, das mit einem Druckluftschlauch in Verbindung steht, so dass die Druckluft über das Ventil (9 und/oder 10) über einen Schlauch in die Messkammer gelassen wird, um das Kissen (32) auszubilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbe der Folie (7) derart ausgebildet ist, dass die Folie (7) einen möglichst schwarzen Körper darstellt, so dass die Bohrlochwand (5) das auftreffende Laserlicht möglichst vollständig, unabhängig vom Winkel, mit dem das Laserlicht auftrifft, absorbiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (7) einen einheitlichen Emissionsgrad aufweist, so dass die Unterschiede in der Emissionsintensität nur noch vom Winkel der Bohrlochwand (5) oder der Doppelschicht (23) und der Temperatur abhängen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Scheibe (15) für den Durchlass des Laserlichtstrahlenganges (36) eingesetzt wird, dass die zweite Scheibe (16) dafür genutzt wird, die von der Bohrlochwand (5) reflektierte/emittierte Wärmestrahlung zum IR-Sensor (13) durchzulassen, und dass die dritte Scheibe (17) genutzt wird, um eine flächenhafte Entfernungsmessung an der zu untersuchenden Bohrlochwand (5) zu ermöglichen.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Scheibe eingesetzt ist, die derart materialmäßig ausgebildet ist, dass sie die Funktionen der drei Scheiben durchführt.
Verfahren zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Materials von Bohrlöchern (4) unter Verwendung eines Laserflash-Verfahrens, speziell einer Wärmeleitfähigkeitsabtastung, bei Messungen im Bohrloch (4) unter Verwendung der Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 bis 13, durch folgende wesentliche Schritte gekennzeichnet: – Das pneumatische Anpressen einer Folie (7) an eine Bohrlochwand (5) im vorgesehenen Messbereich als Doppelschicht (23), wobei die Folie (7) als Schicht mit definierten Parametern vorgegeben ist, – Das Verdrängen des Wassers aus dem zu vermessenden Teil des Bohrlochs (4) durch Druckluft mittels eines Kissens (32) aus einem Blattfederring und der damit in Verbindung stehenden Folie (7), – Die Anwendung eines druck-/feuchtigkeitsresistenten Gehäuses (27) für die Messapparatur (2), – Die Verwendung von zumindest einer Scheibe, vorzugsweise drei verschiedenen Scheiben (15, 16, 17), teilweise aus wärmestrahlungsdurchlässigem Material, bei Druck bis 20 bar und Feuchtigkeitsresistenz, – Eine Verwendung von Blattfedern (6) zum elastischen Spannen der Folie (7), – Die aktive Temperaturregulierung und Druckregulierung in der Messkammer (3) über die Pneumatik, – Die Entfernungsbestimmung mittels Lichtreflexion an einer nach Möglichkeit nur für eine Frequenz reflektierenden Folie (7), – Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit aus der Auswertung der erfassten Messwerte der Doppelschicht (23) mittels programmtechnischer Mittel in einer Auswerteeinheit sowie aus den bekannten Parametern des Vergleichskörpers (bekannte zweite Doppelschicht).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn der Bestrahlung von einem stationären Zustand der Temperaturverteilung ausgegangen wird, so dass eine Wärmestrahlung bereits messbar ist und die Temperatur für eine Strahlung bekannt ist, wobei über numerische Modelle damit auf Strahlungsverhältnisse für andere Temperaturen geschlussfolgert werden kann und eine exakte Umrechnung der Strahlungsverhältnisse in absolute Temperaturen der Doppelschicht (23) in der Auswerteinheit durchgeführt wird.