DE102019108764A1

DE102019108764A1 - Mineraliendetektionsanordnung und Verfahren zur Detektion und Charakterisierung von Mineralien in einem Bohrloch

Info

Publication number: DE102019108764A1
Application number: DE102019108764.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schönau; Ronny Stolz; Vyacheslav Zakosarenko
Original assignee: Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Priority date: 2019-04-03
Filing date: 2019-04-03
Publication date: 2020-10-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mineraliendetektionsanordnung und ein Verfahren zur Detektion und Charakterisierung von Mineralien in einem Bohrloch.Die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, welche den Nachweis bestimmter Mineralien in einer von einem Bohrloch durchteuften Erdformation auch für Bohrlöcher kleinen Durchmessers mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis ermöglichen, wird dadurch gelöst, dass eine Mineraliendetektions-anordnung zur Bohrloch-Eigenfeld-Resonanz-Spektroskopie bereit- gestellt wird, die ein Gehäuse (1) umfasst, welches geeignet ist, in ein Bohrloch (2) eingeführt zu werden, sowie eine externe Elektronik (3a), welche sich außerhalb des Bohrlochs (2) befindet und elektronisch mit Geräten einer internen Elektronik (3i) im Gehäuse (1) verbunden ist, aufweist, wobei sich innerhalb des Gehäuses (1) eine Eigenfeld-Resonanz-Sonde (11) befindet, wobei die Eigenfeld-Resonanz-Sonde (11) aus einer Sonden-Elektronik (111) und einer Antenne (112) besteht und durch die Antenne (112) ein oszillierendes Magnetfeld geeigneter Frequenz emittierbar ist, welches in radialer Richtung, in der Ebene senkrecht zur Längsachse des Bohrlochs (2) eine geringe radiale Ortsabhängigkeit nahe dem theoretischen Optimum aufweist, welches in einem Gebiet der Umgebung der Antenne (112), welches sich unmittelbar an die Oberfläche der Antenne (112) anschließt eine Proportionalität zwischen der Magnetfeldamplitude und dem Inversen des Abstandes B1 ~ 1/r besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mineraliendetektionsanordnung und ein Verfahren zur Detektion und Charakterisierung von Mineralien in einem Bohrloch, insbesondere zur Verwendung im Bergbau.
Die subterrane Erkundung (Exploration) und Charakterisierung von Erzlagerstätten anhand von Bohrungen ist für den Bergbau von großer Bedeutung, da auf diese Weise eine zuverlässige Analyse des Erdkörpers auch für große Tiefen > 1 km ermöglicht wird. Bisher wurden hierfür hauptsächlich Bohrkerne entnommen und diese Kerne im Labor analysiert.
Darüber hinaus ist auch die Analyse vor Ort am/im Bohrloch mit verschiedenen physikalischen Methoden möglich, welche sich in geoelektrische, magnetische, akustische, Radar und Radioaktivität verwendende Verfahren unterteilen lassen. Hierfür wird eine spezielle Sonde in das Bohrloch herabgelassen, welche die nähere Umgebung des Bohrlochs mit einer oder mehreren der genannten Methoden analysiert und ein Tiefenprofil der untersuchten Parameter erstellt (sogenanntes „Well Logging“).
Eine bedeutende Methode stellt hierbei die Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) dar, da sie die nicht-invasive Identifizierung sowie Charakterisierung diverser für die Bergbauindustrie relevanter Substanzen (einschließlich Mineralien) ermöglicht.
Die NMR ist ein physikalisches Phänomen, bei dem die Spins der Atomkerne durch ein starkes statisches Magnetfeld B₀ in Feldrichtung polarisiert werden. Sind sie einem oszillierenden Magnetfeld B₁ in der Nähe der Resonanz- bzw. Lamorfrequenz f₀ ausgesetzt, werden sie in die Ebene senkrecht zu B₀ ausgelenkt und reagieren mit einer elektromagnetischen Emission bei gleicher Frequenz. Die Amplitude des oszillierenden Magnetfeldes B₁ ist typischerweise mehrere Größenordnungen schwächer als das statische Magnetfeld B₀.
Die Resonanzfrequenz skaliert mit dem statischen Magnetfeld B_0,eff am Kern, das meist leicht von der chemischen Umgebung beeinflusst wird und weiterhin vom gyromagnetischen Verhältnis γ des beteiligten Isotops (¹H, ¹³C, ⁶⁵Cu, ....) abhängt: $f_{0} = \frac{γ}{2 π} \cdot B_{0}, e f f$
Die Amplitude A der Reaktion wird beschrieben durch: $A \propto s i n (γ \cdot B_{1 p} \cdot τ) \cdot e^{- τ \cdot (\frac{1}{T_{1}} + \frac{1}{T_{2}})},$
mit B_1p dem Anteil von B₁ senkrecht zu B₀, τ der B₁-Impulsdauer und T₁ bzw. T₂ der longitudinalen bzw. transversalen Relaxationszeit der zu untersuchenden Substanz.
Das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal to Noise Ratio, SNR) einer NMR-Messung skaliert gemäß $S N R \propto \sqrt{N} \int_{v} A (\vec{r}) \cdot c (\vec{r}) \cdot f_{0}^{2} (\vec{r}) \cdot B_{1 p} (\vec{r}) / I d^{3} \vec{r,}$
mit N der Anzahl der zur Mittelwertbildung herangezogenen Wiederholungen der Messung, V dem Resonanzvolumen, A der nach Gleichung (2) durch die im Allgemeinen vorhandene Ortsabhängigkeit des Magnetfeldes B_1p bedingte ortsabhängige Reaktion der Kernspins, c der ortsabhängigen Konzentration der zu untersuchenden Substanz, f₀ der nach Gleichung (1) durch die im Allgemeinen vorhandene Ortsabhängigkeit des Magnetfeldes B₀ bedingte ortsabhängige Resonanzfrequenz, B_1p/I der ortsabhängigen Sensitivität der B₁-Spule bzw. Antenne, gegeben durch das Verhältnis aus ortsabhängigem Magnetfeld B_1p zu Spulenstrom I. Eine ökonomisch verwertbare Anwendbarkeit der Methode ist erst dann gegeben, wenn in einer vorgegebenen maximalen Messzeit eine vorgegebene Mindestnachweisgrenze der zu untersuchenden Substanz gewährleistet werden kann. Folglich sind das Resonanzvolumen und die Resonanzfrequenz f₀ im Sinne der ökonomischen Verwertbarkeit zu maximieren. Gemäß Gleichung (1) ist die Maximierung der Resonanzfrequenz f₀ gleichbedeutend mit der Maximierung des statischen Magnetfeldes B₀.
Das Resonanzvolumen kennzeichnet dasjenige Volumen in welchem die ortsabhängige Resonanzfrequenz f₀ mit der Frequenz des oszillierenden Magnetfeldes B₁ nahezu übereinstimmt. Die erlaubte Frequenzabweichung ist hierbei durch die natürliche Linienbreite des betrachteten NMR-Peaks und die Frequenzunschärfe des B₁-Pulses derart bestimmt, dass eben genannte Frequenzbereiche zumindest partiell überlappen müssen. Folglich ist das Resonanzvolumen dadurch gekennzeichnet, dass das statische Magnetfeld B₀ eine gewisse, unter anderem auch durch die zu untersuchende Substanz vorgegebene Mindestanforderung an die räumliche Homogenität erfüllt.
Analog zum Resonanzvolumen lässt sich ein effektives Messvolumen definieren. Dieses ist durch den Teilbereich des Resonanzvolumens gekennzeichnet, in welchem das Produkt amplitude $(\vec{r}) \cdot B_{1 p} (\vec{r}) / I$
einen signifikanten Beitrag zum Integral der Gleichung (3) liefert.
Die Herausforderung bei der Realisierung eines NMR-Messgerätes für die Anwendung im Bohrloch besteht in der Erzeugung möglichst geeigneter Magnetfelder B₀ und B₁ unter gleichzeitiger Einhaltung der geometrischen Restriktionen. Während in der konventionellen laborbasierten NMR die Probe in einem Aufbau platziert wird, der hinsichtlich der Magnetfelderzeugung nahezu beliebig optimiert werden kann, befinden sich die zu untersuchenden Substanzen im Fall des Well Loggings innerhalb der Bohrlochwand und somit außerhalb des NMR-Aufbaus. Aus physikalischen Gründen ist die Erzeugung homogener Magnetfelder außerhalb des NMR-Aufbaus schwierig, so dass sich die Magnetfelder B₀ und B₁ innerhalb der Bohrlochwand nur in Form relativ inhomogener Streufelder realisieren lassen, welche die Anforderungen an die räumliche Homogenität nur in einem sehr begrenzten Resonanzvolumen erfüllen.
Die Anwendung von NMR-Messmethoden innerhalb eines Bohrlochs beschränkt sich bisher im Wesentlichen auf die Messung des ¹H-Kerns zu Zwecken der Formationsfluidcharakterisierung, wodurch eine Unterscheidung zwischen freiem und gebundenem Wasser sowie Gas und Öl möglich ist. (Dazu Freedman R and Heaton N 2004 Fluid Characterization using Nuclear Magnetic Resonance Logging PETROPHYSICS 45 241-50). Im Folgenden werden einige Patente dieses Anwendungsbereichs vorgestellt.
EP 90 40 1475 A1 offenbart eine Vorrichtung für die Untersuchung einer Charakteristik einer von einem Bohrloch durchteuften Erdformation, wobei die Vorrichtung umfasst:

• einen in dem Bohrloch längsbeweglich ausgebildeten langgestreckten Korpus;
• von dem Korpus getragene Magnetmittel, angeordnet zum Erzeugen eines statischen und im wesentlichen homogenen Magnetfeldes in einem Volumen der Formation auf einer Seite des Korpus, welches Feld eine Feldrichtung hat, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Langsachse des Korpus erstreckt;
• Antennenmittel, die von dem Korpus getragen werden, welche als Antennen betreibbar sind zum Erzeugen eines oszillierenden Magnetfeldes in dem Volumen und zum Erfassen eines Signals, das repräsentativ ist für nukleare, magnetische Präzession einer Population von Partikeln in dem Volumen ist;
• wobei, die Antennenmittel gegenüber der Langsachse des Korpus zu der genannten einen Seite des Korpus versetzt sind und nicht von dem Korpus umschlossen ist, und wobei der Korpus ausgebildet ist, um die genannte eine Seite des Korpus gegen die Bohrlochwandung anzudrücken.

EP 94 11 5560 A1 offenbart eine Vorrichtung für die Untersuchung einer Charakteristik einer von einem Bohrloch durchteuften Erdformation, welche eine Vorrichtung umfasst mit:

• einem in dem Bohrloch längsbeweglich ausgebildeten langgestreckten Korpus;
• von dem Korpus getragene Magnetmittel, angeordnet zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes in einem Volumen der Formation;
• von dem Korpus getragene Antennenmittel, welche betreibbar sind zum Erzeugen eines oszillierenden Magnetfeldes in dem Volumen und zum Erfassen eines Signals, das repräsentativ ist für nukleare, magnetische Präzession einer Population von Erdformationspartikeln in dem Volumen;
• wobei, der langgestreckte Korpus ein metallisches Gehäuse umfasst, das dem Korpus strukturelle Festigkeit verleiht, und die Antennenmittel von dem metallischen Gehäuse nicht umschlossen sind.

Dabei ist das metallische Gehäuse nicht magnetisch, wobei die Magnetmittel innerhalb des metallischen Gehäuses montiert sind und die Antennenmittel in Bezug auf eine Seite des Korpus versetzt sind. Der Korpus ist dabei ausgebildet, um die Antennenmittel in Kontakt mit der Bohrlochwandung zu bringen, wobei die Magnetmittel zum Erzeugen eines im Wesentlichen homogenen statischen Magnetfeldes in dem Volumen ausgebildet sind, wobei die Antennenmittel zur Erzeugung des oszillierenden Magnetfeldes mit einer Feldrichtung ausgeführt sind, die im Wesentlichen senkrecht zu der Feldrichtung des statischen Magnetfeldes ist.
EP 93 40 1938 A2 offenbart eine Vorrichtung zum Loggen während Abteufens, umfassend

i) Bohrmittel mit:
1. a) einem Bohrbit für das Abteufen eines Bohrlochs in einer Formation;
2. b) einer äußeren Oberfläche und einer Einsenkung in der äußeren Oberflache; und
3. c) einem Gehäusemittel;
(ii) ein gepulstes Kernmagnetresonanzmittel (NMR), untergebracht innerhalb des Gehäuse mittels für das Durchführen von gepulsten NMR-Messungen in einem Bereich der Formation rings um das Bohrloch, während das Bohrloch abgeteuft wird, welches gepulste NMR- Mittel aufweist:
1. a) zwei rohrförmige Magnete, von denen jeder Magnet Pole aufweist und so angeordnet, dass ein Paar gleicher Magnetpole einander gegenüberliegt;
2. b) eine zwischen den beiden rohrförmigen Magneten und in der Einsenkung der Außenoberfläche des Bohrmittels montierte Antenne; und
3. c) Treiberschaltkreismittel für das Ansteuern der Antenne, welcher Schaltkreis in dem Gehäusemittel montiert ist; und
(iii) Leitungsmittel für das Führen von Bohrlochfluid durch das Bohrmittel, welches Leitungsmittel von den beiden rohrförmigen Magneten und der Antenne umgeben ist und welches einen Lauf umfasst, angeordnet zum Isolieren der beiden rohrförmigen Magnete von dem Bohrlochfluid, wobei das gepulste NMR-Mittel für das Unterdrücken der Komponente der gepulsten NMR-Messungen infolge des Bohrlochfluids durch Anlegen eines gepulsten Magnetfeldes umfasst, das in dem Bohrlochfluid stark ist und in dem genannten Bereich der Formation schwach ist.

Darüber hinaus offenbart EP 93 40 1938 A2 ein Verfahren für das Untersuchen einer magnetischen Charakteristik einer Population von Partikeln in einer von einem Bohrloch durchteuften Erdformation unter Verwendung einer Vorrichtung, umfassend einen langgestreckten Korpus, der in dem Bohrloch längsbeweglich ausgebildet ist, wobei dieses Verfahren umfasst:

• Erzeugen eines statischen Magnetfeldes mit radial gerichteten und im Wesentlichen homogenen Feldlinien in einem Volumen der Formation auf einer Seite des Korpus;
• Bestrahlen des Volumens mit einem oszillierenden Magnetfeld; und
• Erfassen von NMR-Signalen bei der Larmor-Frequenz der Partikel unter dem Einfluss des statischen und im Wesentlichen homogenen Magnetfeldes innerhalb des Volumens;

Des Weiteren offenbart EP 93 40 1938 A2 ein Verfahren zum Loggen eines Bohrlochs in einer Erdformation, während das Bohrloch abgeteuft wird, welches Verfahren umfasst:

• Verwenden eines Abschnitts eines Loggen- während-Abteufens-Werkzeugs zum Abteufen des Bohrlochs;
• Verwenden eines anderen Abschnitts des Werkzeugs zum Ausfuhren von gepulsten kernmagnetischen Resonanzmessungen (NMR) in einem Bereich der Formation ringsum das Bohrloch, während das Bohrloch abgeteuft wird, durch Erzeugen eines rotationssymmetrischen Magnetfeldes um die Langsachse des Bohrlochs mit zwei rohrförmigen Magneten, von denen jeder Magnetpole aufweist und die so angeordnet sind, dass ein Paar gleicher Magnetpole einander gegenüberliegen, und
• Verwenden einer zwischen den beiden rohrförmigen Magneten montierten Antenne zum Erregen und Erfassen der NMR-Messungen;
• Führen von Bohrlochfluid durch beide Abschnitte des Werkzeugs mit einem Lauf, der einen Kanal begrenzt und die beiden rohrförmigen Magnete von dem Bohrlochfluid isoliert; und
• Unterdrucken der Komponente der NMR-Messungen, die auf das Bohrlochfluid zurückzuführen ist, durch Anlegen eines gepulsten Magnetfeldes, das in dem Bohrlochfluid stark ist, jedoch in dem genannten Bereich der Formationen schwach ist.

Der Nachteil all dieser technischen Lösungen besteht darin, dass Magnetmittel mitgeführt werden müssen, welche zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes in einem Volumen der Formation notwendig sind. Ferner hängt das SNR signifikant von der Stärke und räumlichen Homogenität des erzeugten statischen Magnetfeldes ab bzw. wird durch diese begrenzt, so dass sich die genannten Lösungen nicht oder nur in sehr begrenztem Umfang auf andere wirtschaftlich interessante Anwendungsfelder übertragen lassen. Beispielsweise würde eine radiale Verkleinerung der genannten Aufbauten, welche für die Verwendung in Bohrlöchern geringeren Durchmessers notwendig wäre, zu einer entsprechenden Verringerung des statischen Magnetfeldes B₀ und folglich zu einer Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses führen. Ähnliches gilt, wenn die genannten Verfahren auf Mineralien angewandt werden sollen. Die gyromagnetischen Verhältnisse jeglicher infrage kommender Isotope sind deutlich geringer als bei ¹H-basierter NMR, z.B. ist γ(⁶⁵Cu) = 0,29 γ(¹H), wodurch sich gemäß der Gleichungen (1) und (2) die Resonanzfrequenz und somit das SNR signifikant verringert.
Ein der NMR-Spektroskopie physikalisch verwandter Effekt ist die Kernquadrupol-Resonanz (Nuclear Quadrupole Resonance, NQR). In der NQR koppelt das elektrische Quadrupolmoment des Kerns an den von der chemischen Umgebung beeinflussten elektrischen Feldgradienten. Trotz der physikalischen Unterschiede verhalten sich Proben in der NMR- und NQR-Spektroskopie von außen betrachtet nahezu identisch, mit dem bedeutenden Unterschied, dass die NQR-Spektroskopie kein statisches Magnetfeld B₀ erfordert. Die Verwendung von NQR statt NMR im Bohrloch umgeht daher jegliche mit der Erzeugung des statischen Magnetfeldes verbundenen Probleme.
Der Sonderfall eines nicht benötigten extern angelegten statischen Magnetfeldes kann auch in der NMR auftreten, wenn die zu untersuchende Substanz selbst ein Magnetfeld ausbildet. Dieser Effekt wurde für verschiedene Minerale beobachtet, unter anderem Chalkopyrit, Hämatit, Cubanit und Pyrrhotin. (Siehe dazu: Bennett D, Miljak D, Schwitter B and Khachan J 2010 Zero Field NMR and NQR measurements of natural copper minerals Proc. - 34TH Annu. Condens. MATTER Mater. Meet. - WAIHEKE ISLAND, AUCKLAND, NZ 1, Anderson D H 1966 Nuclear Magnetic Resonance of Fe57 in Single-Crystal Hematite Phys. Rev. 151 247-57; Gavrilenko A N, Pogoreltsev A I, Matukhin V L, Korzun B V, Schmidt E V and Sevastianov I G 2016 Low-Temperature Studies of CuFe2S3 and CuFeS2 by 63,65Cu NMR in the Internal Magnetic Field J. Low Temp. Phys. 185 618-26 und Bastow T J and Hill A J 2018 57Fe NMR characterisation of pyrrhotite J. Magn. Magn. Mater. 447 58-60)
Im Folgenden werden beide Phänomene, sowohl NMR im eigenen Magnetfeld der Substanz als auch NQR unter dem Begriff der Eigenfeld-Resonanz zusammengefasst.
US 2008/0224696 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Detektion diverser Mineralien mittels NQR in einer von einem Bohrloch durchteuften Erdformation. Der wesentliche Vorteil des darin beschriebenen Aufbaus ist, dass er ohne Magnetmittel zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes B₀ auskommt. Damit ergibt sich, wie auch in US 2008/0224696 A1 beschrieben, ein im Verhältnis zu den bisher im Bohrloch verwendeten NMR-Methoden größeres effektives Messvolumen, welches in diesem Fall allein durch die Reichweite des oszillierenden Magnetfeldes B₁ begrenzt wird. Letzteres wird durch eine langgestreckte Spule mit mehreren Windungen erzeugt, welche um einen Zylinder hochpermeablen Kernmaterials gewickelt ist. Die Spule wirkt dadurch wie ein oszillierender zweidimensionaler magnetischer Dipol und erzeugt für radiale Abstände r, welche deutlich kleiner als die Längsausdehnung der Spule sind, B₁-Magnetfeldamplituden, welche mit dem inversen Quadrat des Abstandes (1/r²) abklingen. Die Sensitivität der Spulenanordnung B_1p/I ist hierbei proportional zum Spulendurchmesser.
Aus diesem Ansatz folgen zwei wesentliche Nachteile:

Erstens wirkt sich die beschriebene Skalierung der Sensitivität mit dem Spulendurchmesser im Fall der Anwendung in Bohrlöchern kleinen Durchmessers negativ auf das Signal-Rausch-Verhältnis aus.
Zweitens entspricht die radiale Abhängigkeit des B₁-Magnetfeldes nicht dem theoretisch erreichbaren Optimum, welches in der Nähe der Felderzeugenden Anordnung dem Inversen des Abstandes (1/r) entspricht. Dadurch werden für das effektive Messvolumen und das Signal-Rauschverhältnis nicht die optimalen Werte erreicht.

Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und den Nachweis bestimmter Mineralien in einer von einem Bohrloch durchteuften Erdformation auch für Bohrlöcher kleinen Durchmessers mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß dem 1. Patentanspruch sowie ein Verfahren gemäß dem 7. Patentanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den nachgeordneten Ansprüchen angegeben.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass eine Anordnung und ein Verfahren vorgeschlagen werden, welche die quantitative Identifizierung von Substanzen direkt in einem Bohrloch mit kleinem Durchmesser ermöglichen, indem sie diese in ihrem natürlich auftretendem Eigenfeld mittels einer Vorrichtung zur Messung von NMR- oder NQR-Spektren analysieren (sogenannte Bohrloch-Eigenfeld-Resonanz-Spektroskopie).
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung der Bohrloch-Eigenfeld-Resonanz-Spektroskopie umfasst ein Gehäuse, welches geeignet ist, in ein Bohrloch eingeführt zu werden, sowie eine externe Elektronik, welche sich außerhalb des Bohrlochs befindet und elektronisch mit den Geräten im Gehäuse verbunden ist.
Innerhalb des Gehäuses befindet sich die Eigenfeld-Resonanz-Sonde, bestehend aus einer Sonden-Elektronik und einer Antenne.
Letztere ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein oszillierendes Magnetfeld geeigneter Frequenz emittieren kann, welches in radialer Richtung, d.h. in der Ebene senkrecht zur Längsachse des Bohrlochs, eine möglichst geringe radiale Ortsabhängigkeit nahe dem theoretischen Optimum aufweist.
Letzteres ist nahe der Antenne gekennzeichnet durch eine Proportionalität zwischen der Magnetfeldamplitude und dem Inversen des Abstandes (B₁ ~ 1/r). Nahe der Antenne bedeutet: in dem Gebiet der Umgebung der Antenne, welches sich unmittelbar an die Oberfläche der Antenne anschließt.
Die Erzeugung eines statischen Magnetfeldes B₀ ist nicht notwendig, da ausschließlich Substanzen analysiert werden sollen, die für die Eigenfeld-Resonanz-Spektroskopie geeignet sind.
Dies hat zur Folge, dass die Resonanzbedingung in einem quasiunbegrenzten Volumen erfüllt ist und das effektive Messvolumen nur durch die Ortsabhängigkeit des B₁-Feldes begrenzt wird.
Die durch die Antenne gegebene geringe radiale Ortsabhängigkeit des B₁-Feldes ermöglicht somit ein großes Messvolumen nahe dem theoretischen Optimum, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis gesteigert und der Nachweis bestimmter Substanzen unter praktischen Gesichtspunkten erst ermöglich wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet die Auswahl eines für das Bohrloch geeigneten Gehäuses (d.h. das Gehäuse muss bzgl. des Bohrlochdurchmessers so ausgestaltet sein, dass es sich frei im Bohrloch bewegen lässt), die Aufteilung der für die Messung notwendigen elektronischen Komponenten in eine Gruppe, die innerhalb des Gehäuses untergebracht wird (Sonden-Elektronik) und eine Gruppe, die außerhalb des Bohrlochs platziert wird (externe Elektronik), die Auswahl einer für die zu untersuchende Substanz bzw. den zu untersuchenden Frequenzbereich geeigneten Antenne, die Einführung des Gehäuses in das Bohrloch, die tiefenabhängige Messung der Eigenfeld-Resonanz der das Bohrloch umgebenden Substanzen durch Emission eines an die jeweilige Messaufgabe angepassten oszillierenden Magnetfeldes B₁, den Empfang des Antwortsignals ebendieser Substanzen durch die Antenne sowie die Auswertung der erhaltenen Messdaten.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer bevorzugten Ausführungsform und der Figur näher erläutert. Dabei zeigt:

1: eine schematische Übersichtsdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mineraliendetektionsanordnung.

Die in 1 dargestellte Mineraliendetektionsanordnung umfasst u.a. eine Antenne (112). Zu dieser ist Folgendes zu bemerken:
Bei konventioneller Bohrloch-NMR, welche ein statisches Magnetfeld B₀ durch mitgeführte Magnetmittel erzeugt, muss B₁ im Messvolumen möglichst senkrecht auf B₀ stehen.
Im erfindungsgemäßen Fall gilt diese Einschränkung nicht, da die Richtungen der Eigenfelder zufällig verteilt sind und folglich keine Vorzugsrichtung für B₁ existiert.
Zur Erzeugung einer Magnetfeldabhängigkeit B₁ ~ 1/r nahe der Anordnung eignet sich die Dipol-Antenne (112) oder Variationen dieser Antennenform. Nahe der Antenne (112) bedeutet: in dem Gebiet der Umgebung der Antenne (112), welches sich unmittelbar an die Oberfläche der Antenne (112) anschließt.
Für eine Dipol-Antenne (112) und auch für eine verkürzte Dipolantenne gilt unter der Nebenbedingung r << L, |z| << L näherungsweise die radiale Abhängigkeit: $B_{1} (r, z) = \frac{μ_{0} \cdot μ_{r} (r, z) \cdot I}{2 π r}$
mit r dem radialen Abstand zur Antenne (112), z der Koordinate in Richtung der Längsachse des Bohrlochs (2) relativ zur Mitte der Antenne (112), L der Länge der Antenne (112), µ₀ = 4π · 10^-7N/A² der Vakuumpermeabilität, µ_r der relativen Permeabilität des Materials am Ort (r,z) und I dem elektrischen Strom durch die Mitte der Antenne (112).
Das Magnetfeld kreist azimutal um die Längsachse des Bohrlochs (2) und ist somit invariant gegenüber einer Drehung der Antenne (112) um die Längsachse des Bohrlochs (2).
Daher besteht die Möglichkeit, den Aufbau in einen Bohrer zu integrieren und das erfindungsgemäße Verfahren während einer Bohrung anzuwenden, ohne dass die Messergebnisse durch die Rotation des Aufbaus beeinträchtig werden.
Die Speisung der Antenne (112) erfolgt, wie in 1 gezeigt, am Antennenende. Sie kann aber auch an jedem anderen Punkt der Antenne (112) erfolgen.
Optimal im Sinne der Sensitivität B₁/I ist der λ/2-Dipol als Antenne (112), dessen Länge die Hälfte der Wellenlänge λ beträgt. Alternativ können auch verkürzte Varianten (sogenannter verkürzter Dipol) in Betracht gezogen werden. Möglichkeiten der Verkürzung bestehen unter anderem in der Einbettung des Antennenstabes in ein hochpermeables Material sowie der Verwendung sogenannter Verlängerungs-Induktivitäten.
Der Vorteil einer (verkürzten) Dipol-Antenne (112) ist, dass das von ihr erzeugte magnetische Wechselfeld allein vom Strom durch die Antenne (112), nicht aber von deren Radius abhängt.
Damit eignet sich diese Antennenform insbesondere für Bohrlöcher (2) kleinen Durchmessers. Der minimale Radius der Antenne (112) wird praktisch nur durch die Ohmschen Verluste begrenzt, welche bei vorgegebenem Antennenstrom mit dem inversen des Antennenradius skalieren.
Für den Betrieb der Antenne (112) muss deren Resonanzfrequenz auf die Resonanzfrequenz der zu untersuchenden Substanz eingestellt und ihre Eingangsimpedanz auf die Impedanz der Antennenzuleitung abgestimmt werden. Dies geschieht durch ein automatisches Anpassungsnetzwerk in Form eines Antennen-Tuners (8), welcher auch potentielle Schwankungen der genannten Größen, die sich aufgrund der Wechselwirkung des emittierten Magnetfeldes mit den sich in der Wand des Bohrlochs (2) befindlichen Substanzen ergeben, ausgleicht.
Die in 1 dargestellte Mineraliendetektionsanordnung umfasst u.a. auch eine externe Elektronik (3a) und eine interne Elektronik (3i).
Eine für die Eigenfeldresonanz-Spektroskopie im Bohrloch (2) geeignete typische Anordnung umfasst mehrere Elektronik-Komponenten, welche sich je nach Messaufgabe innerhalb des Gehäuses (1) [sogenannte interne Elektronik (3i) in Form von Sonden-Elektronik (111) der Eigenfeld-Resonanz-Sonde (11)] oder außerhalb des Bohrlochs (2) [sogenannte externe Elektronik (3a)] befinden können.
Als Schnittstelle zum Benutzer, zur Steuerung und Überwachung der Messung und ihrer Parameter sowie der Auswertung und Darstellung der Messergebnisse dient ein Computer (4) mit entsprechend ausgestatteter Software.
Dieser Computer (4) ist über eine digitale Schnittstelle mit einer programmierbaren Pulserzeugungseinheit (5) verbunden. Letztere erhält entweder die Parameter der zu erzeugenden B₁-Feld-Oszillation, wie z.B. Amplitude und Länge des Pulses oder erhält die konkrete Gestalt des Pulses in gesampelter Form.
Die Pulserzeugungseinheit (5) erzeugt daraus ein analoges Spannungssignal, welches an einen Leistungsverstärker, den sogenannten Transmitter (6), geleitet wird.
Die für den Transmitter (6) maßgebliche Größe ist die maximale Puls-Ausgangsleistung P₀, auf die der Puls verstärkt werden kann. Denn die B₁-Amplitude skaliert proportional zur Wurzel von P₀. Der vom Transmitter (6) verstärkte Puls wird zum Duplexer (7) geleitet, welcher den Puls zum Antennentuner (8) und der Antenne (112) weiterleitet. Dort wird er in eine elektromagnetische Emission umgewandelt, welche mit der zu untersuchenden Substanz wechselwirkt (siehe Gleichung 2).
Durch diese Wechselwirkung entsteht ein ebenfalls elektromagnetisches Antwortsignal, welches die Länge des Pulses überdauert und nach dem Ende des Pulses näherungsweise exponentiell abklingt.
Das Antwortsignal wird von der Antenne (112) empfangen und über den Antennen-Tuner (8) zum Duplexer (7) zurückgeführt. Dieser leitet das Antwortsignal zu einem Vorverstärker (10), welcher das Signal so weit verstärkt, dass es von der nachfolgenden Elektronik weiterverarbeitet werden kann ohne dabei das Signal-Rausch-Verhältnis nennenswert zu beeinträchtigen.
Das verstärkte Antwortsignal wird abschließend von einer Datenerfassungseinheit (9) digitalisiert, an den Computer (4) übergeben und von diesem ausgewertet.
Die in 1 dargestellte Mineraliendetektionsanordnung umfasst u.a. auch ein Gehäuse (1).
Dieses Gehäuse (1) ist derart gestaltet, dass es, falls erforderlich, die nachfolgenden vier Aufgaben erfüllt. Es schützt seinen Inhalt vor der Umgebung im Bohrloch (2), es verdrängt den eventuell im Bohrloch (2) auftretenden Schlamm, es isoliert die Antenne (112)elektrisch von der Umgebung im Bohrloch (2) und es ermöglicht die Verbindung mit der externen Elektronik (3a) sowie weiteren Messgeräten, welche am oder im Bohrloch (2) verwendet werden.
Bohrlöcher (2), welche durch die Bergbau- und Ölindustrie durchs Erdreich geteuft werden, sind häufig mit Schlamm gefüllt, welcher die zu untersuchenden Substanzen enthalten kann.
Da es sich bei diesem Schlamm um ein bewegliches Medium handelt, kann der Nachweis einer sich im Schlamm befindlichen Substanz in einer gewissen Tiefe zu einer Fehlinterpretation der Messung führen, da es nicht ausgeschlossen werden kann, dass die nachgewiesenen Partikel ursprünglich aus einer anderen Tiefe stammen.
Durch die Verdrängung des Schlamms durch das Gehäuse (1) wird einerseits das Innere des Gehäuses (1) geschützt, andererseits werden möglicherweise auftretende Antwortsignale aus dem Schlamm reduziert.
Durch das Gehäuse (1) wird dessen Inhalt auch vor anderen schädlichen Einflüssen, wie z.B. hohem Druck, Erschütterungen und allgemeinen mechanische Einwirkungen geschützt.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann zusammen mit anderen Messgeräten betrieben werden. In diesem Fall sind am Gehäuse (1) mechanische und elektronische Schnittstellen vorzusehen.
Das Gehäuse (1) ist derart gestaltet, dass die Emission und der Empfang elektromagnetischer Signale im für die Messaufgabe relevanten Frequenzbereich ohne Beeinträchtigung möglich sind.
In unmittelbarer Umgebung zur Antenne (112) besteht das Gehäuse (1) aus Materialien vernachlässigbarer elektrischer Leitfähigkeit.
Diese Mineraliendetektionsanordnung wird bei einem Verfahren zur Detektion und Charakterisierung von Mineralien in einem Bohrloch (2) eingesetzt.
Die Durchführung dieses Verfahrens erfordert zunächst die Auswahl eines geeigneten Gehäuses (1) sowie die Aufteilung der elektronischen Komponenten des Aufbaus entsprechend den Anforderungen der Messaufgabe.
Der Durchmesser des Gehäuses (1) muss klein genug sein, um ein problemloses Einführen in das Bohrloch (2) zu ermöglichen. Andererseits sollte der Durchmesser des Gehäuses (1) unter Berücksichtigung eben genannter Einschränkung so groß wie möglich gewählt werden, da auf diese Weise ein Pendeln des Aufbaus innerhalb des Bohrlochs (2) minimiert und die Verdrängung des potentiell im Bohrloch (2) auftretenden Schlamms maximiert wird. Ein großer Durchmesser des Gehäuses (1) vereinfacht zudem die Implementierung des Aufbaus, insbesondere der internen Elektronik (3i).
Die Aufteilung der elektronischen Komponenten richtet sich vor allem nach der Tiefe und dem Durchmesser des Bohrlochs (2). Manche elektronische Komponenten, wie z.B. der Transmitter (6), erfordern einen gewissen Mindestdurchmesser des Gehäuses (1). Je kleiner der Durchmesser des zu untersuchenden Bohrlochs (2) ist, desto mehr elektronische Komponenten müssen zwangsweise außerhalb des Bohrlochs (2) als exterene Elektronik (3a) platziert werden.
Eine analoge Einschränkung ergibt sich aus der Tiefe des Bohrlochs (2) und der damit verbundenen exponentiellen Dämpfung der übertragenen Hochfrequenz-Signale mit zunehmender Länge der Übertragungsleitung. Beispielsweise führt eine typische Dämpfung von 2 Dezibel pro 100 Meter Leitungslänge bei einer Leitungslänge von einem Kilometer zu einem Verlust von 99% der übertragenen Leistung. Mit zunehmender Tiefe des zu untersuchenden Bohrlochs (2) muss folglich ein tendenziell größerer Anteil der elektronischen Komponenten innerhalb des Gehäuses (1) als interne Elektronik (3i) platziert werden.
Aus den genannten Tendenzen lässt sich ableiten, dass Bohrlöcher (2), welche einen gewissen Grenzdurchmesser unterschreiten und gleichzeitig eine gewisse Grenztiefe überschreiten, nicht mit der erfindungsgemäßen Methode untersucht werden können. Im Gegensatz dazu lassen sich, wenn der Durchmesser bzw. die Tiefe des Bohrlochs (2) allein betrachtet werden, keine expliziten Einschränkungen angeben.
Die Aufteilung der elektronischen Komponenten in externe Elektronik (3a) und interne Elektronik (3i) soll im Folgenden anhand von drei Beispielen veranschaulicht werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Im Fall eines 1 km tiefen Bohrlochs (2) mit einem Durchmesser von 15 cm oder größer sind alle elektronischen Komponenten als Sonden-Elektronik (111) realisiert. Um eine Überwachung der Messung durch den Benutzer zu ermöglichen, wird dabei jedoch zumindest der Computer (4) außerhalb des Bohrlochs (2) belassen.
Im Fall eines 200 m tiefen Bohrlochs (2) mit einem Durchmesser von 7 cm wird der Transmitter (6) mit ausreichender Puls-Ausgangsleistung P₀ gemeinsam mit dem Computer (4) außerhalb des Bohrlochs (2) platziert. Geht man von einer Dämpfung um -2dB pro 100 m Leitungslänge aus, kommen dabei vertretbare 40% der erzeugten Puls-Leistung an der Sonden-Elektronik (111) der Eigenfeld-Resonanz-Sonde (11) an.
Die externe Elektronik (3a) besteht in diesem Fall folglich aus dem Computer (4), der programmierbaren Pulserzeugungseinheit (5) und dem Transmitter (6).
Die verbliebenen Komponenten [Duplexer (7), Antennen-Tuner (8), Vorverstärker (10) und Datenerfassungseinheit (9)] entsprechen dann der internen Elektronik (3i) und sind in diesem Fall Bestandteil der Sonden-Elektronik (111) der Eigenfeld-Resonanz-Sonde (11).
Im Fall eines 3 m tiefen Bohrlochs (2) mit einem Durchmesser von 1 cm lassen sich nach derzeitigem Stand der Technik der elektronischen Komponenten keine der genannten elektronischen Komponenten so miniaturisieren, dass sie innerhalb des Gehäuses (1) in das Bohrloch (2) eingeführt werden können. Die externe Elektronik (3a) umfasst in diesem Fall alle genannten elektronischen Komponenten (4 bis 9). Des Weiteren kann in diesem Sonderfall ggf. auch auf die Verwendung eines die Antenne (112) umschließenden Gehäuses (1) verzichtet werden, so dass ausschließlich die Antenne (112) in das Bohrloch (2) eingeführt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren muss die Gestaltung der B₁-Pulse an die Messaufgabe, insbesondere an die zu untersuchende Substanz, und die vorhandenen Messbedingungen angepasst werden.
Grundsätzlich sollten die Pulse derart gestaltet sein, dass das Signal-Rausch-Verhältnis unter der Annahme, dass die zu untersuchende Substanz gleichmäßig in der Wand des Bohrlochs (2) verteilt ist, maximiert wird. Hierbei sind gegebenenfalls auftretende Einschränkungen durch die jeweilige Implementierung der erfindungsgemäßen Anordnung, wie z.B. die maximale Pulsleistung oder der maximale Duty Cycle des verwendeten Transmitters (6), zu berücksichtigen.
Die von der Pulserzeugungseinheit generierten Pulse lassen sich mindestens durch die folgenden Parameter beschreiben: die Frequenz f, die Spannungs-Amplitude V, die Pulsdauer τ und den zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Pulse ΔT.
Die Frequenz f des Pulses muss auf die Resonanzfrequenz der zu untersuchenden Substanz abgestimmt sein.
Die Wahl der restlichen Parameter kann aus den Gleichungen (2) und (3) theoretisch abgeleitet oder durch Vorversuche ermittelt werden. Als grobe Richtwerte eignen sich die folgenden Vorgaben: τ = T₂, ΔT = 3T₁ und die Spannungs-Amplitude V so einstellen, dass für das B₁-Feld nahe der Oberfläche des Gehäuses gilt: γ · B_1p · τ = π, wobei B_1p ≈ 0,7 · B₁.
Die Bedingung γ · B_1p · τ ≈ π sorgt gemäß Gleichung (2) dafür, dass das Antwortsignal von Materialien nahe der Wand des Gehäuses (1) unterdrückt wird. Sie sollte daher eingehalten werden, wenn mit parasitären Signalen aus der unmittelbaren Umgebung der Wand des Gehäuses (1) zu rechnen ist, z.B. wenn das Bohrloch (2) mit Schlamm gefüllt ist, welcher die zu untersuchenden Substanzen enthält.
Grundsätzlich ist die Anwendung komplexerer Puls sequenzen zur Gewinnung weiterer Informationen, wie z.B. der Bestimmung der Relaxationszeiten, oder zu Imaging-Zwecken möglich.
Solche Pulssequenzen sind jedoch für die Identifikation der zu untersuchenden Substanz nicht nötig, da diese anhand der Resonanzfrequenz erfolgt.
Die Amplitude des gemessenen Antwort-Signals ist direkt proportional zur mittleren Stoffkonzentration der sich im Messvolumen befindlichen, zu untersuchenden Substanz.
Die Vermessung des Bohrlochs (2) erfolgt üblicherweise automatisiert.
Die Messwertaufnahme beginnt, sobald die Pulserzeugungseinheit (5) programmiert ist, die Resonanzfrequenz der Antenne (112) unter Verwendung des Antennen-Tuners (8) auf die Larmorfrequenz der zu untersuchenden Substanz eingestellt und das Gehäuse (1) mit der Messanordnung ins Bohrloch (2) eingeführt wurde.
Das Tiefenprofil als Ergebnis der Messung wird erhalten, indem die Amplitude des Antwort-Signals über der Eintauchtiefe der Antenne (112) in das Bohrloch (2) aufgetragen wird.
Üblicherweise wird die Eintauchtiefe der Anordnung kontinuierlich erhöht.
Es ist aber auch möglich die Eintauchtiefen schrittweise zu erhöhen, z.B. weil die Messung für jeden diskreten Tiefenwert unter identischen Bedingungen wiederholt werden soll.
Das durch die Messung erhaltene Tiefenprofil P(T) entspricht einer mathematischen Faltungsoperation, gegeben durch: $P (T) = \int c (T - z) \cdot g (z) d z$
mit T der Eintauchtiefe der Antenne (112) in das Bohrloch (2), c(T) der mittleren Stoffkonzentration der zu untersuchenden Substanz in der Tiefe T, g(z) der Gerätefunktion und z der Koordinate entlang der Längsachse des Bohrlochs (2) relativ zur Mitte der Antenne (112).
Die Gerätefunktion g(z) beschreibt die Tatsache, dass die Antenne (112) aufgrund ihrer Ausdehnung in z-Richtung über einen gewissen Tiefenbereich empfindlich ist, wodurch die Tiefenauflösung über diesen Bereich „verschmiert“ wird.
Die Tiefenauflösung nach Gleichung (5) entspricht in etwa der Länge der Antenne (112).
Ist die Gerätefunktion bekannt, z.B. durch theoretische Herleitung oder experimentelle Messung, so kann die tiefenabhängige Stoffkonzentration c(T) mittels einer Entfaltungsoperation (Dekonvolution) in einem abschließenden Prozessierungsschritt aus P(T) berechnet werden.
Mit der zuvorstehend beschriebenen Mineraliendetektionsanordnung und dem Verfahren unter Verwendung dieser Anordnung ist es möglich, den Nachweis bestimmter Mineralien in einer von einem Bohrloch durchteuften Erdformation auch für Bohrlöcher kleinen Durchmessers mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis zu ermöglichen, wodurch die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
Der Vorteil der Bohrloch-Eigenfeld-Resonanz-Spektroskopie besteht insbesondere darin, dass sie in einem Bohrloch direkt vor Ort durchgeführt wird, wobei kein Einsatz von NMR-Mitteln zur Erzeugung von B₀ notwendig ist.
Ein weiterer großer Vorteil ist, dass die Bohrloch-Eigenfeld-Resonanz-Spektroskopie eine direkte spektrale Identifizierung von Mineralien ermöglicht, die auf dem Auftreten eines spezifischen Spektralmusters für einzelne Mineralien basiert und somit unempfindlich gegenüber und unbeeinflusst von Gangmaterial ist.
Die vorliegende Erfindung (die Anordnung und das Verfahren zur Bohrloch-Eigenfeld-Resonanz-Spektroskopie) richtet sich an alle Bergbauunternehmen und andere Unternehmen, die in der Mineralexploration und insbesondere im Bereich der Bohrlochmethode tätig sind und daher insbesondere bei der Tiefenexploration oder dem Szenario der „Exploration under cover“ erhebliche wirtschaftliche Aufwendungen haben.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch weder auf den Bereich der Mineralogie beschränkt, noch gibt es eine grundlegende Grenze für den Bohrlochdurchmesser. Daher könnten auch andere Anwendungen betroffen sein, wie bspw. die Charakterisierung von Medikamenten oder Sprengstoffen durch Injektion einer dünnen Nadel in eine Untersuchungssubstanz.
Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1 -: Gehäuse
2 -: Bohrloch
3a -: externen Elektronik
3i -: internen Elektronik
11 -: Eigenfeld-Resonanz-Sonde
111 -: Sonden-Elektronik
112 -: Antenne
4 -: Computer
5 -: Pulserzeugungseinheit
6 -: Transmitter
7 -: Duplexer
8 -: Antennentuner
9 -: Datenerfassungseinheit
10 -: Vorverstärker

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 90401475 A1 [0013]
EP 94115560 A1 [0014]
EP 93401938 A2 [0016, 0017, 0018]
US 2008/0224696 A1 [0023]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bennett D, Miljak D, Schwitter B and Khachan J 2010 Zero Field NMR and NQR measurements of natural copper minerals Proc. - 34TH Annu. Condens. MATTER Mater. Meet. - WAIHEKE ISLAND, AUCKLAND, NZ 1, Anderson D H 1966 Nuclear Magnetic Resonance of Fe57 in Single-Crystal Hematite Phys. Rev. 151 247-57 [0021]
Gavrilenko A N, Pogoreltsev A I, Matukhin V L, Korzun B V, Schmidt E V and Sevastianov I G 2016 Low-Temperature Studies of CuFe2S3 and CuFeS2 by 63,65Cu NMR in the Internal Magnetic Field J. Low Temp. Phys. 185 618-26 [0021]

Claims

Mineraliendetektionsanordnung zur Bohrloch-Eigenfeld-Resonanz-Spektroskopie umfassend ein Gehäuse (1), welches geeignet ist, in ein Bohrloch (2) eingeführt zu werden, sowie eine externe Elektronik (3a), welche sich außerhalb des Bohrlochs (2) befindet und elektronisch mit Geräten einer internen Elektronik (3i) im Gehäuse (1) verbunden ist, wobei sich innerhalb des Gehäuses (1) ein Eigenfeld-Resonanz-Sonde (11) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass • die Eigenfeld-Resonanz-Sonde (11) aus einer Sonden-Elektronik (111) und einer Antenne (112) besteht und • durch die Antenne (112) ein oszillierendes Magnetfeld geeigneter Frequenz emittierbar ist, welches in radialer Richtung, in der Ebene senkrecht zur Längsachse des Bohrlochs (2) eine geringe radiale Ortsabhängigkeit nahe dem theoretischen Optimum aufweist, welches in einem Gebiet der Umgebung der Antenne (112), welches sich unmittelbar an die Oberfläche der Antenne (112) anschließt, eine Proportionalität zwischen der Magnetfeldamplitude und dem Inversen des radialenAbstandes B₁ ~ 1/r besitzt.
Mineraliendetektionsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (112) eine Dipol-Antenne ist, welche als λ/2-Dipol-Antenne oder verkürzte Dipolantenne ausgeführt ist.
Mineraliendetektionsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Antenne (112) unter der Nebenbedingung r << L, |z| << L die radiale Abhängigkeit: $B_{1} (r, z) = \frac{μ_{0} \cdot μ_{r} (r, z) \cdot I}{2 π r}$
mit r dem radialen Abstand zur Antenne (112) ist, wobei: • z der Koordinate in Richtung der Längsachse des Bohrlochs (2) relativ zur Antennenmitte, • L der Länge der Antenne, • µ₀ = 4π · 10^-7N/A² der Vakuumpermeabilität, • µ_r der relativen Permeabilität des Materials am Ort (r, z) und • I dem elektrischen Strom durch die Antennenmitte entspricht.
Mineraliendetektionsanordnung nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Elektronik (3a) und die interne Elektronik (3i) mit einem Computer (4) verbunden ist, wobei der Computer (4) über eine digitale Schnittstelle mit einer programmierbaren Pulserzeugungseinheit (5) verbunden ist.
Mineraliendetektionsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulserzeugungseinheit (5) entweder die Parameter der zu erzeugenden B₁-Feld-Oszillation in Form der Amplitude und Länge des Pulses oder die konkrete Gestalt des Pulses in gesampelter Form erhält, wobei die Pulserzeugungseinheit (5) daraus ein analoges Spannungssignal erzeugt, welches an einen Leistungsverstärker in Form eines Transmitters (6) geleitet wird.
Mineraliendetektionsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Transmitter (6) verstärkte Puls zu einem Duplexer (7) geleitet wird, welcher den Puls zu einem Antennentunrer (8) und der Antenne (112) weiterleitet.
Verfahren zur Bohrloch-Eigenfeld-Resonanz-Spektroskopie unter Verwendung der Mineraliendetektionsanordnung nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 6, umfassend folgende Schritte: • die Auswahl eines für das Bohrloch (2) geeigneten Gehäuses (1), welches hinsichtlich des Durchmessers des Bohrlochs (2) so ausgestaltet ist, dass es sich frei im Bohrloch bewegen lässt), • die Aufteilung der für die Messung notwendigen elektronischen Komponenten in eine Gruppe, die innerhalb des Gehäuses untergebracht wird (Sonden-Elektronik) und eine Gruppe, die außerhalb des Bohrlochs platziert wird (externe Elektronik), • die Auswahl einer für die zu untersuchende Substanz bzw. den zu untersuchenden Frequenzbereich geeigneten Antenne, • das Einführen des Gehäuses (1) in das Bohrloch (2), • die tiefenabhängige Messung der Eigenfeld-Resonanz der das Bohrloch (2) umgebenden Substanzen durch Emission eines an die jeweilige Messaufgabe angepassten oszillierenden Magnetfeldes B₁ und • das Empfangen des Antwortsignals ebendieser Substanzen durch die Antenne (112) sowie die Auswertung der erhaltenen Messdaten.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betrieb der Antenne deren Resonanzfrequenz auf die Resonanzfrequenz der zu untersuchenden Substanz und ihre Eingangsimpedanz auf die Impedanz der Antennenzuleitung abgestimmt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung durch ein automatisches Anpassungsnetzwerk in Form eines Antennen-Tuners geschieht, welcher auch potentielle Schwankungen der Resonanzfrequenz der zu untersuchenden Substanz, der Eingangsimpedanz der zu untersuchenden Substanz und der Impedanz der Antennenzuleitung, die sich aufgrund der Wechselwirkung des emittierten Magnetfeldes mit den sich in der Bohrlochwand befindlichen Substanzen ergeben, ausgleicht.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Antennentuner (8) und der Antenne (112) ausgesendete elektromagnetische Emission mit der zu untersuchenden Substanz im Bohrloch (2) wechselwirkt, wobei durch diese Wechselwirkung ein ebenfalls elektromagnetisches Antwortsignal entsteht, welches die Länge des Pulses überdauert und nach dem Ende des Pulses näherungsweise exponentiell abklingt und dabei das Antwortsignal von der Antenne (112) empfangen und über den Antennen-Tuner (8) zum Duplexer (7) zurückgeführt wird, wobei der Duplexer (7) das Antwortsignal zum Vorverstärker (10) leitet, welcher das Signal so weit verstärkt, dass es von der nachfolgenden Elektronik (3a und i) weiterverarbeitet werden kann ohne dabei das Signal-Rausch-Verhältnis nennenswert zu beeinträchtigen und abschließend das verstärkte Antwortsignal von einer Datenerfassungseinheit (9) digitalisiert an den Computer (4) übergeben und von diesem ausgewertet wird.